天然气提氦技术简介

1 天然气提氦主要工艺路线

1.1 技术应用现状

天然气提氦以副产品提取为绝对主流，单独为提氦建设专用装置的案例全球占比不足5% 。核心原料来自LNG生产过程中产生的闪蒸气（BOG）或天然气加工副产品，这类原料经初步冷凝分离后，氦气会自然富集（气相中氦浓度可达到60％左右），远高于常规天然气的低含量水平，大幅降低提取成本[2]。我国氦气资源数量贫乏且含量低，单纯采用深冷法开采成本极高，而LNG相关产业的发展为天然气提氦提供了经济可行的路径，已投产项目100%以LNG-BOG为原料，提氦后脱氦气体仍可回用为燃料，实现资源循环利用[1]。

1.2 主流工艺路线

1.2.1 低温冷凝法

• ‌核心分离原理：基于各组分沸点差异，在特定压力下深度制冷至-153℃左右，使甲烷等重组分液化，氦气以气相形式分离富集，再经二次冷凝提纯得粗氦（氦含量60％～90％），后续耦合PSA精制获高纯氦[2]。
• ‌工艺特点与产业应用：分离效率高，产品纯度最高可达99.99997%，占全球提氦产能80%以上。国内相关项目采用该工艺与PSA耦合，配套大型LNG工厂实现规模化生产，设备成撬化设计可大幅缩减占地面积。通过单塔加两级分离器配合混合制冷剂循环工艺（利用乙烷、丙烷等混合物提升制冷效率），可使氦气收率达97.06%，产品纯度达85.09%，优化后总能耗较现有水平降低16.21%[2]。部分项目从低含量氦原料气中提取氦，回收率达99%，成为LNG-BOG提氦的示范工程。

1.2.2 膜分离法

• ‌核心分离原理：利用不同气体对膜的渗透性能差异，实现氦气与甲烷、氮气的分离，获富氦气体。膜分离技术的发展为低含量氦气提取提供了新路径，常作为预处理单元与其他工艺耦合[1]。
• ‌工艺特点与产业应用：能耗仅为低温冷凝法的30% ~ 50%，适合低氦含量原料气预处理。新型高性能聚合物膜（如聚苯并咪唑（PBDI）膜）的He/CH₄选择性表现优异，稳定性可达360小时以上[3]。日本宇部工业开发的双级中空纤维膜系统，从含氦原料气中高效富集氦气，回收率95%；加拿大Mankota工厂采用膜与PSA组合工艺，生产99.999%高纯氦气[1]。

1.2.3 吸附法

• ‌核心分离原理：根据天然气中各组分在固体吸附剂表面吸附能力的差异分离氦气，限于吸附剂吸附容量，一般适用于杂质含量小于10%的粗氦精制[1]。通过PSA或TSA工艺，利用分子筛等吸附剂优先吸附杂质，氦气穿透吸附床层实现分离。
• ‌工艺特点与产业应用：操作灵活，适合小规模提氦或精制。近年来发展起来的变压吸附（PSA）属于此类改进型工艺[1]。美国Nitrotec专利通过双级PSA与尾气循环，将氦回收率提升至95%；国内相关项目采用吸附脱氢技术，实现氢氦高效分离，氦气纯度达99.999%以上，同时回收高纯氢气[5]。

1.2.4 组合工艺（产业主流配置）

• ‌膜分离+低温冷凝：膜分离将低氦原料气氦含量初步提升，再经低温冷凝提纯，降低制冷负荷，该组合工艺经模拟优化后，可在保证乙烷回收率89%的前提下，使粗氦浓度达66.7%，精制氦浓度99.6%，总能耗降低3.301%[1]。
• ‌低温冷凝法+PSA精制：低温冷凝获粗氦，PSA深度脱氮、氢等杂质，最终氦纯度达99.999%以上，国内百万方级提氦项目采用该工艺实现规模化产能突破[7]。
• ‌前脱氢+多级膜+变压吸附+低温精制：创新性耦合工艺，适用于低氦含量天然气，山西丰盛公司采用类似组合工艺，产出99.9999%氦气[7]。鄂尔多斯盆地某LNG工厂采用膜分离+PSA联合工艺处理BOG，有效降低设备能耗，提高生产效率的同时获得高纯度氦气[4]。

2 关键工艺参数及产业运行标准

2.1 原料气预处理参数

BOG作为主流原料，预处理需针对其组分特性强化控制，核心参数以行业公认标准为准[1]：

• 脱硫要求：H₂S含量≤4ppm，避免腐蚀低温设备及毒害催化剂；
• 脱碳要求：需严格控制CO₂含量，防止低温下形成干冰堵塞管道（无明确统一标准，工业通常控制在极低水平）；
• 脱一氧化碳要求：CO含量≤100ppm，避免影响后续精制工艺；
• 脱水要求：水含量≤1ppm（露点≤-70℃），满足深度脱水需求，避免结冰影响分离[1]；
• 脱氢要求：氢含量需严格控制，采用催化燃烧或吸附脱氢技术，可在常温下实现高效分离[5]。

2.2 主分离工艺参数

2.2.1 低温冷凝法参数

• 操作温度：核心冷凝温度约-153℃，适配2.1MPa操作压力下的分离需求[2]；
• 操作压力：2.0 ~ 2.1MPa，该压力下氦气富集效果最优，平衡分离效率与能耗[2]；
• 回流比：1.5 ~ 3.0，精馏塔采用筛板塔或填料塔，材质选用304或316L不锈钢；
• 关键优化：深冷塔和两级分离器的参数设置直接影响氦气收率和纯度，通过支持向量机（SVM）配合改进海鸥算法（ISOA）优化后，预测相对误差可控制在1%以内[2]。

2.2.2 膜分离法参数

• 操作压力：1.0 ~ 4.0MPa，氦渗透速率随压力升高而提升；
• 操作温度：20 ~ 50℃，避免高温降低膜选择性；
• 膜面流速：1 ~ 3m/s，减少浓差极化，聚酰亚胺膜为工业常用膜材料，分离性能稳定[1]。

2.3 精制工艺参数

• 脱氢温度：300 ~ 400℃，采用铂/钯系催化剂，工业上普遍采用催化氧化脱氢法，氢转化率达99.9%以上[1,5]；
• 脱氮温度：-80 ~ -120℃，采用5A分子筛低温吸附或专用脱氮膜；
• 产品标准：工业级氦≥99.9%，高纯氦≥99.99%，超高纯氦≥99.9999%，国内已实现99.99997%（6N9级）超纯氦气生产[1,7]。

3 核心工艺设备

3.1 预处理设备

• ‌脱硫装置：工业常用醇胺法、热钾碱法、砜胺法等酸气脱除工艺，操作温度300 ~ 350℃，可将H₂S含量降至4ppm以下[1]；
• ‌脱水装置：选用分子筛作为精脱水吸附剂，采用两塔交替运行模式，部分项目脱水系统与LNG工厂DCS高度融合，实现自动化控制，脱水深度满足小于1ppm的要求[1,2]；
• ‌脱一氧化碳装置：采用专用吸附剂或催化转化工艺，将CO含量控制在100ppm以内[1]。

3.2 主分离设备

• ‌低温冷凝系统：
• 制冷设备：主流采用混合制冷剂循环（MRC）工艺，利用乙烷、丙烷等混合物提升制冷效率，60年代后期已逐步工业化应用[2]；
• 精馏塔：塔径0.5 ~ 3.0m，塔高10 ~ 30m，大型提氦厂采用填料塔与板式精馏塔组合，实现大规模原料气处理[1]。
• ‌膜分离组件：
• 膜元件：以中空纤维膜或卷式膜为主，聚酰亚胺膜应用广泛，多级膜配置为工业常见设计[7]；
• 膜壳：碳钢或不锈钢材质，单壳可装填1 ~ 8根膜元件，耐受压力0 ~ 6.0MPa[4]。
• ‌吸附分离设备：
• 吸附塔：塔径0.3 ~ 2.0m，装填分子筛或活性炭，PSA工艺切换时间≤1s，实现快速循环吸附-解吸[5]。

3.3 精制与储存设备

• ‌脱氢反应器：固定床结构，铂/钯负载量0.1% ~ 0.5%，操作温度300 ~ 400℃，国内首套6N9级超纯氦提取装置采用催化脱氢耦合技术，氖气杂质含量低于0.3ppm[7]；
• ‌储存设备：高压气瓶（15 ~ 20MPa）或低温液氦储罐（-268.9℃），国内已实现液氦罐箱量产，静态蒸发率≤0.1%/天[2]。

4 吸附剂与膜材料

4.1 关键材料类型

4.1.1 吸附剂

• 分子筛：作为核心精脱水与脱杂吸附剂，脱水深度可满足小于1ppm的工业要求，广泛应用于BOG提氦预处理与精制单元[1]；
• 专用脱硫吸附剂：适配醇胺法、热钾碱法等工艺，保障脱硫效率，使H₂S含量降至4ppm以下[1]；
• 脱氮吸附剂：以5A分子筛为主，用于粗氦深度脱氮，提升氦气纯度[5]。

4.1.2 膜材料

• 聚酰亚胺膜：工业常用膜材料，分离性能稳定，适用于氦气预处理富集[1]；
• 陶瓷膜：耐高温（≤500℃）、耐高压，适用于高杂质原料气分离，但成本较高[4]；
• 高性能聚合物膜：如聚苯并咪唑（PBDI）膜等新型膜材料，He/CH₄选择性优异，为低浓度氦提取提供新路径[3]；
• 复合膜：聚酰亚胺-陶瓷复合膜结合高渗透速率与高选择性，是未来重点发展方向[5]。

4.2 材料失活抑制

• 吸附剂：严格控制原料气杂质含量，TSA再生温度不超过250℃，通过优化吸附周期延长使用寿命[4]；
• 膜材料：控制操作温度≤100℃，加强预处理去除腐蚀性杂质，采用氟改性或新型聚合技术提升膜的抗老化性能[3]；
• 催化剂：原料气硫含量控制在4ppm以下，定期空气吹扫脱碳，延长铂/钯催化剂使用寿命[1,5]。

5 工艺发展趋势

5.1 工艺优化方向

• 集成化预处理：开发脱硫-脱碳-脱水-脱一氧化碳一体化装置，可减少设备占地面积40%[2]；
• 冷能回收利用：天然气液化与高纯氦提取一体化工艺，采用氮气循环系统高效制冷，优化能量回收，减少对原料气直接压缩的依赖，可提升氦气产量15%以上[8]；
• 低浓度氦提取：针对低氦含量天然气，开发“膜分离富集+低温冷凝+PSA”三段式工艺，回收率提升至70%以上[1]；
• 流程模拟优化：采用Aspen HYSYS等工具结合响应面法或智能算法，实现工艺参数精准优化，降低能耗并提升产品指标[5]。

5.2 产业发展核心趋势

• 国产化替代加速：2025年国内已实现纯度达99.9999%（6N级）、99.99997%（6N9级）的超高纯氦气生产，攻克关键技术壁垒，打破国外长期技术垄断，核心装备交付周期从24个月缩短至12个月[6,7]；
• 模块化与小型化：开发分散式模块化装置，适配偏远低氦气田，模块化液氦工厂可实现气态氦就地液化；
• 产能快速扩张：全球氦气市场需求持续增长，我国计划降低对外依存度，多个大型提氦项目投产后将显著提升国内产能；
• 资源多元化：探索煤层气、化工弛放气等多元原料提氦，拓展氦气资源来源[3,8]。

注：文中部分产业数据、项目信息来自网络公开资料（包括企业公示、行业报告、环评文件等）,不能保证准确性和可靠性。

参考文献

[1] 张庆华, 李建军, 王浩. 天然气提氦技术研究进展与工业应用[J]. 天然气工业, 2024, 44(5): 120-128.
[2] 刘敏, 陈明, 赵强. 低温冷凝法天然气提氦工艺优化与数值模拟[J]. 石油学报（石油加工）, 2025, 41(2): 356-363.
[3] Liu C, Zhang X, Chen W, et al. High-Performance Polybenzimidazole Membranes for Helium Extraction from Natural Gas[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2025, 17(34): 30876-30885.
[4] 赵峰, 李刚, 张敏. LNG蒸发气中氦气提取技术及应用[J]. 天然气与石油, 2025, 43(2): 78-84.
[5] 陈燕, 吴涛, 马强. 氦气回收与提纯技术的工业进展综述[J]. 化工进展, 2025, 44(9): 3876-3888.
[6] 中国石化石油化工科学研究院. 超高纯氦气提取技术国产化突破[J]. 石油炼制与化工, 2025, 56(3): 1-5.
[7] 中国石油天然气集团有限公司. 天然气提氦耦合工艺及装备研发成功[J]. 石油学报, 2025, 46(4): 589-596.
[8] 王鹏, 李丽, 张伟. 低含量氦气提取工艺优化与能量回收技术[J]. 化工学报, 2024, 75(8): 3321-3329.

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