CN113247873B - 天然气中氦气的回收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及氦气提取技术领域，尤其涉及一种天然气中氦气的回收系统及方法。可以有效避免甲烷和过量的氧气发生反应，避免产生二氧化碳造成后续冷凝冻堵，以及造成天然气热值浪费。一种天然气中氦气的回收系统，包括：脱氢反应器、除杂单元、氦气提取单元、稀释气输送装置、温度传感器和控制装置；脱氢反应器包括反应通道，反应通道的入口用于通入原料气和氧气，反应通道中填充有催化剂，催化剂用于催化所述原料气中的氢气和氧气发生反应；控制装置在温度传感器发送的温度高于第一预设阈值时，控制稀释气输送装置向反应通道的入口输送稀释气，在温度传感器发送的温度低于第一预设阈值时，控制稀释气输送装置停止向反应通道的入口输送稀释气。

Description

天然气中氦气的回收系统及方法

技术领域

本申请涉及氦气提取技术领域，尤其涉及一种天然气中氦气的回收系统及方法。

背景技术

氦气是一种无色、无味的稀有气体，具有化学性质稳定，沸点极低，扩散性强，溶解度低等特性，因此被广泛应用科研、航天工业、核工业、石化、制冷、医疗、检漏、低温、半导体、超导、光纤、金属制造、深海潜水、高精度焊接、电子产品等领域，具有非常重要且不可替代的用途，关系国家安全和高新技术产业发展的重要战略性资源。

我国氦气资源严重匮乏，仅占全世界探明总量的2％左右，长期以来，我国的工业生产和科学试验用氦气(含液氦)基本依靠国外进口，且价格高、供货周期长。目前我国95％左右的氦气依赖于进口，一旦在非常时期发生氦气禁运，我国将会出现缺氦的情况，从而影响我国国防、科研、医疗等方方面面。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种天然气中氦气的回收系统及方法。可以保持脱氢反应器中的环境处于较低的温度，从而可以有效避免甲烷和过量的氧气发生反应，避免产生二氧化碳造成后续冷凝冻堵，以及造成天然气热值浪费。

为了实现上述目的，本申请提供了一种天然气中氦气的回收系统，包括：依次连通的脱氢反应器、除杂单元和氦气提取单元；所述脱氢反应器包括反应通道，所述反应通道的入口用于通入原料气和氧气，所述反应通道中填充有催化剂，所述催化剂用于催化所述原料气中的氢气和氧气发生反应；所述除杂单元包括脱水单元，脱水单元被配置为对脱氢后的天然气进行脱水；所述氦气分离装置被配置为对脱水后的天然气中的氦气进行提取；所述系统还包括：稀释气输送装置、温度传感器和控制装置，所述温度传感器设置于所述反应通道的出口处，所述控制装置与所述稀释气输送装置和所述温度传感器电连接，所述温度传感器被配置为对所述反应通道的出口处的温度进行检测，并将所检测到的温度发送给所述控制装置，所述控制装置被配置为在所述温度传感器发送的温度高于第一预设阈值时，控制所述稀释气输送装置向所述反应通道的入口输送稀释气，在所述温度传感器发送的温度低于第一预设阈值时，控制所述稀释气输送装置停止向所述反应通道的入口输送稀释气；所述稀释气用于对进入所述反应通道内的所述原料气中的氢气进行稀释，降低通入反应通道内的原料气中氢气的浓度。

在一些实施例中，所述稀释气输送装置包括气体循环管线，以及设置于所述气体循环管线上的循环风机或第一阀门，所述气体循环管线的一端与所述氦气回收系统中任意一个气体出口连通，另一端与所述反应通道的入口连通；所述控制装置与所述循环风机或所述第一阀门电连接。

在一些实施例中，在所述稀释气输送装置包括循环风机的情况下，所述循环风机为变频风机，所述控制装置还被配置为对所述循环风机的功率进行调节，以对所述稀释气的输送流量进行调节；在所述稀释气输送装置包括第一阀门的情况下，所述第一阀门为流量调节阀，所述控制装置还被配置为对所述第一阀门的开度进行调节，以对所述稀释气的输送流量进行调节。

在一些实施例中，所述气体循环管线上还设置有冷却装置。

在一些实施例中，所述除杂单元还包括：脱碳装置，所述脱碳装置连接在所述脱氢反应器和所述脱水单元之间，或者，所述脱碳装置连接在所述脱水单元和所述氦气提取单元之间。

在一些实施例中，所述氦气提取单元包括天然气冷凝液化装置，以及与所述天然气冷凝液化装置的出气口连通的气液分离器，和与所述气液分离器的出气口连通的氦气提纯器，所述氦气提纯器中填充有吸附剂，所述吸附剂用于对经气液分离器分离得到的气体中除氦气以外的其余气体进行吸附。

在一些实施例中，所述天然气冷凝液化装置包括冷箱和设置于所述冷箱内的冷凝器，所述冷凝器的入口与所述除杂单元的出口连通，冷凝器的出口作为所述天然气冷凝液化装置的出气口。

在一些实施例中，所述冷凝器包括第一换热通道，所述氦气提纯器的出气口与所述第一换热通道的入口连通，所述第一换热通道的出口作为氦气出口；和/或，所述冷凝器包括第二换热通道，所述气液分离器的出液口与所述第二换热通道的入口连通，所述第二换热通道的出口为天然气出口。

在一些实施例中，所述除杂单元还包括：加压装置，所述加压装置被配置为将脱氢后的天然气加压至第二预设阈值，使所述氦气提取单元在所述第二预设阈值下对氦气进行提取。

在一些实施例中，所述除杂单元还包括：冷却器，所述加压装置和所述冷却器依次串接在所述脱氢反应器和所述脱水单元之间；所述冷却器被配置为将加压后的天然气冷却至预设温度，对加压后的天然气进行预脱水。

在一些实施例中，所述脱水单元包括：多个吸附单元，每个吸附单元包括吸附通道和解吸附通道；多个吸附单元的吸附通道并联，多个吸附单元的解吸附通道并联，每个吸附通道内设置有吸附剂，吸附剂用于对脱氢后的天然气中的水进行吸附，每个解吸附通道的入口用于通入再生气，所述再生气用于对所述吸附剂中的水进行解吸附，每个吸附通道串接有第二阀门，每个解吸附通道上串接有第三阀门。

在一些实施例中，每个吸附通道包括并联的冷却通道和加热通道，所述冷却通道和所述加热通道上均串接有第四阀门。

在一些实施例中，所述多个吸附单元包括第一吸附单元、第二吸附单元和第三吸附单元；所述第一吸附单元的冷却通道的出口与所述第二吸附单元的加热通道的入口连通，所述第二吸附单元的冷却通道的出口与所述第三吸附单元的加热通道的入口连通，所述第三吸附单元的冷却通道的出口与所述第一吸附单元的加热通道的入口连通；每个冷却通道上还设置有水分离器，所述水分离器被配置为对冷却后的再生气中的水进行分离。

另一方面，提供一种利用如上所述的天然气中氦气的回收系统回收氦气的方法，包括：

将原料气和氧气通入脱氢反应器中，使原料气和氧气在催化剂的催化下发生反应；对脱氢后的天然气进行除杂，包括：对脱氢后的天然气进行脱水；对除杂后的天然气中的氦气进行提取；所述方法还包括：对所述反应通道的出口处的温度进行检测；在检测到所述反应通道的出口处的温度高于第一预设阈值的情况下，向所述反应通道的入口输送稀释气，对进入所述反应通道内的原料气中的氢气进行稀释，降低通入反应通道内的原料气中氢气的浓度；在检测到所述反应通道的出口处的温度低于第一预设阈值的情况下，停止向所述反应通道的入口输送稀释气。

在一些实施例中，所述向所述脱氢反应器的反应通道的入口通入稀释气，包括：将从所述氦气回收系统中任意一个气体出口流出的气体作为所述稀释气，经所述反应通道的入口通入。

在一些实施例中，所述脱水单元中的多个吸附单元包括第一吸附单元、第二吸附单元和第三吸附单元；所述对脱氢后的天然气进行脱水，包括：

采用所述第一吸附单元对脱氢后的天然气中的水进行吸附，同时采用冷却后的再生气对所述第二吸附单元中的吸附通道进行冷却，采用加热后的再生气对所述第三吸附单元中的吸附剂中的水进行解吸附；持续第一预设时间后，采用所述第二吸附单元对脱氢后的天然气中的水进行吸附，同时采用冷却后的再生气对所述第三吸附单元中的吸附通道进行冷却，采用加热后的再生气对所述第一吸附单元中的吸附剂中的水进行解吸附；持续第二预设时间后，采用所述第三吸附单元对脱氢后的天然气中的水进行吸附，同时采用冷却后的再生气对所述第一吸附单元中的吸附通道进行冷却，采用加热后的再生气对所述第二吸附单元中的吸附剂中的水进行解吸附。

本申请的实施例提供一种天然气中氦气的回收系统及方法，通过设置稀释气输送装置、温度传感器和控制装置，根据温度传感器实时检测的温度，可以间接反映出反应通道中的氢气的浓度大小，示例的，在温度传感器检测到的温度较高时，说明反应通道中的氢气浓度比较高，这时，通过控制稀释气输送装置向反应通道中通入稀释气，可以降低氢气的浓度，从而可以降低反应通道中的氢气和氧气发生反应放出的热量，进而能够对反应通道的出口处的温度进行调节，而在反应通道的出口处的温度降低到一定温度时，则说明反应通道中的氢气浓度较低，这时，无需向反应通道中通入稀释气，在此过程中，可以实现PID(比例(proportion)、积分(integral)、微分(differential)) 精确控制，避免氢气浓度过高所造成的反应通道中温度过高，使得原料气中的甲烷和过量的氧气发生反应生成二氧化碳，从而不利于后续通过冷凝获得氦气，以及容易造成天然气热值的浪费的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为相关技术提供的一种采用天然气中氦气的回收系统回收氦气的流程图；

图2为本申请提供的一种天然气中氦气的回收系统的结构图；

图3为本申请提供的另一种天然气中氦气的回收系统的结构图；

图4为本申请提供的一种脱水单元的结构图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本公开一些实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开所提供的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非上下文另有要求，否则，在整个说明书和权利要求书中，术语“包括(comprise)”及其其他形式例如第三人称单数形式“包括(comprises)”和现在分词形式“包括(comprising)”被解释为开放、包含的意思，即为“包含，但不限于”。在说明书的描述中，术语“一个实施例(one embodiment)”、“一些实施例(some embodiments)”、“示例性实施例(exemplary embodiments)”、“示例(example)”、“特定示例(specific example)”或“一些示例(some examples)”等旨在表明与该实施例或示例相关的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开的至少一个实施例或示例中。上述术语的示意性表示不一定是指同一实施例或示例。此外，所述的特定特征、结构、材料或特点可以以任何适当方式包括在任何一个或多个实施例或示例中。

以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

“A、B和C中的至少一个”与“A、B或C中的至少一个”具有相同含义，均包括以下A、B和C的组合：仅A，仅B，仅C，A和B的组合，A 和C的组合，B和C的组合，及A、B和C的组合。

“A和/或B”，包括以下三种组合：仅A，仅B，及A和B的组合。

本文中“适用于”或“被配置为”的使用意味着开放和包容性的语言，其不排除适用于或被配置为执行额外任务或步骤的设备。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

液化天然气(liquefied natural gas，缩写为LNG)作为一种清洁、高效、方便、安全的能源，以其热值高、污染少和储运方便等特点成为了现代社会人们可选择的优质能源之一。

多数液化天然气工厂的蒸发气体(Boiled-Off Gas，缩写为BOG，该部分气体是甲烷、氮气、氦气、氢气及微量杂质气体(如氖气、氩气等)的混合气体)普遍作为燃料，多余的BOG需要再次液化回收，但是BOG再液化普遍存在氮、氦、氢、氩等不凝物料流累积问题，除了增加能耗，往往还需要对不凝气定期或不定期排放，否则不凝气累积将影响LNG储运系统的安全稳定生产以及LNG产品品质。而以上燃料气消耗和不凝气排放都导致了天然气资源中可能伴生的宝贵的氦资源的浪费以及经济上的直接损失。

目前，我国自产的氦气产品主要从LNG的BOG气体中获得，如图1所示，为相关技术中提供的一种从BOG气体中提取氦气的流程图，在图1中， BOG气体(也可以称为原料气)A’经硅胶干燥器1’脱水后进入分子筛吸附器 2’，吸附微量的二氧化碳和水，净化后的天然气分别经过预冷器3’、氨冷却器4’、主冷却器5’后进入精馏塔8’，粗氦从精馏塔8’塔顶出来后经脱氢反应器11’催化反应脱氢后得到氦气F’。精馏塔8’分为常压液化冷凝段和减压液化冷凝段，装置中低温换热器采用绕管式换热器，提氦后的BOG气体增压去 LNG管网。

然而，我国LNG资源中的氦含量普遍很低，体积含量不超过1％，此工艺从BOG气体中提氦需要经过脱水、冷凝、精馏，然后再脱氢的工序，技术路线长，在后续脱氢过程中又会产生水甚至二氧化碳等杂质，不利于高纯氦气的提取，而倘若再增加脱水、脱碳工序以获取高纯氦气，则会进一步增加提氦的技术路线以及设备成本，不利于经济效益的提高。

本公开的实施例提供一种天然气中氦气的回收系统，如图2所示，包括：

依次连通的脱氢反应器1、除杂单元和氦气提取单元3；脱氢反应器1包括反应通道11，反应通道11的入口用于通入原料气和氧气，反应通道11中填充有催化剂，催化剂用于催化原料气中的氢气和氧气发生反应。除杂单元包括脱水单元2，脱水单元2被配置为对脱氢后的天然气进行脱水。氦气提取单元3被配置为对脱水后的天然气中的氦气进行提取。

其中，催化剂是可以用于催化氢气和氧化反应的任意催化剂，例如，贵金属催化剂、过渡金属氧化物催化剂、钙钛矿型金属氧化物催化剂等。

在实际应用中，可以在上述催化剂下，根据线上检测的原料气中的氢气含量进行配氧，使原料气中的氢气和氧气在一定的温度下发生催化反应，反应式为：

2H₂+O₂→2H₂O。

为了提高脱氢效果，使氢气被脱除至含量在0.1ppm以下，这就需要配氧要适度过量。

在此过程中，随着氢气和氧气在催化作用下发生反应生成水，脱氢反应器的反应通道的出口处温度较高，尤其是随着温度升高，原料气中的甲烷会和过量的氧气在高于250℃发生反应，反应方程式如下：

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O。

这样，一方面，二氧化碳的生成不利于后续通过冷凝获得氦气，会在冷凝器中发生凝固，从而造成对冷凝器的封堵，另一方面，会造成天然气热值的浪费。

基于此，在一些实施例中，如图2和图3所示，该回收系统还包括：稀释气输送装置4、温度传感器5和控制装置6，温度传感器5设置于反应通道 11的出口处，控制装置6与稀释气输送装置4和温度传感器5电连接，温度传感器5被配置为对反应通道11的出口处的温度进行检测，并将检测到的温度发送给控制装置6，控制装置6被配置为在温度传感器5发送的温度高于第一预设阈值时，控制稀释气输送装置4向反应通道11的入口输送稀释气，在温度传感器5发送的温度低于第一预设阈值时，控制稀释气输送装置4停止向反应通道11的入口输送稀释气；稀释气用于对进入反应通道11内的原料气中的氢气进行稀释，降低通入反应通道11内的原料气中氢气的浓度。

稀释气是配置含特定浓度的某种物质的气体时，用作充稀作用的一种气体。它不能含有使待测气体(如原料气中的氢气)随时间发生变化的成分，也不能含有影响仪器测定的成分。这里，该稀释气可以是惰性气体或氢气含量相较于上述原料气较低的天然气。

在这些实施例中，通过设置稀释气输送装置4、温度传感器5和控制装置 6，根据温度传感器5实时检测的温度，可以间接反映出反应通道11中的氢气的浓度大小，示例的，在温度传感器5检测到的温度较高时，说明反应通道11中的氢气浓度比较高，这时，通过控制稀释气输送装置4向反应通道11 中通入稀释气，可以降低氢气的浓度，从而可以降低反应通道11中的氢气和氧气发生反应放出的热量，进而能够对反应通道11的出口处的温度进行调节，而在反应通道11的出口处的温度降低到一定温度时，则说明反应通道11中的氢气浓度较低，这时，无需向反应通道11中通入稀释气，在此过程中，可以实现PID(比例(proportion)、积分(integral)、微分(differential))精确控制，避免氢气浓度过高所造成的反应通道11中温度过高，使得原料气中的甲烷和过量的氧气发生反应生成二氧化碳，从而不利于后续通过冷凝获得氦气，以及容易造成天然气热值的浪费的问题。

其中，需要说明的是，在实际应用中，随着脱氢催化剂使用时间的增加，催化活性会逐步降低，在一些实施例中，该脱氢反应器1的反应通道11的入口也可以设置有温度传感器，在温度传感器检测到反应通道11的入口处的温度升高至150℃时，可以更换脱氢催化剂，以保证催化剂的催化活性。

在一些实施例中，如图2和图3所示，所述稀释气输送装置4包括气体循环管线41，以及设置于气体循环管线41上的循环风机42或第一阀门a，气体循环管线41的一端与氦气回收系统中任意一个气体出口Q连通，另一端与反应通道11的入口连通。其中，如图2所示，在稀释气输送装置4包括循环风机42 的情况下，控制装置6与循环风机42 电连接，如图3所示，在稀释气输送装置4包括第一阀门a的情况下，控制装置6与第一阀门a电连接。

在这些实施例中，由上述氦气回收系统包括脱氢反应器1、除杂单元和氦气提取单元3，可以得知，该氦气回收系统中的气体出口Q所排出的气体可以为脱氢后的天然气、除杂后的天然气(如脱水后的天然气)、提氦后的天然气和氦气等，由此可见，将这些气体中的任意一种作为稀释气，均能够对原料气中的氢气起到稀释作用。

在一些实施例中，如图2所示，反应通道11的出口作为该气体出口Q。也即，将脱氢后的天然气直接作为稀释气。

在一些实施例中，如图2所示，在稀释气输送装置4包括循环风机42的情况下，循环风机42为变频风机，控制装置6还被配置为对循环风机42的功率进行调节，以对稀释气的输送流量进行调节。如图3所示，在稀释气输送装置4包括第一阀门a的情况下，第一阀门a为流量调节阀，控制装置6 还被配置为对第一阀门a的开度进行调节，以对稀释气的输送流量进行调节。

在这些实施例中，通过对稀释气的输送流量进行调节，还能够对反应通道11中的氢气的浓度进行快速调节，从而能够对反应通道11中的温度进行快速调节，降低甲烷和氧气发生反应的几率。

在一些实施例中，如图2和图3所示，气体循环管线41上还设置有冷却装置43。通过在气体循环管线41上设置冷却装置43，还能够对稀释气进行冷却，从而能够进一步对脱氢反应器1中的温度进行控制，避免脱氢反应器1 中温度过高而使得甲烷和过量的氧气发生反应，同时，通过对脱氢反应器1 中的脱氢后的天然气作为稀释气进行冷却，还能够避免进入脱氢反应器1中的稀释气产生较大的温度梯度，保证了脱氢反应的顺利进行。

在一些实施例中，冷却装置43可以为列管式换热器或板式换热器等。

在一些实施例中，如图2和图3所示，除杂单元还包括：脱碳装置7，该脱碳装置7连接在脱氢反应器1和脱水单元2之间，或者，如图4所示，该脱碳装置7连接在脱水单元2和氦气提取单元3之间。

根据上述在脱氢过程中，不可避免会使甲烷和过量的氧气发生反应，生成二氧化碳，通过设置脱碳装置7，可以对脱氢后的天然气中的二氧化碳进行脱除，从而可以避免后续在通过冷凝提取氦气的过程中，二氧化碳凝固对冷凝管造成封堵。

在一些实施例中，该脱碳装置7中可以填充有吸附剂，通过吸附剂对天然气中的二氧化碳进行吸附，将天然气中的二氧化碳去除。

该吸附剂示例的可以为氢氧化钠溶液。

在一些实施例中，如图4所示，该脱碳装置7可以包括两个脱碳塔71，两个脱碳塔71并联在脱水单元2和氦气提取单元之间，一用一备，定期切换，并更换吸附剂。

在另一些实施例中，该除杂单元还包括设置于脱碳装置7和氦气提取单元3之间的粉尘过滤器，该粉尘过滤器用于过滤粉尘，使过滤粉尘后的天然气输送至氦气提取单元3中。

在一些实施例中，如图2和图3所示，该氦气提取单元3包括天然气液化冷凝装置31，以及与天然气液化冷凝装置31的出气口连通的气液分离器32，和与气液分离器32的出气口连通的氦气提纯器33，氦气提纯器 33中填充有吸附剂，吸附剂用于对经气液分离器32分离得到的气体中除氦气以外的其余气体进行吸附。

在这些实施例中，通过设置天然气液化冷凝装置31，利用天然气较高的凝固点温度，对天然气进行液化，实现天然气与其他气体的分离，在将天然气和其他气体分离之后，采用氦气提纯器33，利用吸附剂对不同分子量的气体的吸附浓度不同的原理，可以将气液分离器32分离得到的气体中除氦气以外的其余气体与氦气进行分离，从而得到高纯氦气。

在此过程中，采用无精馏塔的低温分离工艺，可以采用分段冷凝分离的工艺，负荷调节能力强，系统稳定。

其中，可选的，该氦气提纯器33中的吸附剂可以是活性碳，利用活性碳进行低温吸附，可以吸附氩气、氖气、氢气等，从而得到纯度可以达到99.999％的氦气。

在一些实施例中，如图2和图3所示，天然气液化冷凝装置31可以包括冷箱311和设置于冷箱311中的冷凝器312，该冷箱311内的制冷剂可以是液氮，冷凝器312的入口用于通入脱水后的天然气，冷凝器312 的出口作为天然气液化冷凝装置31的出气口。

在这些实施例中，冷凝器312可以是铝合金板翅式换热器，可以提高换热效果。

在一些实施例中，如图2和图3所示，冷凝器312包括第一换热通道 312A，氦气提纯器33的出气口与第一换热通道312A 的入口连通，第一换热通道312A 的出口作为氦气出口；和/或，冷凝器312包括第二换热通道312B，气液分离器32的出液口与第二换热通道312B的入口连通，第二换热通道 312B的出口为天然气出口。

在这些实施例中，通过设置第一换热通道312A，还能够使流经冷凝器312 中的天然气和经氦气提纯器33中排出的氦气进行热量交换，从而能够将氦气加热至常温进行收集；而通过设置第二换热通道312B，还能够使流经冷凝器 312中的天然气和经气液分离器32中排出的提氦后的液化天然气进行热量交换，从而能够将提氦后的液化天然气加热至常温，被输送至燃料系统，实现能量的充分利用，同时，冷箱311中的液氮在被复热后还可以被输送至氮气回收系统。

在一些实施例中，如图2和图3所示，除杂单元还包括：加压装置8，加压装置8被配置为将脱氢后的天然气加压至第二预设阈值，使氦气提取单元3 在第二预设阈值下对氦气进行提取。

在这些实施例中，通过设置加压装置8，可以对脱氢后的天然气进行浓缩处理，使氦气在脱氢后的天然气中富集，这样，在后续氦气提取过程中，利用吸附剂对脱氢后的天然气进行吸附脱附处理过程中，能够提高氦气的分离效果，得到高纯氦气。

其中，示例的该第二预设阈值可以是2.0MPa。

其中，对该加压装置8的具体结构不做限定，只要该加压装置8能够对脱氢后的天然气进行加压，提高脱氢后的天然气的压力即可。

在一些实施例中，加压装置8为压缩机。该压缩机示例的可以为喷油螺杆压缩机。喷油螺杆压缩机的工作原理是：脱氢后的天然气通过螺杆转子的压缩，产生压力，带动油桶的油，油和脱氢后的天然气一起参与压缩过程，经过压缩的气体是油气混合的，再通过油气分离器，把脱氢后的天然气和油分开。分开的油由于系统的内压，把油压到扇热器位置，对油进行降温，有风冷降温和水冷降温，经过降温的油通过回油管回到主机，进入周期的循环。

在整个过程中，由于油的冷却作用，还可以降低脱氢后的天然气的温度，有利于脱氢后的天然气中的水预先冷凝下来，从而可以对脱氢后的天然气进行预脱水，降低后续脱水单元中的脱水负荷。

在一些实施例中，该喷油螺杆压缩机为单机配置，可以通过滑阀调节进行灵活地负荷调节。

在一些实施例中，如图2和图3所示，该除杂单元还包括：冷却器9，该加压装置8和冷却器9依次串接在脱氢反应器1和脱水单元2之间，冷却器9 被配置为将加压后的天然气冷却到预设温度，对加压后的天然气进行预脱水。

在这些实施例，通过设置冷却器9，并将加压装置8和冷却器9依次串接在脱氢反应器1和脱水单元2之间，一方面，可以实现后续低温吸附提氦，另一方面，根据液体的饱和蒸汽压等于外界大气压，在外界大气压变大时，液体沸点随外界大气压增加而升高，可以得知，通过对脱氢后的天然气进行加压，可以使脱氢后的天然气中水更容易地冷凝下来，而通过设置冷却器9，对加压后的天然气进行降温，能够进一步使脱氢后的天然气中的水冷凝下来，对脱氢后的天然气进行预脱水，降低后续脱水单元的脱水要求，提高脱水效果。

示例的，在一些实施例中，该预设温度可以为40℃。可以在使脱氢后的天然气进入脱水单元2之前，将大部分水脱除，并且，还能够降低脱氢后的天然气进入氦气提取单元3中的初始温度，避免脱氢后的天然气温度过高不利于后续冷凝获得液化天然气，以及后续低温提氦的问题。

其中，对上述脱水单元2的具体结构不做限定。

在一些实施例中，如图4所示，脱水单元2包括：多个吸附单元21，每个吸附单元21包括吸附通道211和解吸附通道212，多个吸附单元21的吸附通道211并联，多个吸附单元21的解吸附通道212并联，每个吸附通道211 内设置有吸附剂，吸附剂用于对脱氢后的天然气中的水进行吸附，每个解吸附通道212的入口用于通入再生气，再生气用于对吸附剂中的水进行解吸附，每个吸附通道211串接有第二阀门b，每个解吸附通道212串接有第三阀门c。

其中，吸附剂可以为3A分子筛等。

再生气可以是惰性气体或者含水量较低的天然气。

在这些实施例中，通过设置多个吸附单元21，可以在利用其中一部分吸附单元21对脱氢后的天然气中的水进行吸附的同时，对另一部分吸附单元21 中的解吸附通道212中的吸附剂中的水进行解吸附，从而实现吸附剂再生，并可以实现多个吸附单元21交替循环利用，增大处理量，提高脱水效果。

在一些实施例中，每个吸附通道211包括并联的冷却通道211A和加热通道211B，冷却通道211A和加热通道211B上均串接有第四阀门d。

在这些实施例中，冷却通道211A可以通过在吸附通道211上连接冷却器 10得到，加热通道211B可以通过在解吸附通道212上连接加热器20得到。

通过设置加热通道211B和冷却通道211A，在采用再生气对吸附剂进行吹扫时，可以分别采用加热后的再生气对吸附单元21中的吸附剂中的水进行解吸附，可实现加热解吸附，利用吸附剂的平衡吸附量随温度升高而降低的特性，可以提高解吸附效果，并可在加热解吸附之后，通过冷却的再生气将吸附通道21的温度降低至下一次吸附所需要的温度，从而可以提高吸附效果。在此过程中，可以实现利用变温吸附(temperature swingadsorption，缩写为 TSA)的原理对脱氢后的天然气进行脱水。

在一些实施例中，如图4所示，多个吸附单元21包括第一吸附单元21A、第二吸附单元21B和第三吸附单元21C，第一吸附单元21A的冷却通道211A 的出口与第二吸附单元21B的加热通道211B的入口连通，第二吸附单元21B 的冷却通道211A的出口与第三吸附单元21C的加热通道211B的入口连通，第三吸附单元21C的冷却通道211A的出口与第一吸附单元21A的加热通道 211B的入口连通。每个冷却通道211A上还设置有水分离器22，水分离器22被配置为对冷却后的再生气中的水进行分离。

在这些实施例中，通过设置第一吸附单元21A、第二吸附单元21B和第三吸附单元21C，能够分别采用第一吸附单元21A、第二吸附单元21B和第三吸附单元21C进行吸附脱水，并在采用第一吸附单元21A对脱氢后的天然气中的水进行吸附的同时，采用加热后的再生气对第三吸附单元21C中的吸附剂中的水进行解吸附，通过冷却的再生气将第二吸附单元21B中的吸附通道21的温度降低至下一次吸附所需要的温度，在采用第二吸附单元21B对脱氢后的天然气中的水进行吸附的同时，采用加热后的再生气对第一吸附单元21A中的吸附剂中的水进行解吸附，采用冷却后的再生气将第三吸附单元 21C中的吸附通道21的温度降低至下一次吸附所需要的温度，在采用第三吸附单元21C对脱氢后的天然气中的水进行吸附的同时，采用加热后的再生气对第二吸附单元21B中的吸附剂中的水进行解吸附，采用冷却后的再生气将第一吸附单元21A 中的吸附通道211的温度降低至下一次吸附所需要的温度，如此不断循环，可以避免发生停车，实现第一吸附单元21A、第二吸附单元 21B和第三吸附单元21C的无缝衔接，并能够利用变温吸附(temperature swing adsorption，缩写为TSA)的原理对脱氢后的天然气进行脱水。

在此过程中，通过将第一吸附单元21A的冷却通道211A的出口与第二吸附单元21B的加热通道211B的入口连通，第二吸附单元21B的冷却通道 211A的出口与第三吸附单元21C的加热通道211B的入口连通，第三吸附单元21C的冷却通道211A的出口与第一吸附单元21A的加热通道211B的入口连通，可以实现再生气的循环利用。

其中，上述再生气经水分离器22分离的水可以进入污水系统中，随着吸附解吸附的进行，还可以定期对各个吸附单元中的吸附剂进行更换，以保证吸附效果。

其中，再生气可以是水含量小于脱氢后的天然气的任意气体。示例的，如图3所示，再生气可以是脱氢后的天然气经吸附剂吸附后的一部分，脱氢后的天然气首先经过一个吸附单元21(如第一吸附单元21A)的吸附通道211，脱氢后的天然气中的水被吸附，脱氢后的天然气中的一部分进入另一个吸附单元21(如第二吸附单元21B)的加热通道211B进行加热后，采用加热后的再生气对第二吸附单元21B中的吸附剂中的水进行解吸附，再生气携带解吸附的水进入另一个吸附单元21(如第三吸附单元21C)的冷却通道211A，冷却通道211A中的冷却器10对再生气进行冷却，并将再生气中携带的水冷凝下来，通过水分离器22将水分离出来进入污水系统，冷却后的再生气通过减压后与脱氢后的天然气汇合一起进入下一次的脱水工序中。

在一些实施例中，在经过上述脱水单元2脱水后，可使脱水后的天然气达到在操作压力下水露点≤-70℃的标准。

本公开的一些实施例提供一种利用如上所述的天然气中氦气的回收系统回收氦气的方法，包括：

将原料气和氧气通入脱氢反应器1中，使原料气和氧气在催化剂的催化下发生反应。

其中，氧气的通入量可以根据在线检测原料气中氢气含量获得，为了提高氢气脱除效果，氧气的通入量以适度过量为最佳。

对脱氢后的天然气进行除杂，包括：对脱氢后的天然气进行脱水。

在一些实施例中，如图4所示，脱水单元中的多个吸附单元21包括第一吸附单元21A、第二吸附单元21B和第三吸附单元21C。对脱氢后的天然气进行脱水，包括：

采用第一吸附单元21A对脱氢后的天然气中的水进行吸附，同时采用冷却后的再生气对第二吸附单元21B中的吸附通道211进行冷却，采用加热后的再生气对第三吸附单元21C中的吸附剂中的水进行解吸附。

持续第一预设时间后，采用第二吸附单元21B对脱氢后的天然气中的水进行吸附，同时采用冷却后的再生气对第三吸附单元21C中的吸附通道211 进行冷却，采用加热后的再生气对第一吸附单元21A中的吸附剂中的水进行解吸附。

持续第二预设时间后，采用第三吸附单元21C对脱氢后的天然气中的水进行吸附，同时采用冷却后的再生气对第一吸附单元21A中的吸附通道211 进行冷却，采用加热后的再生气对第二吸附单元21B中的吸附剂中的水进行解吸附。

通过采用第一吸附单元21A、第二吸附单元21B和第三吸附单元21C 进行交替吸附，并在其中一个吸附单元21的吸附剂在对脱氢后的天然气中的水进行吸附的同时，采用加热后的再生气对另一个吸附单元21中的吸附剂中的水进行解吸附，采用冷却后的再生气对又一个吸附单元21 中的吸附通道211进行冷却，可实现第一吸附单元21A、第二吸附单元21B和第三吸附单元21C中的吸附剂的循环利用，避免发生停车，并能够实现TSA脱水，提高脱水效果。

对除杂后的天然气中的氦气进行提取。

例如，可以采用如上所述的氦气提取单元3对脱氢后的天然气中的氦气进行提取，具体可以参照如上对氦气提取单元3的描述，在此不再赘述。

在一些实施例中，如图2和图3所示，方法还包括：

对反应通道11的出口处的温度进行检测，在检测到反应通道11的出口处的温度高于第一预设阈值的情况下，向反应通道11的入口输送稀释气，对进入反应通道11内的原料气中的氢气进行稀释，降低通入反应通道11中原料气中氢气的浓度，在检测到反应通道11的出口处的温度低于第一预设阈值的情况下，停止向反应通道11的入口输送稀释气。

在这些实施例中，通过对反应通道11的出口处的温度进行检测，并在检测到反应通道11的出口处的温度高于第一预设阈值的情况下，向反应通道11 的入口输送稀释气，对进入反应通道11内的原料气中的氢气进行稀释，降低通入反应通道11中原料气中氢气的浓度，而在检测到反应通道11的出口处的温度低于第一预设阈值的情况下，停止向反应通道11的入口输送稀释气。可以根据反应通道11的出口处的温度对进入反应通道11内的原料气中的氢气浓度进行PID调节，避免氢气浓度过高所造成的反应通道11中温度过高，使得原料气中的甲烷和过量的氧气发生反应生成二氧化碳，从而不利于后续通过冷凝获得氦气，以及容易造成天然气热值的浪费的问题。

在一些实施例中，该第一预设阈值可以为250℃。

在一些实施例中，向脱氢反应器1的反应通道11的入口通入稀释气，包括：将从氦气回收系统3中任意一个或多个气体出口流出的气体作为稀释气，经反应通道11的入口通入。

在这些实施例中，根据上述氦气回收系统中的气体出口Q所排出的气体可以为脱氢后的天然气、脱水后的天然气、提氦后的天然气和氦气等，可以得知，将这些气体中的一种作为稀释气，均能够对原料气中的氢气起到稀释作用。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种天然气中氦气的回收系统，包括：

依次连通的脱氢反应器、除杂单元和氦气提取单元；

所述脱氢反应器包括反应通道，所述反应通道的入口用于通入原料气和氧气，所述反应通道中填充有催化剂，所述催化剂用于催化所述原料气中的氢气和氧气发生反应；

所述除杂单元包括脱水单元，所述脱水单元被配置为对脱氢后的天然气进行脱水；

所述氦气分离装置被配置为对除杂后的天然气中的氦气进行提取；

所述系统还包括：稀释气输送装置、温度传感器和控制装置，所述温度传感器设置于所述反应通道的出口处，所述控制装置与所述稀释气输送装置和所述温度传感器电连接，所述温度传感器被配置为对所述反应通道的出口处的温度进行检测，并将所检测到的温度发送给所述控制装置，所述控制装置被配置为在所述温度传感器发送的温度高于第一预设阈值时，控制所述稀释气输送装置向所述反应通道的入口输送稀释气，在所述温度传感器发送的温度低于第一预设阈值时，控制所述稀释气输送装置停止向所述反应通道的入口输送稀释气；

所述稀释气用于对进入所述反应通道内的所述原料气中的氢气进行稀释，降低通入反应通道内的原料气中氢气的浓度。

2.根据权利要求1所述的天然气中氦气的回收系统，其中，

所述稀释气输送装置包括气体循环管线，以及设置于所述气体循环管线上的循环风机或第一阀门，所述气体循环管线的一端与所述氦气回收系统中任意一个气体出口连通，另一端与所述反应通道的入口连通；

所述控制装置与所述循环风机或所述第一阀门电连接。

3.根据权利要求2所述的天然气中氦气的回收系统，其中，

在所述稀释气输送装置包括循环风机的情况下，所述循环风机为变频风机，所述控制装置还被配置为对所述循环风机的功率进行调节，以对所述稀释气的输送流量进行调节；

在所述稀释气输送装置包括第一阀门的情况下，所述第一阀门为流量调节阀，所述控制装置还被配置为对所述第一阀门的开度进行调节，以对所述稀释气的输送流量进行调节。

4.根据权利要求2所述的天然气中氦气的回收系统，其中，

所述气体循环管线上还设置有冷却装置。

5.根据权利要求1所述的天然气中氦气的回收系统，其中，

所述除杂单元还包括：脱碳装置，所述脱碳装置连接在所述脱氢反应器和所述脱水单元之间，或者，所述脱碳装置连接在所述脱水单元和所述氦气提取单元之间。

6.根据权利要求1所述的天然气中氦气的回收系统，其中，

所述氦气提取单元包括天然气冷凝液化装置，以及与所述天然气冷凝液化装置的出气口连通的气液分离器，和与所述气液分离器的出气口连通的氦气提纯器，所述氦气提纯器中填充有吸附剂，所述吸附剂用于对经气液分离器分离得到的气体中除氦气以外的其余气体进行吸附。

7.根据权利要求6所述的天然气中氦气的回收系统，其中，

所述天然气冷凝液化装置包括冷箱和设置于所述冷箱内的冷凝器，所述冷凝器的入口与所述除杂单元的出口连通，冷凝器的出口作为所述天然气冷凝液化装置的出气口。

8.根据权利要求7所述的天然气中氦气的回收系统，其中，

所述冷凝器包括第一换热通道，所述氦气提纯器的出气口与所述第一换热通道的入口连通，所述第一换热通道的出口作为氦气出口；

和/或，所述冷凝器包括第二换热通道，所述气液分离器的出液口与所述第二换热通道的入口连通，所述第二换热通道的出口为天然气出口。

9.根据权利要求6所述的天然气中氦气的回收系统，其中，

所述除杂单元还包括：加压装置，所述加压装置被配置为将脱氢后的天然气加压至第二预设阈值，使所述氦气提取单元在所述第二预设阈值下对氦气进行提取。

10.根据权利要求9所述的天然气中氦气的回收系统，其中，

所述除杂单元还包括：冷却器，所述加压装置和所述冷却器依次串接在所述脱氢反应器和所述脱水单元之间；所述冷却器被配置为将加压后的天然气冷却至预设温度，对加压后的天然气进行预脱水。

11.根据权利要求1～10任一项所述的天然气中氦气的回收系统，其中，

所述脱水单元包括：多个吸附单元，每个吸附单元包括吸附通道和解吸附通道；

多个吸附单元的吸附通道并联，多个吸附单元的解吸附通道并联；每个吸附通道内设置有吸附剂，吸附剂用于对脱氢后的天然气中的水进行吸附；每个解吸附通道的入口用于通入再生气，所述再生气用于对所述吸附剂中的水进行解吸附，每个吸附通道串接有第二阀门，每个解吸附通道上串接有第三阀门。

12.根据权利要求11所述的天然气中氦气的回收系统，其中，

每个吸附通道包括并联的冷却通道和加热通道，所述冷却通道和所述加热通道上均串接有第四阀门。

13.根据权利要求12所述的天然气中氦气的回收系统，其中，

多个吸附单元包括第一吸附单元、第二吸附单元和第三吸附单元；

所述第一吸附单元的冷却通道的出口与所述第二吸附单元的加热通道的入口连通，所述第二吸附单元的冷却通道的出口与所述第三吸附单元的加热通道的入口连通，所述第三吸附单元的冷却通道的出口与所述第一吸附单元的加热通道的入口连通；

每个冷却通道上还设置有水分离器，所述水分离器被配置为对冷却后的再生气中的水进行分离。

14.一种利用如权利要求1～13任一项所述的天然气中氦气的回收系统回收氦气的方法，包括：

将原料气和氧气通入脱氢反应器中，使原料气和氧气在催化剂的催化下发生反应；

对脱氢后的天然气进行除杂，包括：对脱氢后的天然气进行脱水；

对除杂后的天然气中的氦气进行提取；

所述方法还包括：

对所述反应通道的出口处的温度进行检测；

在检测到所述反应通道的出口处的温度高于第一预设阈值的情况下，向所述反应通道的入口输送稀释气，对进入所述反应通道内的原料气中的氢气进行稀释，降低通入反应通道内的原料气中氢气的浓度；

在检测到所述反应通道的出口处的温度低于第一预设阈值的情况下，停止向所述反应通道的入口输送稀释气。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，

所述向所述脱氢反应器的反应通道的入口通入稀释气，包括：

将从所述氦气回收系统中任意一个气体出口流出的气体作为所述稀释气，经所述反应通道的入口通入。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，

所述脱水单元中的多个吸附单元包括第一吸附单元、第二吸附单元和第三吸附单元，所述对脱氢后的天然气进行脱水，包括：

采用所述第一吸附单元对脱氢后的天然气中的水进行吸附，同时采用冷却后的再生气对所述第二吸附单元中的吸附通道进行冷却，采用加热后的再生气对所述第三吸附单元中的吸附剂中的水进行解吸附；

持续第一预设时间后，采用所述第二吸附单元对脱氢后的天然气中的水进行吸附，同时采用冷却后的再生气对所述第三吸附单元中的吸附通道进行冷却，采用加热后的再生气对所述第一吸附单元中的吸附剂中的水进行解吸附；

持续第二预设时间后，采用所述第三吸附单元对脱氢后的天然气中的水进行吸附，同时采用冷却后的再生气对所述第一吸附单元中的吸附通道进行冷却，采用加热后的再生气对所述第二吸附单元中的吸附剂中的水进行解吸附。

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