氦气资源提取技术与现状发展

氦气资源提取技术与现状发展

张嫔

中石油渭南煤层气管输有限责任公司   陕西省   710000

氦气是国家军事和高技术领域中不可或缺的战略性材料,是一种稀有气体,具有特殊的物理、化学性质，是珍贵的不可再生资源，2005-2020年我国GDP总额增加了4.7倍，氦气需求增加了10.7倍，增速高于经济增速。

一、天然气提氦工业现状及意义

天然气提氦企业大多集中于美、苏联等氦气来源丰富、用氦浓度较大的极少数发达国家，而我国提氦企业则始于20世纪60时代初期，随着海外国家对在中国推行的氦气禁运措施以及我国对用氦安全的要求，70时代的四川威远天然气田是我们国内唯一的氦气工业装置，威远天然气田也成为了我国唯一具备氦气工业利用功能的天然气田。由于这种方法限制当时技术水平和气体使用条件，通过低压冷凝法在氦浓度仅为百分之零点二的气体中单纯提氦的成本较高。

由于氦气对导弹兵器工业、卫星航天器发射、半导体加工、高低温超导研究等先进制造技术领域都有着巨大的作用，所以全世界对氦气的需求量也愈来愈高，但如果在非常时期再次发生禁运，则势必在更大范围内危害全世界的军事安全与国民经济发展。所以，对于保护有限的氦气资源，开发本国的天然气提氦产业有着重大价值。

二、世界氦气资源状况

世界氦气的资源量约为五百九十七亿方,但分布很不均匀，主要分布于中国、卡塔尔、阿尔及利亚等国。二零二零年产量中国达百分之五十二点八，卡塔尔达百分之三十二点一，而俄罗斯和澳大利亚的产量分别为半分之三点六和百分之二点九。

我国氦气资源品位相对较差，氦气资源基本在中石油矿区内，氦气储量约28.6亿方，氦含量在0.01%-0.1%的贫氦天然气中氦气储量约25亿方，约占氦气储量87%,氦含量大于0.1%的富氦天然气中氦气储量仅3.57亿方。

三、天然气提氦主要方法

1.吸附法

近年蓬勃发展崛起的变压吸附（PSA）技术即属于这种改良型。这种方式主要是通过天然气中各部分在固体或吸收物质表面上吸收能力的不同而使其中的氦分离，从而限制了吸附剂的吸收容量，吸附法通常应用在对杂质浓度不足百分之十的粗氦精制中。

2.吸收法

采用合适的吸附介质，在特定的情况下可对沸点较氦气高的气体中的其他成分进行吸附除去而获得氦气。所用的吸附介质为液体氟烃、液体烷等。

3.扩散法

通过运用氦气本身所具备的极高的热扩散稳定性，可以把天然气中的氦气提炼出来。采用的扩大器件一般为石英玻璃毛细管，管壁厚为0.025-0.127mm，内径与壁厚之比为3-7，操作温度一般在400-500℃，操作压力根据具体操作要求可从数十兆帕至几百兆帕的范畴内选择。虽然通过石英玻璃毛细管扩大所获得的氦气纯化比较好，但由于所选用的石英玻璃毛细管很小，使用比较麻烦，而且操作时还必须同时在高温和非常大的压差下进行，所以用此方法提氦尚存在着不少局限性。

4.膜渗透法

由于膜材质的开发,膜渗透法提氦呈现出了很好的使用发展前景。所有气体都对膜有特定的穿透特性，但各个气体的穿透特性各有不同，所以也可用渗透法把气体中的氦气提取出来。

工业生产中使用的渗透薄膜必须具备：渗透常数打，以提高生产率和降低所要求的薄膜体积；分离因子打，使过程简单，物理化学、电气和热的性能好，可以保证产品的使用性能。

5.低温冷凝法

本办法是目前全世界从天然气中获得氦气广为利用的办法。一般由气源预处理纯化、粗氦提炼和氦气精炼等工艺组成。

(1)含氦天然气预处理净化

含有氦气体源中的H₂S、CO₂水分，甚至汞等污染物在进入低温装置之前应进行适当处理，以避免在低温下对管路、阀门等装置造成阻塞、锈蚀和污染工艺或环境。目前常见的酸气脱除技术方法主要有：醇胺法、热钾酸法、砜胺法。提氦方法对天然气的H₂S、CO₂的残留需求如下：H₂S≤4ppm[1ppm=M/22.1（mg/m³），M为分子量。因此鉴于提氦的成本考量，需优选能够减少提氦成本的去除方法。

脱水工艺方式:从天然气中提氦通常选用高分子筛来精脱水，脱水深度需要低于1ppm，并同时进行化学吸附以脱除残余的酸式气体。

(2)粗氦提取

气体经二次冷却后生成氦浓度为百分之六十至百分之七十的粗氦，冷凝所需冷量由常压液甲烷、常压液氦或负压液甲烷供给。一次冷凝需要无乙烷以上的馏分，而二次冷凝则需要大气中甲烷浓度必须低于百分之一，同时每釜液液烃中的气氦浓度也必须低于10个ppm,以保证氦气的高回收率。

(3)氦气精制天然气中,较不易液化的氦由于氦气的提浓而被浓缩

在粗氦时,必须在精炼时将其去掉。目前工业生产上已普遍使用催化氧化去氢工艺,储氦合金中的去氦方法目前仍处于开发中。少于10ppm的残留氢在其后的高压冷却吸收中和氦、少量的甲烷吸附后和其他元素一起消除。冷源中一般用正常气压液氦供应，可制得纯度为百分之九十九点九九以上的氦气。另外一些化学精制方法，如洗涤热吸收法、甲烷、丙烷等天然气成分也可用作吸收剂。

四、天然气提氦技术发展

1.膜分离和变压吸附（PSA）

近数十年来，随着人工合成材料与智能化科技的突飞猛进，在有机气体分解应用领域又产生了膜分离技术与变压吸收（PSA）等高新技术。尽管二者的工作原理并不相同，但有一共性，即：不要求经低温冷却后再析出废气，因而很有可能在能耗与物料小号质量上都高于传统深冷法。特别是随着膜材料技术指标与膜设备的生产规模和自控技术水平的日益增强，膜分离技术在气体分离范畴的运用也日趋成熟，对推动膜分离技术提氦高技术进展水平，改变传统工艺等方面都将起到巨大的影响。

2.联产法天然气提氦

我国是贫氦大国，但天然气中的氦气浓度却很低，而从天然气中提氦的工艺设备多、工艺技术路线长，所以单一提氦的成本很昂贵，并缺乏竞争力。所以，在提氦的时候利用联产气体中一些重要的产物，如LNG和液氮气体等，对于改善提氦设备的经济效益有着很大意义。

以气体提氦联产LNG技术为例，由于二者均需立足于用深冷方法将天然气液化，均必须进行气体提纯、制冷液化、低温分离等许多技术流程，而且许多设备都是同一类型或相似性质的，且在设备投入中都占据了比较大的比重，故氦气联产LNG或固氮技术能显著减少设备投入；另外，LNG和提氦也是很耗能的，理论上液化天然气的最小功是814kn时/m³（300k、0.1Mpa，表压）。

目前，由于国内外LNG技术领域的发展迅速，而且液氮技术在油田气体生产中也有很大应用，所以，联产法提氦有着良好的使用发展前景。

3.联合法天然气提氦

在氦浓度较低的油气田中，若单纯使用深冷法提氦，就必须通过液化的大量甲烷和氦，运行费用极高。使用膜分离工艺与深冷分离技术相结合的方式在气体中提炼氦气，在经济上或许会更具备市场竞争性。

4.沸石吸附法提氦

沸石吸附法提氦是目前最新发明的一项利用非低温法，从气体中提纯氦气的新工艺。因为这个技术能耗低，给远离能量区的天然气提氦创造了机会，但目前并未进行大规模的使用。

五、现存在的问题及建议

1.产品类型单一，学科方向局限和有限资源决定造成了产品应用局限。

建议:立足提高专业技术水平，扩大研究领域，未来几年由于石油天然气产业发展方向的多样化需求，可以适当扩大石油深冷系统技术研究开发应用的研究范畴，在涉及多个研究方向交叉的多产业领域中充分地发挥其专业技术水平优势，一定的程度客观上可以减少因产业方向单一而带来的制约学科发展方向的问题。

2.装置使用的主要原料天然气氦浓度较低，导致装置单位产品成本相对高昂，因此无法直接和其他国际氦产品竞争。加而言之，气田产能的持续大幅下降，导致天然气的处理利用能力的明显的减弱，进而会使利用天然气来提氦的社会经济效益下降。

建议:走出天然气综合气化提氦技术之老路，可以积极考虑研究建立天然气脱氢氦气化提氦、燃气化提氢氦联产轻烃天然气及液化LNG的一体化生产设备，以有效减少利用单一天然气生产的能源经济性并显著增加天然气产品产量，积极研究探索建立新型高效的综合燃气化提氦工艺技术。

3.目前，设备的运行和工况条件波动幅度大、变化因素多，为确保设备的安全和稳定运行工作也提出来了新的挑战。

建议：通过将操作工艺运行参数优化设计和设备技术创新设计相结合，力求有效克服当前设备所面临的处理量的大幅度的减少问题及设备工况适应性较低等的客观现实问题，考虑了以操作工艺为模拟的计算优化手段，调节设备操作的工艺参数大小及通过改变操作装置规格大小等以有效改善操作设备工况的适应性。