氦气，以其独特的化学稳定性和广泛的应用领域，成为工业与科研中不可或缺的宝贵资源。尽管在空气中的含量微乎其微，不具备直接工业提取的经济性，但它在天然气中的丰富蕴藏却为规模化生产提供了可能。值得注意的是，全球各地天然气中氦气的含量千差万别，某些区域甚至可达高浓度的8%。本文聚焦于天然气作为氦气主要工业来源的探讨，深入分析了从天然气中提取氦气的多种工艺技术。通过广泛对比国内外在该领域的最新成果，我们精选了三种具有代表性的低温提氦技术进行详细剖析。这些技术不仅展现了提取氦气的高效性，还体现了对生产成本控制的精细考量。在深入研究的过程中，我们提出了一系列旨在降低生产成本、提高经济效益的措施。这些措施涵盖了原料选择、工艺流程优化、设备效率提升等多个方面，旨在为氦气生产行业的可持续发展提供有力支持。通过本文的研究，我们期望能为氦气资源的有效开发和利用贡献一份力量，推动相关产业的技术进步与产业升级。

1  当前的产业背景分析

本项目聚焦于天然气中低温提氦工艺的优化策略，通过技术创新提升生产效率与资源利用率。具体而言，本项目将遵循清洁生产的原则，推动低温提氦工艺在节能减排、资源节约方面的深入应用。通过技术革新与工艺优化，我们力求在保障氦气产品质量的同时，最大限度地减少对环境的影响，为构建绿色、低碳、循环的工业体系贡献力量。此外，项目还将关注市场需求的变化，积极研发符合市场趋势的高附加值产品，以技术创新引领产业升级，为我国氦气资源的安全供应与高效利用提供有力支撑。

2  天然气低温提氦工序及回收装置

鉴于当前氦气资源的稀缺性，其主要来源局限于天然气提取，而空气中提取的副产量则显得微不足道。直接从天然气中提取氦气，虽为必要之举，但过程复杂且成本高昂，技术路径冗长。从经济效率的角度出发，探索从液化天然气蒸发气（BOG）中提取氦气成为了一个颇具吸引力的替代方案。此方案不仅能有效控制资金与设备投入，还能显著提升企业的经济效益。

基于此，针对LNG闪蒸汽中氦气的回收装置进行深入分析，显得尤为重要。该装置的设计旨在高效、经济地回收BOG中的氦气资源，其研究价值与应用前景均不容忽视。图1所示为该装置的工艺简图，直观展示了其工作流程与关键技术环节，为进一步的技术优化与工业化应用提供了有力支持。

图1  工艺流程框（简）图

2.1  粗制系统

LNG装置释放的BOG气体，在进一步利用前，需历经压缩工序以适配冷箱操作条件。此气体首先接受冷却处理，过程中辅以热源供给，确保冷却过程平稳进行。随后，通过粗分离技术，气体与液体成分得以区分，并分别导向提氦塔内，旨在提升氦气的纯度。在提氦塔内完成提纯后，氦气需经主换热器调节至适宜温度，即38℃，以满足后续工艺要求。

在提氦塔底部，富集的液态BOG气体被收集并送入LNG分离器，再次进行粗分离，以进一步提纯。另一方面，来自冷箱的低压氮气，在通过入口缓冲罐的平稳过渡后，进入压缩机进行压缩并伴随冷却处理。随后，氮气在出口缓冲罐中调整状态，重返冷箱主换热器，经历冷却与过冷双重处理。

处理后的氮气被分流为两路：一路进入冷凝器，作为冷源支持整个冷凝流程；另一路则导向氮分离器，进行气体与液体的初步分离，从而完成整个循环制冷过程。此流程设计不仅确保了氦气的有效回收与提纯，还实现了氮气资源的循环利用，提升了整体能效。

2.2  脱氢干燥系统

脱氢干燥系统巧妙运用加氧催化原理，针对粗氦中的氢气问题实施高效解决方案。该系统促使脱氢反应发生，将氢气转化为水，随后通过精细的冷却流程去除生成的游离水，确保氦气的纯净度。在操作过程中，来自粗制冷箱系统的粗氦气首先与干燥再生气、循环气及回收气体汇聚于缓冲罐内，经历初步混合与压缩，以增强与氧气的接触效率。

随后，这一混合气体被送入脱氢反应器，其中氢气与氧气在催化剂作用下发生剧烈反应，生成水和其他副产物。反应后的气体经过冷却装置，降低温度以便于水蒸气的凝结与分离。进入水分离器后，大部分水分被有效去除，气体进一步得到净化。

为进一步提升氦气的品质，该系统还配备了双干燥器串联使用，对经过初步处理的氦气进行深度脱水及除杂处理。此过程确保了最终产出的氦气不仅氢气含量极低，而且杂质水平也达到极高标准，满足各类高精度应用需求。

2.3  低温系统

低温系统凭借高压低温冷凝与高效吸附技术的融合，精准地清除了气体中的各类杂质，确保了高纯度氦气的产出。在此精密流程中，两台低温吸附杜瓦装置交替运作，结合超低温冷箱及多种辅助设备，共同构建了一个高效的杂质去除网络。经过干燥系统初步净化的粗氦气，被导入增压机入口缓冲罐，随后经历深度冷却至-205℃的超低温环境。这一极端温度条件极大地促进了杂质分子的凝聚与析出，使得大部分杂质得以有效脱除。

随后，净化后的氦气进入低温吸附杜瓦装置，该装置利用特定吸附材料对残留杂质进行进一步吸附与分离，最终产出纯度极高的氦气产品。整个过程如图2所示，展现了从粗氦气到高纯度氦气的华丽蜕变，体现了低温系统在氦气提纯领域中的卓越性能与应用价值。

图2  低温吸附和超低温吸附主要工作过程

2.4  储存系统

储存系统作为高浓度产品的核心保管与再分配中心，专为高纯度氦气的储存与重装而设计。该系统集成了两套压缩机、两座高纯度氦气储罐以及一座自动化的高纯度氦气充装台，构成了其强大的储存与分发能力。此外，系统还配备了多样化的辅助设备，以确保整个流程的顺畅与高效。

经过精心设计的重装流程，储存系统能够将氦气压力提升至20MPa(G)，同时，单个储罐的容积优化至28.3m³，这样的配置使得系统能够安全地储存并维持高达20MPa(G)压力的高纯度氦气。为满足多样化的客户需求，系统还配置了灵活的充装线，不仅能够处理管束车、花篮等大型容器，还能通过每个物理台位独立充装40L至50L的标准气瓶，展现了其高度的适应性与操作灵活性。

2.5  回收系统

回收系统扮演着关键角色，它专注于回收定位系统中产生的再生反冲洗气及再生冷却氦气，特别是后者，在超低吸附冷箱中尤为重要。系统内设两台回收压缩机及一个回收气囊，这些设备协同工作，确保回收过程的高效与稳定。当回收条件满足时，系统即启动，发挥其回收并冷却的功能。在此过程中，所回收的气体首先经过压缩机的增压处理，以提升其压力与密度，随后被安全地输送至干燥系统的缓冲罐中，准备进行下一阶段的净化或再利用。这一设计不仅实现了资源的最大化利用，还有效降低了生产成本，体现了绿色生产的核心理念。

2.6  辅助系统

辅助系统作为关键支持，由液氮、氮气与氧气系统三大板块构成。其中，液氮与氮气系统扮演着至关重要的角色，它们是整个低温体系冷量供应的核心，确保低温环境的稳定维持与制冷流程的顺畅进行。这一系统不仅负责生成并分配必要的冷量，还巧妙地回收了在低温杜瓦切换过程中释放的液氮，实现了能源的循环利用，为脱氮工艺提供了坚实的冷量基础。

另一方面，氧气系统则是脱氢干燥工艺不可或缺的动力源泉。它专为该系统量身定制，提供纯净且足量的氧气，以激发并促进加氧催化反应的高效进行，从而确保粗氦中的氢气得以有效去除，为氦气的进一步提纯奠定坚实基础。综上所述，辅助系统以其精准的功能定位与高效的运行机制，为整个氦气提取与纯化流程提供了强有力的支撑与保障。

3  膨胀制冷 + 氮气循环制冷两塔分离优化技术

3.1  前膨胀工艺

前膨胀与氮循环制冷工艺的流程精心设计，旨在高效处理天然气并提取关键组分。首先，精心准备的天然气被送入原料气冷却器，通过预设的管道系统，在极短时间内完成初步冷却，确保后续处理的高效性。随后，利用膨胀制冷技术，对气体进行二次输送至原料气冷却器，实施更为深入的冷却过程，确保气体温度降至标准范围。

在二次冷却达标后，气体被导向一级提浓塔。在此阶段，顶部会析出一定量的粗氮气体，而底部则富集液态甲烷，实现了组分的初步分离。冷却器在此流程中扮演关键角色，通过回收冷量，助力整个系统的能效提升。

随后，原料气进入膨胀机增压端，经历膨胀过程后，其压力得到调整并满足商品天然气的输送要求，随后被送入外输管线。同时，通过节流手段，其他气体成分被有效转化，保持系统整体效能。

在冷却剂装置的辅助下，系统能在最短时间内将温度调控至预定标准，确保处理过程的稳定性与连续性。当原料气积累至一定量时，压缩机再次启动，将气体送回外输管线，形成闭环循环。

值得注意的是，整个流程的高效运行依赖于二级能源的充足供应，它不仅是循环与制冷同步进行的基石，也是确保系统长期稳定运行的关键所在。通过这一精心设计的流程，天然气得以高效处理，关键组分被有效提取，实现了资源的最大化利用。

3.2  后膨胀工艺

在后膨胀+氮循环制冷工艺技术的实施中，其核心工艺原理巧妙融合了原料气冷却器的换热效能与多级提浓塔的分离能力。天然气首先被引导至原料气冷却器进行初步降温，随后进入一级提浓塔，与顶部逸出的粗氮气体汇合，共同流向二级提浓塔进行更精细的分离作业。此过程中，部分粗氮被有效分离，同时一级提浓塔底部富集的液态甲烷也经历冷却处理，实现了冷量的回收利用，并伴随部分尾气的排出。

剩余的原料气随后进入膨胀机进行增压处理，这一步骤不仅提升了气体的压力，还通过膨胀过程进一步实现了能量的转化与利用。最终，经过这一系列处理的天然气被安全地输送到外输管线，确保了产品的连续供应与品质稳定。

尤为值得一提的是，此工艺通过精准控制冷源的使用，实现了液态甲烷的高效转化与一级提浓塔冷源功能的最大化利用。在回收冷却环节后，再次对天然气进行增压处理，确保了在整个制冷与输送过程中，冷源始终保持充足状态，为系统的稳定运行提供了坚实保障。

综上所述，后膨胀+氮循环制冷工艺技术以其独特的工艺原理与高效的能量转化机制，在天然气处理领域展现出了卓越的性能与广泛的应用前景。

3.3  主要的检测和控制措施

在工艺技术的优化升级中，对设备装置实施更为严苛的管理措施是不可或缺的一环。首要任务是确保原料气进口管线的预置准确无误，运行中若遇压力或温度异常波动，需立即采取切断管线的应急措施，以保障人员与设备的安全无虞。

针对一级提浓塔内液态甲烷可能溶解氦气，进而削减产量的问题，我们需在二级提浓塔底部精准调控液位，以优化热交换过程，争取更多时间与空间，减少氦气损失。同时，为确保一级提浓塔维持既定温度，需细致调压，此举不仅可获取必要制冷量，还能确保换热器效能最大化。

在监控塔底温度时，应根据实时条件灵活调整，确保氦气输送在适宜的温度范围内进行。若温度未达标，则需增加流量以弥补不足。此外，鉴于液态甲烷与液氮对氦气的潜在溶解性，我们必须前瞻性地预防氦气溶解导致的产量减少。一旦发现溶解现象，应立即将受影响氦气导向二级提浓塔处理，并对粗氦气进行预热，以维持稳定的液位状态，从而全面保障生产效率与产品质量。

4  总结

鉴于氦气在工业领域的显著提取价值，尤以天然气伴生氦气最为常见，航烨能源专注于从天然气尾气中回收氦气，旨在实现资源的再生利用与最大化价值挖掘。在此过程中，我们致力于对既有工艺技术进行全面审视与有效优化，以技术创新为驱动，推动氦气回收效率的显著提升。

在未来，航烨能源将以其前沿的技术创新能力和深厚的行业积淀，引领清洁能源领域的新一轮变革。我们的产品，作为公司核心竞争力的集中展现，不仅凝聚了最尖端的生产工艺与材料科学的智慧结晶，更融入了我们对可持续发展未来的深刻理解与追求。