李長俊，張財(cái)功，賈文龍，王 博

（西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500）

氦是一種稀有的戰(zhàn)略資源，在人類科技進(jìn)步及國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有不可比擬的作用，自1868年發(fā)現(xiàn)以來就成為研究的熱點(diǎn)[1]。 在室溫和大氣壓力下，氦氣無色無味無毒，呈化學(xué)惰性，密度小，導(dǎo)熱性好，擴(kuò)散性強(qiáng)；而液氦具有λ轉(zhuǎn)變、無三相點(diǎn)、高量子力學(xué)零點(diǎn)能及低汽化潛熱等特殊性質(zhì)。 因此，氦氣及液氦在宇宙探索、軍工、超導(dǎo)、保護(hù)氣、檢漏及核工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2-4]。

氦氣主要從富氦天然氣[5,6]提取，近年來新發(fā)現(xiàn)氦源，如2016年在坦桑尼亞大裂谷內(nèi)發(fā)現(xiàn)的世界級(jí)氦氣田[7]，而世界氦資源主要分布在美國、卡塔爾、俄羅斯、阿爾及利亞等國。 天然氣提氦于上世紀(jì)20年代在氦源國興起，美國林德公司為了處理Petrolia油田的含氦天然氣，在沃斯堡建造了第一個(gè)商業(yè)氦氣廠。 1929年美國在德克薩斯州阿馬里諾市的Cliffside油田建造了一座更大的天然氣提氦廠[8]。 第二次世界大戰(zhàn)后，天然氣提氦工業(yè)進(jìn)入迅速發(fā)展的階段，而且主要集中在美國、俄羅斯等氦資源豐富、單位氦含量高的少數(shù)國家[9]。 截至2009年，俄羅斯已有5座采用低溫工藝的天然氣提氦工廠投產(chǎn)， 而美國已有14套天然氣提氦裝置在運(yùn)行，其中12套裝置采用低溫工藝[10]。到2014年，美國建成22套天然氣提氦裝置（19套運(yùn)行）。

我國含氦天然氣資源稀缺，僅占世界氦資源量的0.15%～0.2%，上世紀(jì)也僅有四川威遠(yuǎn)氣田生產(chǎn)小部分氦氣[11]，其余主要從美國進(jìn)口。我國天然氣提氦工業(yè)起步較晚，成都化工總廠在60年代建成我國第一個(gè)天然氣提氦裝置，氣源為四川威遠(yuǎn)氣田含氦天然氣[9]。 1994年我國研究出聚砜-硅橡膠中空纖維膜提氦法，氦收率63%～75%[12]。 1995年我國研究人員提出了膜分離+低溫分離聯(lián)合提氦法， 降低了投資成本，但由于技術(shù)問題并未工業(yè)化[13]。2012年中石油西南油氣田分公司蜀南氣礦和成都化工總廠在四川榮縣東興場鎮(zhèn)投資建設(shè)的提氦廠投產(chǎn)[14]，采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的提氦技術(shù)， 年產(chǎn)純氦約21×104m3，氦收率大于96.5%，其中，粗氦的純度達(dá)90%～95%，是我國唯一運(yùn)行的天然氣提氦裝置。 粗氦采用氣瓶拖車運(yùn)輸?shù)匠苫倧S進(jìn)行精制得到純度高達(dá)99.999%～99.9999%的純氦。近年來，我國相繼在塔里木盆地及渭河盆地發(fā)現(xiàn)新的氦資源[15,16]。 2018年陜西省在渭河盆地設(shè)立了我國第一個(gè)氦氣探礦權(quán)[17,18]，不僅為我國自主提氦的研究提供了資源條件， 也對(duì)我國天然氣提氦技術(shù)的發(fā)展提出了迫切的需求。因 此，開展天然氣提氦技術(shù)的研究具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 傳統(tǒng)天然氣提氦技術(shù)

天然氣提氦技術(shù)包括非低溫法和低溫法（深冷法）[9]。 非低溫法主要包括物理吸附法、溶劑吸收法、膜分離法和變壓吸附法（PSA法），低溫法即冷凝法。其中，PSA法、膜分離法及深冷法是最主要的三種提氦方法[20]，而深冷法最為常用[9]。

1.1 變壓吸附法（PSA）

變壓吸附法利用吸附劑在不同壓力下的吸附量差異，升壓吸附，降壓時(shí)被吸附氣體解吸，吸附劑再生[21]。 變壓吸附一般采用兩塔交替進(jìn)行吸附和再生操作，連續(xù)生產(chǎn)。 2008年，印度Kuthalam集氣站[22]成功實(shí)現(xiàn)了PSA法提氦， 每天處理約1224 m3天然氣。截止目前，PSA法已在美國三大提氦裝置得到了應(yīng)用[21]。 圖1所示為美國兩級(jí)PSA粗氦精制專利技術(shù)[23,24]。

圖1 兩級(jí)PSA氦精制工藝流程

典型的PSA工藝流程如圖2所示[25,26]。 粗氦與空氣混合后，經(jīng)預(yù)熱和催化將H2及碳?xì)浠衔镅趸筮M(jìn)入一級(jí)PSA單元脫除水、CO2及O2， 周期8 min，包括吸附、循環(huán)、減壓、抽空（＜10 kPa）、回流進(jìn)料增壓及循環(huán)進(jìn)料增壓六個(gè)步驟，得到90%的He。二級(jí)PSA單元周期6 min，包括吸附、減壓、抽空（＜10 kPa）、吹掃及氦增壓五個(gè)步驟，得到99.999%的純氦。 此外，二級(jí)PSA單元中分離出部分氦用于回流 （He純度75%） 以達(dá)到95%的回收率， 與深冷法的回收率相近。

圖2 典型PSA工藝流程

變壓吸附法的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品純度高（高達(dá)99.999%），設(shè)備簡單，易于操作維護(hù)，再生床層不需加熱，操作成本低，采用循環(huán)工藝，連續(xù)生產(chǎn)[22]。但是，氦純度越高，工藝流程越復(fù)雜。 同時(shí)，變壓吸附周期短，一般約20 min，采用自動(dòng)控制，對(duì)設(shè)備閥門要求高[29]。

1.2 膜分離法

膜分離法是在膜兩側(cè)壓差的推動(dòng)下，天然氣各組分在溶解-擴(kuò)散-解吸的過程中產(chǎn)生了滲透性能的差異， 利用氦氣滲透性能好的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)氦氣分離。按照用途，分離膜可分為氫膜、有機(jī)蒸氣膜、氧氮分離膜、CO2分離膜等[2]。 大多數(shù)氣體分離膜為有機(jī)高分子膜， 如聚二甲基硅氧烷膜PDMS和聚酰亞胺膜PI[27,28]。 圖3所示為三級(jí)滲透提氦流程[29]。

圖3 三級(jí)滲透膜提氦工藝流程

Linde公司采用四氟乙稀和六氟丙稀共聚物提氦膜處理含氦0.45%的天然氣，氦收率60%[8]。 美國采用兩級(jí)聚醋酸纖維平板膜將含氦0.5%的天然氣提濃至82%左右[5]。 1986年，大連物化所與四川石油管理局威遠(yuǎn)天然氣化工廠[13]合作，采用國產(chǎn)中空纖維膜從含氦0.2%的天然氣中濃縮氦， 氦收率為30%。 1990年，威遠(yuǎn)氣田與四川化工研究所[2]使用聚碳酸脂膜對(duì)粗氦進(jìn)行了膜分離實(shí)驗(yàn)， 將氦氣從65%提濃到90%，收率90%。1994年，南京化工學(xué)院[2]采用醋酸纖維膜將氦氣提濃到99.5%，收率79%左右，但醋酸纖維膜的生產(chǎn)難以工業(yè)化。

雖然膜對(duì)氦氣和甲烷的選擇性很好，但氦氣含量很小，單級(jí)膜提氦效率低，一般采用多級(jí)膜。 近年來，新的膜材料不斷問世（中空纖維滲透膜），膜分離提氦法的發(fā)展前景廣闊[12]。

1.3 深冷法

深冷法利用天然氣中各組分臨界溫度的差異實(shí)現(xiàn)氦氣的分離[30]。雖然深冷法操作彈性低、設(shè)備投資和能耗較高，但是產(chǎn)品純度、收率較高，是應(yīng)用最廣泛的提氦方法， 約90%的氦氣是通過深冷法提取的[20]。 圖4所示為深冷法提氦的典型步驟[29]。

圖4 深冷法天然氣提氦典型流程

深冷法提氦工藝一般由預(yù)處理工藝 （脫CO2、H2O）、提粗氦工藝（氦含量60%～70%）和粗氦精制工藝（帶壓鈀催化氧化脫氫）[22]組成，主要包括閃蒸（多級(jí)）分離工藝、精餾分離工藝和閃蒸精餾分離工藝，所需冷量一般由氮循環(huán)制冷提供。

（1）單塔分離+高中壓氨循環(huán)制冷工藝如圖5所示[31]，原料氣經(jīng)硅膠干燥器脫水及分子篩脫CO2后經(jīng)預(yù)冷器、氨冷卻器、主冷卻器冷卻后進(jìn)入精餾塔的常壓液甲烷冷凝段和減壓液甲烷冷凝段，精餾塔塔頂產(chǎn)物進(jìn)脫氫反應(yīng)器得到粗氦。 80年代后，由于氣田壓力下降，工藝能耗大幅增加，無法適應(yīng)生產(chǎn)條件的變化。

圖5 單塔天然氣提氦工藝流程

（2）前膨脹+氮?dú)庋h(huán)制冷兩塔分離工藝又稱克勞特循環(huán)工藝，其典型流程如圖6所示[10]，原料氣經(jīng)氨預(yù)冷及膨脹制冷得到的冷卻氣經(jīng)一級(jí)和二級(jí)提濃操作后制得粗氦，二級(jí)提濃塔塔頂采用氮循環(huán)制冷。 提濃塔底的液態(tài)甲烷經(jīng)回收冷量后由壓縮機(jī)增壓外輸。 該工藝能耗較低，但由于操作壓力和操作溫度低，對(duì)變工況的適應(yīng)性差[22]。

圖6 前膨脹提氦工藝流程

（3）后膨脹+氮循環(huán)制冷工藝流程如圖7所示[22]，含氦天然氣經(jīng)冷卻后進(jìn)入一級(jí)、二級(jí)提濃塔，二級(jí)提濃塔頂制得粗氦。 一級(jí)提濃塔塔底的大部分液甲烷由冷卻器回收冷量后增壓外輸，另一部分液態(tài)甲烷節(jié)流后作為一級(jí)提濃塔塔頂?shù)睦湓?，再進(jìn)入冷卻器回收冷量，二級(jí)提濃塔塔頂采用氮循環(huán)制冷。 該工藝的粗氦濃度高，提濃塔壓力及制冷溫度有所提高， 裝置能耗大幅降低， 已在我國榮縣提氦廠應(yīng)用[14]。 該工藝可利用膨脹比靈活控制進(jìn)入一級(jí)提濃塔的流體溫度，且不影響換冷和其他分離環(huán)節(jié)[31]。

圖7 后膨脹提氦工藝流程

2 集成天然氣提氦技術(shù)

雖然深冷法提氦的氦回收率通常較高 （94%），但采用深冷法生產(chǎn)1 m3的氦， 需要處理近600 m3的天然氣[13]，生產(chǎn)成本高，設(shè)備投資大，能耗大，保冷效果不佳。 為了提高提氦的經(jīng)濟(jì)性，目前的做法是將深冷法與其他提氦方法或其他分離工藝進(jìn)行聯(lián)合或聯(lián)產(chǎn)提氦[9]，如深冷法與膜分離法聯(lián)合提氦，天然氣提氦與LNG聯(lián)產(chǎn)，大幅降低了能耗和設(shè)備投資費(fèi)用。

2.1 深冷-膜分離聯(lián)合法

深冷-膜分離聯(lián)合法是含氦天然氣經(jīng)過凈化處理（脫除H2S、CO2、H2O）后采用深冷工藝提取粗氦，再采用膜分離技術(shù)進(jìn)行提純。 提氦裝置規(guī)模小，操作成本低，適用于貧氦天然氣。

1995年，大連化物所進(jìn)行了深冷-膜分離工藝的研究，氦氣提濃5～5.5倍，回收率為63%～75%。 典型深冷-膜分離聯(lián)合提氦工藝流程如圖8所示[2]。原料氣首先經(jīng)C3/MRC流程冷凝至-142℃，經(jīng)減壓操作得到LNG產(chǎn)品，將不凝氣進(jìn)行冷凝得到粗氦（90%），粗氦經(jīng)膜分離及PSA純化得到精氦[2]，流程簡單，操作容易，占地面積小，但由于膜的選擇性影響，氦回收率不高。2015年，Laguntsov等[32]研究了膜的選擇性對(duì)于分離過程的影響，研究發(fā)現(xiàn)，能耗隨著膜選擇性的提高和壓差的增大而下降。

圖8 深冷-膜分離聯(lián)合提氦工藝流程

2.2 深冷-膜分離耦合法

深冷-膜分離耦合法將提氦與LNG液化流程耦合，采用兩級(jí)膜實(shí)現(xiàn)氦氣的提濃，不僅提高了氦回收率，還提高了液化流程的液化率。圖9所示為深冷-膜分離耦合提氦工藝流程[2]。

圖9 深冷-膜分離耦合提氦工藝流程

原料氣經(jīng)深冷工藝（深冷溫度-146 ℃）及閃蒸操作（閃蒸壓力0.3～0.5 MPa）的不凝氣經(jīng)加壓和兩級(jí)膜的分離提濃操作后，由PSA單元進(jìn)行提純。其中，在兩級(jí)膜及PSA單元，采用回流循環(huán)，氦回收率高達(dá)96.4%，LNG液化流程的液化率也提高了4.2%[2]，經(jīng)濟(jì)效益良好。

2.3 LNG聯(lián)產(chǎn)法

氦氣生產(chǎn)通常與LNG/NRU深冷單元相集成，以解決單一提氦經(jīng)濟(jì)效益差的問題。2015年，羅堯丹[22]提出了一個(gè)低含氦天然氣提氦聯(lián)產(chǎn)LNG工藝流程，產(chǎn)品為粗氦和LNG，采用PSA法提濃粗氦，流程如圖10所示。 研究發(fā)現(xiàn)，提高制冷劑低壓壓力，裝置能耗下降。 2017年，Jahromi等[33]采用3床5步PSA研究了PSA循環(huán)對(duì)LNG/NRU聯(lián)合提氦回收率的影響，研究表明，采用該P(yáng)SA循環(huán)時(shí)，He純度（94.3%）、He回收率（62.1%）和產(chǎn)量達(dá)到最大。

圖10 天然氣提氦聯(lián)產(chǎn)LNG工藝流程

2.4 NRU聯(lián)合法

該方法是將經(jīng)除雜及重?zé)N脫除的天然氣輸入脫氮單元NRU進(jìn)行甲烷、氮?dú)夂秃獾姆蛛x，由提氦裝置（HeXU）進(jìn)行氦的分離，使用PSA法將氦氣提純至99.99%， 氮?dú)庥糜谔岣哂蜌饣厥章剩‥OR/EGR）。圖11所示為LNG/NRU-PSA工藝方框圖[33]。提氦有兩種工藝：一是低溫蒸餾工藝（CD-HeXU），二是膜分離工藝（MB-HeXU）[34]。美國BCCK公司[35]已成功地將提氦技術(shù)與其脫氮技術(shù)組合，氦回收提升了低BTU天然氣加工項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

圖11 LNG/NRU-PSA工藝流程

（1）單塔提氦工藝（NRU-SCDHeXU），典型的低溫蒸餾提氦工藝如圖12所示[34]。 NRU來氣經(jīng)換熱及節(jié)流降溫后進(jìn)入精餾塔分離，塔頂富氦物流經(jīng)換熱及預(yù)冷后進(jìn)入低溫冷凝塔進(jìn)行氦氣和氮?dú)獾姆蛛x，塔頂產(chǎn)品為粗氦（純度90%），加壓至3 MPa后輸送至PSA提純裝置。塔底產(chǎn)品為氮?dú)猓?jīng)換熱后加壓輸送至EOR/EGR單元以提高油氣采收率。

圖12 NRU-SCDHeXU提氦工藝流程

該工藝使用由甲烷循環(huán)制冷輔助的低溫蒸餾塔來滿足回流冷卻要求，進(jìn)料由精餾塔底部物流預(yù)冷卻，降低了貧氮和貧氦進(jìn)料的系統(tǒng)功耗，多物流換熱器熱集成了SHR的優(yōu)點(diǎn)， 提高了冷能回收率。低壓氮?dú)庥糜谔岣哂蜌獠墒章?，避免氮?dú)夥趴赵斐傻馁Y源浪費(fèi)。

（2）雙塔提氦工藝（NRU-DCDHeXU），圖13所示為NRU聯(lián)合提氦雙塔工藝流程圖[23,36]。 進(jìn)料在主換熱器冷卻后進(jìn)入高壓塔，回收氦氣。 高壓塔頂出料含有大部分He， 經(jīng)分離器分離得到氦含量50%～70%的粗氦，直接進(jìn)入He凈化和液化單元。 高壓塔底部物料中的N2與CH4在低壓塔中進(jìn)行分離。 低壓塔塔頂?shù)母籒2產(chǎn)物在熱交換器中與高壓塔塔底物料換熱。 為了降低富CH4產(chǎn)物中的N2濃度，在低壓塔的底部設(shè)置再沸器， 低壓塔塔底的富CH4物料經(jīng)增壓和換熱得到商品氣。 高壓塔的冷凝器為低壓塔和高壓塔提供回流（未畫出）。

圖13 NRU-DCDHeXU提氦工藝流程

雙塔提氦工藝的工藝流和制冷流之間具有較高的集成度，除了回收粗氦之外，還可回收C2+烴、燃料氣和氮?dú)猓?，該工藝?duì)進(jìn)料氣體的組成和產(chǎn)品市場的依賴性較大[36]。

（3）膜分離提氦工藝（NRU-MBHeXU），典 型的NRU-MBHeXU工藝流程如圖14所示[34]。 與NRUDCDHeXU流程相同的是， 精餾塔頂富氦物流經(jīng)換熱后進(jìn)入兩級(jí)膜系統(tǒng)進(jìn)行氦氣和氮?dú)獾姆蛛x，氦氣經(jīng)加壓后進(jìn)入PSA單元提純， 氮?dú)庥糜谔岣哂蜌獠墒章省?該流程與NRU-DCDHeXU的區(qū)別在于該流程使用兩級(jí)膜系統(tǒng)代替低溫蒸餾塔。 此外，為提高膜滲透速率，在一級(jí)膜前進(jìn)行增壓。 為提高氦回收率，將二級(jí)膜的部分產(chǎn)物回流。

圖14 NRU-MBHeXU提氦工藝流程

以上兩流程中，低溫蒸餾提氦工藝較膜分離提氦工藝的功耗低10%～40%，但是，在高壓下要保證HeXU進(jìn)料中的氦濃度不是很小時(shí)，與DCDHeXU相比，MBHeXU能耗更低（最大減少5%）。因此，工藝的選擇最終取決于進(jìn)料條件、成本等因素。

2.5 NGL-NRU聯(lián)合法

NGL-NRU聯(lián)合提氦法將氦氣回收與天然氣凝液（NGL）回收及脫氮單元（NRU）進(jìn)行熱集成。 由于含氦天然氣中富含氮?dú)狻?乙烷及較重的碳?xì)浠衔?，將NGL、NRU及提氦聯(lián)產(chǎn)時(shí)，各個(gè)單元之間相互促進(jìn)使得凝液回收率、氦氣回收率及氮?dú)饣厥章侍岣摺?1992年，Handley等[37]進(jìn)行的NGL-NRU聯(lián)合提氦法經(jīng)濟(jì)性分析發(fā)現(xiàn)整體裝置投資降低，經(jīng)濟(jì)效益顯著。 圖15所示為NGL-NRU聯(lián)合提氦流程圖[37]。

圖15 NGL-NRU聯(lián)合提氦工藝流程

2.6 水合分離+催化脫氫法

水合分離法是通過控制操作條件使易生成水合物的氣體組分形成水合物， 而He難以形成水合物，從而實(shí)現(xiàn)氦的分離[38,39]。 圖16為水合分離提濃+催化脫氫精制的集成工藝流程圖[39]。 采用兩級(jí)水合分離法，即一級(jí)水合脫酸氣，二級(jí)水合提氦氣。 井口天然氣經(jīng)脫除凝析油和雜質(zhì)后，通過水合反應(yīng)脫除H2S、CO2，使He、H2、CH4、N2得到提濃。 將一級(jí)水合物漿液的分解產(chǎn)物通入尾氣處理單元，氣體通入二級(jí)水合反應(yīng)器，在四氫呋喃(THF)的作用下生成CH4+N2二元水合物，使氣相中的He、H2得到提濃。 從水合分離過程II中得到的天然氣水合物漿液， 經(jīng)固液分離后進(jìn)行固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)；自反應(yīng)器II頂部引出的He、H2物流，配以定量O2，經(jīng)催化脫氫精制和脫水后得到高純氦氣。

圖16 水合法提氦工藝流程

水合分離+催化脫氫提氦法較低溫冷凝法可顯著降低制冷能耗，與變壓吸附和膜分離相比，壓力損失小、分離效率高，同時(shí)還具有簡化工藝流程、節(jié)省投資、連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景。

2.7 閃蒸法及改進(jìn)

圖17 APCI閃蒸工藝流程

圖18 Linde閃蒸工藝流程

除了深冷法，多級(jí)閃蒸分離法也是天然氣提氦的有效方法[23,40]。 在閃蒸工藝中，進(jìn)料的壓力逐級(jí)遞減， 各級(jí)閃蒸器頂部得到含有大量N2的粗氦產(chǎn)品，閃蒸器底部的液相天然氣用于預(yù)熱進(jìn)料。 粗氦產(chǎn)品的氦濃度取決于進(jìn)料的氦濃度、壓降及由此產(chǎn)生的溫度變化。 閃蒸工藝產(chǎn)品氦濃度較低，但是它比深冷法成本低。 圖17所示為APCI閃蒸工藝流程圖[20]，圖18所示為Linde閃蒸工藝流程圖[20]。

美國APCI公司2008年提出的APCI閃蒸工藝由三級(jí)閃蒸單元、單級(jí)閃蒸單元、兩個(gè)多物流換熱器及一個(gè)管殼式換熱器組成[20,41]，圖17為工藝流程圖。原料氣經(jīng)換熱、節(jié)流及閃蒸后得到粗氦、燃料氣和LNG產(chǎn)品。 APCI工藝流程簡單、氦回收率高，該工藝適用于氦含量大于0.1%的天然氣[20,41]。

Linde公司2009年提出的Linde多級(jí)閃蒸循環(huán)提氦工藝由三級(jí)閃蒸單元、兩級(jí)閃蒸單元、節(jié)流閥及換熱器組成，圖18為工藝流程圖[20,41]。 原料天然氣經(jīng)節(jié)流膨脹后進(jìn)入三級(jí)閃蒸單元， 氣相出料經(jīng)換熱進(jìn)入二級(jí)閃蒸單元進(jìn)一步提氦，得到粗氦產(chǎn)品及燃料氣。該工藝的設(shè)備少，組態(tài)簡單，氦收率較APCI工藝高。

圖19 改進(jìn)的APCI工藝流程

2016年，Mehrpooya等[20]改進(jìn)了APCI工藝和Linde工藝。改進(jìn)的APCI閃蒸工藝由四個(gè)閃蒸器和兩個(gè)多物流換熱器組成，采用三段丙烷冷卻循環(huán)來冷卻產(chǎn)品物流[42]， 工藝流程如圖19。 將原料氣 （氦含量0.05%）分為兩股，采用不同方式冷卻并混合后，經(jīng)節(jié)流降壓后進(jìn)入一級(jí)閃蒸器，頂部物流在提氦閃蒸器進(jìn)行氦氣分離，得到氦含量55.6%的粗氦。 一級(jí)閃蒸器底部物流進(jìn)入兩級(jí)閃蒸分離段，頂部出料與提氦閃蒸器的底部物流混合， 得到甲烷含量75%的燃料氣。 三級(jí)閃蒸器的底部為LNG產(chǎn)品。 改進(jìn)的APCI工藝的氦回收率顯著提高，但流程復(fù)雜，節(jié)流閥、壓縮機(jī)和多物流換熱器較多，能耗較高，火用損較大。 同時(shí)， 多級(jí)壓縮段的級(jí)間冷卻采用多物流換熱器，需外加冷源。

改進(jìn)的Linde工藝[20,43]可從含氦天然氣物流中分離出粗氦產(chǎn)品。 工藝主要由空冷器、多級(jí)氦氣壓縮機(jī)及多物流換熱器組成，工藝流程如圖20所示。 將原料氣（氦含量0.06%）分兩股，采用不同方式冷卻并混合后， 經(jīng)節(jié)流降壓進(jìn)入三級(jí)閃蒸兩級(jí)提氦單元，提氦閃蒸器頂部產(chǎn)品經(jīng)混合及壓縮得到氦含量42.2%的粗氦。 二級(jí)閃蒸器液相物流經(jīng)節(jié)流降壓后在三級(jí)閃蒸器中分離，塔頂氣相與提氦閃蒸器底部物流混合得到甲烷含量73%燃料氣， 三級(jí)閃蒸器的底部為LNG產(chǎn)品。

圖20 改進(jìn)的Linde工藝流程

該改進(jìn)的Linde工藝較Linde工藝的氦回收率高，但流程復(fù)雜，節(jié)流閥、壓縮機(jī)和多物流換熱器的火用損較大。 與優(yōu)化的APCI工藝不同的是，該工藝采用兩個(gè)閃蒸器進(jìn)行提氦操作，粗氦產(chǎn)量較大，但氦純度低于優(yōu)化的APCI工藝。 同時(shí)，產(chǎn)品氣壓縮段采用空冷器代替多物流換熱器進(jìn)行多級(jí)冷卻，較APCI工藝能耗小。

2.8 TSA+真空PSA法

美國專利[23,44]提出了一種使用變溫吸附（TSA）和真空變壓吸附（VPSA）集成的提氦工藝，工藝流程圖如圖21所示。TSA單元主要從進(jìn)料中脫除CH4和重組分， 避免VPSA單元的快速降解和飽和， 提高VPSA單元的效率和回收率。TSA單元吸附劑的選擇取決于重質(zhì)烴和其他雜質(zhì)（如H2S）。 常用吸附劑有硅鋁酸鹽HISIV3000（UOP），含γ氧化鋁的沸石ZSM-5。VPSA單元在常溫和0.48 MPa的吸附壓力下運(yùn)行，由四個(gè)吸附床層組成， 每個(gè)床層包括三層吸附劑，頂層氧化鋁床層，中間層用于去除重組分（如CH4），下層用于吸附N2， 采用高容量吸附劑如沸石CaX或LiX。Allie[44]采用該工藝從He含量小于10%的原料氣中回收氦氣，氦的回收率高達(dá)95%。

圖21 TSA+VPSA提氦工藝流程[23,44]

3 結(jié)論及建議

目前，單一的天然氣提氦技術(shù)能耗巨大，成本很高。 基于我國氦資源稀缺的情況，將多種提氦方法共同應(yīng)用的聯(lián)合法及將天然氣提氦與LNG生產(chǎn)、NRU等單元集成的方法不僅提高了氦氣的回收率及回收純度，還大幅降低了提氦的成本及整體裝置的投資，經(jīng)濟(jì)效益顯著，展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景，表1所示為文中集成的提氦方法匯總。集成提氦方法的發(fā)展對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國天然氣提氦自主化、 保障國家用氦安全具有重要意義。在集成方法的研究中，提高集成度是重中之重，也是突破口。 其次，我國也應(yīng)加快氦保護(hù)法的建立，推動(dòng)我國提氦技術(shù)的進(jìn)步。

表1 集成的提氦方法匯總