CC BY
4
ОЦЕНКА СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕЛИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ РАЗВИТИЯ НА ТЕРРИТОРИИ РОССИИ
Р.А. Лановой, аспирант
Иркутский национальный исследовательский технический университет (Россия, г. Иркутск)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-3-2-181-188
Аннотация. В статье дана краткая характеристика гелия, проанализировано современное состояние гелия на мировом рынке производства и потребления. Дана сравнительная оценка мировых производителей гели. Проведено исследование состояния криогенной технологии, применяемой в России и современные проблемы её использования, а также предложен выбор альтернативного инновационного способа извлечения гелия на территории РФ. Предложено использование на Марковском НГКМмембранной установки получения гелиевого концентрата взамен криогенного способа. В зависимости от целей использования полученного пермеата при выборе закачки его в долгосрочное гелиевое хранилище, предлагается вариант с применением линейного двухступенчатого мембранного разделения с получением целевого продукта, содержащего 38-40% гелия. Для получения товарного гелия к мембранной двухступенчатой установке предложено введение секции тонкой очистки от хвостовых газов (водород, углекислый газ, неон и пр.). Дана рекомендация по отправке гелиевого концентрата на установку подготовки и сжижения гелия Ярактинского НГКМ для его реализации в виде товарного жидкого гелия. Рассматриваемое технологическое решение обеспечит стремительное развитие технологического суверенитета и повысит импортонезависимость страны в условиях нарастающего санкионного давления со стороны ряда стран, что соответствует новой стратегии научно-технологического развития РФ.
Ключевые слова: гелий, природный газ, нефтегазоконденсатное месторождение, мембранные технологии, криогенные технологии, Восточная Сибирь.
В современной российской газовой отрасли извлечение гелия имеет стратегическое значение, а также является национальным приоритетом для развития страны. Гелий как продукт нашел своё применение во многих сферах жизнедеятельности, в том числе в современных инновационных технологиях, которые стремительно развиваются. Учитывая огромный производственный потенциал данного химического элемента в России в связи с лидирующими показателями по его геологическому запасу в мире, разработка новых технологических решений, проведение научно-исследовательских и опытно-промышленных мероприятий по повышению технико-экономической эффективности выделения гелия из природного газа, а также его долгосрочного хранения является стратегической задачей.
Учитывая нынешнее состояние Российской Федерации на мировой политической
и экономической арене, появляется необходимость в создании технологического производства, которое обеспечит импор-тонезависимость в требуемых ресурсах. Проведение сравнительного анализа, научных исследований и экспериментов в лабораторных и полевых условиях, а также разработка предложений по модернизации существующих технологий в гелиевом направлении соответствует новой стратегии научно-технологического развития России.
Производятся активные научно-исследовательские мероприятия по внедрению и модернизации энерго- и ресурсосберегающей мембранной технологии на месторождениях Восточной Сибири, с повышенным содержанием гелия в природном газе.
Целью данной статьи является проведение анализа современного состояния гелия на мировом рынке производства и потреб-
ления, сравнительная оценка мировых производителей гелия, исследование состояния криогенной технологии, применяемой в России и современные проблемы её использования, а также выбор альтернативного инновационного способа извлечения гелия на территории РФ.
Современное состояние гелия как предмет производства и потребления на мировом рынке
Гелий является уникальным химическим элементом планеты Земля, является самым низкокипящим газом, обладает особенным свойством сверхтекучести при определенных термобарических условиях. Его содержание на планете чрезвычайно мало, несмотря на то, что в пределах галактики по распространенности гелий занимает второе место после водорода. Гелий, или другими словами «солнечный» газ, образуется в результате альфа-распада урана - 235, 238 и торий, вследствие чего альфа-частицы, сталкиваясь с другими элементами, забирает у них 2 электрона, в результате чего образуется тяжелый изотоп гелия 4Не. «Солнечный» газ медленно
Анализируя динамику мирового рынка потребления «солнечного» газа, можно сказать, что в течение последних 25 лет наблюдается уверенное повышение спроса в связи с количественным ростом высоких технологий, развития космонавтики, сферы развлечений и др. Потребляемость гелия является качественным показателем развития инновационного технико-экономического комплекса страны. Про-
скапливается в продуктивных коллекторах залежей газовых месторождений, под которыми имеются древние породы, содержащие уран. По этой причине в промышленных масштабах его добывают только на месторождениях углеводородах, где происходит его постепенное накопление.
В настоящее время гелий активно используют во многих сферах жизни. В некоторых отраслях уникальный по своим свойствам газ является незаменимым элементом. Широкое применение он получил в медицине, в оборудовании магнитно-резонансной томографии (МРТ) в качестве жидкого хладагента для стабилизации температуры сверхпроводящих магнитах. Гелий используется в большом адронном коллайдере для поддержания экстремально низких температур (~2 К), которые способствуют созданию условий для открытия новых явлений в физике элементарных частиц [1]. Высокий спрос на гелий наблюдается в области разработки и создания современных инновационных высокотехнологичных проектов, а также в сфере развлечения и рекламы (рис. 1).
техника
гнозируется дальнейшее увеличение спроса на гелий и повышение его цены в связи с невозобновляемым характером уникального природного ресурса (расход гелия выше, чем его образование). Оценивая состояние стоимости гелия на внутреннем рынке, можно сказать, что за последние 10 лет цена выросла более чем в пять раз (рис. 2) [2, 3]. Ярко выраженное повышение с 2021 года связано с сокращением
22%
25% 17%
12% 9%
7% 5%
3%
Медицина Сварочные работы Развлечения и реклама Лабораторные исследов Космическая и военная Криогенные установки Электроника Оптоволокно
Рис. 1. Доли потребления гелия на мировом ранке, 2023 год
импортных поставок жидкого гелия в следствие ввода санкционных ограничений, а также немаловажную роль сыграло
начало специальной военной операции (СВО).
2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023
Рис. 2. Динамика цены жидкого гелия на Российском рынке
Основными производителями гелиевой продукции на сегодняшний день является Соединенные Штаты Америки, Катар и Алжир (рис. 3). Россия незначительно уступает тройке лидеров мирового рынка производства «солнечного» газа. На данный момент идёт изменение чаши весов в структуре производства гелия на территории США в связи с истощением федерального гелиевого хранилища Клиффсайд (Техас), который поддерживал Америку в лидирующих позициях по реализации гелия. По состоянию на 2023 год более по-
32%
2%
52% 7% 5% i% i%
ловины доли производства гелиевой продукции имеет США. Вторую строчку рейтинга занимает Катар с почти одной третью долей производства «солнечного» газа благодаря самому крупнейшему нефтегазовому месторождению «Северное» (запасы природного газа - 13,9 трлн м3) с массовым содержанием гелия 0,05%, который является сырьевой базой для нескольких заводов по производству СПГ. Происходит активное развитие частных нефтегазовых компаний зарубежных стран, заточенных на малотоннажное производство.
| США I Катар I Алжир 1 Россия I Австралия I Польша I Канада
Рис. 3. Доли мирового производства гелия по странам, 2023 год
Стоить отметить особенность распределения долей мирового рынка среди операторов, в котором почти 90% занимают 10 крупных компаний, стратегия развития
которых направлена на создание договорных отношений с компаниями, имеющих большие гелиевые ресурсы (рис. 4).
15,7%
34,9% 11,5%
3,4%
22,2% 6,5% ВЭЕЭо
Lrndc
Air Products and Chemicals. Inc
Nippon Sanso Holdings Corporation
Air Liquide
Iwatani Corporation
Mesu Group GmbH
Qatargas Operating Company Limited
Gulf Cryo
Air Water Inc
Axcel Gases
Прочие
Рис. 4. Распределение операторов на мировом рынке гелия, 2023 год
На территории России за последние годы введены крупные гелиевые заводы в Иркутской и Амурской области Восточной Сибири. На Ярактинском нефтегазокон-денсатном месторождении введена в эксплуатацию установка подготовки и сжижения гелия (УПСГ), разработчиком которой является американская компания «Cryo Technologies». Производительность установки рассчитана на 10 млн. литров жидкого товарного гелия в год. Крупнейший в мире Амурский газоперерабатывающий завод имеет блок по подготовке и сжижению гелия, состоящий из трёх установок общей производительность в 60 млн. м3 в год, компанией-разработчиком которой является немецкая компания «Linde». Однако, в связи с введенными санкциями, данные зарубежные компании-разработчики (поставщики) технологического комплекса по реализации гелия отказались от сотрудничества с российскими компаниями-заказчиками, что в свою очередь затормаживает выход крупных гелиевых заводов на полное промышленное производство. Для поддержания конкурентоспособности страны и исключения зависимости от импорта зарубежного оборудования большой опорой выступают отечественные производители проектов по выделению товарного гелия и гелиевого концентрата из природного газа.
Сравнительная оценка существующих технологий извлечения гелия в России
На сегодняшний день в России в промышленном масштабе работает Оренбургский гелиевый завод, принадлежащий компании ООО «Газпром переработка», который получает гелий из природного газа с помощью традиционной криогенной дистилляции [4]. Используемое в технологическом процессе сырьё содержит до 0,06% гелия. Низкая себестоимость гелия обеспечивается за счёт комплексной переработки природного газа с получением этана и широкой фракции легких углеводородов. Однако применение криогенной технологии является энергозатратным процессом. Помимо этого, в результате санкционного давления и отказа от сотрудничества иностранных компаний снизились технико-экономические показатели производства гелия с помощью криогени-ки. По этой же причине в настоящее время запущенные две из трёх гелиевые установки на базе Амурского ГПЗ с уникальной всё еще не вышли на промышленное производство. Источником сырья данного предприятия являются Ковыктинское и Чаяндинское месторождение, природный газ которых с содержанием гелия до 0,45% транспортируется до завода по трубопроводу «Сила Сибири». Также прослеживаются проблемы с импортом зарубежного оборудования на УПСГ Ярактинского
НГКМ для поддержания стабильного технологического режима установки.
Для достижения технологического суверенитета страны необходима реализация новых гелиевых проектов, одним из которых является технология мембранного извлечения гелиевого концентрата. Принцип работы основан на газоразделении природного газа на два потока [5]. Первый по-
ток, который не проходит сквозь проницаемую мембрану, называется ретентат. Второй поток за счёт разности парциальных давлений проходит через мембранный фильтр образуя пермеат - гелиевый концентрат. Порядок веществ с разными скоростями проникновения через мембрану представлен на рисунке 5.
Н20 Н2 Не С02 02 СО Аг Ы2 СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10
Рис. 5. Порядок веществ с разными скоростями проникновения через мембрану
Данный способ доказал свою технико-экономическую эффективность в результате проведения опытно-промышленных испытаний на Марковском месторождении (Ростовская область) принадлежащей компании ООО «Газпром добыча Краснодар» в 2008 году. Успешные испытания пилотной установки послужили основой для реализации в 2013 году экспериментальной установки мембранного извлечения гелиевого концентрата непосредственно на Ко-выктинском месторождении с уникальными запасами природного газа (рис. 6). В результате положительного эксперимента
в 2020 году на Чаяндинском месторождении началась эксплуатация первой промышленной мембранной установки, состоящей из 6 технологических линий общей мощностью по природному газу 32 млрд м3 в год (рис. 7). Для проверки эффективности на установке использовались зарубежные и отечественные мембранные модули (рис. 8). По результатам опытного испытания выявлено, что российские мембраны эффективнее иностранных модулей на 25%. Вывод установки на полную мощность планируется в 2024 году.
Рис. 6. Опытно-промышленная мембранная установка Ковыктинского ГКМ
Рис. 7. Промышленная мембранная установка Чаяндинского НГКМ
СЫРЬЕВОЙ ГАЗ
УППОТНИТЕЛЬНОЕ КОЛЬЦО
ПЕРФОРИРОВАННАЯ ТРУБКА
СЕТКА ТУРБУПИЗАТОР ВНЕШНЯЯ ОБОЛОЧКА
а
1
S
;;
■ РЕТЕНТАТ
а - рулонный мембранный модуль, б - половолоконный мембранный модуль Рис. 8. Отечественные мембранные картриджи
Мембранная технология не только позволяет извлекать гелиевый концентрат в виде пермеата, но и обеспечивать необходимую степень очистки ретентата - природного газа на выходе из мембранного модуля для его последующей подготовки и переработки.
Опыт применения мембранного извлечения показывает, что инновационная технология обеспечивает сокращение эксплуатационных и капитальных затрат примерно в два раза в сравнении с классическим криогенным способом получения гелия. Это связано в первую очередь с относительно малой энергозатратностью и металлоемкостью технологического процесса. К преимуществам можно отнести также отсутствие необходимости в больших человеческих ресурсах в связи с простотой технологической схемы и малым количе-
ством статического (мембранные блоки и пр.) и динамического оборудования, представленных в виде дожимных компрессорных агрегатов.
В Иркутской нефтяной компании на этапе строительства гелиевого завода, входящего в состав второго цеха переработки газа (ЦПГ-2) Ярактинского НГКМ, в перспективе планировалась реализация второй идентичной установки по извлечению и сжижению гелия в ЦПГ-3 на Марковском НГКМ, находящегося примерно в 100 км к северо-востоку города Усть-Кут. Однако в связи с нарастанием санкцион-ных ограничений и ухода зарубежных поставщиков и разработчиков технологии криогенного получения гелия внедрение данного проекта было заморожено.
Учитывая вышесказанное, предлагается интегрировать в ЦПГ-3 мембранную уста-
новку получения гелиевого концентрата взамен криогенного способа. В зависимости от целей использования полученного пермеата при выборе закачки его в долгосрочное гелиевое хранилище в пласт можно рассмотреть вариант с применением линейного двухступенчатого мембранного разделения с получением целевого продукта, содержащего 38-40% гелия, и ре-тентата с классом частоты природного газа (КЧ) до 98,5% (рис. 9) [6]. Для получения
товарного гелия к мембранной двухступенчатой установке необходимо добавить дополнительную секцию тонкой очистки от хвостовых газов (водород, углекислый газ, неон и пр.). Рекомендуется рассмотреть вариант отправки пермеата на УПСГ ЦПГ-2 для его реализации в виде товарного жидкого гелия. Для этого необходимо осуществить разработку проекта по расширению УПСГ.
Рис. 9. Принципиальная двухступенчатая линейная схема мембранной установки
В качестве производителя и поставщика мембранных модулей предлагается рассмотреть научно-производственную компанию «Грасис», находящаяся в городе Дубна. Данный производитель имеет успешный опыт в выполнении инжиниринговых контрактов с такими компаниями как ООО «Газпром добыча Краснодар» (Марковское НГКМ в Ростовской области), ООО «Газпром добыча Ноябрьск» (Ковыктинское ГКМ) и ООО «Газпром добыча Иркутск» (Чаяндинское НГКМ).
Заключение
Учитывая текущее состояние гелиевой промышленности, можно сказать, что с каждым среднегодовой спрос на гелий как невозобновляемого продукта потребления будет возрастать, а вместе с ним будет происходить стремительное повышение предложения. Происходит интенсификация производства гелия, на мировом рынке гелия появляются новые нефтегазовые компании. Прогнозируется изменение лидирующих позиций по производству ге-
лия, в ряде которых Россия может войти в первую тройку стран-производителей гелиевой продукции в связи реализацией своего ресурсного потенциала путём ввода уникальных газоперерабатывающих заводов на территории Восточной Сибири. Для этого необходимо развивать технологический суверенитет и повышать импортоне-зависимость страны в условиях санкион-ных ограничений, что соответствует новой стратегии научно-технологического развития РФ. С целью сохранения уникального газа и его реализации как продукта на мировом рынке предложено внедрение на Марковское НГКМ установки извлечения гелиевого концентрата на базе инновационной мембранной технологии. Данное решение превосходит криогенику по ряду критериев, среди которых можно выделить отсутствие необходимости в сотрудничестве с зарубежными инжиниринговыми компаниями и высокую энергоэффективность процесса получения гелия.
Библиографический список
1. Мировой рынок гелия // ООО «Газпром гелий сервис». - [Электронный ресурс]. -Режим доступа: https://ges-helium.ru/?id=24 (дата обращения: 27.03.2024).
2. Голубева И.А., Настин А.Н., Соломахин В.И., Павловский В.В. Гелий в России сегодня: проблемы и пути решения // Газовая промышленность. - 2021. - №4 (815). - С. 70-78.
3. Арчегов В.Б. Основы стратегии рационального освоения высококачественных ресурсов гелия Сибирской платформы // Записки горного института. - Санкт-Петербург: Издательство Санкт-Петербургского горного университета. - 2015. - Т. 211. - С. 5-15.
4. Голубева И.А., Родина Е.В., Можейкина В.В. Газоперерабатывающие предприятия России. Оренбургский ГПК - газоперерабатывающий и гелиевые заводы (ООО «ГАЗПРОМ Добыча Оренбург») // Нефтепереработка и нефтехимия. Научно-технические достижения и передовой опыт. - 2015. - № 2. - С. 31-44.
5. Мулдер М. Введение в мембранную технологию - М.: Мир, 1999. - 513 а
6. Рубан Г.Н., Бондарев В.Л., Королёва В.Л., Королёв Д.С. Оценка возможности создания хранилищ гелиевого концентрата в Иркутской области // Газовая промышленность. -2010. - № 4. - С. 24-25.
ASSESSMENT OF EXISTING HELIUM PRODUCTION TECHNOLOGIES AND PROSPECTS FOR THEIR DEVELOPMENT IN RUSSIA
R.A. Lanovoi, Postgraduate Student
Irkutsk National Research Technical University
(Russia, Irkutsk)
Abstract. The article gives a brief characteristic of helium, analyzes the current state of helium on the world market of production and consumption. A comparative assessment of the world helium producers is given. A study of the state of cryogenic technology used in Russia and the current problems of its use is carried out, and the choice of an alternative innovative method of helium extraction in Russia is proposed. The use of a membrane unit for helium concentrate production at the Markovskoye OGCF instead of the cryogenic method was proposed. Depending on the purpose of using the obtained permeate, when choosing to inject it into a long-term helium storage facility, a variant with the use of linear two-stage membrane separation to obtain a target product containing 38-40% helium is proposed. To obtain marketable helium, the membrane two-stage unit is proposed to be supplemented with a fine purification section for tail gases (hydrogen, carbon dioxide, neon, etc.). A recommendation was given to send helium concentrate to the helium preparation and liquefaction unit of the Yarakta OGCF for its sale as marketable liquid helium. The considered technological solution will ensure rapid development of technological sovereignty and increase the country's import-independence in the conditions of growing sankion pressure from a number of countries, which corresponds to the new strategy of scientific and technological development of the Russian Federation.
Keywords: helium, natural gas, oil and gas condensate field, membrane technologies, cryogenic technologies, Eastern Siberia.
