Hel to pierwiastek chemiczny o symbolu He i liczbie atomowej 2. Jest rzadkim gazem atmosferycznym, bezbarwnym, bezsmakowym, nietoksycznym, niepalnym, słabo rozpuszczalnym w wodzie. Stężenie helu w atmosferze wynosi 5,24 x 10-4 objętościowo. Ma najniższą temperaturę wrzenia i topnienia spośród wszystkich pierwiastków i występuje wyłącznie w postaci gazu, z wyjątkiem ekstremalnie niskich temperatur.

Hel jest transportowany głównie w postaci gazowej lub ciekłej i wykorzystywany w reaktorach jądrowych, półprzewodnikach, laserach, żarówkach, nadprzewodnikach, instrumentach pomiarowych, półprzewodnikach i światłowodach, w kriogenice, MRI oraz w badaniach laboratoryjnych.

Źródło zimna o niskiej temperaturze

Hel jest stosowany jako kriogeniczne chłodziwo do kriogenicznych źródeł chłodzenia, takich jak obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI), spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR), nadprzewodzący kwantowy akcelerator cząstek, Wielki Zderzacz Hadronów, interferometr (SQUID), elektronowy rezonans spinowy (ESR) i nadprzewodzące magnetyczne magazyny energii (SMES), nadprzewodzące generatory MHD, czujniki nadprzewodzące, systemy przesyłu energii, transport na poduszce magnetycznej (MEGlev), spektrometr mas, magnes nadprzewodzący, separatory silnego pola magnetycznego, pierścieniowe magnesy nadprzewodzące w reaktorach fuzyjnych i inne badania kriogeniczne. Hel schładza kriogeniczne materiały nadprzewodzące i magnesy do temperatury bliskiej zera absolutnego, w którym to punkcie rezystancja nadprzewodnika nagle spada do zera. Bardzo niska rezystancja nadprzewodnika tworzy silniejsze pole magnetyczne. W przypadku sprzętu MRI stosowanego w szpitalach, silniejsze pola magnetyczne zapewniają większą szczegółowość obrazów radiograficznych.

Hel jest stosowany jako superchłodziwo, ponieważ ma najniższą temperaturę topnienia i wrzenia, nie krzepnie pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze 0 K, a także jest chemicznie obojętny, co praktycznie uniemożliwia jego reakcję z innymi substancjami. Ponadto hel staje się nadciekły w temperaturze poniżej 2,2 kelwina. Do tej pory ta wyjątkowa ultramobilność nie została wykorzystana w żadnym zastosowaniu przemysłowym. W temperaturach poniżej 17 kelwinów nie ma substytutu dla helu jako czynnika chłodniczego w źródle kriogenicznym.

Lotnictwo i astronautyka

Hel jest również używany w balonach i sterowcach. Ponieważ hel jest lżejszy od powietrza, sterowce i balony są napełniane helem. Hel ma tę zaletę, że jest niepalny, natomiast wodór ma większą wyporność i mniejszą szybkość ucieczki z membrany. Innym drugorzędnym zastosowaniem jest technologia rakietowa, gdzie hel jest używany jako medium stratne do wypierania paliwa i utleniacza w zbiornikach magazynowych oraz do skraplania wodoru i tlenu w celu wytworzenia paliwa rakietowego. Może być również używany do usuwania paliwa i utleniacza z urządzeń naziemnych przed startem oraz do wstępnego schładzania ciekłego wodoru w statku kosmicznym. W rakiecie Saturn V, używanej w programie Apollo, do startu potrzeba było około 370 000 metrów sześciennych (13 milionów stóp sześciennych) helu.

Wykrywanie wycieków w rurociągach i analiza wykrywania

Innym przemysłowym zastosowaniem helu jest wykrywanie nieszczelności. Wykrywanie nieszczelności służy do wykrywania nieszczelności w systemach zawierających ciecze i gazy. Ponieważ hel dyfunduje przez ciała stałe trzy razy szybciej niż powietrze, jest używany jako gaz znakujący do wykrywania nieszczelności w urządzeniach wysokopróżniowych (takich jak zbiorniki kriogeniczne) i zbiornikach wysokociśnieniowych. Obiekt umieszczany jest w komorze, z której następnie usuwana jest próżnia i wypełniana helem. Nawet przy tak niskim natężeniu nieszczelności, jak 10-9 mbar•L/s (10-10 Pa•m³/s), hel ulatniający się przez nieszczelność może zostać wykryty przez czułe urządzenie (spektrometr mas helowych). Procedura pomiaru jest zazwyczaj zautomatyzowana i nazywana jest testem integracji helu. Inną, prostszą metodą jest wypełnienie badanego obiektu helem i ręczne poszukiwanie nieszczelności za pomocą urządzenia przenośnego.

Hel jest używany do wykrywania nieszczelności, ponieważ jest najmniejszą cząsteczką i jest jednoatomowy, co ułatwia jego wyciekanie. Podczas wykrywania nieszczelności obiekt wypełnia się helem, a w przypadku jego wystąpienia spektrometr masowy z helem będzie w stanie zlokalizować jego miejsce. Hel może być używany do wykrywania nieszczelności w rakietach, zbiornikach paliwa, wymiennikach ciepła, przewodach gazowych, elektronice, lampach telewizyjnych i innych elementach produkcyjnych. Wykrywanie nieszczelności z użyciem helu zostało po raz pierwszy zastosowane w projekcie Manhattan do wykrywania nieszczelności w zakładach wzbogacania uranu. Hel do wykrywania nieszczelności można zastąpić wodorem, azotem lub mieszaniną wodoru i azotu.

Spawanie i obróbka metali

Hel jest stosowany jako gaz ochronny podczas spawania łukowego i plazmowego ze względu na wyższą energię potencjalną jonizacji niż inne atomy. Hel wokół spoiny zapobiega utlenianiu metalu w stanie stopionym. Wysoka energia potencjalna jonizacji helu umożliwia spawanie łukiem plazmowym różnych metali stosowanych w budownictwie, przemyśle stoczniowym i lotniczym, takich jak stopy tytanu, cyrkonu, magnezu i aluminium. Chociaż hel w gazie osłonowym można zastąpić argonem lub wodorem, niektórych materiałów (takich jak tytan-hel) nie można zastąpić w spawaniu plazmowym. Ponieważ hel jest jedynym gazem bezpiecznym w wysokich temperaturach.

Jednym z najaktywniejszych obszarów rozwoju jest spawanie stali nierdzewnej. Hel jest gazem obojętnym, co oznacza, że nie wchodzi w reakcje chemiczne w kontakcie z innymi substancjami. Ta cecha jest szczególnie ważna w przypadku gazów ochronnych stosowanych podczas spawania.

Hel dobrze przewodzi również ciepło. Dlatego jest powszechnie stosowany w spoinach, gdzie wymagane jest większe ciepło doprowadzone w celu poprawy zwilżalności spoiny. Hel jest również przydatny do przyspieszania spawania.

Hel jest zazwyczaj mieszany z argonem w różnych proporcjach w mieszaninie gazów ochronnych, aby w pełni wykorzystać korzystne właściwości obu gazów. Hel, na przykład, działa jako gaz ochronny, pomagając zapewnić szerszy i płytszy stopień penetracji podczas spawania. Jednak hel nie zapewnia takiego czyszczenia jak argon.

W rezultacie producenci metali często rozważają mieszanie argonu z helem w ramach swojego procesu produkcyjnego. W przypadku spawania łukowego w osłonie gazów ochronnych, hel może stanowić od 25% do 75% mieszanki gazowej w mieszance hel/argon. Dostosowując skład mieszanki gazów ochronnych, spawacz może wpływać na rozkład ciepła spoiny, co z kolei wpływa na kształt przekroju poprzecznego spoiny i prędkość spawania.

Przemysł półprzewodników elektronicznych

Jako gaz obojętny, hel jest tak stabilny, że praktycznie nie reaguje z innymi pierwiastkami. Dzięki tej właściwości jest stosowany jako osłona podczas spawania łukowego (aby zapobiec zanieczyszczeniu powietrza tlenem). Hel ma również inne kluczowe zastosowania, takie jak produkcja półprzewodników i światłowodów. Ponadto może zastępować azot podczas nurkowania na dużych głębokościach, zapobiegając tworzeniu się pęcherzyków azotu we krwi, a tym samym chorobie nurkowej.

Globalna wielkość sprzedaży helu (2016-2027)

Globalny rynek helu osiągnął wartość 1825,37 mln USD w 2020 roku i oczekuje się, że osiągnie 2742,04 mln USD w 2027 roku, przy średniorocznej stopie wzrostu (CAGR) na poziomie 5,65% (2021-2027). Branża charakteryzuje się dużą niepewnością w nadchodzących latach. Prognozy na lata 2021-2027 zawarte w niniejszym dokumencie opierają się na rozwoju historycznym z ostatnich kilku lat, opiniach ekspertów branżowych oraz opiniach analityków.

Przemysł helowy jest wysoce skoncentrowany, czerpie z zasobów naturalnych i ma ograniczoną liczbę globalnych producentów, głównie w Stanach Zjednoczonych, Rosji, Katarze i Algierii. Na świecie sektor konsumencki koncentruje się w Stanach Zjednoczonych, Chinach i Europie. Stany Zjednoczone mają długą historię i niezachwianą pozycję w tym przemyśle.

Wiele firm posiada kilka fabryk, ale zazwyczaj nie znajdują się one blisko docelowych rynków konsumenckich. W związku z tym koszty transportu produktu są wysokie.

Od pierwszych pięciu lat produkcja helu rosła bardzo powoli. Hel jest nieodnawialnym źródłem energii, a w krajach produkujących obowiązują regulacje mające na celu zapewnienie jego dalszego wykorzystania. Niektórzy przewidują, że zasoby helu w przyszłości się wyczerpią.

Branża charakteryzuje się wysokim udziałem importu i eksportu. Prawie wszystkie kraje wykorzystują hel, ale tylko nieliczne posiadają jego rezerwy.

Hel ma szeroki zakres zastosowań i będzie dostępny w coraz większej liczbie dziedzin. Biorąc pod uwagę niedobór zasobów naturalnych, popyt na hel prawdopodobnie wzrośnie w przyszłości, co będzie wymagało odpowiednich alternatyw. Przewiduje się, że ceny helu będą nadal rosły w latach 2021-2026, z 13,53 USD/m³ (2020) do 19,09 USD/m³ (2027).

Na branżę wpływają czynniki ekonomiczne i polityczne. Wraz z ożywieniem światowej gospodarki coraz więcej osób jest zaniepokojonych poprawą standardów środowiskowych, zwłaszcza w regionach słabo rozwiniętych, o dużej populacji i szybkim wzroście gospodarczym. Zapotrzebowanie na hel będzie rosło.

Obecnie do głównych globalnych producentów należą Rasgas, Linde Group, Air Chemical, ExxonMobil, Air Liquide (Dz) i Gazprom (Ru) itp. W 2020 roku udział w sprzedaży sześciu największych producentów przekroczy 74%. Oczekuje się, że w ciągu najbliższych kilku lat konkurencja w branży stanie się jeszcze bardziej zacięta.

Sprzęt kriogeniczny HL

Ze względu na ograniczoną ilość zasobów ciekłego helu i rosnącą cenę, ważne jest ograniczenie strat i odzysku ciekłego helu w procesie jego użytkowania i transportu.

Firma HL Cryogenic Equipment, założona w 1992 roku, jest marką powiązaną z HL Cryogenic Equipment Company Cryogenic Equipment Co., Ltd. HL Cryogenic Equipment zajmuje się projektowaniem i produkcją kriogenicznych systemów rurowych z izolacją wysokopróżniową oraz powiązanego sprzętu pomocniczego, aby sprostać zróżnicowanym potrzebom klientów. Rury i elastyczne przewody z izolacją próżniową są wykonane z wysokiej próżni i wielowarstwowych, wielowarstwowych, specjalnych materiałów izolacyjnych, a następnie poddawane szeregowi rygorystycznych procesów technicznych, w tym obróbce wysokopróżniowej, która jest wykorzystywana do przesyłu ciekłego tlenu, ciekłego azotu, ciekłego argonu, ciekłego wodoru, ciekłego helu, skroplonego etylenu (LEG) i skroplonego gazu ziemnego (LNG).

Seria produktów rur z płaszczem próżniowym, węży z płaszczem próżniowym, zaworów z płaszczem próżniowym i separatorów faz w firmie HL Cryogenic Equipment Company, które przeszły szereg niezwykle rygorystycznych obróbek technicznych, jest używana do przesyłu ciekłego tlenu, ciekłego azotu, ciekłego argonu, ciekłego wodoru, ciekłego helu, LEG i LNG. Produkty te są serwisowane w sprzęcie kriogenicznym (np. zbiornikach kriogenicznych, naczyniach Dewara i komorach chłodniczych itp.) w branżach związanych z separacją powietrza, gazami, lotnictwem, elektroniką, nadprzewodnikami, układami scalonymi, montażem automatyki, żywnością i napojami, farmacją, szpitalnictwem, biobankami, gumą, produkcją nowych materiałów, inżynierią chemiczną, hutnictwem i stalą oraz badaniami naukowymi itp.

Firma HL Cryogenic Equipment Company stała się kwalifikowanym dostawcą/sprzedawcą takich marek jak Linde, Air Liquide, Air Products (AP), Praxair, Messer, BOC, Iwatani i Hangzhou Oxygen Plant Group (Hangyang) itp.