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工業廢氦提純循環利用-氦氣純化技術

發表時間:2022-01-17 10:24

【背景簡介】

氦氣是一種稀缺的戰略資源,尤其在我國,氦氣資源極其匱乏,幾乎全部依賴進口。但氦氣用途非常廣泛,是軍事偵察用飛艇及工業光纖、半導體、空調、焊接等高端制造領域的重要資源。2017年卡塔爾外交塌方事件又一次重創了全球氦氣的正常供給,讓很多氣體企業和用戶非常頭疼。國內工業領域氦氣消耗量逐年大幅增長,但在工業領域沒有提純循環利用,消耗性使用后直接排入大氣,造成極大浪費的情況。所以,全面進行工業領域氦氣提純循環技術研究,再次成為行業關注的焦點問題。

【技術簡介】

氦氣提純循環設備常用方法是低溫,冷凝法。此外,在設備研制過程中還采用了大量低溫領域的新技術,包括高壓氦氣壓縮機的減振、耐低溫高壓紫銅管道特種焊接技術、低溫高壓活接密封技術等,以優化產品。在此基礎上,通過在膜分離法提純技術上取得突破,通過復合提純分離方法,將純度≥10%的低純氦氣提純至99.5%以上,系統純化回收率≥60%。據悉,我國相關企業的光纖高純氦氣回收提純項目在深圳順利通過驗收,接入用戶生產線正式供氣。該項目成功實現了高溫、高速、高粉塵的環境下無擾動氣體回收,將氦含量≤50%的原料氣在線純化后供回>99.999%高純氦氣,具有24小時無人值守自動運行、遠程監控等功能。項目基建及抽氣、供氣管路布置和現場施工嚴謹規范,滿足用戶質量和安全要求,總體可節約氦氣使用量55%以上,得到了用戶的肯定和贊賞。

【技術特點】

我國企業所制造的新型工業廢氦氣提純循環利用設備采用工業化的PLC對系統中氦氣的純度、測量、壓力、溫度等進行監測。由此實現對壓縮機、干燥凈化裝置、純化器、各控制閥門的全自動化監控,完成設備自動化操作。全智能化、安全、可靠的自動控制技術亦是項目的一項關鍵技術和特點。

氦氣提純是一項國際前沿研究領域,采用的方法有低溫冷凝、膜分離、變壓吸附、化學吸附等方法。我國企業在低溫研究的基礎上,突破低溫冷凝分離法的研究技術瓶頸,開發工業氦氣膜分離提純技術和設備,與國際巨頭在氦氣提純技術和設備方面展開競爭,并積極研究膜分離+低溫分離的復合氦氣分離方法,結合膜分離高效性和低溫分離高回收率和高純度的特點,將氦氣首先經過膜分離技術進行粗提純,然后采用低溫分離技術進行精提純,滿足工業領域節能與高純的多重需要。

【適用范圍】

氦主要用于醫療、軍工、制冷、半導體、管道檢漏、高精度焊接、金屬制造、深海潛水、光電子產品生產、氣球載、科研、軍事等領域。下面結合氦資源主要應用對氦資源用戶進行分析。

1)核磁共振(低溫超導)領域

核磁共振成像儀(MRI)采用低溫超導磁體技術需液氦進行冷卻,據統計,核磁共振成像儀占了全球氦氣用量的34%,是最大的終端使用行業。雖然在發達國家核磁共振成像儀的需求量正在減少,但是發展中國家的需求量仍然強勁增長,從而保持了液氦的需求旺盛。

2)制冷(家用電器)領域

氦氣主要用于冷凝器、蒸發器、管道系統的檢漏。

3)半導體、光纖領域

氦氣主要用于半導體工業中生長鍺和硅晶體的保護氣,光纖預制棒制作和光纖拉絲工藝中冷卻和保護性氛圍氣體。

4)焊接保護氣

用途:當一些金屬在加熱或熔化時,為了阻止其和大氣中的氧和氮反應,必須用惰性氣氛保護。金屬焊接加工中消耗了大量的氦。在惰性氣體保護的鎢電弧焊(TIG)中,不熔化的鎢電、灼熱的金屬填充物和焊接區域要用連續的氦或氦-氬混合進行保護。保護焊接所用的氣體混合物,可以用氦和氬按不同比例配制。根據焊接工藝、焊絲和被焊的母材的不同,混合氣的組成可以不同,通常氦-氬混合氣中氦的含量為15%-70%。

5)低溫工程領域

用途:由于氦的化學惰性和極低的液化點,它在除極低溫度外的所有溫度下都接近理想氣體行為,且單位質量的熱容量高,黏度低和熱導率高等特性,所以氦通常被用做封閉循環低溫制冷機的工作介質、國家重大科學工程中低溫超導磁體和超導腔的冷卻介質以及大專院??蒲袑嶒灥?。

6)航天航空領域

用途:在火箭和空間飛行器燃料系統中,氦氣用于清洗低溫燃料和氧化貯槽,以及加壓低溫貯槽液面上部空間,以提供直接輸送液體氫和液體氧的壓力或者僅給輸液泵提供凈吸入正壓,氦常用于氣動控制系統中作為工作介質。在火箭發射之前,為了在點火的最初幾分鐘內得到最大的推進效率,低溫氦已用于預冷上一級液氫火箭發動機。液氦還廣泛用于低溫輻射檢測器以及用于空間探索計劃中其他專門儀表。

7)氣球載(浮空器)

用途:民用或軍用浮空器、飛艇、氣球等充裝氣體。

8)汽車制造領域

用途:氦氣用于汽車安全氣囊中、在汽車鋁合金輪轂氣密性檢漏中、汽車空調蒸發器、壓縮機及冷凝器的氣密性檢漏中、氦氣在車架激光焊接中的應用。

9)其它領域

生理醫療、核反應堆、電光源、冶金和金屬加工工藝、分析測試載氣等。這部分氣一般不回收。


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