Odzysk helu 101 — Dlaczego każdy przemysłowy użytkownik helu musi już dziś zrozumieć technologię odzysku

Podsumowanie Hel jest drugim najbardziej obficie występującym pierwiastkiem we wszechświecie, jednak na Ziemi jest niezastąpiony i coraz bardziej rzadki. W przeciwieństwie do gazu ziemnego lub azotu helu nie da się produkować sztucznie – powstaje wyłącznie jako śladowy produkt uboczny ekstrakcji gazu ziemnego, a po uwolnieniu do atmosfery ucieka w przestrzeń kosmiczną na zawsze. Dla branż, które zależą od helu do testowania szczelności, chłodzenia kriogenicznego, ochrony spawania, chromatografii gazowej oraz produkcji półprzewodników, pytanie brzmi już nie „czy ceny helu wzrosną”, lecz „jak zmniejszyć jego zużycie na jednostkę wyrobu”. Technologia odzysku helu – czyli proces przechwytywania, oczyszczania i ponownego wykorzystania helu, który inaczej zostałby odprowadzony do atmosfery – stała się jedyną ekonomicznie uzasadnioną długoterminową odpowiedzią na ten problem. W niniejszym artykule wyjaśniono, jak działa odzysk helu, jakie trudności techniczne wiążą się z jego wdrażaniem oraz dlaczego przemyślane przedsiębiorstwa przemysłowe budują zdolności do odzysku helu jeszcze przed wystąpieniem zakłóceń w dostawach, które zmusiłoby je do działania.

Infrastruktura do obsługi gazów przemysłowych stosowana w systemach odzysku helu — szafy gazowe, panele regulacji ciśnienia oraz sieci kolektorów do zarządzania gazami o wysokiej czystości

Część 1: Dlaczego helu nie można zastąpić — i dlaczego nie można go wytworzyć

Unikalne właściwości fizyczne helu czynią go niezastąpionym w zaskakująco szerokim zakresie branż. Ze względu na temperaturę wrzenia wynoszącą −269 °C jest on jedynym substancją zdolną do ochłodzenia magnesów nadprzewodzących w urządzeniach MRI oraz akceleratorach cząstek do temperatur roboczych. Jako najmniejsza i najlżejsza cząsteczka gazu obojętnego hel stanowi najbardziej czuły gaz śledzący do wykrywania wycieków — co jest niezbędne do weryfikacji szczelności systemów paliwowych pojazdów, komponentów lotniczych i kosmicznych, komór procesowych w przemyśle półprzewodnikowym oraz opakowań urządzeń medycznych. W spawaniu wysoka przewodność cieplna helu zapewnia głębsze przenikanie i szybsze prędkości przesuwu przy spawaniu aluminium, stali nierdzewnej oraz stopów reaktywnych. W chromatografii gazowej jego obojętność chemiczna czyni go idealnym gazem nośnym do analiz.

Strategiczna podatność helu wynika z jego łańcucha dostaw. Hel powstaje przez miliony lat w wyniku rozpadu promieniotwórczego uranu i toru w głębokich warstwach skorupy ziemskiej. Gromadzi się w tych samych pułapkach geologicznych co gaz ziemny, z którego jest ekstrahowany w stężeniach zwykle od 0,1% do 0,5% — co oznacza, że od 99,5% do 99,9% substancji wydobywanej z południowoamerykańskiego źródła helu to metan. Na całym świecie jedynie niewielka liczba zakładów przetwarzania gazu ziemnego jest wyposażona w instalacje do ekstrakcji i skroplenia helu. Gdy te zakłady doświadczają zakłóceń w funkcjonowaniu, niestabilności politycznej lub wyczerpania zasobów, nie ma alternatywnego źródła produkcji, które mogłoby pokryć powstałą lukę.

Amerykańska Biuro Zarządzania Terenami Państwowymi (Bureau of Land Management) w Cliffside w Teksasie — historyczna podstawa światowego zaopatrzenia w hel — od lat stopniowo ogranicza swoją działalność. Obecnie światowe zaopatrzenie w hel zapewniają zakład Ras Laffan w Katarze, kompleks Amur w Rosji oraz niewielka liczba obiektów w Algierii i Australii. Każdy z tych źródeł napotyka własne ograniczenia geopolityczne, logistyczne i techniczne. W efekcie powstaje światowy rynek helu, na którym ceny bieżące mogą wzrastać o 200–400% ponad stawki umowne, a klauzule siły wyższej są coraz częściej wywoływane.

Część 2: Jak działa odzysk helu — trzystopniowy proces

Odzysk helu nie polega na użyciu pojedynczego urządzenia, lecz na zintegrowanym systemie realizującym trzy kolejne funkcje: przechwytywanie, oczyszczanie oraz ponowne zwiększenie ciśnienia.

Przechwytywanie oznacza zbieranie helu w każdym punkcie jego użycia przed jego odprowadzeniem do atmosfery. W stanowisku testowym wykrywania wycieków oznacza to kierowanie odpływu z komory testowej napełnionej helem do kolektora zbiorczego zamiast odprowadzania go do pomieszczenia. W laboratorium chromatografii gazowej połączonej z masometrią (GC-MS) oznacza to przechwytywanie przepływu gazu nośnego. W komórce spawania laserowego oznacza to zbieranie helu używanego jako gaz osłonowy, który w przeciwnym przypadku rozpraszałby się w otoczeniu. W tym etapie kluczowym wyzwaniem inżynieryjnym jest szczelność na wycieki — system odzysku jest tak skuteczny, jak jego najbardziej nieszczelne połączenie. Każdy złączy, zawór i połączenie w sieci zbiorczej musi zapewniać szczelność na wycieki helu na poziomie submikronowym, ponieważ nawet 0,1% wycieku w trybie pracy ciągłej (24/7) może oznaczać roczne straty helu w wysokości kilku tysięcy dolarów.

Oczyszczanie jest najbardziej wymagającym technicznie etapem. Odzyskany hel nigdy nie jest czysty — zawiera azot i tlen pochodzące z infiltracji powietrza atmosferycznego, wilgoć z wilgotności powietrza, parę oleju z smarowania sprężarek (jeśli wstępnie stosowane są sprężarki smarowane olejem) oraz śladowe ilości węglowodorów pochodzące z zanieczyszczenia procesowego. Wymagana czystość zależy od zastosowania: hel przeznaczony do przemysłu półprzewodnikowego musi mieć czystość 99,999 % (stopień 5N) z zawartością wilgoci poniżej 10 części na miliard, podczas gdy do przemysłowego testowania szczelności dopuszczalna jest czystość 99,5 %. Typowy układ oczyszczania składa się z trzech kolejnych technologii: filtrów koalescencyjnych usuwających aerozole i cząstki stałe, złoża adsorpcji zmiennej ciśnienia (PSA) lub modułów membranowych służących do usunięcia większości azotu i tlenu oraz oczyszczaczy typu getter działających w wysokiej temperaturze do końcowego polerowania na poziomie śladowym.

Ponowne zwiększenie ciśnienia powoduje doprowadzenie oczyszczonego helu do ciśnienia wymaganego przez urządzenia w dalszej części procesu — od 10 barów dla rozdzielaczy laboratoryjnych po 200 barów dla napełniania i przechowywania butli pod wysokim ciśnieniem. Bezolejowe sprężanie jest niezbędne na tym etapie, ponieważ jakakolwiek kontaminacja smarem zniweczyłaby efekty oczyszczania i potencjalnie uszkodziłaby analityczne instrumenty lub urządzenia procesowe w dalszej części układu.

Część 3: Ekonomika odzysku — krótszy okres zwrotu inwestycji niż większość operatorów spodziewa się

Uzasadnienie biznesowe odzysku helu znacznie się wzmocniło w ciągu ostatnich trzech lat. Średnio duży użytkownik przemysłowy zużywający rocznie 1000 metrów sześciennych helu do testów szczelności może wydawać od 30 000 do 50 000 jednostek waluty rocznie przy obecnych cenach umownych — a znacznie więcej, jeśli będzie zmuszony zakupić hel na rynku bieżącym w okresie ograniczeń alokacyjnych. Poprawnie zaprojektowany system odzysku helu pozwalający odzyskać 85–95% zużywanego helu zmniejsza roczne zapotrzebowanie na hel do uzupełnienia do 50–150 metrów sześciennych. Przy takim stopniu odzysku okres zwrotu inwestycji w system skrócił się – w wielu regionach – z tradycyjnych 3–5 lat do 12–18 miesięcy.

Opłacalność staje się jeszcze bardziej przekonująca, gdy uwzględni się bezpieczeństwo dostaw. Zmniejszenie przydziału helu — czyli redukcja objętości dostaw przez dostawcę gazu o 30%, 50% lub więcej w krótkim czasie — może doprowadzić do całkowitego zatrzymania całej linii produkcyjnej. Koszty utraconej produkcji przeważnie znacznie przewyższają koszt samego helu. Możliwość odzysku przekształca hel z surowca ograniczonego pod względem dostaw w aktywo wielokrotnego użytku, chroniąc działania przed wahaniami rynkowymi.

Część 4: Czy Twoja działalność jest gotowa na odzysk helu?

Nie każdy użytkownik helu potrzebuje obecnie pełnego systemu odzysku. Decyzja zależy od trzech czynników: rocznego zużycia helu, ryzyka niestabilności dostaw w Twoim regionie oraz wymagań dotyczących czystości w konkretnych zastosowaniach.

Działalność zużywająca rocznie mniej niż 200 metrów sześciennych helu i korzystająca ze stabilnej dostawy w ramach umowy może stwierdzić, że okres zwrotu inwestycji związanych z odzyskiem pozostaje zbyt długi, aby uzasadnić kapitałowe nakłady. Działalność zużywająca rocznie 500–2000+ metrów sześciennych helu, zwłaszcza w regionach o niestabilnej dostawie lub tam, gdzie przestoje produkcyjne wiążą się z kosztami wynoszącymi sześć lub siedem cyfr, powinna już teraz rozpocząć ocenę opcji odzysku — zanim ograniczenie przydziału zmusi do pochopnej decyzji.

Zalecanym punktem wyjścia jest audyt zużycia helu: systematyczne sprawdzenie każdego miejsca jego wykorzystania, rzeczywistych przepływów, wzorców zużycia w poszczególnych zmianach i porach roku oraz wymagań co do czystości helu w poszczególnych zastosowaniach. Dane te nie tylko służą do opracowania wewnętrznego uzasadnienia biznesowego, ale także określają parametry techniczne, jakie musi spełniać każdy system odzysku.

Dla organizacji gotowych do eksploracji odzysku helu współpraca z specjalistami ds. inżynierii systemów gazowych, którzy rozumieją obsługę gazów o wysokiej czystości — a nie z ogólnymi dostawcami przemysłowym sprzętem — zmniejsza ryzyko integracji. Sieć zbiorczą systemu odzysku, układ oczyszczania oraz etap ponownego podwyższania ciśnienia muszą być zaprojektowane zgodnie z tymi samymi standardami szczelności i wymaganiami dotyczącymi kompatybilności materiałów. Firmy posiadające udokumentowaną wiedzę i doświadczenie w zakresie dostawy gazów o czystości stosowanej w przemyśle półprzewodnikowym, dystrybucji gazów laboratoryjnych oraz systemów magistrali gazów przemysłowych dysponują najbardziej bezpośrednio przenośnymi kompetencjami w projektach odzysku helu.

W miarę jak hel przekształca się z taniego, obfitego gazu przemysłowego w strategiczny surowiec o ograniczonej dostępności, technologie odzysku przechodzą od opcjonalnych do niezbędnych. Organizacje, które już teraz budują tę kompetencję, uzyskają zarówno przewagę kosztową, jak i gwarancję ciągłości operacyjnej, której konkurenci – wciąż czekający na „powrót rynku helu do normy” – nie będą mieli.

Kontakt prasowy i profil firmy Shenzhen Wofly Technology Co., Ltd. to certyfikowany zgodnie z normą ISO producent komponentów systemów gazowych przemysłowych z 15-letnim doświadczeniem, specjalizujący się w regulacji ciśnienia o wysokiej czystości, precyzyjnych zaworach, projektowaniu szaf gazowych oraz integracji systemów kolektorowych. Portfel produktów AFKLOK obejmuje regulatory ciśnienia, zawory, złącza ściskowe, szafy gazowe i systemy kolektorowe przeznaczone dla przemysłu półprzewodnikowego, laboratoriów, sektora medycznego oraz nowych technologii energetycznych w ponad 30 krajach. W celu audytu zużycia helu, oceny możliwości jego odzysku lub uzyskania porady technicznej skontaktuj się z zespołem inżynierów systemów gazowych AFKLOK.