光纤冷却管氦气循环利用方法的研究

罗　辉，黄　卫

(1.中国电子科技集团 第十六研究所，合肥 230043；2.安徽万瑞冷电科技有限公司，合肥 230088)



光纤冷却管氦气循环利用方法的研究

罗辉1，2，黄卫2

(1.中国电子科技集团 第十六研究所，合肥 230043；2.安徽万瑞冷电科技有限公司，合肥 230088)

在光纤制造过程中，需要使用大量氦气，而使用过的氦气都是直接排放大气的，造成资源浪费，生产成本提高。文中通过对膜分离提纯法以及光纤生产工艺流程的分析研究，提出了一种基于膜分离技术的全自动在线式提纯方案，详细阐述了提纯工艺流程，并进行经济效益的分析。

氦气提纯；膜分离；光纤

1　概　述

氦气是一种战略稀缺资源，广泛应用于国防军工、科研、航空航天、制冷、医疗、光纤、检漏、低温超导、深海潜水、高精度焊接生产等领域。

氦气在空气中含量极少，目前主要依靠从天然气中分离提取。但氦资源全球分布严重不均。美国是世界上氦资源最丰富的国家，其天然气氦含量比较高。而我国现有天然气氦含量极低，属贫氦天然气。氦资源的匮乏和生产成本高等因素，导致我国不得不从美国、俄罗斯和卡塔尔等大量进口所需的氦资源。随着我国国民经济的发展，对氦资源的需求量也越来越大，一旦氦气难以进口，必将在大范围内影响我国的国防安全和经济发展。

氦气是一种高比热容的惰性气体，在光纤拉丝中通常用作拉丝炉内导热气体和光纤冷却用气体。而氦气是一种稀缺资源，因此价格昂贵。通过减少氦气使用量，可降低光纤的生产成本。

本文提出了在不影响生产效率和产品品质的前提下，实现光纤冷却管内氦气的循环利用，减少光纤冷却氦气用量，效果明显，收益大幅提高。

2　气体膜分离原理

膜法气体分离的基本原理是根据混合气体中各组分在压力的推动下透过膜的渗透速率不同，从而达到分离的目的。

首先，气态在膜的上游侧表面吸附溶解；然后，溶解在膜表面的气体在压力的作用下，进一步在膜主体内扩散；最后，膜下游侧表面的气体解吸。溶解能力越强及扩散速度越快，都使得该种气体更加容易地透过膜。图1为各种气体透过膜的快慢示意图，从图中可知，水蒸气和氦气透过膜的速度最快。

膜法分离相对于其他气体分离方法有着很多优点：

1.工艺流程简单，设备少，操作方便，停开机灵活；

2.一般无相变，动力及传动设备少，耗电低，占地面积小；

3.无二次污染，不会对环境造成伤害。

图1　各种气体透过膜的快慢示意图

3　光纤领域氦气循环利用的现状

在光纤的生产制造过程中，在预制棒、加热炉、光纤冷管三个部位，需要用到大量的氦气。目前，国内很多光纤企业，都无法回收生产过程中消耗的氦气，基本都是直接排放大气。近年来，随着氦气市场价格的波动，很多光纤企业开始尝试氦气回收和提纯。但是在光纤生产过程中，氦气的使用大多在一个开放的环境中，回收困难；同时，一些传统的氦气提纯方法，例如深冷法、变压吸附法，它们的系统比较复杂，能耗高，而且占地面积大，不适用于集约化的工业领域。有些光纤企业仅做氦气回收，以废气的形式出售给气体经销商，但是废气的价值不高，收益有限。

而随着膜分离材料技术和膜组件研发的日趋深入和完善，膜分离法在气体提纯领域的应用范围也越来越广。面对光纤领域，膜分法分离提纯氦气法具有性能可靠稳定、使用经济、操作简单等优势，同时，最大限度降低了对光纤生产企业现场的改造。目前，国内很多光纤企业开始尝试光纤冷却管氦气循环利用的方法，并且有很多成功案例。

4　膜分法氦气循环利用设备的组成和工艺流程

4.1设备主要技术

设备主要技术指标如下：

进气氦气纯度：≥60%；供气氦气纯度：≥99%；供气压力(表压)：0.2～0.3 MPa；供气温度：室温；设备回收率：≥80%；设备实现全自动运行。

4.2设备组成及工作原理

4.2.1氦气回收增压单元

通过特殊的氦气回收装置，将光纤冷却管中的氦气进行回收。回收的气体为氦气和空气的混合气体，分别经过流量计和纯度分析仪，测定混合气体的流量和纯度，并经过压缩机升压，供给后续单元使用。

4.2.2压缩气体预处理单元

经过压缩的氦气混合气体，温度非常高，需要先经过散热器散热，然后经过油水分离器，将混合气体中夹杂的油雾、水气进行初步分离，再经过降温冷凝进一步除水，最后经精密过滤器过滤。经过降温和层层过滤的净化混合气体供给纯化单元使用。

4.2.3纯化单元

经过净化的混合气体进入纯化单元，进行分离提纯。原料气经过纯化单元提纯后，尾气气体量很少，氦气含量<10%，经阀门直接放空；而产品气氦气含量>99%，经过纯度分析仪检测合格后，进入供气单元。

4.2.4供气单元

经提纯后的氦气，并经纯度分析仪检测合格后气体汇集到储罐内缓冲稳压，再持续不断供给光纤冷却管使用。同时，由于氦气回收和提纯过程中都有损耗，需要另外接一路氦气补充到储罐内，弥补损失的氦气。

4.2.5控制单元

负责对系统各个关键点的压力、温度、气体纯度进行监控，实现设备与光纤生产线的通信，根据生产状况，控制设备的自动开停机。另外，对光纤生产线的用气总量、设备的回收气体的总量以及设备提纯气体的总量进行统计记录，提供经济效益分析的有效数据。

4.3设备工作流程

如图2所示，设备从具备回收条件的光纤冷却管中回收的氦气，预处理之后，提纯到指定纯度，并加压至工作压力，供给光纤冷却管使用；如果氦气纯度未达到指标，则通过电磁阀切换，将氦气返回到压缩机前端，重新提纯。提纯设备根据生产线氦气用量的信号，自动控制设备的启停。

图2　氦气循环利用工艺流程

4.4膜分氦气循环利用设备在光纤领域的优势

1. 设备提纯性能稳定，可靠保证气体纯度在99%以上；

2. 设备损耗小，回收效率高，氦气的回收率能达到90%以上；

3. 能耗低，全部开启的工况下，功率不超过6 kW；

4. 回收过程为在线式，不需要制作大型气体储罐，既减少占地面积，又降低制造成本；设备长宽高为1200 mm×1100 mm×1700mm。

图3　设备样机

5. 设备现场安装简单，基本不需要对现有设备进行改造，气体回收工装的安装不会对拉丝操作流程有任何影响；

6. 设备实现智能控制，24 h自动运行，不需要安排专人操作；

7. 设备结构简单，使用维护方便。

4.5膜分离氦气循环利用设备的不足

氦气纯度进一步提高的难度比较大，成本比较高，因此其应用领域受到一定限制，例如，光纤熔炉或者制棒等需要99.99%纯度氦气的工序就无法应用，但是可以在设备后端再加一台高纯设备，进行二次提纯。

5　运行成本与经济效益的分析

在氦气提纯的过程中，主要是电力消耗。从工艺流程图中可以看到，主要消耗电力的部件是空气压缩机，压缩机的功率为2.2 kW。另外还有一些电磁阀、压力传感器、温度传感器、纯度分析仪、流量计、PLC等控制元件，总体功率可按照4 kW计算。工业用电电价按1.025元/(kW·h)计算，于是可以得到设备满负荷运转时，每小时的用电费用C为：

C=4kW×1h×1.025元/(kW·h)=4.1元

光纤冷却管氦气用量按照8 L/min进行计算，则一台设备可以同时对10条冷管进行氦气回收提纯作业，经过在用氦单位运行的实践数据统计分析的结果可以得到，整体回收率在70%以上，则设备每小时可以回收提纯并供到生产线上的气体量Q为：

Q=8L/min×10×70%×60=3360 L/min

=3.36 m3/min

氦气目前的市场价格按照90元/m3计算，则设备每小时的收益M为：

M=3.36m3/min×90元/m3=302.4元

由以上计算结果，可计算设备每小时的经济效益E为:

E=302.4-4.1=298.3(元)

由此可见，设备经济效益是非常显著的。

6　结束语

本文针对光纤冷管的工况以及对氦气的要求，利用膜分离的方法，在保证氦气纯度的前提下，提出了一种氦气提纯工艺流程，简化设备复杂程度，降低设备能耗，实现全自动控制的功能，并实现了设备全自动运行，大大提高设备的经济效益，完全符合工业生产的需求。该类型的设备已在多家用氦单位运行，经实践验证，取得了良好的结果。

同时，解决如下关键难题：

1. 突破了将低压膜分离器应用于中压系统的技术瓶颈；

2. 解决如何在开放环境中，高效回收氦气的难题；

3. 解决在线式气体深度干燥的难题；

4. 实现设备之间顺畅的信息通讯和全自动控制；

5. 由于膜分离提纯设备结构简单，能耗低，运行稳定，可作为高纯氦提纯设备的前级提纯，不仅可以大大降低高纯氦提纯设备的能耗，同时也能为高纯提纯设备提供一个稳定的工况环境，大大提高设备运行稳定和可靠性。

膜分法氦气循环利用设备的应用，降低光纤生产企业的氦气消耗量，降低光纤的生产成本，同时也尽可能减小国际市场因氦气资源紧张对国内光纤价格的影响，具有较大的稳定市场的意义。

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含有二溴甲烷的电光源气的配制方法

申请(专利)号：201610047775.3

公开(公告)日：2016-06-08

申请(专利权)人：保定市北方特种气体有限公司

摘要：本发明涉及特种气体的配制方法，具体公开了一种含有二溴甲烷的电光源气的配制方法，采用重量法配制，室温定量量取二溴甲烷液样，加热至70～80℃，保温8～12 min，使液样全部汽化后，再用平衡气变压吹扫二溴甲烷气体至产品钢瓶中，最后充装平衡气至产品压力P，混匀，经计算得到产品实际浓度，完成配制，所用平衡气为氙气或氪气。本发明方法能够解决二溴甲烷容易粘附于器壁造成电光源气浓度不达标的问题，显著提高含有二溴甲烷的电光源气产品的合格率和产品浓度的均一性。

一种金属氢化物储氢装置

申请(专利)号：201620077093.2

公开(公告)日：2016-08-17

申请(专利权)人：北京科技大学

摘要：本实用新型涉及氢气储运技术领域，提供了一种金属氢化物储氢装置，包括罐体、进气管、出气管、抽真空管、循环水单元、细径铜网、金属氢化物储氢合金粉、压力计表；循环水单元包括进水管、出水管、循环水管道、循环水泵；细径铜网呈层状布置于罐体内，且均与循环水管道连接；金属氢化物储氢合金粉置于相邻层的细径铜网之间；进气管、出气管、抽真空管位于罐体内的管道上均分布有管道壁小孔，位于罐体外的管道端口处均设置有阀门；压力计表与罐体内部连通；进气管、出气管、抽真空管、压力计表与罐体连接管内均设置有过滤器网。本实用新型的有益效果为：结构简单、吸放氢和热传导效率高，罐体不易开裂，适于推广应用。

测定氢气及含氢气体中氧含量与水、

氧含量一体化测定的方法

申请(专利)号：201510009186.1

公开(公告)日：2015-04-29

申请(专利权)人：中昊光明化工研究设计院有限公司 大连三达气体净化技术有限公司

摘要：本发明涉及一种测定氢气及含氢气体中氧含量与水、氧含量一体化测定的方法，其属于分析测试的技术领域。该方法首先利用化学反应将气体产品中氧气定量转化为水，然后使用水分(湿度)传感器测定气体中水分(湿度)含量并换算得到氧气含量。通过气路组合，使用同一个水分(湿度)传感器，可以实现气体中水、氧含量的一体化测定。将水分(湿度)传感器应用于氧含量测定，可以大大延长氧分仪的使用寿命。将水、氧含量测定组合在一台设备中，不仅简化分析操作，且成倍地降低了仪器的校准、运行和维护成本。

Research on Circle Using Helium of Fiber Cooling Pipe

LUO Hui1,2, HUANG Wei2

(1.The 16th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hefei 230043, China;2.Anhui Vacree Technologies Co., Ltd., Hefei 230088, China)

Much helium has been used during the production of fiber, and the helium directly get into atmosphere after be used，these case makes waste of resource and increase of cost. Based on analysis of the purification method using film and producing craft of fiber has been, a project using purification film which could achieve automatization and online has been presented, at one time, described the purifying craft and analysis of economic benefit.

helium purification； film separation； fiber

2016-07-07

TQ117

A

1007-7804(2016)04-0046-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.04.013

罗辉(1983)，男，工程师，中国电子科技集团第十六研究所，主要从事工业氦气循环利用装备的研发与应用。联系方式：18119695039。