Гелий. Извлечение гелия
Гелий относится к редким элементам и обладает уникальными свойствами. Он характеризуется химической инертностью и малой способностью вступать в ядерные реакции, более высокой по сравнению с другими редкими газами теплопроводностью и более низкой электропроводностью, малой растворимостью, легкостью, низкой (близкой к абсолютному нулю) температурой кипения, нетоксичностью, отсутствием цвета и запаха, невоспламеняемостью в газообразном состоянии и рядом других ценных свойств.
Эта совокупность свойств гелия предопределяет неизбежность все возрастающего его применения в различных областях науки и техники: в авиации и космонавтике, судостроении, химическом, металлургическом и сварном производствах, ядерной технике, медицине, хроматографии, криогенной технике и др.
Практически весь извлекаемый в мире гелий потребляется государствами, входящими в первую десятку наиболее развитых стран мира. Первое место по потреблению гелия на мировом рынке занимают США, второе - страны Западной Европы, третье - Япония.
Основным сырьем для извлечения гелия являются природные и попутные нефтяные газы.
Затраты на производство гелия почти обратно пропорциональны его концентрации в перерабатываемом газе. Себестоимость гелия также зависит от комплексности переработки газа (дополнительное извлечение этана, пропан-бутана технического (ПБТ), ШФЛУ, газового бензина и др.), производительности установок, количества исходных загрязняющих примесей в газе, местоположения завода, местных условий газопотребления и газотранспорта.
Ориентировочные энергозатраты на выделение гелия из газов, содержащих 0,02; 0,05; 0,35% гелия, составляют 250, 100 и 18 кВт•ч/куб.м соответственно.
В России в настоящее время гелий извлекается на гелиевом заводе (ГЗ) в Оренбурге из природного газа с низким содержанием гелия (до 0,055 % об.).
На ГЗ эксплуатируется пять установок производительностью по сырьевому газу 3,0 млрд. куб.нм/ч каждая. Наряду с гелием из газа извлекаются этан и ШФЛУ.
Технология и основное технологическое оборудование на ГЗ были разработаны и внедрены нашим институтом в 70—80–е годы.
В настоящее время вопросами комплексной переработки газа с извлечением гелия и ценных углеводородных продуктов занимается ООО «ЛЕННИИХИММАШ».
Извлечение гелия из природного газа в промышленных масштабах ведется конденсационно-отпарным методом. Источниками холода для осуществления процесса охлаждения и конденсации перерабатываемого газа являются: адиабатический эффект расширения газа в турбодетандерном агрегате (ТДА); дроссель-эффект при использовании потенциала поступающего на переработку газа и замкнутые холодильные циклы (пропановый, азотный, цикл на смеси углеводородов с азотом).
Использование одного или нескольких источников холода зависит от параметров поступающего на переработку сырьевого газа, от требований, предъявляемых к качеству гелиевого концентрата, который может направляться в подземное хранилище или на дальнейшую переработку с целью получения чистого гелия.
Полученный при охлаждении углеводородный конденсат подвергают ректификации для получения ценных товарных продуктов: этановой фракции, ШФЛУ, ПБТ, стабильного газового бензина или индивидуальных жидких компонентов в зависимости от спроса.
Технология и основное технологическое оборудование для комплексной переработки газа достаточно полно отработано ООО «ЛЕННИИХИММАШ». Оборудование для установки мощностью по сырьевому природному газу до 3,5 млрд. куб.нм/год может быть изготовлено в России (за исключением ТДА, некоторых видов компрессорного и насосного оборудования и части холодной быстродействующей арматуры).
По мере оздоровления экономики, с дальнейшим развитием науки и техники следует ожидать появления принципиально новых эффективных и технических устройств, использующих особые свойства гелия, что должно привести к значительному увеличению спроса гелия в стране. К тому же имеется перспектива организации поставок гелия на экспорт: на рынки Японии, Китая, стран Юго-Восточной Азии и западной Европы.
Поэтому актуальной проблемой является освоение комплексной переработки природных газов крупных месторождений Восточной Сибири с высоким содержанием гелия (от 0,15 до 0,6 %).
В целях эффективного и рационального использования гелия Восточной Сибири и Республики Саха (Якутия), в рамках федеральной программы «Гелий России» в 2006 году создана рабочая (экспертная) группа из ведущих специалистов ОАО «ГАЗПРОМ», Российской Академии наук (РАН), отраслевых институтов, предприятий гелиевого машиностроения, крупнейших российских производителей и потребителей гелия. В состав экспертной группы ОАО «Газпром» вошли ведущие специалисты ООО «ЛЕННИИХИММАШ».
Высокое содержание гелия в газе, использование технологий комплексной переработки газа позволит намного снизить себестоимость гелия по сравнению с себестоимостью гелия, получаемого на ГЗ в Оренбурге и сравниться с себестоимостью гелия, получаемого в США. К тому же реализация излишков продукции на мировом рынке, в том числе путем расчетов ею с инвесторами, может решить проблемы освоения газовых месторождений Восточной Сибири.
За рубежом отдается предпочтение транспортировке и торговле гелием в жидком виде. Поэтому необходима организация в России современной по технике и сервисному обслуживанию системы заводского хранения, транспортировки и распределения жидкого гелия.
В условиях бездорожья региона Восточной Сибири и Республики Саха (Якутия) транспортировку жидкого гелия потребителю целесообразно осуществлять в сжиженном виде в крупногабаритных цистернах по железной дороге до портов и далее морским транспортом. Поставку в Китай можно осуществлять прямым железнодорожным сообщением. В случае мелких партий возможна доставка авиатранспортом.
|
