氦气：一种被忽视的稀缺资源

中国科学院西北生态环境资源研究院研究员 李立武

文/胡月

氦气是发展航天、国防军工、潜艇、核能、电子工业和高科技不可缺少的重要气体,在核磁共振成像等医疗产业和氦气球高空大气观测等科学研究领域不可或缺。

氦气资源作为不可替代的战略稀缺资源,近年来,世界范围对于氦气的需求以平均每年增长大约10%的速度在发展。我国近年来氦的需求年均增长率高达16%,目前我国的氦气95%以上依赖进口。

美国是第一大氦气生产国,由于近年来美国氦气产量减少,且优先供应美国国内,氦气价格高涨。为了打破国外氦气供应的垄断和封锁,满足我国氦气需求,促进氦气产业链的形成和发展,开展氦气资源的研究、勘探和开发具有重要而深远的意义。

在元素周期表中,氦排在第二位,原子核内有2个质子,核外有两个电子。原子核内含1个或2个中子,相对应的有3He和4He两种稳定同位素。常压下氦的沸点是4.2 ﻪK,氦气是最难液化的气体。氦原子核外电子达到饱和,很难与其他原子形成化合物。氦气具有化学惰性,在地质作用过程中,氦气的化学组成及其同位素组成的变化不受各种化学反应的影响,而主要取决于吸附、溶解、俘获、扩散及核反应等物理过程,当然,如果与氦气共存的其他组分受化学反应的影响发生变化,氦气的相对含量将发生相应变化,这种变化并非氦气本身与其他物质的化学反应引起。氦气在各种天然物质中的含量低,物理过程产生的各种效应突出。

空气中,氦气的体积浓度约为0.0005%,常规天然气中氦气的体积浓度在0.0001% - 1 %之间,多数处于0.001% - ﻪ0.5%之间。温泉气或水溶气中氦气含量有时候很高,体积浓度甚至可以达到5%以上。液化天然气的副产品BOG中氦气的体积浓度也可以达到百分之几。

氦气也具有流体和气体的一般性质,在地球各圈层中流动。地球形成过程中包裹在地球内部的氦,地球内部铀、钍等放射性物质衰变产生的氦,在向地表运移过程中,溶解于其他流体或与之混合,随着压力和温度的降低,形成游离气、吸附气、溶解气或流体包裹体等。

氦气成藏过程和常规天然气一样,需要生成、运移、聚集和保存,在天然气聚集成藏过程中,赋存于天然气中的氦气也同样聚集成藏,只不过由于氦分子小,渗透和扩散能力强,在同样的封盖条件下,更容易散失,这种散失在工业天然气藏中作用有限。而依靠压差运移的天然气,其中的氦气分子被其他气体分子粘滞在一起流动,含量基本不会改变。

天然气体中的氦是否具有工业开采价值,与天然气体的可采储量、产能和其中氦的含量有关,也与技术水平和市场有关。过去的研究认为,天然气中氦的体积含量达到0.1%以上,就具有工业开采价值。随着技术的进步和氦气价格的上涨,目前有人认为,天然气中氦的体积含量达到0.05%以上,就具有工业开采价值。

某些温泉气和水溶气中氦含量达到百分之几,远高于0.1%的标准,而是否具有工业开采价值,要运用包括地质技术在内的多种方法,评估其总储量是否满足开采要求,日产量是否满足氦气生产装置和市场的需求。天然气中氦的含量较某些温泉气和水溶气中的低,但从已经开采的天然气中提取氦气,不需要考虑储量的问题,只需要考虑氦含量是否满足氦气生产装置的要求,供气量是否满足市场的要求等问题。

从天然气中提取工业氦气仍然是最为成熟和有效的方法。天然气中氦的含量与甲烷等烃类气体的含量具有一定的反相关性:氦生成条件不变的情况下,甲烷等烃类气体储量越大,氦的含量就越低。对于大型和特大型天然气田,虽然天然气中氦的含量较低,但总量不一定低,在技术和经济条件允许的情况下,从中提取氦气,原料气丰富,具有广阔的前景。

天然气体中氦含量的检测是一项基础性的工作。用于检测氦含量的天然气体样品,其采集、运输和储存等环节比检测常规组分的要严格得多。氦的分子小,容易扩散和渗透,在采集、运输、储存和检测过程中,要尽量避免散失。气体组分通常用气相色谱法检测,而氦气往往作为气相色谱仪的载气,以往天然气组分的检测没有重视氦含量的数据,一些已发表的天然气组分不包含氦含量的数据,或者氦含量的数据存在较大误差,误差来源较多。因此,利用已发表的氦气含量数据时,需对其可靠性进行判断。

氦气产品可分为普氦、纯氦、高纯氦和超纯氦等,从天然气体中提取氦,生产普氦,进一步提纯,达到纯氦、高纯氦乃至超纯氦,必要时液化为液氦。由于我国的氦气主要依赖进口,氦气产业链的形成和发展,将改变这种受制于人的局面,对于天然气综合高效利用和相关科学技术的发展具有重要意义。

另外,循环经济也是低碳经济的重要方面,在工业生产、科学研究和商业活动中消耗了大量的氦气,如何回收,加强氦气的循环利用,也是一项重要的课题。