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NO.2508- 中國缺氦
文字：無刺王冠龍
校稿：辜漢膺 / 編輯：闆栗
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 "，會發現這裏面少了一個 " 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，并将其命名爲 " 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 · 帕爾米耶裏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 · 拉姆齊從钇鈾礦裏首次分離出 " 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隻有484 億 m3，而中國，正是一個非常缺氦的國家。
氦氣的廣泛用途
在元素周期表裏，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産物，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，氦作爲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顔色和光譜圖：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裏，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，被稱爲氦氣保護焊。
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、高新技術産業發展的
戰略性稀有氣體，被稱爲 " 黃金氣體 "
（液氦用于冷卻現代 MRI 掃描儀中的超導磁體 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。
儲量與産能高度集中
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
但全球能生産氦氣的國家卻很少
（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裏提取出來的，所以氦的生産和天然氣高度相關。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、卡塔爾、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▼
氦氣的生産格局也基本是這樣，美國、卡塔爾産量占全球的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，亞太地區的氦氣産量幾乎可以忽略不計。
！橫屏 -全球氦氣藏分布與産能格局示意圖（2022 年）▼
這裏面，美國無論是資源量還是産量，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％。
但老美産得多，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，卡塔爾的氦氣産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。
卡塔爾本就是天然氣大戶，又有美國設備的支持
在生産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，因爲氦氣提純的難度非常高，涉及一系列複雜技術，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 " 從天然氣裏提取出來，再對粗氦進行精制，以美國 AMGAS 在堪薩斯州 Lenexa 的氣田爲例，其 2022 年 8 月以來的天然氣日産量大約 2832m3，從裏面可以提取出 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
要實現自主生産暫時還得靠 LNG-BOG
（甯夏鹽池 BOG 提氦裝置區 圖：cigia.org.cn）▼
這條技術路線，又可以分爲 "深冷法" 和 "非低溫法"。
深冷法最爲經濟有效，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（這裏的 " 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，隻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，必須進行複雜的多級液化，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、工藝複雜，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，但是儲量與産能卻高度集中，提純、液化的技術門檻也很高，這就必然導緻供不應求。
中國缺氦，怎麽辦？
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、醫療技術和高科技産業的發展，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），約占全球氦氣産量的 14.4％，對外依存度 98.51％。 ( 2018 年全球産量 1.6 億立方米 )
2014-2021 年中國氦氣産量與進口量走勢圖▼
由于全球的産氦大國就那麽幾家，所以中國進口也沒啥選擇餘地，主要來自卡塔爾、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、岩谷産業株式會社、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，由于産量、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。
作爲替代，來自卡塔爾的氦氣彌補了美國的缺口，2021 年，卡塔爾對我國出口了 1684 萬ｍ３氦氣，占了 82％。
中國對卡塔爾氦氣依賴可以說是很嚴重了▼
但卡塔爾的氦氣價格偏高，技術與設備其實都來自美國，美國如果想的話，也一樣能卡住卡塔爾這條路。
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，爲了便于壟斷氣源，再加上自身産能不足，他們就長期限制對中國供貨。這些因素，都導緻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産▼
爲了應對缺氦難題，中國正在加強勘探工作和技術攻關，以提高氦氣的産量和提取效率。
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、塔裏木、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産能的主力勘探區。
中國的氦氣多爲油氣同源氦，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攻關階段。
國産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産化，卡在結構設計和絕熱材料上，要完全自主生産還要時間。
液氦到超流氦溫區大型低溫制冷系統
在 2021 年研制成功，實現整機系統全國産
（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，鑒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産能和态度。
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
（黑龍江駁船上生産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麽，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 . 全球氦氣産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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