氦气地质理论认识、资源勘查评价与全产业链一体化评价关键技术

鉴于我国氦气产业链理论技术需求,针对国内外尚无系统的氦气地质理论认识,缺乏针对性的氦气资源评价方法、参数取值标准,缺乏氦气含量综合准确检测、有利富集区优选方法,无成本指标优化体系及全产业链一体化评价方法等卡点和难点,本文运用地质、地球化学、重磁电震、投资经济等多学科方法及实验技术,集中力量攻克氦气成藏机理、资源评价及资产评价的关键技术瓶颈。研发形成1项地质理论认识和3项关键技术:基于典型富氦气藏解剖、地下流体中“氦-气-水”相平衡及相-势耦合分析,研究提出氦气“水溶相、气容相、游离相”3种主要赋存状态、“集流、渗流、扩散”3种运移机理、“近氦源、邻断裂、低压区、高部位”4项分布富集控制因素,初步建立了基于“优质氦源、高效输导、适宜载体”的氦气“生-运-聚”地质理论认识。针对国内氦气含量检测技术参差不齐、部分准确度差、与国外数据差别大、无针对性的氦气资源评价方法等系列难题,以氦气源及氦气含量为核心,研发氦气含量综合准确检测技术,构建4类10种氦气资源评价方法,解决了氦气资源分级分类评价的技术瓶颈。针对基底氦源分布、岩性识别、通源断裂刻画及含氦储层评价难题,创建了归一化重磁下延方案,研发了基于深度学习的多尺度断裂智能识别技术和不同氦气含量下的气藏声学性质模拟方法,为氦源岩分布预测、通源断裂刻画、含氦储层测井解释评价及预测奠定了基础。通过建立多元控氦的富氦区带与目标优选技术,解决了富氦区带与目标优选难题。针对国内贫氦实际情况,以提氦装置投资和操作成本最小化为目标,采用响应面法建立优化目标与各主要工艺参数的非线性回归模型,建立了氦气全产业链一体化评价技术,初步解决了天然气低成本提氦工艺流程优化的技术需求。研究成果为我国长期、安全、规模利用氦气资源资产提供了有效支撑。

粗氦精制技术应用及展望

粗氦气中含有少量的烃类、氮气、氢气以及微量氖气等杂质,为生产纯氦、高纯氦等合格的氦气产品,应对粗氦气进行精制处理。近年来随着中国氦气产业技术与装备的快速发展,粗氦精制技术发展迅速,实现了大规模的工业化应用。介绍了粗氦精制技术的应用场景;综述了粗氦精制中催化脱氢、变压吸附、低温吸附等技术的原理和指标以及典型工艺流程;详细分析了典型粗氦精制工业化应用的技术路线、流程设置和产品指标;最后展望了未来粗氦精制技术的发展方向。

基于多级闪蒸与多塔蒸馏耦合的贫氦天然气低温提氦工艺

聚焦从低品位含氦天然气中提纯氦气这一工程问题,在分析已有深冷工艺发展现状与改进方向的基础上,针对原料天然气中氦气浓度低与提氦能耗高的问题,提出一种基于多级闪蒸与多塔蒸馏耦合的贫氦天然气低温提氦工艺,并借助ASPEN HYSYS软件模拟设计了新工艺流程。结果表明:采用设计工艺可从氦摩尔分数为0.05%的贫氦天然气中分离得到纯度(摩尔分数,下同)为99%的氦气,同时得到纯度为99.96%的甲烷和99%的氮气、液化天然气及燃料气,增强了提氦装置的产品方案灵活性;通过工艺内部流股节流膨胀制冷为分离系统提供冷量及工艺内部冷热物流间合理匹配换热,实现了系统的节能降耗;该多级闪蒸+多塔蒸馏耦合工艺的单位压缩功耗为0.058 kW·h kmol,远低于改进型ExxonMobil公司的提氦工艺(1.29 kW·h kmol);综合分析工艺产品纯度及能耗,说明设计的提氦工艺具有一定的应用潜力。

氦储运技术研究进展

氦在国防、高科技产业等领域有着重要的用途,氦储运是产业链中的关键环节,研究氦储运技术的发展和相关设备的设计、制造对氦产业的发展至关重要。根据氦储运相态不同,氦储运分为气氦储运和液氦储运。介绍了气氦和液氦的不同储存方式,气氦的地上储存多以高压储存为主,地下储存多以储氦库为主,而液氦以低温低压储存为主;对多层包扎储罐、管束、液氦罐箱、液氦杜瓦罐等储运相关设备进行了阐述。研究认为大规模、长距离运输以液氦储运为主,高压气氦更适合小规模氦储运,最后对氦储运设备未来发展方向进行了展望。

四川盆地LNG尾气提XAI潜力探讨

随着俄乌战争影响,XAI(氦气)价格持续上扬,国内XAI 90%以上依赖于进口。四川盆地致密气、页岩气含有微量伴生XAI,在LNG工厂尾气闪蒸气(BOG)中XAI含量较高,BOG中粗XAI通过深冷法膜分离、变压吸附等工艺,可制得高纯XAI产品。通过整合四川盆地LNG工厂尾气中可利用的XAI资源,对脱氢+变压吸附+低温精制工艺在经济适用性方面的研究论证,认为该工艺经济可行,符合国家支持天然气清洁能源利用的政策,可为国家重大战略工程提供XAI资源技术支撑。

国内外氦气产业现状与发展趋势

氦气作为关系国家安全和高新技术产业发展的战略性稀有气体资源,在科学研究、医学、航空和其他高科技行业均有着不可替代的作用。近年来中国氦气供应持续紧张,为了进一步降低氦气对外依存度,缓解国内氦气供应的严峻形势,防止将来氦气供应受制于人,通过广泛文献调研和数据整理分析,对国际上主要产氦国氦气勘探开发成果、提氦产能建设与供需形势进行了总结和梳理,综述了国外氦气资源分布、产量、市场发展现状和存在的问题,深入剖析了中国氦气产业发展现状和面临的问题与挑战。研究结果表明:①中国氦气对外依存度极高,供应长期依赖进口,绝大部分进口资源掌握在美国、卡塔尔、澳大利亚等外商企业手中,在市场供应上上述国家占据绝对优势地位;②中国氦气资源安全形势严峻,建议油公司高度重视氦气资源潜力评价和开发可行性研究,把氦气作为现有油气资产的重要补充,加强国内外富氦天然气藏勘探和开发力度,氦气产业将具有广阔的发展前景;③构建多元化氦气供应体系,缓解国内氦气供应的紧张局面,有效应对氦气市场变化,防止被恶意限制供应。

美国典型富氦无机成因气田中氦气地质特征与聚集机制

美国广泛发育具有经济效益的富氦无机成因天然气田,如其中富氦氮气田甚至可以含有高达10%的氦。原地和周边地区的基底提供充足的氦源而氮气可来自不同圈层,且通常N_(2)/He(He>0.1%)在5~50之间。但是富氦氮气田在美国独特地质环境之外是否也有发现还需要进一步的研究。富氦二氧化碳气田中的氦主要也来自壳源且产量可观。科罗拉多高原上的富氦二氧化碳气田均被认为是来源于新生代晚期的岩浆活动,且该地区岩浆岩具有较高的U、Th含量。地下水溶气脱气-再溶解(Groundwater Gas Stripping and Re-dissolution,GGS-R)模型被普遍认为可以合理解释CO_(2)气藏中氮气、氦等惰性气体的聚集成藏机制。具体来说,幔源CO_(2)载体气充注时将溶解在地下水中的大气源惰性气体与壳源惰性气体脱出成藏,并与地下水达到水/气溶解平衡。虽然不同气田的平衡值各有不同,但是科罗拉多高原上的各气田均显示出相似的范围值,即在相应的储层压力和温度下为0~100 cm^(3)水/cm^(3)气。本文系统分析美国无机成因富氦气藏的氦气生成、运移和聚集机制,讨论氦气在经历氦源岩内游离相扩散初次运移后通过水溶相、气容相集流或是多相渗流方式进行的二次运移及由无机成因载体气N_(2)和CO_(2)共同参与的富集成藏机制,既可为我国氦气勘查提供理论认识依据,也可为二氧化碳地质评价和开发利用及安全封存提供参考。

氦液化系统研究进展

液氦作为一种重要的制冷剂,在超导技术、宇宙空间技术和低温电子学等领域应用广泛。氦液化的关键在于低温技术的突破,目前氦液化技术已从实验室阶段发展到产业化阶段,广泛应用于多个领域。从氦液化技术、系统构成、工艺等方面论述了氦液化的原理及流程;分析了目前国内外氦液化系统的发展现状,经过多年的努力,国内氦液化系统的技术已经取得了显著进展。未来氦液化系统的技术发展将重点关注万瓦级氦液化器的国产化以及mK级氦液化器大冷量制冷机的研制。这些技术的突破将有助于满足更高氦液化率的需求,推动前沿科技领域的发展,并为中国在国际低温工程领域的竞争中占据有利地位。

中国天然气提氦产业链技术发展现状及展望

天然气提氦产业链的健康有序发展十分重要,关系到氦气资源供应安全。中国需要加快形成具有强劲支撑力的氦产业链,切实保障我国氦供应。从粗氦提取、粗氦精制、氦气液化、氦的储运等方面分析研究了天然气提氦产业链技术的发展现状。研究发现中国在粗氦提取、粗氦精制和气氦储运方面整体技术指标已达到国际先进水平,在氦气液化和液氦储运的装备大型化方面与国际先进水平还存在差距。为建立起技术成熟可靠和完整装备的天然气提氦产业链,需要加快氦分离膜、大型氦液化器、大型液氦罐箱研发和应用,同时加强氦领域相关标准规范体系建设,推动氦保护法的建立。

天然气粗氦提取技术进展及展望

氦气是一种关系国家安全和高新技术产业发展的战略性资源。空气中氦含量仅有5.2 mL/ m^(3),而含氦天然气中的氦含量可以达到0.3%~8%,虽然可利用大型空气液化分离装置的不凝气进行工业化分离生产氦气,但从含氦天然气中提取氦气在经济上更具可行性,也是目前氦气的最主要来源。从含氦天然气中提取氦气,首先要将含氦天然气中大部分甲烷、氮气等组分脱除,提取粗氦,然后再进行粗氦精制。介绍了深冷技术、膜分离技术、膜分离及深冷联合技术、多联产技术等多种粗氦提取技术,并对未来发展适应中国国情的贫氦天然气低成本提氦成套技术与装备国产化提出了展望。

有研工研院氢氦分离装置获应用

由中国有研集团有研工程技术研究院有限公司(简称“有研工研院”)自主研发的氢氦分离提纯装置,成功应用于山西吕梁天然气闪蒸气(BOG)提氦项目。经历长时间、低温环境运行考核,装置成功产出99.999%以上纯度的高纯氦气,标志着国内氦气提取领域获得重大技术突破。有研工研院创新性地采用吸附脱氢的方式实现了两种气体的安全、高效分离;集成了“变压吸附+膜分离+吸附脱氢”的BOG提氦新技术,可在常温环境中实现氦气的粗分、精制和提纯,氦气纯度可提高至99.999%以上,同时可获得纯度高于99.999%的氢气产品。该技术实现了资源的最大化应用,为氦气资源获取提供了新途径。下一步,有研工研院将进一步聚焦战略新兴产业和未来产业,突破新能源应用关键技术,提升产品质量,在气体分离与纯化领域持续发力,为实现碳达峰、碳中和贡献力量。

我国首套煤层气提取高纯氦气装置成功应用

据报道,中国煤炭科工集团煤炭科学技术研究院有限公司(以下简称煤科院)承建的我国首套含氦煤层气提取高纯氦气装置近日成功应用,顺利产出99.999%以上纯度的高纯氦气。这标志着我国完全掌握了含氦煤层气提氦成套工艺及其工程化技术。我国含氦煤层气提取高纯氦气技术获得重要进展。

某煤层气液化储气调峰提氦项目节能分析

在煤层气液化储气调峰提氦的生产过程中,主要涉及到原料气增压、原料气净化、净化气液化、LNG储存等工序,通过对LNG生产系统和提氦生产系统各道工序的分析发现液化工序和BOG处理工序为其主要耗能工序,能耗占比分别达到了90.86%和88.03%。本文从工艺技术和电气节能角度提出了节能措施,实施后能获得良好的经济、环境效益。

国内氦液化储运技术需求分析

为满足国内用氦需求的快速增长,有效保障国内的用氦安全和相关产业的平稳运行,从提氦液化技术、氦液化储存技术、液氦运输技术和产品应用等方面对国内氦液化和储运技术需求进行了分析,并对终端用户对液氦和氦回收技术需求进行介绍。与其他提氦工艺相比,深冷液化提氦具有效率高、纯度高,与下游储运流程兼容性好等优点,是目前全球应用最广泛的天然气提氦技术;液化储氦与高压氦气和储气库相比具有效率高、安全性高、纯度高和损耗少等优点;液氦在长距离、大容量运输方面优势较明显;40%以上的终端用户以液氦为介质,为避免氦资源损失,需保证液氦的有效利用、气化部分及时回收再液化。因此,氦液化技术和液氦储运技术是解决目前国内氦短缺和有效利用的关键,需要在提高国产关键设备性能和降低成本方面实现技术突破。

国内外最新科技发现和创新技术成果荟萃

氢氦分离装置可提取纯度99.999%以上高纯氦气据悉,由中国有研集团有研工程技术研究院有限公司自主研发的氢氦分离提纯装置,于日前应用于山西吕梁的天然气闪蒸气(BOG)提氦一期项目,成功产出99.999%以上纯度的高纯氦气。作为用氦大国,我国对氦气的需求量居全球第二,特别是航空航天、电子工业、生物医疗等多个领域需求旺盛。该技术实现了天然气资源的最大化应用,为氦气资源获取提供了新途径,对于提升我国氦资源的利用率、降低氦气对外依存度、保障我国用氦安全具有重要意义。

联产乙烷的天然气提氦工艺研究

为了解决单一的天然气深冷分离提氦工艺中设备能耗大、投资大、效率低的问题,将天然气深冷分离提氦工艺与膜分离提氦工艺结合以提高氦体积分数与回收率,同时结合天然气乙烷回收工艺实现冷能的最大化利用,建立了联产乙烷的天然气深冷-膜分离提氦工艺。利用HYSYS软件对联产乙烷的天然气深冷-膜分离提氦工艺与单一的天然气乙烷回收工艺和深冷-膜分离提氦工艺进行流程模拟。模拟结果表明,4种典型乙烷回收工艺中气体过冷工艺的乙烷回收率最高,可达90.13%;将天然气深冷分离提氦工艺与膜分离提氦工艺结合后氦体积分数由66.77%提高到了99.6%;联产乙烷的天然气深冷-膜分离提氦工艺可以有效地集成回收和利用冷量,相较天然气深冷-膜分离提氦工艺+部分干气循环工艺,总压缩能耗低23.10%,单位综合能耗低20.46%。

全球氦气产业链分析与中国应对策略

氦气作为关系国家安全和高新技术产业发展的战略性稀有气体资源,在液体燃料火箭发射、深潜水等多个领域无可替代,深刻影响着“深空、深海、深地、深蓝”等领域的高质量发展。氦气产业链与创新链的融合发展是提高氦气资源供给安全的重要方式,对推动氦气供给侧结构性改革、构建氦气多元供应体系具有重要意义。从资源端、供给端、消费端、贸易端、技术端等方面梳理了全球氦气资源产业链与创新链发展态势,通过对中国氦气资源条件、产能建设、对外依存度、进口国集中度、进口企业集中度、未来供需趋势、产业技术链、管理机制等指标的梳理,分析了中国氦气产业发展现状和面临的问题挑战,探讨了相应的氦气产业发展路径。研究认为,全球氦气资源潜力巨大,但大多数国家勘探程度较低;全球氦气产能、供给、需求和贸易格局深刻变化,供需矛盾长期存在;氦气成藏理论与勘查开发技术尚不成熟,提氦装备不断完善;全球氦气产能发展总体态势良好,出现“氦热”潮,开发主体日益多元化,或将改变全球氦气供需格局。面对全球氦气资源产业链格局和产业发展新趋势,中国氦气发展挑战与机遇并存。中国必须开展补链强链工作,着力加强氦气资源调查评价,开展关键技术装备攻关,加大市场主体培育力度,推进多元供应体系建设,打造自主可控的创新链,形成稳定、有韧性的产业链,为高新技术产业发展提供氦气资源保障。

基于深冷—膜分离的天然气蒸发气联合提氦流程模拟与效果对比

为保障氦气作为军工、医疗、科研等领域发展的重要应用要素,应充分利用含氦资源,从提氦技术及流程的改进、创新等方面实现低能耗、高效率的自主提氦。为此,以液化天然气蒸发气(LNG-BOG)为原料气,基于某一正在运行的BOG提氦液化工艺流程,提出了BOG深冷—膜分离—PSA法与深冷—两级膜分离法2种改进流程,采用Aspen Hysys建立了流程模型,分析了深冷塔塔板数等流程参数对关键设备的影响情况,最后综合分析了以上3种流程氦气产品浓度、回收率及能耗情况。研究结果表明:(1)当深冷塔总塔板数从3增加到4或5时,再沸器功率增加、冷凝器功率降低较为显著,而当总塔板数大于5时,塔板数变化对对冷凝器和再沸器功率、塔顶出口气体流量及氦浓度这4个指标的影响不大;(2)随着进料塔板位置下移,再沸器和冷凝器功率均下降,当进料位置接近冷凝器或再沸器时,功率受进料位置变化影响更大;(3)当级切或膜渗透侧浓度一定时,膜面积越大,对应膜渗透侧氦浓度或级切越大,且膜面积越小,渗透侧氦浓度受级切的影响越显著。结论认为,改进的深冷—膜分离—PSA法提氦流程和深冷—两级膜分离法提氦流程的氦气产品浓度分别可达99.9964%和99.9996%,回收率分别为99.57%和98.07%,能耗分别为6.6820 kWh/m^(3)和6.7863 kWh/m^(3),均较原BOG提氦液化流程有一定优势;深冷—膜分离—PSA法提氦流程综合提氦效果优于深冷—两级膜分离法提氦流程。

冠醚石墨烷对氦气分离性能的理论研究

氦气(He)在众多科学和工业领域中都具有非常广泛的应用,He资源的短缺和需求的不断增长使得He分离具有极其重要的意义.石墨烷合成简单、晶体结构稳定,是一种用于构建气体分离膜的潜在理想二维材料.本文通过第一性原理计算,对四种具有不同尺寸冠醚孔的石墨烷膜(crown ether graphane-n,CG-n,n=3,4,5,6)的He分离性能进行了研究.计算结果表明,四种冠醚石墨烷结构都具有较高的热力学、化学稳定性,并且CG-5和CG-6具有合适的孔径,可用于He的有效筛分.在11种气体分子(He,Ne,Ar,H_(2),CO,NO,NO_(2),N_(2),CO_(2),SO_(2)和CH_(4))中,He最容易通过CG-n膜,其能垒分别为4.55,1.05,0.53和0.01 eV.据我们所知,He通过CG-6的能垒是迄今为止报道的最低值,将可显著地提升He的分离效率.基于阿伦尼乌斯方程的选择性计算结果表明,CG-5在较宽的温度范围内(0-600 K)都表现出优异的He选择性(相对于其他10种气体),而CG-6由于冠醚环孔径较大,仅相对于部分气体分子具有较好的He选择性.本研究同时分析了膜孔径大小、气体分子动力学直径和气体分子类型对冠醚石墨烷膜的He分离性能影响的协同机制.因此,孔径合适的冠醚石墨烷膜(CG-5和CG-6)是一类潜在的选择性高、性能优异的He分离膜.

工业废氦气提纯技术探讨

氦气为稀缺性战略资源,工业上使用的氦气其尾气大多直接排放,有必要对氦气进行提纯循环再利用。文中对目前工业化排放的废氦气的回收进行了大量市场调研,针对各自的使用特点,提出了不同的废氦气提纯方法,综合分析比较了这些方法的应用原理、各自优缺点及工程化分析,给出了几种典型的氦气提纯工艺方法。