Получение гелия

Получение гелия

Сегодня единственным коммерчески доступным источником промышленного получения газообразного гелия являются гелийсодержащие природные и попутные нефтяные газы. Естественная концентрация гелия в углеводородных газах колеблется от 0,05 до 1,9 % в зависимости от месторождения. В настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие > 0,1% гелия. Разработка месторождений с содержанием гелия в газе менее 0,1% считается нецелесообразной.

В основном запасы и ресурсы природного газа, содержащего высокую концентрацию гелия, сконцентрированы в Катаре (более 20%), США (18%), Алжире (17%). 13 из 16 действующих в мире заводов по извлечению гелия находятся в США, 1 в Алжире, 1 в Катаре, 1 в России. Пока в России извлекается около 3% от общемирового объема производства гелия.

В России газообразный гелий в промышленных масштабах получают из природного газа с низким содержанием гелия (до 0,055 % об.), добываемого на Оренбургском нефтегазоконденсатном месторождении. Извлечение гелия из природного газа осуществляет Оренбургский гелиевый завод (ОГЗ) – единственное в стране гелий добывающее предприятие. ОГЗ — это одна из составных частей крупного газохимического комплекса – «Газпром добыча Оренбург». Созданное в 1977 г. уникальное предприятие – это единственный в мире завод, работающий на природном газе с низким содержанием гелия. Комплексная переработка газа с извлечением гелия, этана, широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) значительно уменьшает себестоимость продукции. Гелий, полученный в Оренбурге, обеспечивает до 25% потребности Европы в гелии.

На ОГЗ отработаны базовые технологии гелиевой промышленности:

- предварительная осушка и очистка природного газа;

- выделение целевых продуктов – широкой гаммы углеводородов, в том числе метана, этана, ШФЛУ.

- криогенная ректификация природного газа с получением гелиевого концентрата;

- тонкая очистка гелиевого концентрата от водорода, азота, углекислоты и неона;

- ожижение гелия;

- хранение и транспортировка жидкого гелия.

Мембранные гелиевые компрессоры в одном из цехов Оренбургского гелиевого завода

Получение гелиевого концентрата

Установки получения гелиевого концентрата базируются на применении технологии глубокого охлаждения. Осушенный и очищенный природный газ подвергается глубокому охлаждению до температур порядка -190 ^о С. Охлаждение производят в несколько стадий, добиваясь последовательной конденсации входящих в состав природного газа CO2 и углеводородов: бутан+ → пропан → этан → метан → азот. Вследствие проведения низкотемпературной конденсации в газообразном состоянии остается гелиевый концентрат, в котором необходимого вещества уже имеется 70-85%.

Температура сжижения некоторых газов, ^о

Обогащение гелиевого концентрата.

Полученный гелиевый концентрат обогащают при еще более низких температурах, удаляя из него примеси азота, углекислого газа, неона, водорода. Для этого гелиевый концентрат подвергают каталитической и адсорбционной очистке:

- проведение каталитического гидрирования для очистки от водорода (4-5%) с помощью CuO при температуре +400…+500 ^о С.

- осушка оксидом алюминия от влаги, образуемой водородом.

- сжатие под давлением около 200 бар и охлаждение до -210°C.

- проведение двух стадийной сепарации.

- отделение газовой фазы, содержащей 99,5% гелия.

- доочистка отделяемого газа кипящим под вакуумом азотом и адсорбцией примесей на активном угле адсорберах, также охлаждаемых жидким N ₂ .

На выходе с установки получается гелий технической чистоты (99,80% по объёму гелий) и высокой чистоты (99,985%).

В подавляющем большинстве случаев гелий перевозится автомобильным транспортом в жидком виде в криогенных контейнерах емкостью 40 м 3 .

По разным оценкам, от четверти до трети мировых разведанных запасов гелия сосредоточено в Российских нефтегазовых месторождениях. Гелий в уникальных концентрациях (0,15-1 %) содержится в природном газе месторождений Восточной Сибири и Республики Саха (Якутия). Основной потенциал производства гелия сосредоточен на Чаяндинском, Ковыктинском, Собиновском и Юрубчано-Тахомском нефтегазоконденсатных месторождениях с общим объемом переработки гелийсодержащего газа более 60 млрд м3 в год. Освоение углеводородов в этих регионах и комплексная переработка природных газов с высоким содержанием гелия позволит намного снизить его себестоимость и к 2020 году увеличить долю России в производстве гелия с 3% до 50%.

Процесс извлечения гелия (особенно криогенный, применяемый на Оренбургском заводе) требует значительных инвестиций и энергозатрат. В процессе подготовки к освоению новых газовых месторождений Газпромом найдены эффективные технологические решения по извлечению гелия из природного газа и его сохранению.

Задача решается фильтрацией всего объема добываемого газа с использованием пористых мембран – так называемого «молекулярного сита» для отделения гелия от природного газа. Природный газ, представляющий собой молекулярную смесь, пропускается через мембранные модули со свернутой в рулон пористой мембраной или полые волокна с пористыми стенками. При этом более легкие и подвижные молекулы (в нашем случае гелий) под воздействием избыточного давления просачиваются (уходят из газа) через поры сквозь мембрану или стенки волокон.

Скорость проникновения газов через вещество мембраны
Быстрые газы						Медленные газы
H 2 O	He	H 2	NH 3	CO 2	O 2	CO	Ar	N 2	CH 4	C 2 H 6	C 3 H 8

В создании новых технологий по выделению гелия из газа крупнейших месторождений Восточной Сибири участвуют специалисты ОГЗ, НПО «Гелиймаш», Газпрома. В частности, на ОГЗ создается площадка для испытания мембранных технологий выделения гелиевого концентрата. Испытания Газпромом опытной мембранной установки извлечения гелия из природного газа в реальных условиях на Марковском месторождении подтвердили эффективность такого метода. По результатам испытаний выбрана двухступенчатая схема установки без рециркуляции, которая позволяет с минимальными энергозатратами получать 30%-й концентрат гелия и снижать концентрацию гелия в подготовленном для транспортировки потребителям газе до уровня ниже 0,05%. В установке использовались мембранные модули с полыми волокнами. Применение мембранной технологии взамен криогенной позволяет вдвое снизить капиталовложения и энергопотребление.

Полученный на мембранных установках гелиевый концентрат будет по мере необходимости направляться на очистные криогенные установки для получения товарного гелия, что значительно повысит эффективность последних. Для получения товарного гелия в рамках Восточной газовой программы Газпром планирует построить гелиевый завод (по криогенной технологии) в Белогорске (Амурская область) на базе ресурсов Чаяндинского месторождения. Планируется, что завод начнет работать в конце 2018 г. Товарный гелий планируется доставлять в Находку, где уже строится станция по ожижению гелия. А дальше дело за азиатскими покупателями, которые давно ждут российский гелий.