氦氣全球市場及我國氦氣安全保障的建議

張亮亮，孫慶國，劉巖云，邱小林，江延明

（航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028）

·綜述評論·

氦氣全球市場及我國氦氣安全保障的建議

張亮亮，孫慶國，劉巖云，邱小林，江延明

（航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028）

介紹了氦氣資源在全球的分布及當(dāng)今全球氦氣生產(chǎn)情況，評估了各主要氦氣供應(yīng)國的生產(chǎn)情況和供應(yīng)能力，分析了國際氦氣市場的供應(yīng)格局。結(jié)合我國氦氣的產(chǎn)能情況，提出了我國氦氣安全保障的建議。

氦氣；全球市場；供應(yīng)；安全；建議

氦（He）在整個宇宙中是含量僅次于氫的氣體，按質(zhì)量計達(dá)23%。但氦在地球中含量極少，空氣中氦的含量僅為5×10－6，不具備工業(yè)提取價值，因此從富氦天然氣中提取是目前唯一的獲取氦的方法。

氦氣的許多特殊性質(zhì)決定了它在很多領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用。氦氣是僅次于氫的第二輕的氣體，且不可燃，是用做氣球飛艇等載氣的理想氣體；氦氣的分子尺寸最小，可用做檢漏；氦具有非常高的比熱和導(dǎo)熱性能，可在光纖生產(chǎn)中做氣態(tài)冷卻介質(zhì)；氦氣具有較低的溶解性，可用作深海潛水的呼吸氣；氦氣的沸點(diǎn)最低，是低溫超導(dǎo)領(lǐng)域的必須介質(zhì)。由于氦氣的低沸點(diǎn)及惰性，氦氣在以液氫為燃料的航天運(yùn)載火箭發(fā)射工程中被廣泛用于管路安全置換、火箭貯箱安全置換和飛行過程中火箭貯箱的增壓補(bǔ)氣以及部分低溫部件的安全吹除。

1 氦氣全球市場

1.1 世界范圍內(nèi)氦氣資源分布

氦氣資源在世界范圍內(nèi)的分布非常不平均，美國是世界上氦資源最豐富的國家，雖然已大規(guī)模開采60多年，但氦氣藏量仍占世界總儲量的40%以上。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局2009年的調(diào)查報告：美國、阿爾及利亞、卡塔爾和俄羅斯擁有世界89%的氦資源。美國的氦氣資源預(yù)計約200億m3，卡塔爾100億m3，阿爾及利亞82億m3，俄羅斯68億m3，加拿大20億m3，中國11億m3，波蘭3億m3。而截至到2010年，已探明的剩余氦氣儲量，美國為40億m3，阿爾及利亞為18億m3，俄羅斯為17億m3，波蘭為0.33億m3［1］。

世界范圍內(nèi)氦氣資源的品質(zhì)差異也非常大，世界氦產(chǎn)量最大的美國中東部地區(qū)的天然氣中氦氣平均含量約為0.8%，個別天然氣田中高達(dá)7.5%，而國內(nèi)現(xiàn)有的天然氣田的天然氣氦含量極低，屬貧氦天然氣，氮含量最高的威遠(yuǎn)天然氣田氦含量也僅為0.2%。

1.2 全球氦氣生產(chǎn)情況

目前，美國仍是世界上最大的氦氣生產(chǎn)和供應(yīng)國，其次為阿爾及利亞、卡塔爾、俄羅斯和波蘭（上述五國被稱為氦五國）。其他國家目前尚無對外商品化輸出氦氣的能力。表1是2011年及2012年全球主要氦氣生產(chǎn)國氦氣產(chǎn)量［2］。從表中數(shù)據(jù)來看，目前全球氦氣生產(chǎn)總量中，美國占76%，阿爾及利亞占11%，卡塔爾占7%，俄羅斯和波蘭分別占4%和2%。

表1 世界各國氦氣產(chǎn)出情況Table 1 Helium production in the world

世界范圍內(nèi)氦氣的產(chǎn)能是充足的，2010年12月數(shù)據(jù)顯示，全球A級氦氣產(chǎn)能約為2.47億m3/a，其中美國產(chǎn)能1.77億m3/a。此外，世界范圍內(nèi)陸續(xù)有新裝置投入建設(shè)或計劃投產(chǎn)。美國2009年投產(chǎn)氦裝置一套，2010年有2套新裝置開工建設(shè)。德國林德氣體公司在澳大利亞的430萬m3氦氣生產(chǎn)裝置于2010年3月宣布正式投入生產(chǎn)?？ㄋ?003年開始生產(chǎn)氦氣，當(dāng)時原工廠即卡塔爾一期授予法國液化空氣公司和德國林德公司該工廠年產(chǎn)2000萬m3氦氣的權(quán)利。而新的卡塔爾二期項(xiàng)目具有3800萬m3/a的生產(chǎn)能力，預(yù)計新工廠將于2013年開始運(yùn)營（有報道稱法液空已經(jīng)啟用了該裝置），合同有效期為20 a。俄羅斯也有計劃在東西伯利亞和遠(yuǎn)東地區(qū)建立新的現(xiàn)代化的氦氣生產(chǎn)工廠，根據(jù)聯(lián)邦能源部的評估，科維克京區(qū)塊天然氣儲量大，天然氣中氦氣含量高達(dá)0.22%～0.26%，是東西伯利亞氦氣開采項(xiàng)目中條件較為成熟的［3］。

目前全球氦氣的產(chǎn)量遠(yuǎn)未達(dá)到評估預(yù)期，全球氦氣市場出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面，這是由多方面原因造成的。首先，美國限制了對新區(qū)塊的開發(fā)以及老區(qū)塊資源的枯竭，使得美國的氦氣產(chǎn)量出現(xiàn)衰退的趨勢，依據(jù)美國內(nèi)政部陸地資源管理局（BLM）氦氣辦公室的統(tǒng)計報告，美國除了兩大主要的富氦的天然氣田外（懷俄明州西南的Riley Ridge氣田和從堪薩斯州西南到奧克拉荷馬州與德克薩斯州的Hugoton氣田），其他大部分富氦的天然氣田，如西弗吉尼亞州的Panoma氣田，在2000年后已進(jìn)入氣田開發(fā)的衰竭期。隨著這些氣田的耗盡，未來氦的生產(chǎn)將可能轉(zhuǎn)向從貧氦天然氣資源中提取。目前，美國現(xiàn)有的22套氦提取裝置也只有19套開工生產(chǎn)。其次，全球其他各國的氦供應(yīng)能力不足。有資料稱，盡管阿爾及利亞的氦資源開采量估計在1.50 ×108m3/a，但實(shí)際的氦生產(chǎn)量不足0.25×108m3/ a，不足其可開采量的20%，氦氣供應(yīng)能力嚴(yán)重不足。此外，一些氦裝置有可能因?yàn)楣收蠙z修或其它因素（如工人罷工、季節(jié)性停工）停車，導(dǎo)致生產(chǎn)能力下降，例如阿爾及利亞的Skikda和卡塔爾的氦工廠曾因爆炸或CO2堵塞事故而大規(guī)模減產(chǎn)，導(dǎo)致了局部地區(qū)氦氣供應(yīng)情況出現(xiàn)波動［4］。

1.3 全球氦氣供應(yīng)格局

圖1為2008年世界氦供求圖［1］，該年全球氦市場1.84億m3，（約21億美元），其中美國市場0.81億m3，約占44%，歐洲市場0.48億m3，約占26%，亞洲市場0.42億m3，約占23%（主要是日本）。

在氦五國中，波蘭是一個老牌氦供應(yīng)國，波蘭的氦業(yè)務(wù)目前由Linde負(fù)責(zé)，近年來每年向世界供應(yīng)氦氣約為300萬m3，主要供應(yīng)歐洲市場。俄羅斯近年來每年開采的氦氣量達(dá)500萬～600萬m3，而需求僅為100萬m3，剩余部分液化后一直以來主要供應(yīng)西歐，直到2011年2月，俄羅斯第一罐氦運(yùn)到韓國釜山港，標(biāo)志著俄羅斯開始供應(yīng)亞洲市場，這增加了俄羅斯對亞洲市場的競爭力，同時加快了俄羅斯開發(fā)西伯利亞和遠(yuǎn)東地區(qū)含氦天然氣的規(guī)劃?？ㄋ柺呛の鍑凶钔黹_始供應(yīng)氦的國家，但具有強(qiáng)大的潛力，卡塔爾平均每年向世界供應(yīng)氦氣1120萬m3，近年供應(yīng)量約為1 500萬m3/a，2011年占氦五國供應(yīng)量的7%。目前卡塔爾生產(chǎn)的氦主要出口到太平洋地區(qū)。報道稱2013年法液空負(fù)責(zé)的卡塔爾二號工廠（總產(chǎn)能3 800 m3/a，法液空負(fù)責(zé)50%份額）已經(jīng)投入運(yùn)行，卡塔爾的氦氣產(chǎn)能已經(jīng)超過阿爾及利亞成為現(xiàn)今世界第二大氦生產(chǎn)國和供應(yīng)國，占目前世界氦產(chǎn)能的25%。阿爾及利亞是僅次于美國的氦供應(yīng)國，從1995年開始，阿爾及利亞開始向世界供應(yīng)氦，近年來阿爾及利亞的供應(yīng)能力從1 520萬m3提升為2 000萬m3，約占氦五國總供應(yīng)量的11%。阿爾及利亞生產(chǎn)的氦氣主要供應(yīng)歐洲市場。

圖1 2008年世界氦氣供應(yīng)圖[1]Fig.1 Helium supply and demand of the world in 2008

在氦五國中美國一直是最大的生產(chǎn)國和供應(yīng)國，在國際氦氣市場上擁有絕對的話語權(quán)。近年來美國每年向世界供應(yīng)約1.3億～1.4億m3氦氣，隨著國內(nèi)市場的萎縮，美國氦氣出口量在2008年首次超過國內(nèi)供應(yīng)量并一直保持增長趨勢。美國生產(chǎn)的氦氣供應(yīng)全球市場，主要供應(yīng)亞洲，歐洲及美洲市場［5］。

2 國內(nèi)氦氣供應(yīng)情況

與美國等國家相比，我國現(xiàn)有天然氣中氦含量極低，屬貧氦天然氣，在國內(nèi)設(shè)立天然氣提氦生產(chǎn)廠經(jīng)濟(jì)條件不成熟。為保障國防、軍工氦氣需求，成都天然氣化工總廠建造了國內(nèi)唯一一套天然氣提氦裝置，該裝置利用四川自貢威遠(yuǎn)的天然氣提取進(jìn)行提氦。由于天然氣中氦含量偏低（0.2%），成化廠制備精氦的成本高于國外精氦的銷售價格。但成化廠提氦裝置的建立使我國具備了自主生產(chǎn)氦氣的能力。為進(jìn)一步提高我國國防軍工用氦的保障能力，投資約1.1億元的榮縣天然氣提氦裝置于2010年6月在榮縣東興鎮(zhèn)正式開工建設(shè)。中石油西南油氣田分公司下屬的蜀南氣礦和成都天然氣化工總廠為項(xiàng)目實(shí)施業(yè)主。

由于我國氦資源蘊(yùn)藏量少，品質(zhì)差，造成我國的氦氣不僅產(chǎn)量低，而且提取成本高。除成化廠自產(chǎn)的氦氣外，我國大部分氦氣主要依賴進(jìn)口，由跨國公司普萊克斯、空氣產(chǎn)品、林德、法液空、巖谷氣體等控制。國內(nèi)供應(yīng)商所占的份額很少，且以外資企業(yè)和合資企業(yè)為主，氦氣供應(yīng)渠道缺乏保障。根據(jù)海關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國2005年進(jìn)口氦氣達(dá)到200萬m3，2012年進(jìn)口的氦氣總量達(dá)到500萬m3，并且以每年8%速度增長。

3 我國氦氣安全保障的建議

針對國內(nèi)氦氣資源匱乏，氦氣產(chǎn)量嚴(yán)重不足的現(xiàn)狀和國際市場氦氣供需矛盾不斷加劇的趨勢，國內(nèi)氦氣安全供應(yīng)及保障應(yīng)采取如下策略應(yīng)對。

3.1 構(gòu)建多元化的供應(yīng)體系

我國氦氣供應(yīng)應(yīng)盡早擺脫一邊倒格局，構(gòu)建多元化的供應(yīng)體系。目前，國內(nèi)進(jìn)口氦氣供應(yīng)商空氣產(chǎn)品、法液空、林德和普萊克斯等公司雖屬于不同國家的企業(yè)，但氦氣的源頭主要還是美國，國內(nèi)氦氣供應(yīng)呈現(xiàn)一邊倒的格局。同為東亞市場的日本也曾面臨過相同的問題，由于上世紀(jì)日本電子產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，氦氣需求增長也非?？臁Ｈ毡镜暮膺M(jìn)口幾乎全部依賴于美國，相關(guān)產(chǎn)業(yè)受氦氣供應(yīng)價格和政策變化的沖擊明顯。為了擺脫這種局面，2006年日本開始從卡塔爾進(jìn)口氦氣，謀求改變氦供應(yīng)上受制于美國的現(xiàn)狀。由于卡塔爾新一期氦氣提取裝置的運(yùn)行，中東地區(qū)將成為世界氦供應(yīng)的另一個重要源頭，考慮到卡塔爾的氦氣儲量，未來卡塔爾在世界氦氣市場中的地位將不斷提高，因此，中國應(yīng)逐步建立從卡塔爾進(jìn)口氦的渠道，加大從中東地區(qū)輸入氦氣的比例。另一方面，澳大利亞達(dá)爾文也有新的氦提取裝置運(yùn)行，雖然產(chǎn)量遠(yuǎn)不及美國及卡塔爾的產(chǎn)量，但澳大利亞到中國的海上運(yùn)輸通道暢通，因此澳大利亞也可作為我國氦進(jìn)口的來源之一。多元化的供應(yīng)體系將降低我國氦供應(yīng)的風(fēng)險，使我國在面對國際市場變化時采取更從容的應(yīng)對措施。

3.2 加強(qiáng)開發(fā)合作

加強(qiáng)與俄羅斯在遠(yuǎn)東地區(qū)的開發(fā)合作，獲得在俄羅斯的氦氣優(yōu)先購買權(quán)利。俄羅斯作為歐洲市場氦供應(yīng)商每年向歐洲供應(yīng)約400萬～500萬m3氦氣，近年來已開始向韓國供應(yīng)氦。雖然俄羅斯的氦產(chǎn)量不高，但俄羅斯的氦資源儲量非常巨大，據(jù)俄羅斯測算，東西伯利亞和雅庫特地區(qū)集中了世界氦氣儲量的30%，同時這一地區(qū)生產(chǎn)的天然氣中氦的含量非常高，達(dá)到0.15%～0.6%，具有工業(yè)提取價值。考慮到中國與俄羅斯建立的戰(zhàn)略協(xié)作關(guān)系和俄羅斯國家政策相對歐美國家的獨(dú)立性，中國從俄羅斯進(jìn)口氦應(yīng)成為未來中國氦保障的一個重要方向。以天然氣方式從俄羅斯獲得氦無疑對中國來說是一舉兩得的方案。但隨著全球氦氣市場供應(yīng)萎縮，俄羅斯看到了成為氦氣主要供應(yīng)商的商業(yè)機(jī)會。俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司（Gazprom）積極推動的聯(lián)邦法律《氦法》和聯(lián)邦規(guī)劃《俄羅斯的氦》以及俄聯(lián)邦政府高層委托俄聯(lián)邦能源部起草的《提高俄羅斯液化天然氣產(chǎn)量綱要》一旦實(shí)施就將徹底封死中國以天然氣方式從俄羅斯獲得氦的設(shè)想［6］。Gazprom同時認(rèn)為，提高俄羅斯氦氣產(chǎn)量的出路是在東西伯利亞和遠(yuǎn)東地區(qū)建立新的現(xiàn)代化的氦氣生產(chǎn)工廠。在俄羅斯資金缺乏的情況下，中國進(jìn)行投資與俄羅斯共同開發(fā)遠(yuǎn)東地區(qū)氦資源，俄羅斯給予中國一定產(chǎn)品份額購買權(quán)的合作方案無疑對中俄雙方是雙贏的局面。

3.3 開展氦儲備工作

目前，國內(nèi)的氦氣產(chǎn)能嚴(yán)重不足，國際市場又被少數(shù)國家壟斷，氦氣價格一直快速增長，中國每年進(jìn)口氦氣經(jīng)濟(jì)代價非常高昂。商品價格可以用金錢來衡量，如有必要，可以不惜成本進(jìn)口，但氦資源作為一種戰(zhàn)略物資無法單純利用市場規(guī)律來考量。由于氦氣在低溫及航天發(fā)射領(lǐng)域的不可替代性，在國際形勢突變的特殊情況下，國際氦氣貿(mào)易市場就將成為敏感度極高的地帶，西方國家極有可能聯(lián)合起來重新實(shí)施物資禁運(yùn)。為保障特殊國際形勢下國防安全及國家重大戰(zhàn)略計劃的順利進(jìn)行，開展氦氣儲備工作就成為保障特殊國際形勢下軍事任務(wù)及國家重大科研試驗(yàn)任務(wù)的必要手段。

3.4 發(fā)展廢氦提純技術(shù)

發(fā)展廢氦提純技術(shù)，加強(qiáng)氦氣資源回收利用。目前國內(nèi)氦氣應(yīng)用領(lǐng)域中除作為飛艇載氣的氦氣回收外，其它領(lǐng)域使用的氦氣均沒有回收利用［7］。氦氣回收利用未大量普及的原因一方面是很多行業(yè)受現(xiàn)場工況制約，無法完成廢氦的收集，另一方面很多行業(yè)廢氦氣成分復(fù)雜，回收提純的成本要遠(yuǎn)高于直接購買新的氦氣，導(dǎo)致企業(yè)回收利用廢氦的驅(qū)動力不足。諾貝爾獎獲得者羅伯特·理查森認(rèn)為只有當(dāng)前的氦氣價格提高二十至五十倍，才能表明氦所具有的價值，從而提高人們回收利用氦資源的積極性。氦作為一種不可再生資源，其重要性已隨著消耗量的不斷增加及全球氦資源儲采比的下降不斷凸顯。研制新型高效的純化設(shè)備，開發(fā)低成本的純化工藝不僅可以降低企業(yè)用氦的成本，而且可以減少氦氣的整體需求量。我國是一個貧氦國家，氦氣主要依靠進(jìn)口，因此氦資源的回收循環(huán)利用對我國氦供給安全具有非常重大的意義。

3.5 開發(fā)先進(jìn)提氦技術(shù)

開發(fā)先進(jìn)提氦技術(shù)，提高資源的利用率。我國氦氣資源貧乏，含量低，提取難度大，成本高。原有的天然氣提氦技術(shù)中，主要采用低溫冷凝法將氦氣從天然氣中分離出來，由于氦氣的液化點(diǎn)遠(yuǎn)低于天然氣，因此液化天然氣是提氦工業(yè)的副產(chǎn)物，一般天然氣中氦氣含量高于0.15%就具有了工業(yè)提取價值。而我國的天然氣中氦氣含量往往只有幾十或幾百個ppm（10－6），不具備工業(yè)提取的價值。近年來，液化天然氣（LNG）產(chǎn)業(yè)興起，僅我國內(nèi)地就已建有多套日處理量100萬m3天然氣的LNG站。在LNG生產(chǎn)過程中，由于天然氣被冷凝，作為雜質(zhì)的氦氣在氣相中被富集起來，濃度可較原料氣中提高上百倍，甚至可以高于1%的濃度，遠(yuǎn)高于工業(yè)提取設(shè)定的參考線。據(jù)估算，如尾氣中氦氣濃度達(dá)到3%，一套日處理量100萬m3的LNG裝置每年氦氣產(chǎn)量就可以達(dá)到10萬m3。因此研究如何從液化天然氣不凝尾氣中提取氦氣的技術(shù)對于我國氦氣產(chǎn)業(yè)將產(chǎn)生變革性的影響，對于提高我國氦氣生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性、保障國家氦氣供應(yīng)安全和促進(jìn)國內(nèi)提氦技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

4 結(jié) 語

由于氦氣的稀有性、不可再生性、資源分布的嚴(yán)重不平衡性，以及工業(yè)、軍事、醫(yī)療、航天等領(lǐng)域?qū)獾囊蕾囆?，氦氣已成為一種重要戰(zhàn)略資源。從當(dāng)前國際氦市場的供需情況及氦供應(yīng)國的生產(chǎn)情況分析，氦氣價格持續(xù)上漲是必然趨勢。未來氦氣資源很有可能成為氦氣供應(yīng)國實(shí)施貿(mào)易戰(zhàn)的依仗。從我國國情出發(fā)，只有實(shí)施針對性的策略，建立國家性質(zhì)的氦氣保障體制，才能降低國際氦氣貿(mào)易市場波動時對我國正常經(jīng)濟(jì)建設(shè)、科研試驗(yàn)任務(wù)及航天等軍事任務(wù)所受的影響，保障國家的戰(zhàn)略安全。

［1］張寧，胡忠軍，李青.全球氦供求形勢及其回收利用［J］.低溫與特氣，2010，28（6）：1-6.

［2］HAMAK John E.Mineral Commodity Summaries 2010-2013-Helium［EB/OL］.United States：United States Geological Survey.（1995-2013）［2013-09-15］.http：//minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/helium/index. html.

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Global M arket of Helium And Suggestion For Helium Supply Security of China

ZHANG Liangliang，SUN Qingguo，LIU Yanyun，QIU Xiaolin，JIANG Yanming
（State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenic Propellants，Beijing 100028，China）

This text introduced helium resource distribution and present global helium production situation in the world. Moreover，the production and supply capacity of themajor suppliers of helium was evaluated，and the international helium supply marketwas analyzed.Combined with Chinese helium production situation，some suggestions for Chinese helium supply security were put forward.

helium；globalmarket；supply；security；suggestion

TQ117

A

1007-7804（2014）03-0001-05

10.3969/j.issn.1007-7804.2014.03.001

張亮亮（1985），男，滿族，博士，畢業(yè)于北京化工大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)為航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在站博士后，從事低溫技術(shù)與供氣領(lǐng)域研究工作。

2014-03-21