１　概述

氦因其特殊的性質(zhì)在許多領(lǐng)域有著重要的用途。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)氦的需求呈上升趨勢(shì)。目前，我國(guó)的氦主要依賴于進(jìn)口，2015年至2016年，我國(guó)氦進(jìn)口量從2841.223t上升至3166.921t，年增長(zhǎng)率約5%。

2016年，我國(guó)氦進(jìn)口主要來(lái)自卡塔爾(48.9%(w))、美國(guó)(38.7%(w))和澳大利亞(12.4%(w))，而我國(guó)生產(chǎn)的氦只能滿足少量重要用戶的需要。氦是放射性衰變的產(chǎn)物，只在少部分天然氣中以較高的濃度存在。天然氣提氦是目前氦商業(yè)應(yīng)用的唯一來(lái)源。美國(guó)是全球主要的氦生產(chǎn)國(guó)，對(duì)世界氦的供給仍有絕對(duì)的話語(yǔ)權(quán)。不同國(guó)家的氦產(chǎn)量見(jiàn)圖1。

天然氣提氦工藝有深冷法與非深冷工藝之分，深冷工藝仍是工業(yè)化的主要選擇方法。由美國(guó)2014年的氦年報(bào)可知，目前美國(guó)有提氦工業(yè)化裝置17套。其中，7套裝置采用深冷工藝生產(chǎn)粗氦;5套裝置采用深冷工藝生產(chǎn)A級(jí)氦和液氦;5套裝置采用變壓吸附與膜分離組合工藝，生產(chǎn)95%～98%(φ)的近似純氦。

從2005年以后新建或改造的提氦裝置來(lái)看，卡塔爾提氦裝置、澳大利亞達(dá)爾文提氦裝置以及阿爾及利亞提氦裝置均從LNG尾氣提氦，美國(guó)WYOMING州提氦裝置采用CO2回收提氦，正在建設(shè)的俄羅斯AMUR提氦裝置采用輕烴回收聯(lián)產(chǎn)提氦，上述裝置均主要采用深冷工藝。

一般將溫度低于-100℃的工業(yè)過(guò)程歸于深冷加工的范疇，就天然氣加工而言，天然氣深冷加工按加工溫度從高到低的順序分別為乙烷回收(-100℃)、天然氣液化(-160℃)、天然氣脫氮(-190℃)、天然氣提氦(-190℃)與氦的液化(-269℃)等。其中，天然氣提氦與氦的液化屬于天然氣深冷加工中制冷分離溫度最低的典型深冷過(guò)程，天然氣提氦具有以下特點(diǎn)：

(1)隨著制冷溫度的不斷降低，單位制冷量的能量消耗急劇增加(見(jiàn)圖2)，由此對(duì)如何高效制冷、冷量如何合理高效利用，以及設(shè)備的設(shè)計(jì)制造與操作運(yùn)行都提出了更高、更苛刻的要求。

(2)天然氣為多組分混合物，低溫相平衡是天然氣深冷提氦的基礎(chǔ)。由于物質(zhì)凝固點(diǎn)和溶解度的限制，隨制冷溫度的降低，更多物質(zhì)會(huì)引起低溫堵塞，對(duì)如何凈化分離和防止低溫堵塞提出更高要求。

(3)天然氣中微量氫的富集與濃縮對(duì)如何有效脫氫提出更高要求，并且微量氖的存在對(duì)氦的質(zhì)量分級(jí)和有效的氖氦分離或氖的凈化都有重大影響。而這些物質(zhì)是常規(guī)天然氣分析中不太重視的，這就要求準(zhǔn)確、定量分析天然氣中微量物質(zhì)，使得整個(gè)過(guò)程得以有效控制。

(4)設(shè)備多采用不銹鋼、鋁、銅等有色金屬，要求有良好的耐低溫性能，并涉及不同材料過(guò)渡聯(lián)結(jié)、多層真空屏蔽絕熱等問(wèn)題，對(duì)高真空設(shè)備、氦檢漏、材料與工藝等提出更多需要。

２　天然氣提氦技術(shù)發(fā)展

我國(guó)天然氣提氦始于20世紀(jì)60年代的威遠(yuǎn)提氦試驗(yàn)I裝置，該裝置設(shè)計(jì)規(guī)模為5萬(wàn)m3/d，年生產(chǎn)氦2萬(wàn)m3。其特點(diǎn)是采用“氨預(yù)冷的高中壓林德循環(huán)制冷+兩段單塔精餾塔分離提氦工藝”，精餾塔分為常壓液甲烷冷凝段和減壓液甲烷冷凝段，低溫?fù)Q熱器為繞管式換熱器，現(xiàn)場(chǎng)儀表控制，提氦后的天然氣增壓后去管網(wǎng)。1989年，建成威遠(yuǎn)提氦Ⅱ試驗(yàn)裝置，該裝置設(shè)計(jì)規(guī)模為10萬(wàn)m3/d，年生產(chǎn)氦4萬(wàn)m3。在提氦I裝置的基礎(chǔ)上，引入“膨脹機(jī)+高壓氮循環(huán)+甲烷循環(huán)制冷”，采用兩塔分離工藝取代單塔分離工藝，主換熱器采用鋁板翅式換熱器，用單元儀表控制，提氦后的天然氣部分增壓去管網(wǎng)。裝置單位產(chǎn)品能耗從133kW·h/m3He下降至89kW·h/m3He。

2012年，在四川省榮縣東興場(chǎng)鎮(zhèn)建成天然氣提氦裝置，這是我國(guó)目前唯一運(yùn)行中的天然氣提氦裝置。該裝置設(shè)計(jì)日處理天然氣40萬(wàn)m3，氦含量0.18%(y)，年生產(chǎn)純氦約21萬(wàn)m3，氦收率>96.5%，產(chǎn)品粗氦純度90%(y)～95%(y)，單位產(chǎn)品能耗從89kW·h/m3He下降為55kW·h/m3He。粗氦采用氣瓶拖車運(yùn)輸?shù)轿髂嫌蜌馓锕境啥继烊粴饣た倧S(以下簡(jiǎn)稱成化總廠)后，進(jìn)行氦的純化精制，生產(chǎn)出純度99.999%(y)～99.999　9%(y)的產(chǎn)品供給用戶。

為更好地滿足用戶需求，在“十二五”期間，成化總廠對(duì)氦純化精制裝置進(jìn)行了技術(shù)改造，提高了自動(dòng)化控制水平。同時(shí)，增加氦儲(chǔ)存能力，將氦儲(chǔ)存能力從2萬(wàn)m3提高到8萬(wàn)m3，氦精制產(chǎn)能達(dá)到30萬(wàn)m3/a。

加之產(chǎn)品質(zhì)量不斷升級(jí)，在原最高純度99.999%(y)的基礎(chǔ)上，成功研制出氦純度99.999　9%(y)的產(chǎn)品，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。天然氣提氦的工藝流程示意圖見(jiàn)圖3。由圖3可知，其天然氣凈化部分涉及到如何高效凈化脫除天然氣中CO2、H2O、Hg等環(huán)節(jié)。

榮縣天然氣提氦裝置(見(jiàn)圖4)采用了西南油氣田公司天然氣研究院開(kāi)發(fā)的CT8-23活性MDEA溶液作為脫碳溶液，可將天然氣CO2脫除到50×10-6(φ)以下。脫水采用三塔分子篩工藝，與常見(jiàn)的兩塔分子篩脫水工藝相比，加熱爐連續(xù)運(yùn)行，冷吹后較高溫度的天然氣直接進(jìn)加熱爐，實(shí)現(xiàn)了再生能耗的降低。

而提氦單元，通過(guò)天然氣自身為制冷介質(zhì)，采用膨脹工藝來(lái)獲得低溫的主要冷量，并使天然氣液化，然后通過(guò)氮?dú)獾膲嚎s節(jié)流制冷循環(huán)，提供液氮溫度下的冷量。在分離方面，通過(guò)第一分離塔實(shí)現(xiàn)氦與甲烷的分離，并提高氦的收率;然后，在第二分離塔實(shí)現(xiàn)氦與大量氮的分離，獲得氦摩爾分?jǐn)?shù)為65%左右的粗氦;最后，粗氦復(fù)熱到常溫后，通過(guò)鈀催化脫除氦中氫含量至小于500×10-6(φ)，通過(guò)膜分離獲得摩爾分?jǐn)?shù)為90%～95%的粗氦，壓縮后去儲(chǔ)存運(yùn)輸。

在氦的精制單元，通過(guò)進(jìn)一步將氦中氫脫除到小于5×10-6(φ)后，通過(guò)壓縮機(jī)增壓至15MPa，然后經(jīng)過(guò)分子篩兩塔脫水進(jìn)入冷箱，在冷箱中通過(guò)液氮為制冷劑，經(jīng)過(guò)冷凝吸附后獲得氦純度99.999%(y)以上的產(chǎn)品。由于產(chǎn)量較小，沒(méi)有后續(xù)的氦液化裝置，產(chǎn)品以高壓氣體狀態(tài)供給用戶。

由此可以看出，天然氣提氦的工藝流程相對(duì)較長(zhǎng)，通過(guò)自主研發(fā)的技術(shù)，成化總廠形成了有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的天然氣提氦的完整過(guò)程鏈，該技術(shù)獲得2013年度四川省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

從技術(shù)創(chuàng)新看，在“十二五”期間，為配合榮縣天然氣提氦裝置建設(shè)需要，開(kāi)展了“天然氣提氦工藝優(yōu)化研究”。在原天然氣前制冷工藝的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性開(kāi)發(fā)出天然氣后膨脹制冷工藝，變先膨脹后分離的工藝為先分離后膨脹的工藝，通過(guò)制冷分離壓力溫度的提高，有效降低了提氦分離的不可逆損失，實(shí)現(xiàn)提氦單位產(chǎn)品能耗節(jié)約30%，同時(shí)通過(guò)模擬研究，提出解決在高壓下降低氦溶解損失的解決方案。

另外，通過(guò)“液化天然氣聯(lián)產(chǎn)提氦工藝技術(shù)”的研究，創(chuàng)新性提出了在天然氣提氦的同時(shí)，副產(chǎn)部分LNG進(jìn)行冷量調(diào)節(jié)，即避免天然氣低溫下重組分積聚對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性和冷量調(diào)節(jié)可操作性的不利影響，又能副產(chǎn)部分LNG產(chǎn)品，在一定程度上改善天然氣提氦的經(jīng)濟(jì)性。該技術(shù)已獲國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)，成功應(yīng)用于榮縣天然氣提氦裝置建設(shè)，性能考核表明達(dá)到預(yù)期效果，其工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4。

值得說(shuō)明的是，該裝置自動(dòng)控制化程度明顯提高，既降低人工操作的強(qiáng)度，又便于裝置的穩(wěn)定和安全運(yùn)行，用技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)管控水平的提高。

在裝置生產(chǎn)運(yùn)行方面，針對(duì)目前榮縣裝置天然氣流量不斷遞減的情況，采取調(diào)整燃?xì)鈮嚎s機(jī)轉(zhuǎn)速，降低壓縮機(jī)進(jìn)口壓力，裝置提氦后貧尾氣部分循環(huán)、減少胺液循環(huán)量與延長(zhǎng)分子篩切換時(shí)間等技術(shù)措施;針對(duì)裝置流量大幅波動(dòng)和環(huán)境溫度周期性變化給裝置冷量平衡帶來(lái)的影響，在裝置安全平穩(wěn)控制上積累了經(jīng)驗(yàn);針對(duì)低溫下的堵塞問(wèn)題，在操作運(yùn)行控制和模擬分析上取得了一些新認(rèn)識(shí)和新見(jiàn)解。在提氦裝置停車檢修后，通過(guò)脫碳和分子篩吸附運(yùn)行，保證了天然氣脫水效果。

在分析技術(shù)方面，為滿足高純氣體分析的需要，建立光腔震蕩衰減光譜法，用于測(cè)量氣體中微量水，滿足對(duì)水分含量(φ)從10-6級(jí)到10-9級(jí)轉(zhuǎn)變的需要。

同時(shí)，在低溫濃縮法、熱導(dǎo)色譜法、脈沖放電氦離子化色譜法及氫火焰色譜法檢測(cè)氦中微量雜質(zhì)不斷完善的基礎(chǔ)上，開(kāi)展氦離子化色譜法在高純氣體分析上的推廣與應(yīng)用。

同時(shí)，研制的氦中微量氫、氧、氮、甲烷、CO及CO2等16項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)獲得國(guó)家二級(jí)標(biāo)物證書(shū)。加之，為滿足生產(chǎn)過(guò)程在線分析的需要，進(jìn)行了粗氦和氦中氫的連續(xù)在線檢測(cè)。作為主要起草單位之一，完成了GB/T　4844-2011《純氦高純氦和超純氦》、GB/T28123-2011《工業(yè)氦》與GB/T33360-2016《氣體分析痕量分析用氣體純化技術(shù)導(dǎo)則》等6項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的制定修訂。

３存在的問(wèn)題與建議

３．１　存在的問(wèn)題

(1)產(chǎn)品單一，專業(yè)方向和資源決定了應(yīng)用領(lǐng)域受限。

(2)裝置的原料天然氣氦含量低，造成單位產(chǎn)品成本高，因而難以與國(guó)際氦生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)。加之，氣田產(chǎn)能不斷遞減，造成天然氣處理能力大幅下降，進(jìn)一步使天然氣提氦的經(jīng)濟(jì)性惡化。

(3)目前，裝置運(yùn)行工況波動(dòng)大、變化多，給裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

３．２　建議

(1)立足專業(yè)技術(shù)，拓展應(yīng)用領(lǐng)域。目前，公司尚未涉及乙烷回收、天然氣脫氮和氦的液化，未來(lái)隨著天然氣開(kāi)發(fā)的需要，可擴(kuò)展深冷技術(shù)的范圍，在多方向多產(chǎn)品領(lǐng)域發(fā)揮專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，一定程度上避免產(chǎn)品單一帶來(lái)制約發(fā)展的問(wèn)題。

(2)走天然氣綜合提氦之路，提高低含氦天然氣提氦的經(jīng)濟(jì)性，可考慮建設(shè)天然氣脫氮提氦、天然氣提氦聯(lián)產(chǎn)輕烴或LNG一體化裝置，以降低單位產(chǎn)品能耗和增加產(chǎn)品產(chǎn)量，積極探索新的天然氣提氦工藝。

(3)采用操作運(yùn)行優(yōu)化與技術(shù)改造相結(jié)合，努力解決現(xiàn)有裝置面臨處理量大幅下降及工況適應(yīng)性等客觀問(wèn)題，考慮以工藝模擬計(jì)算為手段，調(diào)整運(yùn)行工藝參數(shù)以及改造設(shè)備尺寸大小來(lái)提高裝置的適應(yīng)性。

文/李均方何琳琳柴露華，中國(guó)石油西南油氣田公司成都天然氣化工總廠