Hel - najcenniejsza domieszka w gazie ziemnym

Hel - najcenniejsza domieszka w gazie ziemnym

Parametry gazu ziemnego muszą mieścić się w określonych normach. Dotyczy to na przykład jego składu. „Surowy” gaz  zawiera przeróżne domieszki. Niektóre z nich  są zbędne, a niektóre są na wagę złota. Na przykład hel. Pierwiastek o wielu różnych zastosowaniach, którego Polska jest jednym z największych producentów na świecie.

Wydobywany przez PGNiG SA w zachodniej Polsce gaz ziemny należy do gazów zaazotowanych. Oznacza to, że obok podstawowego składnika - metanu, zawiera nawet kilkadziesiąt procent niepalnego, a więc niepożądanego na ogół azotu. Istnieją co prawda lokalne sieci, w których odbiorcy są przystosowani do zużywania gazu zaazotowanego, jednak polskim, europejskim i światowym standardem jest gaz wysokometanowy zawierający raptem kilka procent składników niepalnych. Dlatego większość gazu zaazotowanego, przed skierowaniem do odbiorców, jest  z azotu oczyszczana. Przy okazji usuwa się domieszki dwutlenku węgla, wody, siarkowodoru czy rtęci. Ale kiedy w latach 60. zaczynano eksploatację złóż gazu na Niżu Polskim, okazało się, że tamtejszy gaz zawiera także nawet dziesiąte części procenta helu.

Cysterna do przewozu koncentratu helowego

Ten szlachetny gaz został odkryty w XIX wieku poza Ziemią. Podczas obserwacji zaćmień Słońca, w koronie słonecznej zauważono niezwykłe linie widmowe, które należały do  nieznanego wówczas pierwiastka, nazwanego od tamtej pory helem od greckiego boga słońca - Heliosa. Przez dekady uważano, że występuje on jedynie w gwiazdach. Dopiero w 1904 r. po raz pierwszy stwierdzono obecność helu na naszej planecie. „Dziwny niepalny gaz” odkryto w mieszaninie gazowej wydobywającej się z otworu wywierconego pod Dexter w amerykańskim stanie Kansas.

Przez wiele lat USA były jedynym producentem tego gazu, który - jako lżejszy od powietrza - znalazł najpierw zastosowanie w baloniarstwie, ale potem okazał się niezbędny w wielu bardzo zaawansowanych technologiach. Co więcej, okazało się, że gaz ziemny jest jedynym dającym się praktycznie wykorzystać na większą skalę źródłem helu.

Zobacz także: W Polsce wciąż odkrywamy nowe zasoby gazu

- Chociaż w Kosmosie to drugi po wodorze najpowszechniej występujący pierwiastek, to na Ziemi jego zasoby są ograniczone i nieodnawialne - opowiada dyrektor techniczny oddziału PGNiG w Odolanowie Katarzyna Chołast. W atmosferze trafia się jedna cząsteczka helu na miliard innych, w wodzie - na trylion. Złoża gazu ziemnego to jedyne miejsce, gdzie hel może się koncentrować w stężeniu opłacalnym dla jego odzysku. A w polskich gazach zaazotowanych jest go dostatecznie dużo - od 0,1 do 0,4 proc. - podkreśla.

Hel jest wyjątkowy – to najzimniejsza ciekła substancja we Wszechświecie - minus 269 stopni Celsjusza, tylko 4 stopnie powyżej zera bezwzględnego. W tej temperaturze wszystkie inne pierwiastki, włącznie z lżejszym wodorem są już zestalone.

To doskonałe chłodziwo do generujących potężne pola magnetyczne magnesów nadprzewodzących, wykorzystujących zjawisko nadprzewodnictwa, czyli przewodzenia prądu elektrycznego bez żadnego oporu. W większości materiałów pojawia się ono dopiero w ekstremalnie niskich temperaturach.

Zobacz także: Skąd się bierze gaz ziemny?

Takie chłodzone ciekłym helem magnesy są sercem  każdego urządzenia wykorzystującego rezonans magnetyczny - od powszechnych w medycynie urządzeń diagnostycznych po   naukowe. Ale nadprzewodzące magnesy pracują też w akceleratorach cząstek, jak choćby Wielki Zderzacz Hadronów.

Hel służy też do utrzymania w stanie ciekłym wodoru, służącego jako paliwo rakietowe.

Odazotownia w Odolanowie

Ale hel wykorzystywany jest też w formie gazowej. Ze względu na niewielką molekułę jest idealny do testowania szczelności, chociażby poduszek powietrznych czy układów klimatyzacyjnych. Jako obojętny gaz szlachetny niewchodzący w reakcje chemiczne, jest powszechnie stosowany w spawalnictwie, jako osłona spawu przed utlenieniem. Hel jest też stosowany w mieszaninach oddechowych przy głębokim nurkowaniu.

Jak w praktyce wygląda produkcja helu w Polsce? Już w latach 70. w Odolanowie uruchomiono instalację do oczyszczania i skraplania helu - pierwszą na świecie poza terytorium USA. Dziś instalacja, której właścicielem jest PGNiG SA, jako jedyna produkuje hel w UE.

Do Odolanowa trafia z okolicznych złóż ponad  1 mld metrów sześciennych gazu zaazotowanego rocznie.

- Pierwszą rzeczą, jaką się robi z gazem po jego wydobyciu ze złoża, jest oddzielenie wody czy  kondensatów (mieszaniny węglowodorów).  Z gazu przesłanego do odazotowni, jak naszej, usuwane są  kolejne składniki  - tłumaczy dyrektor Katarzyna Chołast. Z oddzieleniem dwutlenku węgla radzimy sobie za pomocą mokrej absorpcji aminowej; wilgoci pozbywamy się w adsorberach ze złożem z sit molekularnych , a węglowodorów ciężkich – w adsorberach z węglem aktywnym - dodaje.

Typowy skład mieszaniny po tej serii procesów to dwie trzecie metanu, jedna trzecia azotu i ok. 0,2 proc. helu. Aby rozdzielić jej składniki, niezbędna jest już technologia niskotemperaturowa. Mieszanina zostaje schłodzona do temperatury poniżej -160 stopni Celsjusza, w której można wykorzystać  różnice w temperaturze wrzenia jej składników. W tych warunkach  metan pozostaje w formie ciekłej, a mieszanina azotu z helem - gazowej. Ciekły metan, czyli tak naprawdę skroplony gaz ziemny LNG, zostaje zregazyfikowany przez ogrzanie i wtłoczony do sieci gazowej.

Membrany do odzysku helu zabudowane przy kopalni gazu ziemnego Kościan-Brońsko są wśród pierwszych tego typu na świecie dedykowanych komercyjnemu pozyskiwaniu helu.

- To, co otrzymujemy z niskotemperaturowej destylacji, jest 80-procentowym koncentratem helu, który musimy doczyścić. To oczyszczenie polega na usunięciu wodoru poprzez jego utlenienie, a następnie powstałej w tej reakcji wody. Potem pozbywamy się pozostałości azotu i tlenu, i w końcu argonu - mówi Katarzyna Chołast. Osiąga się to przez obniżanie temperatury i usuwanie kolejno  skraplających się gazów. Do usunięcia argonu potrzeba już temperatury poniżej - 250 stopni Celsjusza.

Zobacz także: Jak i gdzie wydobywamy gaz w Polsce?

W takich warunkach w fazie gazowej pozostaje już jedynie hel, który daje się skroplić po dalszym schłodzeniu, do temperatury poniżej - 268 stopni Celsjusza.

Ciekły hel może wreszcie trafić do odbiorców. Jednak zarówno jego przechowywanie, jak i transport w tak niskiej temperaturze wymagają specjalnej techniki. Najważniejszą kwestią jest zastosowanie odpowiedniej izolacji z wykorzystaniem głębokiej próżni. I tak w zbiorniku magazynującym hel  izolacja jest na tyle efektywna, że umieszczona w nim szklanka wrzącej wody ostygłaby w ciągu roku zaledwie o 1 stopień Celsjusza!

Polska jest jednym z sześciu krajów - producentów helu na świecie. Roczna produkcja od kilku lat utrzymuje się na poziomie 3 mln metrów sześciennych.

Oprócz Odolanowa odzysk helu prowadzony jest jeszcze w instalacji odazotowania w Grodzisku Wielkopolskim oraz na instalacji membranowej przy kopalni Kościan-Brońsko. Jednak do ostatecznego doczyszczenia i skroplenia cały odzyskany hel trafia do Odolanowa.

Zobacz także...

Komentarze

Patronat honorowy

Nasi partnerzy

PGEPG SilesiaPSE