HRRS-системы для восстановления и повторного использования гелия

Проблема в том, что в отдельных технологических процессах гелий теряется после однократного применения. Это характерно, например, для ракетостроения, упаковки и хранения пищевых продуктов. Однако во многих производственных и исследовательских сценариях отработанный гелий можно собрать, очистить и вернуть в повторное использование.

Восстановление — рациональное решение

Спрос на гелий растет, а вместе с ним увеличивается и его рыночная стоимость. Гелий стоит примерно в 4 раза дороже аргона и в 30 раз дороже азота. При ограниченности природных ресурсов и постоянном росте цены все более актуальным становится внедрение систем восстановления и многократного применения гелия (Helium Recovery and Recycling Systems, HRRS). Они позволяют снизить затраты на закупку газа и уменьшить зависимость предприятия от внешних поставок.

Помимо экономического эффекта, HRRS-системы дают и другие преимущества:

• легко монтируются и могут интегрироваться в существующий производственный процесс;
• обеспечивают стабильное наличие гелия и снижают риск остановки работ из-за перебоев с поставками;
• уменьшают выбросы в атмосферу и повышают экологическую ответственность предприятия.

Принцип работы

Конструкция HRRS может различаться в зависимости от задач предприятия, однако каждая система должна выполнять три ключевых функции:

• улавливать и накапливать поток отработанного гелия;
• очищать его от загрязнений и примесей;
• возвращать восстановленный газ в технологический процесс.

Способ очистки выбирают с учетом требований к чистоте гелия, состава примесей и уровня загрязнения. На практике применяют короткоцикловую адсорбцию, мембранное разделение или криогенное газоразделение. После очистки и сжатия компрессором гелий направляют на хранение в газообразном или сжиженном состоянии. Затем его снова используют в технологическом цикле.

Сосуды с жидким гелием доставляют к экспериментальным установкам или производственным линиям, где его применяют как охлаждающую среду или защитную атмосферу. В процессе жидкий гелий переходит в газообразную фазу. Отработанный газообразный поток поступает в вакуумный накопительный резервуар. Когда тот наполняется, автоматически включается подключенный компрессор. В нем гелий проходит многоступенчатое сжатие до 100–250 бар. Между ступенями газ охлаждается в теплообменниках, что позволяет поддерживать стабильные параметры процесса.

После осушки и фильтрации сжатый гелий поступает в баллоны высокого давления для хранения. При необходимости его сжижают и снова возвращают в технологический процесс. Таким образом цикл регенерации замыкается.

Поскольку требования к гелию отличаются в разных отраслях, каждую HRRS-систему проектируют с учетом конкретных условий эксплуатации. При разработке учитывают:

• общий объем потребления гелия;
• требования к чистоте газа;
• рабочее давление и скорость потока;
• количество производственных установок, которые потребляют гелий;
• тип, состав и концентрацию загрязнений.

Обязательным элементом таких систем является дожимной гелиевый компрессор. Его можно назвать ключевым узлом, поскольку именно он обеспечивает необходимое давление для дальнейшего хранения и возврата газа в цикл.

В крупных HRRS-системах обычно устанавливают два компрессора параллельно. Они работают попеременно (поток гелия направляется в каждый агрегат поочередно), что позволяет увеличить интервалы между сервисным обслуживанием и снизить нагрузку на оборудование. Такой режим также защищает компрессоры от слишком частых включений и отключений.

Экономический эффект от использования HRRS-систем

Решение о внедрении HRRS должно быть основано на финансовой целесообразности. Чем выше объем потребления гелия и чем стабильнее технологический процесс, тем быстрее окупаются инвестиции в систему восстановления.

Кондиционирование

Рассмотрим примерный расчет экономического эффекта для предприятия, которое массово выпускает бытовые кондиционеры. Исходные данные:

• внутренний объем змеевика одного кондиционера — 2 литра;
• скорость производства — 500 шт/час;
• давление гелия при проверке змеевиков на герметичность — 10 бар.

При таких параметрах расход гелия на тестирование кондиционеров составляет 10 м³/час. Если предприятие работает в две смены по 16 часов в день, суточное потребление достигает 160 м³. При переходе на технологическую схему многократного использования гелия затраты на приобретение HRRS-системы могут окупиться менее чем за два года.

Магнитоэнцефалография

В научных центрах магнитоэнцефалографии, или МЭГ, проводят исследования человеческого мозга и основных психических нарушений, включая шизофрению, биполярное расстройство и аутизм. Для измерения и визуализации магнитных полей, которые возникают из-за электрической активности мозга, используют МЭГ-системы на основе сверхпроводящего квантового интерферометра — СКВИД-датчика. Оборудование размещают в изолированном помещении с экранированием от внешних магнитных полей.

При среднесуточном потреблении 10 литров жидкого гелия годовые расходы на закупку становятся значительными. Дополнительный риск связан с логистикой: задержки поставок могут нарушать непрерывную работу исследовательской системы. Эту задачу можно решить с помощью HRRS-системы прямого восстановления и ожижения гелия. Газообразный гелий, который испаряется в МЭГ-системе, по медному газопроводу направляется непосредственно в ожижитель со встроенным гелиевым компрессором. В результате практически 100 % газообразного гелия снова переводится в жидкое состояние и может повторно использоваться для охлаждения СКВИД-датчика.