今天小編分享的科學經驗:中國缺He究竟有多嚴重?,歡迎閱讀。
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NO.2508- 中國缺氦
文字:無刺王冠龍
校稿:辜漢膺 / 編輯:板栗
1869 年,俄國科學大佬門捷列夫發表了這張早期的元素周期表,格式和現在不太一樣,我們順着背一下," 氫 氦 锂 铍 硼 ",會發現這裡面少了一個 " 氦 ",這是一種在地球大氣中極其稀有的元素,當時還不在表上。
現藏于聖彼得堡門捷列夫博物館的
元素周期表原始手稿
(圖:wiki)▼
門捷列夫在他的第一版化學教科書《化學原理》中
首次發表了元素周期表
(《化學原理》中的元素周期表 圖:aip.org)▼
在 1869 年的前一年,法國和英國的天文學家在觀察太陽色球的發射光譜時,才發現這種來自太陽的新元素,并将其命名為 " 氦 "(英語:Helium,希臘語:ἥ λιος),在希臘語中就是赫利俄斯(helios,太陽,太陽神),太陽的意思。
氦氣的光譜線(圖:wiki)▼
1881 年,意大利物理學家路易吉 · 帕爾米耶裡在分析維蘇威火山的岩漿時首次發現了地球上的 " 氦 "。
1895 年,蘇格蘭化學家威廉 · 拉姆齊從钇鈾礦裡首次分離出 " 氦 "。人類才終于可以直接觀察研究這一稀有元素。
地球上的大多數氦氣是放射性衰變的結果
因此氦大量存在于鈾和钍礦物中
(威廉 · 拉姆齊和純化氦氣的克萊維石 圖:wiki)▼
一直到今天,地球上發現的氦資源也只有484 億 m3,而中國,正是一個非常缺氦的國家。
氦氣的廣泛用途
在元素周期表裡,氦是僅此于氫的原子量第二小的元素。也是氫元素熱核聚變的直接產物,所以太陽上完全不缺氦,在晚年還會有 " 氦閃 " 的可能。
想象中的太陽氦閃(圖:novaspace.com)▼
而且氦元素還位于周期表最右邊一列,和 " 氖 氩 氪 氙 氡 " 同屬惰性氣體。由于本身密度很低,又不能像氫一樣形成水等各種化合物,氦作為單質氣體非常容易逸出到大氣層之外,長年累月,地球上的氦就越來越少了。
氦氣在空氣中的含量很低,還容易逃逸
全球可開采的氦氣資源又主要來源于天然氣
所以氦氣是一種稀缺的非再生資源
(部分稀有氣體放電的顏色和光譜圖:wiki)▼
氦除了密度和惰性的特點,還是已知熔點和沸點最低的元素,并且具有低溶解度、高導熱率這些獨特的物理、化學性質。
這些屬性讓氦氣在工業各領網域應用廣泛。
由于氦氣是很輕的惰性氣體,不像氫氣那樣易燃易爆,所以很适合填充氣球和飛艇。也常用來檢測管道、容器、設備内是否有氣體洩漏。
氦氣的用途還遠不止這些
(雙室氦檢漏機 圖:wiki)▼
(飛艇 圖:shutterstock)▼
在一些特殊的焊接應用裡,惰性的氦氣用作保護氣體,防止熔融金屬和空氣中的氧氣發生反應,被稱為氦氣保護焊。
鎢極惰性氣體保護焊
(圖:wiki)▼
氦氣熔點超低的特點,讓它可以在極低溫度下保持液态,所以液氦是一種重要的冷卻介質,廣泛用于冷卻超導磁體、核磁共振儀器和激光設備這些高精密儀器。
在先進制造領網域,氦還會用于液體燃料火箭、載人深潛、第四代核反應堆、半導體制造、量子計算機、精密分析儀器、核磁共振。
基于如此廣泛的用途
氦氣其實是一種關系國家安全、高新技術產業發展的
戰略性稀有氣體,被稱為 " 黃金氣體 "
(液氦用于冷卻現代 MRI 掃描器中的超導磁體 圖:wiki)▼
可以說,氦已經是一種不可或缺的新興戰略資源。2021 年全球對氦氣的需求大概是 2.04 億m3(2.04 × 108m3),而且保持着約5%的年增長速度。
儲量與產能高度集中
雖然按照最新的勘探結果,全球氦氣資源的挖掘潛力很大,但這其實是一個細分且技術門檻很高的市場,資源開發嚴重不足,整體上仍然是供不應求。
在許多高精尖研究中都需要液氦的冷卻
但全球能生產氦氣的國家卻很少
(圖:news.harvard.edu)▼
而且這有限的氦氣,還是高度集中于少數國家。
目前,全球的工業用氦氣基本是從含氦的天然氣裡提取出來的,所以氦的生產和天然氣高度相關。據美國地質調查局的數據,截止 2021 年底,全球氦氣總資源量約 484 億 m3(484 × 108m3),其中美國、卡達、阿爾及利亞、俄羅斯四國合計占了 87%。
氦氣資源量多的國家基本也是天然氣巨頭▼
氦氣的生產格局也基本是這樣,美國、卡達產量占全球的80%,阿爾及利亞、俄羅斯占14%,還有少量來自澳大利亞和波蘭。和他們相比,亞太地區的氦氣產量幾乎可以忽略不計。
!橫屏 -全球氦氣藏分布與產能格局示意圖(2022 年)▼
這裡面,美國無論是資源量還是產量,都是無可争議的第一,美國從上世紀初就開始開發利用氦氣。到 2012 年之前,美國的氦氣供應量一直接近全球的 80%。
但老美產得多,用得更多,畢竟這種氣體多用于高端制造,美國企業本來就是用氦大戶,以至于美國的氦氣戰略儲備都快被用光了。2012-2020 年,美國氦氣供應量從 1.33 億 m3 減至 0.83 億 m3,減少了四成。到 2021 年,美國氦氣供應量進一步降至 0.77 億 m3。
此消彼長,卡達的氦氣產量在十年間快速增長,2021 年達到了 5100 萬 m3(0.51 × 108m3),和第二梯隊的阿爾及利亞 1400 萬 m3、俄羅斯 900 萬 m3 相比,可謂遙遙領先。
卡達本就是天然氣大戶,又有美國設備的支持
在生產氦氣這件事上有着天然的優勢▼
在這四大巨頭之外的國家,一方面受制于探明儲量不足,一方面也受限于技術,因為氦氣提純的難度非常高,涉及一系列復雜技術,這還不包括儲存、運輸、使用所需的設備和規範。
由于可開采的氦氣通常和天然氣混雜在一起,需要通過質量分離等技術,先把 " 粗氦 " 從天然氣裡提取出來,再對粗氦進行精制,以美國 AMGAS 在堪薩斯州 Lenexa 的氣田為例,其 2022 年 8 月以來的天然氣日產量大約 2832m3,從裡面可以提取出 14.16m3 的氦氣。
堪薩斯大學的兩位教授在氣體間歇泉樣本中
首次發現了天然氣中的氦
(圖:wiki)▼
目前人類提取氦氣主要有兩條技術路線:天然氣直接提氦和液化天然氣閃蒸汽提氦 ( LNG-BOG ) 。後者的效率更高,發展潛力巨大,但是對原料氣的規模和提取技術有很高要求,而 " 天然氣直接提氦 ",才是目前唯一的工業化獲取氦的方法,。
不過中國的天然氣田含氦量很低
直接提取成本極高
要實現自主生產暫時還得靠 LNG-BOG
(寧夏鹽池 BOG 提氦裝置區 圖:cigia.org.cn)▼
這條技術路線,又可以分為 "深冷法" 和 "非低溫法"。
深冷法最為經濟有效,同時也是氦氣液化和運輸的最佳方案,主要原理是将淨化合格的天然氣通過制冷,低溫精餾獲得一次粗氦(這裡的 " 一 " 發 1 聲),經過進一步提濃獲得濃度 30%-80% 的粗氦。再使用低溫吸附或低溫冷凝、冷凍法,在低壓低溫的環境下去除粗氦中的雜質氣體,再通過氦液化器把高純度的氦氣液化。
天然氣氦回收過程示意圖▼
深冷法也叫低溫精餾法
是通過不同氣體的沸點的不同來分離氣體▼
這個深冷法看似容易,搞起來其實也很難。從原理上來說,只要把溫度降到足夠低,氦氣就以被液化,但是前面也說了,氦是液化溫度最低的元素,所以它的液化方法非常特殊,必須進行復雜的多級液化,簡單來說就是自己冷卻自己。對技術設備的要求很高。
近幾年," 非低溫法 ",也就是 " 常溫法 " 提氦,已經研發成功,這就要用到膜法了!操作方式主要是多級膜法、多級變壓吸附、或者膜法+多級變壓吸附。但這套操作的功耗太高、工藝復雜,還不适合大規模提氦。
天然氣提氦氣的膜技術
(圖:uq.edu.au)▼
綜上所述,氦氣在現代工業中用途廣泛,但是儲量與產能卻高度集中,提純、液化的技術門檻也很高,這就必然導致供不應求。
中國缺氦,怎麼辦?
而供需矛盾最緊張的就是咱們國家了。目前我國已經是世界上最大的氦氣消費國之一,但是嚴重依賴進口,近年來對外依存度高達 95%以上。
而且随着我國科學研究、醫療技術和高科技產業的發展,對高純度氦氣的需求越來越大。
2017 年以來,中國的氦氣進口量長期保持在 2000 萬 m3 以上(2000 × 104m3),2018 年進口量高達 2311 萬 m3(2311 × 104m3),約占全球氦氣產量的 14.4%,對外依存度 98.51%。 ( 2018 年全球產量 1.6 億立方米 )
2014-2021 年中國氦氣產量與進口量走勢圖▼
由于全球的產氦大國就那麼幾家,所以中國進口也沒啥選擇餘地,主要來自卡達、美國和澳大利亞,少量來自俄羅斯。
在企業層面,我們進口的氦氣主要來自 " 六大 " 外資,包括林德、液化空氣、空氣化工、岩谷產業株式會社、大陽日酸株式會社和吳江梅塞爾,這六家占了總進口量的 82%。
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2020 年以後,由于產量、船運、關稅等原因,來自美國的進口快速減少,直接制約了中國的氦氣進口量。
作為替代,來自卡達的氦氣彌補了美國的缺口,2021 年,卡達對我國出口了 1684 萬m3氦氣,占了 82%。
中國對卡達氦氣依賴可以說是很嚴重了▼
但卡達的氦氣價格偏高,技術與設備其實都來自美國,美國如果想的話,也一樣能卡住卡達這條路。
而且除了氦氣的氣源,氦氣液化器和液氦罐箱的制造商也基本是美國企業,為了便于壟斷氣源,再加上自身產能不足,他們就長期限制對中國供貨。這些因素,都導致中國在氦氣方面很容易被 " 卡脖子 "。
在今年 5 月我國自主研發液氦罐箱首次進入批量生產▼
為了應對缺氦難題,中國正在加強勘探工作和技術突破瓶頸,以提高氦氣的產量和提取效率。
自 2003 年以來,自然資源部下屬的地質調查機構就已經在各地調查氦氣資源。
中西部的大型疊合盆地和陸内裂谷盆地,是中國氦資源的主要富集區。根據初步預測,四川、鄂爾多斯、塔裡木、柴達木、汾渭五大盆地的氦氣遠景資源量,可達 80 億 m3 以上(80 × 108m3)。這些就是我國快速實現產能的主力勘探區。
中國的氦氣多為油氣同源氦,存在深層藏氣
使得中國氦氣資源的開采難度和成本較高
(中國含油氣盆地氦氣分布圖)▼
在技術方面,目前我們從天然氣中提取粗氦、粗氦精制、氣氦儲運的技術已經比較成熟。但是大型氦氣液化和液氦儲存的技術還在突破瓶頸階段。
國產的氦氣液化器雖然已經研制成功,但性能和可靠性尚有提升空間。而且液氦儲罐還沒有國產化,卡在結構設計和絕熱材料上,要完全自主生產還要時間。
液氦到超流氦溫區大型低溫制冷系統
在 2021 年研制成功,實現整機系統全國產
(80L/h 氦液化器 圖:ipc.cas.cn)▼
緩解缺氦問題,除了開源,還可以節流。說白了就是省着用,提高回收和再利用率,減少浪費,或者研發氦氣的替代品,也能減少對氦的需求,把對外依存度降一點兒是一點兒。
至于在海外尋找更多的氦氣來源,鑑于資源和技術的雙重集中,努力是要努力的,但主要取決于别國的產能和态度。
中國的氦氣暫時還無法自給自足
尋求多渠道進口氦氣也是一種保障氦資源安全的解決方法
(黑龍江駁船上生產氦氣的天然氣深加工技術裝置)
(圖:shutterstock)▼
當然,有的人可能想着太陽上不全是氦麼,能不能搞一點兒下來,這在技術難度上應該不亞于可控核聚變了,有這能力,基本上也不缺啥了。
中國的缺氦問題雖然很嚴峻,但辦法總比困難多,從 2018 開始,對外依存度一直在降,實現氦氣的穩定可持續供應,應該是可以期望的。
上下滑動查看參考資料:
1. "China's Helium Shortage: Causes and Implications" - Teng et al., Energy Policy, 2018.
2. "Helium: A Squeaky Voice for China's Development" - Liu, S., Energy Science & Technology, 2019.
3. "Analysis of China's Helium Supply and Demand Situation" - Zhang et al., Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2020.
4. "China's Helium Shortage and Strategies for Sustainable Supply" - Li et al., Resources, Conservation and Recycling, 2021.
5. 唐金榮,張宇軒,周俊林等 . 全球氦氣產業鏈分析與中國應對策略 [ J ] . 地質通報,2023,42(1):1-13
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