氦氣珍稀 亟需發(fā)展

劉貴洲 竇立榮 李鵬宇 周天航 趙 勛

1. 中國(guó)石油國(guó)際勘探開(kāi)發(fā)有限公司,北京 100034;2. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,北京 100083;3. 中油國(guó)際管道有限公司,北京 102206

0 前言

氦氣是無(wú)色、無(wú)味、不燃燒的惰性氣體;是自然界沸點(diǎn)最低(-268.95 ℃)的物質(zhì),且是唯一一種在常壓下即使達(dá)到絕對(duì)零度也不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的物質(zhì)。由于物理和化學(xué)性質(zhì)特殊,氦氣用途十分廣泛,是關(guān)系國(guó)家安全和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不可替代的重要稀缺戰(zhàn)略資源,在國(guó)防、航天、醫(yī)療、半導(dǎo)體、科研、超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、石化、制冷、管道檢漏、金屬制造、光電子產(chǎn)品生產(chǎn)、高精度焊接、深海潛水等方面被廣泛利用。

氦氣的主要來(lái)源不是空氣,而是天然氣,主要從富氦天然氣中提取。氦氣在干燥空氣中含量極微,平均只有百萬(wàn)分之五;而在天然氣中含量最高可達(dá)7.5%。一般認(rèn)為,混合氣中氦含量達(dá)到0.05%～0.1%即具有工業(yè)提取價(jià)值[1]。

蘊(yùn)藏在地層中的氦氣往往是礦物巖石中鈾、釷等放射性元素衰變的生成物,其蘊(yùn)藏量主要決定于放射性元素含量及衰變發(fā)生時(shí)間的長(zhǎng)短。只有在天然氣藏/氮?dú)獠馗浇锈櫟V時(shí),氦氣才能生成且混合在天然氣/氮?dú)庵小?jù)美國(guó)礦務(wù)局資料,含氦天然氣藏有66%處于古生界[1]。

含氦天然氣田主要可分為殼源同源型、殼源異源型和殼幔復(fù)合型。氦氣主要來(lái)自天然氣儲(chǔ)集層或下伏的盆地基底,世界上已發(fā)現(xiàn)的富氦天然氣田多屬此類(lèi)型[1]。

氦氣按應(yīng)用所需的純度不同可分為純氦氣(≥99.99%)、高純氦氣(≥99.999%)和超純氦氣(≥99.999 9%)。

1 氦氣是戰(zhàn)略資源,用途廣泛而產(chǎn)量有限

1.1 氦氣用途廣泛

1)利用氦氣的惰性,在衛(wèi)星和飛船發(fā)射中將其用作液氫燃料的推進(jìn)材料。航天發(fā)射中,發(fā)動(dòng)機(jī)輸送燃料和氧化劑的系統(tǒng)都離不開(kāi)氦氣,增壓系統(tǒng)換熱器中氦氣升溫到400 ℃以上,大幅膨脹后為燃料和氧化劑增壓,使燃料和氧化劑進(jìn)入渦輪泵,在1.2×104r/min的轉(zhuǎn)速下,泵入燃燒室,噴出完美的霧化液滴,進(jìn)行充分燃燒,產(chǎn)生巨大推力。在儀器分析中,氦氣被用作氣相色譜的載體;在光纖生產(chǎn)中,氦氣被用作保護(hù)和冷卻氣體;在核電設(shè)施中,氦氣被用作傳熱介質(zhì);在液晶顯示器制造中也往往使用氦氣。高純氦氣還可跟高純氬氣一起被用作單晶硅生產(chǎn)和特殊焊接的保護(hù)氣體等。

2)利用氦氣的低溫冷卻特性,將其用于冷卻低溫超導(dǎo)體。醫(yī)院的核磁共振成像儀所用超導(dǎo)磁體需要很大電流,以產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng),但電流越大,發(fā)熱也越嚴(yán)重,所用超導(dǎo)磁體需要液氦來(lái)降溫,以保持掃描儀成像的穩(wěn)定性。同理,在磁懸浮列車(chē)超導(dǎo)體應(yīng)用中,液氦也是不可或缺的。很多高精尖設(shè)備需要極大的電流,比如對(duì)撞機(jī)部分組件需要的電流高達(dá)1.2×104A(220 V下,一匹空調(diào)的工作電流一般是3～4 A)。如此高電流下電線發(fā)熱會(huì)很?chē)?yán)重,必須使用超導(dǎo)體,必須用液氦保持其超導(dǎo)性。

3)用于高端加工。芯片所用的單晶硅在制作時(shí)有1 400 ℃高溫,容易發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng),需要氦氣來(lái)保護(hù)。

4)高純氦氣與醫(yī)用氧氣混合用作深海作業(yè)的呼吸氣體。深海作業(yè)時(shí),深潛人員所背的氧氣瓶里不是純氧,因?yàn)楫?dāng)氧氣含量超過(guò)40%,就會(huì)造成人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)氧中毒;壓縮空氣也不行,因?yàn)樗職鈮嚎墒箍諝庵械牡獨(dú)獯罅咳谌胙?造成氮麻醉。氦氣在血液中的溶解度極低,很快就達(dá)到飽和,只要壓力不變或變化不大,時(shí)間再久,血液里的氣體含量也不會(huì)改變,能夠保護(hù)深潛人員長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)。

5)用作氣冷式核反應(yīng)堆的工作流體。

6)利用氦氣的擴(kuò)散性,可將其用于容器檢漏,如用作空調(diào)領(lǐng)域氦氣檢漏儀的檢漏氣體。

7)高純氦氣可被用作氣質(zhì)聯(lián)用儀等儀器的載氣。

8)高純氦氣與高純二氧化碳和高純氮?dú)庖黄鹂杀挥米鞫趸技す馇懈顧C(jī)的激光氣體。

9)氦氣還可用于充裝氣球和飛艇[2-3]。

1.2 氦氣儲(chǔ)量不高,分布集中

據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)統(tǒng)計(jì),全球氦氣資源量519×108m3[1],集中分布在美國(guó)、卡塔爾、阿爾及利亞、俄羅斯、加拿大、中國(guó)和波蘭等國(guó)。且氦氣的分布極其不均,其中美國(guó)是全球氦氣資源頭號(hào)大國(guó),資源量約206×108m3,占全球的近40%;卡塔爾氦氣資源量約101×108m3,阿爾及利亞氦氣資源量82×108m3,俄羅斯氦氣資源量68×108m3,前四家占比高達(dá)88.1%。加拿大氦氣資源量 20×108m3,中國(guó)氦氣資源量11×108m3,波蘭氦氣資源量3×108m3[2,4]。世界氦氣資源分布見(jiàn)圖1。

圖1 世界氦氣資源分布圖Fig.1 Pie chart of global distribution of helium resources

全球氦氣剩余探明儲(chǔ)量也很有限,且分布極度不均。美國(guó)最多,達(dá)39×108m3，阿爾及利亞、俄羅斯分屬第二、第三,分別為18×108m3、17×108m3,波蘭有0.23×108m3[4]。

天然氣田中的氦含量各異。美國(guó)氣田的氦含量最高,平均約為 0.8%(摩爾百分?jǐn)?shù)),個(gè)別氣田的氦含量高達(dá)7.5%[4]。中國(guó)氦含量最高的是威遠(yuǎn)氣田,氦含量只有0.18%～0.20%。不同國(guó)家天然氣田氦濃度見(jiàn)表1[2,5]。

表1 不同國(guó)家天然氣田氦濃度表Tab.1 Helium concentration of natural gas field in different countries

近年來(lái)新發(fā)現(xiàn)了一些氦氣資源,如2016年在東非大裂谷坦桑尼亞境內(nèi)發(fā)現(xiàn)有世界級(jí)富氦氣田[6]。

1.3 氦氣產(chǎn)能產(chǎn)量有限,為少數(shù)國(guó)家壟斷

全球氦氣生產(chǎn)幾乎集中在美國(guó)、卡塔爾、俄羅斯、加拿大、阿爾及利亞、澳大利亞和波蘭等國(guó)。美國(guó)是全球氦產(chǎn)能和產(chǎn)量的頭號(hào)大國(guó),氦產(chǎn)能占全球氦產(chǎn)能的70%以上,共建成22套天然氣提氦裝置,其中19套在運(yùn)行[6]。美國(guó)擁有兩大主力在產(chǎn)氣田,南部有從堪薩斯西南到奧克拉荷馬、德克薩斯的Hugoton氣田,北部有懷俄明西南的Riley Ridge氣田,另外還有諸多進(jìn)入開(kāi)采中后期的富氦氣田。

俄羅斯共建成5套天然氣提氦裝置,其中3套在產(chǎn),均在奧倫堡。目前正在阿穆?tīng)栔轂橹卸硖烊粴鈻|線輸送的天然氣建設(shè)新的提氦裝置,該天然氣為科維克金氣田氣源,氦含量0.22%～0.26%。

阿爾及利亞2006年由林德公司建成1 960×104m3/a的Skikda提氦裝置。

卡塔爾由法國(guó)液化空氣公司和德國(guó)林德公司建成一期2 000×104m3/a提氦裝置(2003年)、二期3 800×104m3/a提氦裝置(2013年)。

澳大利亞2010年由德國(guó)林德公司建成430×104m3/a提氦裝置[2,4]。

全球生產(chǎn)的氦氣,2016年為1.54×108m3,2017—2019年為1.6×108m3,2020年為1.4×108m3。2020年氦氣產(chǎn)量占比中,美國(guó)占52.8%,卡塔爾占32.1%,阿爾及利亞占10%,俄羅斯和澳大利亞分別占3.6%和2.9%,見(jiàn)表2。

表2 全球部分國(guó)家氦氣生產(chǎn)情況表Tab.2 Helium production of some countries 106 m3

近年來(lái)全球氦氣產(chǎn)量呈下降趨勢(shì),2011、2012年產(chǎn)量均在1.7×108m3/a以上,近年已經(jīng)降到1.6×108～1.4×108m3/a。

2 氦氣供應(yīng)形勢(shì)嚴(yán)峻

2.1 全球氦氣供需基本由美國(guó)主控

2020年全球氦氣需求量約為2.266×108m3。在為數(shù)不多的氦氣生產(chǎn)國(guó)中,最大生產(chǎn)國(guó)美國(guó)也是最大的氦出口國(guó),在國(guó)際氦氣市場(chǎng)上擁有絕對(duì)的話語(yǔ)權(quán)。據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計(jì),除2020年因新冠肺炎疫情原因稍有下降外,近年來(lái)美國(guó)的氦氣出口量連年累增,近五年出口量分別為6 200×104m3、7 400×104m3、8 400×104m3、10 600×104m3、10 000×104m3,占全球需求量的45%左右。美國(guó)的氦氣主要出口到歐洲、美洲和亞洲市場(chǎng)。而美國(guó)國(guó)內(nèi)的氦氣消費(fèi)量卻下降不少。

目前,卡塔爾在氦氣產(chǎn)能、產(chǎn)量和出口量方面均已超過(guò)阿爾及利亞,躍居世界第二,出口能力一度達(dá)到5 000×104m3,近年來(lái)有所下降,但其經(jīng)營(yíng)主動(dòng)權(quán)操控在美國(guó)公司手中。卡塔爾氦氣主要出口到亞太市場(chǎng)。

阿爾及利亞1995年開(kāi)始出口氦,出口能力一度達(dá)到2 000×104m3,近年來(lái)有所下降,其經(jīng)營(yíng)主動(dòng)權(quán)同樣操控在美國(guó)公司手中。阿爾及利亞的氦氣主要出口到歐洲市場(chǎng)。

俄羅斯氦氣產(chǎn)量曾達(dá)到600×104m3以上,出口能力曾達(dá)到400×104～500×104m3,近年來(lái)出口維持在400×104m3左右,主要出口到西歐市場(chǎng),近年也少量出口到亞洲市場(chǎng)。

澳大利亞是新興氦氣生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó),其產(chǎn)量維持在400×104m3,大部分供出口,主要出口到亞太市場(chǎng)。

波蘭是老牌氦供應(yīng)國(guó),曾經(jīng)每年出口氦氣約300×104m3,近年來(lái)大幅下降到不足100×104m3,主要出口到歐洲市場(chǎng)[4]。

2.2 我國(guó)貧氦且進(jìn)口單一

2.2.1 資源少,品質(zhì)差

我國(guó)貧氦主要體現(xiàn)在兩方面:一是氦氣資源量少,約11×108m3,占全球的2.1%[4],僅在四川盆地、渭河盆地、塔里木盆地、鄂爾多斯盆地、柴達(dá)木盆地及郯廬斷裂帶的含油氣盆地中有氦氣發(fā)現(xiàn),但儲(chǔ)量有限[1];二是品質(zhì)差,天然氣田貧氦,普遍氦含量低,四川威遠(yuǎn)天然氣田的氦含量最高,也僅為0.18%～0.20%[4]。

近年來(lái),汾渭盆地有新發(fā)現(xiàn),從地?zé)峋杉臍怏w中氦含量較高,最高達(dá)3.43%,不少樣品氦含量大于1%。西安地?zé)崽锏奶烊粴庵泻ず恳捕嗵幱?.8%～1.2%,最高1.51%,平均0.94%[2,4]。當(dāng)然,這些僅僅是少量的初步發(fā)現(xiàn),尚未證實(shí)是否有可觀的經(jīng)濟(jì)可采儲(chǔ)量。2018年陜西省在渭河盆地設(shè)立了我國(guó)第一個(gè)氦氣探礦權(quán)[6]。

2.2.2 裝置少,產(chǎn)量微

長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)僅有一套天然氣提氦裝置在產(chǎn)。1970年由四川石油管理局在威遠(yuǎn)建成六〇八二化工廠,為國(guó)內(nèi)首套且唯一一套天然氣提氦裝置。1989年,在原廠址建成第二套提氦裝置,設(shè)計(jì)規(guī)模10×104m3/d,年產(chǎn)氦4×104m3。現(xiàn)兩套裝置均已關(guān)閉。2011年,中國(guó)石油西南油氣田公司在四川榮縣東興場(chǎng)鎮(zhèn)建成新的天然氣提氦裝置,日處理天然氣40×104m3,氦收率>96.5%,產(chǎn)品粗氦純度80%左右。粗氦由氣瓶拖車(chē)運(yùn)輸?shù)匠啥继烊粴饣た倧S進(jìn)一步提純,生產(chǎn)出純度99.999%～99.999 9%的產(chǎn)品,可年產(chǎn)純氦約20×104m3[4],但由于氣源等原因,往往難以達(dá)產(chǎn)。如此低的產(chǎn)量只能少量滿足航天發(fā)射、國(guó)防軍工氦氣需求,保障戰(zhàn)略需要。

2020年,我國(guó)自產(chǎn)氦氣約95 t,而市場(chǎng)需求量高達(dá)3 803 t[7],自產(chǎn)率僅為2.3%。我國(guó)氦氣主要用于核磁共振、制冷、磁懸浮列車(chē)、焊接、檢漏、科研等領(lǐng)域,各領(lǐng)域用量占比見(jiàn)圖2。

最近幾年,我國(guó)也陸續(xù)有幾家企業(yè)加入到氦氣生產(chǎn)領(lǐng)域,采用不同提氦方式和技術(shù),建成了幾套提氦裝置。目前共有7家企業(yè),其中3家自天然氣中提取,4家通過(guò)空分提取,產(chǎn)能約140.7×104m3(250 t),見(jiàn)表3[7]。這些裝置縱使?jié)M負(fù)荷生產(chǎn),也只能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求量的5.9%。

圖2 我國(guó)各領(lǐng)域氦氣用量占比圖Fig.2 Helium dosage ratio of different fields in China

表3 我國(guó)氦氣產(chǎn)能情況表Tab.3 Helium production capacity in China

2.2.3 進(jìn)口集中,渠道受控

2019年在全球氦氣資源緊張的情況下,我國(guó)進(jìn)口氦氣3 974.9 t,同比下降3.7%;2020年進(jìn)口3 707.6 t,同比下降6.7%,但進(jìn)口占需求的比例高達(dá)97.7%;近五年我國(guó)氦氣進(jìn)口呈先增后降走勢(shì)。進(jìn)口來(lái)源地主要集中在卡塔爾(2 764.6 t,74%)、美國(guó)(584.6 t,16%)、澳大利亞(320.2 t,9%)三國(guó),見(jiàn)圖3[7]。另外,自俄羅斯、新加坡、烏克蘭等地有少量進(jìn)口。

圖3 2020年我國(guó)氦氣進(jìn)口來(lái)源國(guó)分布圖Fig.3 Pie chart of China’s helium import source countries in 2020

由于國(guó)際形勢(shì)變化大、卡塔爾氦氣產(chǎn)量上升快,我國(guó)氦氣進(jìn)口結(jié)構(gòu)有所調(diào)整,近五年自卡塔爾進(jìn)口的氦氣量連年攀升,自美國(guó)進(jìn)口的氦氣量則在遞減,見(jiàn)圖4[7]。

我國(guó)氦氣基本從普萊克斯公司、空氣產(chǎn)品公司、法國(guó)液化空氣公司、林德公司、巖谷氣體公司[4]等跨國(guó)公司進(jìn)口,國(guó)內(nèi)產(chǎn)量極少,進(jìn)口氦氣分銷(xiāo)渠道以合資企業(yè)和外資企業(yè)為主。

圖4 我國(guó)自卡塔爾、美國(guó)、澳大利亞進(jìn)口氦氣量變化趨勢(shì)圖Fig.4 Trend chart of China’s helium imported from Qatar, United States and Australia

2.3 未來(lái)供應(yīng)形勢(shì)更加嚴(yán)峻

氦氣屬世界性稀缺資源,本身就存在供需缺口,在我國(guó)更顯珍貴。氦氣資源不排除成為大國(guó)戰(zhàn)略競(jìng)逐中一張有力的“牌”,顯然我國(guó)在這方面更易受制于人,更易被“卡脖子”。

全球氦氣生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)屈指可數(shù),一些出口國(guó)的出口能力已開(kāi)始下降。最大出口國(guó)美國(guó)的氦資源也逐步枯竭,氦氣產(chǎn)量每年遞減5%～6%[4]。阿爾及利亞盡管氦資源量和探明儲(chǔ)量都很高,但實(shí)際生產(chǎn)量不足2 500×104m3/a,氦氣供應(yīng)能力有限。還有一些國(guó)家氦裝置的生產(chǎn)因季節(jié)性停工、故障檢修或工人罷工等因素而受到影響,例如卡塔爾北方氣田提氦、阿爾及利亞Skikda都曾因二氧化碳堵塞或廠內(nèi)爆炸而出現(xiàn)大規(guī)模減產(chǎn),引起相關(guān)區(qū)域氦氣供應(yīng)大幅波動(dòng)。據(jù)俄羅斯相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè),到2030年,如果沒(méi)有新區(qū)塊開(kāi)發(fā),預(yù)計(jì)世界氦產(chǎn)量將降至1.34×108m3[2]。而氦氣需求將達(dá)到2.2×108～3×108m3[4],其中歐洲市場(chǎng)占比將從20%降至15%,美國(guó)市場(chǎng)占比將從50%降至45%,而亞太市場(chǎng)占比將有所增長(zhǎng),從25%增至30%[4]。世界氦氣供應(yīng)缺口達(dá)1.66×108m3,其中亞太市場(chǎng)短缺6 000×104m3[4]。

我國(guó)氦氣產(chǎn)需結(jié)構(gòu)更不樂(lè)觀,2021年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求或?qū)⑦_(dá)到4 100 t,之后仍將延續(xù)上漲走勢(shì),2025年可能達(dá)到5 800 t,增速由7%逐步增長(zhǎng)至11%[7]。未來(lái)五年,氦氣需求增幅較大的可能在半導(dǎo)體、光纖、低溫應(yīng)用等領(lǐng)域。而國(guó)內(nèi)氦氣自產(chǎn)仍非常有限,除表3列舉的產(chǎn)能外,2021年克拉瑪依恒通能源、重慶瑞信(森泰、環(huán)達(dá))項(xiàng)目有望投產(chǎn)[7],使國(guó)產(chǎn)氦氣產(chǎn)能達(dá)到367.5 t,但仍不足市場(chǎng)需求的9%。

未來(lái)我國(guó)氦氣進(jìn)口可能更受制于人。美國(guó)已將氦氣列為戰(zhàn)略資源,限制粗氦生產(chǎn),加之國(guó)內(nèi)提氦設(shè)施停產(chǎn)不少,未來(lái)供應(yīng)將相應(yīng)減少。卡塔爾和澳大利亞的提氦裝置也基本由美歐公司主導(dǎo)。我國(guó)氦氣進(jìn)口基本壟斷在普萊克斯公司、空氣產(chǎn)品公司、法國(guó)液化空氣公司、林德公司、巖谷氣體公司這五家跨國(guó)公司手中,它們之間又存在權(quán)益結(jié)構(gòu)和控制關(guān)系,因此,我國(guó)的氦氣供應(yīng)嚴(yán)重缺乏安全保障。

3 結(jié)論與建議

3.1 掌握氦氣資源,保障供應(yīng)安全

在我國(guó),除四川盆地外,鄂爾多斯盆地、渭河盆地、柴達(dá)木盆地、塔里木盆地等,以及郯廬斷裂帶上,有個(gè)別天然氣藏或地?zé)崽锏暮ず靠捎^,達(dá)到工業(yè)經(jīng)濟(jì)可采標(biāo)準(zhǔn)。為國(guó)家戰(zhàn)略考量,應(yīng)選擇性予以開(kāi)采和提氦。從經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估,在目前全球氦氣自由貿(mào)易背景下,由于儲(chǔ)量和品質(zhì)原因,加之不是與天然氣液化生產(chǎn)配套,提氦生產(chǎn)成本無(wú)法與美國(guó)、卡塔爾等國(guó)的提氦生產(chǎn)成本相提并論,但一旦國(guó)際市場(chǎng)供應(yīng)緊張,則經(jīng)濟(jì)性不言而喻。提氦裝置投資量不大,正常情況下如采取以豐補(bǔ)歉、以肥補(bǔ)瘦等措施,基本可處于微利和微虧之間。

另外,鄰國(guó)哈薩克斯坦擁有一些氦氣資源,我國(guó)可尋求合作意向。鑒于資源離我國(guó)西部邊境不遠(yuǎn),與塔里木處于同一方向,同樣值得進(jìn)一步論證。近年來(lái)東非大裂谷發(fā)現(xiàn)有巨型富氦天然氣藏,其氦氣資源應(yīng)該成為促進(jìn)我國(guó)更積極開(kāi)展合作的重要因素。在全球其他氦氣資源豐富的地區(qū),我國(guó)也都應(yīng)該積極尋求合作開(kāi)發(fā)機(jī)會(huì)。

3.2 重視氦氣供應(yīng),確保渠道安全

目前氦氣資源掌握在少數(shù)幾個(gè)國(guó)家手里,生產(chǎn)掌握在少數(shù)幾家西方公司手里,均無(wú)法改變。但供應(yīng)操控在少數(shù)幾家西方公司手里,而坐等幾大巨頭行銷(xiāo),這樣的局面就需要改變了。一要由被動(dòng)坐等轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)尋求貨源,爭(zhēng)取產(chǎn)地直供,盡量減少中間環(huán)節(jié);二要進(jìn)一步改變貿(mào)易結(jié)構(gòu),努力降低地緣政治風(fēng)險(xiǎn);三要尋求合資合作,與貿(mào)易供應(yīng)商成立合資企業(yè),避免關(guān)鍵時(shí)候被“卡脖子”。