1、 新技术之膜法提氦1.概述（1）氦（He）是一种无色无味、基本不与其它元素发生反应的稀有惰性气体，是一种非常稀有珍贵的资源，广泛应用在航天工业、低温超导、核工业等领域。近十年来其利用价值增长了 100 倍，据报道，人类正在快速消耗全球的氦资源，现有探明氦资源储备将在未来 25 年到 30 年间消耗殆尽。世界上 90%的氦都是从富氦天然气中提取的，资源氦含量平均是 0.8%，其中阿尔及利亚、卡塔尔、俄罗斯和中国和所开采的含氦天然气中，氦含量只有 0.18%至 0.9%。我国在世界上属贫氦国，目前仅有四川盆地威远气田年产氦气 5 万立方米，天然气中氦气浓度仅 0.18%。 1974 年原地质矿产部
2、第三普查勘探大队（中石化华北局三普大队）在渭河盆地油气普查时发现渭深 13 井的气体组分有异常，这是首次在渭河盆地勘探井中发现氦气。随着渭河盆地地热资源的开发利用，2004 年在西安一些地热井的水溶性气体中，检测出氦含量在 0.2%-1.5%之间，平均值是 0.87%，高于天然气储量规范中氦浓度 0.1%的工业标准，也远远超过国内目前唯一开发利用氦资源的四川威远气田氦含量的平均值(0.18%），属于富氦气藏，达到了工业开发利用价值。（2）渭河盆地水溶型氦资源的研究现状2006 年，我单位配合中国石化集团华北石油管理局三普大队，依托渭河盆地地热资源的开发条件，对整个渭河盆地地热井口含氦伴生气资源
3、进行了系统的资源跟踪评价研究。先后与多家单位合作开展了“渭河盆地含氦天然气资源前景评价”、“渭河盆地水溶含氦天然气资源评价及综合利用”、“渭河盆地非常规水溶天然气资源研究与技术开发”等项研究，取得了突破性进展。1）此次渭河盆地发现的氦气成藏属世界新的氦气成藏资源类型，并首次提出了“水溶氦”资源概念。2）研究过程中，引入先进的“氦气资源膜法常温提取”新技术，使氦气提取浓度高达 30%以上，氦气提取率高达 98%以上，具有“经济、便捷、高效”的技术特征，为渭河盆地新型水溶氦资源评价提供了直接证据，为渭河盆地水溶型氦气资源研究开发奠定了重要的技术基础。3）综合研究结果表明，渭河盆地水溶氦资源成藏范围
4、广、品位高、成藏潜力巨大，含氦浓度 0.103-3.434%，均超过国家开发标准。这些成果为我国氦气资源开发奠定了重要的资源基础和技术基础，对我国氦资源发展具有重大的战略意义。（3）氦提取技术的研究现状和发展趋势由于氦气的特殊性质（沸点-268.9），天然气提氦主要立足于深冷法。到目前为止，世界上工业化生产的氦气都是采用深冷法从含氦天然气中提取。近二三十年来，由于合成材料和自动化技术的突飞猛进，在气体分离技术领域中膜分离和变压吸附（PSA）新工艺得到了广泛推广；虽然两者的机理不一样，但有一个共同点，就是气体不需要通过低温冷凝相变后再分离，因此它们的能耗明显低于深冷法。膜分离技术是近年来发展起来
5、的一项高新技术，具有“常温、便捷、高效”独特的技术特征。膜是由功能性高分子材料制成，根据所分离组分的特性，设计具有功能选择性和结构的分离膜，使目标组分（He）选择性优先透过膜得到分离。目前，氢气膜、氧气膜、氮气膜、有机蒸汽膜等膜品种已实现从科技成果向产业化的转化，广泛应用于石油、化工和节能减排等领域;氦膜发展已克服过去受到资源和应用的局限，正趋于成熟。如图示：（4）研究的科学意义在渭河盆地地热流体中发现水溶型氦成藏到工业开采品位是氦资源成藏类型的重大突破，可以改变目前氦资源单一来源的格局。加快深入开展水溶型氦气资源开采开发技术研究，不仅具有重要的科学理论价值，而且还有助于寻找和发现更多的类似的
6、水溶型氦资源，因为相对于天然气资源而言，地热资源的分布范围更广泛。在前期工作基础上，进一步深化新型水溶氦资源常温提取应用技术研究，加速推进开展以膜技术为核心的渭河盆地水溶型氦资源常温提取技术的工业化技术开发研究，实现氦资源单一从含氦天然气中提取向水溶型氦气资源开发转变，从传统深冷法提取技术向常温纯化提氦技术的变革创新，提高我国氦资源研究开发水平，可大力改变我国“贫氦”的国际地位，提升我国氦气资源在国际上的战略地位，为我国国防安全和经济建设做出重要的贡献。研究评价结果表明，渭河盆地水溶型氦的品位高、规模大、分布广泛，具有巨大的成藏潜力。根据对渭河盆地 66 口地热井提取的伴生气测试所取得的科研数
7、据，渭河盆地的水溶氦氦气含量为 0.103-3.434%，均超过 天然气储量规范中氦气浓度 0.1%的工业开发指标。 此次渭河盆地氦气资源的发现和提取新技术研究的突破，必将对渭河盆地氦资源的工业化开发利用和改善我国氦资源现状产生重大影响。2氦气膜法提取实验研究与实验结果（1）实验操作条件：温度：20压力：0.4 MPa（2）实验装置与流程：（3）实验结果：（4）符号说明F1：膜分离器原料气入口流量，单位：NM 3/hr.F2：膜分离器尾气放空气量，单位：NM 3/hr.F3：膜分离器富氦渗透气量，单位：NM 3/hr.X1：原料气中氦气含量（v/v% ）X2：排放尾气中氦气含量（v/v% ）X
8、3：渗透气中氦气富集浓度（v/v% ）R：氦气总回收率，既：3实验研究说明与讨论（1）该实验研究原料气直接取自井口，原料气中氦气含量高达 2.2%（v/v）以上，属高品位氦气资源组成。（2）原料气经在线净化后采用膜分离技术直接进入膜分离器入口。（3）净化技术采用常温催化氧化法，除去原料气中微量硫化氢和氢气组分，生成无害的水单质硫和水：H2S+O2=S+H 2OH2+O2=H2O（4）整个实验过程在常温条件运行，属先进氦气常温富集提取新技术。（5）实验研究取得了较好的实验结果：氦含量 2.2%（v/v）原料气经膜分离提取富集，膜渗透气氦气浓度高达 35%（v/v）以上，氦气总回收率达到 98%以上。（6）该研究工作的开展完成，为氦气提取技术发展提供了新的技术方法和工艺技术路线。参考文献：水溶含氦天然气气水分离及氦气提浓技术方法实验研究（内部资料）
