孫　猛，李荷慶，金向華

(蘇州金宏氣體股份有限公司，江蘇 蘇州 215152)

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光纖拉絲氦氣回收提純技術(shù)

孫猛，李荷慶，金向華

(蘇州金宏氣體股份有限公司，江蘇 蘇州 215152)

氦氣的比熱容非常高，并且是惰性氣體，故在光纖拉絲中通常用作光纖冷卻用氣體。氦氣是一種從天然氣井中作為副產(chǎn)物而獲得的不可再生的昂貴資源。從制造成本和戰(zhàn)略安全等角度考慮，氦氣回收的意義重大。通過對拉絲冷卻管中的氦氣進(jìn)行收集，然后提純并儲存，以便對其再次利用，大幅降低了光纖企業(yè)生產(chǎn)成本，并保證了氦氣資源的戰(zhàn)略安全。

氦氣回收；光纖拉絲；氣體提純

氦氣是一種在各種場合下大量使用的相當(dāng)昂貴的氣體，其中一種場合就是光纖制造，在光纖制造所包含的許多工藝中都要用到氦氣。氦氣是一種從天然氣井中作為副產(chǎn)物而獲得的不可再生的資源，因此非常昂貴[1-3]。并且，氦氣資源只有美國等少數(shù)國家擁有，國內(nèi)獲得的量非常有限。所以，從制造成本和戰(zhàn)略安全等角度考慮，氦氣回收的意義非常重大。另外，氦氣是一種惰性氣體，所以一般不會發(fā)生反應(yīng)，化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，適合于回收和重復(fù)利用。

在光纖制造工藝中，幾個接續(xù)的操作或步驟都要消耗不同量的氦氣，包括：沉積、固化、拉絲、涂覆等步驟[4-6]，其中光纖拉絲冷卻工藝中需要用到大量的氦氣。由于拉絲管道為非封閉的細(xì)長圓桶狀換熱器，拉絲時通入氦氣冷卻的過程中會混入大量空氣，在管道末尾處收集的氦氣中會混合大量的氧氣、氮氣、二氧化碳、水氣等成分，氦氣純度大約為80%。所以收集完的氦氣需要進(jìn)行純化處理以便去除雜質(zhì)，從而得到光纖制造所需的氦氣純度，約為99%[7-11]。

本文主要研究開發(fā)光纖制造中氦氣循環(huán)利用的方法和設(shè)備，以便對光纖拉絲等工藝過程中排出的廢氦氣進(jìn)行回收，并對其進(jìn)行純化，使其達(dá)到光纖制造需要的99%的純度。

1　光纖拉絲用氦氣使用過程簡介

在光纖制備過程中，拉絲爐的工作溫度達(dá)到2000℃以上。光纖進(jìn)入涂覆裝置時，如果光纖過熱會使涂覆樹脂粘度變低，涂覆厚度不均勻，涂層直徑波動[12-13]。所以需要對拉絲爐中出來的光纖進(jìn)行冷卻，如果只是自然冷卻，則需要的時間和冷卻管長度都太長，廠房高度需要很高，增加了時間和投資成本。因此在冷卻管中使用氣體對其進(jìn)行強制冷卻，使得光纖溫度快速降低到合適的溫度。對于冷卻氣體來說，比熱容越大，冷卻效果越好。在各種氣體中，氫氣的比熱容最大，氦氣次之[比熱容為5.24 kJ/(kg·K)]。由于氫氣比較活潑，所以，氦氣是冷卻用氣的最佳選擇。

2　氦氣回收提純系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)將光纖拉絲的冷卻管排放的富氦氣尾氣進(jìn)行回收提純，提純后的高純氦氣經(jīng)過高壓壓縮機壓縮充裝至氦氣集裝束。

該氦氣回收純化系統(tǒng)主要由集氣工裝、冷管氦氣在線回收純化系統(tǒng)、拉絲爐氦氣在線回收純化系統(tǒng)、供氣管路、出氣集氣罐、增壓充裝單元、干燥凈化設(shè)備、自動控制系統(tǒng)等組成。

3　氦氣回收提純技術(shù)指標(biāo)

3.1氦氣冷卻管回收純化單元

進(jìn)氣流量：300 L/min(單臺純化設(shè)備)；進(jìn)氣溫度：常溫；進(jìn)氣壓力：常壓；進(jìn)氣純度：≥50%He(雜質(zhì)為空氣)；出氣純度：≥98%He；出氣壓力：0.2～0.4 MPa；出氣溫度：常溫±3℃；回收率：≥70%(因不同進(jìn)氣純度而異)。

3.2氦氣增壓單元

進(jìn)氣流量：隨工況；進(jìn)氣壓力：0.1～0.4 MPa；出氣壓力：≥20 MPa。

4　氦氣回收提純工藝流程

4.1氦氣提純設(shè)備

假定：1. 拉絲線為50條，每條冷管用氦量為5 L/min；2. 滿負(fù)荷生產(chǎn)的拉絲線占所有線的80%；3. 冷管使用氦氣能完成80%的回收；4. 回收的氦氣濃度為35% He。

計算單位時間可回收的氣體量=50×5 L/min×0.80×0.80÷0.35=457 L/min。因為一臺純化設(shè)備可以出來氣量為300 L/min，因此可選用兩臺JHHP-300L型氦氣提純設(shè)備，該設(shè)備公稱進(jìn)氣量為300 L/min，可提純氦氣純度達(dá)到98%。此純化設(shè)備體積小、移動方便、功耗低、智能化程度高，可直接放于光纖生產(chǎn)車間內(nèi)部。圖1所示為JHHP-300L型氦氣提純設(shè)備。

圖1　JHHP-300L型在線氦氣提純設(shè)備示意圖

JHHP-300L氦氣提純設(shè)備將≥35%He的混合氣體分離提純，提純后的氦氣濃度達(dá)到98%，假定提純效率為90%，則一臺JHHP-300L氦氣提純設(shè)備單位時間內(nèi)供氣量為147 L/min=8.8 m3/h。

4.2拉絲冷卻管氦氣收集

氦管中氦氣收集方式如圖2所示。

圖2　拉絲冷卻管氦氣收集方式

氦氣冷卻管由于拉絲的需要，不是全封閉的容器，光纖從冷卻管的底部進(jìn)入，再從冷卻管的頂部穿出，光纖在冷卻管中進(jìn)行冷卻。所以氦氣通入冷卻管后也會有大量的空氣進(jìn)入冷卻管中，冷卻管中的氣體為氦氣和空氣的混合物。

圖3　拉絲冷卻管打開和閉合狀態(tài)

由于冷卻管的頂部和底部有光纖的進(jìn)出，所以無法在頂部和底部安裝收集系統(tǒng)收集氦氣。所以，我們在冷卻管的側(cè)壁上開孔，連接收集管進(jìn)行氦氣收集。

進(jìn)氣分別從氦管上中下三個部位進(jìn)氣?；厥沼袃商幦鐖D2所示，在氦管的另一翅片上。這樣設(shè)計可以保證進(jìn)氣、出氣的穩(wěn)定，以及氦管內(nèi)氦氣濃度、氣壓的穩(wěn)定。

4.3氦氣增壓充裝

氦氣提純設(shè)備中出來的氦氣壓力一般是0.1～0.4 MPa，壓力很低，而氦氣一般是充裝在集裝束車中的。所以，需要對氦氣進(jìn)行收集，然后再增壓，把氦氣儲存在集裝束車中以便后續(xù)處理使用。所以，在氦氣冷卻管氦氣提純設(shè)備出氣管路上連接一個出氣集氣罐和一套增壓充裝設(shè)備，把氦氣充裝到集裝束車中。如圖4所示。

圖4　增壓充裝流程示意圖

4.4拉絲冷卻管用氦氣回收提純工藝流程

氦氣回收提純系統(tǒng)同時具備廢氦氣回收、氦氣

純化、氦氣增壓充裝等功能?；厥諌嚎s機在回收集氣罐中產(chǎn)生負(fù)壓，負(fù)壓效應(yīng)通過管路把各用氦工段的廢氦氣回收并富集；廢氦氣經(jīng)純化單元提純操作后，氣體純度滿足98%要求；高壓壓縮機將98%的氦氣增壓并充裝到特定的儲氣單元中。

圖5　拉絲冷卻管富氦尾氣回收流程示意圖

氦氣回收提純系統(tǒng)流程如圖6所示，虛線內(nèi)為冷管氦氣回收提純流程，線外為增壓充裝系統(tǒng)。

圖6　冷管氦氣回收純化系統(tǒng)流程圖

回收純化操作流程：氣體回收管路采用軟管連接收氣工裝和集氣罐，回收壓縮機在集氣罐中產(chǎn)生負(fù)壓效應(yīng)，將各工段排放的廢氦氣回收并在集氣罐中富集?；厥諌嚎s機將集氣罐中的氣體增壓，壓縮后的氣體經(jīng)過換熱器預(yù)冷，并在過濾器、冷干機中除塵除油水，處理過的廢氦氣沖入分離純化單元中進(jìn)行提純操作。該單元可一次性將≥50%的廢氦氣提純至98%。

設(shè)備提供的氦氣純度為98%，該部分氣體在壓力驅(qū)使下充裝在氣罐中，當(dāng)系統(tǒng)檢測到氣罐壓力達(dá)到一定的閾值時，控制系統(tǒng)自動啟動氦氣高壓壓縮機，增壓后的氦氣經(jīng)過干燥除油、水操作后，直接充裝至特定的氦氣集裝管束中待再次處理利用。

5　結(jié)　論

在光纖制造中多個步驟需要用到氦氣，包括：沉積、固化、拉絲、涂覆等步驟。用氦氣量最大的是拉絲光纖冷卻工藝，拉絲冷卻管為細(xì)長圓桶狀容器，不是封閉的。所以在管道中有光纖通過時，通入氦氣冷卻，在拉絲冷卻的過程中就會混入大量的空氣。但是氦氣資源是十分寶貴的，對氦氣的收集意義重大。所以，本文研究了拉絲冷卻管中的氦氣進(jìn)行收集，提純并儲存，以便對其再次利用。通過此技術(shù)的實施，在不影響光纖生產(chǎn)的前提下，氦氣的使用量大幅降低，為光纖生產(chǎn)企業(yè)節(jié)約了生產(chǎn)成本，節(jié)約了國家的氦氣資源。使得氦氣可以循環(huán)使用，并減少了雜質(zhì)氣體向大氣的排放，保護了環(huán)境。

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坦桑尼亞發(fā)現(xiàn)大氦氣田

英國科學(xué)家近日宣布首次在自然中“有意地”發(fā)現(xiàn)大量氦氣，有望改變?nèi)蚝舛倘钡默F(xiàn)狀。

牛津大學(xué)研究人員與挪威一家開采企業(yè)合作，采用一種新方法，在非洲東部坦桑尼亞境內(nèi)發(fā)現(xiàn)儲量約為540億ft3(15億m3)的氦氣田。這一發(fā)現(xiàn)比占全球供應(yīng)30%以上的美國聯(lián)邦氦儲備還多一倍以上。

目前，美國聯(lián)邦氦儲備僅持有242億ft3(6.8億m3)，而在美國總探明儲量約1530億ft3(43億m3)。全球每年的氦氣消耗約80億ft3(2.3億m3)。此次發(fā)現(xiàn)的氦氣總量“足夠120萬臺醫(yī)用核磁共振儀使用”。

研究人員在一份聲明中說，這一地點處于東非大裂谷范圍內(nèi)，劇烈火山活動產(chǎn)生的熱量使古老巖石中蘊含的氦釋放到淺層油田中。

到現(xiàn)在為止，氦氣只是石油和天然氣鉆探一個偶然的副產(chǎn)品。這一發(fā)現(xiàn)很可能改變?nèi)蚝赓Y源的“游戲規(guī)則”。小到氣球充氣、“變聲”搞怪，大到醫(yī)療科研、航天軍工，稀有氣體氦氣應(yīng)用廣泛。全球氦氣的80%～90%是依靠在非常低的溫度下從天然氣中提取的。俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司計劃2020年在西伯利亞天然氣中生產(chǎn)全球40%的氦氣。伊朗和卡塔爾也計劃在天然氣中提取氦氣。

更為重要的是，這次使用的氦氣探測方法可用于世界上其他擁有類似地質(zhì)歷史的地方，有助人類發(fā)現(xiàn)和開采更多氦氣，成為“確保未來社會氦氣需求的轉(zhuǎn)折點”。

The Technology of Helium Recycling and Purifying for Fiber Drawing

SUN Meng, LI Heqing, JIN Xianghua

(Suzhou Jinhong Gas Co., Ltd., Suzhou 215152, China)

The specific heat capacity of the helium is very high, and it is an inert gas. Helium is commonly used as a gas for fiber cooling in fiber drawing. Helium is a nonrenewable resource, which is obtained from the natural gas well as a by-product, and therefore, it is very expensive. From the point of view of manufacturing cost and strategic safety, the significance of helium recovery is very important. In this paper, the helium in the fiber drawing furnace is collected, and then purified and stored, so that it can be used again. So that the production cost of the optical fiber enterprise is greatly reduced, and the strategic security of the helium resource is guaranteed.

helium recovery; fiber drawing; gas purification

2016-06-06

TQ117

A

1007-7804(2016)04-0042-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.04.012

孫猛(1977)，男，博士研究生，高級工程師。主要研究方向為電子特氣、氣體工藝、催化劑、顯示材料等。2008年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)材料物理與化學(xué)專業(yè)獲博士學(xué)位。擁有30多項專利技術(shù)，并且已經(jīng)在國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議和期刊上發(fā)表了15篇學(xué)術(shù)論文。