Введение
В настоящее время запасы гелия на земле оцениваются в 5 · 1014 м3, современный объем его рынка – на уровне 150 · 106 м3 [1]. При этом основные разведанные мировые запасы гелия сконцентрированы в России – 28 %. Мировое распределение запасов гелия представлено на рис. 1.
Рис. 1. Распределение запасов гелия по странам
Fig. 1. Distribution of helium reserves by country
Все эти запасы находятся в основном в составе гелийсодержащих природных газов [2].
В США содержание гелия в природном газе достигает 1,9 %. В других мировых странах концентрация гелия в природном газе значительно ниже: в Катаре и Китае – до 0,2 %, Алжире и Канаде –до 0,19 %, Нидерландах – до 0,12 %, а в Польше всего лишь 0,06 %. В России в настоящее время на разрабатываемом Оренбургском месторождении содержание гелия в природном газе достигает до 0,055 %. А на месторождениях Восточной Сибири и Республики Саха – крупнейшей неосвоенной гелиевой провинции мира, этот показатель существенно выше и достигает 0,67 % [3]. Мировой уровень потребления гелия находится в районе 170 млн м3 в год (рис. 2).
Рис. 2. Соотношение потребления гелия в мире:
1 – Северо и Юго-Восточная Азия; 2 – Северная Америка; 3 – Европа; 4 – Россия и СНГ; 5 – другие страны
Fig. 2. The ratio of helium consumption in the world:
1 – North and Southeast Asia; 2 – North America; 3 – Europe; 4 – Russia and the CIS; 5 – other countries
К 2030 г. прогнозируется рост потребления гелия, который напрямую связан с ростом мировой экономики и ослаблением ресурсных ограничений. По оценкам российских исследователей и аналитиков мировой спрос на гелий в зависимости от темпов роста экономики стран колеблется в диапазоне 279–324 млн м3 в год. Прогнозируемое увеличение потребления гелия в период до 2030 г. связывают с научно-техническим прогрессом и развитием экономики. Согласно оценкам аналитиков, потребление гелия в Российской Федерации к 2030 г. будет оцениваться в 5–10 млн м3 в год [4].
В связи с тенденцией роста мирового потребления гелия возникает необходимость расширения и модернизации его производства. При этом в России проекты по производству гелия активно реализуются, но полноценной программы создания гелиевой отрасли России до сих пор нет.
Развитие гелиевой промышленности в России
ПАО «Газпром» совместно с Министерством промышленности и торговли РФ и Министерством энергетики РФ к 2025 г. подготовит концепцию развития гелиевой промышленности Российской Федерации. Разработка данной концепции включена в План реализации Стратегии социально-экономического развития Сибирского федерального округа до 2035 г., которая была утверждена распоряжением Правительства РФ от 16 октября 2023 года № 2846-р [5, 6].
В рамках реализации Восточной газовой программы Газпрома в Амурской области с октября 2015 г. ведется строительство Амурского газоперерабатывающего завода (ГПЗ) – крупнейшего в мире производителя гелия. В 2023 г. Газпром вывел на проектный режим две гелиевые установки завода. Пусконаладка оборудования была обеспечена без участия западного лицензиара. В настоящее время на заводе идет строительство третьей установки [7, 8].
Гелий из природного газа извлекают с помощью уникального криогенного оборудования. Процесс производства упрощенно можно описать так: на Амурский ГПЗ по магистральному газопроводу «Сила Сибири» поступает многокомпонентный природный газ. После отделения метана и разделения природного газа на широкую фракцию легких углеводородов (ШФЛУ) и азотно-гелиевую смесь, последняя направляется на установки по очистке и сжижению гелия, где проходит несколько стадий очистки и разделения на азот и гелий.
В процессе газ охлаждают до экстремально низкой температуры –269 °С, в результате чего газообразный гелий превращается в жидкость [9].
Статус реализации проекта на декабрь 2023 г. – 90,84 %. На четвертой технологической линии идет подготовка к началу пусконаладки, на пятой и шестой линиях – строительно-монтажные работы [10].
Второй важный проект, реализовать который должно помочь соглашение, заключенное в 2023 г. на Восточном экономическом форуме, – это строительство завода гелия в Якутии. С вводом в эксплуатацию нового предприятия по производству гелия переработка сырья на территории Якутии будет более глубокой.
Первую партию гелия предполагается получить уже в 2025 г. На проектную мощность новый завод должен выйти еще через 3 года, и уже в 2028 г. он сможет производить 1 млн дм3 гелия. Гелий будет производиться не ниже марки «Б». Такой газ подходит для очистки газовых смесей для медицины, может использоваться в авиакосмической отрасли и для производства микросхем [11].
В 2023 г. ООО «Иркутская нефтяная компания» в режиме опытно-промышленного применения запустила гелиевый завод на Ярактинском нефтегазоконденсатном месторождении. Производительность завода по расчетам должна составить 10 млн дм3 в год, что также делает проект заметным в мировом масштабе. Запуск этого гелиевого завода стал частью реализации второго этапа газового проекта по созданию газохимического кластера. Он замкнул всю технологическую цепочку переработки природного и попутного газа с глубоким извлечением ценных компонентов из них [12, 13].
Природный газ месторождений Восточной Сибири характеризуется значительными абсолютными объемами гелия и его высоким удельным содержанием. Высокое содержание гелия в природном газе способствует росту экономической эффективности за счет снижения переменных издержек на производство одного литра гелия. Разработка гелия сопряжена как со значительными капитальными вложениями, так и с высоким уровнем неопределенности относительно будущих денежных потоков, порождаемых геологическими, экономическими, политическими рисками [14].
По мнению аналитиков, запасы природного гелиеносного газа к 2030 г. между регионами Российской Федерации будут распределяться следующим образом: на долю Западной Сибири будет приходиться до 25,3 трлн м3, Дальний Восток – 7,5 трлн м3.
В структуре запасов газа также произойдут качественные изменения в сторону увеличения доли гелиеносного газа. Эти изменения в структуре запасов природного газа свидетельствуют о том, что добываемое из недр углеводородное сырье должно подвергаться глубокой переработке для производства широкого спектра товарных продуктов [15].
Проблемы и перспективы гелиевой промышленности
На сегодняшний день одной из основных проблем, связанных с производством гелия, является ограниченность его запасов на Земле. Кроме того, большая часть гелия находится глубоко в недрах Земли, что делает его добычу сложной и затратной, а также в процессе добычи природного газа происходят значительные его потери [16].
В результате того, что большая часть гелия находится глубоко в недрах Земли и для его добычи необходимо проводить сложные технологические процессы, требующие больших затрат на оборудование и энергоресурсы, возникает еще одна проблема – высокая стоимость его добычи. Кроме того, гелий часто добывается вместе с другими компонентами, которые также требуют дополнительных затрат на их разделение.
Еще одной проблемой гелиевой промышленности является неэффективное использование гелия. Многие технологические процессы, в которых он используется, не предусматривают его регенерацию и повторное использование.
При современном уровне мирового потребления гелия уже имеющиеся его запасы способны обеспечивать его потребление в течение более 200 лет.
И если учесть, что не весь объем добытого качественного газогелиевого сырья будет использоваться непосредственно для извлечения гелия, а лишь его часть, то у мировой гелиевой промышленности имеются перспективные направления для ее развития и расширения областей и объемов потребления гелия.
При этом важно учитывать, что прямой зависимости между обеспеченностью спроса гелия и его запасами быть не может, поскольку гелий является попутным компонентом в природном газе и находится в жесткой зависимости от возрастающих масштабов добычи газа. Это заставляет задуматься и вынуждает принимать эффективные меры по защите от потерь высококачественной части газогелиевого сырья [17].
В качестве способов защиты выделяют два следующих: консервация месторождения с высоким гелиесодержанием или извлечение не только товарного гелия, но и азотно-гелиевого концентрата для дальнейшего хранения. Решить существующую проблему защиты запасов гелия от его потерь можно только в законодательном порядке, под жестким государственным контролем, причем своевременно, до начала масштабной добычи высокогелиеносных газов [18].
В Российской Федерации в настоящее время действуют различные законодательные акты и распорядительные документы, согласно которым недропользователи в обязательном порядке должны предоставлять ряд данных в соответствующие органы. В то же время гелий не входит в перечень основных видов стратегического минерального сырья, утвержденный Распоряжением Правительства РФ, а также в список стратегических видов полезных ископаемых, сведения о которых составляют государственную тайну. Следовательно, необходима разработка ряда актов, регламентирующих нормативные и технологические потери гелия при его добыче, транспортировке и хранении [19].
Методические сложности оценки экономической эффективности гелиевого проекта связаны с трудностями моделирования и прогнозирования мирового спроса на гелий, разветвленной структурой рынков сбыта гелия, многостадийностью и сложностью технологического процесса получения товарного гелия, нетривиальностью логистики гелия, а также привязкой производства гелия к месту добычи гелийсодержащего природного газа и вероятной необходимостью хранения гелиевого концентрата
в течение длительного времени [20, 21].
Современные технологии в гелиевой промышленности
Технология сжижения гелия. С 2014 г. на Оренбургском гелиевом заводе с целью создания единой технологически связанной структуры по производству, отгрузке жидкого гелия и его последующей транспортировкой потребителям реализован проект установки сжижения гелия У-44 (ОГ-500, фирма Linde Kryotechnik AG, Швейцария) производительностью 500 дм3/ч. Ранее данная станция по ожижению гелия базировалась на работе криогенных установок КГУ-500, основное технологическое и насосно-компрессорное оборудование которых было морально и физически изношено и не отвечало современным требованиям энергоэффективности.
Установка У-44 позволяет максимально очистить природный газ от различных примесей, в результате чего на выходе получается продукт высокого качества с содержанием гелия не менее 99,99 %. Конструктивное оформление У-44 позволяет обеспечивать сверхкороткое время охлаждения гелия, а также низкое энергопотребление и минимальный расход жидкого азота, что способствует снижению потерь гелия при сжижении и повышению экономической эффективности [22, 23].
Ввод в эксплуатацию установки сжижения гелия ОГ-500 позволил осуществлять единый технологический цикл от извлечения гелия из природного газа до получения товарных продуктов (жидкого и газообразного сжатого гелия), отказаться от услуг сторонних компаний, реализовать новый продукт – жидкий гелий, который поставляется в регионы наибольшего его потребления (Москва и Санкт-Петербург).
На сегодняшний день для сжижения гелия применяется усовершенствованный термодинамический цикл Брайтона с двумя уровнями давлений, предварительной стадией охлаждения кипящим жидким азотом и двумя стадиями расширения в центробежных турбодетандерах [24].
Технология мембранного разделения гелия. Известно, что мембранная сепарация и концентрирование газов в настоящее время являются альтернативой низкотемпературному методу, при котором технологический процесс протекает при атмосферном давлении. Применение мембранной технологии разделения гелия способствует снижению энергоемкости всего технологического процесса, например, уменьшению потерь на нагрев и охлаждение технологических потоков.
Мембранные установки для извлечения чистого гелия из гелиевого концентрата в настоящее время в основном проходят опытно-промышленные испытания, которые дали положительные результаты при использовании мембран на основе полиэфиримида с плоской мембраной в мембранных устройствах [25, 26].
Ожидается, что использование мембран с целью извлечения гелия из природных газов позволит значительно снизить затраты энергии на процесс подготовки природного газа, а также уменьшить количество технологического персонала, необходимого для обслуживания установок подготовки газа в срав-
нении с традиционной криогенной технологией. Принцип работы мембранных газоразделительных систем заключается в разнице в скорости проникновения компонентов газа через вещество мембраны, а движущая сила процесса разделения газа – разница парциальных давлений на различных сторонах мембраны [27].
Таким образом, несмотря на то, что мембранная технология является относительно новым процессом получения гелий, она обладает рядом серьезных преимуществ по сравнению с традиционными криогенными установками:
– возможность получения кондиционного газа, направляемого потребителям, с сохранением гелия в пласте;
– сохранение в составе товарного газа гомологов метана – С2+;
– высокая надежность, устойчивость к неполадкам, простота эксплуатации, модульность (масштабируемость технологии);
– использование стандартных давлений при транспортировке газа и минимальная потеря давления подготовленного газа [28, 29];
– отсутствие расходных материалов и химических реагентов;
– снижение затрат на поставку всех компонентов установки на удаленный объект.
К ограничивающим факторам использования мембранной технологии для подготовки и разделения гелийсодержащего природного газа в настоящее время можно отнести:
– отсутствие мирового и отечественного опыта использования мембранных технологий для извлечения гелия в промышленном масштабе;
– необходимость незначительного увеличения объемов добычи природного газа, поставляемого в магистральный газопровод;
– ограничения по использованию мембранных технологий для извлечения гелия из газа при высоком содержании азота с условием обеспечения калорийности газа, соответствующей требованиям ОСТ [30].
Промышленное аппаратурное оформление для мембранной технологии разделения газа должно отвечать следующим требованиям:
– высокоэлегантное размещение, т. е. поверхность мембраны в единице объема оборудования должна быть как можно больше;
– технологичность при монтаже, удобство при эксплуатации и ремонте, надежность и долговечность при рабочих нагрузках;
– обеспечение равномерного распределения газового потока в напорном и дренажном пространстве мембранных элементов;
– создание небольшого гидравлического сопротивления газовому потоку;
– обеспечение герметичности.
Технология тонкой очистки. Для удаления водорода и следов метана из гелиевого концентрата используется технология каталитического окисления данных компонентов. Так, на стадии очистки природного газа от азота из гелиевого концентрата конденсируется азот. Оставшийся в гелиевом концентрате азот адсорбируется в угольных адсорберах при невысокой температуре кипящего жидкого азота [31, 32].
Очистку гелия от водорода традиционно проводят окислением водорода с помощью активной окиси меди (79 % окиси меди, 1 % окиси железа и 20 % каолина).
Установка периодического действия включает рекуперативные теплообменники, которые обеспечивают подогрев газа перед реакторами и охлаждение после них, огневые подогреватели, которые предназначены для нагрева газа до температуры начала реакции (400–450 °С) и реакторы с активной окисью меди, в которых протекают экзотермические реакции окисления [33].
В результате окисления образуются вода и диоксид углерода (последний образуется в случае присутствия в газе углеводородов). Регенерация осуществляется окислением восстановленной контактной массы путем подачи в реактор азота с 2–3 % об. кислорода примерно при той же температуре, что и восстановление. Достоинством этой технологии является то, что степень очистки не зависит от колебаний концентрации водорода в сырье, недостатками – периодичность процесса, низкая механическая прочность катализатора, что обусловливает его частую замену [34].
Наибольшее применение получил метод окисления водорода на палладиевом или платиновом катализаторе. Этот способ обеспечивает высокую степень очистки гелия, непрерывность процесса, высокую скорость реакции окисления, однако требует стехиометрического соотношения между водородом и подаваемым в поток газа кислородом. Продуктом окисления является водяной пар. Часто вместо кислорода в поток газа подается воздух и его количество регулируется автоматически. После очистки от водорода гелий охлаждают, сепарируют от воды и затем осушают адсорбцией на цеолитах [35].
Технология отделения гелия ценосферами. Один из наиболее перспективных направлений отделения гелия без использования низких температур связан c давним открытием того, что молекулы легких газов способны диффундировать (просачиваться) сквозь кристаллическую решетку различных материалов. Например, известно, что водород исключительно легко проникает сквозь пластинки из металла палладия. В результате на основе этого знания реализована технология разделения водородсодержащей газовой смеси в сепараторе с тонкостенными палладиевыми мембранами [36].
Известно, что гелий хорошо проникает через кварцевое стекло. Но кварц – минерал очень тугоплавкий, поэтому изготовление тонких кварцевых трубок или пластин – весьма трудоемкая операция, а их хрупкость ставит под сомнение надежность сепарационных агрегатов на такой основе. Поэтому до недавних пор предлагаемые технические решения не могли серьезно конкурировать с криогенной технологией ни по производительности, ни по капитальным затратам. Возобновление интереса специалистов к «теплым» способам концентрирования гелия связано с результатами научных исследований свойств наполнителей стройматериалов, проводимых в Институте химии и химической технологии СО РАН (Красноярск).
Речь идет о так называемых ценосферах – тонкостенных стеклянных шариках микроскопического размера, являющихся продуктами попутной переработки зольных компонентов угольной пыли [37]. Изучение фазового состава вещества ценосфер показало наличие в нем кристаллической фазы кварца, следовательно, их стенки проницаемы для гелия. Это навело ученых из Института теоретической и прикладной механики СО РАН (Новосибирск) на мысль о возможном разделении гелийсодержащего газа с помощью этих микрочастиц. Чтобы проверить эту гипотезу, в институте исследовали проницаемость различных газов внутрь ценосфер. Результаты хроматографических опытов свидетельствуют о том, что из компонентов природного газа только гелий способен проникать сквозь оболочку ценосфер [38].
На основе полученной в ходе экспериментов информации, изобретатели предложили технологию концентрирования гелия в заполненной микросферами колонне. Процесс осуществляется в три этапа: закачка исходной смеси при высоком давлении и абсорбция гелия микросферами, быстрое вакуумирование или продувка колонны с последующей десорбцией гелия из микросфер при низком давлении и выкачивание газа, обогащенного полезным продуктом. Вскоре предстоят испытания ценосфер для практического извлечения гелия из природного газа, добываемого в Западной Сибири. На опытном производстве уже конструируют пилотную установку, пригодную к работе в реальных условиях [39].
Заключение
Эффективное производство и применение ресурсов гелия при освоении месторождений в России представляет собой сложную многофакторную проблему. Создание комплексной системы сохранения запасов гелия, его добычи, переработки, хранения и рациональных видов транспортировки для внутреннего потребления в России и выхода на мировой рынок будет способствовать выводу промышленности на эффективный экономический и высокий экологический уровень.
С развитием масштабной добычи гелийсодержащего природного газа Россия сможет стать основным производителем и поставщиком гелия на мировой рынок. России принадлежит особая роль
в решении вопроса сохранения гелия, поскольку именно на ее территории сосредоточена значительная часть планетарных ресурсов гелия.
