新型工业废氦气提纯循环利用

【技术领域】节能环保

　　【技术开发单位】中国电子科技集团公司第十六研究所

　　【技术简介】中国电科16所专注于深低温技术研究和设备开发，在低温系统研制方面积累了丰富的理论基础和实践经验，建立了深低温核心技术优势。氦气提纯循环设备所采用的低温、冷凝法，就依托于该技术。此外，在设备研制过程中还采用了大量低温领域的新技术，包括高压氦气压缩机的减振、耐低温高压紫铜管道特种焊接技术、低温高压活接密封技术等，以优化产品。在此基础上，通过在膜分离法提纯技术上取得突破，在国内首次掌握复合提纯分离方法，可将纯度≥10%的低纯氦气提纯至99.5%以上，系统纯化回收率≥60%，达到国内领先水平，同时，在国内首次实现提纯设备与智能化控制系统相结合，提升了设备的自动化、智能化水平，步入国际先进行列。

　　【主要技术指标】

　　【技术特点】中国电科16所在产品开发的技术储备、产品研发过程、产品应用推广等使用了多项具有自主知识产权的自有技术和推广手段，使得产品具备一定新颖性、先进性及独特性。具体说明如下：

　　（1）先进的智能控制技术
　　设备采用工业化的PLC对系统中中氦气的纯度、测量、压力、温度等进行监测。由此实现对压缩机、干燥净化装置、纯化器、各控制阀门的全自动化监控，完成设备自动化操作。全智能化、安全、可靠的自动控制技术亦是项目的一项关键技术和特点。

　　（2）独有工业氦气复合纯化技术
　　氦气提纯是一项国际前沿研究领域，采用的方法有低温冷凝、膜分离、变压吸附、化学吸附等方法。中国电科16所在低温研究的基础上，突破低温冷凝分离法的研究技术瓶颈，开发工业氦气膜分离提纯技术和设备，与国际巨头在氦气提纯技术和设备方面展开竞争，并积极研究膜分离+低温分离的复合氦气分离方法，结合膜分离高效性和低温分离高回收率和高纯度的特点，将氦气首先经过膜分离技术进行粗提纯，然后采用低温分离技术进行精提纯，满足工业领域节能与高纯的多重需要。

　　【适用范围】氦主要用于医疗、军工、制冷、半导体、管道检漏、高精度焊接、金属制造、深海潜水、光电子产品生产、气球载、科研、军事等领域。下面结合氦资源主要应用对氦资源用户进行分析。

　　（1）核磁共振（低温超导）领域
　　核磁共振成像仪（MRI）采用低温超导磁体技术需液氦进行冷却，据统计,核磁共振成像仪占了全球氦气用量的34%,是最大的终端使用行业。虽然在发达国家核磁共振成像仪的需求量正在减少,但是发展中国家的需求量仍然强劲增长,从而保持了液氦的需求旺盛。

　　（2）制冷（家用电器）领域
　　氦气主要用于冷凝器、蒸发器、管道系统的检漏。

　　（3）半导体、光纤领域
　　氦气主要用于半导体工业中生长锗和硅晶体的保护气，光纤预制棒制作和光纤拉丝工艺中冷却和保护性氛围气体。

　　（4）焊接保护气
　　用途：当一些金属在加热或熔化时，为了阻止其和大气中的氧和氮反应，必须用惰性气氛保护。金属焊接加工中消耗了大量的氦。在惰性气体保护的钨电弧焊（TIG）中，不熔化的钨电、灼热的金属填充物和焊接区域要用连续的氦或氦-氩混合进行保护。保护焊接所用的气体混合物，可以用氦和氩按不同比例配制。根据焊接工艺、焊丝和被焊的母材的不同，混合气的组成可以不同，通常氦-氩混合气中氦的含量为15%-70%。

　　（5）低温工程领域
　　用途：由于氦的化学惰性和极低的液化点，它在除极低温度外的所有温度下都接近理想气体行为，且单位质量的热容量高，黏度低和热导率高等特性，所以氦通常被用做封闭循环低温制冷机的工作介质、国家重大科学工程中低温超导磁体和超导腔的冷却介质以及大专院校科研实验等。

　　（6）航天航空领域
　　用途：在火箭和空间飞行器燃料系统中，氦气用于清洗低温燃料和氧化贮槽，以及加压低温贮槽液面上部空间，以提供直接输送液体氢和液体氧的压力或者仅给输液泵提供净吸入正压，氦常用于气动控制系统中作为工作介质。在火箭发射之前，为了在点火的最初几分钟内得到最大的推进效率，低温氦已用于预冷上一级液氢火箭发动机。
　　液氦还广泛用于低温辐射检测器以及用于空间探索计划中其他专门仪表。

　　（7）气球载（浮空器）
　　用途：民用或军用浮空器、飞艇、气球等充装气体。

　　（8）汽车制造领域
　　用途：氦气用于汽车安全气囊中、在汽车铝合金轮毂气密性检漏中、汽车空调蒸发器、压缩机及冷凝器的气密性检漏中、氦气在车架激光焊接中的应用。

　　（9）其它领域
　　生理医疗、核反应堆、电光源、冶金和金属加工工艺、分析测试载气等。这部分气一般不回收。

　　【专利状态】中国电科16所在氦气循环利用技术领域已取得了多项专利，具体如下表所示。此外，该产品还荣获安徽省新产品认定，取得国防科技进步三等奖等，并在中文核心期刊上发表多篇有关氦气提纯循环方面的论文。中国电科16所对于氦气提纯循环领域的关键技术将会更有把握，将在已有的知识成果的基础上，完成该领域多项专利的申请，并依据项目实施过程中的实现部分关键技术的突破，提高产品的可靠性和实用性。

表2.6氦气相关专利情况一览表

　　【技术状态】批量生产阶段

　　【合作方式】

　　（1）投资需求。在集团公司、地方政府的大力支持下，依托中国电科16所现有人力、资金、技术等资源并进行整合，成立氦气回收、纯化处理再利用产业化开拓团队，进行工业废氦气回收纯化循环利用项目产业化的生产线及测试线建设，完成加工、装配、试验、检测、例行试验等设备、设施的配置。项目达成规模后，研发楼办公场地约100平方米、机加工车间壹间（约2000平方米），大型装配间壹间（约2500平方米），检测试验场地2000 平方米。产业化资源配置明细详见下表。

表3.1项目产业化资源配置明细表
 

　　项目预计总投资2300万元，分期建设，建设期1.9年。投资回收期2.15年（包含1.9年建设期）。

　　主要商业模式

　　直接购买设备：客户直接购买中国电科16所研制的废氦气提纯循环利用设备；

　　合同能源管理：由中国电科16所我公司投资，双方分享节约能源收益；

　　设备租赁：中国电科16所我公司前期无偿投入废氦气提纯循环利用设备，并负责设备运营维护工作，按月收取设备租赁费用；

　　纯化服务：中国电科16所我公司提供设备与人员，按照所纯化的氦气量进行收费。

　　该项目实施初期，为迅速占领市场，主要采取客户易于接受的零风险、零投入的合同能源管理模式，兼具设备租赁、纯化服务，推荐购买设备模式，这期间以工程技术服务，分享项目收益性质为主的商业模式将成为主要获利模式，当国内主要大客户签约之后，面对众多零散小客户，推出标准化、系列化产品，并全力向国外市场开拓，这期间产品销售将成为主要的获利模式。

　　未来3年里，服务类项目产值呈逐年下降趋势，而标准产品销售量将逐年递增，总体市场占有率稳步增长，随着产能的逐年递增，供应链管理水平的不断提升，未来几年单台成本逐年下降，因此导致利润增加，未来5~10年内，可能会伴有竞争对手的出现，但是巨大的市场潜力仍未达到饱和，产值和利润逐年提升的同时，利润率会逐年趋于稳定。

　　销售方式

　　1、直营与代理销售

　　中国电科16所直营：该项目产品为非大众化消费品、专业技术性强、为国内首创，项目实施初期，中国电科16所成立专门队伍，采取自主直营方式。市场销售人员充足，都具备工程技术专业知识背景，满足该项目中国电科16所直营的市场人员保障需求。

　　代理销售：待国内主要大客户签约实施后，面对众多零散小客户，开发标准化、系列化产品，针对不同的行业，与该行业设备销售商代理合作，开发不同行业市场。代理商、分销商的选择起步不久但专业素质过硬的商家，可以避免大商家的忠诚度不高及服务态度不佳等问题，后期可以对其作相关培训，使得经销商与中国电科16所共同成长发展。

　　2、依托行业协会进行项目推广。紧紧依托国家空调制冷行业协会、光纤行业协会等专业协会，加强联系，依托协会网络、学术期刊、会议平台，通过发表论文、专题报告、参加展览、赞助行业活动等方式大力推广该项目。

　　3、依托中国电科16所在外地设立办事处，发展自身的项目销售网络。

　　【预期效益】项目达产后，可实现氦气回收纯化设备及服务业务收入约1.5亿元（约占国内氦气提纯循环市场60%），利润约3229万元。本项目面向全球各用氦领域，未来产品的整体性能力争达到国际先进水平，同时，对本地区经济及相关行业起到辐射带动作用。