氦氣產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)現(xiàn)狀
時(shí)間：2022-5-17 14:06:00
來源：http://www.wanghanru.cn/news808756.html
氦氣產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)現(xiàn)狀
氦氣產(chǎn)業(yè)鏈主要有粗氦提取、粗氦精制、氦氣液化及儲(chǔ)運(yùn)3個(gè)環(huán)節(jié)。
2.1 國(guó)外技術(shù)現(xiàn)狀國(guó)外氦氣生產(chǎn)應(yīng)用已有百年歷史，美國(guó)于1903年在堪薩斯州（Kansas）Dexter油井發(fā)現(xiàn)氦氣，從20世紀(jì)20年代開始由天然氣中提取氦氣。1963年美國(guó)在德克薩斯州建立了國(guó)家氦儲(chǔ)備庫(kù)［11］，到1995年累積儲(chǔ)存氦氣10×108 m3。目前國(guó)際上提氦方法以深冷法為主，美國(guó)22座提氦廠中的絕大部分（20座），包括近幾年剛剛投產(chǎn)的卡塔爾、澳大利亞、俄羅斯的氦氣處理廠，以及即將投產(chǎn)的坦桑尼亞提氦廠等均采用深冷法提氦氦的液化溫度為-269 ℃（4 K），是世界上最難液化的氣體，天然氣提氦是深冷加工中制冷分離溫度最低的典型深冷過程。深冷法即冷凝法，利用天然氣中各組分臨界溫度的差異實(shí)現(xiàn)氦氣的分離，獲得的產(chǎn)品純度和收率較高，系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性較優(yōu)，是目前應(yīng)用最廣泛的提氦方法，約90%的氦氣通過深冷法提取。
2.2 國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀中國(guó)已經(jīng)掌握了較為成熟的天然氣粗氦提取、粗氦精制、氣氦儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，基本滿足規(guī)模建設(shè)提氦工程的需要，大型氦氣液化和液氦儲(chǔ)存技術(shù)尚處于攻關(guān)階段。粗氦提取有深冷法和常溫法兩種。中國(guó)針對(duì)富氦天然氣，粗氦精制及高純氣氦的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟，小規(guī)模氣氦液化裝置也已經(jīng)試驗(yàn)成功。中國(guó)工業(yè)化天然氣提氦已有50年歷史。截至2021年10月，中國(guó)在運(yùn)行天然氣（含BOG）提氦項(xiàng)目5項(xiàng)（見表2），其中1套為天然氣提氦裝置，4套LNG（液化天然氣）工廠BOG提氦裝置設(shè)計(jì)總產(chǎn)氦規(guī)模308×104m3。2020年，已建裝置自產(chǎn)氦產(chǎn)量為57×104 m3，占中國(guó)氦消費(fèi)量的2.5%。中國(guó)石化集團(tuán)華北石油局有限公司咸陽(yáng)三普分公司與天邦膜技術(shù)國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱天邦公司）合作建成了地?zé)崴芎ぁ澳しㄌ釢?變壓吸附”現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置，得到純度99%的氦氣，該裝置僅冬季供暖期運(yùn)行。2.2 國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀中國(guó)已經(jīng)掌握了較為成熟的天然氣粗氦提取、粗氦精制、氣氦儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，基本滿足規(guī)模建設(shè)提氦工程的需要，大型氦氣液化和液氦儲(chǔ)存技術(shù)尚處于攻關(guān)階段。粗氦提取有深冷法和常溫法兩種。中國(guó)針對(duì)富氦天然氣，粗氦精制及高純氣氦的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟，小規(guī)模氣氦液化裝置也已經(jīng)試驗(yàn)成功。中國(guó)工業(yè)化天然氣提氦已有50年歷史。截至2021年10月，中國(guó)在運(yùn)行天然氣（含BOG）提氦項(xiàng)目5項(xiàng)（見表2），其中1套為天然氣提氦裝置，4套LNG（液化天然氣）工廠BOG提氦裝置設(shè)計(jì)總產(chǎn)氦規(guī)模308×104m3。2020年，已建裝置自產(chǎn)氦產(chǎn)量為57×104 m3，占中國(guó)氦消費(fèi)量的2.5%。中國(guó)石化集團(tuán)華北石油局有限公司咸陽(yáng)三普分公司與天邦膜技術(shù)國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱天邦公司）合作建成了地?zé)崴芎ぁ澳しㄌ釢?變壓吸附”現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置，得到純度99%的氦氣，該裝置僅冬季供暖期運(yùn)行。深冷法提氦工藝一般由預(yù)處理工藝（脫CO2、H2O）、提粗氦工藝（氦含量60%～70%）和粗氦精制工藝（帶壓鈀催化氧化脫氫）組成，主要包括閃蒸（多級(jí)）分離工藝、精餾分離工藝和閃蒸精餾分離工藝。目前，該工藝已實(shí)現(xiàn)完全國(guó)產(chǎn)化。中國(guó)提氦始于20世紀(jì)60年代的威遠(yuǎn)提氦試驗(yàn)Ⅰ裝置，設(shè)計(jì)規(guī)模為5×104 m3。2012年，四川省自貢市榮縣建成天然氣提氦裝置，是國(guó)內(nèi)唯一運(yùn)行中的天然氣提氦裝置，氦含量0.18%，年生產(chǎn)純氦約21×104 m3，產(chǎn)品粗氦純度90%～95%。粗氦采用氣瓶拖車運(yùn)輸?shù)匠啥继烊粴饣た倧S，進(jìn)行氦的純化精制，生產(chǎn)出純度99.999%～99.999 9%的產(chǎn)品供給用戶，更好地滿足電子氣和標(biāo)準(zhǔn)氣對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的需求。近年來，國(guó)內(nèi)對(duì)膜法、PSA等常溫法提氦技術(shù)（即采用多級(jí)變壓吸附、多級(jí)膜分離、膜法+PSA提氦工藝）也有研究和應(yīng)用。如，瑞華能源集團(tuán)有限公司在甘肅省慶陽(yáng)市的常溫法BOG提氦項(xiàng)目，BOG氦含量6%，采用膜法+PSA，設(shè)計(jì)年產(chǎn)氦氣20×104 m3，生產(chǎn)純度為99.999%的高純氦。中國(guó)石油天然氣股份有限公司研發(fā)形成了“膜法提濃+深冷分離”貧氦天然氣提取粗氦技術(shù)，已具備工業(yè)化應(yīng)用的條件，但國(guó)產(chǎn)提氦專用膜應(yīng)用于天然氣提氦時(shí)的性能和使用壽命尚待驗(yàn)證。限制中國(guó)提氦膜應(yīng)用的主要原因是膜材料的研發(fā)，目前，常用的分離膜材料如聚醋酸纖維膜等仍依賴進(jìn)口。2.2.1.2 LNG-BOG低溫提氦技術(shù)雖然深冷法提氦的氦回收率較高（通常為94%），但其操作彈性低、設(shè)備投資高、能耗高、保冷效果不佳。為了提高提氦的經(jīng)濟(jì)性，中科富海依托中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所大型低溫制冷技術(shù)研制出國(guó)內(nèi)首套液化天然氣閃蒸汽（LNG-BOG）低溫提氦裝置，打通BOG提氦聯(lián)調(diào)全流程，順利生產(chǎn)出液氦產(chǎn)品，達(dá)到設(shè)計(jì)要求［12］。LNG-BOG提氦裝置是利用低溫冷凝分離方法，從BOG，即天然氣液化過程中產(chǎn)生的不冷凝氣和LNG儲(chǔ)罐汽化產(chǎn)生的蒸發(fā)氣體中獲得高純氦。首先BOG氣體通過低溫精餾的方法回收絕大部分甲烷，剩余的氣體主要為氮?dú)狻⒑饧皻錃獾幕旌衔?；將該混合氣體冷卻至更低的溫度，利用冷凝分離的方法除去大部分氮?dú)?，獲得氦氣含量高于75%的粗氦；將粗氦中的氫氣再通過催化除氫的方法獲得氦純度高于95%的原料氦，進(jìn)入氦液化器中的內(nèi)純化系統(tǒng)，利用低溫吸附分離的方法除去雜質(zhì)氣體，獲得高純氦氣；最后在氦液化器中液化得到純度99.999%及以上液氦。中科富海LNG-BOG低溫提氦裝置于2020年7月在鹽池縣商業(yè)化成功示范運(yùn)營(yíng)，可實(shí)現(xiàn)每小時(shí)生產(chǎn)40 L液氦產(chǎn)品。其不但實(shí)現(xiàn)了大型低溫設(shè)備全國(guó)產(chǎn)化，打破國(guó)外技術(shù)壁壘；同時(shí)在保障現(xiàn)有LNG工廠安全穩(wěn)定生產(chǎn)基礎(chǔ)上，降低運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性突破。為得到高純度氦，需脫除粗氦中氮?dú)狻錃?、水、氧氣、氬氣、氖氣等雜質(zhì)。其中，氮?dú)獠捎玫蜏乩淠摮瑲錃獠捎么呋趸摮?，水采用分子篩吸附法脫除，氧氣、氬氣、氖氣采用低溫吸附法脫除。國(guó)內(nèi)外粗氦精制技術(shù)已經(jīng)成熟，中國(guó)的技術(shù)和設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)全部國(guó)產(chǎn)。中國(guó)氦氣供應(yīng)以供氣企業(yè)為用戶提供全面供氣服務(wù)的方式為主，即供氣企業(yè)為用戶提供氦氣資源獲取、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、充裝、運(yùn)維一條龍服務(wù)，掌握氦氣資源的企業(yè)占據(jù)主動(dòng)地位。進(jìn)口氦氣供應(yīng)流程為：提氦廠所產(chǎn)液氦裝入液氦罐箱（充裝容積40 m3，相當(dāng)于氣氦20×104 m3），拉運(yùn)至港口裝上貨輪，海運(yùn)至中國(guó)港口，辦理入關(guān)手續(xù)后進(jìn)行分裝，運(yùn)輸過程中氣化的氣氦增壓裝入高壓管束車（每車約0.4×104 m3），液氦分裝入液氦杜瓦（規(guī)格有250 L、500 L、1 000 L、5 000 L），汽車?yán)\(yùn)至分銷商或者直供用戶，分銷商進(jìn)一步分裝充入更小的液氦杜瓦或者氦氣瓶，汽車?yán)\(yùn)或者經(jīng)過物流運(yùn)輸至用戶
自產(chǎn)氦氣的供應(yīng)流程為：氣氦充裝至高壓管束車或高壓氣瓶、液氦充裝至液氦杜瓦，汽車?yán)\(yùn)至用戶。由于氦氣易揮發(fā)造成損失、純度要求高，液氦充裝與分裝、用戶設(shè)備充裝等環(huán)節(jié)專業(yè)性強(qiáng)、技術(shù)要求高。氦氣儲(chǔ)運(yùn)和銷售一般分為氣氦和液氦兩種形式。中國(guó)的氦消費(fèi)量中，氣氦與液氦消費(fèi)量分別占比70%和30%。氣氦運(yùn)輸成本約為液氦的4倍，適用于短距離分銷；規(guī)模大且距離氦氣消費(fèi)市場(chǎng)較遠(yuǎn)（大于1 000 km）的提氦廠，宜采用液氦形式進(jìn)行產(chǎn)品儲(chǔ)運(yùn)。中國(guó)的氣氦儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)成熟，但目前尚無國(guó)產(chǎn)化的液氦儲(chǔ)罐。氦氣通過液氮制冷+兩級(jí)膨脹制冷將氦氣液化。氦液化器是液化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，使用絕熱材料由膨脹機(jī)組、低溫調(diào)節(jié)閥和換熱系統(tǒng)等高度集成。全球最大的氦液化器規(guī)模達(dá)到800 L/h，由林德生產(chǎn)，應(yīng)用于卡塔爾提氦廠。中國(guó)研制的40 L/h氦液化器已經(jīng)成功研制，成功應(yīng)用于鹽池縣BOG提氦廠。國(guó)內(nèi)氦液化器在高效氦氣透平膨脹機(jī)組氣體軸承、超低溫?fù)Q熱器及大型冷箱、高精度高靈敏度低溫調(diào)節(jié)閥和高性能絕熱材料產(chǎn)品等方面存在較大差距。再者，由于氦氣具有分子量小、比熱低的特性，導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)氦液化器在泄漏量、制冷效率、運(yùn)行能耗等指標(biāo)方面距國(guó)外產(chǎn)品尚有差距，表現(xiàn)為整體性能和長(zhǎng)周期運(yùn)行可靠性差。2.2.3.3 移動(dòng)式液氦儲(chǔ)罐全球液氦儲(chǔ)罐的供應(yīng)商主要為美國(guó)的格南登福（Gardner）和德國(guó)的林德，通常有40 m3、80 m3、100 m3、120 m3等規(guī)格。其中40 m3多用于公路液氦槽車，120 m3可用于鐵路運(yùn)輸。目前，液氦儲(chǔ)罐國(guó)內(nèi)正處于試驗(yàn)階段，張家港中集圣達(dá)因低溫裝備有限公司、中太海事等公司已經(jīng)研制出40 m3液氦罐箱，正在開展或剛結(jié)束液氦介質(zhì)的試驗(yàn)測(cè)試工作。目前，國(guó)內(nèi)尚無大型固定式液氦儲(chǔ)罐研制計(jì)劃。中科富海研制了500 L、1 000 L移動(dòng)杜瓦，但與國(guó)外產(chǎn)品相比儲(chǔ)存時(shí)間短、設(shè)備自重大，目前處于立項(xiàng)研制5 000 L固定杜瓦階段。液氦儲(chǔ)罐的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和絕熱材料，首先，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要考慮低溫下收縮帶來的結(jié)構(gòu)變形，還應(yīng)當(dāng)解決均勻預(yù)冷、溫度分層的問題；其次，液氦容器內(nèi)外容器材料多采用316 L不銹鋼等材料；最后，液氦儲(chǔ)罐所用絕熱材料主要為鍍鋁膜和無紡布間隔物，國(guó)內(nèi)已有低溫儲(chǔ)罐的潔凈度和絕熱性能相較于國(guó)外產(chǎn)品尚有研發(fā)空間。
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