Heli là một nguyên tố hóa học có ký hiệu là He và số hiệu nguyên tử là 2. Nó là một loại khí hiếm trong khí quyển, không màu, không mùi, không độc hại, không cháy, chỉ tan rất ít trong nước. Nồng độ heli trong khí quyển là 5,24 x 10⁻⁴ theo phần trăm thể tích. Nó có điểm sôi và điểm nóng chảy thấp nhất trong tất cả các nguyên tố, và chỉ tồn tại ở dạng khí, trừ điều kiện cực lạnh.

Heli chủ yếu được vận chuyển dưới dạng khí hoặc lỏng và được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân, chất bán dẫn, laser, bóng đèn, siêu dẫn, thiết bị đo lường, chất bán dẫn và quang học sợi, công nghệ đông lạnh, MRI và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm R&D.

Nguồn lạnh nhiệt độ thấp

Heli được sử dụng làm chất làm lạnh đông lạnh cho các nguồn làm lạnh đông lạnh, chẳng hạn như chụp cộng hưởng từ (MRI), quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), máy gia tốc hạt lượng tử siêu dẫn, máy va chạm hadron lớn, giao thoa kế (SQUID), cộng hưởng spin electron (ESR) và lưu trữ năng lượng từ siêu dẫn (SMES), máy phát điện siêu dẫn MHD, cảm biến siêu dẫn, truyền tải điện, vận tải từ trường nâng, máy quang phổ khối, nam châm siêu dẫn, bộ tách từ trường mạnh, nam châm siêu dẫn trường vòng cho lò phản ứng nhiệt hạch và các nghiên cứu đông lạnh khác. Heli làm lạnh các vật liệu và nam châm siêu dẫn đông lạnh đến gần độ không tuyệt đối, tại điểm đó điện trở của chất siêu dẫn đột ngột giảm xuống bằng không. Điện trở rất thấp của chất siêu dẫn tạo ra từ trường mạnh hơn. Trong trường hợp thiết bị MRI được sử dụng trong bệnh viện, từ trường mạnh hơn tạo ra nhiều chi tiết hơn trong hình ảnh chụp X-quang.

Heli được sử dụng làm chất siêu làm lạnh vì heli có điểm nóng chảy và điểm sôi thấp nhất, không đông đặc ở áp suất khí quyển và 0 K, và heli trơ về mặt hóa học, khiến nó hầu như không thể phản ứng với các chất khác. Ngoài ra, heli trở thành chất siêu lỏng ở nhiệt độ dưới 2,2 Kelvin. Cho đến nay, tính chất siêu linh động độc đáo này vẫn chưa được khai thác trong bất kỳ ứng dụng công nghiệp nào. Ở nhiệt độ dưới 17 Kelvin, không có chất nào thay thế được heli làm chất làm lạnh trong nguồn đông lạnh.

Hàng không và Du hành vũ trụ

Heli cũng được sử dụng trong khinh khí cầu và tàu bay. Vì heli nhẹ hơn không khí, nên tàu bay và khinh khí cầu được bơm đầy heli. Heli có ưu điểm là không dễ cháy, mặc dù hydro có độ nổi cao hơn và tốc độ thoát ra khỏi màng thấp hơn. Một ứng dụng thứ cấp khác là trong công nghệ tên lửa, nơi heli được sử dụng làm môi chất để thay thế nhiên liệu và chất oxy hóa trong các bể chứa và ngưng tụ hydro và oxy để tạo ra nhiên liệu tên lửa. Nó cũng có thể được sử dụng để loại bỏ nhiên liệu và chất oxy hóa khỏi thiết bị hỗ trợ mặt đất trước khi phóng, và có thể làm lạnh trước hydro lỏng trong tàu vũ trụ. Trong tên lửa Saturn V được sử dụng trong chương trình Apollo, cần khoảng 370.000 mét khối (13 triệu feet khối) heli để phóng.

Phát hiện rò rỉ đường ống và phân tích phát hiện rò rỉ

Một ứng dụng công nghiệp khác của heli là phát hiện rò rỉ. Phát hiện rò rỉ được sử dụng để phát hiện rò rỉ trong các hệ thống chứa chất lỏng và khí. Vì heli khuếch tán qua chất rắn nhanh gấp ba lần không khí, nó được sử dụng như một khí dò để phát hiện rò rỉ trong thiết bị chân không cao (như bể chứa đông lạnh) và bình chịu áp suất cao. Vật cần kiểm tra được đặt trong một buồng, sau đó được hút chân không và nạp đầy heli. Ngay cả ở tốc độ rò rỉ thấp tới 10⁻⁹ mbar•L/s (10⁻¹⁰ Pa•m³/s), heli thoát ra qua chỗ rò rỉ vẫn có thể được phát hiện bằng một thiết bị nhạy (máy đo phổ khối heli). Quy trình đo thường được tự động hóa và được gọi là thử nghiệm tích hợp heli. Một phương pháp khác, đơn giản hơn là nạp đầy heli vào vật cần kiểm tra và tìm kiếm rò rỉ thủ công bằng thiết bị cầm tay.

Heli được sử dụng để phát hiện rò rỉ vì nó là phân tử nhỏ nhất và là phân tử đơn nguyên tử, do đó heli dễ bị rò rỉ. Khí heli được bơm vào vật thể trong quá trình phát hiện rò rỉ, và nếu xảy ra rò rỉ, máy quang phổ khối heli sẽ có thể phát hiện vị trí rò rỉ. Heli có thể được sử dụng để phát hiện rò rỉ trong tên lửa, thùng nhiên liệu, bộ trao đổi nhiệt, đường ống dẫn khí, thiết bị điện tử, ống truyền hình và các bộ phận sản xuất khác. Phát hiện rò rỉ bằng heli lần đầu tiên được sử dụng trong dự án Manhattan để phát hiện rò rỉ tại các nhà máy làm giàu uranium. Heli dùng để phát hiện rò rỉ có thể được thay thế bằng hydro, nitơ hoặc hỗn hợp hydro và nitơ.

Hàn và gia công kim loại

Khí heli được sử dụng làm khí bảo vệ trong hàn hồ quang và hàn hồ quang plasma vì nó có năng lượng ion hóa cao hơn các nguyên tử khác. Khí heli bao quanh mối hàn ngăn kim loại bị oxy hóa ở trạng thái nóng chảy. Năng lượng ion hóa cao của heli cho phép hàn hồ quang plasma các kim loại khác nhau được sử dụng trong xây dựng, đóng tàu và hàng không vũ trụ, chẳng hạn như titan, zirconi, magie và hợp kim nhôm. Mặc dù heli trong khí bảo vệ có thể được thay thế bằng argon hoặc hydro, nhưng một số vật liệu (như titan heli) không thể thay thế được trong hàn hồ quang plasma. Bởi vì heli là khí duy nhất an toàn ở nhiệt độ cao.

Một trong những lĩnh vực phát triển năng động nhất là hàn thép không gỉ. Heli là một loại khí trơ, có nghĩa là nó không trải qua bất kỳ phản ứng hóa học nào khi tiếp xúc với các chất khác. Đặc tính này đặc biệt quan trọng trong các loại khí bảo vệ khi hàn.

Heli cũng dẫn nhiệt tốt. Đó là lý do tại sao nó thường được sử dụng trong các mối hàn cần lượng nhiệt cao hơn để cải thiện khả năng thấm ướt của mối hàn. Heli cũng hữu ích để tăng tốc độ hàn.

Heli thường được trộn với argon theo tỷ lệ khác nhau trong hỗn hợp khí bảo vệ để tận dụng tối đa các đặc tính tốt của cả hai loại khí. Ví dụ, heli đóng vai trò là khí bảo vệ giúp tạo ra các đường hàn sâu hơn và rộng hơn trong quá trình hàn. Tuy nhiên, heli không có khả năng làm sạch như argon.

Do đó, các nhà sản xuất kim loại thường xem xét việc trộn argon với heli như một phần của quy trình làm việc. Đối với hàn hồ quang kim loại được bảo vệ bằng khí, heli có thể chiếm từ 25% đến 75% hỗn hợp khí heli/argon. Bằng cách điều chỉnh thành phần của hỗn hợp khí bảo vệ, người thợ hàn có thể ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt của mối hàn, từ đó ảnh hưởng đến hình dạng mặt cắt ngang của kim loại mối hàn và tốc độ hàn.

Ngành công nghiệp bán dẫn điện tử

Là một khí trơ, heli rất ổn định nên hầu như không phản ứng với bất kỳ nguyên tố nào khác. Tính chất này khiến nó được sử dụng làm chất chắn trong hàn hồ quang (để ngăn ngừa sự nhiễm bẩn oxy trong không khí). Heli cũng có các ứng dụng quan trọng khác, chẳng hạn như trong sản xuất chất bán dẫn và sợi quang. Ngoài ra, nó có thể thay thế nitơ trong lặn sâu để ngăn ngừa sự hình thành các bong bóng nitơ trong máu, do đó ngăn ngừa bệnh lặn.

Khối lượng bán khí heli toàn cầu (2016-2027)

Thị trường heli toàn cầu đạt 1825,37 triệu đô la Mỹ vào năm 2020 và dự kiến ​​sẽ đạt 2742,04 triệu đô la Mỹ vào năm 2027, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 5,65% (2021-2027). Ngành công nghiệp này đang đối mặt với nhiều biến động trong những năm tới. Dữ liệu dự báo cho giai đoạn 2021-2027 trong bài viết này dựa trên diễn biến lịch sử của vài năm qua, ý kiến ​​của các chuyên gia trong ngành và ý kiến ​​của các nhà phân tích trong bài viết này.

Ngành công nghiệp heli có tính tập trung cao, nguồn gốc từ tài nguyên thiên nhiên và số lượng nhà sản xuất toàn cầu hạn chế, chủ yếu ở Hoa Kỳ, Nga, Qatar và Algeria. Trên thế giới, lĩnh vực tiêu thụ tập trung ở Hoa Kỳ, Trung Quốc, châu Âu, v.v. Hoa Kỳ có lịch sử lâu đời và vị thế vững chắc trong ngành này.

Nhiều công ty có nhiều nhà máy, nhưng chúng thường không nằm gần thị trường tiêu dùng mục tiêu của họ. Do đó, sản phẩm có chi phí vận chuyển cao.

Trong năm năm đầu tiên, sản lượng tăng trưởng rất chậm. Heli là nguồn năng lượng không thể tái tạo, và các chính sách đã được ban hành ở các nước sản xuất để đảm bảo việc sử dụng liên tục. Một số dự đoán cho rằng heli sẽ cạn kiệt trong tương lai.

Ngành công nghiệp này có tỷ lệ nhập khẩu và xuất khẩu cao. Hầu hết các quốc gia đều sử dụng heli, nhưng chỉ một số ít có trữ lượng heli.

Heli có phạm vi ứng dụng rộng rãi và sẽ được sử dụng ngày càng nhiều trong nhiều lĩnh vực. Do nguồn tài nguyên thiên nhiên khan hiếm, nhu cầu về heli có khả năng tăng lên trong tương lai, đòi hỏi phải có các giải pháp thay thế phù hợp. Giá heli dự kiến ​​sẽ tiếp tục tăng từ năm 2021 đến năm 2026, từ 13,53 USD/m³ (năm 2020) lên 19,09 USD/m³ (năm 2027).

Ngành công nghiệp này chịu ảnh hưởng bởi kinh tế và chính sách. Khi nền kinh tế toàn cầu phục hồi, ngày càng nhiều người quan tâm đến việc cải thiện các tiêu chuẩn môi trường, đặc biệt là ở các khu vực đang phát triển có dân số đông và tốc độ tăng trưởng kinh tế nhanh, nhu cầu về khí heli sẽ tăng lên.

Hiện nay, các nhà sản xuất lớn trên toàn cầu bao gồm Rasgas, Linde Group, Air Chemical, ExxonMobil, Air Liquide (Đức) và Gazprom (Nga), v.v. Năm 2020, thị phần doanh thu của 6 nhà sản xuất hàng đầu sẽ vượt quá 74%. Dự kiến ​​cạnh tranh trong ngành sẽ ngày càng gay gắt hơn trong những năm tới.

Thiết bị đông lạnh HL

Do nguồn tài nguyên heli lỏng khan hiếm và giá cả ngày càng tăng, việc giảm thiểu thất thoát và thu hồi heli lỏng trong quá trình sử dụng và vận chuyển là rất quan trọng.

Công ty HL Cryogenic Equipment, được thành lập năm 1992, là một thương hiệu trực thuộc Công ty TNHH Thiết bị Cryogenic HL. HL Cryogenic Equipment cam kết thiết kế và sản xuất hệ thống đường ống cách nhiệt chân không cao và các thiết bị hỗ trợ liên quan để đáp ứng các nhu cầu đa dạng của khách hàng. Ống cách nhiệt chân không và ống mềm được chế tạo bằng vật liệu cách nhiệt đặc biệt nhiều lớp, nhiều màn chắn, trong môi trường chân không cao, trải qua một loạt các quy trình xử lý kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt và xử lý chân không cao, được sử dụng để vận chuyển oxy lỏng, nitơ lỏng, argon lỏng, hydro lỏng, heli lỏng, khí etylen hóa lỏng (LEG) và khí tự nhiên hóa lỏng (LNG).

Dòng sản phẩm ống bọc chân không, ống mềm bọc chân không, van bọc chân không và bộ tách pha của Công ty Thiết bị Cryogenic HL, trải qua hàng loạt quy trình xử lý kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt, được sử dụng để vận chuyển oxy lỏng, nitơ lỏng, argon lỏng, hydro lỏng, heli lỏng, LEG và LNG, và được bảo dưỡng cho các thiết bị cryogenic (ví dụ: bồn chứa cryogenic, bình Dewar và hộp lạnh, v.v.) trong các ngành công nghiệp tách khí, khí đốt, hàng không, điện tử, siêu dẫn, chip, lắp ráp tự động hóa, thực phẩm và đồ uống, dược phẩm, bệnh viện, ngân hàng sinh học, cao su, sản xuất vật liệu mới, kỹ thuật hóa học, sắt thép và nghiên cứu khoa học, v.v.

Công ty Thiết bị đông lạnh HL đã trở thành nhà cung cấp/đại lý đủ điều kiện cho Linde, Air Liquide, Air Products (AP), Praxair, Messer, BOC, Iwatani và Tập đoàn Nhà máy Oxy Hàng Châu (Hangyang), v.v.