氦气纯化技术及其应用概述

技术背景

氦是无色、无味、无毒、不可燃的惰性气体。在所有气体元素中，氦的原子比氢原子小。氦比空气轻7倍，声波传播速度快3倍，导热系数高5倍。在所有已知的物质中，氦的沸点很低，在零度时仍保持液态。由于氦具有优异的性能，广泛应用于医疗、核工业和航空航天等领域，在一些应用领域发挥着不可替代的作用。

氦是一种稀缺的战略资源。目前，天然气是氦气的商业来源。中国是一个氦贫乏的国家，其氦资源严重依赖进口。随着中国国防建设、科学技术和经济的发展，工业生产、科研等领域对氦的需求和每年的进口量不断增加。日益增长的氦气需求与有限的氦气资源之间的强烈矛盾，使人们关注的焦点转向了直接抽取富氦尾气。对低浓度氦气进行回收净化，提高其回收效率，是解决这一矛盾的有效途径。一方面，氦气回收可以有效减少中国的外汇支出，降低生产和科研成本，解决工业企业因氦气资源供应不足而无法扩大生产的问题。另一方面，节约和保护不可再生氦资源也具有战略意义。

技术介绍

根据工作压力、冷源使用等条件的不同，氦的净化技术主要分为高压低温冷凝、吸附、膜分离、变压吸附和低温冷凝吸附。

高压低温冷凝吸附氦气是一种经典可靠的提纯技术，在高纯氦气的提纯过程中应用较为成熟和广泛。该技术利用氦沸点低的特点，利用液氮等冷源将混合物中的氮等杂质浓缩分离，再通过吸附材料去除氦中含有的杂质，获得高纯氦。高压低温冷凝吸附氦气适用于处理能力大的氦气净化。净化过程需要提供冷源。由于高压作业条件，自动化程度相对有限。

膜分离法是一种比较先进的氦气净化技术。该技术以先进的氦分离膜材料为核心部件，利用膜两侧气体的分压差作为驱动力，通过不同组分气体通过膜的选择性渗透性的差异，对氦进行分离纯化。该膜分离法可在室温下操作，压力要求低，体积小，能耗低，操作简单，无能耗，自动化程度高。但现阶段膜分离方法中的膜材料多为进口，国内气体分离膜材料的研发水平有待进一步提高。

PSA是一种气体吸附分离技术，通过改变压力来实现气体的吸附和解吸过程。吸附分离是利用吸附剂吸附和分辨能力的差异来分离特定气体。为了促进这一过程，通常采用加压法和真空法。该吸附工艺具有体积较小、自动化程度高、操作简单等特点。但PSA存在出气过程不稳定、产品气体纯度波动等问题。

低温冷凝吸附法是一种以制冷机为冷源，利用氦低沸点的物理特性来达到气体分离目的的分离方法。该方法适用于低耗氦、压力稳定、连续使用的工况。