國內氦液化儲運技術需求分析

郭超 沈全鋒 趙藝皓 徐鴻 季長城

中國石油工程建設有限公司

氦元素由于具有不可燃、安全穩定性好，且沸點溫度最低等特性，在超低溫科研、航空、醫療等領域有著廣泛的應用，且在部分領域暫無可替代產品。約瑟夫森效應、超流體、量子霍爾效應、量子計算等多個諾貝爾獎的獲得都得益于液氦超低溫技術。因此氦資源一直是世界各國特別是發達國家優先保證的戰略資源[1-2]。氦液化技術是氦分離和應用的關鍵技術之一，也是發達國家長期以來的重點研發領域之一，1975 年以來美國液氦相關專利已有5 200 項[3]。據統計2017 年美國、卡塔爾、澳大利亞、加拿大、俄羅斯、烏克蘭、波蘭、德國、中國、印度等國共有49 套提氦生產線運行，年產純氦約1.65×109m3，其中美國產量超過一半，卡塔爾產量接近1/4[2]。近年來隨著卡塔爾提氦設施擴建和俄羅斯AGPP 提氦設施陸續投產，美國氦產量所占比例有所下降。我國近年的氦需求量約4 000 t/a，氦依賴進口約95%～98%。隨著部分發達國家對我國高科技產業的打壓和俄烏戰爭等國際形勢的影響，國內的氦氣供應安全難以保障，未來國內氦等稀有氣體的供應形勢將更加嚴峻。

天然氣提氦技術鏈主要包括天然氣的凈化處理、天然氣分餾、氦粗提、氦精制、氦存儲、氦運輸和氦應用等環節，其中氦液化分離提純和液氦儲運是大規模提氦產業鏈的重要環節，液氦應用是實現液氦產品功能的最終目標。因此，對氦液化和儲運技術進行對比分析將有助于準確辨識國內大規模氦液化技術需求，為氦液化技術發展方向提供參考。

1 提氦液化技術

氦液化技術是天然氣提氦的工藝需求。目前天然氣提氦工藝主要有深冷法、變壓吸附法、膜分離法等以及這些方法的聯用[4-5]，其中深冷法提氦是國際最常用的提氦工藝，全球超過90%的提氦工廠采用超低溫分離技術[6]。深冷法提氦是將凈化后的天然氣通過多級深冷分別在-160 ℃和-196 ℃左右將輕烴、氮等分離后，再通過催化氧化脫氫、變壓吸附等工藝進一步凈化得到純氦，最后可通過氦液化器將產品氦進一步降至-269 ℃低溫進行提純和液化，得到高純液氦。與膜法、PSA 法等非超低溫氦分離工藝相比，深冷法液化提氦工藝優缺點如表1所示[7]。可以看出深冷法提氦的主要優勢是工藝穩定、氣源純度要求低、效率和回收率高、產品純度高以及便于后續高效存儲和運輸等，缺點主要是流程較復雜，且設備建造、運行成本高，主要適用于大規模提氦項目。

表1 深冷法與其他常用提氦法對比Tab.1 Comparison between cryogenic method and other commonly used helium extraction methods

目前全球規模較大的19 座提氦廠大多采用深冷工藝，其年產規模多在千萬方純氦氣以上，其中卡塔爾Ras Laffan 提氦廠和俄羅斯AMUR 提氦廠最大設計產量為6×107m3/a 左右，阿爾及利亞SKIKDA 提氦廠最大設計產量為2×107m3/a 左右。俄羅斯阿穆爾天然氣處理廠主要是通過乙烷提取聯產提氦，共有3 列提氦裝置，每列提氦工藝流程如圖1所示[9]。初步凈化后的原料氣經計量后進一步脫水脫汞，然后進入天然氣液化/氦濃縮單元首先進行甲烷和乙烷分離，分離出的甲烷通過甲烷壓縮機和計量裝置后作為商品氣外輸，分離的乙烷進入臨近的阿穆爾化工廠作為乙烯原料氣。脫烴后的富氦氣進入氦提純/液化單元經冷箱分離液氮、催化脫氫、PSA 純化等工藝得到高純氦，然后通過大型氦液化器進行大規模氦液化，每列生產能力為2 233 Nm3/h（3 400 L/h），液化后的氦通過4 臺120 m3標準液氦儲罐存儲，通過2 套裝車平臺給40 m3ISO 標準罐箱灌注外運。阿爾及利亞SKIKDA天然氣處理廠從LNG 副產品中進行提氦精制、液化、存儲和運輸。原料氣經凈化后進行天然氣液化，閃蒸氣中的富氦氣通過冷箱分離液氮、PSA 純化等工藝得到高純氦，然后再次經過冷箱進行大規模氦液化，液化能力為2 233 Nm3/h（3 400 L/h）。液化后的氦通過2 臺120 m3標準液氦儲罐存儲，通過2 套裝車平臺給40 m3ISO 標準罐箱灌注后外運，主要供應歐洲市場。

圖1 俄羅斯阿穆爾天然氣處理廠提氦工藝流程Fig.1 Helium extraction process flow of Amur Natural Gas Processing Plant in Russia

國內1958 年實現了氦的液化。中國石油工程建設有限公司等單位20 世紀60 年代參與設計、建造了國內首座天然氣提氦工廠威遠提氦裝置，2012年建成的四川省榮縣東興場鎮天然氣提氦裝置等，積累了一定的提氦工程經驗[10]。但由于天然氣氦含量較低，國內提氦工廠以深冷法為主、同時部分采用膜法初步分離等技術，規模大多在年產百萬方以下。目前國內年氦總產量僅140.7×104m3（250 t）左右[11]，遠無法滿足國內需求，因此大規模低成本深冷提氦技術亟需突破。

2 氦液化儲存技術

氦液化技術是實現氦有效存儲的基礎。氦是航天航空、低溫超導、核磁設備、熱核技術等高科技技術發展的基礎，因此其產供長期受到重視，多個國家將其作為戰略資源進行管控。例如2022年6月2 日俄羅斯工業和貿易部頒布了987 號法令，在2022 年年底前將限制氦氣、氖氣等惰性氣體向“不友好國家”出口，以加強其市場地位。2006 年以來全球已出現4 次嚴重的氦短缺，尤其2022 年1 月以來的第4 次氦供應危機導致國內商品氦價格上漲近3 倍，給相關行業的發展造成巨大壓力。因此，保持穩定的氦資源儲備和供應是國家經濟平穩運行和社會穩定的重要保證。目前主要的儲氦方式包括高壓氣氦儲存、液氦儲存和粗氦地下儲庫儲存，各種儲存方式的技術經濟對比見表2。其中采用液氦儲罐進行儲存的優點是效率高、安全性好、可與下游液氦需求匹配，缺點是液氦存儲需要與氦液化工藝配合，設備成本高、操作維護難度大，主要適用于大規模儲存和以液氦作為深冷介質的終端用戶儲存[12-13]，隨著輕烴聯產等深冷工藝的聯用和深冷技術的發展，液氦儲存成本進一步降低。高壓氣氦存儲的優勢在于設備成本相對較低，且儲存條件穩定，不存在液氦氣化導致的壓力變化問題，缺點在于儲存密度比液氦小，且設備壓力高有一定爆炸風險，主要適用于小規模存儲。地下儲氦庫優勢主要在于儲存容積大、儲存純度要求不高、可有效用于調峰存儲，但受制于運輸成本，地下儲庫選址通常要求靠近提氦裝置，且在產出最終產品前還需配備氦精制、液化裝置，因此主要用于儲存50%～85%的粗氦產品[14]，適用于距離氦源近且氦產量存在較大過剩的情況。美國土地管理局（Bureau of Land Management，BLM）所管理的Cliffside 氦儲庫自20 世紀60 年代就開始投入運營，2011 年BLM 供應了美國用氦需求的40%、全球用氦需求的30%，對氦資源的管理起到了重要作用。但迫于運行成本壓力，2013 年美國通過法案決定在2021 年9 月前出售BLM 所有庫存氦[15]。此外Air Liquide 在德國建立了小型儲氦庫，俄羅斯有意在東西伯利亞建立地下儲氦庫對過剩氦資源進行儲備[16]。地下儲庫儲存純氦難度較大，其可行性需進一步論證，Air Liquide 于2016 年在Gronau-Epe 建立了2.81×104m3的精氦儲庫，但實際并未投入運營，其運行許可已過期。

表2 不同儲氦方式技術經濟對比Tab.2 Techno-economic comparison of different helium storage methods

目前我國氦資源主要集中在新疆、內蒙、四川，由圖2 可知，用氦單位主要集中在中、東部地區，為保障氦資源的有效利用，有必要在氦源地和主要消費地建立氦集散中心，對氦資源進行統一儲存和管理。同時考慮到我國氦資源儲量低、品味差，用氦需求大且長期依賴進口的特點，建立大規模液氦儲備將是保障氦需求的最有效手段之一。按我國目前年氦需求4 000 t 左右估算，1 個月約需要儲備液氦350 t。氦集散中心和大規模液氦儲存需按規模配備氣氦液化器、液氦儲罐、冷屏介質發生器等相應設施。目前大容量液氦儲存設備主要供應商有Gardner、Linde 等，國內尚無成熟的大容量液氦儲存設備供應商。由于液氦汽化潛熱極低，液氦儲罐的設計制造難度主要在于保證結構、強度的基礎上降低各種形式的漏熱，特別需要對支撐、接管結構等進行專門的分析和設計，并通過研發特定工裝保證產品效果達到設計要求。因此需對大規模液氦儲存技術，特別是液氦儲罐等關鍵設備設計、建造技術進行攻關。

圖2 近5年各省氦進口量Fig.2 Helium imports in each province in the past five years

3 液氦運輸技術

氦液化技術可保證氦資源的高效運輸。與氣氦運輸相比液氦雖然具有效率高、高壓風險低等優點，但受制于液氦運輸技術的限制，1953 年以前液氦僅可用于實驗室研究。此后隨著美國聯合碳化物公司在多層高效絕熱技術方面取得突破，液氦的長距離運輸才成為可能，大規模的液氦運輸和應用逐步開展。目前大規模液化工廠主要通過液氦形式外運，國內純氦也有50%以上通過液態形式進行運輸。氦供應鏈運輸流程如圖3 所示。液氦儲運技術的進步也帶動了氦液化的規模化生產。工廠內存儲的液氦根據工廠所在地理位置可通過陸運、海運等運輸方式采用液氦罐箱實現外運。

圖3 氦供應鏈運輸流程Fig.3 Transportation process of helium supply chain

國外針對公路運輸液氦罐箱已有成熟產品和長期使用經驗，例如Gardner 統計了其1973 年以來的40 m3標準罐箱至今仍有99.8%在用且性能良好。液氦鐵路運輸對長距離大容量運輸有較大優勢，已有相關研究報道，但國內外缺少液氦鐵路運輸案例，其主要原因包括：鐵路運輸的規律震動等對液氦產生的擾動可能產生熱損，罐箱支撐結構較薄弱難以承受鐵路倒運產生的沖擊，鐵路運輸流程較繁瑣、周期較長，各國鐵路標準不同跨國運輸難度大等，因此國際主要罐箱產品都注明“不得用于鐵路運輸”。但考慮到國內氦資源供需地距離相對較遠，鐵路運輸仍是液氦運輸備選方案之一，隨著我國鐵路技術的發展和對傳統液氦罐箱進行升級改造有望實現國內液氦的快速、批量鐵路運輸。液氦鐵路運輸除了解決在液化運輸技術方面的難點以外，還需對鐵路運輸流程、液氦危化品分類等進行分析，降低對液氦鐵路運輸的條文限制。

海運過程通常用于國際液氦運輸，是液氦運輸耗時最長的環節，除了長距離運輸外還有港口倒運、海關出關、報關等手續辦理周期。目前國際大部分液氦罐箱要求最少能達到40 至48 天的無損運輸時間。目前由于空運成本高、對運輸設備技術要求高等原因應用較少。

各運輸方式優缺點如表3所示。

表3 不同液氦運輸方式優缺點對比Tab.3 Comparison of different liquid helium transportaion methods

4 液氦應用

液氦應用需求量較大，氦液化技術可滿足終端應用需求，并可通過回收再液化技術避免氦資源的大量損失。目前約40%的終端用戶要求以液氦的形式利用，其中核磁共振是國內外最大液氦用戶，約占液氦總量的75%[17]，科學實驗、熱核工程、航空航天等方面液氦需求量約占液氦總量的25%。液氦經歷長時間運輸后其溫度、純度可能都會有所變化而產生損耗，最終導致地球上氦資源的枯竭[18]。為避免氦資源損失需以氦液化技術為基礎進行氦的回收，并重新到附近配備氦液化器的氦集散中心或轉運站進行再液化。再液化核心裝置主要是液化器和液氦存儲容器，液化器可根據液化量選取50～200 L/h流量的大型渦輪膨脹機至0.5～5 L/h 流量的小型壓縮機低溫冷卻器，液氦存儲設備也有從15 L 到175 m3的液氦容器[19]。配備這些氦回收再利用設備也可保障相關用戶的氦穩定供應，避免出現氦荒中部分用戶因缺氦對運營造成影響[20]。國際上對氦的回收利用已有專門研究和成功案例。M.P.LOZANO[21]等在一處液氦回收再生站對液氮制冷和化學吸附純化方法進行了回收經濟性對比，后者初始費用較高但后期運行維護費用與液氮制冷相比逐年降低。另外氦液化設備也需要有與之配套的氦儲運技術來保證其產品的有效儲存、運輸、分配和使用，例如ITER為滿足系統的運行要求建有3套25 kW的液氦裝置和1 臺175 m3的液氦儲罐。我國氦氣市場年可回收氦氣價值約6 億元，已經開始進行相關嘗試，但氦氣回收再利用率低于10%。中國計量科學研究院僅昌平院區就有16 個實驗室常年需要液氦環境，其自建氦液氦和回收系統每年氦液化量12 m3以上[22]。中科院理化所研制的國產氦液化器也首次應用于超導二極磁體測試平臺，2 個月生產液氦超過35 000 L，并通過優化降低了氦液化能耗[23]。

5 結論

氦液化儲運是氦產業鏈中從提氦工藝到終端用戶多個環節的技術需求，通過對各環節進行分析可得出如下結論：

（1）與其他提氦工藝相比，深冷液化提氦具有效率高、純度高、與下游儲運流程兼容性好等優點，是實現大規模提氦的最高效工藝之一。

（2）液化儲氦與高壓氦氣和儲氣庫相比具有效率高、安全性高、純度和回收率高等優點，大規模液氦存儲需要攻克液氦儲罐設計建造等技術壁壘。

（3）液氦在長距離、大容量運輸方面優勢較明顯，但國內液氦陸、海、空運輸技術都需進一步攻關、提升。

（4）30%以上的終端用戶以液氦為介質，根據用戶用氦規模研發氦液化和存儲設備可保證液氦的有效利用和氣化部分及時回收再液化。

因此，需對氦液化技術和液氦儲運技術進一步研發，提高相應工藝和設備的設計、建造能力，以滿足國內相關行業的液氦需求，保障社會經濟的平穩運行。