带冷量回收的污氦气冷凝纯化方法

徐 鹏 冯国超,2 朱伟平 龚领会 李正宇 邹龙辉,2

(1中国科学院理化技术研究所 北京 100190) (2中国科学院大学 北京 100190)

带冷量回收的污氦气冷凝纯化方法

徐 鹏1冯国超1,2朱伟平1龚领会1李正宇1邹龙辉1,2

(1中国科学院理化技术研究所 北京 100190) (2中国科学院大学 北京 100190)

以HYSYS为工具对氦冷凝纯化的影响因素进行了理论分析，为氦冷凝纯化的纯化压力选取提供了依据。同时，对冷凝纯化过程中的冷量回收利用方式进行了理论研究，提出了对杂质冷凝液节流后回热的新方法，经过模拟计算，提高了氦冷凝纯化的经济性。

氦气 冷凝纯化 冷量回收

1 引 言

氦是一种无色、无味的惰性气体，化学性质极其稳定，一般情况下不与任何元素化合。氦具有很低的临界温度，是自然界中最难液化的气体；在所有的气体中，氦的沸点最低，4He的标准沸点仅为4.224 K。同时，氦还具有较高的比热、热导率及低密度等热物理性质(仅次于氢气)[1]。因其独特的热物性，氦被广泛应用于低温、超导(NMR，MRI等)、加压置换、焊接保护气氛、检漏、呼吸混合气等方面，它和空间技术、半导体、超导、光纤等工业的发展密切相关[2]。

氦应用如此之广泛，但是氦是一种稀缺的不可再生资源，在空气中含量仅为4—5.6 mg/L，而且其提取过程非常困难，因此主要从天然气中提取微量的氦气。中国是一个贫氦国家，几乎全部的氦气来源于国外进口，随着低温技术的不断进步，对氦的需求量日益增大，一旦美国收紧氦的出口，届时会因无氦供应导致现有的许多相关的科研和医疗项目无法实施，影响非常严重。因此，为了节约氦气资源，必须对氦气资源进行回收纯化。

2 氦气低温纯化方法

2.1 冷凝吸附纯化

冷凝、吸附纯化是将污氦气压缩后在低温(78 K)下先进行冷凝，分离出其中的杂质冷凝液，该步骤称为氦冷凝纯化。然后冷凝纯化后的污氦气再通过低温吸附剂除去剩余杂质。其流程为：回收得到的污氦气在增压后，在油水分离器内除去油分和压缩后产生的水分，进入干燥器进一步除去水分和二氧化碳，然后进入纯化系统。首先在冷凝换热器中将高压污氦气中的空气冷凝成液态并分离除去，再进入低温吸附筒中；由活性炭在高压低温下，吸附剩余的空气杂质后，之后压入集束管(或集装格)贮存[3]。冷凝吸附纯化方式示意图如图1所示。

图1 冷凝吸附纯化系统示意图Fig.1 Schematic diagram for condensing and adsorption purification system

冷凝吸附原理的氦纯化器结构相对简单，纯化效果稳定，但工作压力较高，需要消耗液氮，占空间较大。目前国内外公司如德国LINDE、法国AIR LIQUID、安徽万瑞冷电科、南京鹏力超低温有限公司等均有基于此纯化方式的氦纯化器产品，而中国科学院等离子体所、中国科学院近代物理研究所等也均采用该原理的氦纯化器做氦的器外纯化[4-5]。

2.2 冷凝、冻结纯化

冷凝、冻结纯化同样是将污氦气先进行冷凝纯化，分离出其中的杂质冷凝液，然后进一步降温将剩余的杂质冻结去除。该纯化原理被广泛应用于商品化氦液化器的器内纯化器中，利用氦液化器本身的冷量进行纯化，因此不消耗液氮，并使纯化器与液化系统紧密联系起来，自动化程度高。其示意图如图2。

其流程为：污氦气在常温吸附器中除去其中的水份、二氧化碳、油份，之后减压至纯化压力，然后进入内纯化器。首先在内纯化一级换热器中(出口温度约65 K)将污氦气中的空气冷凝成液态并分离去除，再进入内纯化二级换热器(出口温度约30 K)进一步降温，同时将剩余的杂质冻结去除，最后纯化后的氦气经回热进入氦液化器高压侧[6]。

由于内纯化结构紧凑，无需操作，因此现有商业化的氦液化器普遍采用该形式，如林德、法液空、大阳日酸等均采用了器内纯化的方式。

图2 冷凝冻结纯化系统示意图Fig.2 Schematic diagram for condensing and freeze-out purification system

3 氦冷凝纯化的影响因素

在低温冷凝吸附纯化方法中，氦冷凝纯化将污氦气冷却到液氮温度点，并将产生的冷凝液分离去除，从而起到冷凝纯化的作用。对氦冷凝纯化采用ASPEN-HYSYS建模进行计算，由于现有回收污氦气中杂质以干燥空气为主，考虑到He-Air缺乏相应的相平衡数据，因此以下分析均采用He-N2二元混合气体。对于He-N2二元混合气体的状态方程，与WILL E. DeVANEY等测得He-N2气液相平衡数据进行对比，采用ASPEN-HYSYS中的SRK方程[7]。

当不同压力、不同纯度的污氦气经降温冷却到78 K时，气液分离后污氦气中N2含量如图3。

图3 污氦气压力、纯度对纯化效果的影响Fig.3 Purification performance under different pressure and purity of contaminated helium

由图3可以看到，不同的污氦气纯度、不同的纯化压力对低温冷凝纯化效果的影响如下所示。

(1)对不同纯度的污氦气，随着冷凝纯化压力的升高，其纯化效果越来越好，即出口杂质含量逐渐减少。

(2)当冷凝纯化压力小于10 MPa时(中压流程)，污氦气入口纯度对冷凝换热器纯化效果影响很大，对70%纯度的污氦气来说，1 MPa时N2冷凝纯化后仍有10.9 %V的含量，而10 MPa时仅剩余1 %V左右。同时，在该压力范围内，随着污氦气入口纯度降低，剩余N2含量会迅速增大。因此，采用中压流程时对纯度较低的污氦气进行冷凝纯化时效果较差，这将导致后级低温吸附器工作负荷很重，因此中压流程并不适用于纯度较低的污氦气。

(3)当冷凝纯化压力高于10 MPa时(高压流程)，纯化压力的升高对氦冷凝纯化效果的增加则不明显，当污氦气增压至20 MPa时，出口杂质含量为0.55 %V，仅减少0.45 %。另外，对于冷凝纯化压力大于10 MPa，则污氦气入口纯度对于冷凝换热器纯化效果没有影响。

4 氦冷凝纯化中冷量回收方式分析

图1所示的冷凝吸附纯化流程，在不考虑漏热的情况下，该方法对于液氮的消耗主要有两部分：氦冷凝纯化消耗及低温吸附消耗。其中氦冷凝对液氮的消耗是由于冷凝换热器2浸泡于液氮中，需要消耗液氮潜热来将污氦气进一步冷却至液氮温度78 K；低温吸附的液氮消耗主要用于吸收吸附热，由于低温吸附器入口杂质含量低于1%，因此这部分液氮消耗很少。

可以看出，低温冷凝吸附的冷量消耗主要来自氦冷凝纯化。以15 MPa的He-N2组分的污氦气为例，对氦气冷凝纯化量100 Nm3/h(纯氦气量，约5 g/s)时所需的液氮量进行计算，混合物的物性采用ASPEN的SRK方程，计算结果如图4所示。

图4 液氮消耗量随污氦气纯度的变化Fig.4 Liquid nitrogen consumption under different purity of contaminated helium

可以看出，随着污氦气入口纯度的降低，冷凝换热器消耗的液氮量迅速增加，70%纯度工况下需要消耗的液氮量达到约135 L/h。

然而如图5所示，在液氮消耗量增加的同时，大量的饱和冷氮气和杂质冷凝液被浪费。当氦气纯度为70%时，可以看到有近15 g/s(约66 L/h)的冷凝液及30 g/s的78 K饱和氮气被浪费。若将这部分冷量在冷凝换热器中进行充分的回收利用将具有非常高的经济价值，而不同的冷量利用方式对液氮消耗量的影响就成为了研究重点。

图5 冷凝液量及饱和氮气量随污氦气纯度的变化Fig.5 Mass flow rate of condensate and saturated nitrogen under different purity of contaminated helium

4.1 饱和氮气回热利用

对蒸发的饱和氮气在冷凝换热器1中进行回热，如图6所示。计算结果如图7，可以看出同样随着污氦气入口纯度的降低，冷凝换热器消耗的液氮量迅速增加，70%纯度工况下需要消耗的液氮量达到约65 L/h，较不对饱和氮蒸汽回热的流程液氮消耗量减少70 L/h。因此，对蒸发的饱和氮蒸汽进行回热利用，可以有效的节能，在70%纯度时减少液氮消耗近52%。

图6 饱和氮气回热利用的冷凝吸附纯化系统示意图Fig.6 Schematic diagram of condensing and adsorption purification system with saturated nitrogen recycled

图7 液氮消耗量随污氦气纯度的变化Fig.7 Liquid nitrogen consumption under different purity of contaminated helium

4.2 杂质冷凝液直接回热

图8所示为在冷凝换热器中对冷凝液进行回收的示意图，考虑将冷凝液在冷凝换热器1中直接回热，即低温节流阀无压降时，冷凝换热器夹点温差为1 K时消耗的液氮量如图9。

图8 冷凝液回热利用的冷凝吸附纯化系统示意图Fig.8 Schematic diagram of condensing and adsorption purification system with condensate recycled

图9 液氮消耗量随污氦气纯度的变化Fig.9 Liquid nitrogen consumption under different purity of contaminated helium

可以看到当对78 K的杂质冷凝液进行直接回热时，70%纯度的污氦气冷凝纯化的液氮消耗量仅为约38 L/h，较不做杂质冷凝液回热利用时液氮消耗量减少97 L/h，因此对杂质冷凝液进行直接回热的节能效果更为明显，减少液氮消耗近72%。

4.3 杂质冷凝液节流后回热

进一步考虑杂质冷凝液的冷量回收方式，当污氦气纯度为70%时，对冷凝液进行不同压降下的节流，可以计算得到冷凝液回热压力对液氮消耗量的影响，如图10所示。

图10 冷凝液回热压力对液氮消耗量的影响Fig.10 Liquid nitrogen consumption under different purity of contaminated helium and different regeneration pressure

从理论计算可以看，冷凝液回热压力同样对于液氮消耗量有非常大的影响，当回热压力高于3 MPa时，冷凝液节流效果甚微；而当回热压力低于3 MPa时，冷凝液节流后可以大幅降低液氮消耗量。当回热压力为0.15 MPa时，对于入口纯度70%纯度污氦气，液氮消耗量为1.5 L/h；而对95%的污氦气，液氮消耗量为2.4 L/h，减少液氮消耗98%。可以看出，冷凝液节流后回热是更好的冷量利用方式，该方式将冷凝换热器中的夹点温度向换热器冷端推移，从而使冷凝液潜热在更低温度点被利用。

同时由于此时液氮消耗量非常少，相应的饱和蒸汽量也非常少，利用饱和蒸汽冷量的意义不大。

5 结 论

对氦低温冷凝吸附纯化法中的冷凝纯化部分进行了理论研究，得到如下结论：

(1)对于冷凝吸附法对氦进行纯化，当纯化压力高于10 MPa时，污氦气入口纯度对冷凝纯化效果没有影响，且压力继续升高对冷凝纯化效果影响不大；

(2)当前冷凝纯化部分未对饱和氮蒸汽及杂质冷凝液冷量进行回收利用，冷量浪费严重，液氮消耗量大；

(3)对饱和氮蒸汽回热、杂质冷凝液直接回热、杂质冷凝液节流后回热进行了研究，发现这3种冷量回收方式均有较明显的节能作用，其中杂质冷凝液节流在回热压力低于0.15 MPa时可使液氮消耗量减少98%以上，冷量利用效果最优。

1 吴业正. 制冷与低温技术原理 [M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

Wu Yezheng. Principles of Refrigeration and Cryogenic Technology[M]. Beijing: China Higher Education Press, 2004.

2 章炎生, 许 沅. 氦的生产和应用[J]. 气体分离, 2010(2):55-57.

Zhang Yansheng, Xu Yuan. The production and application of helium[J]. Gas Separation, 2010(2):55-57.

3 汪 澎, 章学华, 赵 俊. 工业废氦气提纯技术探讨[J]. 低温与超导, 2013, 41(8):83-88.

Wang Peng, Zhang Xuehua, Zhao Jun. Study on the purification process of helium exhausted from the industry[J]. Cryo.& Supercond., 2013, 41(8):83-88.

4 袁金辉, 白红宇. 大型氦低温系统中的杂质净化[J]. 低温工程, 2006(4):28-32.

Yuan Jinhui，Bai Hongyu. Helium purification in large cryogenic system[J]. Cryogenics，2006(4)：28-32.

5 牛小飞, 韩彦宁, 万玉琴,等. ADS低温氦气回收纯化系统的设计与建设[J]. 低温与超导, 2013, 41(12):6-9.

Niu Xiaofei, Han Yanning, Wan Yuqin, et al. Design and construction of helium recovery and purification system for ADS[J]. Cryo.& Supercond., 2013, 41(12):6-9.

6 徐 鹏, 龚领会, 刘辉明,等. 氦液化器中内纯化器主要流程参数分析[C]. 第十一届全国低温工程大会， 2013.

Xu Peng，Gong Linghui, Liu Huiming, et al. The analyses of primary process parameters of the integrated purifier in the helium liquefier[C]. Transaction on the 11th National Cryogenic Conference，2013：80-84.

7 Will E, Devaney. Vapor-Liquid Equilibria of the Helium-Nitrogen System[J]. Journal of Chemical & Engineering Data, 1963, 8(4):473-478.

中国航天低温专业信息网2016年度学术交流会召开

2016年10月21日至22日,中国航天第七(低温)专业信息网2016年度学术交流会在天津航天城召开，会议由中国航天第七信息网主办，北京卫星环境工程研究承办。国内数十家高校、研究所和企业的代表近70人出席了本次学术交流活动。

本次大会共收到来各大高校、相关领域专业研究单位论文47篇，论文紧密围绕低温专业，从试验方法、试验技术、试验手段、试验设备研制等多个视角、多维度对低温工程和试验技术进行了深入的阐述，体现了本领域的前沿研究成果和应用技术。

开幕式由北京卫星环境工程研究所刘国青所长主持，北京航天试验技术研究所杨思锋常务副所长代表网长单位致欢迎词。大会邀请张亮研究员，苗建印研究员和裴一飞研究员三位领域著名专家为与会代表就各自在专业领域内的最新研究，进行了精彩的大会主题报告。专家们的报告紧密围绕当前低温工程领域的热点问题，高屋建瓴地阐述了当前发展现状、最新研究成果和未来努力方向，对低温工程领域的一些技术难点进行了系统的研究和深入的探讨，与会代表纷纷表示对今后的研究方向提供了导向作用，受益匪浅。代表们通过深入的交流和探讨，加强了低温工程专业上的联系和沟通，达到了开拓视野，了解最新科技动态的目的，也为研究所与高校之间的交流搭建了平台，极大地加强了低温工程领域的合作，为未来的发展奠定了良好的基础。大会最终评选优秀论文5篇。

闭幕式由北京卫星环境工程研究所刘国青所长、北京航天试验技术研究所刘玉涛总师做大会总结，均表示本次会议举办的简洁高效、内容丰富、专业性强，达到了预期效果。下届举办单位兰州空间技术物理研究所王先荣巡视员发表了讲话，对本次会议成功举办表示祝贺，并对与会代表提出邀请，欢迎大家积极参加下届会议。

赵 明 供稿

Condensing purification method of contaminated helium with cooling power recycled

Xu Peng1Feng Guochao1,2Zhu Weiping1Gong Linghui1Li Zhengyu1Zou Longhui1,2

(1The Technical Institute of Physics and Chemistry of the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China) (2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190,China)

This paper makes an theoretical analysis of the influence factors of the helium cryogenic condensing and purification using APEN-HYSYS, and provides theoretical basis for the purification pressure of helium cryogenic condensing. Besides, it also makes a study of the methods of recycling the cooling power during the condensing purification, and brings forward a new methods to reheat the impurity condensate after its throttling, which highly improves the economical efficiency of helium cryogenic adsorption and purification.

helium; condensing purification; cooling power recycling

2016-06-28；

2016-09-30

航天低温推进剂技术国家重点实验室开放研究课题(SKLTSCP1605)资助项目。

徐 鹏，男，30岁，博士。

TB65

A

1000-6516(2016)05-0005-06