综述：氦气回收与提纯技术的工业进展综述

本综述系统评述了氦气回收与提纯技术的最新工业进展，聚焦氦资源短缺背景下从天然气（LNG）、BOG等原料中提取高纯氦（>99.999%）的工程化方案，涵盖深冷分离、膜分离（Membrane）和吸附分离（PSA/TSA）等核心技术，为能源与气体行业优化氦供应链提供关键技术路径。

　　

氦气因其独特的物理化学性质——化学惰性、最低沸点（-269?°C）以及优异的导热性，成为超导磁体冷却（如MRI）、光纤制造、色谱分析、电弧焊保护、泄漏检测和液氢系统吹扫等领域不可替代的关键气体。全球氦气供需长期处于紧平衡状态，近年因卡塔尔贸易禁运、俄罗斯阿穆尔工厂事故等事件频现供应危机，促使多国将氦列为战略关键物资。

氦气主要从含氦天然气中提取，尤其在与液化天然气（LNG）生产耦合的流程中经济性显著。典型提取流程包括四个阶段：原料气净化（脱除CO₂、H₂S、Hg及水分）、重烃脱除、氮脱除单元（NRU）分离氮/甲烷/氦混合物，以及最终的氦提取与精制。当前大型项目普遍采用深冷分离技术，但其高能耗与投资成本驱动了非深冷技术的创新。

深冷分离技术依托组分间沸点差异，通过精馏塔实现氦与氮的高效分离。相对挥发度（α_ij）是衡量分离难易的关键参数，氦因其极低沸点优先富集于气相。流程设计注重冷能整合，例如利用LNG生产中的闪蒸（如卡塔尔项目通过高压闪蒸将0.04?mol%氦浓缩至50?mol%）或NRU排气（如澳大利亚达尔文项目处理含3?mol%氦的废气）。中国宁夏盐池项目则成功从LNG蒸发气（BOG）中提取氦，浓度约1?mol%，通过深冷工艺实现80?mol%粗氦与99%回收率。

膜分离技术依靠气体渗透性差异，在压差驱动下使氦优先透过膜材料。氦渗透率（J_i）与膜选择性是核心参数，但现有聚合物膜（如聚酰亚胺）的He/N₂选择性多低于10，需多级串联与中间压缩来提升纯度。日本宇部工业开发的双级中空纤维膜系统可从2.4?mol%原料气获得59.53?mol%粗氦，回收率达95%。专利显示，三级膜流程可处理含<0.5?mol%氦的天然气，产出30?mol%产品，但高纯度（>99%）仍需耦合其他技术。

吸附分离利用吸附剂对氮等杂质的选择性吸附实现氦纯化，Langmuir吸附模型（Q = Q_max·bP / (1+bP)）描述其平衡行为。变压吸附（PSA）与变温吸附（TSA）是主流工艺，尤其适用于最终精制阶段（如从90?mol%粗氦提纯至99.999%）。印度ONGC试点采用四级PSA串联处理0.06?mol%含氦天然气，但回收率仅65%。美国Nitrotec专利通过双级PSA与尾气循环将回收率提升至95%。新兴的双回流PSA（DR-PSA）与三回流PSA（TR-PSA）技术可单级同时回收多组分，如从含10% He、20% CH₄、70% N₂的混合气中分别浓缩至93.22%、79.92%和96.13%。

混合工艺结合膜与吸附优势，成为低浓度氦提取的经济方案。加拿大Mankota工厂采用Evonik膜与Linde PSA组合，从1–2?mol%原料气生产99.999%氦气，回收率95%。专利显示，膜单元可缓冲流量波动（如BOG的间歇峰值为），PSA则负责高压下的最终纯化。沙特阿美技术集成膜分离与酸气脱除（AGRU），从0.3?mol%氦气流产出99.94%产品。中国突破性进展包括煤层气提氦（山西丰盛公司采用“精馏脱甲烷+膜分离+PSA+合金脱氢+深冷”工艺产出99.9999%氦）及延安Vacree工厂的催化脱氢耦合技术（纯度达99.99997%，Ne <0.3?ppm）。

技术选择需综合原料氦浓度（≥0.04?mol%宜用深冷）、处理规模（>10?MMscfd深冷更经济）及产品要求。深冷分离在大型LNG耦合项目中能效最高，膜与吸附则适用于中小规模或波动气源。未来创新需聚焦低浓度氦资源的高效回收、材料选择性提升（如高性能膜与吸附剂），以及工艺集成优化（如冷能回收与能量耦合）。中国作为消费大国，通过BOG提氦与非常规气源开发加速国产化，但技术细节与工业实践仍需产学研深度协作。

总之，氦气回收技术正从传统深冷主导走向多元混合解决方案，旨在平衡纯度、回收率与经济效益，以应对全球氦供应链的脆弱性与战略需求。