Восстановление гелия «с нуля» — почему каждый промышленный потребитель гелия должен сейчас разобраться в технологии его восстановления

Резюме. Гелий — второй по распространённости элемент во Вселенной, однако на Земле он незаменим и становится всё более дефицитным. В отличие от природного газа или азота, гелий невозможно синтезировать — он образуется исключительно как следовой побочный продукт добычи природного газа, а при попадании в атмосферу необратимо улетучивается в космос. Для отраслей, использующих гелий в целях проверки герметичности, криогенного охлаждения, защиты сварочной зоны, газовой хроматографии и производства полупроводников, вопрос уже не в том, вырастут ли цены на гелий, а в том, как сократить его расход на единицу продукции. Технология рекуперации гелия — процесс захвата, очистки и повторного использования гелия, который в противном случае был бы сброшен в атмосферу — стала единственным экономически целесообразным долгосрочным решением. В данной статье объясняется, как работает рекуперация гелия, какие технические трудности она вызывает и почему передовые промышленные потребители внедряют системы рекуперации заблаговременно, до того как перебои в поставках вынудят их это сделать.

Промышленная инфраструктура для обращения с газами, используемая в системах рекуперации гелия — газовые шкафы, панели регулирования давления и коллекторные сети для управления газами высокой чистоты

Часть 1: Почему гелий нельзя заменить — и почему его невозможно произвести

Уникальные физические свойства гелия делают его незаменимым в удивительно широком спектре отраслей. При температуре кипения −269 °C он является единственным веществом, способным охлаждать сверхпроводящие магниты в МРТ-аппаратах и ускорителях частиц до рабочих температур. Как самая маленькая и легкая молекула инертного газа гелий служит наиболее чувствительным трассирующим газом для обнаружения утечек — что крайне важно для проверки герметичности топливных систем автомобилей, аэрокосмических компонентов, технологических камер для производства полупроводников и упаковки медицинских изделий. При сварке высокая теплопроводность гелия обеспечивает более глубокое проплавление и повышенную скорость перемещения электрода при сварке алюминия, нержавеющей стали и реакционноспособных сплавов. В газовой хроматографии его инертность делает гелий идеальным газом-носителем для анализа.

Стратегическая уязвимость гелия обусловлена его цепочкой поставок. Гелий образуется в течение миллионов лет в результате радиоактивного распада урана и тория в глубинных слоях земной коры. Он накапливается в тех же геологических ловушках, что и природный газ, из которого его извлекают при концентрации, как правило, от 0,1 % до 0,5 % — то есть от 99,5 % до 99,9 % того, что поступает из газовой скважины, содержащей гелий, составляет метан. В мире лишь несколько предприятий по переработке природного газа оснащены установками для извлечения и сжижения гелия. Когда эти предприятия сталкиваются с технологическими сбоями, политической нестабильностью или истощением ресурсов, альтернативных источников производства, способных компенсировать возникший дефицит, не существует.

Клиффсайдское месторождение Бюро по управлению земельными ресурсами США в Техасе — историческая основа мировых поставок гелия — уже несколько лет находится в стадии постепенного сокращения добычи. Сейчас основную нагрузку по обеспечению мировых поставок гелия несут завод Рас-Лаффан в Катаре, амурский комплекс в России и небольшое число объектов в Алжире и Австралии. Каждый из этих источников сталкивается со своими геополитическими, логистическими и техническими ограничениями. В результате формируется глобальный рынок гелия, где спотовые цены могут превышать контрактные на 200–400 %, а условия форс-мажора применяются всё чаще.

Часть 2: Как работает процесс рекуперации гелия — трёхступенчатая схема

Рекуперация гелия — это не отдельный аппарат, а интегрированная система, выполняющая три последовательные функции: захват, очистку и репрессуризацию.

Сбор означает улавливание гелия в каждой точке его использования до того, как он будет выпущен в атмосферу. На станции проверки герметичности это означает направление выхлопных газов из испытательной камеры, заполненной гелием, в коллекторный коллектор вместо выпуска в помещение. В лаборатории газовой хроматографии с масс-спектрометрией (GC-MS) это означает улавливание выходящего потока газа-носителя. В ячейке лазерной сварки это означает сбор защитного гелиевого газа, который в противном случае рассеялся бы в окружающую среду. Инженерная задача на этом этапе — обеспечение герметичности: эффективность системы рекуперации определяется самой слабой точкой соединения. Каждое соединение, клапан и стык в системе сбора должны обеспечивать герметичность по гелию на уровне менее одного микрона, поскольку даже утечка в 0,1 % при непрерывной работе в течение 24 часов в сутки и 7 дней в неделю может привести к потерям гелия на тысячи долларов ежегодно.

Очистка является наиболее технически сложным этапом. Восстановленный гелий никогда не бывает чистым — он содержит азот и кислород, проникшие из окружающего воздуха, влагу из атмосферной влажности, пары масла из смазки компрессоров (если на предыдущих стадиях используются компрессоры с масляной смазкой) и следовые количества углеводородов, попавших в процесс в результате загрязнения. Требуемая степень чистоты зависит от области применения: для гелия, используемого в полупроводниковой промышленности, требуется чистота 99,999 % (5N) и содержание влаги менее 10 частей на миллиард, тогда как для промышленного поиска утечек может быть допустима чистота 99,5 %. Типичная установка очистки включает три последовательно расположенных технологических блока: коалесцентные фильтры для удаления аэрозолей и твёрдых частиц, адсорбционные установки с переменным давлением (PSA) или мембранные модули для удаления основного количества азота и кислорода, а также высокотемпературные поглотительные очистители для окончательной финишной очистки на уровне следовых примесей.

Репрессуризация возвращает очищенный гелий в состояние, необходимое для оборудования на выходе — от 10 бар для распределительных коллекторов в лабораториях до 200 бар для наполнения и хранения в высоконапорных баллонах. На этом этапе обязательна безмасляная компрессия, поскольку любое загрязнение смазочным материалом аннулирует результаты очистки и может привести к повреждению аналитических приборов или технологического оборудования на выходе.

Часть 3: Экономика восстановления — срок окупаемости короче, чем ожидают большинство операторов

Обоснование экономической целесообразности рециркуляции гелия значительно укрепилось за последние три года. Средний промышленный потребитель, использующий 1000 кубометров гелия в год для проведения испытаний на герметичность, может тратить от 30 000 до 50 000 долларов США ежегодно по действующим контрактным ценам — и значительно больше, если ему придётся приобретать гелий на спотовом рынке в период ограничений по выделению объёмов. Правильно спроектированная система рециркуляции, позволяющая улавливать 85–95 % используемого гелия, сокращает ежегодные потребности в закупке пополняющего газа до 50–150 кубометров. При таком уровне рециркуляции срок окупаемости системы сократился со среднего исторического значения в 3–5 лет до 12–18 месяцев во многих регионах.

Экономическая выгода становится ещё более очевидной при учёте безопасности поставок. Сокращение квоты на гелий — когда поставщик газа сокращает объёмы поставок на 30 %, 50 % или более с коротким предупреждением — может привести к полной остановке производственной линии. Затраты, связанные с простоем производства, как правило, значительно превышают стоимость самого гелия. Возможность регенерации превращает гелий из потребляемого ресурса с ограниченными поставками в многократно используемый актив, защищая производственные процессы от рыночной волатильности.

Часть 4: Готова ли ваша производственная система к регенерации гелия?

Не каждому пользователю гелия сегодня требуется полноценная система регенерации. Решение зависит от трёх факторов: годового объёма потребления гелия, риска нарушения надёжности поставок в вашем регионе и требований к чистоте гелия для ваших конкретных применений.

Операции, потребляющие менее 200 кубических метров в год при стабильных контрактных поставках, могут обнаружить, что сроки окупаемости систем рекуперации остаются слишком длительными для оправдания капитальных затрат. Операции, потребляющие от 500 до 2000+ кубических метров в год, особенно те, которые расположены в регионах с нестабильными поставками гелия или для которых простои производства влекут за собой убытки в шестизначной или семизначной сумме, должны начать оценивать варианты рекуперации уже сейчас — до того, как ограничение поставок вынудит принять поспешное решение.

Рекомендуемой отправной точкой является аудит потребления гелия: систематический анализ всех точек его использования, фактических расходов, характера потребления в течение смен и сезонов, а также требований к чистоте гелия для каждой конкретной задачи. Эти данные не только формируют внутреннее экономическое обоснование проекта, но и определяют технические характеристики, которым должна соответствовать любая система рекуперации.

Для организаций, готовых приступить к извлечению гелия, сотрудничество со специалистами в области проектирования газовых систем, обладающими опытом работы с высокочистыми газами, а не с поставщиками общепромышленного оборудования, снижает риски интеграции. Сеть сбора, блок очистки и ступень повторного повышения давления в системе извлечения гелия должны быть спроектированы с соблюдением одинаковых требований к герметичности и совместимости материалов. Компании, имеющие подтвержденный опыт в области подачи газов для полупроводниковой промышленности, распределения газов в лабораториях и систем распределения промышленных газов на коллекторах, обладают наиболее применимыми компетенциями для проектов по извлечению гелия.

По мере того как гелий превращается из дешёвого и широко доступного промышленного газа в стратегический ресурс с ограниченными поставками, технологии его рекуперации переходят от факультативного к обязательному элементу. Организации, которые уже сейчас наращивают этот потенциал, получат как конкурентное преимущество в затратах, так и гарантию бесперебойности операций — то, чем не смогут похвастаться их конкуренты, всё ещё ожидающие «возвращения рынка гелия к норме».

Контактное лицо по вопросам СМИ и профиль компании. Компания Shenzhen Wofly Technology Co., Ltd. — сертифицированный по стандарту ISO производитель компонентов промышленных газовых систем с 15-летним стажем и глубокой экспертизой в области регулирования давления высокой чистоты, точной арматуры, проектирования газовых шкафов и интеграции коллекторных систем. Продуктовая линейка AFKLOK включает редукторы давления, клапаны, компрессионные фитинги, газовые шкафы и коллекторные системы, применяемые в полупроводниковой, лабораторной, медицинской и новых энергетических отраслях в более чем 30 странах. Для проведения аудита потребления гелия, оценки целесообразности его рекуперации или получения технической консультации обращайтесь в Инженерную группу по газовым системам AFKLOK.