技术特征：
1.一种基于膜分离、变压吸附和电化学氢泵耦合的氦气分离回收系统，其特征在于，所述的氦气分离回收系统包括两部分：氦气富集工段和氦气纯化工段；所述的氦气富集工段包括依次连接的缓冲罐(1)、第1#压缩机(2)、第1#膜前过滤器(3)、第1#膜分离器(4)、第2#压缩机(5)、第2#膜前过滤器(6)、第2#膜分离器(7)和第3#压缩机(8)；所述的氦气纯化工段包括变压吸附装置(9)、第1#电化学氢泵(10)和第2#电化学氢泵(11)，变压吸附装置(9)的出口与第1#电化学氢泵(10)的阳极侧入口相连，第1#电化学氢泵(10)的阳极侧出口与第2#电化学氢泵(11)的阳极侧入口相连；所述的缓冲罐(1)还分别与原料气(1-1)、第2#膜分离器(7)及变压吸附装置(9)相连；所述的第3#压缩机(8)还分别与变压吸附装置(9)相连。2.一种基于膜分离、变压吸附和电化学氢泵耦合的氦气分离回收方法，其特征在于，该方法是采用权利要求1所述的氦气分离回收系统实现的，具体过程如下：在氦气富集工段，从液化天然气工厂获得的原料气(1-1)经缓冲罐(1)与来自于第2#膜分离器(7)的二级膜渗余气(1-8)和来自于变压吸附装置(9)的解吸气(1-11)混合，混合后的气体(1-2)经第1#压缩机(2)升压，一次升压后的混合气体(1-3)经第1#膜前过滤器(3)进入第1#膜分离器(4)；氦气组分在第1#膜分离器(4)的渗透侧富集，并在膜渗透侧得到一级膜渗透气(1-4)；第1#膜分离器(4)渗余侧得到主要成分为甲烷和氮气的一级膜渗余气(1-5)，一级膜渗余气(1-5)返回至液化天然气工厂脱氮装置回收甲烷；一级膜渗透气(1-4)经第2#压缩机(5)升压，二次升压后的混合气体(1-6)经第2#膜前过滤器(6)进入第2#膜分离器(7)；氦气组分在第2#膜分离器(7)经过进一步富集得到粗氦(1-7)；从第2#膜分离器(7)获得的二级膜渗余气(1-8)进入缓冲罐(1)与原料气(1-1)和解吸气(1-11)混合后参与循环；在氦气纯化工段，粗氦(1-7)经第3#压缩机(8)升压；三次升压后的混合气体(1-9)进入变压吸附装置(9)，经变压吸附装置(9)除去非氢杂质后的氢氦混合气(1-10)进入第1#电化学氢泵(10)的阳极侧脱除氢气，变压吸附装置(9)得到的解吸气(1-11)返回至缓冲罐(1)与原料气(1-1)和二级膜渗余气(1-8)混合后参与循环；氢氦混合气(1-10)在第1#电化学氢泵(10)的阳极侧脱除大部分氢气杂质，在第1#电化学氢泵(10)的阴极侧得到高纯氢气a(1-12)；脱除大部分氢气杂质后的一级氢泵阳极出口气(1-13)进入第2#电化学氢泵(11)的阳极侧对剩余的氢气杂质进行深度脱除，在第2#电化学氢泵(11)阳极侧出口处得到高纯氦气(1-14)，在第2#电化学氢泵(11)的阴极侧得到高纯氢气b(1-15)。3.根据权利要求2所述的一种基于膜分离、变压吸附和电化学氢泵耦合的氦气分离回收方法，其特征在于，所述氦气分离回收系统所采用的第1#膜前过滤器(3)、第1#膜分离器(4)、第2#膜前过滤器(6)、第2#膜分离器(7)所使用膜组件包括中空纤维结构、板框式结构或螺旋卷式结构。4.根据权利要求2所述的一种基于膜分离、变压吸附和电化学氢泵耦合的氦气分离回收方法，其特征在于，所述氦气分离回收系统所采用的第1#压缩机(2)、第2#压缩机(5)、第3#压缩机(8)包括往复式压缩机、离心式压缩机、轴流式压缩机和螺杆式压缩机。5.根据权利要求2所述的一种基于膜分离、变压吸附和电化学氢泵耦合的氦气分离回收方法，其特征在于，所述的第1#电化学氢泵(10)和第2#电化学氢泵(11)包括低温电化学氢泵或高温电化学氢泵，采用的催化剂包括铂系贵金属催化剂和非贵金属系催化剂，所使用的质子交换膜材料包括全氟磺酸质子交换膜和非氟质子交换膜，所使用的气体扩散层材
料为碳纸。6.根据权利要求2所述的一种基于膜分离、变压吸附和电化学氢泵耦合的氦气分离回收方法，其特征在于，所述的氦气分离回收系统所采用的缓冲罐包括立式缓冲罐和卧式缓冲罐；所述的原料气(1-1)中，氦气含量为1.0-10.0mol％；所述的混合后的气体(1-2)经第1#压缩机(2)升压至1600kpa以上；所述的第1#膜分离器(4)的一级膜渗透气(1-4)氦气含量≥30mol％；所述的一级膜渗透气(1-4)经第2#压缩机(5)升压至1600kpa以上；所述的第2#膜分离器(7)进一步富集得到的粗氦(1-7)中氦气含量≥60mol％；所述的粗氦(1-7)经第3#压缩机(8)升压至500kpa以上；所述的氢氦混合气(1-10)在第1#电化学氢泵(10)的阳极侧脱除氢气杂质的脱除率≥60％；所述的第1#电化学氢泵(10)的阴极侧得到高纯氢气的氢气含量≥99.9mol％；所述的第2#电化学氢泵(11)的阳极侧对剩余的氢气杂质进行深度脱除的脱除率为99.9％；所述的第2#电化学氢泵(11)阳极侧出口处得到高纯氦气(1-14)的氦气含量≥99.9mol％；所述的第2#电化学氢泵(11)的阴极侧得到高纯氢气b(1-15)的氢气含量≥99.9mol％。
技术总结
本发明属于氦气提取技术领域，涉及一种基于膜分离、变压吸附和电化学氢泵耦合的氦气分离回收系统及方法。相较于传统的深冷精馏+变压吸附+空气催化氧化脱氢的氦气提取工艺，该工艺通过膜分离氦气高效富集和电化学氢泵高效脱氢协同增效，在生产高纯氦气的同时联产高纯氢气，实现天然气提氦过程提质增效。本发明所提出的系统从根本上避免了传统深冷精馏工艺的高能耗和空气催化氧化脱氢导致的杂质引入和设备复杂等问题，可以大幅度降低变压吸附装置的能耗和设备投资，实现含氦天然气资源高效利用，提升企业的经济和社会效益。提升企业的经济和社会效益。提升企业的经济和社会效益。
技术研发人员：贺高红 程安迪 肖武 吴雪梅 姜晓滨 李祥村 阮雪华 马沧海 李甜甜 陈婉婷
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2022.07.20
技术公布日：2022/10/3