氦元素由于具有不可燃、安全稳定性好，且沸点温度最低等特性，在超低温科研、航空、医疗等领域有着广泛的应用，且在部分领域暂无可替代产品。天然气提氦技术链主要包括天然气的净化处理、天然气分馏、氦粗提、氦精制、氦存储、氦运输和氦应用等环节，其中氦液化分离提纯和液氦储运是大规模提氦产业链的重要环节，液氦应用是实现液氦产品功能的最终目标。

现在工业领域中一般使用两种低温提氦工艺：克劳特循环工艺、膨胀制冷+氮气循环制冷分离工艺，下面将介绍两大工艺。

克拉特盾循环

使用克劳特循环制冷工艺提取氦气会经过以下流程。首先，将含氦天然气运输到原料气冷却器中，原料气冷却器会让氦气温度在最短的时间内完成冷却，累积到一定数量后，有序进入到膨胀机增压端，随后膨胀机再进一步完成膨胀制冷，冷却后的原料气经管道运输至一级提浓塔;然后，将冷却后的原料气移动到一级提浓塔的顶部，与顶部一定比例的粗氮气体混合，混合好的原料气将被运送到二级提浓塔中，不被利用的液体甲烷会从一级提浓塔底流出;最后，二级提浓塔按照提前设定好的程序分离出粗氮，经过再次增压后，再传送到商品天然气外输管线。利用这种节流方式，可以改变另一种液体烷烃，以实现一级提浓塔塔顶的冷源功效，原料气冷却器会让其温度在最短的时间内完成冷却，累积到一定数量后，低压尾气压缩机将派上用场，经过增压后，再传送到商品天然气外输管线。二级提浓塔塔顶的冷源一定要保持充足，氮循环来进行制冷也要同步进行。

膨胀制冷+氮气循环制冷两塔分离工艺
2.1前膨胀工艺

前膨胀+氮循环制冷工艺的流程是：含氦天然气会按照提前准备好的管道进入到原料气冷却器中，冷却器在最短的时间内将原料气完成冷却。通过膨胀制冷后，二次传送到原料气冷却器，以同样的模式再进行一次冷却，冷却后再次传送到一级提浓塔，一级提浓塔的顶部将出现一定量的粗氮气体，原料气和粗氮气体将同时被转入到二级提浓塔中，在塔顶位置会按照提前设定好的程序分离出粗氮。一级提浓塔的塔底将会有很多液甲烷传送出来，而后原料气冷却器会发挥功能将其冷却，完成回收冷量后，有序进入到膨胀机增压端，经增压后，原料气被传送到商品天然气外输管线。利用节流方式，将其他的液甲烷进行转化，以实现一级提浓塔塔顶的冷源功效，原料气冷却器会让其温度在最短的时间内达到标准。当原料气累积到一定数量后，低压尾气压缩机就会派上用场，经过增压程序后，原料气会被再传送到商品天然气外输管线。为了确保氮循环制冷同步进行，一定要确保二级提浓塔的塔顶的冷源充足供应。
2.2后膨胀工艺

后膨胀+氮循环制冷工艺提取氦气的具体步骤和流程是：原料气冷却器通过换冷功能将含氦天然气传送到一级提浓塔，它与一级提浓塔的顶部的粗氮气体一同转入到二级提浓塔中。二级提浓塔塔顶会按照固有的设定程序分离出部分粗氮，与此同时，一级提浓塔的塔底将会有很多液甲烷传送出来。原料气转入到原料气冷却器后，经冷完成回收冷量和膨胀制冷过程后，一部分中压尾气会被传送出来，剩余天热料再进入到膨胀机的增压端，最后处理好的天热料会被传送至天然气产品外输管线。在此过程中，利用节流方式将其他的液甲烷进行转化，以实现一级提浓塔塔顶的冷源功能。经原料气冷却器回收冷却后，低压尾气压缩机将天热料再次增压，最后传送到商品天然气外输管线。在氮循环进行制冷的整个过程中，一定要确保二级提浓塔的塔顶的冷源充足。

检测和控制手段

（1）对裝置的安全性能和安全指数提出更高的要求。原料气的进口管线部位和截断球阀要按照规定要求提前准备完毕，如进装置的压力和温度出现较大变化，管线要早早进行截断处理，进而最大化确保人身和设备的安全性[4]。

（2）由于一级提浓塔的液态甲烷过程中可能会溶解一定数量的氦气，这样就会让氦气出现一定的损失。为了减少这些损失，二级提浓塔底部维持原有的液位水平，这就会给二级提浓塔塔底中的液态甲烷和液氮在热交换过程中争取更多的时间和空间。

（3）为保证一级提浓塔的工作符合换热器的规定温度，就要对一级提浓塔底部的甲烷要做好调压工作，在此期间，一级提浓塔会得到很多的冷量，进而确保其换热器发挥功能。

（4）二级提浓塔的温度符合规定的基本前提条件是，对其塔底的温度进行科学合理的检测。为了确保按照温度条件，一次粗氦气传送至二级提浓塔的具体流量要控制在一定的范围内，二级提浓塔的温度没有达到预期的标准，就需要其塔底一次粗氦气给予更多的流量，反之亦然。

（5）有必要避免二级提浓塔的液体甲烷和液氮对氦气溶解，导致氦气出现损失，如果二者溶解了一部分的氮气，那么需要将这部分的氮气全部传送至二级提浓塔，在此期间千万不能忘记加热一次粗氦气，同时还不能耽误二级提浓塔底部维持原有的液位水平，这就会给二级提浓塔塔底中的液态甲烷和液氮在热交换过程中争取更多的时间和空间。

从天然气中提取氦气的方法：

1.氦气的提取方法该方法基于天然气中各成分在固体吸附剂表面的吸附能力的差异来分离氦气。仅限于吸附剂的吸附容量，吸附法通常适用于杂质含量小于1O的粗氦精制。近年来发展起来的变压吸附（PSA）属于这种改进型。

2.如何提取氦气的吸收方法选择合适的吸收溶剂，在一定条件下可以洗涤吸收除去沸点高于氦气的天然气中的剩余成分，从而提取氦气。所使用的吸收溶剂为液态氟烃、液态烷烃等。

3.利用扩散法氦气如何纯化氦气所具有的高热扩散性能，可以浓缩提取天然气中的氦气。使用的扩散元件通常为石英玻璃毛细管，管壁厚为0.025～0.127mm，内径与壁厚之比为3～7，操作温度为400～500。操作压力可根据具体操作条件在数十兆帕斯卡至数百兆帕斯卡的范围内选择。石英玻璃毛细管扩散提取的氦气纯度相当高，但所采用的石英玻璃毛细管极细，制作不便，操作时需在与高温相当高的差压下进行，因此扩散法对氦的规模化有很多限制。

4.氦气怎嚒提取。膜渗透法随着膜材料的发展，膜渗透法提取氦显示出越来越好的应用前景。各气体对膜具有一定的渗透性能，各气体的渗透性能各不相同，因此可利用渗透法提取天然气中的氦气。工业上应用的渗透膜，为了保证产量，减少所需的膜面积，渗透常数大，分离系数大，简化工艺，保持长期使用性能，化学、机械、热稳定性好。膜材料对天然气各成分渗透的选择性可以用分离因子端口表示。

5.如何纯化氦气的低温冷凝法本方法是目前各国广泛采用的从天然气中提取氦气的方法。氦怎么提纯。提取氦气的方法通常由气源预处理净化、粗氦气提取及氦气精制等工序构成。

（1）通过含氦天然气的预处理来净化含氦气源中的HS、CO。水分、甚至水银等杂质在进入低温装置前必须进行净化处理，以免在低温下使管道、阀门和设备产生堵塞、腐蚀和劣化的工艺条件。作为提取氦气的方法经常使用的酸气体除去方法是醇胺法、热钾碱法、磺胺法。氦气提取工艺是针对天然气中的H进行的。S、CO。残留量要求为：H2s≤4ppm〔1ppm－M／22.4（mg／m。），M为分子量，以下相同〕，CO≤100ppm。考虑到氦提升效果，应该优选有利于降低氦提升成本的去除方法。如何提取氦气脱水方法：天然气提氦一般选择分子筛进行精脱水，脱水深度要求小于1ppm，同时进一步吸附去除残留酸性气体。脱汞工艺方法：HgSIV脱汞分子筛可以再生循环使用，但设备和控制复杂，而硫浸活性炭不能循环使用，需要定期更换，但设备和操作简单。

（2）通过如何纯化氦气提取粗氦，天然气经过二次冷凝得到氦含量为6o～7o的粗氦，冷凝所需的冷却量由常压液甲烷、常压液氮或负压液甲烷供给。一次冷凝需要乙烷以上的馏分，二次冷凝需要甲烷含量小于1。同时釜液烃中氦含量小于10ppm，提高氦回收率。

（3）氦气精制天然气中难以液化的氢随着氦气的浓缩而浓缩到粗氦气中，需要在精制前除去。氦气怎么提取。提取氦气的方法工业上一般采用催化氧化脱氢法，储氢合金等脱氢技术也在发展中。低于10ppm的残余氢在随后的高压冷凝吸附过程中与其它杂质如氮气、少量甲烷同时除去。冷源一般由常压液氮供给，可得到纯度99.99以上的氦气。氦气的提取方法中的清洗吸收法等其他精制法，甲烷、丙烷等天然气成分可以作为吸收剂。

以下为4种氦气提纯方法：

1.如何提取氦气冷凝法：天然气氦气提取在工业上采用冷凝法，该氦气提取方法包括天然气预处理净化、粗氦提取及氦气纯化等工序，制得99.99%纯氦气。如何提炼氦气冷凝法简单？

2.如何纯化氦气的空分法：一般采用分凝法这种提取氦气的方法从空气装置中提取粗氦、氖混合气，从粗氦、氖混合气中分离和纯化纯氦、氖混合气，得到99.99%的纯氦气。

3.如何提取氦气的氢液化法：工业上采用氢液化法从合成氨尾气中提取氦气。该氦气的提取方法为低温吸附除氮、精馏粗氦加氧催化剂除氢和氦气纯化，得到99.99%的纯氦气。

4.如何纯化氦气的高纯氦法：用活性炭进一步吸附纯化99.99%的纯氦气，得到99.9999%的高纯氦气。

天然气提氦技术链主要包括天然气的净化处理、天然气分馏、氦粗提、氦精制、氦存储、氦运输和氦应用等环节，其中氦液化分离提纯和液氦储运是大规模提氦产业链的重要环节，液氦应用是实现液氦产品功能的最终目标。因此，对氦液化和储运技术进行对比分析将有助于准确辨识国内大规模氦液化技术需求，为氦液化技术发展方向提供参考。

1提氦液化技术

氦液化技术是天然气提氦的工艺需求。目前天然气提氦工艺主要有深冷法、变压吸附法、膜分离法等以及这些方法的联用，其中深冷法提氦是国际最常用的提氦工艺，全球超过90%的提氦工厂采用超低温分离技术。深冷法提氦是将净化后的天然气通过多级深冷分别在-160℃和-196℃左右将轻烃、氮等分离后，再通过催化氧化脱氢、变压吸附等工艺进一步净化得到纯氦，最后可通过氦液化器将产品氦进一步降至-269℃低温进行提纯和液化，得到高纯液氦。与膜法、PSA法等非超低温氦分离工艺相比，深冷法液化提氦工艺优缺点如表1所示。可以看出深冷法提氦的主要优势是工艺稳定、气源纯度要求低、效率和回收率高、产品纯度高以及便于后续高效存储和运输等，缺点主要是流程较复杂，且设备建造、运行成本高，主要适用于大规模提氦项目。

初步净化后的原料气经计量后进一步脱水脱汞，然后进入天然气液化/氦浓缩单元首先进行甲烷和乙烷分离，分离出的甲烷通过甲烷压缩机和计量装置后作为商品气外输，分离的乙烷进入临近的阿穆尔化工厂作为乙烯原料气。脱烃后的富氦气进入氦提纯/液化单元经冷箱分离液氮、催化脱氢、PSA纯化等工艺得到高纯氦，然后通过大型氦液化器进行大规模氦液化，每列生产能力为2233Nm3/h（3400L/h），液化后的氦通过4台120m3标准液氦储罐存储，通过2套装车平台给40m3ISO标准罐箱灌注外运。

2氦液化储存技术
氦液化技术是实现氦有效存储的基础。氦是航天航空、低温超导、核磁设备、热核技术等高科技技术发展的基础，因此其产供长期受到重视，多个国家将其作为战略资源进行管控。例如2022年6月2日俄罗斯工业和贸易部颁布了987号法令，在2022年年底前将限制氦气、氖气等惰性气体向“不友好国家”出口，以加强其市场地位。2006年以来全球已出现4次严重的氦短缺，尤其2022年1月以来的第4次氦供应危机导致国内商品氦价格上涨近3倍，给相关行业的发展造成巨大压力。因此，保持稳定的氦资源储备和供应是国家经济平稳运行和社会稳定的重要保证。目前主要的储氦方式包括高压气氦储存、液氦储存和粗氦地下储库储存，各种储存方式的技术经济对比见表2。

其中采用液氦储罐进行储存的优点是效率高、安全性好、可与下游液氦需求匹配，缺点是液氦存储需要与氦液化工艺配合，设备成本高、操作维护难度大，主要适用于大规模储存和以液氦作为深冷介质的终端用户储存，随着轻烃联产等深冷工艺的联用和深冷技术的发展，液氦储存成本进一步降低。高压气氦存储的优势在于设备成本相对较低，且储存条件稳定，不存在液氦气化导致的压力变化问题，缺点在于储存密度比液氦小，且设备压力高有一定爆炸风险，主要适用于小规模存储。

地下储氦库优势主要在于储存容积大、储存纯度要求不高、可有效用于调峰存储，但受制于运输成本，地下储库选址通常要求靠近提氦装置，且在产出最终产品前还需配备氦精制、液化装置，因此主要用于储存50%~85%的粗氦产品，适用于距离氦源近且氦产量存在较大过剩的情况。

目前我国氦资源主要集中在新疆、内蒙、四川，用氦单位主要集中在中、东部地区，为保障氦资源的有效利用，有必要在氦源地和主要消费地建立氦集散中心，对氦资源进行统一储存和管理。同时考虑到我国氦资源储量低、品味差，用氦需求大且长期依赖进口的特点，建立大规模液氦储备将是保障氦需求的最有效手段之一。

3液氦运输技术
氦液化技术可保证氦资源的高效运输。与气氦运输相比液氦虽然具有效率高、高压风险低等优点，但受制于液氦运输技术的限制，1953年以前液氦仅可用于实验室研究。此后随着美国联合碳化物公司在多层高效绝热技术方面取得突破，液氦的长距离运输才成为可能，大规模的液氦运输和应用逐步开展。目前大规模液化工厂主要通过液氦形式外运，国内纯氦也有50%以上通过液态形式进行运输。氦供应链运输流程如图3所示。液氦储运技术的进步也带动了氦液化的规模化生产。工厂内存储的液氦根据工厂所在地理位置可通过陆运、海运等运输方式采用液氦罐箱实现外运。

4液氦应用

液氦应用需求量较大，氦液化技术可满足终端应用需求，并可通过回收再液化技术避免氦资源的大量损失。目前约40%的终端用户要求以液氦的形式利用，其中核磁共振是国内外最大液氦用户，约占液氦总量的75%，科学实验、热核工程、航空航天等方面液氦需求量约占液氦总量的25%。液氦经历长时间运输后其温度、纯度可能都会有所变化而产生损耗，最终导致地球上氦资源的枯竭。
为避免氦资源损失需以氦液化技术为基础进行氦的回收，并重新到附近配备氦液化器的氦集散中心或转运站进行再液化。再液化核心装置主要是液化器和液氦存储容器，液化器可根据液化量选取50~200L/h流量的大型涡轮膨胀机至0.5~5L/h流量的小型压缩机低温冷却器，液氦存储设备也有从15L到175m3的液氦容器。配备这些氦回收再利用设备也可保障相关用户的氦稳定供应，避免出现氦荒中部分用户因缺氦对运营造成影响。

氦液化储运是氦产业链中从提氦工艺到终端用户多个环节的技术需求，通过对各环节进行分析可得出如下结论：

（1）与其他提氦工艺相比，深冷液化提氦具有效率高、纯度高、与下游储运流程兼容性好等优点，是实现大规模提氦的最高效工艺之一。

（2）液化储氦与高压氦气和储气库相比具有效率高、安全性高、纯度和回收率高等优点，大规模液氦存储需要攻克液氦储罐设计建造等技术壁垒。

（3）液氦在长距离、大容量运输方面优势较明显，但国内液氦陆、海、空运输技术都需进一步攻关、提升。

（4）30%以上的终端用户以液氦为介质，根据用户用氦规模研发氦液化和存储设备可保证液氦的有效利用和气化部分及时回收再液化。

因此，需对氦液化技术和液氦储运技术进一步研发，提高相应工艺和设备的设计、建造能力，以满足国内相关行业的液氦需求，保障社会经济的平稳运行。