Мембранная установка восстановления гелия BHM

Решение для восстановления гелия

I. Общие принципы решения

1.1 Предыстория

Гелий — это невозобновляемый стратегический редкий инертный газ со сверхнизкой температурой кипения, стабильными химическими свойствами и превосходной проницаемостью, который широко используется в высокотехнологичном производстве, медицинских научных исследованиях, аэрокосмической отрасли, прецизионных испытаниях и других основных отраслях промышленности. В настоящее время импортозависимость Китая от гелия превышает 95%. Частые колебания импортных цен и нестабильность поставок газа, а также прямая вентиляция и низкий коэффициент использования в традиционных процессах значительно увеличивают производственные затраты предприятий и ограничивают стабильную работу высокотехнологичного промышленного производства.

Благодаря развитию технологии локализованного извлечения и очистки гелия, оборудование для извлечения гелия высокой чистоты 5N достигло полной независимой управляемости, а оборудование для восстановления сверхвысокой чистоты с замкнутым контуром 6N было произведено серийно. Приняв замкнутую модель восстановления, очистки и переработки, система эффективно снижает объемы закупок чистого гелия и достигает комплексных показателей снижения затрат, повышения эффективности, стабильных поставок газа, гарантий производства и экологически чистого низкоуглеродного производства.

1.2 Применимые сценарии

Это решение охватывает пять типичных сценариев применения гелия и адаптируется к различным стандартам чистоты газа, условиям содержания примесей в отходящих газах и характеристикам разряда:

• Производство полупроводников: EUV-литография, травление пластин, осаждение тонких пленок, охлаждение оборудования и обнаружение утечек в трубопроводах (требуется гелий сверхвысокой чистоты 6N).
• Научные исследования в области медицинских сверхпроводников: криогенное охлаждение сверхпроводящих магнитов МРТ, квантовые вычисления, ускорители частиц и эксперименты со сверхпроводимостью (рециклинг жидкого гелия и газообразного гелия высокой чистоты).
• Промышленные прецизионные испытания: обнаружение утечек гелиевым масс-спектрометром для автозапчастей, сосудов под давлением, вакуумных трубопроводов и нового энергетического оборудования (гелий высокой чистоты 5N; выхлопные газы содержат примеси воздуха и водяного пара).
• Аэрокосмическая и оборонная промышленность: наддув топливных баков ракет, продувка трубопроводов, охлаждение криогенной системы, аэродинамические испытания в аэродинамической трубе и прецизионный контроль температуры компонентов ракет.
• Оптическое волокно и высокотехнологичное производство: газ-носитель для осаждения заготовок оптического волокна OVD/VAD, защитный газ для прецизионной сварки высококачественных сплавов.

1.3 Цели решения

• Эффективность восстановления: общий коэффициент восстановления гелия достигает не менее 85% для общих сценариев и 90–95% для высокоточных сценариев (полупроводники, МРТ).
• Точность очистки: стабильный выход гелия высокой чистоты 5N (99,999%) для промышленного обнаружения утечек и сварки; Производство гелия сверхвысокой чистоты 6N (99,9999%) для полупроводников и научных исследований.
• Снижение затрат. Сократите закупки первичного гелия на 60–90 % и хеджируйте риск колебаний цен на гелий.
• Стабильность системы: поддержка круглосуточной непрерывной работы с замкнутым контуром, адаптация к бесперебойному производству, низкие затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание и высокая совместимость с локализацией.

II. Анализ болевых точек потери гелия в различных сценариях

2.1 Сценарий производства полупроводников

Как типичный сценарий применения газа сверхвысокой чистоты, EUV-литография и изготовление пластин требуют непрерывной подачи гелия сверхвысокой чистоты 6N для охлаждения, удаления пыли и инертной защиты. Отходящие технологические газы выбрасываются со следами водяного пара, кислорода, пыли и органических примесей. Традиционный режим прямой вентиляции приводит к огромным потерям гелия. Одно высокопроизводительное устройство ежегодно потребляет десятки тысяч литров гелия, что приводит к чрезвычайно высоким затратам на закупку гелия сверхвысокой чистоты.

2.2 Сценарий медицинской сверхпроводящей МРТ

Жидкий гелий используется для криогенного охлаждения сверхпроводящих магнитов. Потери гелия в основном происходят из-за утечек в результате испарения, вентиляции для технического обслуживания и вентиляции для сброса давления при охлаждении. Отработанный газ отличается высокой чистотой и небольшим количеством примесей, но рассеянные длительные выбросы вызывают серьезные накопления отходов. Традиционный режим не имеет системы рекуперации и полностью зависит от покупного жидкого гелия в качестве добавки.

2.3 Сценарий обнаружения утечек промышленного гелия

Этот сценарий характеризуется наибольшим потреблением гелия и наиболее рассеянными потерями. После обнаружения утечки остаточный гелий смешивается с большим количеством воздуха, парами воды и нефтяными загрязнителями с нестабильной концентрацией и дисперсным выбросом. Большинство предприятий напрямую выпускают газовую смесь, что приводит к снижению уровня использования гелия ниже 20% и серьезным растратам ресурсов.

2.4 Аэрокосмический сценарий

Гелий в основном используется для продувки под высоким давлением, наддува систем и криогенного охлаждения, характеризующегося высоким рабочим давлением и большим мгновенным объемом нагнетания. Хвостовой газ содержит следы остатков топлива, пыль и примеси воздуха. Концентрированные выбросы при испытаниях и обслуживании приводят к огромному единовременному расходу гелия без систем рециркуляции.

2.5 Производство оптического волокна и сценарий прецизионной сварки

При производстве заготовок оптического волокна гелий служит газом-носителем и постоянно переносит технологические отходящие газы. При прецизионной сварке гелий действует как защитный газ, изолируя воздух и предотвращая окисление сварного шва. Непрерывный сброс хвостовых газов, содержащих примеси, приводит к стабильным и долгосрочным потерям гелия, поддерживая высокий годовой расход гелия на производственную линию.

III. Общая архитектура системы восстановления и основной процесс

В этом решении используется интегрированная архитектура централизованного сбора, предварительной обработки, тонкой очистки, хранения под давлением и повторного использования в замкнутом цикле. Индивидуальные технологические модули настраиваются в соответствии с требованиями к концентрации примесей в отходящих газах и чистоте газа для реализации полного сценария адаптивного извлечения гелия.

3.1 Общий порядок работы системы

Сбор отходящих газов → Стабилизация давления и буферизация → Грубая фильтрация (удаление пыли и масла) → Криогенная осушка и сушка → Очистка мембранной сепарации → Прецизионное обнаружение → Повышение давления и сжатие → Низкотемпературное сжижение / хранение газа под высоким давлением → Повторное использование в замкнутом контуре

3.2 Описание процессов основного модуля

3.2.1 Установка централизованного сбора отходящих газов

Для различных условий работы используются специальные конвейеры сбора. Сценарии непрерывного производства (линии по производству полупроводников, оптического волокна) предусматривают полностью закрытый сбор трубопроводов с отрицательным давлением; В сценариях прерывистого потребления газа (обнаружение утечек гелия, аэрокосмические испытания, обслуживание МРТ) используются гибкие коллекторные колпаки в сочетании с буферными резервуарами отрицательного давления для устранения неорганизованных выбросов, достигая уровня сбора отходящих газов более 98%. Во всех трубопроводах используются бесшовные трубы из нержавеющей стали, чтобы избежать адсорбции примесей и потерь утечки гелия.

3.2.2 Блок предварительной обработки и очистки

Эта установка выполняет предварительную очистку отходящих газов, содержащих твердые частицы, масляные пятна и водяной пар, адаптируясь к сценариям промышленного обнаружения, аэрокосмической промышленности и сварки со сложными примесями. Хвостовой газ последовательно проходит через первичные пылевые фильтры, прецизионные фильтры для удаления масла и криогенные сушильные башни для удаления пыли, масла и влаги, снижая содержание твердых частиц и водяного пара ниже 1 ppm и снижая нагрузку на очистные устройства последующих мембранных сепараторов.

3.2.3 Блок глубокой очистки (основной модуль)

В этом решении используется технология мембранного разделения в качестве основного процесса со вспомогательной тонкой доочисткой, полностью заменяющая традиционный композитный процесс PSA и криогенной дистилляции. Благодаря высокому уровню автоматизации, низкому потреблению энергии и отсутствию расходных материалов-адсорбентов система поддерживает стабильную 24-часовую непрерывную работу и является наиболее зрелой и распространенной технологией промышленного извлечения гелия. Основанная на полимерных селективных проницаемых мембранах и управляемая перепадом парциального давления трансмембранного газа, система отделяет гелий от примесей воздуха, водяного пара, азота, кислорода и масла в соответствии с размером молекул и разницей в скорости проникновения, обеспечивая ступенчатую очистку до гелия высокой чистоты 5N/6N для соответствия многосценарным стандартам подачи газа.

3.2.3.1 Принцип разделения сердцевины технологии мембранного разделения

Молекулы гелия имеют сверхмалый кинетический диаметр и чрезвычайно высокий коэффициент проникновения. Под действием движущей силы давления гелий может быстро проникать через специальные мембраны для разделения гелия, в то время как крупномолекулярные и высококипящие примеси, такие как азот, кислород, водяной пар и диоксид углерода, улавливаются мембраной. Весь процесс разделения представляет собой чисто физическое скрининг и процедуру проникновения без химических реакций или фазовых переходов. Работая при температуре окружающей среды, процесс не меняет физических и химических свойств гелия и не приводит к вторичному загрязнению.

Рейтинг скорости газопроницаемости: He > H₂ > O₂ > N2 > H₂O > Примеси нефти и газа. Эта характеристика обеспечивает эффективный перехват большинства примесей и высокоэффективное обогащение гелия высокой чистоты.

3.2.3.2 Выбор и характеристики специального мембранного материала

Система оснащена локализованными полиимидными половолоконными мембранами для отделения гелия, профессиональными высококачественными мембранными материалами, предназначенными для извлечения гелия и адаптирующимися к сложным условиям работы с отходящими газами. Основные преимущества заключаются в следующем:

• Высокая селективность: высокая точность скрининга гелия и большой поток проникновения с коэффициентом отклонения примесей ≥ 99% для стабильного выхода гелия высокой чистоты.
• Высокие характеристики защиты от загрязнения: устойчивость к загрязнению маслом, водяным паром и пылью, предотвращение закупорки мембраны и старения в сложных условиях промышленных отходящих газов.
• Высокая эксплуатационная стабильность: работа при температуре окружающей среды и давлении без вспомогательного оборудования для высоких/низких температур. Длительный срок службы мембраны и отсутствие частой замены расходных материалов обеспечивают сверхнизкие затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание.
• Модульная адаптируемость: поддержка серийных и параллельных модульных комбинаций для адаптации к сценариям прерывистого потребления газа с малым расходом и непрерывного потребления с большим расходом.

3.2.3.3 Процесс ступенчатой очистки мембранного разделения

В зависимости от различных концентраций примесей в отходящих газах применяется многоступенчатый последовательный процесс мембранного разделения с предварительной предварительной обработкой и тонкой очисткой на выходе для градиентной очистки. Стандартный процесс: предварительная обработка (удаление масла, воды и пыли) → первичная мембранная сепарация (первичное обогащение гелием, удаление большого количества N₂/O₂) → вторичная мембранная тонкая сепарация (глубокое удаление следовых газовых примесей) → постраскисление и обработка сушкой → выход гелия высокой чистоты.

Дифференцированная конфигурация: двухступенчатое мембранное разделение стабильно выводит гелий высокой чистоты 5N для промышленного обнаружения утечек, оптического волокна и сварки; Трехступенчатое мембранное разделение в сочетании с тонкой очисткой от микропримесей позволяет получить гелий сверхвысокой чистоты 6N для полупроводников, МРТ и высокотехнологичных научных исследований.

3.2.3.4 Основные преимущества и правила адаптации сценариев

По сравнению с традиционной адсорбцией PSA и криогенной дистилляцией оборудование для мембранного разделения отличается простой конструкцией, небольшими размерами и быстрым запуском, обеспечивая непрерывную работу без присмотра в течение 24 часов. Это снижает потребление энергии более чем на 30% без потерь при переключении клапана или процедуры регенерации адсорбента, эффективно предотвращая колебания чистоты, вызванные старением и распылением адсорбента. Модульная конструкция обеспечивает гибкое расширение мощностей и подходит для новых и модернизированных производственных линий.

Адаптация к сценарию: Процесс чистого мембранного разделения применяется для обнаружения утечек в промышленности, производства оптического волокна, прецизионной сварки и обычных аэрокосмических испытаний для достижения оптимальных затрат и минимального обслуживания. В сценариях сверхвысокой чистоты полупроводников и медицинских сверхпроводников применяется сложный процесс тонкой очистки следов примесей с помощью мембранного разделения, чтобы сбалансировать эффективность восстановления и сверхвысокую чистоту, достигая комплексного уровня восстановления 85–95%.

3.2.3.5 Сравнение технологий: мембранное разделение и традиционные процессы

Традиционная адсорбция PSA основана на улавливании примесей адсорбентом, что требует регулярной регенерации и замены расходных материалов при нестабильной чистоте и большой нагрузке на техническое обслуживание. Криогенная дистилляция требует условий низкотемпературного фазового перехода, требует больших инвестиций в оборудование и экстремального энергопотребления, что применимо только к сверхкрупномасштабным проектам высокой чистоты. Напротив, мембранное разделение предполагает полное физическое разделение при температуре окружающей среды без замены расходных материалов, без высокого энергопотребления, стабильной работы и широкой адаптируемости, что становится оптимальным решением для извлечения гелия в различных условиях и во всех сценариях.

3.2.4 Блок обнаружения и хранения

Онлайн-газовые хроматографы и анализаторы следов влаги/кислорода оборудованы для определения чистоты гелия и примесей в режиме реального времени. Неквалифицированный газ автоматически возвращается на повторную очистку, а квалифицированный гелий подвергается сжатию с помощью дожимных установок. Доступны два режима хранения: резервуары для хранения криогенного жидкого гелия для медицинских сверхпроводников и резервуары для хранения газа при температуре окружающей среды под высоким давлением для промышленных и полупроводниковых сценариев, обеспечивающие стабильную подачу газа по требованию для повторного использования в производстве.

3.2.5 Интеллектуальный блок автоматического управления

Интеллектуальная система управления ПЛК автоматически регулирует отрицательное давление сбора, давление очистки, температуру и скорость потока. Он осуществляет мониторинг рабочих параметров системы в режиме реального времени, скорости восстановления гелия и чистоты газа, а также включает в себя защиту от перегрузки, сигнализацию об утечке, автоматическое отключение при неисправности и функции отслеживания данных для поддержки долгосрочной стабильной работы без присмотра.

IV. Индивидуальные решения восстановления по сценариям

4.1 Решение для восстановления полупроводникового гелия сверхвысокой чистоты

Применимые условия: EUV-литография, травление пластин и процессы осаждения тонких пленок. Хвостовой газ имеет мало примесей и высокую начальную чистоту гелия, что требует выхода гелия сверхвысокой чистоты 6N с нулевым загрязнением.

Индивидуальный процесс: Полностью герметичный сбор трубопровода → Прецизионное удаление пыли и сушка → Глубокая очистка мембранного разделения → Тонкая очистка следов примесей → Высокоточное обнаружение в режиме онлайн → Подача газа с замкнутым контуром под высоким давлением.

Основные параметры: степень извлечения гелия ≥ 92%, чистота на выходе 99,9999%, содержание водяного пара и кислорода ≤ 0,1 ppm. Полностью совместим с передовым полупроводниковым технологическим оборудованием, что позволяет сократить закупку чистого гелия более чем на 80%.

4.2 Раствор для восстановления сверхпроводящего жидкого гелия для медицинской МРТ

Применимые условия: Испаренный гелий в результате работы сверхпроводящего магнита и сброса давления при обслуживании, с высокой чистотой газа и отсутствием сложных примесей, с упором на рециркуляцию жидкого гелия по замкнутому циклу.

Индивидуальный процесс: Герметичный сбор отходящих газов магнитной разгерметизации → Стабилизация и буферизация давления → Прецизионная сушка и фильтрация → Очистка мембранным разделением → Повторное сжижение гелия → Криогенное хранение жидкого гелия → Повторное использование рефлюкса для магнитов.

Основные параметры: Степень восстановления жидкого гелия ≥ 95% с незначительной потерей качества, что эффективно снижает частоту закупок жидкого гелия в больницах и затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание, а также устраняет традиционные отходы вентиляции.

4.3 Универсальное решение для обнаружения утечек промышленного гелия

Применимые условия: Обнаружение утечек деталей и сосудов под давлением. Хвостовой газ содержит смесь воздуха, водяного пара и масляных пятен с переменной концентрацией гелия и дисперсными выбросами.

Индивидуальный процесс: гибкий сбор при отрицательном давлении → грубое удаление масла и воды → многоступенчатая мембранная сепарационная очистка → прецизионное обнаружение → хранение и повторное использование под давлением.

Основные параметры: Комплексная степень восстановления ≥ 85%, стабильный выход гелия высокой чистоты 5N, полное соответствие промышленным стандартам обнаружения утечек и адаптация к линиям непрерывного производства.

4.4 Решение для восстановления гелия под высоким давлением в аэрокосмической отрасли

Применимые условия: продувка системы, нагнетание давления и криогенные испытания при прерывистой работе, высоком давлении и мгновенном большом расходе, со следами пыли и остатков топлива в отходящих газах.

Индивидуальный процесс: Сбор буфера под высоким давлением → Взрывозащищенная фильтрация и очистка → Многоступенчатое мембранное разделение и стабилизация давления → Хранение под высоким давлением → Циклическое повторное использование для испытаний.

Основные параметры: адаптируются к мгновенным условиям работы при высоком давлении со степенью восстановления ≥ 88%. Оборудование соответствует требованиям взрывобезопасности и устойчивости к высоким давлениям, а также нормам аэрокосмической военной безопасности.

4.5 Производство оптического волокна и решение для восстановления прецизионной сварки

Применимые условия: круглосуточное непрерывное производство со стабильным потоком отходящих газов, содержащих технологические окислительные примеси и устойчивую потерю гелия.

Индивидуальный процесс: Непрерывный герметичный сбор по трубопроводу → Фильтрация и сушка примесей → Очистка с помощью мембранного разделения → Замкнутая подача газа со стабилизированным давлением.

Основные параметры: степень извлечения ≥ 90%, стабильная производительность гелия высокой чистоты 5N, адаптация к бесперебойному производству и эффективное снижение потерь непрерывного потребления гелия.

V. Выбор основного оборудования (локальная стандартная конфигурация)

Системный блок	Основное оборудование	Применимый сценарий	Преимущества оборудования
Отделение сбора	Вентилятор отрицательного давления, герметичный трубопровод из нержавеющей стали, гибкий колпак, резервуар с буферным газом.	Все сценарии	Нулевая утечка, коррозионная стойкость, совместимость с постоянным и прерывистым потреблением газа.
Блок предварительной обработки	Первичный фильтр, прецизионный фильтр удаления масла, криогенная сушильная башня	Промышленные, аэрокосмические и сварочные сценарии	Эффективное удаление пыли, масла и влаги, защита последующих мембранных элементов.
Блок очистки (ядро)	Модуль многоступенчатого мембранного разделения, установка каталитического раскисления, установка очистки мелких примесей	Полносценарная адаптация	Локализованная независимая технология, регулируемая точность 5N/6N, низкое энергопотребление, отсутствие расходных адсорбентов.
Единица хранения	Резервуар для хранения гелия высокого давления, резервуар для криогенного жидкого гелия, дожимной компрессор	Хранилище промышленного газа/Хранилище медицинского жидкого гелия	Точное поддержание давления, сверхнизкие потери газа, подходят для рециркуляции с замкнутым контуром.
Блок обнаружения и контроля	Онлайн газовый хроматограф, анализатор следов влаги/кислорода, интеллектуальная система управления ПЛК	Все сценарии	Мониторинг в реальном времени, автоматическая регулировка, автоматическая работа, отслеживаемые рабочие данные

VI. Эксплуатация системы, техническое обслуживание и обеспечение безопасности

6.1 Регулярные характеристики эксплуатации и обслуживания

• Ежедневная проверка: проверьте герметичность трубопровода, рабочее давление оборудования, температуру и данные о чистоте газа, чтобы исключить риск утечек.
• Регулярное техническое обслуживание: ежемесячно заменяйте расходные материалы фильтров, ежеквартально очищайте сушильную башню от загрязнений, калибруйте приборы обнаружения и регулярно проводите капитальный ремонт оборудования повышения давления.
• Управление расходными материалами: при необходимости заменяйте фильтрующие элементы и вспомогательные расходные материалы для обеспечения стабильной точности очистки.

6.2 Меры безопасности и защиты

• Гелий – инертный газ. Вся система работает в полностью закрытом режиме, оснащена сигнализацией гипоксии, сбросом избыточного давления и взрывозащищенными устройствами для устранения потенциальных угроз безопасности.
• Все оборудование статически заземлено, а трубопроводы имеют устойчивую к давлению и взрывозащищенную конструкцию, адаптированную к условиям работы с высоким риском в промышленной и аэрокосмической отрасли.
• Контур аварийной вентиляции настроен на автоматическое отключение замкнутой системы в случае неспособности обеспечить безопасность производства.

6.3 Механизм аварийной ситуации при неисправности

Система поддерживает автоматическую диагностику неисправностей. В случае некондиционной чистоты, аномального давления или перегрузки оборудования сработает сигнализация и автоматически перейдет в аварийный режим. Неквалифицированный газ будет возвращен на повторную очистку без ущерба для нормального снабжения добываемым газом и обеспечения непрерывности производства.

VII. Анализ преимуществ решения

7.1 Экономические выгоды

Рециркуляция гелия по замкнутому циклу сокращает закупки первичного гелия на 60–95% и эффективно хеджирует риски колебаний импортных цен. Для крупномасштабных сценариев, таких как фабрики по производству 12-дюймовых пластин, промышленные мастерские по обнаружению утечек гелия и больничные центры МРТ, система может снизить ежегодные затраты на гелий на сотни тысяч - десятки миллионов юаней, с типичным периодом окупаемости инвестиций 1-3 года, обеспечивая значительное долгосрочное снижение затрат.

7.2 Преимущества цепочки поставок

Система снижает высокую зависимость от импортного гелия и обеспечивает самодостаточную циркуляцию гелия. Это позволяет избежать рисков приостановки производства, вызванных геополитическими изменениями и нехваткой гелия, гарантирует стабильную работу высокотехнологичных производств, медицинских исследований и аэрокосмической промышленности, а также повышает автономность и безопасность цепочки поставок предприятий.

7.3 Экологические и социальные выгоды

Будучи невозобновляемым стратегическим ресурсом, переработка гелия значительно сокращает отходы ресурсов, а также снижает выбросы углекислого газа и потребление энергии при добыче и транспортировке гелия. Решение соответствует концепциям зеленого низкоуглеродного развития и поддерживает национальное стратегическое сохранение ресурсов и план промышленной безопасности.

VIII. Резюме и рекомендации по реализации

Основываясь на характеристиках потребления гелия и проблемах потери отходов в пяти основных сценариях применения, это решение использует зрелую технологию локализованного мембранного разделения для создания модульной, настраиваемой и интеллектуальной системы рециркуляции гелия с замкнутым контуром. Совместимая с обычными промышленными и полупроводниковыми газами сверхвысокой чистоты/научно-исследовательскими газами, система отличается высокой эффективностью восстановления, стабильной работой и низкими затратами на техническое обслуживание, обеспечивая значительные экономические преимущества, безопасность и экологические преимущества. Это оптимальное долгосрочное решение для предприятий по решению проблем высокой стоимости гелия и нехватки газа.

Рекомендации по реализации: Приоритизировать реконструкцию производственных линий с большим потреблением гелия и серьезными выбросами прямой вентиляции. Конфигурируйте модульное оборудование в соответствии с фактическим потоком газа, требованиями к чистоте и условиями работы для поэтапного продвижения и полного охвата. Установите стандартизированные механизмы текущего обслуживания и мониторинга данных для максимизации эффективности восстановления гелия и увеличения срока службы системы.