Öljy kaasu

Helium: Maakaasuteollisuuden sivutuote

Helium: Maakaasuteollisuuden sivutuote



Heliumin ainutlaatuiset ominaisuudet tekevät siitä täydellisen kaasun moniin tärkeisiin sovelluksiin


Helium blimp: Suurin osa ihmisistä on kuullut siitä, että heliumia käytetään nostokaasuna sääpalloihin, räjähdyksiin ja juhlapalloihin. Nämä ovat hyvin vähäisiä heliumin käyttötarkoituksia. Käyttö, joka kuluttaa enemmän heliumia kuin mikään muu, on magneettien jäähdyttäminen MRI (magneettikuvaus) koneissa lääketieteellisissä tiloissa. Goodyearin välähdyskuvan on kirjoittanut Derek Jensen.

Mikä on helium?

Helium on kemiallinen alkuaine ja väritön, hajuton, mauton, inertti kaasu. Siinä on minkä tahansa elementin pienin atomisäde ja toiseksi pienin atomipaino. Se on ilmaa kevyempi.

Useimmat ihmiset tietävät, että heliumia käytetään nostokaasuna räjähdys- ja juhlapalloissa, mutta he eivät voi nimetä toista tapaa, jolla sitä käytetään. Heliumin käyttö numero yksi on jäähdytyskaasuna lääketieteellisissä tiloissa käytettäville magneettikuvauslaitteille (MRI). Muita tärkeitä heliumin käyttötarkoituksia ovat: suojakaasu hitsaamiseen, inertti kaasu valvotun ilmakehän valmistukseen, hajotettu kaasu vuotojen havaitsemiseksi ja matalan viskositeetin kaasu paineistettuihin hengitysseoksiin.

Mistä heliumi tulee?

Maan ilmakehässä on hyvin vähän heliumia. Se on niin kevyt elementti, että maan painovoima ei pysty pitämään sitä. Kun se on läsnä maan pinnalla, määrittelemätön helium alkaa heti nousta, kunnes se karkaa planeetalta. Siksi juhlapalloja nousee!

Kaupallisesti tuotettu helium saadaan maasta. Joillakin maakaasukentillä on tarpeeksi heliumia sekoittuneena kaasuun, jotta se voidaan tuottaa taloudellisin kustannuksin. Muutamassa Yhdysvaltojen kentässä on yli 7 tilavuusprosenttia heliumia. Yritykset, jotka poraavat maakaasua näillä alueilla, tuottavat maakaasua, käsittelevät sitä ja poistavat heliumin sivutuotteena.

Heliumia sisältävät maakaasuvarastot Talletusmalli heliumia sisältäville maakaasukentille Yhdysvalloissa. Heliumia tuotetaan uraanin ja toriumin hajoamalla granitoidikellarikiveissä. Vapautunut helium on kelluva ja liikkuu kohti pintaa huokoisuudessa, joka liittyy kellarivaroihin. Sitten helium liikkuu ylöspäin huokoisen sedimenttikuoren läpi, kunnes se jää loukkuun maakaasulla anhydriitti- tai suolakerrosten alle. Nämä ovat ainoat lateraalisesti pysyvät kivityypit, jotka pystyvät vangitsemaan ja sisältämään pienet, kelluvat heliumiatomit. Tämä geologinen tilanne esiintyy vain muutamissa paikoissa maailmassa, ja siksi rikkaiden heliumin kertymiset ovat harvinaisia.

Aiheeseen liittyviä: Uusi käyttö heliumille - kovalevyt

Miksi heliumia on joissakin maakaasuissa?

Suurimman osan luonnonkaasusta poistetun heliumin arvellaan muodostuvan uraanin ja toriumin radioaktiivisesta hajoamisesta maan mantereen kuoren granitoidikiveissä. Erittäin kevyenä kaasuna se on kelluva ja pyrkii liikkumaan ylöspäin heti, kun se muodostuu. Rikkaimmat heliumin kerääntymiset löytyvät silloin, kun olemassa on kolme olosuhdetta: 1) granitoidikellarikivet ovat runsaasti uraania ja toriumia; 2) kellarikerrokset ovat murtuneet ja vialliset, jotta heliumille saadaan poistumisreittejä; ja 3) kellarivarojen yläpuolella olevat huokoiset sedimenttikivit on suljettu läpäisemättömällä haliitin tai anhydriitin tiivisteellä. 1 Kun kaikki nämä kolme ehtoa täyttyvät, helium voi kerääntyä huokoiseen sedimenttikivikerrokseen.

Heliumilla on pienin atomisäde mistä tahansa elementistä, noin 0,2 nanometriä. Joten kun se muodostuu ja alkaa liikkua ylöspäin, se mahtuu kivien hyvin pienten huokostilojen läpi. Haliitti ja anhydriitti ovat ainoat sedimenttikivet, jotka voivat estää heliumatomien siirtymisen ylöspäin. Vaalat, joiden huokoset on suljettu runsaalla orgaanisella aineella (kerogeenillä), toimivat joskus vähemmän tehokkaana esteenä.

Heliumia sisältävät maakaasuvarastot: Kartta, joka näyttää maakaasukentät, jotka toimivat tärkeinä heliumin lähteinä Yhdysvalloissa. Näistä kentistä tuotettu maakaasu sisältää 0,3% - yli 7% heliumia. Heliumi poistetaan kaasusta kaupalliseen myyntiin. Kuva käyttämällä Yhdysvaltain geologisen tutkimuksen sijaintitietoja. 2

Missä maakaasussa on runsaasti heliumia?

Suurin osa käsittelemättömästä maakaasusta sisältää ainakin vähäisiä määriä heliumia. Hyvin harvat maakaasukentät sisältävät riittävästi perustelemaan heliumin talteenottoprosessin. Maakaasulähteen on sisällettävä vähintään 0,3% heliumia, jotta sitä voidaan pitää potentiaalisena heliumin lähteenä.

Maailman heeliumresurssit
MaaMiljardia kuutiometriä
Yhdysvallat20.6
Qatar10.1
Algeria8.2
Venäjä6.8
Kanada2.0
Kiina1.1
Yllä olevat arvot ovat arvioituja heliumresursseja USGS Mineral Commodity Summaries -sivustolta. 3

Vuonna 2010 kaikki Yhdysvalloissa heliumiksi jalostettu maakaasu tuli Coloradon, Kansasin, Oklahoman, Texasin, Utahin ja Wyomingin kentistä oheisella kartalla esitetyllä tavalla. Hugoton-kenttä Oklahomassa, Kansasissa ja Texasissa; Panoma-kenttä Kansasissa; Keyesin kenttä Oklahomassa; Panhandle West- ja Cliffside Fields Texasissa ja Riley Ridge Field Wyomingissa muodostavat suurimman osan heliumin tuotannosta Yhdysvalloissa. 2

Vuoden 2010 aikana Yhdysvallat tuotti 128 miljoonaa kuutiometriä heliumia. Tästä määrästä 53 miljoonaa kuutiometriä heliumia uutettiin maakaasusta ja 75 miljoonaa kuutiometriä vedettiin kansallisesta heliumivarannosta. Muita maita, joiden tuotantomäärät olivat tiedossa, olivat: Algeria (18 mcm), Qatar (13 mcm), Venäjä (6 mcm) ja Puola (3 mcm). Kanada ja Kiina tuottivat pieniä, mutta ilmoittamattomia määriä heliumia. 3

Helium MR-koneissa: Heliumin numero yksi käyttö on magneettien jäähdyttäminen MRI-laitteissa (magneettikuvaus), joita käytetään sairauksien ja vammojen diagnosointiin lääketieteellisissä tiloissa.

Uusi käyttö heliumille: Ensimmäinen heliumilla suljettu kiintolevy valmistettiin vuonna 2013. Helium mahdollistaa taajuusmuuttajan käyttämän vähemmän energiaa, tuottaa vähemmän lämpöä, vähentää melua, vie vähemmän tilaa, pitää enemmän tietoa ja tuottaa vähemmän tärinää kuin tavallinen kiintolevy. Lue lisää. Kuva

Heliumin käyttö

Heliumilla on useita ominaisuuksia, jotka tekevät siitä poikkeuksellisen sopivan tiettyihin käyttötarkoituksiin. Joissakin näistä käyttötavoista helium on paras mahdollinen kaasu käytettäväksi, ja harvoissa helium ei ole riittävä korvike heliumille. Jäljempänä kuvataan useita heliumin käyttötarkoituksia sekä ominaisuudet, jotka tekevät siitä sopivan käytettäväksi.

Magneettikuvaus

Heliumin käyttö ykkönen on lääketieteellisissä tiloissa käytetyissä magneettikuvauslaitteissa vammojen arvioimiseksi ja sairauksien diagnosoimiseksi. Nämä koneet käyttävät magneettikenttää, jonka tuottaa suprajohtava magneetti. Nämä magneetit tuottavat valtavan määrän lämpöä. Nestemäinen helium on valittu jäähdytysaine näiden magneettien lämpötilan säätämiseen. Koska heliumilla on minkä tahansa kaasun toiseksi alin ominaislämpö ja minkä tahansa alkuaineen alhaisin kiehumis- / sulamispiste, heliumille ei ole tarkoitus korvata tätä erittäin tärkeätä käyttöä.

Nostokaasu

Heliumilla on minkä tahansa alkuaineen toiseksi pienin atomipaino. Vain vedyn atomipaino on pienempi. Ilmaa kevyemmänä kaasuna heliumia on käytetty "nostokaasuna" ilmalaivoihin ja ilmapalloihin. Pommit, ohjattavat, zeppeliinit, ilma-alusten ilmapalloja, sääpalloja ja muita ilmaa kevyempiä veneitä ovat kaikki käyttäneet heliumia nostokaasuna. Se on paljon turvallisempaa kuin vety, koska se ei ole syttyvää. Tämä oli tärkein heliumin käyttöluokka toisen maailmansodan loppuun saakka. Nostokaasuna käytetään nyt paljon pienempiä määriä heliumia.

Puhdistuskaasu: NASA ja puolustusministeriö käyttävät heliumia nestemäisen hapen ja nestemäisen vedyn puhdistamiseen rakettimoottorien polttoainesäiliöistä ja polttoaineen toimitusjärjestelmistä. Helium on inertti ja sen jäätymislämpötila on niin matala, että se pysyy kaasuna puhdistusprosessin läpi. Heliumin virtausta näihin järjestelmiin on käytetty jopa hätätilanteissa palojen sammuttamiseen. Kuva NASA.

Heliumin hengitysseokset: Heliumia käytetään hengityskaasuseosten valmistukseen syvänmeren sukellusta varten. Helium on inertti ja sillä on alhainen viskositeetti paineen alaisena, mikä mahdollistaa helpomman hengityksen. Kuva NOAA.

Puhdista kaasua

Heliumilla on alhaisin sulamis- ja kiehumispiste kaikista kaasuista. Se sulaa ja kiehuu lämpötiloissa lähellä absoluuttista nollaa. Koska se pysyy kaasuna erittäin alhaisissa lämpötiloissa, sitä voidaan käyttää puhdistuskaasuna polttoainesäiliöille ja polttoaineen jakelujärjestelmille, jotka on täytetty erittäin kylmillä nesteillä, kuten nestemäisellä vedyllä ja nestemäisellä happella. Koska se on inertti ja sillä on matala jäätymislämpötila, se voi syrjäyttää nämä polttoaineet turvallisesti ilman jäätymistä. NASA ja puolustusministeriö käyttävät suuria määriä heliumia rakettien työntövoimajärjestelmien puhdistamiseen.

Hallittu ilmakehän valmistus

Helium on inertti kaasu. Ainoa kaasu, jolla on alhaisempi reaktiivisuus, on neoni. Tämä heikko reaktiivisuus tekee heliumista arvokkaan kaasun, jota voidaan käyttää valmistus- ja korjausprosesseissa, kun vaaditaan inerttiä ilmakehää. Heliumilla on myös minkä tahansa kaasun toiseksi pienin tiheys ja erittäin korkea lämmönjohtavuus. Nämä heliumkaasun ominaisuudet tekevät siitä valitun ilmapiirin monille metallurgisille prosesseille, kasvaa täydellisiä kiteitä kemiallisissa höyryissä, valmistaa optisia kuituja ja muihin käyttötarkoituksiin.

Vuotojen havaitseminen

Heliumilla on erittäin alhainen viskositeetti, korkea diffuusiokerroin ja minkä tahansa elementin pienin atomi. Nämä ominaisuudet tekevät heliumista erittäin vaikean sisältävän. Jos järjestelmässä on vuoto, heliumi pakenee. Heliumkaasua käytetään siksi korkea tyhjiöjärjestelmien, polttoainejärjestelmien ja muiden tiivistysten testaamiseen.

Hengittävät seokset

Heliumia ja muita inerttejä kaasuja käytetään hengitysseosten valmistukseen syvänmeren sukellusta ja lääketieteellisiä hoitoja varten. Tässä käytetään heliumia, koska se on inertti, sillä on erittäin alhainen viskositeetti ja sitä on helpompi hengittää paineen alaisena kuin mitä tahansa muuta kaasua.

Hitsauskaasu

Heliumia käytetään suojaavana ilmakehänä hitsaamalla. Inertti kaasu-ilmakehä suojaa kuumia metalleja hapettumiselta ja muilta reaktioilta, jotka voivat tapahtua nopeasti korkeissa lämpötiloissa.

Heliumin käyttötavat: Suhteelliset määrät heliumia, jotka kulutetaan Yhdysvalloissa vuoden 2011 aikana erilaisissa käyttötarkoituksissa. Kaavio käyttämällä USGS: n tietoja.

Helium: Uusiutumaton resurssi

Helium on kaasu, jota löydetään vain silloin, kun epätodennäköisten tilanteiden sattuma tapahtuu. Vaikka sitä tuotetaan jatkuvasti maankuoressa olevien radioaktiivisten mineraalien hajoamisen avulla, sen luonnollinen tuottaminen ja kertyminen ovat niin hitaita, että sitä on pidettävä uusiutumattomana luonnonvarana.

Heliumin tiedot
1 Helium New Mexico: Ronald F. Broadhead, New Mexico GeologyNew Mexico, Geologian ja mineraalivarojen toimisto, New Mexico Mining and Technology Institute, marraskuu 2005.
2 Helium 2010: Joseph B. Peterson ja Peter J. Madrid, Mineraalien vuosikirja, Yhdysvaltain geologinen tutkimus, tammikuu 2012.
3 Helium 2012: Peter J. Madrid, Mineraalihyödykkeiden yhteenvedot, Yhdysvaltain geologinen tutkimus, tammikuu 2012.
4 Nationin heliumivarannon myynti: Heliumvarannon myynnin vaikutusten ymmärtämistä käsittelevä komitea, Kansallinen tutkimusneuvosto, The National Academies Press, 2010.
5 Todistus vuoden 2013 Helium Stewardship Actista: Todistus edustajainhuoneen energia- ja mineraalivarojen alakomitealle, Yhdysvaltain hallituksen tilintarkastusvirasto, GAO-15-734T, 8. heinäkuuta 2015.
6 Nopeasti nousevat heeliumhinnat saattavat johtaa ilmapallojen myyntiin: Rachel Rodgers ja Sharon Barricklow, artikkeli Decatur Herald-Review -lehdessä, helmikuu 2015.

Helium gluts ja heeliumpula

Vuonna 1925 Yhdysvallat perusti kansallisen heliumivarannon toimimaan strategisena heliumin toimittajana ilma- aluksissa ja muissa puolustustarkoituksissa. Tuolloin maa tuotti paljon enemmän heliumia kuin kulutettiin. Toisen maailmansodan jälkeen nostokaasuna käytetyn heliumin määrä laski, mutta heliumin kysyntä puhdistuskaasuna rakettimoottoreita täytettäessä ja ydinaseiden jäähdytysnesteenä lisääntyi. Silti tuotettiin enemmän heliumia kuin kulutettiin.

Vuonna 1995 kongressi päätti, että kansallinen heliumivaranto ei ollut välttämätön, ja käynnisti ohjelman heliumin myymiseksi osana vuoden 1996 heliumin yksityistämislakia. 4 Kongressi antoi melkein kahden vuosikymmenen ajan myydä heliumin valtavalla alennuksella ilmaiseksi. markkinahinnat. Jopa puolet maailman heliumin kysynnästä tyydytettiin myymällä kansallisen heliumivarannon kautta. Joinakin vuosina heliumia vietiin Yhdysvalloista muihin maihin kuin kotimaassa. 2 Ne, jotka ostivat heliumia hallitukselta, saivat fantastisen kaupan, ja ne, jotka ostivat heliumia vapailta markkinoilta, maksoivat paljon korkeamman hinnan.

Kansallisen heliumivarannon varastojen polkumyynti markkinoille painoi heliumin hintaa niin paljon, että sitä käytettiin halpaksi korvikkeeksi argonille ja muille kaasuille, joiden tarjonta on paljon vähemmän rajattu.

Koska kaupallista heliumin tuotantoa ei palkittu tai hyödynnetty voimakkaasti, markkinat olivat riittämättömät, kun National Helium Reserve -myynnit korvattiin huutokauppajärjestelmällä vuonna 2014. Ensimmäisessä huutokaupassa kaksi tarjoajaa osti koko vuotuisen 93 miljoonan kuutiometrin heliumin määrän. kuin kaksinkertainen edellisen vuoden markkinahintaan. Huutokaupan jälkeen samoille kahdelle tarjoajalle myytiin vielä miljardi kuutiometriä. 5

Ensimmäisen huutokaupan jälkeen heliumin hinta jatkoi nousuaan, koska uuden heliumin tuotanto jäi kulutusta vajaa. Hintojen nousu on saanut aikaan investointeja uusiin heliumin jalostamoihin. Heliumia voidaan kuitenkin tuottaa vain maakaasukentistä, joissa on suolaa tai anhydraattia ansakivenä. Niitä esiintyy vain harvoissa osissa maailmaa.

Nykyisen lain mukaan kansallinen heliumivaranto myydään loppuun mennessä vuoteen 2021 mennessä. Toivottavasti kasvavat investoinnit heliumin talteenottolaitoksiin vastaavat heliumin kuluttajien tarpeita, kun tämä tärkeä heliumin lähde on poissa.


Katso video: Mikael Gabriel - Helium