Hel - najcenniejsza domieszka w gazie ziemnym

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.

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.

- 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.

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.

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 odbywa się 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.

- 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.

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!

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.

Leszek Kadej, WysokieNapiecie.pl