一種基于小型低溫制冷機(jī)的氖氦精制新技術(shù)

楊斌 周陽(yáng)

摘 要：本文介紹了我國(guó)首套自主研發(fā)的基于小型低溫制冷機(jī)工藝的氖氦精制裝置，闡明了該套裝置的設(shè)備特點(diǎn)和調(diào)試重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：氖氦精制裝置;小型低溫制冷機(jī)

1.前言

氖氣和氦氣皆屬于工業(yè)氣體。而工業(yè)氣體被喻為工業(yè)的“血液”。氦氣是稀有氣體產(chǎn)品鏈中重要的組成部分，可廣泛應(yīng)用于軍工、科研、石化、制冷、醫(yī)療、半導(dǎo)體、管道檢漏、超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、金屬制造、深海潛水、高精度焊接、光電子產(chǎn)品生產(chǎn)等領(lǐng)域。氖氣則是一種無(wú)色、無(wú)味、非易燃的稀有氣體。通常氖可以作為彩色霓虹燈的充裝氣體用于戶外廣告顯示;此外，它還可用于可視發(fā)光指示燈、電壓調(diào)節(jié)，以及激光混合氣成份。

在中國(guó)市場(chǎng)，氖氣與之前所述的氦氣類似，其供應(yīng)主要被跨國(guó)氣體公司壟斷（主要由法液空、美國(guó)普萊克斯、德國(guó)林德和烏克蘭公司組成），目前這4家公司控制了全球生產(chǎn)的稀有氣體產(chǎn)量的70% 以上取較高的利潤(rùn)。為減少我國(guó)氦氣、氖氣市場(chǎng)對(duì)跨國(guó)氣體公司的依賴性，國(guó)有自主研發(fā)氖氦精制新技術(shù)迫在眉睫。

2.項(xiàng)目簡(jiǎn)介

依托上海寶鋼氣體有限公司（以下簡(jiǎn)稱寶鋼氣體）充足的空分資源（粗氖氦原料氣）和中船重工鵬力（南京）超低溫技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱南京鵬力）先進(jìn)的研發(fā)技術(shù)，兩家共同開發(fā)了國(guó)內(nèi)首套基于小型低溫膨脹機(jī)的氖氦精制裝置新技術(shù)，并且成功調(diào)試出了高純度的氖氦產(chǎn)品。該項(xiàng)目于2015年開始實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)，歷時(shí)2年完成小型實(shí)驗(yàn)裝置氖氦的提取，之后于2018年正式進(jìn)入中試項(xiàng)目，自主進(jìn)行了氖氦精制裝置的設(shè)計(jì)、制造，安裝、調(diào)試，在2019年3月成功產(chǎn)出滿足要求的高純度氖氣和氦氣，目前已進(jìn)入工業(yè)化的生產(chǎn)。

3.裝置設(shè)計(jì)規(guī)格

3.1原料氣純度

原料氣來(lái)自寶鋼氣體旗下各個(gè)子公司的粗氖氦提取裝置，其純度如下：

壓力：15Mp;氖含量：40%～42%;氦含量：18%～20%;氫含量：2%～5%。

3.2 產(chǎn)品純度

氖氣產(chǎn)品純度：

氖氣含量：>99.999%×10-2（v/v）;氦氣含量：<1×10-6（v/v）

氫氣含量：<0.1×10-6（v/v）;氧氣+氬氣含量：<0.1×10-6（v/v）

氧氣+氬氣含量：<0.1×10-6（v/v）;氮?dú)夂浚?0.1×10-6（v/v）

一氧化碳含量：<0.1×10-6（v/v）;二氧化碳含量：<0.1×10-6（v/v）

甲烷含量：<0.1×10-6（v/v）;水份含量：<1.3×10-6（v/v）

總雜質(zhì)含量：<2.9×10-6（v/v）

氦氣產(chǎn)品純度：

氦氣含量：>99.999%×10-2（v/v）;氖氣含量：<1×10-6（v/v）

氫氣含量：<0.1×10-6（v/v）;氧氣+氬氣含量：0.3×10-6（v/v）

氮?dú)夂浚?.8×10-6（v/v）;一氧化碳含量：<0.1×10-6（v/v）

二氧化碳含量：<0.1×10-6（v/v）;甲烷含量：0.1×10-6（v/v）

水份含量：2.1×10-6（v/v）;總雜質(zhì)含量：<4.6×10-6（v/v）

4. 流程簡(jiǎn)述

4.1除氫干燥

由空分工廠里的輔塔出來(lái)的原料氣經(jīng)充裝后，通過(guò)集裝格或管束車的型式送至項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)100m3的緩沖罐內(nèi)儲(chǔ)存。原料氣經(jīng)過(guò)匯流排進(jìn)入除氫裝置，除氫的方法是采用鈀觸媒加過(guò)量氧進(jìn)行催化反應(yīng)，反應(yīng)溫度373～423K，反應(yīng)后的殘余含氫量小于1ppm。除氫后生成的水，用分子篩予以干燥，脫水以后的露點(diǎn)低于218K。

除氫裝置中的干燥器分別有兩套，用于相互切換再生。除氫干燥后的原料氣增壓至30bar后進(jìn)入氖氦冷箱分離純化。

4.2低溫分離和純化

基于小型低溫制冷機(jī)的氦氖提取冷箱，主要包括各溫區(qū)的換熱器、各溫區(qū)的小型低溫制冷機(jī)、液氮集液器、液氖集液器、氮吸附器、氖吸附器、氮固化器和氖固化器等。采用低溫冷凝的方法先將98%以上的氮氧等雜質(zhì)液化，剩余不到2%的氮氧利用低溫吸附和低溫固化的方法在吸附器和固化換熱器中去除;然后繼續(xù)采用低溫冷凝的方法將95%以上的氖液化，剩余不到5%的氖利用低溫吸附和低溫固化的方法在吸附器和固化換熱器去除，最終獲得高純氦。

4.3氖氦充裝系統(tǒng)

經(jīng)冷箱分離出的高純氖、高純氦分別經(jīng)產(chǎn)品壓縮機(jī)加壓至一定壓力，然后通過(guò)匯流排充裝集裝格或管束車。

4.4鋼瓶處理系統(tǒng)

利用烘干箱對(duì)產(chǎn)品空鋼瓶進(jìn)行反復(fù)的烘干、抽真空處理，達(dá)到滿足要求的充裝程度。

5. 裝置特點(diǎn)

1.除氫裝置采用二段式反應(yīng)。兩段均加過(guò)量氧反應(yīng)，經(jīng)過(guò)水冷器和冷水機(jī)組，并經(jīng)水分離器去除部分游離水，雙重保險(xiǎn)，確保除氫滿足要求。

2.冷箱撬塊采用夾層真空保溫技術(shù)，有效隔絕了熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流的冷量損失。并且對(duì)內(nèi)部管路和設(shè)備包裹多層絕熱材料，設(shè)置低溫輻射冷屏，極大的減少輻射冷量損失，通過(guò)以上措施，將整個(gè)裝置的漏熱控制在極低水平，使得利用小冷量的低溫制冷機(jī)提供冷量將至所需溫度成為可能。

3.選用南京鵬力自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)的小型GM低溫制冷機(jī)及配套氦氣壓縮機(jī)，為裝置在超低溫環(huán)境下提供所需的冷量。

4.產(chǎn)品氣管線上的所有閥門均采用隔膜閥，管道選用EP級(jí)管道，保證管道和閥門的潔凈度。選用隔膜閥和EP管道，既避免外界雜質(zhì)氣體污染，又防止不純氣體、水汽等吸附在管壁上。

5.所用氣體壓縮設(shè)備均采用隔膜式壓縮機(jī)，進(jìn)一步防止氣體污染。本項(xiàng)目采用的隔膜壓縮機(jī)采用先進(jìn)的無(wú)配油盤缸體部件結(jié)構(gòu)，降低了裝配工藝難度;減少密封面;壓縮介質(zhì)泄漏時(shí)報(bào)警，提高整機(jī)的可靠性。

6.微量氮吸附裝置采用氮?dú)馀c氦氣分別進(jìn)行吹掃和置換，減少氦氣用量。傳統(tǒng)工藝采用氦氣進(jìn)行吹掃置換，氦氣損失較大。本項(xiàng)目采用氮?dú)膺M(jìn)行預(yù)置換，有效的減少了氦氣的損失。

7.產(chǎn)品分析儀均采用國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，精確性高，穩(wěn)定性好，確保產(chǎn)品的純度真實(shí)有效。

6. 重點(diǎn)關(guān)注

1.調(diào)試前，做好管道氣密性試驗(yàn)和吹掃試驗(yàn)，保證管道已吹掃干凈并無(wú)漏點(diǎn)。開車前需采用氦檢漏儀，對(duì)管道的內(nèi)漏和外漏分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)，認(rèn)真排查各漏點(diǎn)并做好記錄。

2.采用氮?dú)饧訙匮h(huán)除氫裝置，保證反應(yīng)器達(dá)到預(yù)設(shè)的反應(yīng)溫度，同時(shí)防止有其余不純氣體進(jìn)入后續(xù)工段。

3.調(diào)試時(shí)，需密切注意各管道壓力，防止堵塞管道。第一次開車時(shí)，設(shè)備死氣不一定能去除干凈，同時(shí)前端預(yù)處理裝置也可能未完全調(diào)試好，造成進(jìn)冷箱氣體可能有水、二氧化碳等雜質(zhì)氣體。

4.調(diào)試時(shí)，需控制好各溫區(qū)的溫度，防止出現(xiàn)溫度波動(dòng)影響產(chǎn)品質(zhì)量。氖氦分離時(shí)，對(duì)溫度的控制的影響較高。

7. 結(jié)束語(yǔ)

2019年3月30日，氖氦精制項(xiàng)目順利完成調(diào)試，生產(chǎn)出合格的氖氣和氦氣，標(biāo)志著基于小型低溫制冷機(jī)的氖氦精制裝置的生產(chǎn)取得圓滿成功，實(shí)現(xiàn)了寶鋼氣體在氖氦稀有氣體領(lǐng)域里程碑式的跨越。