当前，从天然气中提取氦气的主要工艺包括低温分离法、膜分离法和变压吸附法等。低温分离法虽能直接高效地从天然气中提取高纯度和高回收率的氦气，但其高昂的设备投资和运行费用却限制了其广泛应用。膜分离法则凭借高效的分离效率和灵活的操作性，在含氦天然气的提浓和脱碳等方面表现出色，但高昂的进口膜材料费用及“卡脖子”问题仍待解决。变压吸附法则利用吸附剂在不同压力下的吸附量差异进行氦气回收，但随着纯度要求的提升，回收率却有所下降，且频繁的阀门开关也对设备提出了更高要求。
针对我国绝大多数天然气中氦气含量较低（物质的量分数小于0.5%）的现状，现有的提氦工艺普遍存在能耗高、设备投资大、运行费用高及氦气回收率低等问题。为了应对这些挑战，已有学者提出了多种改进方案，如荣杨佳等提出的直接换热流程（DHX）-闪蒸提氦联产工艺，杜双对不同天然气液化低温提氦技术的比较，以及张良聪对天然气深冷膜联合提氦技术的模拟与改进。
在此基础上，本文进一步提出了一种针对低含氦天然气的提氦工艺方案，即低温高压浓缩、天然气液化与低温精馏相结合的工艺。利用HYSYS软件对该工艺进行模拟分析，探究在下游处理装置规模确定的情况下，低温高压浓缩装置的关键参数对氦气提浓效果和流程能耗的影响。同时，对提氦工艺的适应性进行深入分析，旨在为低含氦天然气氦回收装置的设计与应用提供有益的参考。通过这一研究，我们期望能够推动氦气回收技术的创新与发展，降低系统能耗，提高提氦装置运行的经济性，从而为我国高新技术产业的稳定发展提供有力支撑。
1 低含氦天然气提氦联产液化天然 气（LNG）工艺方案
针对原料气中氦气含量低但流量大的特点，若仅单一提取氦气，将导致生产效率低下、工艺系统能耗高及生产过程经济性不佳。考虑到天然气液化工艺与提氦工艺均在低温条件下进行，并伴随部分烷烃的冷凝，将两者结合，实现天然气低温分离提氦的同时联产液化天然气（LNG），可显著提升能源利用效率。
为提升提氦装置的经济性并降低系统能耗，本文创新性地提出了融合低温高压浓缩、天然气液化及低温精馏提氦的组合工艺。该工艺架构涵盖低温高压浓缩装置、天然气液化装置、低温精馏提氦装置、制冷系统以及外输气增压装置等多个关键部分，具体流程示意参见图1。
在低温高压浓缩环节，借助高压精馏原理，装置不仅实现了氦气的有效浓缩，还兼具脱碳功能。天然气液化部分则运用混合冷剂制冷技术，并结合低温低压闪蒸工艺，通过设置的闪蒸罐，确保分离后的气相流量维持稳定，这为低温精馏提氦装置的操作稳定性奠定了坚实基础。混合冷剂选用氮气和甲烷等五元组分，为天然气液化过程提供充足冷量。
进入低温精馏提氦阶段，该装置依据低温精馏原理，对闪蒸罐输出的气相进行深度提浓。制冷工艺则采用氮气-甲烷制冷系统，为氦气回收塔的塔顶冷凝分离环节提供必要的冷量支持，从而确保整个提氦过程的高效与稳定。
综上所述，本组合工艺通过科学整合各环节，实现了原料气中氦气的高效提取与天然气液化的双重目标，不仅提升了能源利用效率，还显著降低了系统能耗，为低含量氦气资源的开发利用提供了全新的技术路径。
图1 低含氦天然气提氦联产LNG工艺流程示意
如图2所示，本文介绍了一种天然气提氦并联产液化天然气（LNG）的工艺流程。首先，原料气经过水冷器（E-101）的初步冷却，随后进入氦气提浓冷箱（E-102）进一步降温，之后被送入高压提浓塔（T-101）实施气液分离。高压提浓塔塔顶的气体，在塔顶冷凝器（E-103）中经过换热降温，流入塔顶回流罐（V-101）。回流罐中的气相，在氦气提浓冷箱（E-102）中升温后，由压缩机（K-101）进行增压处理。而回流罐的液相，则返回作为高压提浓塔的塔顶进料。高压提浓塔塔底分离出的液相分为两部分，一部分在塔顶冷凝器（E-103）和氦气提浓冷箱（E-102）中升温后作为外输气，另一部分则部分回流至塔底，部分升压外输。
同时，闪蒸罐（V-102）中的气相在液化冷箱（E-104）中升温后，进入闪蒸气增压装置，再经氦气回收冷箱（E-105）降温，节流降压后进入氦气回收塔（T-102）。而闪蒸罐的液相，经泵（P-101）增压后，也在液化冷箱（E-104）中降温，节流降压后存入LNG储罐（V-103）。
在氦气回收塔（T-102）中，塔顶的气相通过塔顶的冷凝器（E-106）冷凝，随后在氦气回收冷箱（E-105）中复热，最终作为粗氦产品输出。而塔底的液相，一部分升温后返回塔底，另一部分节流降压、升温后，进入外输气增压系统外输。整个工艺流程通过精细的换热和分离操作，实现了氦气的有效提取和天然气的液化，为能源的高效利用提供了有力支持。
E-101—水冷器；E-102—氦气提浓冷箱；E-103—高压提浓塔塔顶冷凝器；E-104—液化冷箱；E-105—氦气回收冷箱；E-106—氦气回收塔冷凝器；V-101—回流罐；V-102—闪蒸罐；V-103—LNG储罐；K-101—压缩机；T-101—高压提浓塔；T-102—氦气回收塔；P-101—泵。
图 2 低含氦天然气提氦联产LNG工艺流程
2 总结
氦气工业化生产主要依赖天然气分离法，然而中国大多数气田的天然气中氦气含量较低（物质的量分数小于0.5%），导致国内超过95%的氦气需求依赖进口。针对这一现状，我们为低含氦天然气设计了一种综合提氦工艺方案，该方案融合了低温高压浓缩、天然气液化以及低温精馏提氦技术。
航烨能源在低含氦天然气提氦领域，通过技术创新与实践，为提升氦气生产效率、降低能耗及实现氦气资源的高效利用做出了积极贡献，推动了国内氦气产业的自主可控发展。
