羅　輝，黃　衛(wèi)

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán) 第十六研究所，合肥 230043；2.安徽萬瑞冷電科技有限公司，合肥 230088)

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光纖冷卻管氦氣循環(huán)利用方法的研究

羅輝1，2，黃衛(wèi)2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán) 第十六研究所，合肥 230043；2.安徽萬瑞冷電科技有限公司，合肥 230088)

在光纖制造過程中，需要使用大量氦氣，而使用過的氦氣都是直接排放大氣的，造成資源浪費(fèi)，生產(chǎn)成本提高。文中通過對(duì)膜分離提純法以及光纖生產(chǎn)工藝流程的分析研究，提出了一種基于膜分離技術(shù)的全自動(dòng)在線式提純方案，詳細(xì)闡述了提純工藝流程，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益的分析。

氦氣提純；膜分離；光纖

1　概　述

氦氣是一種戰(zhàn)略稀缺資源，廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍工、科研、航空航天、制冷、醫(yī)療、光纖、檢漏、低溫超導(dǎo)、深海潛水、高精度焊接生產(chǎn)等領(lǐng)域。

氦氣在空氣中含量極少，目前主要依靠從天然氣中分離提取。但氦資源全球分布嚴(yán)重不均。美國(guó)是世界上氦資源最豐富的國(guó)家，其天然氣氦含量比較高。而我國(guó)現(xiàn)有天然氣氦含量極低，屬貧氦天然氣。氦資源的匱乏和生產(chǎn)成本高等因素，導(dǎo)致我國(guó)不得不從美國(guó)、俄羅斯和卡塔爾等大量進(jìn)口所需的氦資源。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)氦資源的需求量也越來越大，一旦氦氣難以進(jìn)口，必將在大范圍內(nèi)影響我國(guó)的國(guó)防安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

氦氣是一種高比熱容的惰性氣體，在光纖拉絲中通常用作拉絲爐內(nèi)導(dǎo)熱氣體和光纖冷卻用氣體。而氦氣是一種稀缺資源，因此價(jià)格昂貴。通過減少氦氣使用量，可降低光纖的生產(chǎn)成本。

本文提出了在不影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，實(shí)現(xiàn)光纖冷卻管內(nèi)氦氣的循環(huán)利用，減少光纖冷卻氦氣用量，效果明顯，收益大幅提高。

2　氣體膜分離原理

膜法氣體分離的基本原理是根據(jù)混合氣體中各組分在壓力的推動(dòng)下透過膜的滲透速率不同，從而達(dá)到分離的目的。

首先，氣態(tài)在膜的上游側(cè)表面吸附溶解；然后，溶解在膜表面的氣體在壓力的作用下，進(jìn)一步在膜主體內(nèi)擴(kuò)散；最后，膜下游側(cè)表面的氣體解吸。溶解能力越強(qiáng)及擴(kuò)散速度越快，都使得該種氣體更加容易地透過膜。圖1為各種氣體透過膜的快慢示意圖，從圖中可知，水蒸氣和氦氣透過膜的速度最快。

膜法分離相對(duì)于其他氣體分離方法有著很多優(yōu)點(diǎn)：

1.工藝流程簡(jiǎn)單，設(shè)備少，操作方便，停開機(jī)靈活；

2.一般無相變，動(dòng)力及傳動(dòng)設(shè)備少，耗電低，占地面積?。?/p>

3.無二次污染，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成傷害。

圖1　各種氣體透過膜的快慢示意圖

3　光纖領(lǐng)域氦氣循環(huán)利用的現(xiàn)狀

在光纖的生產(chǎn)制造過程中，在預(yù)制棒、加熱爐、光纖冷管三個(gè)部位，需要用到大量的氦氣。目前，國(guó)內(nèi)很多光纖企業(yè)，都無法回收生產(chǎn)過程中消耗的氦氣，基本都是直接排放大氣。近年來，隨著氦氣市場(chǎng)價(jià)格的波動(dòng)，很多光纖企業(yè)開始嘗試氦氣回收和提純。但是在光纖生產(chǎn)過程中，氦氣的使用大多在一個(gè)開放的環(huán)境中，回收困難；同時(shí)，一些傳統(tǒng)的氦氣提純方法，例如深冷法、變壓吸附法，它們的系統(tǒng)比較復(fù)雜，能耗高，而且占地面積大，不適用于集約化的工業(yè)領(lǐng)域。有些光纖企業(yè)僅做氦氣回收，以廢氣的形式出售給氣體經(jīng)銷商，但是廢氣的價(jià)值不高，收益有限。

而隨著膜分離材料技術(shù)和膜組件研發(fā)的日趨深入和完善，膜分離法在氣體提純領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也越來越廣。面對(duì)光纖領(lǐng)域，膜分法分離提純氦氣法具有性能可靠穩(wěn)定、使用經(jīng)濟(jì)、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，最大限度降低了對(duì)光纖生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的改造。目前，國(guó)內(nèi)很多光纖企業(yè)開始嘗試光纖冷卻管氦氣循環(huán)利用的方法，并且有很多成功案例。

4　膜分法氦氣循環(huán)利用設(shè)備的組成和工藝流程

4.1設(shè)備主要技術(shù)

設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)如下：

進(jìn)氣氦氣純度：≥60%；供氣氦氣純度：≥99%；供氣壓力(表壓)：0.2～0.3 MPa；供氣溫度：室溫；設(shè)備回收率：≥80%；設(shè)備實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行。

4.2設(shè)備組成及工作原理

4.2.1氦氣回收增壓?jiǎn)卧?/p>

通過特殊的氦氣回收裝置，將光纖冷卻管中的氦氣進(jìn)行回收?；厥盏臍怏w為氦氣和空氣的混合氣體，分別經(jīng)過流量計(jì)和純度分析儀，測(cè)定混合氣體的流量和純度，并經(jīng)過壓縮機(jī)升壓，供給后續(xù)單元使用。

4.2.2壓縮氣體預(yù)處理單元

經(jīng)過壓縮的氦氣混合氣體，溫度非常高，需要先經(jīng)過散熱器散熱，然后經(jīng)過油水分離器，將混合氣體中夾雜的油霧、水氣進(jìn)行初步分離，再經(jīng)過降溫冷凝進(jìn)一步除水，最后經(jīng)精密過濾器過濾。經(jīng)過降溫和層層過濾的凈化混合氣體供給純化單元使用。

4.2.3純化單元

經(jīng)過凈化的混合氣體進(jìn)入純化單元，進(jìn)行分離提純。原料氣經(jīng)過純化單元提純后，尾氣氣體量很少，氦氣含量<10%，經(jīng)閥門直接放空；而產(chǎn)品氣氦氣含量>99%，經(jīng)過純度分析儀檢測(cè)合格后，進(jìn)入供氣單元。

4.2.4供氣單元

經(jīng)提純后的氦氣，并經(jīng)純度分析儀檢測(cè)合格后氣體匯集到儲(chǔ)罐內(nèi)緩沖穩(wěn)壓，再持續(xù)不斷供給光纖冷卻管使用。同時(shí)，由于氦氣回收和提純過程中都有損耗，需要另外接一路氦氣補(bǔ)充到儲(chǔ)罐內(nèi)，彌補(bǔ)損失的氦氣。

4.2.5控制單元

負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的壓力、溫度、氣體純度進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與光纖生產(chǎn)線的通信，根據(jù)生產(chǎn)狀況，控制設(shè)備的自動(dòng)開停機(jī)。另外，對(duì)光纖生產(chǎn)線的用氣總量、設(shè)備的回收氣體的總量以及設(shè)備提純氣體的總量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄，提供經(jīng)濟(jì)效益分析的有效數(shù)據(jù)。

4.3設(shè)備工作流程

如圖2所示，設(shè)備從具備回收條件的光纖冷卻管中回收的氦氣，預(yù)處理之后，提純到指定純度，并加壓至工作壓力，供給光纖冷卻管使用；如果氦氣純度未達(dá)到指標(biāo)，則通過電磁閥切換，將氦氣返回到壓縮機(jī)前端，重新提純。提純?cè)O(shè)備根據(jù)生產(chǎn)線氦氣用量的信號(hào)，自動(dòng)控制設(shè)備的啟停。

圖2　氦氣循環(huán)利用工藝流程

4.4膜分氦氣循環(huán)利用設(shè)備在光纖領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)

1. 設(shè)備提純性能穩(wěn)定，可靠保證氣體純度在99%以上；

2. 設(shè)備損耗小，回收效率高，氦氣的回收率能達(dá)到90%以上；

3. 能耗低，全部開啟的工況下，功率不超過6 kW；

4. 回收過程為在線式，不需要制作大型氣體儲(chǔ)罐，既減少占地面積，又降低制造成本；設(shè)備長(zhǎng)寬高為1200 mm×1100 mm×1700mm。

圖3　設(shè)備樣機(jī)

5. 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單，基本不需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，氣體回收工裝的安裝不會(huì)對(duì)拉絲操作流程有任何影響；

6. 設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能控制，24 h自動(dòng)運(yùn)行，不需要安排專人操作；

7. 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便。

4.5膜分離氦氣循環(huán)利用設(shè)備的不足

氦氣純度進(jìn)一步提高的難度比較大，成本比較高，因此其應(yīng)用領(lǐng)域受到一定限制，例如，光纖熔爐或者制棒等需要99.99%純度氦氣的工序就無法應(yīng)用，但是可以在設(shè)備后端再加一臺(tái)高純?cè)O(shè)備，進(jìn)行二次提純。

5　運(yùn)行成本與經(jīng)濟(jì)效益的分析

在氦氣提純的過程中，主要是電力消耗。從工藝流程圖中可以看到，主要消耗電力的部件是空氣壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的功率為2.2 kW。另外還有一些電磁閥、壓力傳感器、溫度傳感器、純度分析儀、流量計(jì)、PLC等控制元件，總體功率可按照4 kW計(jì)算。工業(yè)用電電價(jià)按1.025元/(kW·h)計(jì)算，于是可以得到設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，每小時(shí)的用電費(fèi)用C為：

C=4kW×1h×1.025元/(kW·h)=4.1元

光纖冷卻管氦氣用量按照8 L/min進(jìn)行計(jì)算，則一臺(tái)設(shè)備可以同時(shí)對(duì)10條冷管進(jìn)行氦氣回收提純作業(yè)，經(jīng)過在用氦單位運(yùn)行的實(shí)踐數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果可以得到，整體回收率在70%以上，則設(shè)備每小時(shí)可以回收提純并供到生產(chǎn)線上的氣體量Q為：

Q=8L/min×10×70%×60=3360 L/min

=3.36 m3/min

氦氣目前的市場(chǎng)價(jià)格按照90元/m3計(jì)算，則設(shè)備每小時(shí)的收益M為：

M=3.36m3/min×90元/m3=302.4元

由以上計(jì)算結(jié)果，可計(jì)算設(shè)備每小時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益E為:

E=302.4-4.1=298.3(元)

由此可見，設(shè)備經(jīng)濟(jì)效益是非常顯著的。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)光纖冷管的工況以及對(duì)氦氣的要求，利用膜分離的方法，在保證氦氣純度的前提下，提出了一種氦氣提純工藝流程，簡(jiǎn)化設(shè)備復(fù)雜程度，降低設(shè)備能耗，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制的功能，并實(shí)現(xiàn)了設(shè)備全自動(dòng)運(yùn)行，大大提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益，完全符合工業(yè)生產(chǎn)的需求。該類型的設(shè)備已在多家用氦單位運(yùn)行，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，取得了良好的結(jié)果。

同時(shí)，解決如下關(guān)鍵難題：

1. 突破了將低壓膜分離器應(yīng)用于中壓系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸；

2. 解決如何在開放環(huán)境中，高效回收氦氣的難題；

3. 解決在線式氣體深度干燥的難題；

4. 實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間順暢的信息通訊和全自動(dòng)控制；

5. 由于膜分離提純?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耗低，運(yùn)行穩(wěn)定，可作為高純氦提純?cè)O(shè)備的前級(jí)提純，不僅可以大大降低高純氦提純?cè)O(shè)備的能耗，同時(shí)也能為高純提純?cè)O(shè)備提供一個(gè)穩(wěn)定的工況環(huán)境，大大提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定和可靠性。

膜分法氦氣循環(huán)利用設(shè)備的應(yīng)用，降低光纖生產(chǎn)企業(yè)的氦氣消耗量，降低光纖的生產(chǎn)成本，同時(shí)也盡可能減小國(guó)際市場(chǎng)因氦氣資源緊張對(duì)國(guó)內(nèi)光纖價(jià)格的影響，具有較大的穩(wěn)定市場(chǎng)的意義。

[1] 萬小剛，傅劍，趙林華. 浮空器氦氣純化方法應(yīng)用研究[J].低溫與超導(dǎo)，2011,39(4):75-77.

[2] 張寧，胡忠軍，李青. 全球氦氣供求形勢(shì)及其回收利用[J]. 低溫與特氣，2010, 28(6):1-6.

[3] 陸文軍，劉麗，王海，等. 氣體膜分離高回收率流程的研究[J]. 膜科學(xué)與技術(shù),1994,14(4):53-57.

含有二溴甲烷的電光源氣的配制方法

申請(qǐng)(專利)號(hào)：201610047775.3

公開(公告)日：2016-06-08

申請(qǐng)(專利權(quán))人：保定市北方特種氣體有限公司

摘要：本發(fā)明涉及特種氣體的配制方法，具體公開了一種含有二溴甲烷的電光源氣的配制方法，采用重量法配制，室溫定量量取二溴甲烷液樣，加熱至70～80℃，保溫8～12 min，使液樣全部汽化后，再用平衡氣變壓吹掃二溴甲烷氣體至產(chǎn)品鋼瓶中，最后充裝平衡氣至產(chǎn)品壓力P，混勻，經(jīng)計(jì)算得到產(chǎn)品實(shí)際濃度，完成配制，所用平衡氣為氙氣或氪氣。本發(fā)明方法能夠解決二溴甲烷容易粘附于器壁造成電光源氣濃度不達(dá)標(biāo)的問題，顯著提高含有二溴甲烷的電光源氣產(chǎn)品的合格率和產(chǎn)品濃度的均一性。

一種金屬氫化物儲(chǔ)氫裝置

申請(qǐng)(專利)號(hào)：201620077093.2

公開(公告)日：2016-08-17

申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京科技大學(xué)

摘要：本實(shí)用新型涉及氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種金屬氫化物儲(chǔ)氫裝置，包括罐體、進(jìn)氣管、出氣管、抽真空管、循環(huán)水單元、細(xì)徑銅網(wǎng)、金屬氫化物儲(chǔ)氫合金粉、壓力計(jì)表；循環(huán)水單元包括進(jìn)水管、出水管、循環(huán)水管道、循環(huán)水泵；細(xì)徑銅網(wǎng)呈層狀布置于罐體內(nèi)，且均與循環(huán)水管道連接；金屬氫化物儲(chǔ)氫合金粉置于相鄰層的細(xì)徑銅網(wǎng)之間；進(jìn)氣管、出氣管、抽真空管位于罐體內(nèi)的管道上均分布有管道壁小孔，位于罐體外的管道端口處均設(shè)置有閥門；壓力計(jì)表與罐體內(nèi)部連通；進(jìn)氣管、出氣管、抽真空管、壓力計(jì)表與罐體連接管內(nèi)均設(shè)置有過濾器網(wǎng)。本實(shí)用新型的有益效果為：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、吸放氫和熱傳導(dǎo)效率高，罐體不易開裂，適于推廣應(yīng)用。

測(cè)定氫氣及含氫氣體中氧含量與水、

氧含量一體化測(cè)定的方法

申請(qǐng)(專利)號(hào)：201510009186.1

公開(公告)日：2015-04-29

申請(qǐng)(專利權(quán))人：中昊光明化工研究設(shè)計(jì)院有限公司 大連三達(dá)氣體凈化技術(shù)有限公司

摘要：本發(fā)明涉及一種測(cè)定氫氣及含氫氣體中氧含量與水、氧含量一體化測(cè)定的方法，其屬于分析測(cè)試的技術(shù)領(lǐng)域。該方法首先利用化學(xué)反應(yīng)將氣體產(chǎn)品中氧氣定量轉(zhuǎn)化為水，然后使用水分(濕度)傳感器測(cè)定氣體中水分(濕度)含量并換算得到氧氣含量。通過氣路組合，使用同一個(gè)水分(濕度)傳感器，可以實(shí)現(xiàn)氣體中水、氧含量的一體化測(cè)定。將水分(濕度)傳感器應(yīng)用于氧含量測(cè)定，可以大大延長(zhǎng)氧分儀的使用壽命。將水、氧含量測(cè)定組合在一臺(tái)設(shè)備中，不僅簡(jiǎn)化分析操作，且成倍地降低了儀器的校準(zhǔn)、運(yùn)行和維護(hù)成本。

Research on Circle Using Helium of Fiber Cooling Pipe

LUO Hui1,2, HUANG Wei2

(1.The 16th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hefei 230043, China;2.Anhui Vacree Technologies Co., Ltd., Hefei 230088, China)

Much helium has been used during the production of fiber, and the helium directly get into atmosphere after be used，these case makes waste of resource and increase of cost. Based on analysis of the purification method using film and producing craft of fiber has been, a project using purification film which could achieve automatization and online has been presented, at one time, described the purifying craft and analysis of economic benefit.

helium purification； film separation； fiber

2016-07-07

TQ117

A

1007-7804(2016)04-0046-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.04.013

羅輝(1983)，男，工程師，中國(guó)電子科技集團(tuán)第十六研究所，主要從事工業(yè)氦氣循環(huán)利用裝備的研發(fā)與應(yīng)用。聯(lián)系方式：18119695039。