瞭望丨中国科学院院士 张锁江：突破核心技术 加速氦气国产化
来源：2023-04-01 瞭望 2023年第14期
◇我国氦资源极其稀缺，据估计氦气资源总量约11亿立方米，其中可直接采收的总量约0.5亿立方米，不到全球储量的0.1%
◇研发面向低品位含氦天然气的低成本提取技术，开展提氦工程示范，对于提升我国对氦资源的利用率、降低氦气对外依存度、保障我国用氦安全具有重大战略意义
◇目前，全球范围内氦气唯一的工业化来源是从天然气中提取。我国已探明氦资源储地主要包括鄂尔多斯盆地、塔里木盆地、渭河盆地以及长庆气田等。如果能研发出贫氦天然气的高效低成本提取技术，使得上述氦气资源得到开发利用，可满足我国40%以上的需求
文 |《瞭望》新闻周刊记者 扈永顺
中国科学院过程工程研究所开发了面向低品位含氦天然气提取的分离膜组件（2023 年 3 月摄）受访者供图
氦气，一种无色、无臭、无味、无毒的惰性单原子气体，在地球上的含量极少，是不可再生的稀有气体资源。
同时，氦气也是关乎国家安全和经济命脉的战略性资源，在众多领域中都发挥着不可替代的作用。在高端装备制造中的半导体、液晶显示器和光纤领域用量最大，其次是医用核磁成像及低温超导设备、高端装备的气密性检查、超流体材料制备等领域。
我国对氦气需求量巨大，对外依存度超过95%。由于我国氦气藏品位低，且天然气是氦气唯一的工业化来源，提取技术尚不成熟，经济性较低。在中国科协公布的2022十大工程技术难题中，由中国科学院院士、中国科学院过程工程研究所所长、河南大学校长张锁江牵头提出的如何从低品位含氦天然气中提取氦气问题在列。
“研发面向低品位含氦天然气的低成本提取技术，开展提氦工程示范，对于提升我国对氦资源的利用率、降低氦气对外依存度、保障我国用氦安全具有重大战略意义。”张锁江在接受《瞭望》新闻周刊记者专访时表示。
氦气是战略储备资源
《瞭望》：氦气为什么如此重要？
张锁江：氦气是地球上沸点最低的气体，为零下268.9℃，在超导材料及制冷领域发挥着关键作用，能够使超导磁铁维持磁性，保证磁共振设备准确成像，以诊断脑肿瘤、中风、脊髓损伤、肝脏疾病和癌症等；还可维持大型粒子加速器的稳定运行，用于物质结构的研究；天文学家也利用液氦来冷却探测仪器，以避免热噪声的干扰，更准确地接收来自遥远星系的讯息。
氦气化学性质极不活泼，几乎不与任何物质反应，可用于原子反应堆和加速器、激光器、冶炼和焊接时的保护气体，在高端装备的气密性检查、航天发射和飞艇等领域也不可或缺。氦气很轻、无毒、不可燃烧，且难溶于水，可将氦气加到氧气中用于治疗气喘和窒息，并预防潜水员在上浮过程中极易发生的“减压症”；氦气也可以稀释易燃的麻醉剂；还可用于氩氦刀以治疗癌症。
此外，氦气还具有优异的导热性能，也使它成为半导体行业的必需品，可通过氦气控制热传递速率实现半导体芯片零部件制造过程的快速导热，提高生产率并减少缺陷。因此，氦气是一种非常重要的战略性资源。
《瞭望》：我国面临怎样的氦资源形势？
张锁江：氦资源在全球范围内分布极不均衡。美国是氦气藏量最丰富的国家，占世界总储量的40%以上；其次是卡塔尔、阿尔及利亚和俄罗斯。我国氦资源极其稀缺，据估计氦气资源总量约11亿立方米，其中可直接采收的总量约0.5亿立方米，不到全球储量的0.1%。
美国早在第一次世界大战时期，就开始重视氦气资源的保护与开发。20世纪70年代，西方国家曾把氦气列入对华禁运物资之一。美国于2007年将氦气定为战略储备资源，限制氦气产量，使其价格飙升；2018年进一步将氦气列入35种关键矿产目录。俄罗斯也在积极推动立法，将氦气作为重要战略资源。
我国是用氦大国，需求量居全球第二。从2012年到2022年，我国氦气年需求量从500万立方米增长到约2200万立方米，但95%依赖进口，国产仅5%。其中从卡塔尔进口量最多，占总进口量的50%以上。
目前，全球范围内氦气唯一的工业化来源是从天然气中提取。我国已探明氦资源储地主要包括鄂尔多斯盆地、塔里木盆地、渭河盆地以及长庆气田等。上述储地中天然气的含氦浓度普遍很低（0.1%～0.3%），工业开采利用面临诸多挑战。如果能研发出贫氦天然气的高效低成本提取技术，使得上述氦气资源得到开发利用，可满足我国40%以上的需求。
组合技术是重要方向
《瞭望》：当前氦气提取的主要技术和未来趋势是什么？
张锁江：低温精馏是当前天然气提氦的主流技术，其原理是利用天然气中不同气体组分的临界温度差异而实现分离，即先将天然气逐级冷凝到约-190℃获得纯度为70%～90%的粗氦，再进一步通过低温精馏将粗氦提纯为99.999%的高纯氦气。因为工艺相对简单、技术较为成熟，成为当前应用最为广泛的提氦方法。据统计，美国14套天然气提氦装置中，有12套采用低温精馏工艺。
中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司采用低温精馏工艺，在四川威远建成提氦试验1号装置，从含氦0.18%的天然气中获得纯度为99.999%的氦，产能2万立方米/年。2017年起中国科学院理化技术研究所联合相关企业，采用低温精馏结合低温液化等技术，从液化天然气闪蒸气（LNG-BOG）中提取氦气，于2020年7月研制出国内首套LNG-BOG提氦、液化装备，应用于宁夏盐池某天然气液化厂。
低温精馏法提氦产品纯度和回收率较高，但生产成本高、设备投资大、能耗高。近年来，各相关单位分别通过优化制冷工艺和设备来降低能耗，从而提升低温精馏提氦技术的效率。为进一步提高提氦的经济性，多种新技术的组合成为推动天然气提氦工艺升级的重要趋势。如将低温精馏法与膜分离法耦合、低温精馏法与变压吸附法耦合等，大幅降低了设备投资费用和分离能耗。特别是与膜分离技术的耦合显示了独特的优势，膜分离是一种绿色可持续的无相变分离技术，具有成本低、能效高、占地面积小且操作维护简单等优点。
膜分离技术是在压力差的驱动下，利用混合气体通过气体分离膜时渗透速率的不同，实现各组分的分离及氦气的提取。需要说明的是，单纯采用膜分离技术，其经济性受限，需与低温精馏等技术耦合才能获得更好的提氦效果，即先将贫氦天然气通过膜富集到80%左右的粗氦，再通过低温精馏等技术耦合获得高纯氦，同时兼具技术可行和经济效益的优势。针对我国天然气藏普遍品位低的现状，研发膜分离与低温精馏/低温吸附耦合技术，是未来天然气提氦的重要发展方向。
正进行膜分离与低温吸附耦合技术攻关
《瞭望》：膜分离技术的研发有哪些难点？
张锁江：从天然气提氦膜技术的研发过程看，包括高性能膜材料的设计与制备、气体分离膜组件研制和膜分离系统集成三个部分。
膜分离技术的核心是膜材料。高性能的膜材料应当同时满足在一定条件下让更多的氦气优先通过，且使尽量少的杂质气体通过。目前性能优异的高端气体分离膜材料多被国外公司垄断，开发具有自主知识产权的膜材料及膜分离工艺是未来发展的关键所在。
当前高性能氦气分离膜材料的开发面临三个挑战：一是气体分离膜材料受通量和选择性相互制约效应的影响，开发兼具高渗透性和高选择性的膜材料极具挑战；二是克服聚合物膜材料因轻烃和重烃等可凝气体的溶解而导致的塑化效应；三是消除聚合物膜材料长时间运行过程中的老化问题。目前的高分子膜材料主要依靠链段无规则堆积形成的微孔进行分离，未来如何实现对孔结构精准调控以实现对氦气的精准筛分，是制备高性能氦气分离膜的关键所在，一些新型晶体结构材料和仿生设计方法的引入为其提供了可能。
在气体分离膜组件方面，中空纤维膜是一种具有自支撑结构的非对称膜，相比卷式膜和平板膜等形式的气体分离膜组件，其具有在相同占地面积下更大的有效膜面积。由于受膜材料、纺丝工艺和后处理等多种因素的影响，应用于天然气提氦的中空纤维膜的大规模无缺陷制备仍然是亟待解决的难题。为避免产生缺陷，需要对纺丝工艺及膜丝后处理等环节进行严格控制。因此，无缺陷、高稳定性中空纤维膜的自动化、智能化制备技术应是未来重点突破的方向。
在膜分离系统集成方面，需对膜分离工艺以及其与低温技术耦合工艺等进行系统集成和优化，以降低设备投资成本和运行成本。不同气源条件的复杂性，对天然气提氦的工艺集成系统提出了更高的要求。未来，需发展过程模拟优化设计软件，系统考察不同工况对氦气纯度和回收率的影响规律，优化提氦集成工艺参数，为贫氦天然气提氦大规模工程化应用提供系统解决方案。
《瞭望》：你带领团队在膜分离技术研发方面有哪些进展？
张锁江：中国科学院过程工程研究所针对我国氦气藏品位低、提取难度大的问题，开发了性能优异的国产化氦气分离膜材料，并开发出中空纤维氦气分离膜组件，表现出良好的效果。近期，与中国石油化工股份有限公司北京化工研究院合作，开发了面向LNG-BOG的新型氦气分离膜材料及中空纤维膜组件，并与变压吸附、低温精馏技术耦合，依托中石化重庆涪陵某集气站的LNG-BOG富氦物流建设了提氦中试装置，运行效果良好。目前，在中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划的支持下，正在开展面向贫氦天然气的膜分离与低温吸附耦合技术攻关，以期突破关键核心技术和整套分离工艺。
低品位天然气提氦是一项涉及化工、材料、物理等多学科的系统工程，技术突破任重道远。为此，需要不断创新体制机制，加强产学研持续合力攻关，加快实验室成果的中试及示范。从资源循环利用的角度看，还要加强使用后氦气的回收循环利用，需出台政策法规，加强管理，切实提高氦气的回收利用率，为保障我国氦气资源安全提供有力支撑。
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