[发明专利]一种常温浓缩氦气的方法及装置系统

说明书

本发明提供了一种常温浓缩氦气的方法及装置系统，所述装置系统按照天然气的流通方向包括依次连接设置的预处理单元、第一增压组件、膜分离单元以及气体收集单元；所述膜分离单元包括依次连接设置的第一膜分离单元以及第二膜分离单元；所述第一膜分离单元以及第二膜分离单元之间设置有第二增压组件。本发明提供的常温浓缩氦气的装置系统基于膜分离技术和适当掺氢的方法，在常温下可以实现将氦气从低至原料天然气的100ppmv直接浓缩到氦气和/或氢气浓度达到98％以上，进而实现浓缩氦气在技术上稳定、成本上低廉以及收率高的效果。

技术领域

本发明属于化工和资源回收利用技术领域，涉及一种浓缩回收氦气的方法，尤其涉及一种常温浓缩氦气的方法及装置系统。

背景技术

氦气是一种无色无味的惰性气体，被广泛应用于光纤、半导体、医疗、国防等诸多领域，是一种不可再生的稀缺性战略资源。氦气用途广、用量大，但获取来源却有限。常规的，氦气主要伴生于天然气中，但由于全球各地的资源禀赋差异，天然气中的氦气含量差异很大，高的含氦量甚至超过10％vol，具有较高工业提取价值的一般含氦量在0.5％vol以上，而国内含氦量低的不足甚至低于50ppmv，工业开发难度和成本很大。现阶段，国内常见的天然气田的含氦量绝大部分不超过0.1％vol(1000ppmv)，常见的平均介于200～500ppmv。

针对原料天然气中含氦量低而导致的开发技术难度高，成本高的问题，当前最为主流的解决方法之一是从液化天然气的闪蒸气(boiled off gas，BOG)中提取氦气。即甲烷几乎全部被液化了，而沸点低于甲烷的气体，如氮气、氢气和氦气等尚未被液化。经过一次或者多次闪蒸，以上不凝气的浓度相对在原料天然气中的各自比例被大幅提高了，基本上以上未被液化的不凝气体，尤其是氢气和氦气被浓缩了10-20倍(甚至可以浓缩几万倍，但是要牺牲收率)，氦气勉强符合具有工业化开发价值的浓度。

此外，针对BOG中提取氦气还有其他多种可行的方案，部分已经获得了工业化实施，例如：深冷法、液化法、变压吸附(PSA)法、膜分离中的任意一种方法或者以上两种及多种方法的结合。

深冷方案的技术要点是要通过严格的计算来控制制冷量与消耗冷量之间的平衡，当系统中冷量控制不匹配，系统会产生温度骤升骤降的问题，当温度过高时，氦气无法被提取；当温度过低时，能耗大幅增加，甚至液体进入压缩机导致压缩机损坏。故深冷方案除能耗过高外，系统稳定性不良。由于氦气和氢气在常温下无法通过加压液化，一定要前端辅以低温或者深冷工艺，最终才能获得液氢和液氦，但是由于氦气和氢气的液化点很接近，无法彻底分离氦气和氢气，同时能耗非常高。PSA方法非常成熟，但是对于低浓度的氦气提纯存在收率很低、甚至完全无效的问题。相对上述方案，膜分离法是相对较新的方案，因为其特有的模块化和节能性具有很大的优势，已经得到了初步工业化应用。

CN 110207461A公开了一种从天然气中浓缩氦气的方法及装置，所述装置包括空气膨胀机、冷却器、冷箱、主换热器、空气再沸器、LNG再沸器、精馏塔、过冷器、冷凝蒸发器、粗氦气过冷器和气液分离器。该专利针对含有氦气的原料气中又富含氢气的特点，采用空气膨胀工艺、气液分离器二次浓缩，提供一种低温精馏环境下从天然气中同时浓缩氦气与氢气的方法和装置。上述专利提供的装置及方法需要在低温条件(-120℃以下)下浓缩得到氦气，所述方法的操作温度过低，会消耗大量的能源，且操作条件苛刻。