高纯氦气氮气氩气氧气乙炔特种气体

超高纯氦气回收技术总结汇报

专利号：CN 104944393 B
专利权人：上海正帆科技有限公司
发明人：汤剑波、龚小雷等

一、技术背景与战略意义

氦气作为不可再生战略资源，在半导体、光纤制造、航天等领域不可或缺。全球氦资源面临枯竭（预计25-30年耗尽），我国氦气进口依赖度超95%，价格波动剧烈。传统变压吸附法（PSA）存在纯度低（＜99.999%）、回收率不足（通常＜90%）、设备复杂三大痛点。本专利提出一种深冷-吸附联用技术，实现氦气纯度≥99.999%、回收率≥95%，突破“卡脖子”资源困境。

二、核心技术方案

1. 装置架构

设备按流程顺序包括：
除氯装置→缓冲罐→压缩机→过滤器→干燥机→干燥塔→液氩罐→固氩罐→吸附罐→储气罐
核心创新：

• 液氩罐/固氩罐/吸附罐一体化集成于液氮杜瓦罐（-196℃环境），实现深度低温纯化；

• 分子筛吸附剂（4A/5A型）结合相变分离技术，分级去除杂质。

2. 八步纯化工艺流程

三、技术创新优势

四、实验数据与实施例验证

实施例1（50%原料氦气）：

• 液氩罐温度：-186℃ → 去除大部分Ar

• 固氩罐温度：-196℃ → 固化剩余Ar，冷凝N₂/O₂

• 结果：纯度99.999%，回收率96%

• 杂质含量：

  Ar ≤1ppm, H₂O <3ppm, CO₂/CO ≤0.5ppm, N₂ <2ppm

实施例2（70%原料氦气）：

• 增压压力：18bar

• 回收率：98%

• 杂质控制：N₂含量＜1ppm（优于半导体级标准）

实施例3（90%原料氦气）：

• 固氩罐温度：-198℃

• 回收率：99% → 行业最高水平

五、应用场景与产业价值

1. 半导体制造：

• 光刻气保护、刻蚀工艺需99.999%以上氦气，本技术满足3nm以下制程需求。

2. 光纤预制棒：

• 氦气纯度不足导致光纤气泡缺陷，本方案将废氦回收成本降低40%。

3. 战略资源安全：

• 回收率95%以上，可使我国氦气进口量减少15-20%。

4. 循环经济模型：

   graph LR
   A[用户端废氦] --> B(回收提纯)
   B --> C[99.999%高纯氦]
   C --> D[返回用户端]
   D --> A

六、技术壁垒与衍生潜力

• 核心壁垒：

• 液氩/固氩罐温度控制精度（±1℃）；

• 分子筛与深冷工艺的耦合设计。

• 衍生方向：

1. 氦同位素分离：调节深冷温度提取³He（核磁共振用）；

2. 航天燃料回收：火箭发射废气中氦的循环利用；

3. 医用MRI系统：保障液氦磁体冷却的可持续供应。

七、总结与建议

该专利通过 “化学除杂→中压增压→四级低温相变分离” 技术链条，解决了超高纯氦气提浓的世界性难题：

1. 纯度突破：达到99.999%（5N级），杂质总量＜5ppm；

2. 资源高效：回收率95-99%，颠覆传统PSA工艺；

3. 成本优化：设备投资减少25%，液氮冷源可复用。

建议行动：

• 半导体企业优先引入该技术构建闭环氦气供应链；

• 联合开发氦气回收云平台，实现纯度-能耗数字孪生监控；

• 申报国家战略资源回收技术专项，加速产业化落地。