１　概述

氦因其特殊的性質在許多領域有著重要的用途。隨著我國經濟的發展，對氦的需求呈上升趨勢。目前，我國的氦主要依賴于進口，2015年至2016年，我國氦進口量從2841.223t上升至3166.921t，年增長率約5%。

2016年，我國氦進口主要來自卡塔爾(48.9%(w))、美國(38.7%(w))和澳大利亞(12.4%(w))，而我國生產的氦只能滿足少量重要用戶的需要。氦是放射性衰變的產物，只在少部分天然氣中以較高的濃度存在。天然氣提氦是目前氦商業應用的唯一來源。美國是全球主要的氦生產國，對世界氦的供給仍有絕對的話語權。不同國家的氦產量見圖1。

天然氣提氦工藝有深冷法與非深冷工藝之分，深冷工藝仍是工業化的主要選擇方法。由美國2014年的氦年報可知，目前美國有提氦工業化裝置17套。其中，7套裝置采用深冷工藝生產粗氦;5套裝置采用深冷工藝生產A級氦和液氦;5套裝置采用變壓吸附與膜分離組合工藝，生產95%～98%(φ)的近似純氦。

從2005年以后新建或改造的提氦裝置來看，卡塔爾提氦裝置、澳大利亞達爾文提氦裝置以及阿爾及利亞提氦裝置均從LNG尾氣提氦，美國WYOMING州提氦裝置采用CO2回收提氦，正在建設的俄羅斯AMUR提氦裝置采用輕烴回收聯產提氦，上述裝置均主要采用深冷工藝。

一般將溫度低于-100℃的工業過程歸于深冷加工的范疇，就天然氣加工而言，天然氣深冷加工按加工溫度從高到低的順序分別為乙烷回收(-100℃)、天然氣液化(-160℃)、天然氣脫氮(-190℃)、天然氣提氦(-190℃)與氦的液化(-269℃)等。其中，天然氣提氦與氦的液化屬于天然氣深冷加工中制冷分離溫度最低的典型深冷過程，天然氣提氦具有以下特點：

(1)隨著制冷溫度的不斷降低，單位制冷量的能量消耗急劇增加(見圖2)，由此對如何高效制冷、冷量如何合理高效利用，以及設備的設計制造與操作運行都提出了更高、更苛刻的要求。

(2)天然氣為多組分混合物，低溫相平衡是天然氣深冷提氦的基礎。由于物質凝固點和溶解度的限制，隨制冷溫度的降低，更多物質會引起低溫堵塞，對如何凈化分離和防止低溫堵塞提出更高要求。

(3)天然氣中微量氫的富集與濃縮對如何有效脫氫提出更高要求，并且微量氖的存在對氦的質量分級和有效的氖氦分離或氖的凈化都有重大影響。而這些物質是常規天然氣分析中不太重視的，這就要求準確、定量分析天然氣中微量物質，使得整個過程得以有效控制。

(4)設備多采用不銹鋼、鋁、銅等有色金屬，要求有良好的耐低溫性能，并涉及不同材料過渡聯結、多層真空屏蔽絕熱等問題，對高真空設備、氦檢漏、材料與工藝等提出更多需要。

２　天然氣提氦技術發展

我國天然氣提氦始于20世紀60年代的威遠提氦試驗I裝置，該裝置設計規模為5萬m3/d，年生產氦2萬m3。其特點是采用“氨預冷的高中壓林德循環制冷+兩段單塔精餾塔分離提氦工藝”，精餾塔分為常壓液甲烷冷凝段和減壓液甲烷冷凝段，低溫換熱器為繞管式換熱器，現場儀表控制，提氦后的天然氣增壓后去管網。1989年，建成威遠提氦Ⅱ試驗裝置，該裝置設計規模為10萬m3/d，年生產氦4萬m3。在提氦I裝置的基礎上，引入“膨脹機+高壓氮循環+甲烷循環制冷”，采用兩塔分離工藝取代單塔分離工藝，主換熱器采用鋁板翅式換熱器，用單元儀表控制，提氦后的天然氣部分增壓去管網。裝置單位產品能耗從133kW·h/m3He下降至89kW·h/m3He。

2012年，在四川省榮縣東興場鎮建成天然氣提氦裝置，這是我國目前唯一運行中的天然氣提氦裝置。該裝置設計日處理天然氣40萬m3，氦含量0.18%(y)，年生產純氦約21萬m3，氦收率>96.5%，產品粗氦純度90%(y)～95%(y)，單位產品能耗從89kW·h/m3He下降為55kW·h/m3He。粗氦采用氣瓶拖車運輸到西南油氣田公司成都天然氣化工總廠(以下簡稱成化總廠)后，進行氦的純化精制，生產出純度99.999%(y)～99.999　9%(y)的產品供給用戶。

為更好地滿足用戶需求，在“十二五”期間，成化總廠對氦純化精制裝置進行了技術改造，提高了自動化控制水平。同時，增加氦儲存能力，將氦儲存能力從2萬m3提高到8萬m3，氦精制產能達到30萬m3/a。

加之產品質量不斷升級，在原最高純度99.999%(y)的基礎上，成功研制出氦純度99.999　9%(y)的產品，更好地滿足電子氣和標準氣對產品質量的需求。天然氣提氦的工藝流程示意圖見圖3。由圖3可知，其天然氣凈化部分涉及到如何高效凈化脫除天然氣中CO2、H2O、Hg等環節。

榮縣天然氣提氦裝置(見圖4)采用了西南油氣田公司天然氣研究院開發的CT8-23活性MDEA溶液作為脫碳溶液，可將天然氣CO2脫除到50×10-6(φ)以下。脫水采用三塔分子篩工藝，與常見的兩塔分子篩脫水工藝相比，加熱爐連續運行，冷吹后較高溫度的天然氣直接進加熱爐，實現了再生能耗的降低。

而提氦單元，通過天然氣自身為制冷介質，采用膨脹工藝來獲得低溫的主要冷量，并使天然氣液化，然后通過氮氣的壓縮節流制冷循環，提供液氮溫度下的冷量。在分離方面，通過第一分離塔實現氦與甲烷的分離，并提高氦的收率;然后，在第二分離塔實現氦與大量氮的分離，獲得氦摩爾分數為65%左右的粗氦;最后，粗氦復熱到常溫后，通過鈀催化脫除氦中氫含量至小于500×10-6(φ)，通過膜分離獲得摩爾分數為90%～95%的粗氦，壓縮后去儲存運輸。

在氦的精制單元，通過進一步將氦中氫脫除到小于5×10-6(φ)后，通過壓縮機增壓至15MPa，然后經過分子篩兩塔脫水進入冷箱，在冷箱中通過液氮為制冷劑，經過冷凝吸附后獲得氦純度99.999%(y)以上的產品。由于產量較小，沒有后續的氦液化裝置，產品以高壓氣體狀態供給用戶。

由此可以看出，天然氣提氦的工藝流程相對較長，通過自主研發的技術，成化總廠形成了有自主知識產權的天然氣提氦的完整過程鏈，該技術獲得2013年度四川省科技進步一等獎。

從技術創新看，在“十二五”期間，為配合榮縣天然氣提氦裝置建設需要，開展了“天然氣提氦工藝優化研究”。在原天然氣前制冷工藝的基礎上，創新性開發出天然氣后膨脹制冷工藝，變先膨脹后分離的工藝為先分離后膨脹的工藝，通過制冷分離壓力溫度的提高，有效降低了提氦分離的不可逆損失，實現提氦單位產品能耗節約30%，同時通過模擬研究，提出解決在高壓下降低氦溶解損失的解決方案。

另外，通過“液化天然氣聯產提氦工藝技術”的研究，創新性提出了在天然氣提氦的同時，副產部分LNG進行冷量調節，即避免天然氣低溫下重組分積聚對運行穩定性和冷量調節可操作性的不利影響，又能副產部分LNG產品，在一定程度上改善天然氣提氦的經濟性。該技術已獲國家發明專利授權，成功應用于榮縣天然氣提氦裝置建設，性能考核表明達到預期效果，其工藝流程簡圖見圖4。

值得說明的是，該裝置自動控制化程度明顯提高，既降低人工操作的強度，又便于裝置的穩定和安全運行，用技術手段實現管控水平的提高。

在裝置生產運行方面，針對目前榮縣裝置天然氣流量不斷遞減的情況，采取調整燃氣壓縮機轉速，降低壓縮機進口壓力，裝置提氦后貧尾氣部分循環、減少胺液循環量與延長分子篩切換時間等技術措施;針對裝置流量大幅波動和環境溫度周期性變化給裝置冷量平衡帶來的影響，在裝置安全平穩控制上積累了經驗;針對低溫下的堵塞問題，在操作運行控制和模擬分析上取得了一些新認識和新見解。在提氦裝置停車檢修后，通過脫碳和分子篩吸附運行，保證了天然氣脫水效果。

在分析技術方面，為滿足高純氣體分析的需要，建立光腔震蕩衰減光譜法，用于測量氣體中微量水，滿足對水分含量(φ)從10-6級到10-9級轉變的需要。

同時，在低溫濃縮法、熱導色譜法、脈沖放電氦離子化色譜法及氫火焰色譜法檢測氦中微量雜質不斷完善的基礎上，開展氦離子化色譜法在高純氣體分析上的推廣與應用。

同時，研制的氦中微量氫、氧、氮、甲烷、CO及CO2等16項標準物質獲得國家二級標物證書。加之，為滿足生產過程在線分析的需要，進行了粗氦和氦中氫的連續在線檢測。作為主要起草單位之一，完成了GB/T　4844-2011《純氦高純氦和超純氦》、GB/T28123-2011《工業氦》與GB/T33360-2016《氣體分析痕量分析用氣體純化技術導則》等6項標準的制定修訂。

３存在的問題與建議

３．１　存在的問題

(1)產品單一，專業方向和資源決定了應用領域受限。

(2)裝置的原料天然氣氦含量低，造成單位產品成本高，因而難以與國際氦生產競爭。加之，氣田產能不斷遞減，造成天然氣處理能力大幅下降，進一步使天然氣提氦的經濟性惡化。

(3)目前，裝置運行工況波動大、變化多，給裝置安全平穩運行帶來了新的挑戰。

３．２　建議

(1)立足專業技術，拓展應用領域。目前，公司尚未涉及乙烷回收、天然氣脫氮和氦的液化，未來隨著天然氣開發的需要，可擴展深冷技術的范圍，在多方向多產品領域發揮專業技術優勢，一定程度上避免產品單一帶來制約發展的問題。

(2)走天然氣綜合提氦之路，提高低含氦天然氣提氦的經濟性，可考慮建設天然氣脫氮提氦、天然氣提氦聯產輕烴或LNG一體化裝置，以降低單位產品能耗和增加產品產量，積極探索新的天然氣提氦工藝。

(3)采用操作運行優化與技術改造相結合，努力解決現有裝置面臨處理量大幅下降及工況適應性等客觀問題，考慮以工藝模擬計算為手段，調整運行工藝參數以及改造設備尺寸大小來提高裝置的適應性。

文/李均方何琳琳柴露華，中國石油西南油氣田公司成都天然氣化工總廠