求天然氣提取氦氣技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展（暫時(shí)無圖）？

【專家解說】：

邢國(guó)海

(中國(guó)石油西南油氣田公司成都天然氣化工總廠)

邢國(guó)海．天然氣提取氦氣技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展．天然氣工業(yè)，2008，28(8)：114—116．

摘要 氦氣是國(guó)防軍工和高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可或缺的稀有戰(zhàn)略性物資之一。含氦天然氣迄今仍是工業(yè)化生產(chǎn)氦氣的唯一來源。我國(guó)氦氣資源相當(dāng)貧乏，含量很低，提取難度大，成本高。因此，在保護(hù)有限氦氣資源的同時(shí)，研究開發(fā)先進(jìn)的天然氣提氦技術(shù)對(duì)于提高氦氣生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性、保障國(guó)家用氦安全和促進(jìn)我國(guó)天然氣提氦工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。通過對(duì)目前提氦技術(shù)的分析介紹，低溫冷凝法較為成熟，但能耗、成本較高；吸附法、吸收法和膜滲透法等其他提氦技術(shù)各具特點(diǎn)，但目前限于適用條件尚不能規(guī)?；I(yè)應(yīng)用。隨著新材料、新技術(shù)的發(fā)展，天然氣提氦技術(shù)不斷改進(jìn)創(chuàng)新，吸附法、膜滲透法等提氦工藝發(fā)展迅速，聯(lián)產(chǎn)法、聯(lián)合法工藝有著良好的應(yīng)用前景，這些都為促進(jìn)天然氣提氦技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。

主題詞 氦 提取 天然氣 方法 現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢(shì)

一

一 、天然氣提氦工業(yè)現(xiàn)狀及意義

天然氣提氦工業(yè)主要集中在美國(guó)、俄羅斯等氦氣資源豐富、氦含量高的極少數(shù)國(guó)家。中國(guó)提氦工業(yè)始于2O世紀(jì)6O年代初，由于國(guó)外對(duì)新中國(guó)實(shí)行氦氣禁運(yùn)政策和國(guó)防用氦安全的需要，7O年代在四川I威遠(yuǎn)氣田建成國(guó)內(nèi)唯一的氦氣生產(chǎn)裝置，威遠(yuǎn)氣田也是我國(guó)唯一具有氦氣工業(yè)開采價(jià)值的氣田。但該裝置限于當(dāng)時(shí)科技水平和天然氣利用水平，采用低溫冷凝法從氦含量?jī)H為0．2 的天然氣中單純提氦的成本較高。氦氣由于在衛(wèi)星飛船發(fā)射、導(dǎo)彈武器工業(yè)、低溫超導(dǎo)研究、半導(dǎo)體生產(chǎn)等方面具有重要的用途，因而我國(guó)對(duì)氦氣的需求量越來越大，一旦在非常時(shí)期再次發(fā)生禁運(yùn)，必將在更大范圍內(nèi)影響我國(guó)的國(guó)防安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，保護(hù)有限的氦氣資源，發(fā)展自己的天然氣提氦工業(yè)具有重要意義。

二、世界氦氣資源狀況

在所發(fā)現(xiàn)的天然氣中，有些氦氣含量可高達(dá)8左右，而大多數(shù)含量低于2 。即使是這類氦氣含量很低的天然氣，由于比空氣中氦氣含量高上千萬倍，因此仍是目前世界上氦氣的主要來源，見表1、2。其中美國(guó)氦氣資源占5O 以上。

三、天然氣提氦主要方法

1．吸附法

這種方法【1】是根據(jù)天然氣中各組分在固體吸附劑表面上吸附能力的差異而將其中的氦分離出來。限于吸附劑的吸附容量，吸附法一般適用于雜質(zhì)含量小于1O 的粗氦精制中。近年來發(fā)展起來的變壓吸附(PSA)即屬于此類改進(jìn)型。

2．吸收法

選用適當(dāng)?shù)奈杖軇?【2】，在一定的條件下可將沸點(diǎn)比氦氣高的天然氣中的其余組分洗滌吸收除去而提取氦氣。所用的吸收溶劑如液態(tài)氟烴、液態(tài)烷烴等。圖1為從含氦天然氣中提取氦氣的一種吸收法流程簡(jiǎn)圖。該法一般適用于氦氣含量較高的場(chǎng)合，并且通常與PSA一起使用。

3．?dāng)U散法

利用氦氣所具有的高的熱擴(kuò)散性能，可將天然氣中的氦氣濃縮提取出來。所用的擴(kuò)散元件通常為石英玻璃毛細(xì)管，管壁厚度為0．025～0．，內(nèi)徑與壁厚之比為3～7，操作溫度在400～500。C，操作壓力按具體操作條件可以在幾十兆帕到數(shù)百兆帕范圍內(nèi)選用。經(jīng)石英玻璃毛細(xì)管擴(kuò)散提取的氦氣純度相當(dāng)高，但因所采用的石英玻璃毛細(xì)管極細(xì)，制作不便，操作時(shí)又需要在高溫和相當(dāng)高的壓差下進(jìn)行，因此用擴(kuò)散法規(guī)?；岷ど写嬖谠S多限制。

4．膜滲透法

隨著膜材料的發(fā)展，膜滲透法提氦展現(xiàn)出越來越好的應(yīng)用前景。各種氣體對(duì)膜具有一定的滲透性能【3】，且各種氣體的滲透性能各不相同，因而可以利用滲透法將天然氣中的氦氣提取出來。工業(yè)上應(yīng)用的滲透膜應(yīng)具有：滲透常數(shù)大，以保證產(chǎn)量并減少所需的膜面積；分離因子大，使流程簡(jiǎn)化；化學(xué)、機(jī)械和熱的穩(wěn)定性好，以保持長(zhǎng)期的使用性能。膜材對(duì)天然氣各組分滲透的選擇性可用分離因子口"來表示。表3為某些膜材對(duì)氦氣的滲透常數(shù)k和aij 值。

圖2是用膜滲透法從天然氣中提取氦氣的流程簡(jiǎn)圖，高壓天然氣經(jīng)各級(jí)膜滲透成為產(chǎn)品氣。

5．低溫冷凝法

本方法是目前各國(guó)從天然氣中提取氦氣廣泛采用的方法。通常由氣源預(yù)處理凈化、粗氦提取及氦氣精制等工序構(gòu)成。

(1)含氦天然氣預(yù)處理凈化

含氦氣源中的H S、CO。、水分，甚至汞等雜質(zhì)在進(jìn)入低溫裝置前須凈化處理，以免在低溫下使管道、閥門和設(shè)備產(chǎn)生堵塞、腐蝕和惡化工藝條件。常用的酸氣脫除方法有：醇胺法、熱鉀堿法、砜胺法。提氦工藝對(duì)天然氣中H。S、CO。殘留量要求是：H2s≤4 ppm[1 ppm—M／22．4(mg／m。)，M 為分子量，下同]，CO?！?100 ppm。鑒于提氦效益考量，應(yīng)優(yōu)選有利于降低提氦成本的脫除方法。脫水工藝方法：天然氣提氦一般選擇分子篩來精脫水，脫水深度要求小于1 ppm，同時(shí)進(jìn)一步吸附脫除殘余酸性氣體。脫汞工藝方法：HgSIV脫汞分子篩可以再生并循環(huán)使用，但設(shè)備和控制復(fù)雜；而浸硫活性炭不能循環(huán)使用，需定期更換，但設(shè)備和操作簡(jiǎn)單。

(2)粗氦提取【4】

天然氣經(jīng)二次冷凝后制得氦含量為6o ～7o的粗氦，冷凝所需冷量由常壓液甲烷、常壓液氮或負(fù)壓液甲烷供給。一次冷凝要求無乙烷以上的餾分，二次冷凝要求甲烷含量小于1 。同時(shí)釜液液烴中的氦含量要小于10 ppm，以提高氦氣回收率。

(3)氦氣精制

天然氣中較難液化的氫隨著氦氣的提濃被濃縮在粗氦中，需要在精制前將其除去。工業(yè)上一般采用催化氧化脫氫法，儲(chǔ)氫合金等脫氫工藝也在發(fā)展中。小于10 ppm 的殘留氫在其后的高壓冷凝吸附過程中與氮、少量的甲烷等其他雜質(zhì)同時(shí)除去。冷源一般由常壓液氮提供，可制得純度99．99 以上的氦氣。其他精制法如洗滌吸收法，甲烷、丙烷等天然氣組分均可作為吸收劑。

四、天然氣提氦技術(shù)發(fā)展

1．膜分離和變壓吸附(PSA)

近幾十年來，由于合成材料和自動(dòng)化技術(shù)的突飛猛進(jìn)，在氣體分離領(lǐng)域出現(xiàn)了膜分離和變壓吸附(PSA)技術(shù)。雖然兩者的機(jī)理不一致，但有一個(gè)共同點(diǎn)，即：不需要低溫冷凝后分離氣體，因此有可能在能耗和材料消耗上優(yōu)于深冷法。尤其是膜材料技術(shù)指標(biāo)和膜裝置的規(guī)模與自控水平的不斷提高，膜分離技術(shù)在氣體分離領(lǐng)域的應(yīng)用越來越成熟，對(duì)促進(jìn)膜分離提氦技術(shù)進(jìn)步，改造傳統(tǒng)工藝方面將發(fā)揮重要的作用。

2．聯(lián)產(chǎn)法天然氣提氦

中國(guó)是貧氦國(guó)家，天然氣中的氦氣含量很低，而天然氣提氦的工藝設(shè)備多、技術(shù)路線長(zhǎng)，單純提氦的成本高，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此在提氦的同時(shí)開發(fā)聯(lián)產(chǎn)天然氣中其他有價(jià)值的產(chǎn)品，如LNG 和液氮等，對(duì)提高提氦裝置的經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。以天然氣提氦聯(lián)產(chǎn)LNG為例，兩者都需要立足于深冷工藝將天然氣液化，都需要經(jīng)過天然氣凈化、制冷液化、低溫分離等一系列工藝過程，許多設(shè)備是相同或類似的，在裝置投資中均占有相當(dāng)大的比例，故氦氣聯(lián)產(chǎn)LNG或液氮可有效降低裝置投資；同時(shí)，LNG和提氦都是很耗能的，理論上液化天然氣的最小功為814 kJ／m。(300 K、0．1 MPa，表壓)。建立一套等產(chǎn)量聯(lián)產(chǎn)裝置其能耗將比分別建立裝置要小得多，節(jié)能效益顯著。目前，國(guó)內(nèi)LNG市場(chǎng)發(fā)展迅猛，而液氮在油氣田開發(fā)中也有重要用途。因此，聯(lián)產(chǎn)法提氦具有良好的應(yīng)用前景。

3．聯(lián)合法天然氣提氦

在氦含量低的氣田中，如果僅利用深冷法提氦，則需要液化大量甲烷和氮，操作費(fèi)用高。利用膜分離技術(shù)和深冷分離技術(shù)相結(jié)合的方法(即聯(lián)合法)從天然氣中提取氦氣，在經(jīng)濟(jì)上可能更具競(jìng)爭(zhēng)力。圖3為一種聯(lián)合法提氦工藝 。

4．沸石吸附法提氦

沸石吸附法提氦是俄羅斯新近提出的一種采用非低溫法從天然氣中分離氦氣的新工藝。由于這種工藝耗能小，為遠(yuǎn)離能源地區(qū)的天然氣提氦提供了可能，目前尚未投入工業(yè)化應(yīng)用。該工藝將天然氣在管道運(yùn)輸之前，依次通過多個(gè)吸附塔，先將水分和其他碳?xì)浠衔镫s質(zhì)分別去除，然后將經(jīng)各級(jí)分離的產(chǎn)物在沸石上沉淀，而其中的玻璃微珠則會(huì)將氦氣吸附住，再通過加熱玻璃吸附膜解析得到含氦8O 的粗氦。

五、結(jié)束語

氦氣是國(guó)防軍工和高科技產(chǎn)業(yè)不可或缺的稀有氣體，目前只能從含氦天然氣中提取。我國(guó)氦氣資源不僅數(shù)量貧乏，而且含量低，單純采用深冷法開采氦氣的成本高。但隨著膜分離技術(shù)，聯(lián)產(chǎn)法、聯(lián)合法等提氦新工藝和LNG等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為從天然氣中經(jīng)濟(jì)地提取氦氣提供了新的方法。因此，在保護(hù)有限氦氣資源的同時(shí)加強(qiáng)對(duì)提氦技術(shù)和氦氣資源的開發(fā)利用，推進(jìn)提氦新技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究和提氦新工藝的推廣應(yīng)用，對(duì)于保障國(guó)家用氦安全、促進(jìn)提氦技術(shù)的發(fā)展和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]趙振國(guó)．吸附作用應(yīng)用原理[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2005：8 25．

[2]薛榮書．化工工藝學(xué)[M]．重慶：重慶大學(xué)出版社，2004： 312．

[3]任建新．膜分離技術(shù)及其應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：1 40．

[4]化工部第四設(shè)計(jì)院．深冷手冊(cè)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1973：271—273．

[5]顧安忠，魯雪生，汪榮順，等．液化天然氣技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：39 53．

  回答者:閆馨程 2013-11-02 相關(guān)問答:
·求氦質(zhì)譜檢漏技在汽輪機(jī)真空系統(tǒng)的泄漏 ·為什么在水下潛水員使用的氧氣瓶中填充 ·求氦質(zhì)譜檢漏技在汽輪機(jī)真空系統(tǒng)的泄漏