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。

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。

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。

氪原子首次捕获并形成一维气体

英国诺丁汉大学科研团队首次将惰性气体氪(Kr)的原子一个一个地捕获到碳纳米管中,形成一种一维气体,并用先进的透射电子显微镜拍摄了Kr原子在“纳米试管”(直径约为人头发宽度的1/500000)容器中挨个接连在一起的状态。这是化学和物理领域的一项重大进展,有助科学家更好地理解原子和分子的行为。相关研究发表在2024年1月22日的《美国化学学会》杂志上。

优化精馏工况解决空分装置液氩产量低的探索与实践

合成氨制造中心52000 m^(3)/h空分装置投产以来,副产品液氩产量保持在1450~1500 m^(3)/h,2018年因后系统负荷增加,空分装置向后系统输送的中压氮、超高压氮产品超出设计值,导致同等负荷下液氩产量降低至1300 m^(3)/h左右运行。为此,对空分精馏工况进行深入分析和探索尝试,找到了在保持现有外送氮气量的前提下,提高氩产量的办法,在煤气化、合成装置高负荷下,可以维持液氩体积流量在1400~1450 m^(3)/h,日增加液氩产量4 m^(3),具有一定的推广价值。

水浴式气化器设计技术改造

随着QY-1 200/30液氩立式水浴蒸汽气化器运行时间增长,效率下降,多次发生气化器底部因温度过低而结冰的异常现象,存在设备损坏风险。通过对气化器改造,改高温区溢流外排为低温区溢流外排,增加气化器底部排污清洁功能,减少了外排水热量损失,降低了蒸汽消耗量,提升了换热效率。

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。

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%。

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.

超纯氩(氦)净化技术

介绍了超高纯氩气的提纯方法。通过采用联合的单元操作,可以生产99.9999%纯度的超纯氩气,同时大大减少了贵重吸气剂的消耗。

新型天然气提氦工艺模拟与分析

目的针对中国部分地区管网发达、气质较贫的含氦天然气,在调研国内外粗氦提取工艺现状的基础上,提出了一种新的天然气提氦工艺。方法该工艺采用低温精馏法,利用HYSYS软件对其进行模拟计算,并对提氦工艺流程进行了(火用)分析,同时分析了流程中关键参数提氦塔的压力、提氦塔塔顶进料温度、一级分离器进料温度、二级分离器进料温度以及侧线抽出物流的流量对流程中氦气回收率、粗氦纯度、流程能耗以及(火用)效率的影响规律。结果该流程的氦气回收率为99.06%,粗氦纯度(摩尔分数)为80.39%,总能耗为994.48 kW;流程总(火用)损失为713.27 kW,系统的(火用)效率为28.28%。结论该工艺流程可实现超高的氦气回收率和高粗氦纯度,可为国内天然气提氦工艺装置提供参考和数据指导。

青海共和盆地自生自储型氦气的初步发现

为查明共和盆地潜在氦气源岩(干热岩)稀有气体、元素地球化学和矿物学特征,笔者在共和盆地采集了与干热岩相关的花岗岩进行了稀有气体和放射性铀钍测试、扫描电镜及能谱分析,发现花岗岩中氦气含量达到49×10^(-6)~851×10^(-6),每吨岩石中氦气含量达到0.27798~4.76992 m^(3),局部区段氦气含量更高。计算3 He/4 He同位素值在7.30×10^(-10)~2.5×10^(-8)之间,确定该区氦气为放射性成因。共和盆地花岗岩体中常见铀钍独立矿物及分散矿物,铀含量在0.74×10^(-6)~38.1×10^(-6),钍含量在4.7×10^(-6)~42.2×10^(-6)。估算研究区氦生成量约269×10^(8)m^(3)。在此基础上,进一步开展了花岗岩氦气储层储集特征研究,岩体中存在低密度、较高孔隙度和微裂缝发育区段,测井数据也显示花岗岩体中储集特征和脆性良好的区段,是氦气赋存的空间。花岗岩中的富铀矿物对氦气的封闭温度(27~250℃)与干热岩相关的花岗岩温度(80~236℃)基本一致,具备封存条件,估算岩体中封闭氦量为4.03×10^(8)~46.8×10^(8)m^(3)。岩体中浅部、深部和压裂返排液中均有氦气,深部高含量氦气存在,压裂后返排液中氦气聚集明显,初步证明了自生自储型氦气藏的存在。

建立粗氖氦中氖气含量的分析方法

通过采用热导色谱仪,对空分生产的粗氖氦中氖、氢和氦等组分的检测进行探讨,建立了一种准确定量粗氖氦中氖气含量的分析方法。

LNG蒸发气中氦气提取技术及应用

近年来,发现鄂尔多斯盆地气田天然气液化生成的LNG蒸发气中氦含量高达3.3%,具有较大的开发利用价值。文章在阐述氦气资源和介绍市场前景基础上,分析目前国内外各类氦气生产工艺,重点对鄂尔多斯盆地气田某年产20万t的LNG工厂每日约1.56×10^(4) m^(3)的含氦蒸发气处理过程中氦气提取进行工艺设计,选择采用膜分离+PSA联合的提氦工艺,提取LNG蒸发气中的氦气,该工艺不仅有效降低了设备的能耗,提高了LNG工厂生产效率,而且提取的氦气纯度高。

空气分离提取贫氪混合物的方法探讨

空气分离提取贫氪混合物的工艺流程如何选择，是整个氪、氙提取过程中的一个重要环节。对几种贫氪混合物提取的工艺方法进行了分析讨论，可供选用。

火灾危险源的辩识、评价及对策

本文对制氧厂进行了火灾危险源的辩识 ,用火灾爆炸指数法对制氧车间进行了评价 ,并提出了一种预防措施———财产保险 。

氩气闭循环氢气发动机的研发动向与展望

内燃机为了顺应21世纪下半叶实现碳中和的趋势避免被淘汰,必须在运行时实现CO_(2)的零排放。另外,由于发动机的最高有效热效率明显低于电动车或燃料电池车,这会使消费者逐渐疏远发动机车。1948年,F. M. Lewis发明的氩气(Ar)闭循环氢气发动机重新回到了人们的视野中。这是因为此种发动机不排出CO_(2),而且Ar的比热比高于空气,以Ar为工质的发动机的热效率可以有较大提升甚至匹敌电动车或燃料电池车。本文比较详细地介绍了这种发动机的原理、发展史、存在的优缺点以及研究动向和研发课题。同时也介绍了作者近年来的部分研究成果,探讨了Ar闭循环氢气发动机与氢气及燃料电池车的关系及其发展前景。

液氩贮槽顶部氩气回收系统的探讨

为回收钢厂液氩贮槽顶部的气态氩气,本文设计了一套氩气回收系统,该系统能够将处理后的氩气经球罐缓冲后直接供给炼钢使用。氩气回收系统能够回收75%的气态氩气,减少了5.625%外购液氩损失,设计的系统具有结构简单、功能完善、能够自动化运行的优点。