CN111170290A - 一种天然气中提取氦气的装置及工艺 - Google Patents

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Abstract

一种天然气中提取氦气的装置，包括机架、燃烧模块、碱液喷淋模块、分子筛干燥模块、过滤模块、换热模块、制冷分离模块和磁悬浮高速离心分离模块，燃烧模块、碱液喷淋模块、分子筛干燥模块和过滤模块由下至上依次设置，燃烧模块与碱液喷淋模块连接，碱液喷淋模块与分子筛干燥模块连接，分子筛干燥模块与过滤模块连接，过滤模块与换热模块连接，换热模块与制冷分离模块连接，制冷分离模块与磁悬浮高速离心分离模块连接。本发明先通过燃烧、喷淋、干燥、过滤、预冷及冷凝分离步骤使含氦天然气尾气中只剩氦气和少量氢气，再将氦气和少量氢气通入磁悬浮高速离心分离装置中有效分离，避免传统深冷法的高耗能，氦提取成本大大降低。

Description

一种天然气中提取氦气的装置及工艺
技术领域
本发明涉及氦气提取技术领域，具体的说，涉及一种天然气中提取氦气的装置及工艺。
背景技术
氦气是重要的稀有战略资源，也是不可再生资源。核磁共振成像、中子加速器、导弹卫星、低温超导研究、气体检测检漏、氦气飞行器、光纤制造、医疗以及半导体制作等都离不开氦气。
含氦天然气迄今仍是工业化生产氦气的重要来源。我国氦气资源不仅数量贫乏，而且含量低，单纯采用深冷法开采氦气的成本较高。
常规手法分离后剩余的氢气和氮气最难分离，因氢气和氮气的沸点均极低且接近，若采用深冷法分离，耗能较大，不符合节能减排的目标。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种天然气中提取氦气的装置及工艺，本发明先通过燃烧、喷淋、干燥、过滤、预冷及冷凝分离步骤使含氦天然气尾气中只剩氦气和少量氢气，再将氦气和少量氢气通入磁悬浮高速离心分离装置中有效分离，避免传统深冷法的高耗能，氦提取成本大大降低。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种天然气中提取氦气的装置，包括机架、燃烧模块、碱液喷淋模块、分子筛干燥模块、过滤模块、换热模块、制冷分离模块和磁悬浮高速离心分离模块，燃烧模块、碱液喷淋模块、分子筛干燥模块和过滤模块由下至上依次设置机架的左侧，换热模块和制冷分离模块设置在机架的中部，磁悬浮高速离心分离模块设置在机架的右侧，燃烧模块与碱液喷淋模块连接，碱液喷淋模块与分子筛干燥模块连接，分子筛干燥模块与过滤模块连接，过滤模块与换热模块连接，换热模块与制冷分离模块连接，制冷分离模块与磁悬浮高速离心分离模块连接。
燃烧模块包括燃烧舱、第一控制器、电子点火器、点火针和燃烧分布板，燃烧舱的侧壁设有氧气管和进气管，位于燃烧舱外部的氧气管上设有氧气阀，位于燃烧舱外部的进气管上设有进气阀，第一控制器和电子点火器均固定设置在燃烧舱内底部，第一控制器与电子点火器信号连接，燃烧舱内底部中心固定设置有一根中空支柱，点火针和中空支柱均竖向设置，点火针的下端固定安装在中空支柱的顶部，电子点火器和点火针通过一根穿过中空支柱内部中心的导线连接，燃烧分布板为顶部敞口的伞形结构，燃烧分布板上均匀开设有若干个上下通透的燃烧孔，燃烧分布板的中心固定套装在中空支柱上，点火针位于燃烧分布板的中心上方，燃烧分布板的外圆边沿与燃烧舱的内壁接触，氧气管和进气管的内端伸入到燃烧舱内部且位于燃烧分布板的下方，氧气管的外端连接有提供氧气的氧气瓶，进气管的外端连接有提供含氦天然气尾气的尾气管，燃烧舱的顶部中心设有第一排气管，第一排气管的上侧部外圆周均匀开设有若干个出气孔，第一排气管的上侧部外圆周上对应每个出气孔的外侧均设有一个挡板，挡板内高外底倾斜设置。
碱液喷淋模块包括碱液喷淋舱、氢氧化钠溶液室和若干个喷淋头，碱液喷淋舱的底部通过若干根立柱固定支撑在燃烧舱的顶部，第一排气管穿过碱液喷淋舱的底部中心伸入到碱液喷淋舱内部，各个出气孔均位于碱液喷淋舱内部，第一排气管的外部与碱液喷淋舱之间密封连接，碱液喷淋舱的顶部敞口，氢氧化钠溶液室同中心固定安装在碱液喷淋舱的顶部内侧，碱液喷淋舱的内壁上侧部周向设有环形台阶，氢氧化钠溶液室的底部外边沿压在环形台阶上，氢氧化钠溶液室的外周与碱液喷淋舱的内壁密封接触，氢氧化钠溶液室的顶部与碱液喷淋舱的顶部边沿齐平，氢氧化钠溶液室的侧部设有若干根穿过碱液喷淋舱侧壁的碱液进液管，第一排气管的顶部与氢氧化钠溶液室的底部中心紧压密封接触，第一排气管的外周和碱液喷淋舱的内壁之间形成喷淋环腔，各个喷淋头均匀安装在氢氧化钠溶液室的底部且与氢氧化钠溶液室内部连通，各个喷淋头的喷射方向均朝下设置，碱液喷淋舱的底部设有若干根碱液排液管，第一排气管的外部缠绕有位于碱液喷淋舱的底部和燃烧舱的顶部之间的第一换热管，第一换热管沿第一排气管的中心线螺旋布置，氢氧化钠溶液室上固定安装有两根第二排气管，两根第二排气管均竖向设置且关于第一排气管左右对称，两根第二排气管的下端均与氢氧化钠溶液室的底部齐平，两根第二排气管的上端均穿过氢氧化钠溶液室的顶部，两根第二排气管的外部与氢氧化钠溶液室之间密封连接，氢氧化钠溶液室内装有氢氧化钠溶液，两根第二排气管上均设置有电磁阀。
分子筛干燥模块包括分子筛舱，分子筛舱的底部固定连接在氢氧化钠溶液室的顶部，分子筛舱内分为两个舱室，两个舱室的结构相同且左右对称设置，每个舱室均包括三层上下并排设置的筛腔，相邻两层筛腔之间均连接有两根连接管，每层筛腔内均填装有分子筛单元，左侧的第二排气管的上端穿过左侧最下层的筛腔底部并与左侧最下层的筛腔连通，右侧的第二排气管的上端穿过右侧最下层的筛腔底部并与右侧最下层的筛腔连通，左侧最上层的筛腔和右侧最上层的筛腔的顶部均设有两根第三排气管，分子筛单元的外部包裹有加热带。
过滤模块包括过滤舱和中空纤维膜板，过滤舱的底部固定连接在分子筛舱的顶部，各根第三排气管的上端均穿过过滤舱的底部伸入到过滤舱内，中空纤维膜板水平设置在过滤舱内中部且上下并排设置有三块，中空纤维膜板的外边沿与过滤舱的内壁固定连接且密封接触，过滤舱的侧壁下侧部设有第四排气管，第四排气管与过滤舱连接处位于中空纤维膜板的下方，第四排气管上设置有压力气阀，过滤舱的顶部设有第五排气管，第五排气管上设有球阀。
还包括箱体，换热模块和制冷分离模块均固定安装在箱体内，换热模块包括换热壳体、输气管和第二换热管，输气管为左高右低的U型管，换热壳体固定安装在箱体内左侧，输气管竖向固定安装在换热壳体中，输气管的左侧上端和右侧上端均伸出换热壳体，第五排气管与输气管的左侧上端连接，第二换热管缠绕在输气管的外部，第二换热管沿输气管的中心线螺旋布置；
制冷分离模块包括液氮罐、制冷机组、第一真空舱、第二真空舱、第一制冷舱、第二制冷舱和第三制冷舱，液氮罐和制冷机组分别固定连接在箱体内底部右侧，第一真空舱和第二真空舱由下至上固定设置在箱体内右侧且位于液氮罐的上方，第一制冷舱和第二制冷舱均固定设置在第一真空舱中，第一制冷舱位于第二制冷舱的下方，第三制冷舱固定设置在第二中空舱中，输气管的右侧上端穿过第一真空舱固定连接在第一制冷舱的底部左端，第一制冷舱内中部固定设置有若干个第一冷头，第一制冷舱的底部左侧部连接有第一排液管，第一制冷舱内底部表面为斜面，第一排液管与第一制冷舱的底部连接处为第一制冷舱内底部表面最低点，第一排液管的下端穿过第一真空舱并连接在第二换热管的右侧上部，第一制冷舱的顶部右侧部和第二制冷舱的底部右侧部之间通过一根第一导通管连接，第二制冷舱内中部固定设置有若干个第二冷头，第二制冷舱的底部左端连接有第二排液管，第二制冷舱内底部表面为斜面，第二排液管与第二制冷舱的底部连接处为第二制冷舱内底部表面最低点，第二排液管的下端穿过第一真空舱并连接在第二换热管的右侧上部，第三制冷舱内固定设置有气体容器，气体容器的外部和第三制冷舱的内壁之间充满有液氮，第三制冷舱与液氮罐之间通过一根穿过第二真空舱的供液管连接，第二制冷舱的顶部右侧部和气体容器的底部右侧部之间通过一根穿过第二真空舱和第三制冷舱的第二导通管连接，气体容器内中部固定设置有若干个第三冷头，气体容器的底部左端连接有第三排液管，气体容器内底部表面为斜面，第三排液管与气体容器的底部连接处为气体容器内底部表面最低点，第三排液管的下端穿过第三制冷舱和第二真空舱并连接在第二换热管的右侧上部，气体容器的顶部设有第六排气管，第六排气管上也设置有球阀，制冷机组分别与各个第一冷头、各个第二冷头和各个第三冷头连接，第二换热管的左侧上端穿过换热壳体与外界大气连接，第一换热管的进口端连接在第二换热管的左侧下部，第一换热管的出口端与外界大气连接。
磁悬浮高速离心分离模块包括外壳体、上端盖、下端盖、定子铁芯、第一定子绕组、第一转子、第二定子绕组、第二转子、导电滑环、第一抽气管、第二抽气管、外部三相电源和第二控制器，外壳体为上下通透的圆筒体，上端盖和下端盖分别固定安装在外壳体的顶部和底部，定子铁芯同中心安装在外壳体内部，定子铁芯的上端固定连接在上端盖的下表面中心，定子铁芯的下端固定连接在下端盖的上表面中心，第一定子绕组嵌套固定在定子铁芯的外周，第一转子同中心套设在定子铁芯的外部，第二定子绕组嵌套固定在第一转子的外周，第一转子的内侧壁和第二转子的内侧壁上均圆周阵列固定连接有若干块呈长方体结构的铷铁硼永磁体，铷铁硼永磁体的长度方向与第一转子的中心线平行，第二转子同中心套设在第一转子的外部，第一转子的内圆和定子铁芯的外圆之间形成第一环腔，第二转子的内圆和第二转子的外圆之间形成第二环腔，第一转子的外圆周上侧部和下侧部均一体成型有第一圆环盘，第二转子的外圆周上侧部和下侧部均一体成型有第二圆环盘，上端盖的下表面和下端盖的上表面分别固定设置有第一径向磁轴承、第一轴向磁轴承、第二径向磁轴承和第二轴向磁轴承，两个第一径向磁轴承上下对应，两个第一轴向磁轴承上下对应，两个第二径向磁轴承上下对应，两个第二轴向磁轴承上下对应，第一转子的顶部和底部分别转动设置在两个第一径向磁轴承中，两个第一圆环盘分别转动设置在两个第一轴向磁轴承中，第二转子的顶部和底部分别转动设置在两个第二径向磁轴承中，两个第二圆环盘分别转动设置在两个第二轴向磁轴承中，第六排气管连接在上端盖上并与第一环腔连通，第一转子的侧壁上均匀开设有若干个渗气孔，导电滑环安装在下端盖的上表面上，第二电子绕组与导电滑环的旋转结构电连接，第一抽气管和第二抽气管分别固定安装在下端盖上，第一抽气管的上端穿过下端盖与第一环腔连通，第二抽气管的上端穿过下端盖与第二环腔连通，第一抽气管的下端连接有氢气储罐，第二抽气管的下端连接有氦气储罐，第一抽气管和第二抽气管上均设置有抽气泵，两个第一径向磁轴承和两个第二径向磁轴承上均设置有轴向位移传感器，两个第一轴向磁轴承和两个第二轴向磁轴承上均设置有径向位移传感器，第二转子的外圆周和外壳体的内圆周之间缠绕有第三换热管，第三换热管沿第二转子的中心线螺旋布置，第三换热管与外壳体之间固定连接，第三换热管的进口端穿过外壳体并连接在第二换热管的右侧下部，第三换热管的出口端穿过外壳体并与外界大气连接，外壳体的内壁设有用于监测第二转子转速的转速传感器，第一环腔和第二环腔的底部均设置有温度传感器和气压传感器，第二控制器固定安装在外壳体的外侧壁下侧部，外部三相电源分别与第二控制器、第一定子绕组、导电滑环的静止结构、两个抽气泵、轴向位移传感器、径向位移传感器、转速传感器、温度传感器和气压传感器电连接，第二控制器分别与外部三相电源、两个抽气泵、轴向位移传感器、径向位移传感器、转速传感器、温度传感器和气压传感器信号连接。
一种天然气中提取氦气的装置的提取工艺，包括以下步骤：
（1）、将含氦的天然气尾气通入燃烧模块中进行充分燃烧，除去天然气中大部分的氢气和烷类气体：首先，含氦的天然气尾气接入进气管，氧气接入氧气管，同时打开进气阀和氧气阀，使含氦的天然气尾气和氧气同时通入燃烧舱中并在燃烧舱内底部充分混合，混合气体向上通过燃烧分布板上的各个燃烧孔，然后通过第一控制器启动电子点火器，电子点火器通过点火针点燃混合气体，使混合气体充分燃烧，除去混合气体中大部分的氢气和烷类气体，燃烧产生的水蒸汽便会随混合气体通过第一排气管上侧部的各个出气孔进入碱液喷淋舱，由于；
（2）、燃烧后的混合气体进入碱液喷淋模块中，消除混合气体中的二氧化碳：混合气体进入喷淋环腔后，同时打开各个喷淋头，氢氧化钠溶液室中的氢氧化钠溶液便会通过各个喷淋头均匀向下喷淋到喷淋环腔中，氢氧化钠溶液便会与混合气体中的二氧化碳进行化学反应，从而将二氧化碳除去，之后混合气体便会分别通过两根第二排气管进入分子筛舱；
（3）、经喷淋后的混合气体通过分子筛干燥模块进行干燥，除去混合气体中的水蒸汽：通过控制两根第二排气管上的电磁阀，使其中一根第二排气管打开时另一根第二排气管处于封闭状态，实现分子筛舱中的两个舱室内分子筛单元相互交替工作，当左侧的第二排气管打开时，右侧的第二排气管封闭，混合气体便会通过左侧的第二排气管进入到左侧的舱室内，混合气体便由下至上依次通过左侧的三个筛腔，并经左侧的三个筛腔内的分子筛单元干燥后，通过左侧的两根第三排气管进入到过滤舱内，与此同时，右侧的三个筛腔内的分子筛单元便会在其外部的加热带加热作用下进行再生处理，同理，当右侧的第二排气管打开时，左侧的第二排气管封闭，混合气体便会通过右侧的第二排气管进入到右侧的舱室内，混合气体便由下至上依次通过右侧的三个筛腔，并经右侧的三个筛腔内的分子筛单元干燥后，通过右侧的两根第三排气管进入到过滤舱内，与此同时，左侧的三个筛腔内的分子筛单元便会在其外部的加热带加热作用下进行再生处理，如此，便能够将从喷淋环腔内排出的混合气体充分干燥，除去混合气体中的水蒸汽；
（4）、经干燥后的混合气体进入过滤模块，将混合气体内甲烷、氮气及氧气进行有效过滤：混合气体进入过滤舱后，向上依次穿过三块中空纤维膜板，中空纤维膜板能够对甲烷、氮气和氧气进行有效过滤，使大部分的甲烷、氮气和氧气滞留在中空纤维膜板下方的过滤舱内底部，打开第五排气管上的球阀，而后向上穿过三块中空纤维膜板的混合气体便会通过第五排气管进入到输气管中，当过滤舱内底部的气体压力达到规定值时，便会打开压力气阀，使滞留在过滤舱内底部的气体通过第四排气管排出过滤舱；
（5）、过滤后的混合气体通过换热模块进入制冷分离模块，经过三级冷却分别将混合气体中的残余甲烷、氩气及残余氧气和残余氮气依次冷凝成液体分离出来；
（6）、经三级冷却以后，仅剩氦气和少量氢气的混合气体进入磁悬浮高速离心分离模块，在巨大离心力场作用下将氦气和氢气分离。
步骤（5）具体为：过滤后的混合气体经第五排气管进入到输气管中，又通过输气管进入第一制冷舱，启动制冷机组，制冷机组通过各个第一冷头将第一制冷舱中的混合气体冷却至-160℃，从而将混合气体中的残余甲烷冷凝成液体分离出来，冷凝的甲烷液体便会通过第一排液管进入第二换热管中，剩余的混合气体通过第一导通管进入第二制冷舱中，制冷机组通过各个第二冷头将第二制冷舱中的混合气体冷却至-186℃，从而将混合气体中的氩气和残余氧气冷凝成液体分离出来，冷凝的氩气和氧气液体便会通过第二排液管进入第二换热管中，剩余的混合气体继续通过第二导通管进入第三制冷舱内的气体容器中，制冷机组通过各个第三制冷舱将气体容器中的混合气体冷却至-200℃，从而将混合气体中的残余氮气冷凝成液体分离出来，冷凝的氮气液体便会通过第三排液管进入第二换热管中，如此，经过三级冷却后混合气体中仅剩氦气和少量氢气，而第二换热管中便会流动有冷凝液体，使第二换热管能够对输气管中的混合气体进行预冷处理，减小制冷机组的能源消耗，由于第一换热管的进口端连接在第二换热管的左侧下部，则第一换热管中也会流动有冷凝液体，第一换热管便能够对第一排气管中刚燃烧过的混合气体进行冷凝，降低燃烧后的混合气体的温度，同理，第三换热管的进口端连接在第二换热管的右侧下部，则第三换热管中也会流动有冷凝液体，第三换热管便能够对外壳器内部进行降温处理，冷凝液体经过一系列换热后便分别通过第一换热管、第二换热管和第三换热管的出口端排出到外界大气中。
步骤（6）具体为：打开第六排气管上的球阀，仅剩氦气和少量氢气的混合气体通过第六排气管进入磁悬浮高速离心分离模块中的第一环腔，通过第二控制器使第一定子绕组和第二定子绕组均与外部三相电源接通，则第一转子便会旋转，定子铁芯和第一转子形成旋转磁场，同理第二转子在第一转子的基础上相对第一转子旋转，第一转子和第二转子也会形成旋转磁场，第二转子的转速为第一转子的转速二倍，由于第一径向磁轴承、第一轴向磁轴承、第二径向磁轴承和第二轴向磁轴承的设置，会使第一转子和第二转子始终处于磁悬浮状态，第二转子的转速达到十万转/分钟，根据分子质量不同的流体的压强分布不同的原理，在巨大的离心力场作用下，气体中的轻分子在离心机转子中央部分加浓，而重分子更多地趋于筒壁，则氦气便会通过渗气孔进入第二环腔中，并富集在第二环腔的外侧，氢气聚集在第一环腔的内侧，当第二环腔底部的气压传感器达到额定压力值时，控制器启动第二抽气管上的抽气泵工作,将富集的氦气从第二环腔中抽取出来储存在氦气储罐中，同理，当第一环腔底部的气压传感器达到额定压力值时，控制器启动第一抽气管上的抽气泵工作,将富集的氢气从第一环腔中抽取出来储存在氢气储罐中，由于第一转子和第二转子在高速旋转时会产生大量的热量，温度传感器可实时监测第一环腔和第二环腔中的温度，而且第三换热管中流动有冷凝液体，能够对外壳体内部进行降温处理。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明具有以下优点：
（1）、在本发明中，前期采用燃烧舱除去含氦天然气尾气中的大部分氢气与烷类气体，大幅缩小待处理的氢气与甲烷体量，从而减小制冷功率，降低能耗；然后通过碱液喷淋舱除去燃烧后混合气体中的二氧化碳，再通过三层中空纤维膜板作为氦气的预浓缩设备，中空纤维膜板可显著降低待处理气体中的甲烷、氮气及氧气的比份，显著提高氦气浓度，大幅缩小待处理气体体量，从而减小制冷功率，降低能耗；在将混合气体通过换热模块进行预降温，同样可达到减小制冷功率，降低能耗的目的，最终降低提取氦气的成本。
（2）、由于氢气沸点为-253℃，与氦气的沸点-267℃十分接近，若要通过深冷的方式进行氦、氢分离，则需要将气体温度降至-253℃以下，能耗很高，本发明使用磁悬浮高速离心分离模块进行氢氦分离。
（3）、本发明的磁悬浮高速离心分离模块采用双转子结构，通过定子铁芯、第一转子和第二转子叠加的方法提高最外侧第二转子的转速，使得第二转子的转速达到十万转/分钟以上，根据分子质量不同的流体的压强分布不同的原理，在巨大的离心力场作用下，气体中的轻分子在离心机转子中央部分加浓，而重分子更多地趋于筒壁，对氢气与氦气进行分离。
（4）、本发明的磁悬浮高速离心分离模块的外壳体中还设置第三换热管，第三换热管的进口端连接在第二换热管的右侧下部，第二换热管与制冷分离模块中的第一排液管、第二排液管和第三排液管连接，经三级冷却混合气体中残余甲烷、氩气及残余氧气和残余氮气依次冷凝成液体，并进入第二换热管中，从而第三换热管中也流动有冷凝液体，则第三换热管能够对外壳体内部进行降温，既合理利用了前期制冷分离模块中分离出来的冷凝液体又解决了磁悬浮高速离心分离模块易产热的问题。
（5）、本发明采用现有成熟的磁悬浮轴承技术，利用磁性“同性相斥，异性相吸”的原理，通过控制径向与轴向的电磁场，使得第一转子和第二转子始终处于相对“悬浮”状态，从而在旋转时不会产生机械接触，不会产生机械摩擦，不再需要机械轴承以及机械轴承所必需的润滑系统，同时减小摩擦消耗及产热情况。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的工作流程框图。
图3是本发明的燃烧模块、碱液喷淋模块、分子筛干燥模块和过滤模块的结构剖视图。
图4是本发明的换热模块和制冷分离模块的结构剖视图。
图5是本发明的磁悬浮高速离心分离模块的结构爆炸图。
图6是本发明的磁悬浮高速离心分离模块的结构剖视图。
图7是图6中A-A向剖视图。
图8是图3中B处局部放大图。
图9是图3中C处局部放大图。
图10是图6中D处局部放大图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的实施例。
如图1-图10所示，一种天然气中提取氦气的装置，包括机架1、燃烧模块、碱液喷淋模块、分子筛干燥模块、过滤模块、换热模块、制冷分离模块和磁悬浮高速离心分离模块，燃烧模块、碱液喷淋模块、分子筛干燥模块和过滤模块由下至上依次设置机架1的左侧，换热模块和制冷分离模块设置在机架1的中部，磁悬浮高速离心分离模块设置在机架1的右侧，燃烧模块与碱液喷淋模块连接，碱液喷淋模块与分子筛干燥模块连接，分子筛干燥模块与过滤模块连接，过滤模块与换热模块连接，换热模块与制冷分离模块连接，制冷分离模块与磁悬浮高速离心分离模块连接。
燃烧模块包括燃烧舱2、第一控制器3、电子点火器4、点火针5和燃烧分布板6，燃烧舱2的侧壁设有氧气管7和进气管8，位于燃烧舱2外部的氧气管7上设有氧气阀9，位于燃烧舱2外部的进气管8上设有进气阀10，第一控制器3和电子点火器4均固定设置在燃烧舱2内底部，第一控制器3与电子点火器4信号连接，燃烧舱2内底部中心固定设置有一根中空支柱11，点火针5和中空支柱11均竖向设置，点火针5的下端固定安装在中空支柱11的顶部，电子点火器4和点火针5通过一根穿过中空支柱11内部中心的导线（图中未示）连接，燃烧分布板6为顶部敞口的伞形结构，燃烧分布板6上均匀开设有若干个上下通透的燃烧孔12，燃烧分布板6的中心固定套装在中空支柱11上，点火针5位于燃烧分布板6的中心上方，燃烧分布板6的外圆边沿与燃烧舱2的内壁接触，氧气管7和进气管8的内端伸入到燃烧舱2内部且位于燃烧分布板6的下方，氧气管7的外端连接有提供氧气的氧气瓶，进气管8的外端连接有提供含氦天然气尾气的尾气管，燃烧舱2的顶部中心设有第一排气管13，第一排气管13的上侧部外圆周均匀开设有若干个出气孔14，第一排气管13的上侧部外圆周上对应每个出气孔14的外侧均设有一个挡板15，挡板15内高外底倾斜设置。氧气瓶和尾气管在图中未示。
碱液喷淋模块包括碱液喷淋舱16、氢氧化钠溶液室17和若干个喷淋头18，碱液喷淋舱16的底部通过若干根立柱19固定支撑在燃烧舱2的顶部，第一排气管13穿过碱液喷淋舱16的底部中心伸入到碱液喷淋舱16内部，各个出气孔14均位于碱液喷淋舱16内部，第一排气管13的外部与碱液喷淋舱16之间密封连接，碱液喷淋舱16的顶部敞口，氢氧化钠溶液室17同中心固定安装在碱液喷淋舱16的顶部内侧，碱液喷淋舱16的内壁上侧部周向设有环形台阶20，氢氧化钠溶液室17的底部外边沿压在环形台阶20上，氢氧化钠溶液室17的外周与碱液喷淋舱16的内壁密封接触，氢氧化钠溶液室17的顶部与碱液喷淋舱16的顶部边沿齐平，氢氧化钠溶液室17的侧部设有若干根穿过碱液喷淋舱16侧壁的碱液进液管21，第一排气管13的顶部与氢氧化钠溶液室17的底部中心紧压密封接触，第一排气管13的外周和碱液喷淋舱16的内壁之间形成喷淋环腔22，各个喷淋头18均匀安装在氢氧化钠溶液室17的底部且与氢氧化钠溶液室17内部连通，各个喷淋头18的喷射方向均朝下设置，碱液喷淋舱16的底部设有若干根碱液排液管23，第一排气管13的外部缠绕有位于碱液喷淋舱16的底部和燃烧舱2的顶部之间的第一换热管24，第一换热管24沿第一排气管13的中心线螺旋布置，氢氧化钠溶液室17上固定安装有两根第二排气管25，两根第二排气管25均竖向设置且关于第一排气管13左右对称，两根第二排气管25的下端均与氢氧化钠溶液室17的底部齐平，两根第二排气管25的上端均穿过氢氧化钠溶液室17的顶部，两根第二排气管25的外部与氢氧化钠溶液室17之间密封连接，氢氧化钠溶液室17内装有氢氧化钠溶液，两根第二排气管25上均设置有电磁阀（图中未示）。氢氧化钠溶液室17中的氢氧化钠溶液是通过各根碱液进液管21进行补充的，碱液排液管23用于将喷淋环腔22内的反应过的氢氧化钠溶液排出，保持喷淋环腔22内的液面高度稳定，挡板15用于防止氢氧化钠溶液在喷淋时从出气孔14溅出。
分子筛干燥模块包括分子筛舱26，分子筛舱26的底部固定连接在氢氧化钠溶液室17的顶部，分子筛舱26内分为两个舱室，两个舱室的结构相同且左右对称设置，每个舱室均包括三层上下并排设置的筛腔，相邻两层筛腔之间均连接有两根连接管，每层筛腔内均填装有分子筛单元27，左侧的第二排气管25的上端穿过左侧最下层的筛腔底部并与左侧最下层的筛腔连通，右侧的第二排气管25的上端穿过右侧最下层的筛腔底部并与右侧最下层的筛腔连通，左侧最上层的筛腔和右侧最上层的筛腔的顶部均设有两根第三排气管28，分子筛单元27的外部包裹有加热带29。分子筛单元27为现有成熟技术，内部采用Al2O3颗粒，Al2O3颗粒再生快，且无Al2O3颗粒的烧结现象，能够很好地吸附水蒸汽。
过滤模块包括过滤舱30和中空纤维膜板31，过滤舱30的底部固定连接在分子筛舱26的顶部，各根第三排气管28的上端均穿过过滤舱30的底部伸入到过滤舱30内，中空纤维膜板31水平设置在过滤舱30内中部且上下并排设置有三块，中空纤维膜板31的外边沿与过滤舱30的内壁固定连接且密封接触，过滤舱30的侧壁下侧部设有第四排气管32，第四排气管32与过滤舱30连接处位于中空纤维膜板31的下方，第四排气管32上设置有压力气阀（图未示），过滤舱30的顶部设有第五排气管33，第五排气管33上设有球阀34。
还包括箱体35，换热模块和制冷分离模块均固定安装在箱体35内，换热模块包括换热壳体36、输气管37和第二换热管38，输气管37为左高右低的U型管，换热壳体36固定安装在箱体35内左侧，输气管37竖向固定安装在换热壳体36中，输气管37的左侧上端和右侧上端均伸出换热壳体36，第五排气管33与输气管37的左侧上端连接，第二换热管38缠绕在输气管37的外部，第二换热管38沿输气管37的中心线螺旋布置；
制冷分离模块包括液氮罐39、制冷机组40、第一真空舱41、第二真空舱42、第一制冷舱43、第二制冷舱44和第三制冷舱45，液氮罐39和制冷机组40分别固定连接在箱体35内底部右侧，第一真空舱41和第二真空舱42由下至上固定设置在箱体35内右侧且位于液氮罐39的上方，第一制冷舱43和第二制冷舱44均固定设置在第一真空舱41中，第一制冷舱43位于第二制冷舱44的下方，第三制冷舱45固定设置在第二中空舱中，输气管37的右侧上端穿过第一真空舱41固定连接在第一制冷舱43的底部左端，第一制冷舱43内中部固定设置有若干个第一冷头46，第一制冷舱43的底部左侧部连接有第一排液管47，第一制冷舱43内底部表面为斜面，第一排液管47与第一制冷舱43的底部连接处为第一制冷舱43内底部表面最低点，第一排液管47的下端穿过第一真空舱41并连接在第二换热管38的右侧上部，第一制冷舱43的顶部右侧部和第二制冷舱44的底部右侧部之间通过一根第一导通管48连接，第二制冷舱44内中部固定设置有若干个第二冷头49，第二制冷舱44的底部左端连接有第二排液管50，第二制冷舱44内底部表面为斜面，第二排液管50与第二制冷舱44的底部连接处为第二制冷舱44内底部表面最低点，第二排液管50的下端穿过第一真空舱41并连接在第二换热管38的右侧上部，第三制冷舱45内固定设置有气体容器51，气体容器51的外部和第三制冷舱45的内壁之间充满有液氮，第三制冷舱45与液氮罐39之间通过一根穿过第二真空舱42的供液管52连接，第二制冷舱44的顶部右侧部和气体容器51的底部右侧部之间通过一根穿过第二真空舱42和第三制冷舱45的第二导通管53连接，气体容器51内中部固定设置有若干个第三冷头54，气体容器51的底部左端连接有第三排液管55，气体容器51内底部表面为斜面，第三排液管55与气体容器51的底部连接处为气体容器51内底部表面最低点，第三排液管55的下端穿过第三制冷舱45和第二真空舱42并连接在第二换热管38的右侧上部，气体容器51的顶部设有第六排气管56，第六排气管56上也设置有球阀34，制冷机组40分别与各个第一冷头46、各个第二冷头49和各个第三冷头54连接，第二换热管38的左侧上端穿过换热壳体36与外界大气连接，第一换热管24的进口端连接在第二换热管38的左侧下部，第一换热管24的出口端与外界大气连接。第一真空舱41和第二真空舱42能够减少其内部与外界的热量交换，有利于降低制冷机组40的能耗。
磁悬浮高速离心分离模块包括外壳体57、上端盖58、下端盖59、定子铁芯60、第一定子绕组61、第一转子62、第二定子绕组63、第二转子64、导电滑环65、第一抽气管66、第二抽气管67、外部三相电源（图未示）和第二控制器68，外壳体57为上下通透的圆筒体，上端盖58和下端盖59分别固定安装在外壳体57的顶部和底部，定子铁芯60同中心安装在外壳体57内部，定子铁芯60的上端固定连接在上端盖58的下表面中心，定子铁芯60的下端固定连接在下端盖59的上表面中心，第一定子绕组61嵌套固定在定子铁芯60的外周，第一转子62同中心套设在定子铁芯60的外部，第二定子绕组63嵌套固定在第一转子62的外周，第一转子62的内侧壁和第二转子64的内侧壁上均圆周阵列固定连接有若干块呈长方体结构的铷铁硼永磁体69，铷铁硼永磁体69的长度方向与第一转子62的中心线平行，第二转子64同中心套设在第一转子62的外部，第一转子62的内圆和定子铁芯60的外圆之间形成第一环腔70，第二转子64的内圆和第二转子64的外圆之间形成第二环腔71，第一转子62的外圆周上侧部和下侧部均一体成型有第一圆环盘72，第二转子64的外圆周上侧部和下侧部均一体成型有第二圆环盘73，上端盖58的下表面和下端盖59的上表面分别固定设置有第一径向磁轴承74、第一轴向磁轴承75、第二径向磁轴承76和第二轴向磁轴承77，两个第一径向磁轴承74上下对应，两个第一轴向磁轴承75上下对应，两个第二径向磁轴承76上下对应，两个第二轴向磁轴承77上下对应，第一转子62的顶部和底部分别转动设置在两个第一径向磁轴承74中，两个第一圆环盘72分别转动设置在两个第一轴向磁轴承75中，第二转子64的顶部和底部分别转动设置在两个第二径向磁轴承76中，两个第二圆环盘73分别转动设置在两个第二轴向磁轴承77中，第六排气管56连接在上端盖58上并与第一环腔70连通，第一转子62的侧壁上均匀开设有若干个渗气孔78，导电滑环65安装在下端盖59的上表面上，第二电子绕组与导电滑环65的旋转结构电连接，第一抽气管66和第二抽气管67分别固定安装在下端盖59上，第一抽气管66的上端穿过下端盖59与第一环腔70连通，第二抽气管67的上端穿过下端盖59与第二环腔71连通，第一抽气管66的下端连接有氢气储罐（图未示），第二抽气管67的下端连接有氦气储罐（图未示），第一抽气管66和第二抽气管67上均设置有抽气泵（图未示），两个第一径向磁轴承74和两个第二径向磁轴承76上均设置有轴向位移传感器79，两个第一轴向磁轴承75和两个第二轴向磁轴承77上均设置有径向位移传感器80，第二转子64的外圆周和外壳体57的内圆周之间缠绕有第三换热管81，第三换热管81沿第二转子64的中心线螺旋布置，第三换热管81与外壳体57之间固定连接（焊接或铆接），第三换热管81的进口端穿过外壳体57并连接在第二换热管38的右侧下部，第三换热管81的出口端穿过外壳体57并与外界大气连接，外壳体57的内壁设有用于监测第二转子64转速的转速传感器82，第一环腔70和第二环腔71的底部均设置有温度传感器83和气压传感器84，第二控制器68固定安装在外壳体57的外侧壁下侧部，外部三相电源分别与第二控制器68、第一定子绕组61、导电滑环65的静止结构、两个抽气泵、轴向位移传感器79、径向位移传感器80、转速传感器82、温度传感器83和气压传感器84电连接，第二控制器68分别与外部三相电源、两个抽气泵、轴向位移传感器79、径向位移传感器80、转速传感器82、温度传感器83和气压传感器84信号连接。
第一控制器3、电子点火器4、点火针5、电磁阀、分子筛单元27、加热带29、中空纤维膜板31、压力气阀、球阀34、制冷机组40、定子铁芯60、第一定子绕组61、第一转子62、第二定子绕组63、第二转子64、第二控制器68、导电滑环65、铷铁硼永磁体69、第一径向磁轴承74、第一轴向磁轴承75、第二径向磁轴承76和第二轴向磁轴承77、抽气泵、轴向位移传感器79、径向位移传感器80、转速传感器82、温度传感器83和气压传感器84均是现有成熟技术，具体构造和工作原理不再赘述。
一种天然气中提取氦气的装置的提取工艺，包括以下步骤：
（1）、将含氦的天然气尾气通入燃烧模块中进行充分燃烧，除去天然气中大部分的氢气和烷类气体：首先，含氦的天然气尾气接入进气管8，氧气接入氧气管7，同时打开进气阀10和氧气阀9，使含氦的天然气尾气和氧气同时通入燃烧舱2中并在燃烧舱2内底部充分混合，混合气体向上通过燃烧分布板6上的各个燃烧孔12，然后通过第一控制器3启动电子点火器4，电子点火器4通过点火针5点燃混合气体，使混合气体充分燃烧，除去混合气体中大部分的氢气和烷类气体，燃烧产生的水蒸汽便会随混合气体通过第一排气管13上侧部的各个出气孔14进入碱液喷淋舱16，由于；
（2）、燃烧后的混合气体进入碱液喷淋模块中，消除混合气体中的二氧化碳：混合气体进入喷淋环腔22后，同时打开各个喷淋头18，氢氧化钠溶液室17中的氢氧化钠溶液便会通过各个喷淋头18均匀向下喷淋到喷淋环腔22中，氢氧化钠溶液便会与混合气体中的二氧化碳进行化学反应，从而将二氧化碳除去，之后混合气体便会分别通过两根第二排气管25进入分子筛舱26；
（3）、经喷淋后的混合气体通过分子筛干燥模块进行干燥，除去混合气体中的水蒸汽：通过控制两根第二排气管25上的电磁阀，使其中一根第二排气管25打开时另一根第二排气管25处于封闭状态，实现分子筛舱26中的两个舱室内分子筛单元27相互交替工作，当左侧的第二排气管25打开时，右侧的第二排气管25封闭，混合气体便会通过左侧的第二排气管25进入到左侧的舱室内，混合气体便由下至上依次通过左侧的三个筛腔，并经左侧的三个筛腔内的分子筛单元27干燥后，通过左侧的两根第三排气管28进入到过滤舱30内，与此同时，右侧的三个筛腔内的分子筛单元27便会在其外部的加热带29加热作用下进行再生处理，同理，当右侧的第二排气管25打开时，左侧的第二排气管25封闭，混合气体便会通过右侧的第二排气管25进入到右侧的舱室内，混合气体便由下至上依次通过右侧的三个筛腔，并经右侧的三个筛腔内的分子筛单元27干燥后，通过右侧的两根第三排气管28进入到过滤舱30内，与此同时，左侧的三个筛腔内的分子筛单元27便会在其外部的加热带29加热作用下进行再生处理，如此，便能够将从喷淋环腔22内排出的混合气体充分干燥，除去混合气体中的水蒸汽；
（4）、经干燥后的混合气体进入过滤模块，将混合气体内甲烷、氮气及氧气进行有效过滤：混合气体进入过滤舱30后，向上依次穿过三块中空纤维膜板31，中空纤维膜板31能够对甲烷、氮气和氧气进行有效过滤，使大部分的甲烷、氮气和氧气滞留在中空纤维膜板31下方的过滤舱30内底部，打开第五排气管33上的球阀34，而后向上穿过三块中空纤维膜板31的混合气体便会通过第五排气管33进入到输气管37中，当过滤舱30内底部的气体压力达到规定值时，便会打开压力气阀，使滞留在过滤舱30内底部的气体通过第四排气管32排出过滤舱30；
（5）、过滤后的混合气体通过换热模块进入制冷分离模块，经过三级冷却分别将混合气体中的残余甲烷、氩气及残余氧气和残余氮气依次冷凝成液体分离出来；
（6）、经三级冷却以后，仅剩氦气和少量氢气的混合气体进入磁悬浮高速离心分离模块，在巨大离心力场作用下将氦气和氢气分离。
步骤（5）具体为：过滤后的混合气体经第五排气管33进入到输气管37中，又通过输气管37进入第一制冷舱43，启动制冷机组40，制冷机组40通过各个第一冷头46将第一制冷舱43中的混合气体冷却至-160℃，从而将混合气体中的残余甲烷冷凝成液体分离出来，冷凝的甲烷液体便会通过第一排液管47进入第二换热管38中，剩余的混合气体通过第一导通管48进入第二制冷舱44中，制冷机组40通过各个第二冷头49将第二制冷舱44中的混合气体冷却至-186℃，从而将混合气体中的氩气和残余氧气冷凝成液体分离出来，冷凝的氩气和氧气液体便会通过第二排液管50进入第二换热管38中，剩余的混合气体继续通过第二导通管53进入第三制冷舱45内的气体容器51中，制冷机组40通过各个第三制冷舱45将气体容器51中的混合气体冷却至-200℃，从而将混合气体中的残余氮气冷凝成液体分离出来，冷凝的氮气液体便会通过第三排液管55进入第二换热管38中，如此，经过三级冷却后混合气体中仅剩氦气和少量氢气，而第二换热管38中便会流动有冷凝液体，使第二换热管38能够对输气管37中的混合气体进行预冷处理，减小制冷机组40的能源消耗，由于第一换热管24的进口端连接在第二换热管38的左侧下部，则第一换热管24中也会流动有冷凝液体，第一换热管24便能够对第一排气管13中刚燃烧过的混合气体进行冷凝，降低燃烧后的混合气体的温度，同理，第三换热管81的进口端连接在第二换热管38的右侧下部，则第三换热管81中也会流动有冷凝液体，第三换热管81便能够对外壳器内部进行降温处理，冷凝液体经过一系列换热后便分别通过第一换热管24、第二换热管38和第三换热管81的出口端排出到外界大气中。
步骤（6）具体为：打开第六排气管56上的球阀34，仅剩氦气和少量氢气的混合气体通过第六排气管56进入磁悬浮高速离心分离模块中的第一环腔70，通过第二控制器68使第一定子绕组61和第二定子绕组63均与外部三相电源接通，则第一转子62便会旋转，定子铁芯60和第一转子62形成旋转磁场，同理第二转子64在第一转子62的基础上相对第一转子62旋转，第一转子62和第二转子64也会形成旋转磁场，第二转子64的转速为第一转子62的转速二倍，由于第一径向磁轴承74、第一轴向磁轴承75、第二径向磁轴承76和第二轴向磁轴承77的设置，会使第一转子62和第二转子64始终处于磁悬浮状态，第二转子64的转速达到十万转/分钟，根据分子质量不同的流体的压强分布不同的原理，在巨大的离心力场作用下，气体中的轻分子在离心机转子中央部分加浓，而重分子更多地趋于筒壁，则氦气便会通过渗气孔78进入第二环腔71中，并富集在第二环腔71的外侧，氢气聚集在第一环腔70的内侧，当第二环腔71底部的气压传感器84达到额定压力值时，控制器启动第二抽气管67上的抽气泵工作,将富集的氦气从第二环腔71中抽取出来储存在氦气储罐中，同理，当第一环腔70底部的气压传感器84达到额定压力值时，控制器启动第一抽气管66上的抽气泵工作,将富集的氢气从第一环腔70中抽取出来储存在氢气储罐中，由于第一转子62和第二转子64在高速旋转时会产生大量的热量，温度传感器83可实时监测第一环腔70和第二环腔71中的温度，而且第三换热管81中流动有冷凝液体，能够对外壳体57内部进行降温处理。
本发明具有以下优点：
（1）、在本发明中，前期采用燃烧舱2除去含氦天然气尾气中的大部分氢气与烷类气体，大幅缩小待处理的氢气与甲烷体量，从而减小制冷功率，降低能耗；然后通过碱液喷淋舱16除去燃烧后混合气体中的二氧化碳，再通过三层中空纤维膜板31作为氦气的预浓缩设备，中空纤维膜板31可显著降低待处理气体中的甲烷、氮气及氧气的比份，显著提高氦气浓度，大幅缩小待处理气体体量，从而减小制冷功率，降低能耗；在将混合气体通过换热模块进行预降温，同样可达到减小制冷功率，降低能耗的目的，最终降低提取氦气的成本。
（2）、由于氢气沸点为-253℃，与氦气的沸点-267℃十分接近，若要通过深冷的方式进行氦、氢分离，则需要将气体温度降至-253℃以下，能耗很高，本发明使用磁悬浮高速离心分离模块进行氢氦分离。
（3）、本发明的磁悬浮高速离心分离模块采用双转子结构，通过定子铁芯60、第一转子62和第二转子64叠加的方法提高最外侧第二转子64的转速，使得第二转子64的转速达到十万转/分钟以上，根据分子质量不同的流体的压强分布不同的原理，在巨大的离心力场作用下，气体中的轻分子在离心机转子中央部分加浓，而重分子更多地趋于筒壁，对氢气与氦气进行分离。
（4）、本发明的磁悬浮高速离心分离模块的外壳体57中还设置第三换热管81，第三换热管81的进口端连接在第二换热管38的右侧下部，第二换热管38与制冷分离模块中的第一排液管47、第二排液管50和第三排液管55连接，经三级冷却混合气体中残余甲烷、氩气及残余氧气和残余氮气依次冷凝成液体，并进入第二换热管38中，从而第三换热管81中也流动有冷凝液体，则第三换热管81能够对外壳体57内部进行降温，既合理利用了前期制冷分离模块中分离出来的冷凝液体又解决了磁悬浮高速离心分离模块易产热的问题。
（5）、本发明采用现有成熟的磁悬浮轴承技术，利用磁性“同性相斥，异性相吸”的原理，通过控制径向与轴向的电磁场，使得第一转子62和第二转子64始终处于相对“悬浮”状态，从而在旋转时不会产生机械接触，不会产生机械摩擦，不再需要机械轴承以及机械轴承所必需的润滑系统，同时减小摩擦消耗及产热情况。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种天然气中提取氦气的装置，其特征在于：包括机架、燃烧模块、碱液喷淋模块、分子筛干燥模块、过滤模块、换热模块、制冷分离模块和磁悬浮高速离心分离模块，燃烧模块、碱液喷淋模块、分子筛干燥模块和过滤模块由下至上依次设置机架的左侧，换热模块和制冷分离模块设置在机架的中部，磁悬浮高速离心分离模块设置在机架的右侧，燃烧模块与碱液喷淋模块连接，碱液喷淋模块与分子筛干燥模块连接，分子筛干燥模块与过滤模块连接，过滤模块与换热模块连接，换热模块与制冷分离模块连接，制冷分离模块与磁悬浮高速离心分离模块连接。
2.根据权利要求1所述的天然气中提取氦气的装置，其特征在于：燃烧模块包括燃烧舱、第一控制器、电子点火器、点火针和燃烧分布板，燃烧舱的侧壁设有氧气管和进气管，位于燃烧舱外部的氧气管上设有氧气阀，位于燃烧舱外部的进气管上设有进气阀，第一控制器和电子点火器均固定设置在燃烧舱内底部，第一控制器与电子点火器信号连接，燃烧舱内底部中心固定设置有一根中空支柱，点火针和中空支柱均竖向设置，点火针的下端固定安装在中空支柱的顶部，电子点火器和点火针通过一根穿过中空支柱内部中心的导线连接，燃烧分布板为顶部敞口的伞形结构，燃烧分布板上均匀开设有若干个上下通透的燃烧孔，燃烧分布板的中心固定套装在中空支柱上，点火针位于燃烧分布板的中心上方，燃烧分布板的外圆边沿与燃烧舱的内壁接触，氧气管和进气管的内端伸入到燃烧舱内部且位于燃烧分布板的下方，氧气管的外端连接有提供氧气的氧气瓶，进气管的外端连接有提供含氦天然气尾气的尾气管，燃烧舱的顶部中心设有第一排气管，第一排气管的上侧部外圆周均匀开设有若干个出气孔，第一排气管的上侧部外圆周上对应每个出气孔的外侧均设有一个挡板，挡板内高外底倾斜设置。
3.根据权利要求2所述的天然气中提取氦气的装置，其特征在于：碱液喷淋模块包括碱液喷淋舱、氢氧化钠溶液室和若干个喷淋头，碱液喷淋舱的底部通过若干根立柱固定支撑在燃烧舱的顶部，第一排气管穿过碱液喷淋舱的底部中心伸入到碱液喷淋舱内部，各个出气孔均位于碱液喷淋舱内部，第一排气管的外部与碱液喷淋舱之间密封连接，碱液喷淋舱的顶部敞口，氢氧化钠溶液室同中心固定安装在碱液喷淋舱的顶部内侧，碱液喷淋舱的内壁上侧部周向设有环形台阶，氢氧化钠溶液室的底部外边沿压在环形台阶上，氢氧化钠溶液室的外周与碱液喷淋舱的内壁密封接触，氢氧化钠溶液室的顶部与碱液喷淋舱的顶部边沿齐平，氢氧化钠溶液室的侧部设有若干根穿过碱液喷淋舱侧壁的碱液进液管，第一排气管的顶部与氢氧化钠溶液室的底部中心紧压密封接触，第一排气管的外周和碱液喷淋舱的内壁之间形成喷淋环腔，各个喷淋头均匀安装在氢氧化钠溶液室的底部且与氢氧化钠溶液室内部连通，各个喷淋头的喷射方向均朝下设置，碱液喷淋舱的底部设有若干根碱液排液管，第一排气管的外部缠绕有位于碱液喷淋舱的底部和燃烧舱的顶部之间的第一换热管，第一换热管沿第一排气管的中心线螺旋布置，氢氧化钠溶液室上固定安装有两根第二排气管，两根第二排气管均竖向设置且关于第一排气管左右对称，两根第二排气管的下端均与氢氧化钠溶液室的底部齐平，两根第二排气管的上端均穿过氢氧化钠溶液室的顶部，两根第二排气管的外部与氢氧化钠溶液室之间密封连接，氢氧化钠溶液室内装有氢氧化钠溶液，两根第二排气管上均设置有电磁阀。
4.根据权利要求3所述的天然气中提取氦气的装置，其特征在于：分子筛干燥模块包括分子筛舱，分子筛舱的底部固定连接在氢氧化钠溶液室的顶部，分子筛舱内分为两个舱室，两个舱室的结构相同且左右对称设置，每个舱室均包括三层上下并排设置的筛腔，相邻两层筛腔之间均连接有两根连接管，每层筛腔内均填装有分子筛单元，左侧的第二排气管的上端穿过左侧最下层的筛腔底部并与左侧最下层的筛腔连通，右侧的第二排气管的上端穿过右侧最下层的筛腔底部并与右侧最下层的筛腔连通，左侧最上层的筛腔和右侧最上层的筛腔的顶部均设有两根第三排气管，分子筛单元的外部包裹有加热带。
5.根据权利要求4所述的天然气中提取氦气的装置，其特征在于：过滤模块包括过滤舱和中空纤维膜板，过滤舱的底部固定连接在分子筛舱的顶部，各根第三排气管的上端均穿过过滤舱的底部伸入到过滤舱内，中空纤维膜板水平设置在过滤舱内中部且上下并排设置有三块，中空纤维膜板的外边沿与过滤舱的内壁固定连接且密封接触，过滤舱的侧壁下侧部设有第四排气管，第四排气管与过滤舱连接处位于中空纤维膜板的下方，第四排气管上设置有压力气阀，过滤舱的顶部设有第五排气管，第五排气管上设有球阀。
6.根据权利要求5所述的天然气中提取氦气的装置，其特征在于：还包括箱体，换热模块和制冷分离模块均固定安装在箱体内，换热模块包括换热壳体、输气管和第二换热管，输气管为左高右低的U型管，换热壳体固定安装在箱体内左侧，输气管竖向固定安装在换热壳体中，输气管的左侧上端和右侧上端均伸出换热壳体，第五排气管与输气管的左侧上端连接，第二换热管缠绕在输气管的外部，第二换热管沿输气管的中心线螺旋布置；
制冷分离模块包括液氮罐、制冷机组、第一真空舱、第二真空舱、第一制冷舱、第二制冷舱和第三制冷舱，液氮罐和制冷机组分别固定连接在箱体内底部右侧，第一真空舱和第二真空舱由下至上固定设置在箱体内右侧且位于液氮罐的上方，第一制冷舱和第二制冷舱均固定设置在第一真空舱中，第一制冷舱位于第二制冷舱的下方，第三制冷舱固定设置在第二中空舱中，输气管的右侧上端穿过第一真空舱固定连接在第一制冷舱的底部左端，第一制冷舱内中部固定设置有若干个第一冷头，第一制冷舱的底部左侧部连接有第一排液管，第一制冷舱内底部表面为斜面，第一排液管与第一制冷舱的底部连接处为第一制冷舱内底部表面最低点，第一排液管的下端穿过第一真空舱并连接在第二换热管的右侧上部，第一制冷舱的顶部右侧部和第二制冷舱的底部右侧部之间通过一根第一导通管连接，第二制冷舱内中部固定设置有若干个第二冷头，第二制冷舱的底部左端连接有第二排液管，第二制冷舱内底部表面为斜面，第二排液管与第二制冷舱的底部连接处为第二制冷舱内底部表面最低点，第二排液管的下端穿过第一真空舱并连接在第二换热管的右侧上部，第三制冷舱内固定设置有气体容器，气体容器的外部和第三制冷舱的内壁之间充满有液氮，第三制冷舱与液氮罐之间通过一根穿过第二真空舱的供液管连接，第二制冷舱的顶部右侧部和气体容器的底部右侧部之间通过一根穿过第二真空舱和第三制冷舱的第二导通管连接，气体容器内中部固定设置有若干个第三冷头，气体容器的底部左端连接有第三排液管，气体容器内底部表面为斜面，第三排液管与气体容器的底部连接处为气体容器内底部表面最低点，第三排液管的下端穿过第三制冷舱和第二真空舱并连接在第二换热管的右侧上部，气体容器的顶部设有第六排气管，第六排气管上也设置有球阀，制冷机组分别与各个第一冷头、各个第二冷头和各个第三冷头连接，第二换热管的左侧上端穿过换热壳体与外界大气连接，第一换热管的进口端连接在第二换热管的左侧下部，第一换热管的出口端与外界大气连接。
7.根据权利要求6所述的天然气中提取氦气的装置，其特征在于：磁悬浮高速离心分离模块包括外壳体、上端盖、下端盖、定子铁芯、第一定子绕组、第一转子、第二定子绕组、第二转子、导电滑环、第一抽气管、第二抽气管、外部三相电源和第二控制器，外壳体为上下通透的圆筒体，上端盖和下端盖分别固定安装在外壳体的顶部和底部，定子铁芯同中心安装在外壳体内部，定子铁芯的上端固定连接在上端盖的下表面中心，定子铁芯的下端固定连接在下端盖的上表面中心，第一定子绕组嵌套固定在定子铁芯的外周，第一转子同中心套设在定子铁芯的外部，第二定子绕组嵌套固定在第一转子的外周，第一转子的内侧壁和第二转子的内侧壁上均圆周阵列固定连接有若干块呈长方体结构的铷铁硼永磁体，铷铁硼永磁体的长度方向与第一转子的中心线平行，第二转子同中心套设在第一转子的外部，第一转子的内圆和定子铁芯的外圆之间形成第一环腔，第二转子的内圆和第二转子的外圆之间形成第二环腔，第一转子的外圆周上侧部和下侧部均一体成型有第一圆环盘，第二转子的外圆周上侧部和下侧部均一体成型有第二圆环盘，上端盖的下表面和下端盖的上表面分别固定设置有第一径向磁轴承、第一轴向磁轴承、第二径向磁轴承和第二轴向磁轴承，两个第一径向磁轴承上下对应，两个第一轴向磁轴承上下对应，两个第二径向磁轴承上下对应，两个第二轴向磁轴承上下对应，第一转子的顶部和底部分别转动设置在两个第一径向磁轴承中，两个第一圆环盘分别转动设置在两个第一轴向磁轴承中，第二转子的顶部和底部分别转动设置在两个第二径向磁轴承中，两个第二圆环盘分别转动设置在两个第二轴向磁轴承中，第六排气管连接在上端盖上并与第一环腔连通，第一转子的侧壁上均匀开设有若干个渗气孔，导电滑环安装在下端盖的上表面上，第二电子绕组与导电滑环的旋转结构电连接，第一抽气管和第二抽气管分别固定安装在下端盖上，第一抽气管的上端穿过下端盖与第一环腔连通，第二抽气管的上端穿过下端盖与第二环腔连通，第一抽气管的下端连接有氢气储罐，第二抽气管的下端连接有氦气储罐，第一抽气管和第二抽气管上均设置有抽气泵，两个第一径向磁轴承和两个第二径向磁轴承上均设置有轴向位移传感器，两个第一轴向磁轴承和两个第二轴向磁轴承上均设置有径向位移传感器，第二转子的外圆周和外壳体的内圆周之间缠绕有第三换热管，第三换热管沿第二转子的中心线螺旋布置，第三换热管与外壳体之间固定连接，第三换热管的进口端穿过外壳体并连接在第二换热管的右侧下部，第三换热管的出口端穿过外壳体并与外界大气连接，外壳体的内壁设有用于监测第二转子转速的转速传感器，第一环腔和第二环腔的底部均设置有温度传感器和气压传感器，第二控制器固定安装在外壳体的外侧壁下侧部，外部三相电源分别与第二控制器、第一定子绕组、导电滑环的静止结构、两个抽气泵、轴向位移传感器、径向位移传感器、转速传感器、温度传感器和气压传感器电连接，第二控制器分别与外部三相电源、两个抽气泵、轴向位移传感器、径向位移传感器、转速传感器、温度传感器和气压传感器信号连接。
8.如权利要求7中所述的天然气中提取氦气的装置的提取工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、将含氦的天然气尾气通入燃烧模块中进行充分燃烧，除去天然气中大部分的氢气和烷类气体：首先，含氦的天然气尾气接入进气管，氧气接入氧气管，同时打开进气阀和氧气阀，使含氦的天然气尾气和氧气同时通入燃烧舱中并在燃烧舱内底部充分混合，混合气体向上通过燃烧分布板上的各个燃烧孔，然后通过第一控制器启动电子点火器，电子点火器通过点火针点燃混合气体，使混合气体充分燃烧，除去混合气体中大部分的氢气和烷类气体，燃烧产生的水蒸汽便会随混合气体通过第一排气管上侧部的各个出气孔进入碱液喷淋舱，由于；
（2）、燃烧后的混合气体进入碱液喷淋模块中，消除混合气体中的二氧化碳：混合气体进入喷淋环腔后，同时打开各个喷淋头，氢氧化钠溶液室中的氢氧化钠溶液便会通过各个喷淋头均匀向下喷淋到喷淋环腔中，氢氧化钠溶液便会与混合气体中的二氧化碳进行化学反应，从而将二氧化碳除去，之后混合气体便会分别通过两根第二排气管进入分子筛舱；
（3）、经喷淋后的混合气体通过分子筛干燥模块进行干燥，除去混合气体中的水蒸汽：通过控制两根第二排气管上的电磁阀，使其中一根第二排气管打开时另一根第二排气管处于封闭状态，实现分子筛舱中的两个舱室内分子筛单元相互交替工作，当左侧的第二排气管打开时，右侧的第二排气管封闭，混合气体便会通过左侧的第二排气管进入到左侧的舱室内，混合气体便由下至上依次通过左侧的三个筛腔，并经左侧的三个筛腔内的分子筛单元干燥后，通过左侧的两根第三排气管进入到过滤舱内，与此同时，右侧的三个筛腔内的分子筛单元便会在其外部的加热带加热作用下进行再生处理，同理，当右侧的第二排气管打开时，左侧的第二排气管封闭，混合气体便会通过右侧的第二排气管进入到右侧的舱室内，混合气体便由下至上依次通过右侧的三个筛腔，并经右侧的三个筛腔内的分子筛单元干燥后，通过右侧的两根第三排气管进入到过滤舱内，与此同时，左侧的三个筛腔内的分子筛单元便会在其外部的加热带加热作用下进行再生处理，如此，便能够将从喷淋环腔内排出的混合气体充分干燥，除去混合气体中的水蒸汽；
（4）、经干燥后的混合气体进入过滤模块，将混合气体内甲烷、氮气及氧气进行有效过滤：混合气体进入过滤舱后，向上依次穿过三块中空纤维膜板，中空纤维膜板能够对甲烷、氮气和氧气进行有效过滤，使大部分的甲烷、氮气和氧气滞留在中空纤维膜板下方的过滤舱内底部，打开第五排气管上的球阀，而后向上穿过三块中空纤维膜板的混合气体便会通过第五排气管进入到输气管中，当过滤舱内底部的气体压力达到规定值时，便会打开压力气阀，使滞留在过滤舱内底部的气体通过第四排气管排出过滤舱；
（5）、过滤后的混合气体通过换热模块进入制冷分离模块，经过三级冷却分别将混合气体中的残余甲烷、氩气及残余氧气和残余氮气依次冷凝成液体分离出来；
（6）、经三级冷却以后，仅剩氦气和少量氢气的混合气体进入磁悬浮高速离心分离模块，在巨大离心力场作用下将氦气和氢气分离。
9.根据权利要求8中所述的天然气中提取氦气的装置的提取工艺，其特征在于：步骤（5）具体为：过滤后的混合气体经第五排气管进入到输气管中，又通过输气管进入第一制冷舱，启动制冷机组，制冷机组通过各个第一冷头将第一制冷舱中的混合气体冷却至-160℃，从而将混合气体中的残余甲烷冷凝成液体分离出来，冷凝的甲烷液体便会通过第一排液管进入第二换热管中，剩余的混合气体通过第一导通管进入第二制冷舱中，制冷机组通过各个第二冷头将第二制冷舱中的混合气体冷却至-186℃，从而将混合气体中的氩气和残余氧气冷凝成液体分离出来，冷凝的氩气和氧气液体便会通过第二排液管进入第二换热管中，剩余的混合气体继续通过第二导通管进入第三制冷舱内的气体容器中，制冷机组通过各个第三制冷舱将气体容器中的混合气体冷却至-200℃，从而将混合气体中的残余氮气冷凝成液体分离出来，冷凝的氮气液体便会通过第三排液管进入第二换热管中，如此，经过三级冷却后混合气体中仅剩氦气和少量氢气，而第二换热管中便会流动有冷凝液体，使第二换热管能够对输气管中的混合气体进行预冷处理，减小制冷机组的能源消耗，由于第一换热管的进口端连接在第二换热管的左侧下部，则第一换热管中也会流动有冷凝液体，第一换热管便能够对第一排气管中刚燃烧过的混合气体进行冷凝，降低燃烧后的混合气体的温度，同理，第三换热管的进口端连接在第二换热管的右侧下部，则第三换热管中也会流动有冷凝液体，第三换热管便能够对外壳器内部进行降温处理，冷凝液体经过一系列换热后便分别通过第一换热管、第二换热管和第三换热管的出口端排出到外界大气中。
10.根据权利要求8中所述的天然气中提取氦气的装置的提取工艺，其特征在于：步骤（6）具体为：打开第六排气管上的球阀，仅剩氦气和少量氢气的混合气体通过第六排气管进入磁悬浮高速离心分离模块中的第一环腔，通过第二控制器使第一定子绕组和第二定子绕组均与外部三相电源接通，则第一转子便会旋转，定子铁芯和第一转子形成旋转磁场，同理第二转子在第一转子的基础上相对第一转子旋转，第一转子和第二转子也会形成旋转磁场，第二转子的转速为第一转子的转速二倍，由于第一径向磁轴承、第一轴向磁轴承、第二径向磁轴承和第二轴向磁轴承的设置，会使第一转子和第二转子始终处于磁悬浮状态，第二转子的转速达到十万转/分钟，根据分子质量不同的流体的压强分布不同的原理，在巨大的离心力场作用下，气体中的轻分子在离心机转子中央部分加浓，而重分子更多地趋于筒壁，则氦气便会通过渗气孔进入第二环腔中，并富集在第二环腔的外侧，氢气聚集在第一环腔的内侧，当第二环腔底部的气压传感器达到额定压力值时，控制器启动第二抽气管上的抽气泵工作,将富集的氦气从第二环腔中抽取出来储存在氦气储罐中，同理，当第一环腔底部的气压传感器达到额定压力值时，控制器启动第一抽气管上的抽气泵工作,将富集的氢气从第一环腔中抽取出来储存在氢气储罐中，由于第一转子和第二转子在高速旋转时会产生大量的热量，温度传感器可实时监测第一环腔和第二环腔中的温度，而且第三换热管中流动有冷凝液体，能够对外壳体内部进行降温处理。
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