本发明属于氦气分离提纯，涉及一种氦气提取系统和方法。
背景技术：
1、氦气(he)，是一种稀有气体，无色无味，化学性质不活泼，一般状态下很难和其他物质发生反应；是国防军工和高科技产业发展不可或缺的稀有资源之一，广泛应用于半导体制造、航空航天、医疗卫生等高新科技领域，市场需求逐步扩大。
2、氦气主要分布于地幔、空气、矿石及天然气中。空气中的氦气含量极少，仅为5ppm；在富氦天然气中，氦气的浓度为0.02％～5％，即200～50000mmp。因此，从天然气中提取氦气是其主要工业来源。
3、液化天然气(liquefied natural gas，简称lng)，是天然气的一种利用形式，主要成分是甲烷，被公认是地球上最干净的化石能源。无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/625，液化天然气的质量仅为同体积水的45％左右。lng工厂生产lng的过程中会产生一定量的蒸发气体(boil off gas，bog)。氦气在bog中的浓度较高(其浓度可以达到15％)。bog的组成主要为he(沸点：-268.9℃)、ch4(沸点：-161.5℃)、n2(沸点：-195.8℃)、h2(沸点：-253℃)、o2(沸点：-183℃)、ar(沸点：-185.9℃)等。
4、目前天然气提氦的主要方法有变压吸附法(psa)、吸收法、膜分离法和深冷法。变压吸附法，以吸附剂分子筛为例，其原理是利用分子筛对不同气体分子“吸附”性能的差异而将气体混合物分开。膜分离法，利用有些金属膜或有机膜对某些气体组分具有选择性渗透和扩散的特性，来达到气体分离和纯化的目的。它是以膜两侧气体的分压差为推动力，通过溶解、扩散、渗透、脱附等步骤，产生组份间传递速率的差异来实现分离的。深冷法，又叫低温冷凝吸附法，是一种深冷提氦的方法，一般由常压液氮提供，可制得纯度99.99％的氦气。变压吸附法和膜分离法均不需要低温冷凝后分离气体，因此在能耗和材料消耗上优于深冷法。
5、lng工厂根据规模不同，其lng产能也不同，但都有其上限，从4万立方米/天到400万立方米/天不等，因此从天然气中提取氦气也会受到lng产能的限制，如何突破这种限制成为氦气生产急需解决的技术难题。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，一方面，本发明提出一种氦气提取系统，包括通过管道依次连接的膜分离氦气提浓系统、lng工厂和氦气提纯系统；所述膜分离氦气提浓系统被设置为将含氦天然气中的非渗透气去除或部分去除，得到产品气；所述lng工厂被设置为以所述产品气作为待处理气体进行处理得到lng和bog；所述氦气提纯系统被设置为处理所述lng工厂产生的bog得到氦气。
2、在一些实施方案中，所述膜分离氦气提浓系统包括一级膜分离系统，用于处理氦气浓度大于等于500ppm的含氦天然气，使得氦气浓度提升到处理前的5～10倍；一级膜分离系统的渗透气出气口与lng工厂连接。
3、在一些实施方案中，所述膜分离氦气提浓系统包括通过管道依次连接的一级膜分离系统、压缩机和二级膜分离系统，用于处理氦气浓度大于等于200ppm但小于500ppm的含氦天然气，使得氦气浓度提升到处理前的10～40倍；二级膜分离系统的渗透气出气口与lng工厂连接。
4、在一些实施方案中，所述膜分离氦气提浓系统包括通过管道依次连接的一级膜分离系统、压缩机和二级膜分离系统，还包括第一阀门和第二阀门；所述第一阀门设置在所述一级膜分离系统与所述lng工厂的连接管道上；所述第二阀门设置在所述一级膜分离系统与所述压缩机的连接管道上；
5、所述膜分离氦气提浓系统的工作流程被设置为：在含氦天然气中氦气浓度大于等于500ppm的情形下，关闭所述第二阀门，打开所述第一阀门，使得含氦天然气通过所述一级膜分离系统直接进入所述lng工厂；在含氦天然气中氦气浓度大于等于200ppm但小于500ppm的情形下，关闭所述第一阀门，打开所述第二阀门，使得含氦天然气通过所述一级膜分离系统经所述压缩机和所述二级膜分离系统进入所述lng工厂。
6、在一些实施方案中，还包括氦气浓度监测系统，用于监测进入所述一级膜分离系统的含氦天然气中氦气的浓度。
7、在一些实施方案中，还包括与所述氦气浓度监测系统通信的控制系统，用于根据所述氦气浓度监测系统监测到的含氦天然气中氦气浓度控制所述第一阀门和所述第二阀门的开启与闭合，从而帮助完成所述膜分离氦气提浓系统的工作流程，具体为：
8、在所述氦气浓度监测系统监测到含氦天然气中氦气浓度大于等于500ppm的情形下，所述控制系统关闭所述第二阀门，打开所述第一阀门，使得含氦天然气通过所述一级膜分离系统直接进入所述lng工厂；在所述氦气浓度监测系统监测到含氦天然气中氦气浓度大于等于200ppm但小于500ppm的情形下，所述控制系统关闭所述第一阀门，打开所述第二阀门，使得含氦天然气通过所述一级膜分离系统经所述压缩机和所述二级膜分离系统进入所述lng工厂。
9、在一些实施方案中，所述二级膜分离系统还与所述一级膜分离系统的进气口通过管道连接，使得所述二级膜分离系统产生的非渗透气能够被回收用于再次经所述膜分离氦气提浓系统提浓。
10、在一些实施方案中，所述一级膜分离系统可将氦气提浓5～10倍。
11、在一些实施方案中，所述一级膜分离系统和所述二级膜分离系统共同作用可将氦气提浓10～40倍。
12、在一些实施方案中，所述压缩机可将气体压缩至高于所述一级膜分离系统中的一级膜入口压力0.2mpa，便于所述二级膜分离系统中的二级膜尾气返回所述一级膜入口；如果所述一级膜入口压力已经达到10mpa，则所述二级膜分离系统的二级膜入口压力也控制在10mpa，所述二级膜尾气需增压返回所述一级膜入口，增压不超过0.2mpa。
13、另一方面，本发明还提供一种氦气提取方法，包括以下步骤：
14、s1、将含氦天然气进行膜分离氦气提浓，除去或部分除去非渗透气，得到产品气；
15、s2、将所述步骤s1得到的产品气用于lng工厂生产lng，同时产生获得bog；
16、s3、对所述步骤s2得到的bog进行氦气提纯处理，得到氦气。
17、在一些实施方案中，所述步骤s1分两种情形处理：
18、1)在含氦天然气中氦气浓度大于等于500ppm的情形下，含氦天然气通过一级膜分离系统进行膜分离氦气提浓，除去或部分除去非渗透气，得到产品气；
19、2)在含氦天然气中氦气浓度大于等于200ppm但小于500ppm的情形下，含氦天然气通过一级膜分离系统后再经压缩机压缩，进入二级膜分离系统进行膜分离氦气提浓，除去或部分除去非渗透气，得到产品气。
20、在一些实施方案中，所述情形2)具体为：在含氦天然气中氦气浓度大于等于200ppm但小于500ppm的情形下，含氦天然气通过一级膜分离系统后除去或部分除去所述一级膜分离系统分离的非渗透气，然后再经压缩机压缩，进入二级膜分离系统进行膜分离氦气提浓，得到产品气；对于所述一级膜分离系统分离的非渗透气进行回收重新进入所述一级膜分离系统处理。
21、在一些实施方案中，所述压缩机可将气体压缩至高于所述一级膜分离系统中的一级膜入口压力0.2mpa，便于所述二级膜分离系统中的二级膜尾气返回所述一级膜入口；如果所述一级膜入口压力已经达到10mpa，则所述二级膜分离系统的二级膜入口压力也控制在10mpa，所述二级膜尾气需增压返回所述一级膜入口，增压不超过0.2mpa。
22、本发明的有益效果包括：
23、1.本发明通过一级膜分离将天然气中氦气浓度提高5～10倍，体积缩小为原来的1/5～1/10，作为原料气再进入lng工厂生产lng，其bog气体浓度是直接使用天然气做原料的5～10倍。
24、2、通过二级膜分离将天然气中氦气浓度提高10～40倍，体积缩小为原来的1/10～1/40，作为原料气再进入lng工厂生产lng，其bog气体浓度是直接使用天然气做原料的10～40倍。
25、3、该技术比直接从天然气提氦可大幅降低提氦成本，而且不影响原天然气正常使用。适合天然气量比lng工厂处理能力大5～10倍或10～40倍的情况。
26、4、该技术一旦推广，可以解决我国天然气中氦气浓度低，提氦成本高的问题，从氦气浓度500ppm以上，或者200ppm以上不足500ppm的天然气中提氦，经济性上都是可行的。
27、5、氦气浓度监测系统和控制系统的设置使得本发明能够自动化地实现对不同含氦天然气的处理。
28、6、本发明的氦气回收率大于95％；天然气压力小于10mpa；操作温度50℃左右；流量无限定。原料气加热到50℃左右后进入膜分离氦气提浓系统。
29、本发明从天然气源头提氦，巧妙地结合下游的lng工厂，使得天然气处理量是原先lng工厂处理能力的5～10倍，甚至10～40倍，极大的提高了效能。本发明看似简单，其中的lng工厂和氦气提纯系统均是现有技术，但是它们与膜分离氦气提浓系统的结合却产生了非常大的，预料不到的技术效果，解决了lng工厂生产氦气、天然气受限的问题，极大地提高了生产力。
30、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
1.一种氦气提取系统，其特征在于，包括通过管道依次连接的膜分离氦气提浓系统、lng工厂和氦气提纯系统；所述膜分离氦气提浓系统被设置为将含氦天然气中的非渗透气去除或部分去除，得到产品气；所述lng工厂被设置为以所述产品气作为待处理气体进行处理得到lng和bog；所述氦气提纯系统被设置为处理所述lng工厂产生的bog得到氦气。
2.如权利要求1所述的氦气提取系统，其特征在于，所述膜分离氦气提浓系统包括通过管道依次连接的一级膜分离系统、压缩机和二级膜分离系统，还包括第一阀门和第二阀门；所述第一阀门设置在所述一级膜分离系统与所述lng工厂的连接管道上；所述第二阀门设置在所述一级膜分离系统与所述压缩机的连接管道上；
3.如权利要求2所述的氦气提取系统，其特征在于，还包括氦气浓度监测系统，用于监测进入所述一级膜分离系统的含氦天然气中氦气的浓度。
4.如权利要求3所述的氦气提取系统，其特征在于，还包括与所述氦气浓度监测系统通信的控制系统，用于根据所述氦气浓度监测系统监测到的含氦天然气中氦气浓度控制所述第一阀门和所述第二阀门的开启与闭合，从而帮助完成所述膜分离氦气提浓系统的工作流程，具体为：
5.如权利要求2所述的氦气提取系统，其特征在于，所述二级膜分离系统还与所述一级膜分离系统的进气口通过管道连接，使得所述二级膜分离系统产生的非渗透气能够被回收用于再次经所述膜分离氦气提浓系统提浓。
6.如权利要求2-5任一项所述的氦气提取系统，其特征在于，所述压缩机可将气体压缩至高于所述一级膜分离系统中的一级膜入口压力0.2mpa，便于所述二级膜分离系统中的二级膜尾气返回所述一级膜入口；如果所述一级膜入口压力已经达到10mpa，则所述二级膜分离系统的二级膜入口压力也控制在10mpa，所述二级膜尾气需增压返回所述一级膜入口，增压不超过0.2mpa。
7.一种氦气提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.如权利要求7所述的氦气提取方法，其特征在于，所述步骤s1分两种情形处理：
9.如权利要求8所述的氦气提取方法，其特征在于，所述情形2)具体为：在含氦天然气中氦气浓度大于等于200ppm但小于500ppm的情形下，含氦天然气通过一级膜分离系统后除去或部分除去所述一级膜分离系统分离的非渗透气，然后再经压缩机压缩，进入二级膜分离系统进行膜分离氦气提浓，得到产品气；对于所述一级膜分离系统分离的非渗透气进行回收重新进入所述一级膜分离系统处理。
10.如权利要求8或9所述的氦气提取方法，其特征在于，所述压缩机可将气体压缩至高于所述一级膜分离系统中的一级膜入口压力0.2mpa，便于所述二级膜分离系统中的二级膜尾气返回所述一级膜入口；如果所述一级膜入口压力已经达到10mpa，则所述二级膜分离系统的二级膜入口压力也控制在10mpa，所述二级膜尾气需增压返回所述一级膜入口，增压不超过0.2mpa。
