一種基于小型低溫制冷機的氖氦精制新技術

楊斌 周陽

摘 要：本文介紹了我國首套自主研發的基于小型低溫制冷機工藝的氖氦精制裝置，闡明了該套裝置的設備特點和調試重點。

關鍵詞：氖氦精制裝置;小型低溫制冷機

1.前言

氖氣和氦氣皆屬于工業氣體。而工業氣體被喻為工業的“血液”。氦氣是稀有氣體產品鏈中重要的組成部分，可廣泛應用于軍工、科研、石化、制冷、醫療、半導體、管道檢漏、超導實驗、金屬制造、深海潛水、高精度焊接、光電子產品生產等領域。氖氣則是一種無色、無味、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，它還可用于可視發光指示燈、電壓調節，以及激光混合氣成份。

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

2.項目簡介

依托上海寶鋼氣體有限公司（以下簡稱寶鋼氣體）充足的空分資源（粗氖氦原料氣）和中船重工鵬力（南京）超低溫技術有限公司（以下簡稱南京鵬力）先進的研發技術，兩家共同開發了國內首套基于小型低溫膨脹機的氖氦精制裝置新技術，并且成功調試出了高純度的氖氦產品。該項目于2015年開始實驗室的研發，歷時2年完成小型實驗裝置氖氦的提取，之后于2018年正式進入中試項目，自主進行了氖氦精制裝置的設計、制造，安裝、調試，在2019年3月成功產出滿足要求的高純度氖氣和氦氣，目前已進入工業化的生產。

3.裝置設計規格

3.1原料氣純度

原料氣來自寶鋼氣體旗下各個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 產品純度

氖氣產品純度：

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）;氮氣含量：<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）

總雜質含量：<2.9×10-6（v/v）

氦氣產品純度：

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）

氮氣含量：0.8×10-6（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）;總雜質含量：<4.6×10-6（v/v）

4. 流程簡述

4.1除氫干燥

由空分工廠里的輔塔出來的原料氣經充裝后，通過集裝格或管束車的型式送至項目現場100m3的緩沖罐內儲存。原料氣經過匯流排進入除氫裝置，除氫的方法是采用鈀觸媒加過量氧進行催化反應，反應溫度373～423K，反應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的氦氖提取冷箱，主要包括各溫區的換熱器、各溫區的小型低溫制冷機、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

經冷箱分離出的高純氖、高純氦分別經產品壓縮機加壓至一定壓力，然后通過匯流排充裝集裝格或管束車。

4.4鋼瓶處理系統

利用烘干箱對產品空鋼瓶進行反復的烘干、抽真空處理，達到滿足要求的充裝程度。

5. 裝置特點

1.除氫裝置采用二段式反應。兩段均加過量氧反應，經過水冷器和冷水機組，并經水分離器去除部分游離水，雙重保險，確保除氫滿足要求。

2.冷箱撬塊采用夾層真空保溫技術，有效隔絕了熱傳導、熱對流的冷量損失。并且對內部管路和設備包裹多層絕熱材料，設置低溫輻射冷屏，極大的減少輻射冷量損失，通過以上措施，將整個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提供冷量將至所需溫度成為可能。

3.選用南京鵬力自主設計生產的小型GM低溫制冷機及配套氦氣壓縮機，為裝置在超低溫環境下提供所需的冷量。

4.產品氣管線上的所有閥門均采用隔膜閥，管道選用EP級管道，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.所用氣體壓縮設備均采用隔膜式壓縮機，進一步防止氣體污染。本項目采用的隔膜壓縮機采用先進的無配油盤缸體部件結構，降低了裝配工藝難度;減少密封面;壓縮介質泄漏時報警，提高整機的可靠性。

6.微量氮吸附裝置采用氮氣與氦氣分別進行吹掃和置換，減少氦氣用量。傳統工藝采用氦氣進行吹掃置換，氦氣損失較大。本項目采用氮氣進行預置換，有效的減少了氦氣的損失。

7.產品分析儀均采用國外進口設備，精確性高，穩定性好，確保產品的純度真實有效。

6. 重點關注

1.調試前，做好管道氣密性試驗和吹掃試驗，保證管道已吹掃干凈并無漏點。開車前需采用氦檢漏儀，對管道的內漏和外漏分別進行監測，認真排查各漏點并做好記錄。

2.采用氮氣加溫循環除氫裝置，保證反應器達到預設的反應溫度，同時防止有其余不純氣體進入后續工段。

3.調試時，需密切注意各管道壓力，防止堵塞管道。第一次開車時，設備死氣不一定能去除干凈，同時前端預處理裝置也可能未完全調試好，造成進冷箱氣體可能有水、二氧化碳等雜質氣體。

4.調試時，需控制好各溫區的溫度，防止出現溫度波動影響產品質量。氖氦分離時，對溫度的控制的影響較高。

7. 結束語

2019年3月30日，氖氦精制項目順利完成調試，生產出合格的氖氣和氦氣，標志著基于小型低溫制冷機的氖氦精制裝置的生產取得圓滿成功，實現了寶鋼氣體在氖氦稀有氣體領域里程碑式的跨越。