CN110498401A - 氦气回收净化装置 - Google Patents
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Abstract
一种氦气回收净化装置，其包括依次设置于氦气回收净化管路上的第一循环风机、第二循环风机、吸收系统、第一压缩机、干燥系统、膜分离系统、第二压缩机和低温吸附系统，第一循环风机用于将各工段排放的污氦气送入吸收系统，吸收系统用于对污氦气进行脱氯处理，第一压缩机用于将脱氯处理后的污氦气压缩并将其输送至干燥系统进行脱水处理，膜分离系统用于对脱水处理后的污氦气去除杂质气体，第二压缩机用于将去除杂质气体后的污氦气进一步压缩并将其输送至低温吸附系统对污氦气进行深度纯化处理。
Description
技术领域
本发明涉及稀有气体回收提纯技术领域，特别是涉及一种氦气回收净化装置。
背景技术
氦气是一种十分重要的工业气体，由于其独特的性质，在低温、航天、电子工业、生物医疗、核设施等领域应用广泛，是国家安全和高技术产业发展的基本物资之一。而氦气又是一种稀有气体，目前探测估计地下总储量约490亿m3，据英国《每日邮报》2010年8月23日报道，世界氦贮备将在25-30年内耗尽。
经过市场调研，我国氦气市场年均需求约1500万立方米，市值18亿元。其中随着国家半导体和光纤事业的大力发展，在半导体光纤领域，对氦气的需求量大增，约占我国氦气需求总量的13％。氦气在光纤生产中主要有三个用途：在预制棒沉积中作为载气，在预制棒固结过程中作为吹扫气，在纤维拉制过程中作为热传递介质。在这三个工艺步骤中的每一步都会给氦气带来不同的杂质、不同含量的污染物及不同的热量。传统的用于光纤生产工艺中的一次通过的氦气流是很浪费的，导致氦气消耗很大，提高了生产成本。因此，如果能部分回收光纤生产过程中的氦气，则光纤行业氦气回收市场价值可达1.2亿元/年左右。
在光纤预制棒工艺过程中，当沉积工序完成后，需将形成的多孔质母体送入1400～1600℃高温烧结炉内烧结。烧结期间要不间断的通入高纯氦气、氯气进行脱水处理，氯气与水反应生成HCl和O2；氦气作为载气，分子体积小，易于溶解于玻璃，传热系数高，易于将热量带到芯部，从而得到不含残留气泡的透明玻璃预制棒。未反应的氯气随同氦气及其他杂质如HCl、O2、N2、H2O、含氟气体等排放出来。
本发明提供一种从光纤预制棒过程排放的氦气、氯气及其他杂质混合气中回收提纯氦气的装置。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种氦气回收净化装置以改善氦气储量不足、氦气成本过高的现状。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种氦气回收净化装置，其包括依次设置于氦气回收净化管路上的第一循环风机、第二循环风机、吸收系统、第一压缩机、干燥系统、膜分离系统、第二压缩机和低温吸附系统，第一循环风机用于将各工段排放的污氦气送入吸收系统，吸收系统用于对污氦气进行脱氯处理，第一压缩机用于将脱氯处理后的污氦气压缩并将其输送至干燥系统进行脱水处理，膜分离系统用于对脱水处理后的污氦气通过分离膜去除杂质气体的方式进行初步提纯，第二压缩机用于将初步提纯后的污氦气进一步压缩并将其输送至低温吸附系统对污氦气进行深度纯化处理。
其中，吸收系统包括第一吸收塔和第一循环泵，第一吸收塔中盛装碱液，第一吸收塔包括设置于下端的进气口、循环出液口和设置于上端的出气口、循环进液口，由第一循环风机抽入的污氦气经第一吸收塔的进气口进入第一吸收塔以及自第一吸收塔的出气口流出；第一循环泵连接第一吸收塔的循环进液口和循环出液口，用于将第一吸收塔下端的碱液输送到上端的喷淋装置。
其中，氦气回收净化装置进一步包括第二循环风机，吸收系统包括第二吸收塔和第二循环泵，第二吸收塔中盛装碱液，第二吸收塔包括设置于下端的进气口、循环出液口和设置于上端出气口、循环进液口，第二循环风机连接第一吸收塔的出气口和第二吸收塔的进气口，用于为自第一吸收塔流出的污氦气进入第二吸收塔提供动力，经第二吸收塔净化后的污氦气自其出气口流出；第二循环泵连接第二吸收塔的循环进液口和循环出液口，用于将第二吸收塔下端的碱液输送到上端的喷淋装置。
其中，第一吸收塔和第二吸收塔均还包括设置于上端的补液口和设置于下端的排液口，补液口用于补充新液，排液口用于排出氯含量大于预设阈值的碱液。
其中，干燥系统包括冻干机、第一干燥器和第二干燥器，冻干机用于通过低温冷凝的方式将由第一压缩机输送的污氦气中的水蒸汽冷凝成液体冷凝水，冷凝水定期排出净化装置外，第一干燥器和第二干燥器并联设置，切换使用，用于进一步吸附冻干处理后的污氦气中的残余水分。
其中，膜分离系统包括一级膜分离柱和二级膜分离柱，一级膜分离柱和二级膜分离柱均包括进气侧、渗透侧和尾气侧，一级膜分离柱的进气侧连接干燥系统、渗透侧连接第二压缩机的进气口，二级膜分离柱的进气侧连接一级膜分离柱的尾气侧，渗透侧连接至第一压缩机的进气口，尾气侧连接排空系统排空。
其中，低温吸附系统包括并联设置的第一低温吸附器和第二低温吸附器。
其中，氦气回收净化装置进一步包括第一滤油器，第一滤油器设置于第一压缩机和干燥系统之间。
其中，氦气回收净化装置进一步包括第二滤油器，第二滤油器设置于第二压缩机和低温吸附系统之间。
其中，氦气回收净化装置进一步包括控制系统，控制系统与第一循环风机、第二循环风机、吸收系统、第一压缩机、干燥系统、膜分离系统、第二压缩机和低温吸附系统分别连接、分别控制。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明依次通过吸收系统、干燥系统、膜分离系统、低温吸附系统对污氦气进行脱氯、干燥、膜分离提纯、低温吸附深度纯化处理，且在纯化过程中使用了第一循环风机、第二循环风机、第一压缩机和第二压缩机，最终可以得到纯度大于99.999％的高纯氦气。
附图说明
图1是本发明一种氦气回收净化装置的优选实施例。
具体实施方式
图1所示为本发明一种氦气回收净化装置的较佳实施例。氦气回收净化装置包括依次设置于氦气回收净化管路上的第一循环风机10、吸收系统2、第一压缩机13、干燥系统3、膜分离系统4、第二压缩机15和低温吸附系统5。第一循环风机10用于将各工段排放的污氦气送入吸收系统2，吸收系统2用于对污氦气进行脱氯处理，第一压缩机13用于将脱氯处理后的污氦气压缩并将其输送至干燥系统3进行脱水处理，膜分离系统4用于对脱水处理后的污氦气进行初步提纯，通过分离膜去除大部分杂质气体来获得较高纯度的污氦气，与现有气体纯化采用低温冷凝分离除去杂质的方法相比，采用膜分离柱除杂可以大幅降低运行能耗，同时通过膜分离系统的初步提纯，也为后续的低温吸附系统减轻了运行负荷，提高了低温吸附系统的运行效率；第二压缩机15用于将初步提纯的污氦气进一步压缩并将其输送至低温吸附系统5对污氦气进行深度纯化处理。
优选地，第一压缩机13为中压压缩机，用于对污氦气增压，便于污氦气进入膜分离系统4；第二压缩机15为高压压缩机，用于将污氦气增压至高压。与现有气体纯化仅采用一级压缩的方式相比，由于压力提高，杂质气体的分压相应提高，可以大幅提升杂质气体在吸附剂中的吸附能力，从而有效提高纯化后的气体的纯度。
优选地，低温吸附系统优选液氮浸泡式低温吸附器，吸附剂在低温下对杂质气体的吸附能力大幅提高，可以更加有效地提高纯化后的气体的纯度，减小吸附剂的耗量，减小吸附器的体积；
在优选实施例中，氦气回收净化装置进一步包括第二循环风机12，吸收系统包括第一吸收塔21、第一循环泵23、第二吸收塔22、第二循环泵24。
第一吸收塔21和第二吸收塔22中盛装碱液。第一吸收塔21包括设置于下端的进气口21a、循环出液口21d、排液口21f和设置于上端的出气口21b、循环进液口21c和补液口21e，第二吸收塔22包括设置于下端的进气口22a、循环出液口22d、排液口22f和设置于上端的出气口22b、循环进液口22c和补液口22e。
第一循环风机10的出气口连通第一吸收塔21的进气口21a，第一吸收塔21的出气口21b连通第二循环风机12的进气口，第二循环风机12的出气口连通第二吸收塔22的进气口22a；由第一循环风机10抽入的污氦气经第一吸收塔21的进气口21a进入第一吸收塔21以及自第一吸收塔21的出气口21b流出；第二循环风机12用于为自第一吸收塔21流出的污氦气进入第二吸收塔22提供动力，经第二吸收塔22净化后的污氦气自出气口22b流出。第一循环泵23连接第一吸收塔21的循环进液口21c和循环出液口21d，用于将第一吸收塔21下端的碱液输送到上端的喷淋装置，第二循环泵24连接第二吸收塔22的循环进液口22c和循环出液口22d，用于将第二吸收塔22下端的碱液输送到上端的喷淋装置。补液口21e、22e用于补充新液，排液口21f、22f用于排出氯含量大于预设阈值的碱液。
本实施例中，吸收系统2采用碱液吸收法去除氯气。在吸收过程中，碱性的吸收使废气中的氯有效地变为副产品-次氯酸盐。吸收过程中碱液的pH值将随吸收过程而降低，而碱液中次氯酸盐和金属氯化物的浓度将逐渐升高，因此，补液口21e、22e及排液口21f、22f的设置便于吸收过程控制一定的pH值和盐浓度，定期抽出氯含量大于预设阈值的碱液，并补充新鲜碱液，以避免pH值过低影响净化效果和吸收液结晶堵塞管道。
本申请中，两级吸收塔各对应设置一循环风机，每一循环风机均用于为废氦气增压，为废氦气进入对应的吸收塔提供动力，与两级以上的吸收塔只设置一级循环风机相比，可以提高废氦气的流动稳定性，保证吸收塔除氯的效果。同时，如果循环风机采用变频电机驱动，还可以调节废氦气的处理流量，适应现场工况的变化。
在其他的实施例中，根据氯气含量的浓度，可以配置1级或多级碱液吸收塔。优选地，循环风机的级数与吸收塔的级数一致。
当第一压缩机13为中压压缩机，需要采用油润滑的方式时，氦气回收净化装置将进一步包括第一滤油器14，第一滤油器14设置于第一压缩机13和干燥系统3之间。第一压缩机13的进气口连接第二吸收塔23的出气口，第一压缩机13的出气口连接第一滤油器14的进气口。
干燥系统3包括冻干机31、第一干燥器32和第二干燥器33，第一干燥器32和第二干燥器33并联设置，切换使用。冻干机31的进气口连接第一滤油器14的出气口，冻干机31的出气口与第一干燥器32和第二干燥器33的进气口连通。冻干机31用于通过冷凝除水的方式将由第一压缩机13输送的污氦气中的水蒸汽冷凝成液体冷凝水，冷凝水定期排出净化装置外，第一干燥器32、第二干燥器33用于进一步吸附冻干处理后的污氦气中的残留水分。并联设置的第一干燥器32和第二干燥器33采用变压吸附原理去水分，双塔切换使用，一干燥器吸附过程中，另一干燥器再生，再生采用加热再生的方式。
在其他实施例中，干燥器的级数不受本实施例限制，例如，还可以为3级、4级设置，以确保干燥器的连续工作。
本申请中，干燥系统3先采用冻干机31通过冷凝吸附的方式将污氦气中大部分的水分冷凝，然后再进入干燥器进一步干燥的方式，可以提高下游干燥器的工作效率，且冻干机可以持续工作，不需要进行再生；进一步地，由于大部分水蒸汽在冻干机31的作用下已经冷凝去除，因此，进入干燥器中的水分负荷减少，每个干燥器的工作时长可以变长，再生间隔的时间变长，以及可以减少干燥器中吸附剂的使用量进而减小干燥器的体积。
膜分离系统4包括一级膜分离柱41和二级膜分离柱42，一级膜分离柱41包括进气侧41a、渗透侧41b和尾气侧41c，二级膜分离柱42包括进气侧42a、渗透侧42b和尾气侧42c，一级膜分离柱41的进气侧41a连接干燥系统3、渗透侧41b连接第二压缩机15的进气口，二级膜分离柱42的进气侧42a连接一级膜分离柱41的尾气侧41c，渗透侧42b连接至第一压缩机13的进气口，尾气侧42c连接至排空系统排空。
在其他的实施例中，为了进一步提高氮气回收率，还可以采用3级及以上的多级膜分离柱，2级及以上膜分离柱的渗透侧的气体重新送回到第一压缩机13的进气口进行再循环回收，可以有效提高氦气的回收率。
经过一级膜分离柱41分离后气体分为两股，一股为氦气浓度大于90％的浓缩的渗透气，直接继续后续提纯动作，另一股进入二级膜分离柱。二级膜分离柱渗透侧42b的气体重新回到第一压缩机13进行新一轮提纯使得He回收率提高至95％以上，二级膜分离柱尾气侧42c为脱除He后，含少量He的O2/N2、Ar废气，可以连接至排空系统排空或直接排空。
当第二压缩机15为高压往复式压缩机，其采用油润滑的方式，因此，氦气回收净化装置进一步包括第二滤油器16，第二滤油器16设置于第二压缩机15和低温吸附系统5之间。第一压缩机13的进气口连接第二吸收塔22的出气口，第一压缩机13的出气口连接第一滤油器14的进气口。低温吸附系统5包括并联设置的第一低温吸附器51和第二低温吸附器52。并联设置的第一低温吸附器51和第二低温吸附器器52，双塔切换使用，一低温吸附器吸附过程中，另一低温吸附器器再生，再生采用加热再生的方式。
低温吸附系统5工作在高压(4-20MPa)、低温(77K)下，氦气先通过热交换被冷却，然后再通过低温吸附剂将除氦气外的杂质气体吸附去除，冷源一般由液氮提供，可制得纯度99.999％以上的氦气。
氦气回收净化装置进一步包括控制系统。控制系统与第一循环风机10、第二循环风机12、第一压缩机13、第一滤油器14、第二压缩机15、第二滤油器16、吸收系统2、干燥系统3、膜分离系统4和低温吸附系统5分别连接、分别控制。控制系统由控制器、数字量、模拟量和通信等模块组成，用来实现对整个系统的自动控制。
采用本发明氦气回收净化装置进行氦气回收净化的过程包括：
第一循环风机10将各工段排放的含氯污氦气送入第一吸收塔21，污氦气中的大量Cl2及HCl被去除，从塔顶出来后继续在第二循环风机12的驱动下进入第二吸收塔22，将残存的Cl2进一步吸收。此时，从第二吸收塔22塔顶出来的污氦气中的Cl2含量<0.3ppm。
接着，脱氯污氦气在第一压缩机13中被压缩至中压，经过除油处理后，进入到冻干机31，除去大部分水分，再进入到第一干燥器32或第二干燥器33进行脱水处理，第一干燥器32或第二干燥器33采用分子筛、硅胶、活性氧化铝等吸附剂将水分减少到<3ppm的量级。
之后，干燥的污氦气进入膜分离系统4，渗透速率相对快的氦气等气体在一级膜分离柱41的渗透侧41b被富集，而渗透速率相对慢的气体如氮、氧、氩气等杂质气体在一级膜分离柱的尾气侧41c被富集，渗透侧41b获得纯度可>90％的粗氦气。
粗氦气进一步在第二压缩机15中被压缩至高压，之后进入到低温吸附系统5，得到纯度大于99.999％的高纯氦气。
与现有技术相比，本发明依次通过吸收系统2、干燥系统3、膜分离系统4、低温吸附系统5对污氦气进行脱氯、干燥、膜分离提纯、低温吸附深度纯化处理，且在纯化过程中使用了循环风机、第一压缩机13和第二压缩机15，以使纯化过程中的气体工作在较高压力的状态，最终可以得到纯度大于99.999％的高纯氦气。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种氦气回收净化装置，其特征在于，所述氦气回收净化装置包括依次设置于氦气回收净化管路上的第一循环风机、吸收系统、第一压缩机、干燥系统、膜分离系统、第二压缩机和低温吸附系统，所述第一循环风机用于将各工段排放的污氦气送入吸收系统，所述吸收系统用于对污氦气进行脱氯处理，所述第一压缩机用于将脱氯处理后的污氦气压缩并将其输送至干燥系统进行脱水处理，膜分离系统用于对脱水处理后的污氦气通过分离膜去除杂质气体的方式进行初步提纯，第二压缩机用于将初步提纯后的污氦气进一步压缩并将其输送至低温吸附系统对污氦气进行深度纯化处理。
2.根据权利要求1所述的氦气回收净化装置，其特征在于，所述吸收系统包括第一吸收塔和第一循环泵，所述第一吸收塔中盛装碱液，所述第一吸收塔包括设置于下端的进气口、循环出液口和设置于上端的出气口、循环进液口，由所述第一循环风机抽入的污氦气经第一吸收塔的进气口进入第一吸收塔以及自第一吸收塔的出气口流出；所述第一循环泵连接所述第一吸收塔的循环进液口和循环出液口，用于将第一吸收塔下端的碱液输送到上端的喷淋装置。
3.根据权利要求2所述的氦气回收净化装置，其特征在于，所述氦气回收净化装置进一步包括第二循环风机，所述吸收系统包括第二吸收塔和第二循环泵，所述第二吸收塔中盛装碱液，所述第二吸收塔包括设置于下端的进气口、循环出液口和设置于上端出气口、循环进液口，所述第二循环风机连接所述第一吸收塔的出气口和所述第二吸收塔的进气口，用于为自所述第一吸收塔流出的污氦气进入第二吸收塔提供动力，经第二吸收塔净化后的污氦气自其出气口流出；所述第二循环泵连接所述第二吸收塔的循环进液口和循环出液口，用于将第二吸收塔下端的碱液输送到上端的喷淋装置。
4.根据权利要求2或3所述的氦气回收净化装置，其特征在于，所述第一吸收塔和第二吸收塔均还包括设置于上端的补液口和设置于下端的排液口，所述补液口用于补充新液，所述排液口用于排出氯含量大于预设阈值的碱液。
5.根据权利要求1所述的氦气回收净化装置，其特征在于，所述干燥系统包括冻干机、第一干燥器和第二干燥器，所述冻干机用于通过低温冷凝的方式将由所述第一压缩机输送的污氦气中的水蒸汽冷凝成液体冷凝水，冷凝水定期排出净化装置外，所述第一干燥器和所述第二干燥器并联设置，切换使用，用于进一步吸附冻干处理后的污氦气中的残留水分。
6.根据权利要求1所述的氦气回收净化装置，其特征在于，所述膜分离系统包括一级膜分离柱和二级膜分离柱，所述一级膜分离柱和二级膜分离柱均包括进气侧、渗透侧和尾气侧，所述一级膜分离柱的进气侧连接所述干燥系统、渗透侧连接所述第二压缩机的进气口，所述二级膜分离柱的进气侧连接所述一级膜分离柱的尾气侧，渗透侧连接至所述第一压缩机的进气口，尾气侧连接排空系统排空。
7.根据权利要求1所述的氦气回收净化装置，其特征在于，所述低温吸附系统包括并联设置的第一低温吸附器和第二低温吸附器。
8.根据权利要求1所述的氦气回收净化装置，其特征在于，所述氦气回收净化装置进一步包括第一滤油器，所述第一滤油器设置于所述第一压缩机和所述干燥系统之间。
9.根据权利要求1所述的氦气回收净化装置，其特征在于，所述氦气回收净化装置进一步包括第二滤油器，所述第二滤油器设置于所述第二压缩机和所述低温吸附系统之间。
10.根据权利要求1所述的氦气回收净化装置，其特征在于，所述氦气回收净化装置进一步包括控制系统，所述控制系统与所述第一循环风机、第二循环风机、吸收系统、第一压缩机、干燥系统、膜分离系统、第二压缩机和低温吸附系统分别连接、分别控制。
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