背景介绍
氦气是一种无色无味无毒且不易燃烧的惰性气体。在所有气体元素中，除氢气外，氦气的原子最小。氦气比空气轻7倍，声音传播速度快3倍且热传导性高5倍。在已知的所有材料中，氦气的沸点最低，在绝对零度时仍保持在液态状态。由于其优良的性质，氦气被广泛应用于医疗、核工业以及航天工业等，在一些应用领域中具有不可取代的地位。
氦气属于稀缺性战略资源，目前天然气是氦气的唯一商业来源。我国属贫氦国家，氦资源严重依赖进口。随着我国国防建设、科技与经济发展，工业生产、科研等领域对氦气的需求量和年进口量不断加大，日益增加的氦气需求量与有限的氦气资源间的强烈矛盾，将焦点转移到直接排空的富氦尾气上。将低浓度氦气进行回收提纯，提高氦气循环利用率成为解决矛盾的良方。氦气循环利用一方面可以有效减少我国外汇支出，降低生产与科研成本，解决工业企业由于氦资源供给不足无法扩产的难题，另一方面对节约和保护不可再生氦气资源也有重要战略意义。
技术介绍
氦气的纯化技术根据工作压力、冷源的使用等条件的不同主要分为高压低温冷凝、吸附法、膜分离法、变压吸附法、低温冷凝吸附法。
氦气高压低温冷凝、吸附法是一种经典可靠的纯化技术，该技术工艺成熟，被广泛应用在高纯度氦气的提纯工艺中。技术利用氦气沸点低的特点，通过使用液氮等冷源，冷凝并分离混合气中的氮气等杂质，再通过吸附材料二次去除氦气内所含杂质用以获得高纯度氦气。氦气高压低温冷凝、吸附法适用于处理量大的氦气提纯场合。提纯过程需要提供冷源，由于要在高压操作条件下，自动化程度受到一定限制。
膜分离法是一种比较先进的氦气纯化技术，该技术采用先进的氦分离膜材料为核心部件，利用膜两侧气体的分压差为推动力，通过膜对不同组分气体选择透过性差异对氦气进行分离提纯。膜分离法可以在常温下操作，压力要求不高，且具有体积小、能耗低、操作简单、无需能源、自动化程度高等特点。但现阶段膜分离法中的膜材料大多依靠进口，我国在气体分离膜材料研发水平上有待进一步提高。
变压吸附法是一种气体吸附分离技术，通过改变压力来实现气体的吸附和解吸过程。吸附分离是利用吸附剂对特定气体吸附和解析能力上的差异进行分离的。为了促进这个过程的进行，常用的有加压法和真空法等。吸附过程具有体积相对较小、自动化程度高、操作简单等特点。但变压吸附存在出气过程不稳定、产品气纯度有波动等问题。
低温冷凝吸附法是采用制冷机为冷源的分离方法，利用氦气沸点低的物理特性，达到分离气体的目的。此种方法适用于氦气使用量小、压力稳定且连续使用的工况。
技术应用
当下，氦气广泛应用于制冷、医疗、军工、管道检漏、高精度焊接、金属制造、气球载、科研、军事等各个领域。应用场所的不同决定了对于氦气的要求千差万别，表1列出了部分应用领域对于氦气的要求。我公司拥有低温制冷的公司背景，结合世界先进分离技术，通过多年的研究开发，设计出不同提纯工艺的氦气循环利用设备，满足科研院所及全工业领域多样化的氦气提纯循环需求。
表 1 氦气应用领域及相关参数
3.1低温高压冷凝、吸附技术应用
我公司专业从事低温制冷技术，已经熟练将低温高压冷凝、吸附技术应用于氦气分离提纯过程。该方法主要适用于氦气纯化量相对较大，冷源采集便利的场所。公司现已应用低温高压冷凝、吸附技术成功研制GCH-100型、GCH-200型以及GCH-500型氦气纯化设备。设备出口气纯度可以达到99.9995%。但是分离过程需要不断提供冷源，能耗高，设备体积较大，对于100-500L/min的大型氦气提纯领域，我公司多采用此种方法。
图 1 飞艇氦气回收
技术参数如下：
进气氦气纯度：≥95%
供气氦气纯度：≥99.999%
连续工作时间：≥8h；
3.2膜分离技术应用
随着氦气应用领域的不断扩宽，氦气资源有限，稀缺的氦气显得愈发弥足珍贵。原本粗放型的工业行业也把目光投放到氦气资源的回收再利用问题上。然而“寸土寸金”的工业现场，对于设备的体积提出了更高的要求。我公司致力于打造一类适用于工业场所的氦气提纯循环利用设备。结合工业现场对于设备体积小、能耗低、操作简单的要求，经过多年的潜心研究，逐步从低温高压冷凝技术迈向膜分离技术。该技术利用一种高分子聚合物薄膜来选择“过滤”进料气而达到分离的目的。选用合适的分离膜，并进行一些不同的组合，利用分离膜对气体分子的选择性渗透特性，实现物理分离。通过对膜分离组件的排列组合，经过膜分离单元后的氦气出口气纯度可达99%，满足大部分工业生产需求。
3.3复合法应用
膜分离法仅仅能将氦气提纯到99.9%。而工业上特种玻璃生产、光纤制造、半导体等部分领域需要99.999%的高纯氦气，显然仅仅靠膜分离法将氦气提纯到99.999%是不现实的。我公司积极优化研究“膜分离与低温冷凝分离法”相结合的复合技术，采用制冷机作为冷源，有效降低了设备体积，满足多领域对于氦气纯度的多样化需求，流程如图3。
图 3 氦气的提纯工艺流程
复合法利用膜分离技术为低温冷凝吸附法提供良好的气源条件，再历经低温吸附过程，吸附其中的杂质气体，纯度进一步提高可达99.999%以上，回收率大于80%。该生产方式突破了传统低回收率、低纯度、工业智能化程度低的技术瓶颈，通过低温法与多级膜分离复合法相结合，有效解决了低浓度（10-50%氦气）废氦气的提纯所面临的难题，满足了玻璃、半导体、光纤等生产的需求，即限度地循环使用氦气资源。
图 4 复合法氦气循环利用技术
技术参数如下：
供气纯度：≥99.999％He
供气压力：0.55~0.6 MPaG(表压)
供气温度：≤45∞C
氦气提纯回收率：≥90.0%（以进出设备的氦气量计算）
总结
本文介绍了四种氦气纯化技术以及其利与弊，通过根据不同行业的需求，进行定性化、系列化设备研发，有效提高了氦气利用效率，减少了氦气损耗量，拓宽了氦气纯化技术的应用领域。为国内用氦企业带来客观的经济收益，并在降低成本、缩短周期，扩大产能等方面起到一定的作用，对于氦气资源紧张，氦气需求量巨大的我国而言意义重大。
参考文献
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