高纯氦气提纯循环利用的方法

- 2019-01-17-

       高纯氦气是一种稀缺的战略资源,尤其在我国,高纯氦气资源极其匮乏,几乎全部依赖进口。但高纯氦气用途非常广泛,是军事侦察用飞艇及工业光纤、半导体、空调、焊接等高端制造领域的重要资源。2017年卡塔尔外交塌方事件又一次重创了全球高纯氦气的正常供给,让很多气体企业和用户非常头疼。国内工业领域高纯氦气消耗量逐年大幅增长,但在工业领域没有提纯循环利用,消耗性使用后直接排入大气,造成极大浪费的情况。所以,全面进行工业领域高纯氦气提纯循环技术研究,再次成为行业关注的焦点问题。

       高纯氦气提纯循环设备常用方法是低温,冷凝法。此外,在设备研制过程中还采用了大量低温领域的新技术,包括高压高纯氦气压缩机的减振、耐低温高压紫铜管道特种焊接技术、低温高压活接密封技术等,以优化产品。在此基础上,通过在膜分离法提纯技术上取得突破,通过复合提纯分离方法,将纯度≥10%的低纯高纯氦气提纯至99.5%以上,系统纯化回收率≥60%。据悉,我国相关企业的光纤高纯高纯氦气回收提纯项目在深圳顺利通过验收,接入用户生产线正式供气。该项目成功实现了高温、高速、高粉尘的环境下无扰动气体回收,将氦含量≤50%的原料气在线纯化后供回>99.999%高纯高纯氦气,具有24小时无人值守自动运行、远程监控等功能。项目基建及抽气、供气管路布置和现场施工严谨规范,满足用户质量和安全要求,总体可节约高纯氦气使用量55%以上,得到了用户的肯定和赞赏。

       我国企业所制造的新型工业废高纯氦气提纯循环利用设备采用工业化的PLC对系统中高纯氦气的纯度、测量、压力、温度等进行监测。由此实现对压缩机、干燥净化装置、纯化器、各控制阀门的全自动化监控,完成设备自动化操作。全智能化、安全、可靠的自动控制技术亦是项目的一项关键技术和特点。

  高纯氦气提纯是一项国际前沿研究领域,采用的方法有低温冷凝、膜分离、变压吸附、化学吸附等方法。我国企业在低温研究的基础上,突破低温冷凝分离法的研究技术瓶颈,开发工业高纯氦气膜分离提纯技术和设备,与国际巨头在高纯氦气提纯技术和设备方面展开竞争,并积极研究膜分离+低温分离的复合高纯氦气分离方法,结合膜分离高效性和低温分离高回收率和高纯度的特点,将高纯氦气首先经过膜分离技术进行粗提纯,然后采用低温分离技术进行精提纯,满足工业领域节能与高纯的多重需要。

       氦主要用于医疗、军工、制冷、半导体、管道检漏、高精度焊接、金属制造、深海潜水、光电子产品生产、气球载、科研、军事等领域。下面结合氦资源主要应用对氦资源用户进行分析。

      (1)核磁共振(低温超导)领域

核磁共振成像仪(MRI)采用低温超导磁体技术需液氦进行冷却,据统计,核磁共振成像仪占了全球高纯氦气用量的34%,是最大的终端使用行业。虽然在发达国家核磁共振成像仪的需求量正在减少,但是发展中国家的需求量仍然强劲增长,从而保持了液氦的需求旺盛。

      (2)制冷(家用电器)领域

高纯氦气主要用于冷凝器、蒸发器、管道系统的检漏。

      (3)半导体、光纤领域

高纯氦气主要用于半导体工业中生长锗和硅晶体的保护气,光纤预制棒制作和光纤拉丝工艺中冷却和保护性氛围气体。

      (4)焊接保护气

用途:当一些金属在加热或熔化时,为了阻止其和大气中的氧和氮反应,必须用惰性气氛保护。金属焊接加工中消耗了大量的氦。在惰性气体保护的钨电弧焊(TIG)中,不熔化的钨电、灼热的金属填充物和焊接区域要用连续的氦或氦-氩混合进行保护。保护焊接所用的气体混合物,可以用氦和氩按不同比例配制。根据焊接工艺、焊丝和被焊的母材的不同,混合气的组成可以不同,通常氦-氩混合气中氦的含量为15%-70%。

      (5)低温工程领域

用途:由于氦的化学惰性和极低的液化点,它在除极低温度外的所有温度下都接近理想气体行为,且单位质量的热容量高,黏度低和热导率高等特性,所以氦通常被用做封闭循环低温制冷机的工作介质、国家重大科学工程中低温超导磁体和超导腔的冷却介质以及大专院校科研实验等。

      (6)航天航空领域

        用途:在火箭和空间飞行器燃料系统中,高纯氦气用于清洗低温燃料和氧化贮槽,以及加压低温贮槽液面上部空间,以提供直接输送液体氢和液体氧的压力或者仅给输液泵提供净吸入正压,氦常用于气动控制系统中作为工作介质。在火箭发射之前,为了在点火的最初几分钟内得到最大的推进效率,低温氦已用于预冷上一级液氢火箭发动机。液氦还广泛用于低温辐射检测器以及用于空间探索计划中其他专门仪表。

      (7)气球载(浮空器)

       用途:民用或军用浮空器、飞艇、气球等充装气体。

      (8)汽车制造领域

       用途:高纯氦气用于汽车安全气囊中、在汽车铝合金轮毂气密性检漏中、汽车空调蒸发器、压缩机及冷凝器的气密性检漏中、高纯氦气在车架激光焊接中的应用。

       (9)其它领域

        生理医疗、核反应堆、电光源、冶金和金属加工工艺、分析测试载气等。这部分气一般不回收。