背景介紹

氦氣是一種無色無味無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，氦氣的沸點最低，在絕對零度時仍保持在液態(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)來源。我國屬貧氦國家，氦資源嚴重依賴進口。隨著我國國防建設(shè)、科技與經(jīng)濟發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)、科研等領(lǐng)域?qū)獾男枨罅亢湍赀M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烈矛盾，將焦點轉(zhuǎn)移到直接排空的富氦尾氣上。將低濃度氦氣進行回收提純，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法擴產(chǎn)的難題，另一方面對節(jié)約和保護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)利用氦氣沸點低的特點，通過使用液氮等冷源，冷凝并分離混合氣中的氮氣等雜質(zhì)，再通過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合。提純過程需要提供冷源，由于要在高壓操作條件下，自動化程度受到一定限制。

膜分離法是一種比較先進的氦氣純化技術(shù)，該技術(shù)采用先進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力，通過膜對不同組分氣體選擇透過性差異對氦氣進行分離提純。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、操作簡單、無需能源、自動化程度高等特點。但現(xiàn)階段膜分離法中的膜材料大多依靠進口，我國在氣體分離膜材料研發(fā)水平上有待進一步提高。

變壓吸附法是一種氣體吸附分離技術(shù)，通過改變壓力來實現(xiàn)氣體的吸附和解吸過程。吸附分離是利用吸附劑對特定氣體吸附和解析能力上的差異進行分離的。為了促進這個過程的進行，常用的有加壓法和真空法等。吸附過程具有體積相對較小、自動化程度高、操作簡單等特點。但變壓吸附存在出氣過程不穩(wěn)定、產(chǎn)品氣純度有波動等問題。

低溫冷凝吸附法是采用制冷機為冷源的分離方法，利用氦氣沸點低的物理特性，達到分離氣體的目的。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、軍事等各個領(lǐng)域。應(yīng)用場所的不同決定了對于氦氣的要求千差萬別，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)合世界先進分離技術(shù)，通過多年的研究開發(fā)，設(shè)計出不同提純工藝的氦氣循環(huán)利用設(shè)備，滿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程。該方法主要適用于氦氣純化量相對較大，冷源采集便利的場所。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到99.9995%。但是分離過程需要不斷提供冷源，能耗高，設(shè)備體積較大，對于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：

進氣氦氣純度：≥95%

供氣氦氣純度：≥99.999%

連續(xù)工作時間：≥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題上。然而“寸土寸金”的工業(yè)現(xiàn)場，對于設(shè)備的體積提出了更高的要求。我公司致力于打造一類適用于工業(yè)場所的氦氣提純循環(huán)利用設(shè)備。結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場對于設(shè)備體積小、能耗低、操作簡單的要求，經(jīng)過多年的潛心研究，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選擇“過濾”進料氣而達到分離的目的。選用合適的分離膜，并進行一些不同的組合，利用分離膜對氣體分子的選擇性滲透特性，實現(xiàn)物理分離。通過對膜分離組件的排列組合，經(jīng)過膜分離單元后的氦氣出口氣純度可達99%，滿足大部分工業(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)，采用制冷機作為冷源，有效降低了設(shè)備體積，滿足多領(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)低溫吸附過程，吸附其中的雜質(zhì)氣體，純度進一步提高可達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，通過低溫法與多級膜分離復(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%（以進出設(shè)備的氦氣量計算）

總結(jié)

本文介紹了四種氦氣純化技術(shù)以及其利與弊，通過根據(jù)不同行業(yè)的需求，進行定性化、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。為國內(nèi)用氦企業(yè)帶來客觀的經(jīng)濟收益，并在降低成本、縮短周期，擴大產(chǎn)能等方面起到一定的作用，對于氦氣資源緊張，氦氣需求量巨大的我國而言意義重大。

參考文獻

[1]陸文軍，劉麗，王海，馬廟江，氣體膜分離高回收率流程的研究，膜科學與技術(shù)，1994,14；

[2]趙俊，汪澎，章學華，黃劍波，一種用于空調(diào)兩器檢漏排放氦氣的純化設(shè)備，制冷與空調(diào)，2013,04；

[3]羅輝，黃衛(wèi)，光纖冷卻管氦氣循環(huán)利用方法的研究，低溫與特氣，2016,04；

[4]彭桂林，龔智，章學華，氦氣提純技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用分析，低溫技術(shù)，2016,02；

[5]申志軍，王寶玉，方掩，唐繼秋，張國強 空調(diào)室內(nèi)機用氦氣代替冷劑在線檢漏工藝研究，制冷與空調(diào)，2013,02；

[6]萬小剛，傅劍，趙林華，浮空器氦氣純化方法應(yīng)用研究，低溫與超導(dǎo)，2011.39