光纤拉丝氦气回收提纯技术

孙　猛，李荷庆，金向华

(苏州金宏气体股份有限公司，江苏 苏州 215152)



光纤拉丝氦气回收提纯技术

孙猛，李荷庆，金向华

(苏州金宏气体股份有限公司，江苏 苏州 215152)

氦气的比热容非常高，并且是惰性气体，故在光纤拉丝中通常用作光纤冷却用气体。氦气是一种从天然气井中作为副产物而获得的不可再生的昂贵资源。从制造成本和战略安全等角度考虑，氦气回收的意义重大。通过对拉丝冷却管中的氦气进行收集，然后提纯并储存，以便对其再次利用，大幅降低了光纤企业生产成本，并保证了氦气资源的战略安全。

氦气回收；光纤拉丝；气体提纯

氦气是一种在各种场合下大量使用的相当昂贵的气体，其中一种场合就是光纤制造，在光纤制造所包含的许多工艺中都要用到氦气。氦气是一种从天然气井中作为副产物而获得的不可再生的资源，因此非常昂贵[1-3]。并且，氦气资源只有美国等少数国家拥有，国内获得的量非常有限。所以，从制造成本和战略安全等角度考虑，氦气回收的意义非常重大。另外，氦气是一种惰性气体，所以一般不会发生反应，化学性质非常稳定，适合于回收和重复利用。

在光纤制造工艺中，几个接续的操作或步骤都要消耗不同量的氦气，包括：沉积、固化、拉丝、涂覆等步骤[4-6]，其中光纤拉丝冷却工艺中需要用到大量的氦气。由于拉丝管道为非封闭的细长圆桶状换热器，拉丝时通入氦气冷却的过程中会混入大量空气，在管道末尾处收集的氦气中会混合大量的氧气、氮气、二氧化碳、水气等成分，氦气纯度大约为80%。所以收集完的氦气需要进行纯化处理以便去除杂质，从而得到光纤制造所需的氦气纯度，约为99%[7-11]。

本文主要研究开发光纤制造中氦气循环利用的方法和设备，以便对光纤拉丝等工艺过程中排出的废氦气进行回收，并对其进行纯化，使其达到光纤制造需要的99%的纯度。

1　光纤拉丝用氦气使用过程简介

在光纤制备过程中，拉丝炉的工作温度达到2000℃以上。光纤进入涂覆装置时，如果光纤过热会使涂覆树脂粘度变低，涂覆厚度不均匀，涂层直径波动[12-13]。所以需要对拉丝炉中出来的光纤进行冷却，如果只是自然冷却，则需要的时间和冷却管长度都太长，厂房高度需要很高，增加了时间和投资成本。因此在冷却管中使用气体对其进行强制冷却，使得光纤温度快速降低到合适的温度。对于冷却气体来说，比热容越大，冷却效果越好。在各种气体中，氢气的比热容最大，氦气次之[比热容为5.24 kJ/(kg·K)]。由于氢气比较活泼，所以，氦气是冷却用气的最佳选择。

2　氦气回收提纯系统组成

该系统将光纤拉丝的冷却管排放的富氦气尾气进行回收提纯，提纯后的高纯氦气经过高压压缩机压缩充装至氦气集装束。

该氦气回收纯化系统主要由集气工装、冷管氦气在线回收纯化系统、拉丝炉氦气在线回收纯化系统、供气管路、出气集气罐、增压充装单元、干燥净化设备、自动控制系统等组成。

3　氦气回收提纯技术指标

3.1氦气冷却管回收纯化单元

进气流量：300 L/min(单台纯化设备)；进气温度：常温；进气压力：常压；进气纯度：≥50%He(杂质为空气)；出气纯度：≥98%He；出气压力：0.2～0.4 MPa；出气温度：常温±3℃；回收率：≥70%(因不同进气纯度而异)。

3.2氦气增压单元

进气流量：随工况；进气压力：0.1～0.4 MPa；出气压力：≥20 MPa。

4　氦气回收提纯工艺流程

4.1氦气提纯设备

假定：1. 拉丝线为50条，每条冷管用氦量为5 L/min；2. 满负荷生产的拉丝线占所有线的80%；3. 冷管使用氦气能完成80%的回收；4. 回收的氦气浓度为35% He。

计算单位时间可回收的气体量=50×5 L/min×0.80×0.80÷0.35=457 L/min。因为一台纯化设备可以出来气量为300 L/min，因此可选用两台JHHP-300L型氦气提纯设备，该设备公称进气量为300 L/min，可提纯氦气纯度达到98%。此纯化设备体积小、移动方便、功耗低、智能化程度高，可直接放于光纤生产车间内部。图1所示为JHHP-300L型氦气提纯设备。

图1　JHHP-300L型在线氦气提纯设备示意图

JHHP-300L氦气提纯设备将≥35%He的混合气体分离提纯，提纯后的氦气浓度达到98%，假定提纯效率为90%，则一台JHHP-300L氦气提纯设备单位时间内供气量为147 L/min=8.8 m3/h。

4.2拉丝冷却管氦气收集

氦管中氦气收集方式如图2所示。

图2　拉丝冷却管氦气收集方式

氦气冷却管由于拉丝的需要，不是全封闭的容器，光纤从冷却管的底部进入，再从冷却管的顶部穿出，光纤在冷却管中进行冷却。所以氦气通入冷却管后也会有大量的空气进入冷却管中，冷却管中的气体为氦气和空气的混合物。

图3　拉丝冷却管打开和闭合状态

由于冷却管的顶部和底部有光纤的进出，所以无法在顶部和底部安装收集系统收集氦气。所以，我们在冷却管的侧壁上开孔，连接收集管进行氦气收集。

进气分别从氦管上中下三个部位进气。回收有两处如图2所示，在氦管的另一翅片上。这样设计可以保证进气、出气的稳定，以及氦管内氦气浓度、气压的稳定。

4.3氦气增压充装

氦气提纯设备中出来的氦气压力一般是0.1～0.4 MPa，压力很低，而氦气一般是充装在集装束车中的。所以，需要对氦气进行收集，然后再增压，把氦气储存在集装束车中以便后续处理使用。所以，在氦气冷却管氦气提纯设备出气管路上连接一个出气集气罐和一套增压充装设备，把氦气充装到集装束车中。如图4所示。

图4　增压充装流程示意图

4.4拉丝冷却管用氦气回收提纯工艺流程

氦气回收提纯系统同时具备废氦气回收、氦气

纯化、氦气增压充装等功能。回收压缩机在回收集气罐中产生负压，负压效应通过管路把各用氦工段的废氦气回收并富集；废氦气经纯化单元提纯操作后，气体纯度满足98%要求；高压压缩机将98%的氦气增压并充装到特定的储气单元中。

图5　拉丝冷却管富氦尾气回收流程示意图

氦气回收提纯系统流程如图6所示，虚线内为冷管氦气回收提纯流程，线外为增压充装系统。

图6　冷管氦气回收纯化系统流程图

回收纯化操作流程：气体回收管路采用软管连接收气工装和集气罐，回收压缩机在集气罐中产生负压效应，将各工段排放的废氦气回收并在集气罐中富集。回收压缩机将集气罐中的气体增压，压缩后的气体经过换热器预冷，并在过滤器、冷干机中除尘除油水，处理过的废氦气冲入分离纯化单元中进行提纯操作。该单元可一次性将≥50%的废氦气提纯至98%。

设备提供的氦气纯度为98%，该部分气体在压力驱使下充装在气罐中，当系统检测到气罐压力达到一定的阈值时，控制系统自动启动氦气高压压缩机，增压后的氦气经过干燥除油、水操作后，直接充装至特定的氦气集装管束中待再次处理利用。

5　结　论

在光纤制造中多个步骤需要用到氦气，包括：沉积、固化、拉丝、涂覆等步骤。用氦气量最大的是拉丝光纤冷却工艺，拉丝冷却管为细长圆桶状容器，不是封闭的。所以在管道中有光纤通过时，通入氦气冷却，在拉丝冷却的过程中就会混入大量的空气。但是氦气资源是十分宝贵的，对氦气的收集意义重大。所以，本文研究了拉丝冷却管中的氦气进行收集，提纯并储存，以便对其再次利用。通过此技术的实施，在不影响光纤生产的前提下，氦气的使用量大幅降低，为光纤生产企业节约了生产成本，节约了国家的氦气资源。使得氦气可以循环使用，并减少了杂质气体向大气的排放，保护了环境。

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坦桑尼亚发现大氦气田

英国科学家近日宣布首次在自然中“有意地”发现大量氦气，有望改变全球氦气短缺的现状。

牛津大学研究人员与挪威一家开采企业合作，采用一种新方法，在非洲东部坦桑尼亚境内发现储量约为540亿ft3(15亿m3)的氦气田。这一发现比占全球供应30%以上的美国联邦氦储备还多一倍以上。

目前，美国联邦氦储备仅持有242亿ft3(6.8亿m3)，而在美国总探明储量约1530亿ft3(43亿m3)。全球每年的氦气消耗约80亿ft3(2.3亿m3)。此次发现的氦气总量“足够120万台医用核磁共振仪使用”。

研究人员在一份声明中说，这一地点处于东非大裂谷范围内，剧烈火山活动产生的热量使古老岩石中蕴含的氦释放到浅层油田中。

到现在为止，氦气只是石油和天然气钻探一个偶然的副产品。这一发现很可能改变全球氦气资源的“游戏规则”。小到气球充气、“变声”搞怪，大到医疗科研、航天军工，稀有气体氦气应用广泛。全球氦气的80%～90%是依靠在非常低的温度下从天然气中提取的。俄罗斯天然气工业股份公司计划2020年在西伯利亚天然气中生产全球40%的氦气。伊朗和卡塔尔也计划在天然气中提取氦气。

更为重要的是，这次使用的氦气探测方法可用于世界上其他拥有类似地质历史的地方，有助人类发现和开采更多氦气，成为“确保未来社会氦气需求的转折点”。

The Technology of Helium Recycling and Purifying for Fiber Drawing

SUN Meng, LI Heqing, JIN Xianghua

(Suzhou Jinhong Gas Co., Ltd., Suzhou 215152, China)

The specific heat capacity of the helium is very high, and it is an inert gas. Helium is commonly used as a gas for fiber cooling in fiber drawing. Helium is a nonrenewable resource, which is obtained from the natural gas well as a by-product, and therefore, it is very expensive. From the point of view of manufacturing cost and strategic safety, the significance of helium recovery is very important. In this paper, the helium in the fiber drawing furnace is collected, and then purified and stored, so that it can be used again. So that the production cost of the optical fiber enterprise is greatly reduced, and the strategic security of the helium resource is guaranteed.

helium recovery; fiber drawing; gas purification

2016-06-06

TQ117

A

1007-7804(2016)04-0042-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.04.012

孙猛(1977)，男，博士研究生，高级工程师。主要研究方向为电子特气、气体工艺、催化剂、显示材料等。2008年毕业于北京航空航天大学材料物理与化学专业获博士学位。拥有30多项专利技术，并且已经在国内外学术会议和期刊上发表了15篇学术论文。