一种从管道天然气中回收氦气的方法和装置与流程

本发明属于氦气回收技术领域，特别是涉及一种从管道天然气中回收氦气的方法和装置。

背景技术：

氦气是一种无色无味的惰性气体，被广泛应用于光纤、半导体、医疗、国防等诸多领域，是一种不可再生的稀缺性战略资源。氦气用途广、用量大，但获取来源却有限，空气中氦含量约为5ppm，不具备提取价值，目前主要来源于天然气开采中的伴生氦气回收。

我国是典型的贫氦国，天然气伴生氦含量普遍在200～600ppm之间，直接从天然气中回收提取氦气面临技术复杂、成本高、经济性不突出等问题，导致我国所用氦气对进口的依赖度超过95％，2018年后每年约进口3000万立方米以上，我国贫氦的现状严重制约国防和国民经济发展。

相对于美国、卡塔尔、俄罗斯等国天然气含氦量普遍1000ppm以上，我国天然气含氦量普遍较低。然而我国是典型的能源消耗大国，有典型的榆林-内蒙、青海、新疆、川渝等几大气区，天然气储量、开采量较为巨大。

我国现在所开发的lng液化过程中的bog气回收氦气技术和装置已经有2-3套开车并产出合格的高纯氦气，普遍采用低温分馏工艺。然而在bog气中氦气含量被浓缩十倍以上，所涉及的技术较为简单。更为重要的是，我国lng液化厂相对于庞大的天然气开采量占比较小，即使国内所有液化厂均开展回收氦气项目所生产的氦气也仅占我国每年消耗氦气的20～30％，依然缺口较大。因此开展管道天然气回收氦气的研究意义重大，也是解决我国氦气供给自足的唯一方法和途径。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可以直接用于处理300ppm以上的管道天然气并从中获得高纯氦气的从管道天然气中回收氦气的方法和装置。

本发明提供的一种从管道天然气中回收氦气的方法，其是先将管道天然气通过浓缩工艺进行浓缩，从300～500ppm浓缩到20％(体积)以上；然后再将浓缩后的管道天然气经过提纯回收工艺提纯。

本发明还提供了一种从管道天然气中回收氦气的装置，其包括氦气浓缩系统以及氦气提纯回收系统；所述氦气浓缩系统包括连接管道天然气引出管的一级膜分离组件以及与一级膜分离组件相连接的多级膜分离组件；所述管道天然气引出管与一级膜分离组件之间设有脱重烃的填料塔；所述氦气提纯回收系统包括通过输气管路依次连接的变压吸附提纯装置、氢氦分离装置、脱氢装置和变温吸附tsa提纯装置；所述变压吸附提纯装置连接多级膜分离组件。

本发明是将来自天然气输气管道的原料天然气经脱重烃处理后调压进入一级膜分离组件。一级膜分离组件的非渗透尾气相对于原料天然气压降较小，可直接返回管道并输送至下游用气。一级膜分离组件渗透气连接至压缩机，经压缩机增压后进入多级膜分离组件。多级膜分离组件的渗透气经过增压泵增压后送入变压吸附提纯装置，出变压吸附提纯装置的粗氦气进入氢氦分离装置，氢氦分离装置的出口连接脱氢装置和变温吸附(tsa)提纯装置，经变温吸附(tsa)提纯装置获得高纯氦气。其中多级膜分离组件、变压吸附提纯装置、氢氦分离装置所产生的尾气或者再生气返回储罐，经压缩机增压、调压后返回输气管道，从而减少管道输送气量的损耗。

本发明针对我国含氦量≥300ppm的管道天然气，先通过多级膜分离组件将其浓缩至氦含量20％(体积比)以上，极大拓展了氦气的来源，而不局限于当前从lng液化过程中形成的具有较高氦含量的冷箱不凝气或bog气中回收氦气。本发明再通过变压吸附提纯装置、氢氦分离装置及变温吸附提纯装置等从管道天然气中直接获得了高纯的氦气。本发明不同于低温分馏工艺，而是采用复合工艺，对天然气中氦气含量波动适应能力较强，是一种普适的氦气浓缩和提纯工艺，可以直接用于处理300ppm以上的管道天然气并获得高纯氦气。本发明涉及天然气回收氦气技术领域，可应用于天然气输气管道、天然气净化站、天然气增压站、天然气调输站、井口天然气等回收制取高纯氦气。

附图说明

图1为氦气浓缩系统结构示意图。

图2为从管道天然气中回收氦气的装置整体结构示意图。

图中：601一级膜分离组件，602压缩机，603、605多级膜分离组件，604压缩机，606压缩机、607变压吸附提纯装置，608氢氦分离装置，609脱氢装置，610变温吸附提纯装置，t611储罐，612填料塔。

具体实施方式

下述是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。

本发明采用了一种从管道天然气中回收氦气的方法，其是先将管道天然气通过浓缩工艺进行浓缩，可将氦气含量300～500ppm的管道天然气浓缩到氦气含量20％(体积)以上；然后再将浓缩后的管道天然气经过提纯回收工艺提纯。

本发明为实现上述回收氦气的方法采用了一种装置，其包括氦气浓缩系统以及氦气提纯回收系统；氦气浓缩系统包括连接管道天然气引出管的一级膜分离组件601以及与一级膜分离组件601相连接的多级膜分离组件；其中，多级膜分离组件采用相串联的二级膜分离组件603和三级膜分离组件605。二级膜分离组件603的气体入口端连接一级膜分离组件601的渗透气出口端，二级膜分离组件603的渗透气出口端连接三级膜分离组件605的气体入口端。同时，在管道天然气引出管与一级膜分离组件601之间设置脱重烃的填料塔；本发明的装置中，还包含有氦气提纯回收系统，其具体包括通过输气管路依次连接的变压吸附提纯装置607、氢氦分离装置608、脱氢装置609和变温吸附tsa提纯装置610；其中，变压吸附提纯装置607进口端连接到三级膜分离组件605的渗透气出口端。

具体的，如图2所示，本发明先是将管道天然气先经填料塔处理析出脱除c6+重烃后调压送入一级膜分离组件601进行一级分离。填料塔脱除c6+重烃采用常用天然气重烃脱除吸附法，其中的填料可采用吸附剂如分子筛、硅胶和活性氧化铝等。一级膜分离组件601非渗透气与入口原料气压差不超过0.5mpa，一级膜分离组件601入口压力是渗透气侧压力的5倍以上。从一级膜分离组件601出来的渗透其经压缩机604增压后依次送入二级膜分离组件603、三级膜分离组件605进行多级膜分离，使得最终膜分离后渗透出来的粗氦原料气含氦量达到20％以上。二级膜分离组件603、三级膜分离组件605的尾气返回t611并经压缩泵602增压返回输气管道。其中二级膜分离组件603和三级膜分离组件605是有机串级工艺，可以在二级膜分离组件603/三级膜分离组件605之间增加一级压缩泵，也可以不增加。一级膜分离组件601、压缩机604、二级膜分离组件603、三级膜分离组件605及压缩机606有机耦合，通过调压，依靠各级膜分离组件尾气端安装的背压阀或者其他调压装置调节各级膜分离组件的入口侧和渗透气侧的压力比。控制一级膜分离组件601、二级膜分离组件603和三级膜分离组件605的入口压力和渗透气侧压力比≥5(压力比越大越易于渗透气的获取，一般可选择压力比在5-30之间)，从而可以把管道天然气中氦气含量从≥300ppm浓缩至氦气含量≥20％的原料粗氦。该浓缩系统为后续获得高纯氦气提供了具有较高氦含量的基础原料气，拓展了氦气的来源。

本发明采用的膜分离组件采用常用的高分子中空纤维膜，膜材料通常为聚砜、聚酰胺等高分子聚合物材料。预处理的原料气高压下送入一级膜分离组件，小分子如氦气、氢气可以通过膜，形成低压侧出口的渗透气，而大分子如甲烷、氮气等则会滞留形成高压侧出口的非渗透气，非渗透气由于压降不大，则可返回送入管道。当然，本发明中的膜分离组件不局限于本实施例所采用的三级串联方式，为获得较高粗氦含量可以采用更多级的膜分离组件，但考虑经济性，优选三级串联为佳。另外，如果能将一级膜分离组件601的气温维持在50～60℃也可以有助于最终获得的原料粗氦含量的提高，而将二级膜分离组件603和/或三级膜分离组件605气温维持在50～60℃似乎并无明显提高。

以上经多级膜分离后获得的原料粗氦再经过增压泵606增压后送入变压吸附(psa)提纯装置607进行吸附提纯，可获得≥98％的粗氦(包括氢)。经过吸附提纯得到的粗氦气送入氢氦分离装置608进行氢氦分离，然后再送入脱氢装置609进行脱氢处理。粗氦进入氢氦分离装置608中分离出来大部分的氢返回储罐t611，少量的氢在脱氢装置609中进一步转化成水，从而实现深度脱氢的目的。最后再送入变温吸附tsa提纯装置610获得回收的高纯氦气。二级膜分离组件603、三级膜分离组件605、变压吸附提纯装置607和氢氦分离装置608所产生的尾气或者再生气返回储罐t611，经压缩机602增压、调压后返回输气管道，从而减少管道输送气量的损耗。

其中的变压吸附提纯装置607采用常见的双塔形式，保证一个塔吸附状态时另一个塔脱附状态，塔内部装有活性炭等多孔吸附材料，通过加压将其他杂质吸附在多孔吸附材料上，而通过减压可将杂质再从吸附剂上脱附出来完成吸附剂的再生，而氦氢小分子则被提纯，通过变压吸附提纯可以有效脱除氮、氧、氩等一系列杂质，而且在常温环境下工作；氢氦分离装置608采用常用的用于氢分离的钯膜分离器；氢氦分离装置608出口连接脱氢装置609；脱氢装置609采用常用的催化脱氢方式，脱氢装置609内部装填有常用的脱氢催化剂如pt基催化剂、陶瓷负载的pt催化剂等，该催化剂在氧气或者空气存在下可将少量氢转化成水，氢气脱除深度≤2ppm。脱氢装置609可处理来自氢氦分离装置608的含有少量氢的粗氦；脱氢装置609可采用外置或内置加热，内部工作温度一般在200～300℃；变温吸附(tsa)提纯装置610采用常见的双塔设计，保证一个塔吸附状态时另一个塔脱附状态，塔内部装有活性炭、分子筛等多孔吸附材料，通过降温将除氦气外的其他杂质吸附在多孔吸附材料上，而通过升温可将杂质再从吸附剂上脱附出来完成吸附剂的再生，氦气被提纯，其余气体杂质则随着再生过程排出。变温吸附(tsa)提纯装置610每个吸附塔内部设有冷源浸泡的多个吸附筒体，吸附筒体内装有分子筛、活性炭等多种吸附剂填料；变温吸附(tsa)提纯装置610可以采用液氮或者冷冻机组等冷源(冷液)，冷源温度≤-20℃；最终经变温吸附(tsa)提纯装置出口的氦气纯度≥99.999％。

本发明的基本工作原理如下：

将来自天然气输气管道的原料天然气经填料塔后调压后进入的一级膜分离组件。一级膜分离组件的非渗透尾气相对于原料天然气压降较小，可直接返回管道并输送至下游用气。一级膜分离组件渗透气连接至压缩机，经压缩机增压后依次进入二级膜分离组件、三级膜分离组件。三级膜分离组件的渗透气经过增压泵增压后送入变压吸附提纯装置，出变压吸附提纯装置的粗氦气进入氢氦分离装置，氢氦分离装置的出口连接脱氢装置和变温吸附(tsa)提纯装置，经变温吸附(tsa)提纯装置获得高纯氦气。其中二级膜分离组件、三级膜分离组件、变压吸附提纯装置、氢氦分离装置所产生的尾气或者再生气返回储罐，经压缩机增压、调压后返回输气管道，从而减少管道输送气量的损耗。本发明针对我国含氦量≥300ppm的管道天然气，通过膜分离组件、变压吸附提纯装置、氢氦分离装置及变温吸附提纯装置等从管道天然气中直接获得高纯的氦气。

应当说明的是，本发明的上述所述之技术内容仅为使本领域技术人员能够获知本发明技术实质而进行的解释与阐明，故所述之技术内容并非用以限制本发明的实质保护范围。本发明的实质保护范围应以权利要求书所述之为准。本领域技术人员应当知晓，凡基于本发明的实质精神所作出的任何修改、等同替换和改进等，均应在本发明的实质保护范围之内。