「化工科技前沿」探索50年中国高精度氦气提取走向世界前沿

时间: 2024-07-25 22:10:30 |   作者: 等离子表面处理

  氦的元素符号He,来源于希腊文,原意是“太阳”。氦属于惰性元素,是所有元素中最不活泼的元素,它无色、无味、无毒,不燃烧,是最难液化的一种气体,其临界温度为-267.9℃,接近绝对零度-273.15℃的低温,是人类发现临界温度最低的物质。

  氦气扩散的速率,是氮气的2.5倍,在人体中血液中和组织中的溶解度,是氮气的40%。用这种氦氧混合气,就能够尽可能的防止用氮氧混合气,出现动作失调、身体无法控制等症状。

  氦气作为一种不可再生的稀缺资源,是国家安全和高新技术产业高质量发展的重要战略性物资,大范围的应用于国防、航空航天、核工业、科研、医疗、工业等领域。氦气主要存在于天然气中,而我国属贫氦天然气气田,氦含量极低,并且直接从天然气中提取氦气成本极高,工业用氦基本全靠进口,对外依存度极高。

  氦气是空气中的稀有气体。对火箭而言,氦气有两大作用:一是对火箭燃料仓内部进行清理洗涤、净化,同时检测其密封性能如何。

  第二个作用就是,火箭燃料仓装填易燃易爆的液体燃料时,需要用高压氦气作为推力,才能确保燃料装填到位、安全。

  当火箭搭载的卫星进入太空,需要入轨调整卫星运行姿态时,会从卫星相对应部位,喷射释放出一些高压氦气,从而减轻卫星重量,实现精准入轨调姿,确保卫星传输信号和地面通信系统畅通。

  不仅天上的火箭、卫星要用到氦,在深海潜水作业时,深水潜水员下潜到深海60米以下时,他们的专用呼吸气体,就是氦气和氧气的混合气,而不是通常意义的含有氧气和氮气的空气。

  氦气大范围的应用于军工、医疗、半导体、金属制造、深海潜水、高精度焊接、光电子产品生产等多种领域,是一种稀有战略性资源,但就是这么一个稀罕物,迄今为止,唯一来源只能是从含氦的天然气中提取生产。

  更严峻的是,目前世界上含氦天然气资源主要分布在美国、卡塔尔、波兰、俄罗斯等国家,其中,美国氦气资源发现比较多,占全球总量将近60%,而且天然气中含氦量比较高,一般在1%到3%,有些甚至达到7.5%至10%;而我国的氦气资源相当贫乏,含氦天然气不仅数量少,含量还低,0.18%就算高的了。这一比例只相当于国外天然气含氦量的十分之一。

  六十年代,我国所需氦气依赖进口,由于中苏交恶,美国又对我实行封锁禁运,氮气来源中断。

  为发展国防事业,打,填补氦气生产空白,1960年4月,国家科委批准建设天然气液化提氦装置。规模为年产氦气1000立方米,日处理天然气2万立方米。保密编码为“608-2”。

  1971年3月22日,四川省石油管理局决定成立“六○八二工程指挥部”,并启用印章。地址定在威远县永高公社的桐梓堡。

  1971年7月21日,6082工程破土动工。8月29日,从重庆搬迁威远的天然气液化提氦装置安装好并投入运转。8月31日,生产出纯度为99.99%的氦气。

  那个时候条件艰苦,在生活条件上,老一辈的提氦人,都是居住在牛毛毡棚子里,一些夫妇俩都只能分开居住。而在科研条件上,连基本的科研设备、仪器都没有。他们只能就地想办法,甚至自己设计动手制造设备、改装仪器。

  第一代天然气提氦的方法就是,通过天然气的节流制冷,将天然气冷却到负190多摄氏度,这样一个时间段,天然气当中的甲烷、氮等各种组分,都液化下来,而氦还是气体,所以这样就把氦气,从天然气当中提取出来,然后经过进一步的吸附、精制,最后获得了百分之99.995以上的纯氦。

  包括我们的一些元器件,包括我们的一些设备、仪器在那么低温下还要工作,那应该来说也是动员了全国很多院校,和科研人员的力量综合在这,形成这么一套工艺,应该来说,当时打破了西方的一个技术封锁。

  1973年8月17日,四川省生产建设办公室批准六○八二化工厂为机密工厂。

  1980年5月21日,为向太平洋海域成功发射运载火箭做出了贡献,收到中央、国务院和的贺电。

  1984年4月18日,为我国第一颗通讯卫星的发射成功提供了氦气,收到中央、国务院和的贺电,并获奖金3万元。

  1989年2月27日,81名职工荣获国防科工委颁发的“献身国防科学技术事业”荣誉证书和奖章。

  1990年4月7日,为“亚洲一号”通信卫星成功发射提供氦气,这是中国承揽发射的第一颗外国商务卫星。

  1990年8月10日,中国自行设计研制的第一艘充氦载人软式飞艇在湖北省荆门市首飞成功,这里面也有威天化人的功劳。

  此外,在氦气提取生产的全部过程中,液化天然气的调节装置也有创新。由于天然气是一种多种类化合物,在这个装置里面的塔顶部分,集聚的时候,易引起天然气中的甲烷、氮等多种物质的重组分集聚,造成天然气的温度、质量等工况不稳定,影响氦气的提取。未解决这个难题,科研人员还为此做了一项重大发明。

  新的方法就是在塔顶,取出了部分产品液化天然气,就避免了重组分在上面集聚;同时这部分产品,我们还可当作副产品对外销售,实现一定的经济效益。

  2012年,该项技术获得国家科技发明专利,提取的氦气纯度最高达到99.9999%,简称6个9的超高纯氦!达到世界领先水平,多次获得的嘉奖。

  为拓展业务需要,工厂于1996年从四川威远县迁往成都市双流县华阳镇,同年9月核准更名为四川石油管理局成都六菱化工厂,1999年企业重组后,将四川石油管理局成都六菱化工厂的主要生产经营装置、资产及有关人员划出,新组建为中国石油西南油气田分公司成都天然气化工总厂。

  工厂生产的纯氦优等品(4N5),自批量生产起从始至终保持着部、省高品质的产品称号,曾三次受到中央、国务院、的通电嘉奖,1993年被四川省人民政府命名为首届“四川名牌产品”;高纯氦(5N)合格品,于1991年获化学工业部高品质的产品称号,产品质量从始至终保持国内、国际领先水平,该系列新产品曾多次为卫星发射、潜艇下水、火箭试验等国防、军工事业做出重大贡献。甲烷气、氮气、氩气及特种混合气等系列新产品,大范围的应用于科学研究、微电子工业、光纤生产、仪器检测等领域,因产品质量稳定优良,深受顾客的信赖。

  目前,成都天然气化工总厂现在仍然是我国唯一从事天然气液化提氦的专业生产厂。科技的创新、进步,也大大简化了提氦的工艺流程,曾经需要500人的一个工艺现在只需要50人,生产效率大幅度提高。不仅如此,现在科学技术人员正在抓紧研制第五代提氦技术,将天然气中含量更低的氦提取出来。

  成都天然气化工总厂提氦技术研究员黄晶:通过膜分离之后,0.03%的氦气已经提浓到0.2%,将近提浓了十倍左右。这部分含氦天然气就能够继续作为原料气,进入我们的荣县提氦厂进行利用了。这个水平,应该属于国内国际上,一个领先的水平。

  四。大规模高精度的氦气工厂宁夏盐池国产首台套BOG提氦装置示范项目通过技术鉴定

  据中国科学院2020年7月声明称,由中科院理化研究所与中能北汽合作成功建成中国首个商业化生产氦气的工厂,该厂位于宁夏省盐池县的一个天然气加工厂内。氦气厂除了进行大规模生产外,还将进行氦气的提纯和液化等有关技术的研究。

  预计能轻松实现年产液态氦气20吨,造价成本约为3000万到5000万之间,投资金额相对低廉。

  虽然相对于中国每年的液态氦气需求4300吨,还只是一个零头,但是如果这一完成建成并按照预期实现生产,那么,中国可以扩建多个这样的氦气场,实现国内氦气的自给自足是有可见预期的。

  2020年10月17日,依托中科院理化所技术,由北京中科富海低温科技有限公司、宁夏深燃众源天然气有限公司共同开发的“BOG提氦装置示范项目”在宁夏盐池现场通过技术成果鉴定。国内首条液氦生产线即将实现投产。本项目在国内首次实现BOG制取液氦产品的示范运行,填补了国内空白。

  该项目将为我国战略氦资源开发与保障提供新的思路,对于提升天然气综合利用效率、LNG工厂经济效益,保障国内氦气供应、节约宝贵的氦资源,捍卫国家氦气战略安全等具备极其重大意义。本项目LNG-BOG低温提氦装备在宁夏盐池商业化成功示范运营,不但实现了大型低温装备全国产化,打破国外技术壁垒;同时在保障现有LNG工厂安全稳定生产基础上,降低运行成本、实现经济性突破,深受LNG工厂业主认可,对于大鄂尔多斯地区其他LNG工厂复制BOG提氦项目提供了重要借鉴。中科院理化技术研究所、北京中科富海低温科技有限公司和宁夏深燃众源天然气有限公司的相关领导都表示,将加快推进BOG提氦生产线运营投产,加速布局深燃众源二期和其他LNG工厂BOG提氦项目,为我国战略氦资源的进口替代做出重要贡献。

  中科富海作为中科院理化所大型低温技术成果转化的公司,在创建伊始便将解决国家战略氦资源卡脖子问题作为公司核心使命之一;2016年积极提出BOG提氦项目同宁夏深燃众源天然气有限公司达成初步合作意向;2018年真正开始启动BOG提氦项目研发攻关;2020年7月依托中科院理化所核心技术,中科富海与深燃众源项目组人员经过两年多的不懈努力,打通BOG提氦联调全流程,顺利产出液氦产品,全面达到设计的基本要求。10月15日-17日成功召开“BOG提氦装置示范项目”技术鉴定会议。

  2020年11月13-14日,四川空分设备(集团)有限责任公司自主研发的“大型液化天然气装置闪蒸气提取高纯氦技术开发及工业示范”项目在内蒙鄂尔多斯杭锦旗现场顺利通过科技成果鉴定,鉴定委员会认为:该装置是国内首套年产百万方级氦气的液化天然气闪蒸气提氦装置,其主要性能指标达国际先进水平。

  经质询讨论,形成如下鉴定意见:四川空分集团开发的“大型液化天然气装置闪蒸气提取高纯氦气”技术及装置,性能指标先进、综合能耗低,高纯氦气纯度达99.9997%。建成了国内首套年产百万方级氦气的液化天然气闪蒸气提取高纯氦气工业示范装置,并一次开车成功,运行稳定、安全可靠,各项性能指标达到设计的基本要求。通过本次鉴定会,与会专家组一致认为四川空分集团技术力量强,工艺装备和试验检验测试条件先进,质量体系完善,具备大型液化天然气装置闪蒸气提取高纯氦气技术产业化条件。开发的“大型液化天然气装置闪蒸气提取高纯氦技术开发及工业示范”科技成果,其主要性能指标达到国际领先水平,具有自主知识产权,对稳定我国氦气战略资源供应有重要意义,经济效益与社会效益显著,应用推广前景广阔。

  基于我国氦气资源匮乏与需求激增的矛盾,以及进口氦气资源不稳定的外部环境,如何结合我国贫氦天然气资源,从天然气中高效提取氦气,保障我国的国防军工以及高新技术产业的氦气需求,是一个亟待解决的重大课题。四川空分设备(集团)有限责任公司敏锐地抓住这一契机,于2015年起开始立项研发“大型液化天然气装置闪蒸气提取高纯氦技术”;2016~2018年开展关键技术探讨研究和实验,完成样机研制,突破多项关键技术,获得4项国家专利;2019~2020年,完成国内首套BOG提氦工业示范项目建设;2020年8月,该装置一次性开车成功,装置已达产稳定运行3个月以上,各项技术指标先进,氦气年产能可达100万方。

  四川空分集团通过大型液化天然气装置闪蒸气提取高纯氦技术开发及示范装置建设运行,开发出适合于从我国贫氦天然气资源中高效提取氦气的自主专利技术,该技术可在国内大型LNG装置中推广应用;对我国氦气产业产生变革性影响,为我国国防军工、航空航天及高新技术产业的氦气战略资源提供了有力保障;同时有效提升了LNG工厂的综合竞争力,促进国内LNG产业发展。

  内蒙古雅海60万吨液化天然气项目所在的气田为苏里格气田,是我国目前第一特大型天然气气田,根据相关机构提供的检测报告,该地区天然气中含有特殊的比例的氦。

  据了解,苏里格气田的探明储量大概为6025亿立方米,其体量相当于一个6亿吨的大油田,可见规模之宏大;正因为该气田储量大、品位高,所以成为了国家“西气东输”工程的重要气源。

  深冷股份10月28日在投资者互动平台表示,公司控制股权的人变更为四川交投实业有限公司后,公司拟订了新的发展的策略并按照集团整体部署正在拟订“十四五规划”,拟全面推动交通装备制造服务、深冷技术装备制造服务、绿色能源开发利用、气体投资运营四大业务平台协同发展。公司于今年9月与内蒙古雅海签署了《战略合作备忘录》,计划投资建设并运营氦气提取及精炼装置,目前正着手项目立项备案及其他投资相关的前置程序;公司与控制股权的人签署的《战略合作备忘录》项下综合能源站建设正有序推进中。

  四川深冷股份2021年12月10日公告,公司与雅海能源在氦气提取领域开展深入合作,雅海能源作为气体供应方,公司出资组建项目公司作为BOG提氦装置的投资主体。同时,公司拟与雅海能源签订《内蒙古雅海60万吨LNG项目BOG提氦装置合作协议》。项目公司注册资本5000万元,其中深冷公司认缴出资3750万元,持股75%。根据雅海能源提氦装置项目的初步投资测算,预计投资8500万元(含配套流动资金),项目静态投资回收期(所得税后)预计4.39年