背景介紹

氦氣是一種無(wú)色無(wú)味無(wú)毒且不易燃燒的惰性氣體。在所有氣體元素中，除氫氣外，氦氣的原子最小。氦氣比空氣輕7倍，聲音傳播速度快3倍且熱傳導(dǎo)性高5倍。在已知的所有材料中，氦氣的沸點(diǎn)最低，在絕對(duì)零度時(shí)仍保持在液態(tài)狀態(tài)。由于其優(yōu)良的性質(zhì)，氦氣被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、核工業(yè)以及航天工業(yè)等，在一些應(yīng)用領(lǐng)域中具有不可取代的地位。

氦氣屬于稀缺性戰(zhàn)略資源，目前天然氣是氦氣的唯一商業(yè)來(lái)源。我國(guó)屬貧氦國(guó)家，氦資源嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口。隨著我國(guó)國(guó)防建設(shè)、科技與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)、科研等領(lǐng)域?qū)獾男枨罅亢湍赀M(jìn)口量不斷加大，日益增加的氦氣需求量與有限的氦氣資源間的強(qiáng)烈矛盾，將焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到直接排空的富氦尾氣上。將低濃度氦氣進(jìn)行回收提純，提高氦氣循環(huán)利用率成為解決矛盾的良方。氦氣循環(huán)利用一方面可以有效減少我國(guó)外匯支出，降低生產(chǎn)與科研成本，解決工業(yè)企業(yè)由于氦資源供給不足無(wú)法擴(kuò)產(chǎn)的難題，另一方面對(duì)節(jié)約和保護(hù)不可再生氦氣資源也有重要戰(zhàn)略意義。

技術(shù)介紹

氦氣的純化技術(shù)根據(jù)工作壓力、冷源的使用等條件的不同主要分為高壓低溫冷凝、吸附法、膜分離法、變壓吸附法、低溫冷凝吸附法。

氦氣高壓低溫冷凝、吸附法是一種經(jīng)典可靠的純化技術(shù)，該技術(shù)工藝成熟，被廣泛應(yīng)用在高純度氦氣的提純工藝中。技術(shù)利用氦氣沸點(diǎn)低的特點(diǎn)，通過(guò)使用液氮等冷源，冷凝并分離混合氣中的氮?dú)獾入s質(zhì)，再通過(guò)吸附材料二次去除氦氣內(nèi)所含雜質(zhì)用以獲得高純度氦氣。氦氣高壓低溫冷凝、吸附法適用于處理量大的氦氣提純場(chǎng)合。提純過(guò)程需要提供冷源，由于要在高壓操作條件下，自動(dòng)化程度受到一定限制。

膜分離法是一種比較先進(jìn)的氦氣純化技術(shù)，該技術(shù)采用先進(jìn)的氦分離膜材料為核心部件，利用膜兩側(cè)氣體的分壓差為推動(dòng)力，通過(guò)膜對(duì)不同組分氣體選擇透過(guò)性差異對(duì)氦氣進(jìn)行分離提純。膜分離法可以在常溫下操作，壓力要求不高，且具有體積小、能耗低、操作簡(jiǎn)單、無(wú)需能源、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。但現(xiàn)階段膜分離法中的膜材料大多依靠進(jìn)口，我國(guó)在氣體分離膜材料研發(fā)水平上有待進(jìn)一步提高。

變壓吸附法是一種氣體吸附分離技術(shù)，通過(guò)改變壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體的吸附和解吸過(guò)程。吸附分離是利用吸附劑對(duì)特定氣體吸附和解析能力上的差異進(jìn)行分離的。為了促進(jìn)這個(gè)過(guò)程的進(jìn)行，常用的有加壓法和真空法等。吸附過(guò)程具有體積相對(duì)較小、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但變壓吸附存在出氣過(guò)程不穩(wěn)定、產(chǎn)品氣純度有波動(dòng)等問(wèn)題。

低溫冷凝吸附法是采用制冷機(jī)為冷源的分離方法，利用氦氣沸點(diǎn)低的物理特性，達(dá)到分離氣體的目的。此種方法適用于氦氣使用量小、壓力穩(wěn)定且連續(xù)使用的工況。

技術(shù)應(yīng)用

當(dāng)下，氦氣廣泛應(yīng)用于制冷、醫(yī)療、軍工、管道檢漏、高精度焊接、金屬制造、氣球載、科研、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。應(yīng)用場(chǎng)所的不同決定了對(duì)于氦氣的要求千差萬(wàn)別，表1列出了部分應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ诤獾囊?。我公司擁有低溫制冷的公司背景，結(jié)合世界先進(jìn)分離技術(shù)，通過(guò)多年的研究開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)出不同提純工藝的氦氣循環(huán)利用設(shè)備，滿(mǎn)足科研院所及全工業(yè)領(lǐng)域多樣化的氦氣提純循環(huán)需求。

表 1 氦氣應(yīng)用領(lǐng)域及相關(guān)參數(shù)

3.1低溫高壓冷凝、吸附技術(shù)應(yīng)用

我公司專(zhuān)業(yè)從事低溫制冷技術(shù)，已經(jīng)熟練將低溫高壓冷凝、吸附技術(shù)應(yīng)用于氦氣分離提純過(guò)程。該方法主要適用于氦氣純化量相對(duì)較大，冷源采集便利的場(chǎng)所。公司現(xiàn)已應(yīng)用低溫高壓冷凝、吸附技術(shù)成功研制GCH-100型、GCH-200型以及GCH-500型氦氣純化設(shè)備。設(shè)備出口氣純度可以達(dá)到99.9995%。但是分離過(guò)程需要不斷提供冷源，能耗高，設(shè)備體積較大，對(duì)于100-500L/min的大型氦氣提純領(lǐng)域，我公司多采用此種方法。

圖 1 飛艇氦氣回收

技術(shù)參數(shù)如下：

進(jìn)氣氦氣純度：≥95%

供氣氦氣純度：≥99.999%

連續(xù)工作時(shí)間：≥8h；

3.2膜分離技術(shù)應(yīng)用

隨著氦氣應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)寬，氦氣資源有限，稀缺的氦氣顯得愈發(fā)彌足珍貴。原本粗放型的工業(yè)行業(yè)也把目光投放到氦氣資源的回收再利用問(wèn)題上。然而“寸土寸金”的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)于設(shè)備的體積提出了更高的要求。我公司致力于打造一類(lèi)適用于工業(yè)場(chǎng)所的氦氣提純循環(huán)利用設(shè)備。結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于設(shè)備體積小、能耗低、操作簡(jiǎn)單的要求，經(jīng)過(guò)多年的潛心研究，逐步從低溫高壓冷凝技術(shù)邁向膜分離技術(shù)。該技術(shù)利用一種高分子聚合物薄膜來(lái)選擇“過(guò)濾”進(jìn)料氣而達(dá)到分離的目的。選用合適的分離膜，并進(jìn)行一些不同的組合，利用分離膜對(duì)氣體分子的選擇性滲透特性，實(shí)現(xiàn)物理分離。通過(guò)對(duì)膜分離組件的排列組合，經(jīng)過(guò)膜分離單元后的氦氣出口氣純度可達(dá)99%，滿(mǎn)足大部分工業(yè)生產(chǎn)需求。

3.3復(fù)合法應(yīng)用

膜分離法僅僅能將氦氣提純到99.9%。而工業(yè)上特種玻璃生產(chǎn)、光纖制造、半導(dǎo)體等部分領(lǐng)域需要99.999%的高純氦氣，顯然僅僅靠膜分離法將氦氣提純到99.999%是不現(xiàn)實(shí)的。我公司積極優(yōu)化研究“膜分離與低溫冷凝分離法”相結(jié)合的復(fù)合技術(shù)，采用制冷機(jī)作為冷源，有效降低了設(shè)備體積，滿(mǎn)足多領(lǐng)域?qū)τ诤饧兌鹊亩鄻踊枨?，流程如圖3。

圖 3  氦氣的提純工藝流程

復(fù)合法利用膜分離技術(shù)為低溫冷凝吸附法提供良好的氣源條件，再歷經(jīng)低溫吸附過(guò)程，吸附其中的雜質(zhì)氣體，純度進(jìn)一步提高可達(dá)99.999%以上，回收率大于80%。該生產(chǎn)方式突破了傳統(tǒng)低回收率、低純度、工業(yè)智能化程度低的技術(shù)瓶頸，通過(guò)低溫法與多級(jí)膜分離復(fù)合法相結(jié)合，有效解決了低濃度（10-50%氦氣）廢氦氣的提純所面臨的難題，滿(mǎn)足了玻璃、半導(dǎo)體、光纖等生產(chǎn)的需求，即限度地循環(huán)使用氦氣資源。

圖 4 復(fù)合法氦氣循環(huán)利用技術(shù)

技術(shù)參數(shù)如下：

供氣純度：≥99.999％He

供氣壓力：0.55~0.6 MPaG(表壓)

供氣溫度：≤45∞C

氦氣提純回收率：≥90.0%（以進(jìn)出設(shè)備的氦氣量計(jì)算）

總結(jié)

本文介紹了四種氦氣純化技術(shù)以及其利與弊，通過(guò)根據(jù)不同行業(yè)的需求，進(jìn)行定性化、系列化設(shè)備研發(fā)，有效提高了氦氣利用效率，減少了氦氣損耗量，拓寬了氦氣純化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。為國(guó)內(nèi)用氦企業(yè)帶來(lái)客觀(guān)的經(jīng)濟(jì)收益，并在降低成本、縮短周期，擴(kuò)大產(chǎn)能等方面起到一定的作用，對(duì)于氦氣資源緊張，氦氣需求量巨大的我國(guó)而言意義重大。

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