然而，氦气在空气中的含量极低，仅为百万分之五左右，其主要存在于天然气中，含量介于千分之几至百分之几之间。因此，研究如何从天然气中有效回收氦气具有极为重要的意义。

当前，国内外从天然气中提取氦气的方法主要包括低温冷凝法和膜分离法。其中，低温冷凝法技术相对成熟，但在应用前需要对原料气中的硫化氢、二氧化碳、水分等杂质进行预处理，这导致能耗和成本都相对较高。而膜分离法等提氦技术，则因氦气收率低、膜的稳定性和可靠性问题，目前尚无法实现规模化工业应用。不过，采用中空纤维膜可以对低温提氦装置产生的粗氦原料进行提纯和精制，从而制得高纯度的氦气。因此，目前最为成熟且广泛应用的工艺方法是联合法，即结合低温冷凝法和膜分离法，以实现从天然气中高效提取高纯度氦气的目标。

1 氦气提取技术路线

天然气处理总工艺方案主要包括天然气预处理、轻烃回收、氦气提取、粗氦精制、氦气液化等工艺。 其中提氦、氦气精制和氦气液化部分为深冷装置，是整个工艺的最重要的核心部位，故本文对膨胀制冷低温提氦工艺、氦气液化工艺进行研究分析。如图1所示。

图1 天然气处理总工艺方案图

2 提氦技术研究

2.1 天然气提氦工艺

在低温提氦工艺中，为了满足工艺所需的低温条件，通常采用独立的氮气循环制冷系统。这一系统不仅能够为装置提供接近-190℃的低温环境，而且其独立的制冷设计使得它能够很好地适应各种变化的工况操作条件。

目前，低温提氦工艺主要有两种主流技术：克劳特循环工艺和膨胀制冷结合氮气循环制冷的两塔分离工艺。克劳特循环制冷工艺在20世纪60至70年代曾得到广泛应用。然而，由于当时膨胀机的等熵效率较低，同时膨胀机和板翅式换热器的制造技术水平相对落后，因此必须采用外部制冷系统（如氨制冷系统）对原料气进行预冷，再经过膨胀机膨胀制冷，才能达到进入一级提浓塔的进料条件。这种工艺能耗大，投资费用高。随着低温机械设备设计和制造技术的不断进步，克劳特循环制冷工艺已逐渐被后者所取代。

膨胀制冷结合氮气循环制冷工艺方案（见图2）的工作流程如下：含氦天然气首先进入原料气冷却器进行换热，然后进入一级提浓塔。塔顶的一次粗氦气体随后进入二级提浓塔，在二级提浓塔塔顶分离出产品粗氦。一级提浓塔塔底出来的大部分液甲烷先进入原料气冷却器回收冷量，经过膨胀后再次进入原料气冷却器回收冷量，然后形成中压尾气进入膨胀机的增压端增压，最后进入天然气产品外输管线。另一部分液甲烷经过节流作为一级提浓塔塔顶的冷源后，也进入原料气冷却器回收冷量，最后经过低压尾气压缩机增压后进入天然气产品外输管线。而二级提浓塔塔顶的冷源则采用氮循环制冷系统提供。在条件允许的情况下，该工艺方案还可以生产一定量的液化天然气（LNG）用于城市燃气的调峰，从而提高企业的经济效益。

图 2 后膨胀提氦工艺流程图

2.2 粗氦提浓工艺

由于氢气、氮气和氦气都是低沸点气体，因此在深冷提氦工艺装置中，生产出的氦气浓度与原料气中的氢气和氮气含量有着直接的关系。目前，粗氦提浓主要采用两种工艺：一是粗氦加氧催化脱氢和膜分离脱氮提纯工艺；二是真空氮制冷脱氮和低温活性炭吸附非氦气体提纯工艺。

经过研究，这两种工艺都能够使氦气的纯度达到99.99%以上。然而，对于第二种工艺，其温度操作需要达到-220℃左右才能实现脱氮。在这样的低温下，对工艺管线及设备的耐低温材质要求非常高，这极大地限制了材质的选择范围。同时，该工艺的保冷要求也相当高，并且其投资和操作费用相比第一种工艺也要更高。因此，本文推荐采用第一种工艺，即粗氦加氧催化脱氢和膜分离脱氮提纯工艺，作为粗氦精制的工艺方案。其具体的工艺流程见图3所示。

图3 粗氦精制工艺流程图

2.3 氦气液化工艺

鉴于工程所处地区为高寒地带，且交通条件受限，采用液氦进行储存与运输在投资成本及经济效益上均展现出显著优势。因此，着重考虑将精制后的纯氦进行液化处理。当前，国际上已广泛应用且技术成熟的氦气液化工艺，主要依赖于液氮预冷结合膨胀机制冷的液化循环系统。此工艺流程如图4所示，具体步骤如下：

首先，通过主压缩机将氦气压缩至0.8 MPa，随后利用换热器组将其预冷至接近38K的温度。之后，这股预冷的氦气被分流为两路：一路直接进入Ⅰ号膨胀机进行初步膨胀制冷；另一路则进一步冷却至约16K，再进入Ⅱ号膨胀机进行深度膨胀制冷。两路氦气分别通过膨胀过程实现制冷效果。

与此同时，另一股由补充气压缩机压缩至3.5 MPa的高压氦气，也经过换热器组预冷至5.7K以下。随后，这股高压冷氦气通过节流阀进行膨胀，其中一部分氦气因此液化，并通过输液管被导入储存槽中，作为最终产品输出。而那些未能液化的氦气则会被送回换热器组进行复热，之后重新进入压缩机的吸入口，形成循环。

此外，为了维持系统的稳定运行和液氦的连续供应，还需从瓶装氦中抽取部分经过纯化的氦气，作为已液化氦气的补充，确保整个液化过程的连续性和高效性。

图4 氦气液化工艺流程图

3 总结

本文聚焦于氦气的广泛用途及当前国内外在天然气提氦技术领域所采用的主要工艺技术。氦气，作为一种稀有且关键的气体资源，广泛应用于科学研究、医疗、半导体制造、航空航天以及低温技术等多个领域，其重要性不言而喻。

针对天然气这一富含氦气的资源，本文深入研究了合理的天然气处理总工艺方案，旨在通过优化工艺流程，提高氦气的提取效率。

航烨能源在天然气提氦领域展现了显著的贡献。通过采用先进的低温提氦技术和优化工艺流程，公司不仅提高了氦气的提取效率，还实现了高纯度氦气的生产。航烨能源致力于技术创新，推动氦气资源的可持续开发与利用，为航空航天、医疗科研等领域提供了关键材料支持，有力促进了相关产业的进步与发展。