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这项技术中国几代人奋斗终攻克 上天下水都离不开

2018年8月24日 10:54    浏览0次 已有评论(0)

很多人对火箭发射、卫星入轨、蛟龙号深海潜水这些事情并不陌生,这些尖端设备上天入地时,都少不了带上一种特殊的气体,氦气。氦气在中国十分稀少,其提取技术更让几代人为之奋斗。

世界上最难液化的气体 是非同小可的战略物资

氦气是空气中的稀有气体。对火箭而言,氦气有两大作用:一是对火箭燃料仓内部进行清洗、净化,同时检测其密封性能如何。

第二个作用就是,火箭燃料仓装填易燃易爆的液体燃料时,需要用高压氦气作为推力,才能确保燃料装填到位、安全。

当火箭搭载的卫星进入太空,需要入轨调整卫星运行姿态时,会从卫星相对应部位,喷射释放出一些高压氦气,从而减轻卫星重量,实现精准入轨调姿,确保卫星传输信号和地面通信系统畅通。

不仅天上的火箭、卫星要用到氦,在深海潜水作业时,深水潜水员下潜到深海60米以下时,他们的专用呼吸气体,就是氦气和氧气的混合气,而不是通常意义的含有氧气和氮气的空气。

这项技术中国几代人奋斗终攻克 上天下水都离不开

△深海潜水专用呼吸器

中石油西南油气田公司成都天然气化工总厂分析检验中心工程师 王斌:氦气扩散的速率,是氮气的2.5倍,在人体中血液中和组织中的溶解度,是氮气的40%。用这种氦氧混合气,就可以避免用氮氧混合气,出现动作失调、身体无法控制等症状。

氦的元素符号He,来源于希腊文,原意是“太阳”。氦属于惰性元素,是所有元素中最不活泼的元素,它无色、无味、无毒,不燃烧,是最难液化的一种气体,其临界温度为-267.9℃,接近绝对零度-273.15℃的低温,是人类发现临界温度最低的物质。

氦气广泛应用于军工、医疗、半导体、金属制造、深海潜水、高精度焊接、光电子产品生产等多种领域,是一种稀有战略性资源,但就是这么一个稀罕物,迄今为止,唯一来源只能是从含氦的天然气中提取生产。

更严峻的是,目前世界上含氦天然气资源主要分布在美国、卡塔尔、波兰、俄罗斯等国家,其中,美国氦气资源发现比较多,占全球总量将近60%,而且天然气中含氦量比较高,一般在1%到3%,有的甚至达到7.5%至10%;而我国的氦气资源相当贫乏,含氦天然气不仅数量少,含量还低,0.18%就算高的了。这一比例只相当于国外天然气含氦量的十分之一。

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△含氦天然气

中国石油天然气销售西南分公司总经理 党委书记 马新华:早期你想进口,是没有地方进口的,西方封锁这个氦气资源。

中国奋斗50多年 如今6个9的氦气纯度领先世界

50多年前,科技人员遇到的第一个难题,就是寻找到含氦的天然气气田。但是我国大部分气田里面都没有,它一般要在一些特定的地质条件下,才能够形成。

科研人员费了很大功夫,好不容易发现一些含氦的天然气田,但含氦量太低,很难利用;有的含氦量稍微高一点,生产技术又跟不上,还要大量浪费天然气中有价值的其它资源。怎么办?

这一难题也引起了新中国第一代领导人的高度重视。60年前,也就是1958年3月27日,毛泽东主席冒雨来到四川隆昌气矿现场视察。这是毛主席唯一视察过的石油企业,也是他生平唯一一张蹲姿照,为此还专门题写了,天然气要综合利用的指示精神。

这项技术中国几代人奋斗终攻克 上天下水都离不开

上个世纪六、七十年代,四川荣县山区的天然气被发现是我国少有的含氦天然气,成都天然气化工总厂在此建立提氦基地,我国第一代提氦人由此诞生。

那个时候条件艰苦,在生活条件上,老一辈的提氦人,都是居住在牛毛毡棚子里,一些夫妇俩都只能分开居住。而在科研条件上,连基本的科研设备、仪器都没有。他们只能就地想办法,甚至自己设计动手制造设备、改装仪器。

中石油西南油气田公司成都天然气化工总厂总工程师 李均方:第一代天然气提氦的方法就是,通过天然气的节流制冷,将天然气冷却到负190多摄氏度,这个时候,天然气当中的甲烷、氮等各种组分,都液化下来,而氦还是气体,所以这样就把氦气,从天然气当中提取出来,然后经过进一步的吸附、精制,最后获得了百分之99.995以上的纯氦。

中国石油天然气销售西南分公司总经理 党委书记 马新华:包括我们的一些元器件,包括我们的一些设备、仪器在那么低温下还要工作,那应该来说也是动员了全国很多院校,和科研人员的力量综合在这,形成这么一套工艺,应该来说,当时打破了西方的一个技术封锁。

让提氦人感到自豪的是,他们1971年7月建厂,40天后就生产出99.995%,简称4个9的纯氦!此后,随着科技的进步,尤其到了上个世纪八十年代改革开放后,提氦技术很快迈过第三代、进入现在的第四代。提氦技术又有了新的突破。现在的分离能耗,比原有的工艺节约了30%,氦的回收率,也从原来的90%,达到了95%以上。

此外,在氦气提取生产过程中,液化天然气的调节装置也有创新。由于天然气是一种多种类化合物,在这个装置里面的塔顶部分,集聚的时候,容易造成天然气中的甲烷、氮等多种物质的重组分集聚,造成天然气的温度、质量等工况不稳定,影响氦气的提取。为了解决这个难题,科研人员还为此做了一项重大发明。

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△提取氦气发明专利

中石油西南油气田公司成都天然气化工总厂总工程师 李均方:我们新的方法就是在塔顶,取出了部分产品液化天然气,就避免了重组分在上面集聚;同时这部分产品,我们还可以作为副产品对外销售,实现一定的经济效益。

2012年,该项技术获得国家科技发明专利,提取的氦气纯度最高达到99.9999%,简称6个9的超高纯氦!达到世界领先水平,多次获得中央军委的嘉奖。

目前,成都天然气化工总厂现在仍然是我国唯一从事天然气液化提氦的专业生产厂。科技的创新、进步,也大大简化了提氦的工艺流程,曾经需要500人的一个工艺现在只需要50人,生产效率大幅提高。不仅如此,现在科技人员正在抓紧研制第五代提氦技术,将天然气中含量更低的氦提取出来。

这项技术中国几代人奋斗终攻克 上天下水都离不开

△天然气液化提氦装置

成都天然气化工总厂提氦技术研究员 黄晶:通过膜分离之后,0.03%的氦气已经提浓到0.2%,将近提浓了十倍左右。这部分含氦天然气就可以继续作为原料气,进入我们的荣县提氦厂进行利用了。这个水平,应该属于国内国际上,一个领先的水平。

中国石油天然气销售西南分公司总经理 党委书记马新华:我们到2020年,要决胜300亿战略倒计时,到2035年我们要建成700亿,天然气生产能力700亿什么概念?就是油气当量要超过5000万吨,就相当于大庆油田的规模了。

半小时观察

在自主创新的科研道路上,中石油的科技人员默默坚守数十载,追寻着科学的梦想。诚然,我们在技术研发的不少领域与发达国家相比还有不小的差距,但这种差距,因为不懈的创新正在逐步缩小。5月28日上午,习近平总书记在中国科学院第十九次院士大会、中国工程院第十四次院士大会上指出:实践反复告诉我们,关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。自力更生是中华民族自立于世界民族之林的奋斗基点,自主创新是我们攀登世界科技高峰的必由之路。


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