淺析氦氣消耗與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系

孫慶國(guó)，邱一男，張曉萍，陳 強(qiáng)

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

1 前 言

氦氣(He)是一種賦存于少數(shù)天然氣田中的稀缺礦產(chǎn)資源，為天然氣田中的少量成分，無(wú)法單獨(dú)開采，只能作為副產(chǎn)品隨天然氣的開采獲得。全球氦氣資源約519億 m3，在世界范圍內(nèi)的分布非常不均勻。美國(guó)、卡塔爾、俄羅斯、阿爾及利亞、澳大利亞等天然氣資源大國(guó)同時(shí)擁有全球90%的氦資源，其中美國(guó)占40%以上。而我國(guó)屬于貧氦國(guó)，所需氦氣幾乎依賴進(jìn)口[1]。

氦氣因其惰性、低密度、低沸點(diǎn)、高導(dǎo)熱性、小分子、大氣中超低含量、高電離能等性質(zhì)而被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)、科研及軍事等重要領(lǐng)域，其中包括航空器浮空、檢漏、光纖生產(chǎn)、半導(dǎo)體生產(chǎn)、深潛呼吸、色質(zhì)譜儀載氣、低溫超導(dǎo)、航天等重要領(lǐng)域，且具有不可替代性。氦氣的性質(zhì)與應(yīng)用領(lǐng)域如表1所示。

氦資源在全球分布的不均勻性、在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要性及不可替代性決定了氦氣的戰(zhàn)略資源地位，其消耗情況與經(jīng)濟(jì)發(fā)展走勢(shì)之間必然存在著緊密的關(guān)聯(lián)。通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外歷年氦氣消耗量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的密切關(guān)系，揭示了氦氣消耗與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的內(nèi)在聯(lián)系與規(guī)律。在此基礎(chǔ)上分析我國(guó)潛在的氦資源與開發(fā)前景，提出了從政策層面、技術(shù)層面和戰(zhàn)略層面加快推進(jìn)構(gòu)建我國(guó)氦氣保障抗風(fēng)險(xiǎn)體系的建議。

表1 氦氣的性質(zhì)與應(yīng)用領(lǐng)域

2 美國(guó)氦氣消耗與經(jīng)濟(jì)走勢(shì)

1933年羅斯福上臺(tái)后，為了使美國(guó)擺脫經(jīng)濟(jì)危機(jī)，開始實(shí)行多種新政，通過(guò)采取一系列的措施加強(qiáng)政府對(duì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的干預(yù)，利用財(cái)政、金融手段對(duì)宏觀經(jīng)濟(jì)進(jìn)行調(diào)控，為美國(guó)在“二戰(zhàn)”后成為最強(qiáng)大的國(guó)家打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！岸?zhàn)”期間美國(guó)為盟國(guó)生產(chǎn)大量軍火，軍需品以每年翻一番的速度增長(zhǎng)，從而帶動(dòng)了工業(yè)全面的恢復(fù)和增長(zhǎng)，1944年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值比1940年增長(zhǎng)了1倍。

二戰(zhàn)以后美國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展大致可以分為以下4個(gè)階段：第1階段二戰(zhàn)以后到60年代末，經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定高速發(fā)展階段；第2階段20世紀(jì)70年代，經(jīng)濟(jì)“滯脹”期；第3階段20世紀(jì)80年代，經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇期；第4階段 20世紀(jì)90年代，新一輪的經(jīng)濟(jì)擴(kuò)張和繁榮；第5階段21世紀(jì)初期，一路上行的發(fā)展勢(shì)頭遭受2008年經(jīng)濟(jì)危機(jī)的重創(chuàng)，危機(jī)后經(jīng)過(guò)幾年的調(diào)整，經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)了緩慢持續(xù)的復(fù)蘇，但在短期內(nèi)難以有較快的增長(zhǎng)勢(shì)頭。

美國(guó)始終是世界第一大氦氣消耗國(guó)和生產(chǎn)國(guó)，上世紀(jì)30年代末美國(guó)率先開始從天然氣提氦并發(fā)現(xiàn)了大型含氦氣田，其近百年來(lái)的氦氣消耗量走勢(shì)與其各階段的經(jīng)濟(jì)走勢(shì)有著緊密的關(guān)聯(lián)。據(jù)美國(guó)土地管理局(BLM)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從19世紀(jì)30年代末至今美國(guó)歷年的氦氣消耗走勢(shì)如圖1所示[2-3]。

圖1 美國(guó)氦氣年消耗量的走勢(shì)圖

二戰(zhàn)期間氦氣被廣泛應(yīng)用于反潛巡邏飛艇充氣和氣象氣球以及用于各種醫(yī)療用途，并用于飛機(jī)制造所需的金屬焊接，氦氣的需求量急速增長(zhǎng)。在戰(zhàn)爭(zhēng)需求的牽引下，美國(guó)氦氣年產(chǎn)能力最高達(dá)680萬(wàn)m3，戰(zhàn)后則處于低谷。

朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)及隨后的冷戰(zhàn)加劇，美國(guó)氦氣年消耗量由1950年的230萬(wàn) m3增加到1966年的2700萬(wàn) m3，到60年代末期依然保持在1500萬(wàn)～2200萬(wàn) m3，70年代美國(guó)經(jīng)濟(jì)特征是“滯脹”期，氦氣的消耗量也維持在2000萬(wàn) m3左右，呈緩慢上升趨勢(shì)。

80年代美國(guó)經(jīng)濟(jì)好轉(zhuǎn)，90年代美國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展并進(jìn)入巔峰狀態(tài)。這一階段，隨著光纖、集成電路、空調(diào)制冷、核磁共振、低溫領(lǐng)域的科學(xué)研究、航天等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)入應(yīng)用階段，氦氣的需求量迅猛增長(zhǎng)，美國(guó)的氦氣年消耗量由2500萬(wàn) m3增加到9000萬(wàn) m3。

90年代以來(lái)，美國(guó)為了更好的占領(lǐng)全球市場(chǎng)，解決本國(guó)勞動(dòng)力成本及環(huán)保等問(wèn)題，采取了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的戰(zhàn)略，向中國(guó)、東南亞等亞太地區(qū)及其他地區(qū)進(jìn)行了大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。以半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)為例，總共經(jīng)歷了3次產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移：第1次是從20世紀(jì)80年代開始，由美國(guó)本土向日本遷移，遷移內(nèi)容為技術(shù)含量較低的封裝測(cè)試環(huán)節(jié)；第2次是從20世紀(jì)90年代末期到21世紀(jì)初，由美國(guó)、日本向韓國(guó)以及中國(guó)臺(tái)灣遷移，遷移內(nèi)容主要為制造環(huán)節(jié)；第3次是2010年之后中國(guó)臺(tái)灣向中國(guó)大陸遷移，遷移內(nèi)容主要為制造環(huán)節(jié)。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)每一次遷移的過(guò)程都帶動(dòng)了當(dāng)?shù)乜萍嫉陌l(fā)展，同時(shí)也帶動(dòng)了當(dāng)?shù)睾庀牧康娘@著增長(zhǎng)。由此可以推斷，這一階段美國(guó)氦氣消耗量大規(guī)模下降與大規(guī)模產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移有著直接的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。2001～2010年美國(guó)氦氣年消耗量由9000萬(wàn) m3下降到5000萬(wàn) m3，2010年以后美國(guó)氦氣年消耗量穩(wěn)定在4000萬(wàn) ～5000萬(wàn) m3。

由此可見(jiàn)，美國(guó)在上世紀(jì)70年代之前的氦氣消耗量走勢(shì)和二戰(zhàn)、朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)以及蘇美冷戰(zhàn)有著緊密的關(guān)聯(lián)。而70年代之后的氦氣消耗量走勢(shì)是和美國(guó)自身經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著緊密的關(guān)聯(lián)。進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，氦氣消耗量呈下行走勢(shì)和美國(guó)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移存在緊密的關(guān)聯(lián)。

3 全球氦氣消耗與經(jīng)濟(jì)走勢(shì)

美國(guó)土地管理局(BLM)在1990～2020年間對(duì)全球氦氣消耗量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)走勢(shì)如圖2所示[2-3]。1994年全球氦氣消耗量達(dá)1.17億 m3，2008年全球氦氣消耗量達(dá)1.74億 m3，氦氣消耗量達(dá)到最高點(diǎn)。

圖2 全球He年消耗量走勢(shì)

20世紀(jì)90年代以來(lái)，以信息技術(shù)為核心的經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展到一個(gè)嶄新的階段和前所未有的高度。在此背景下，光纖半導(dǎo)體等用氦產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，帶動(dòng)了全球氦氣消耗量的一路上漲。

2008年全球氦氣消耗量的拐點(diǎn)與全球性金融危機(jī)有著明顯的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。2008年金融危機(jī)爆發(fā)后，各國(guó)政府采取了積極的應(yīng)對(duì)措施，經(jīng)濟(jì)逐漸復(fù)蘇。在隨后的周期中，全球經(jīng)濟(jì)一直處于持續(xù)又有波動(dòng)的復(fù)蘇中，全球經(jīng)濟(jì)進(jìn)入了大調(diào)整、大變革和大轉(zhuǎn)型的時(shí)代。經(jīng)過(guò)幾年的恢復(fù)，全球經(jīng)濟(jì)再平衡已取得了一定進(jìn)展。然而，結(jié)構(gòu)性改革和增長(zhǎng)方式的轉(zhuǎn)型仍比預(yù)期低。

2008年金融危機(jī)發(fā)生前，全球經(jīng)濟(jì)平均增長(zhǎng)率為4.25%。而危機(jī)發(fā)生后的11 a，全球經(jīng)濟(jì)的平均增長(zhǎng)率僅為3.4%。2019年全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率僅為2.9%，創(chuàng)危機(jī)以來(lái)的最低水平。對(duì)比圖2可以看出，近30 a全球氦氣消耗量的走勢(shì)與全球經(jīng)濟(jì)的總體發(fā)展具有較為一致的趨勢(shì)。

另一方面，可以從全球氦氣消耗分布與GDP分布的關(guān)系來(lái)分析氦氣消耗量與經(jīng)濟(jì)的關(guān)系。根據(jù)美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)顯示，2014年全球各地區(qū)的氦氣消耗分布情況[4]與GDP占比之間的對(duì)比如圖3所示。圖中可以明顯看出，各區(qū)塊消耗氦氣的比例和各區(qū)塊GDP占比吻合度較高。由此可見(jiàn)，氦氣消耗量在不同經(jīng)濟(jì)區(qū)塊的分布情況在一定程度上反映了全球經(jīng)濟(jì)的分布情況。

圖3 全球各地區(qū)GDP占比與氦氣消耗占比

4 我國(guó)氦氣消耗與經(jīng)濟(jì)走勢(shì)

我國(guó)是全球GDP排名僅次于美國(guó)的第二經(jīng)濟(jì)大國(guó)，氦氣消耗量同樣占世界第2位。同時(shí)我國(guó)是貧氦國(guó)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)所需氦氣幾乎全部依賴進(jìn)口。我國(guó)氦氣年消耗量(進(jìn)口量)從2005年的200萬(wàn) m3增加至2017年的2000萬(wàn) m3[1, 5]。我國(guó)氦氣消耗走勢(shì)與GDP及相關(guān)行業(yè)的走勢(shì)對(duì)比如圖4所示。

光纖、半導(dǎo)體、核磁共振及空調(diào)產(chǎn)業(yè)是主要的用氦大戶。據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)每百芯公里光纖消耗氦氣約2 Nm3；每個(gè)空調(diào)生產(chǎn)線檢漏工藝年消耗氦氣可達(dá)3000 Nm3。據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)2020年氦氣在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)中應(yīng)用占比為：受控氣氛排在首位(占比56%)，主要用于半導(dǎo)體、光纖等領(lǐng)域；低溫應(yīng)用排在第2位(占比23%)，主要用于核磁共振及科學(xué)研究；檢漏氣體排在第3位(占比7%)，主要用于制冷及空調(diào)行業(yè)。

圖4 我國(guó)He消耗走勢(shì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展走勢(shì)對(duì)比

2000年之后我國(guó)經(jīng)歷了通信需求及光纖行業(yè)的崛起，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，我國(guó)的光纜線路長(zhǎng)度從2006年的430萬(wàn) km、2014年的2 000萬(wàn) km增加到2020年的5 200萬(wàn)km。我國(guó)光纖產(chǎn)量由2006年的2 000萬(wàn)芯公里增加至2015年的3.49億芯公里，在2015～2018年間始終保持高位運(yùn)行。2018年之后由于光纖產(chǎn)能過(guò)剩、需求飽和導(dǎo)致光纖產(chǎn)量進(jìn)入局部低谷時(shí)期。

2010年之后，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了第3階段的轉(zhuǎn)移，即向中國(guó)大陸進(jìn)行轉(zhuǎn)移。在此背景下，我國(guó)的集成電路產(chǎn)量從2009年的414億只增加到2019年的2 000億只、2020年的2 500億只。

據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，2008～2020年我國(guó)磁共振保有量從900臺(tái)增加到10 000余臺(tái)。2018～2020年，我國(guó)新增磁共振設(shè)備4 500臺(tái)[6]。

從圖4可以看出我國(guó)氦氣消耗量與經(jīng)濟(jì)強(qiáng)勁增長(zhǎng)走勢(shì)有著非常明顯的正相關(guān)關(guān)系。上述與氦消耗緊密相關(guān)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，帶動(dòng)了氦氣消耗量的一路上揚(yáng)，且走勢(shì)明顯超出GDP走勢(shì)，這和我國(guó)依賴氦氣的相關(guān)產(chǎn)業(yè)布局有著直接的關(guān)系。2017年后我國(guó)氦氣的消耗量出現(xiàn)局部下行趨勢(shì)，這與光纖產(chǎn)量下行有直接的關(guān)聯(lián)。

5 我國(guó)潛在氦資源分析

綜上分析，氦氣保障在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中至關(guān)重要。我國(guó)是僅次于美國(guó)的第2大經(jīng)濟(jì)體，氦氣消耗量同樣位居世界第2位。未來(lái)我國(guó)的GDP增長(zhǎng)將依然保持強(qiáng)勁的勢(shì)頭，光纖、半導(dǎo)體、制冷、航天、醫(yī)療等重要經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域也將保持強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。氦氣保障的安全性必將成為保證我國(guó)經(jīng)濟(jì)正常發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。作為貧氦國(guó)，要解決氦氣安全保障問(wèn)題，需具體分析我國(guó)自有的潛在氦資源，包括富氦氣田、LNG裝置的BOG尾氣、貧氦氣田、廢氦資源、空分提氦資源，為我國(guó)氦氣保障的安全策略分析提供基礎(chǔ)。

1. 富氦氣田：我國(guó)近年來(lái)探明的天然氣田中，確認(rèn)氦氣含量達(dá)到經(jīng)濟(jì)氦含量0.1%以上的富氦氣田主要有鄂爾多斯東勝氣田、塔里木和田河氣田[5]，估算其中的氦氣儲(chǔ)量為2億 m3。按其天然氣的產(chǎn)量推算，年提氦產(chǎn)量可達(dá)200萬(wàn) m3。

2. LNG裝置的BOG尾氣：我國(guó)天然氣不能自給自足，絕大部分自產(chǎn)的天然氣需以氣態(tài)的形式通過(guò)我國(guó)西氣東輸?shù)葒?guó)家骨干管網(wǎng)供應(yīng)全國(guó)，只有10%左右的天然氣經(jīng)液化后以LNG的形式供給當(dāng)?shù)厥褂?。天然氣液化過(guò)程中氦組分會(huì)濃縮到BOG尾氣中，當(dāng)原始天然氣中氦含量達(dá)到200×10-6以上時(shí)，BOG尾氣成為有效可提取的氦資源。

據(jù)國(guó)內(nèi)LNG行業(yè)信息顯示，我國(guó)目前LNG液化工廠有140余家，據(jù)天然氣來(lái)源分析，其中日產(chǎn)百萬(wàn)立方米以上且有BOG提氦潛力的企業(yè)約為27家，粗略估算每年可提取氦資源達(dá)300萬(wàn) m3以上。

3. 廢氦資源：目前我國(guó)廢氦回收價(jià)值較高的行業(yè)包括制冷設(shè)備檢漏、光纖兩大行業(yè)[7]。粗略估算，上述行業(yè)年可回收氦氣在200萬(wàn)m3以上。

4. 貧氦氣田：國(guó)內(nèi)第一大天然氣氣田蘇里格氣田儲(chǔ)量超2萬(wàn)億 m3[8]，其氦含量為330×10-6[5]，推算氦氣儲(chǔ)量6億 m3，每年輸出的天然氣中氦含量可達(dá)1000萬(wàn) m3。但該氣田絕大部分以氣態(tài)形式進(jìn)入國(guó)家的主干管網(wǎng)，因此其中的貧氦資源短期內(nèi)難以進(jìn)行有效提取。

5. 空分提氦資源：空氣中的氦含量?jī)H為5×10-6，國(guó)內(nèi)6萬(wàn)以上空分保有量粗略估算近200余臺(tái)，每套6萬(wàn)空分如果提氖氦每年僅能獲得氦氣約0.8萬(wàn) m3，推算全國(guó)潛在年提氦能力達(dá)160萬(wàn) m3。但是，該部分資源分散且受Ne需求量的限制，因此難以成為有效的氦資源。

綜合上述分析，我國(guó)的富氦氣田、BOG資源、廢氦資源等三方面的有效氦資源合計(jì)每年有望達(dá)到700萬(wàn) m3，如全部加以利用，可滿足我國(guó)年氦氣需求量的30%～40%，可有效減輕我國(guó)對(duì)進(jìn)口氦的依賴性。

6 構(gòu)建氦氣保障抗風(fēng)險(xiǎn)體系的建議

氦氣作為特殊的戰(zhàn)略資源，自上世紀(jì)30年代進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用以來(lái)，其消耗量與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展存在著緊密的關(guān)聯(lián)，成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“晴雨表”。氦氣的保障無(wú)論對(duì)中國(guó)還是對(duì)全球而言，都事關(guān)光纖、半導(dǎo)體、醫(yī)療、航天、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等重要領(lǐng)域的正常運(yùn)行。

作為“貧氦國(guó)”的中國(guó)，經(jīng)濟(jì)正處于快速發(fā)展時(shí)期。要構(gòu)建我國(guó)氦氣供應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防御體系，需要從政策層面、技術(shù)層面和戰(zhàn)略層面同時(shí)推進(jìn)。政策層面上，需盡快建立完善的氦資源管理體系，統(tǒng)籌有序開發(fā)潛在氦資源；加強(qiáng)天然氣氦資源以及BOG氦資源的普查與提氦推廣、加強(qiáng)光纖及制冷行業(yè)廢氦回收推廣。技術(shù)層面上，加強(qiáng)貧氦資源提氦技術(shù)的攻關(guān)、加強(qiáng)廢氦回收技術(shù)的研究，支撐氦資源的有效開發(fā)。戰(zhàn)略層面上，應(yīng)積極進(jìn)入全球氦氣供應(yīng)體系并加強(qiáng)與氦氣市場(chǎng)“后起之秀”俄羅斯的氦氣貿(mào)易合作，加快構(gòu)建多邊化的氦氣保障體系。只有有效的確保我國(guó)氦氣的安全供應(yīng)，才能為我國(guó)未來(lái)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展保駕護(hù)航。