Ropa a plyn

Hélium: vedlejší produkt plynárenství



Díky jedinečným vlastnostem Helia je tento plyn ideální pro mnoho důležitých aplikací


Helium bambus: Většina lidí slyšela, že se helium používá jako zdvihací plyn pro meteorologické balóny, balónky a balónky na večírky. Toto jsou velmi malá použití hélia. Použití, které spotřebovává více helia než kterékoli jiné, je chlazení magnetů v MRI (zobrazovacích magnetických rezonancích) v lékařských zařízeních. Fotografie Goodyearů od Dereka Jensena.

Co je to Helium?

Helium je chemický prvek a bezbarvý, bez zápachu, bez chuti, inertního plynu. Má nejmenší atomový poloměr jakéhokoli prvku a druhou nejnižší atomovou hmotnost. Je lehčí než vzduch.

Většina lidí ví, že helium se používá jako zdvihací plyn v balóncích a party balónech, ale nemohou pojmenovat jiný způsob, jakým se používá. Použití helia číslo jedna je jako chladicí plyn pro stroje pro zobrazování magnetickou rezonancí (MRI) používané ve zdravotnických zařízeních. Další důležitá použití helia zahrnují: ochranný plyn pro svařování, inertní plyn pro výrobu v řízené atmosféře, prchavý plyn používaný pro detekci úniku a nízkoviskózní plyn pro tlakové dýchací směsi.

Odkud pochází Helium?

V zemské atmosféře je velmi malé hélium. Je to tak lehký prvek, že gravitace Země ho nedokáže udržet. Když je přítomno na zemském povrchu, nekonečné hélium okamžitě začne stoupat, dokud neunikne na planetu. To je důvod, proč se nafukovací balónky zvedají!

Hélium, které se vyrábí komerčně, se získává ze země. Některá pole zemního plynu mají dostatek helia míseného s plynem, aby bylo možné těžit za ekonomickou cenu. Několik polí ve Spojených státech obsahuje více než 7% objemových hélia. Společnosti, které v těchto oblastech vrtají zemní plyn, produkují zemní plyn, zpracovávají ho a odstraňují helium jako vedlejší produkt.

Ložiska zemního plynu s obsahem helia: Vkladový model pro pole těžby zemního plynu s héliem ve Spojených státech. Hélium je produkováno rozpadem uranu a thoria v granitoidních suterénních horninách. Uvolněné helium je vznášející se a pohybuje se směrem k povrchu v porozitě spojené s poruchami suterénu. Hélium se potom pohybuje vzhůru skrz porézní sedimentární krytí, dokud není zachyceno zemním plynem pod postelemi anhydritu nebo soli. Toto jsou jediné laterálně perzistentní horninové typy, které jsou schopny zachytit a obsahovat malé, vznášející se atomy helia. Tato geologická situace se vyskytuje pouze na několika místech světa, a proto jsou bohaté akumulace hélia vzácné.

Související: Nové použití pevných disků Helium

Proč je hélium v ​​nějakém zemním plynu?

Předpokládá se, že většina helia, které je odstraňováno ze zemního plynu, se tvoří z radioaktivního rozpadu uranu a thoria v granitoidních horninách zemské kontinentální kůry. Jako velmi lehký plyn je vztlak a snaží se pohybovat vzhůru, jakmile se vytvoří. Nejbohatší akumulace helia se vyskytují tam, kde existují tři podmínky: 1) granitoidní podzemní horniny jsou bohaté na uran a thium; 2) suterénní horniny jsou zlomené a zlomené, aby poskytly únikové cesty pro helium; a 3) porézní sedimentární horniny nad chybami suterénu jsou uzavřeny nepropustným těsněním halitu nebo anhydritu. 1 Když jsou splněny všechny tři tyto podmínky, může se v porézní sedimentární horninové vrstvě hromadit helium.

Helium má nejmenší atomový poloměr jakéhokoli prvku, asi 0,2 nanometrů. Když se tedy vytvoří a začne se pohybovat směrem vzhůru, vejde se do velmi malých pórových prostorů ve skalách. Halite a anhydrit jsou jediné sedimentární horniny, které mohou blokovat vzestup migrace atomů helia vzhůru. Břidlice, které mají své pórovité prostory zaplněné hojnými organickými materiály (kerogen), někdy slouží jako méně účinná bariéra.

Ložiska zemního plynu s obsahem helia: Mapa zobrazující pole zemního plynu, která slouží jako důležité zdroje helia ve Spojených státech. Zemní plyn vyrobený z těchto polí obsahuje mezi 0,3% a více než 7% helia. Hélium je odstraněno z plynu pro komerční prodej. Obrázek pomocí údajů o poloze z geologického průzkumu Spojených států. 2

Kde je zemní plyn bohatý na helium?

Většina nezpracovaného zemního plynu obsahuje alespoň stopové množství hélia. Velmi málo polí zemního plynu obsahuje dost pro ospravedlnění procesu regenerace helia. Zdroj zemního plynu musí obsahovat alespoň 0,3% hélia, aby mohl být považován za potenciální zdroj hélia.

Světové zdroje hélia
ZeměMiliardy krychlových metrů
Spojené státy20.6
Katar10.1
Alžírsko8.2
Rusko6.8
Kanada2.0
Čína1.1
Výše uvedené hodnoty jsou odhadované zdroje helia z Shrnutí minerálních komodit USGS. 3

V roce 2010 veškerý zemní plyn zpracovávaný na helium ve Spojených státech pocházel z polí v Coloradu, Kansasu, Oklahomě, Texasu, Utahu a Wyomingu, jak je znázorněno na doprovodné mapě. Hugotonovo pole v Oklahomě, Kansasu a Texasu; pole Panoma v Kansasu; pole Keyes v Oklahomě; Panhandle West a Cliffside Fields v Texasu a Riley Ridge Field ve Wyomingu představují většinu produkce helia ve Spojených státech. 2

Během roku 2010 vyprodukovaly Spojené státy 128 milionů kubických metrů helia. Z tohoto množství bylo ze zemního plynu vytěženo 53 milionů krychlových metrů hélia a 75 milionů krychlových metrů bylo odebráno z národní rezervy hélia. Další země se známými objemy produkce byly: Alžírsko (18 mcm), Katar (13 mcm), Rusko (6 mcm) a Polsko (3 mcm). Kanada a Čína vyrobily malá, ale nehlášená množství hélia. 3

Helium v ​​MRI strojích: První použití helia je chlazení magnetů v MRI (zobrazovacích magnetických rezonancích) strojích používaných k diagnostice nemocí a zranění ve zdravotnických zařízeních.

Nové využití helia: První pevný disk hermeticky uzavřený byl vyroben v roce 2013. Hélium umožňuje pohonu využívat méně energie, produkovat méně tepla, méně hluku, zabírat méně místa, držet více dat a produkovat méně vibrací než standardní pevný disk. Další informace. Fotografie

Použití helia

Helium má řadu vlastností, díky kterým je mimořádně vhodné pro určitá použití. V některých z těchto použití je hélium nejlepším možným plynem k použití, a v několika není adekvátní náhrada helia. Níže je popsáno několik použití hélia spolu s vlastnostmi, které jej činí vhodným pro použití.

Magnetická rezonance

Použití helia číslo jedna je v zobrazovacích strojích s magnetickou rezonancí používaných ve zdravotnických zařízeních k hodnocení zranění a diagnostikování nemocí. Tyto stroje využívají magnetické pole, které je produkováno supravodivým magnetem. Tyto magnety generují obrovské množství tepla. Kapalné helium je chladicí látkou volby pro regulaci teploty těchto magnetů. Protože hélium má druhé nejnižší měrné teplo jakéhokoli plynu a nejnižší bod varu / bod tání jakéhokoli prvku, v tomto velmi důležitém použití se nepředpokládá náhrada helia.

Zdvihací plyn

Hélium má druhou nejnižší atomovou hmotnost jakéhokoli prvku. Pouze vodík má nižší atomovou hmotnost. Jako plyn lehčí než vzduch se hélium používá jako „zvedací plyn“ pro vzducholodi a balóny. Kluzáky, dirigibles, zeppeliny, protiletadlové balóny, meteorologické balóny a jiná lehčí než vzduchová plavidla používají helium jako zdvihací plyn. Je mnohem bezpečnější než vodík, protože není hořlavý. Toto byla nejdůležitější kategorie použití helia až do konce druhé světové války. Jako zdvihací plyn se nyní používá mnohem menší množství helia.

Čisticí plyn: Hélium používá NASA a Ministerstvo obrany k čištění kapalného kyslíku a kapalného vodíku z palivových nádrží a systémů dodávek paliva raketových motorů. Hélium je inertní a má teplotu mrznutí, která je tak nízká, že zůstává proplachovacím procesem plyn. Tok hélia do těchto systémů byl dokonce použit během nouzových situací k uhasení požáru. Obrázek NASA.

Dýchací směsi helia: Hélium se používá k přípravě směsí dýchacích plynů pro hluboké potápění. Hélium je inertní a má pod tlakem nízkou viskozitu, což umožňuje snadnější dýchání. Obrázek NOAA.

Čistící plyn

Hélium má nejnižší teplotu tání a teplotu varu jakéhokoli plynu. Taje a vaří při teplotách blízkých absolutní nule. Protože zůstává plynem při velmi nízkých teplotách, může být použit jako proplachovací plyn pro palivové nádrže a systémy pro dodávání paliva, které jsou naplněny velmi studenými kapalinami, jako je kapalný vodík a kapalný kyslík. Protože je inertní a má nízkou teplotu tuhnutí, může bezpečně přemístit tato paliva bez zamrznutí. NASA a ministerstvo obrany používají velké množství helia pro čištění pohonných systémů raket.

Výroba řízené atmosféry

Hélium je inertní plyn. Jediný plyn s nižší reaktivitou je neon. Díky této nízké reaktivitě je helium cenným plynem, který se používá ve výrobních a opravných procesech, když je vyžadována inertní atmosféra. Hélium má také druhou nejnižší hustotu jakéhokoli plynu spolu s velmi vysokou tepelnou vodivostí. Tyto vlastnosti plynu helia z něj činí atmosféru volby pro mnoho metalurgických procesů, pěstování dokonalých krystalů v chemických parách, výrobu optických vláken a další použití.

Detekce průsaků

Hélium má velmi nízkou viskozitu, vysoký difúzní koeficient a nejmenší atom jakéhokoli prvku. Díky těmto vlastnostem je hélium velmi obtížné udržet. Pokud systém uniká, hélium unikne. Plynný helium se proto používá k testování těsných systémů s vysokým vakuem, palivových systémů a dalších kontejnmentů.

Dýchací směsi

Hélium a další inertní plyny se používají k přípravě dýchacích směsí pro hluboké potápění a lékařské ošetření. Hélium se zde používá, protože je inertní, má velmi nízkou viskozitu a snáze dýchá pod tlakem než kterýkoli jiný plyn.

Svařovací plyn

Helium se používá jako ochranná atmosféra při svařování. Atmosféra inertního plynu chrání horké kovy před oxidací a jinými reakcemi, které se mohou rychle objevit při vysokých teplotách.

Použití hélia: Relativní množství hélia spotřebovaná během roku 2011 různými způsoby ve Spojených státech. Graf pomocí dat z USGS.

Helium: neobnovitelný zdroj

Hélium je plyn, který se nachází pouze tam, kde dochází ke shodě nepravděpodobné situace. Přestože je neustále produkován radioaktivním rozpadem minerálů v zemské kůře, její míra přirozené produkce a akumulace je tak pomalá, že musí být považována za neobnovitelný zdroj.

Informace o heliu
1 Helium v ​​Novém Mexiku: Ronald F. Broadhead, Nová Mexiko geologie, Úřad geologie a nerostných zdrojů v Novém Mexiku, Institut hornictví a technologie v Novém Mexiku, listopad 2005.
2 Helium 2010: Joseph B. Peterson a Peter J. Madrid, Ročenka minerálů, Geologický průzkum Spojených států, leden 2012.
3 Helium 2012: Peter J. Madrid, Shrnutí minerálních komodit, Geologický průzkum Spojených států, leden 2012.
4 Prodej národní rezervy hélia: Výbor pro porozumění dopadu prodeje rezervy hélia, Národní rada pro výzkum, Tisk národních akademií, 2010.
5 Svědectví o Helium Stewardship Act 2013: Svědectví před Sněmovnou reprezentantů Podvýbor pro energetiku a nerostné zdroje, Úřad vlády USA pro odpovědnost, GAO-15-734T, 8. července 2015.
6 Rychle rostoucí ceny hélia mohou vést k prodeji balónu: Rachel Rodgers a Sharon Barricklow, článek v Decatur Herald-Review, únor 2015.

Nedostatky helia a hélium

V roce 1925 vytvořily Spojené státy národní rezervu helia, která měla sloužit jako strategická zásoba helia pro použití ve vzducholodí a pro jiné obranné účely. V té době země produkovala mnohem více hélia, než bylo spotřebováno. Po druhé světové válce se množství hélia použitého jako zdvihací plyn snížilo, ale poptávka po héliu jako proplachovacím plynu při tankování raketových motorů a jako chladicí kapalina v zařízeních jaderných zbraní prudce stoupla. Přesto bylo vyrobeno více helia, než bylo spotřebováno.

V roce 1995 Kongres rozhodl, že národní rezerva helia není nezbytná, a zahájil program prodeje helia v rámci zákona o privatizaci helia z roku 1996. 4 Po téměř dvě desetiletí Kongres umožnil prodej helia s obrovskou slevou zdarma - tržní ceny. Až 1/2 světové poptávky po héliu bylo uspokojeno prodejem z Národní rezervy hélia. V některých letech bylo ze Spojených států vyvezeno do jiných zemí více hélia, než bylo spotřebováno na domácím trhu. 2 Ti, kteří si koupili helium od vlády, dostali fantastickou dohodu a ti, kteří si na volném trhu koupili helium, zaplatili mnohem vyšší cenu.

Dumping národní zásoby helia na trh natolik stlačil cenu helia, že se používal jako levná náhražka argonu a dalších plynů, které mají mnohem méně omezenou dodávku.

Vzhledem k tomu, že komerční produkce helia nebyla odměněna ani silně využita, byl trh nedostatečně zásobován, když byly v roce 2014 tržby z národní rezervy hélia nahrazeny aukčním systémem. V první aukci dva uchazeči nakoupili celou roční alokaci 93 milionů krychlových stop helia více než dvojnásobek tržní ceny předchozího roku. Po dražbě bylo prodáno stejným dvěma uchazečům další miliarda krychlových stop. 5

Od první aukce cena hélia pokračovala v růstu, protože výroba nového hélia klesla spotřebou. Zvýšení ceny vyvolalo investice do nových závodů na zpracování hélia. Hélium se však může vyrábět pouze z polí zemního plynu se solí nebo anhydrátem jako pastí. Vyskytují se pouze v několika částech světa.

Podle současného zákona bude národní rezerva helia vyprodána do roku 2021. Doufejme, že rostoucí investice do zařízení na regeneraci helia budou přiměřené k uspokojení potřeb spotřebitelů helia, když bude tento důležitý zdroj helia pryč.