光纖冷卻管氦氣循環利用方法的研究

羅　輝，黃　衛

(1.中國電子科技集團 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利用方法的研究

羅輝1，2，黃衛2

(1.中國電子科技集團 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，生產成本提高。文中通過對膜分離提純法以及光纖生產工藝流程的分析研究，提出了一種基于膜分離技術的全自動在線式提純方案，詳細闡述了提純工藝流程，并進行經濟效益的分析。

氦氣提純；膜分離；光纖

1　概　述

氦氣是一種戰略稀缺資源，廣泛應用于國防軍工、科研、航空航天、制冷、醫療、光纖、檢漏、低溫超導、深海潛水、高精度焊接生產等領域。

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重不均。美國是世界上氦資源最豐富的國家，其天然氣氦含量比較高。而我國現有天然氣氦含量極低，屬貧氦天然氣。氦資源的匱乏和生產成本高等因素，導致我國不得不從美國、俄羅斯和卡塔爾等大量進口所需的氦資源。隨著我國國民經濟的發展，對氦資源的需求量也越來越大，一旦氦氣難以進口，必將在大范圍內影響我國的國防安全和經濟發展。

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導熱氣體和光纖冷卻用氣體。而氦氣是一種稀缺資源，因此價格昂貴。通過減少氦氣使用量，可降低光纖的生產成本。

本文提出了在不影響生產效率和產品品質的前提下，實現光纖冷卻管內氦氣的循環利用，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混合氣體中各組分在壓力的推動下透過膜的滲透速率不同，從而達到分離的目的。

首先，氣態在膜的上游側表面吸附溶解；然后，溶解在膜表面的氣體在壓力的作用下，進一步在膜主體內擴散；最后，膜下游側表面的氣體解吸。溶解能力越強及擴散速度越快，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。

膜法分離相對于其他氣體分離方法有著很多優點：

1.工藝流程簡單，設備少，操作方便，停開機靈活；

2.一般無相變，動力及傳動設備少，耗電低，占地面積小；

3.無二次污染，不會對環境造成傷害。

圖1　各種氣體透過膜的快慢示意圖

3　光纖領域氦氣循環利用的現狀

在光纖的生產制造過程中，在預制棒、加熱爐、光纖冷管三個部位，需要用到大量的氦氣。目前，國內很多光纖企業，都無法回收生產過程中消耗的氦氣，基本都是直接排放大氣。近年來，隨著氦氣市場價格的波動，很多光纖企業開始嘗試氦氣回收和提純。但是在光纖生產過程中，氦氣的使用大多在一個開放的環境中，回收困難；同時，一些傳統的氦氣提純方法，例如深冷法、變壓吸附法，它們的系統比較復雜，能耗高，而且占地面積大，不適用于集約化的工業領域。有些光纖企業僅做氦氣回收，以廢氣的形式出售給氣體經銷商，但是廢氣的價值不高，收益有限。

而隨著膜分離材料技術和膜組件研發的日趨深入和完善，膜分離法在氣體提純領域的應用范圍也越來越廣。面對光纖領域，膜分法分離提純氦氣法具有性能可靠穩定、使用經濟、操作簡單等優勢，同時，最大限度降低了對光纖生產企業現場的改造。目前，國內很多光纖企業開始嘗試光纖冷卻管氦氣循環利用的方法，并且有很多成功案例。

4　膜分法氦氣循環利用設備的組成和工藝流程

4.1設備主要技術

設備主要技術指標如下：

進氣氦氣純度：≥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；設備回收率：≥80%；設備實現全自動運行。

4.2設備組成及工作原理

4.2.1氦氣回收增壓單元

通過特殊的氦氣回收裝置，將光纖冷卻管中的氦氣進行回收。回收的氣體為氦氣和空氣的混合氣體，分別經過流量計和純度分析儀，測定混合氣體的流量和純度，并經過壓縮機升壓，供給后續單元使用。

4.2.2壓縮氣體預處理單元

經過壓縮的氦氣混合氣體，溫度非常高，需要先經過散熱器散熱，然后經過油水分離器，將混合氣體中夾雜的油霧、水氣進行初步分離，再經過降溫冷凝進一步除水，最后經精密過濾器過濾。經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

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

4.2.4供氣單元

經提純后的氦氣，并經純度分析儀檢測合格后氣體匯集到儲罐內緩沖穩壓，再持續不斷供給光纖冷卻管使用。同時，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充到儲罐內，彌補損失的氦氣。

4.2.5控制單元

負責對系統各個關鍵點的壓力、溫度、氣體純度進行監控，實現設備與光纖生產線的通信，根據生產狀況，控制設備的自動開停機。另外，對光纖生產線的用氣總量、設備的回收氣體的總量以及設備提純氣體的總量進行統計記錄，提供經濟效益分析的有效數據。

4.3設備工作流程

如圖2所示，設備從具備回收條件的光纖冷卻管中回收的氦氣，預處理之后，提純到指定純度，并加壓至工作壓力，供給光纖冷卻管使用；如果氦氣純度未達到指標，則通過電磁閥切換，將氦氣返回到壓縮機前端，重新提純。提純設備根據生產線氦氣用量的信號，自動控制設備的啟停。

圖2　氦氣循環利用工藝流程

4.4膜分氦氣循環利用設備在光纖領域的優勢

1. 設備提純性能穩定，可靠保證氣體純度在99%以上；

2. 設備損耗小，回收效率高，氦氣的回收率能達到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罐，既減少占地面積，又降低制造成本；設備長寬高為1200 mm×1100 mm×1700mm。

圖3　設備樣機

5. 設備現場安裝簡單，基本不需要對現有設備進行改造，氣體回收工裝的安裝不會對拉絲操作流程有任何影響；

6. 設備實現智能控制，24 h自動運行，不需要安排專人操作；

7. 設備結構簡單，使用維護方便。

4.5膜分離氦氣循環利用設備的不足

氦氣純度進一步提高的難度比較大，成本比較高，因此其應用領域受到一定限制，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用，但是可以在設備后端再加一臺高純設備，進行二次提純。

5　運行成本與經濟效益的分析

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，壓縮機的功率為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、PLC等控制元件，總體功率可按照4 kW計算。工業用電電價按1.025元/(kW·h)計算，于是可以得到設備滿負荷運轉時，每小時的用電費用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進行計算，則一臺設備可以同時對10條冷管進行氦氣回收提純作業，經過在用氦單位運行的實踐數據統計分析的結果可以得到，整體回收率在70%以上，則設備每小時可以回收提純并供到生產線上的氣體量Q為：

Q=8L/min×10×70%×60=3360 L/min

=3.36 m3/min

氦氣目前的市場價格按照90元/m3計算，則設備每小時的收益M為：

M=3.36m3/min×90元/m3=302.4元

由以上計算結果，可計算設備每小時的經濟效益E為:

E=302.4-4.1=298.3(元)

由此可見，設備經濟效益是非常顯著的。

6　結束語

本文針對光纖冷管的工況以及對氦氣的要求，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，簡化設備復雜程度，降低設備能耗，實現全自動控制的功能，并實現了設備全自動運行，大大提高設備的經濟效益，完全符合工業生產的需求。該類型的設備已在多家用氦單位運行，經實踐驗證，取得了良好的結果。

同時，解決如下關鍵難題：

1. 突破了將低壓膜分離器應用于中壓系統的技術瓶頸；

2. 解決如何在開放環境中，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. 實現設備之間順暢的信息通訊和全自動控制；

5. 由于膜分離提純設備結構簡單，能耗低，運行穩定，可作為高純氦提純設備的前級提純，不僅可以大大降低高純氦提純設備的能耗，同時也能為高純提純設備提供一個穩定的工況環境，大大提高設備運行穩定和可靠性。

膜分法氦氣循環利用設備的應用，降低光纖生產企業的氦氣消耗量，降低光纖的生產成本，同時也盡可能減小國際市場因氦氣資源緊張對國內光纖價格的影響，具有較大的穩定市場的意義。

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

[2] 張寧，胡忠軍，李青. 全球氦氣供求形勢及其回收利用[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]. 膜科學與技術,1994,14(4):53-57.

含有二溴甲烷的電光源氣的配制方法

申請(專利)號：201610047775.3

公開(公告)日：2016-06-08

申請(專利權)人：保定市北方特種氣體有限公司

摘要：本發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品鋼瓶中，最后充裝平衡氣至產品壓力P，混勻，經計算得到產品實際濃度，完成配制，所用平衡氣為氙氣或氪氣。本發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標的問題，顯著提高含有二溴甲烷的電光源氣產品的合格率和產品濃度的均一性。

一種金屬氫化物儲氫裝置

申請(專利)號：201620077093.2

公開(公告)日：2016-08-17

申請(專利權)人：北京科技大學

摘要：本實用新型涉及氫氣儲運技術領域，提供了一種金屬氫化物儲氫裝置，包括罐體、進氣管、出氣管、抽真空管、循環水單元、細徑銅網、金屬氫化物儲氫合金粉、壓力計表；循環水單元包括進水管、出水管、循環水管道、循環水泵；細徑銅網呈層狀布置于罐體內，且均與循環水管道連接；金屬氫化物儲氫合金粉置于相鄰層的細徑銅網之間；進氣管、出氣管、抽真空管位于罐體內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置有閥門；壓力計表與罐體內部連通；進氣管、出氣管、抽真空管、壓力計表與罐體連接管內均設置有過濾器網。本實用新型的有益效果為：結構簡單、吸放氫和熱傳導效率高，罐體不易開裂，適于推廣應用。

測定氫氣及含氫氣體中氧含量與水、

氧含量一體化測定的方法

申請(專利)號：201510009186.1

公開(公告)日：2015-04-29

申請(專利權)人：中昊光明化工研究設計院有限公司 大連三達氣體凈化技術有限公司

摘要：本發明涉及一種測定氫氣及含氫氣體中氧含量與水、氧含量一體化測定的方法，其屬于分析測試的技術領域。該方法首先利用化學反應將氣體產品中氧氣定量轉化為水，然后使用水分(濕度)傳感器測定氣體中水分(濕度)含量并換算得到氧氣含量。通過氣路組合，使用同一個水分(濕度)傳感器，可以實現氣體中水、氧含量的一體化測定。將水分(濕度)傳感器應用于氧含量測定，可以大大延長氧分儀的使用壽命。將水、氧含量測定組合在一臺設備中，不僅簡化分析操作，且成倍地降低了儀器的校準、運行和維護成本。

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，中國電子科技集團第十六研究所，主要從事工業氦氣循環利用裝備的研發與應用。聯系方式：18119695039。