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氦( he )在整个宇宙中是含量仅次于氢的气体,按质量计达23% 。但氦在地球中含量极少,空气中氧的含量仅为5×10-6 ,不具备工业提取价值,因此从富氦天然气巾提取是目前唯一的获取氨的方法。
氦气的许多特殊性质决定了它在很多领域发挥了不可替代的作用。氦气是仅次于氢的第二轻的气体,且不可燃, 是用做气球飞艇等载气的理想气体;氦气的分子尺寸最小,可用做检漏;氦具有非常高的比热乎和导热性能,可在光纤生产中做气态冷却介质;氦气具有较低的溶解性,可用作深海潜水的呼吸气;氦气的沸点最低, 是低温超导领域的必须介质。
由于氦气的低沸点及惰性,氦气在以液氢为燃料的航天运载火箭发射工程中被广泛用于管路安全置换、火箭贮箱安全置换和飞行过程中火箭贮箱的增压补气以及部分低rm邮件的安全吹除。
氦气资源在世界范围 内的分布非常不平均,美国是世界上氦资源最丰富的国家,氦气生产厂家最多的国家。虽然已大规模开采60 多年,但氦气藏量仍占世界总储量的40% 以上。根据美同地质调查局2009 年的调查报告: 美同、阿尔及利亚、卡塔尔和俄罗斯拥有世界89% 的氦资源。
美国的氦气资源预计约200 亿m3,卡塔尔100 亿m3,阿尔及利亚82 亿m3 ,俄罗斯68 亿m3,加拿大20 亿m3,中国11亿m3,波兰3 亿m3。而截至到2010 年,己探明的剩余氮气储量,美国为40 亿m3,阿尔及利亚为18 亿m3 ,俄罗斯为17 亿m3,波兰为0.33 亿m3 。
世界范围内氦气资源的品质差异也非常大,世界氦产量最大的美国中东部地区的天然气中氦气平均含量约为0.8 % ,个别天然气田中高达7.5 % , 而国内现有的天然气田的天然气氦含量极低,间贫氦天然气,氮含量最高的威远天然气田氦含量也仅为0.2% 。
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含氦气源中的h s、co。、水分,甚至汞等杂质在进入低温装置前须净化处理,以免在低温下使管道、阀门和设备产生堵塞、腐蚀和恶化工艺条件。
常用的酸气脱除方法有:醇胺法、热钾碱法、砜胺法。提氦工艺对天然气中h。s、co。残留量要求是:h2s≤4 ppm[1 ppm—m/22.4(mg/m。),m 为分子量,下同],co。≤ 100 ppm。鉴于提氦效益考量,应优选有利于降低提氦成本的脱除方法。
脱水工艺方法:天然气提氦一般选择分子筛来精脱水,脱水深度要求小于1 ppm,同时进一步吸附脱除残余酸性气体。脱汞工艺方法:hgsiv脱汞分子筛可以再生并循环使用,但设备和控制复杂;而浸硫活性炭不能循环使用,需定期更换,但设备和操作简单。
天然气经二次冷凝后制得氦含量为6o ~7o的粗氦,冷凝所需冷量由常压液甲烷、常压液氮或负压液甲烷供给。一次冷凝要求无乙烷以上的馏分,二次冷凝要求甲烷含量小于1 。同时釜液液烃中的氦含量要小于10 ppm,以提高氦气回收率。
天然气中较难液化的氢随着氦气的提浓被浓缩在粗氦中,需要在精制前将其除去。工业上一般采用催化氧化脱氢法,储氢合金等脱氢工艺也在发展中。小于10 ppm 的残留氢在其后的高压冷凝吸附过程中与氮、少量的甲烷等其他杂质同时除去。冷源一般由常压液氮提供,可制得纯度99.99 以上的高纯氦气。其他精制法如洗涤吸收法, 甲烷、丙烷等天然气组分均可作为吸收剂。