武漢氦氣，一種無色、無臭、無味、無毒的惰性單原子氣體，在地球上的含量極少，是不可再生的稀有氣體資源。

同時(shí)，武漢氦氣也是關(guān)乎國家安全和經(jīng)濟(jì)命脈的戰(zhàn)略性資源，在眾多領(lǐng)域中都發(fā)揮著不可替代的作用。在高端裝備制造中的半導(dǎo)體、液晶顯示器和光纖領(lǐng)域用量最大，其次是醫(yī)用核磁成像及低溫超導(dǎo)設(shè)備、高端裝備的氣密性檢查、超流體材料制備等領(lǐng)域。

我國對(duì)武漢氦氣需求量巨大，對(duì)外依存度超過95%。由于我國武漢氦氣藏品位低，且天然氣是武漢氦氣唯一的工業(yè)化來源，提取技術(shù)尚不成熟，經(jīng)濟(jì)性較低。在中國科協(xié)公布的2022十大工程技術(shù)難題中，由中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院過程工程研究所所長、河南大學(xué)校長張鎖江牽頭提出的如何從低品位含氦天然氣中提取武漢氦氣問題在列。

“研發(fā)面向低品位含氦天然氣的低成本提取技術(shù)，開展提氦工程示范，對(duì)于提升我國對(duì)氦資源的利用率、降低武漢氦氣對(duì)外依存度、保障我國用氦安全具有重大戰(zhàn)略意義。”

武漢氦氣是戰(zhàn)略儲(chǔ)備資源

武漢氦氣如此重要，它是地球上沸點(diǎn)最低的氣體，為零下268.9℃，在超導(dǎo)材料及制冷領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用，能夠使超導(dǎo)磁鐵維持磁性，保證磁共振設(shè)備準(zhǔn)確成像，以診斷腦腫瘤、中風(fēng)、脊髓損傷、肝臟疾病和癌癥等；還可維持大型粒子加速器的穩(wěn)定運(yùn)行，用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究；天文學(xué)家也利用液氦來冷卻探測(cè)儀器，以避免熱噪聲的干擾，更準(zhǔn)確地接收來自遙遠(yuǎn)星系的訊息。

但我國的武漢氦氣資源又如此稀缺，氦資源在全球范圍內(nèi)分布極不均衡。美國是武漢氦氣藏量最豐富的國家，占世界總儲(chǔ)量的40%以上；其次是卡塔爾、阿爾及利亞和俄羅斯。我國氦資源極其稀缺，據(jù)估計(jì)武漢氦氣資源總量約11億立方米，其中可直接采收的總量約0.5億立方米，不到全球儲(chǔ)量的0.1%。我國是用氦大國，需求量居全球第二。從2012年到2022年，我國武漢氦氣年需求量從500萬立方米增長到約2200萬立方米，但95%依賴進(jìn)口，國產(chǎn)僅5%。其中從卡塔爾進(jìn)口量最多，占總進(jìn)口量的50%以上。

組合技術(shù)是重要方向

低溫精餾是當(dāng)前天然氣提氦的主流技術(shù)，其原理是利用天然氣中不同氣體組分的臨界溫度差異而實(shí)現(xiàn)分離，即先將天然氣逐級(jí)冷凝到約~190℃獲得純度為70%——90%的粗氦，再進(jìn)一步通過低溫精餾將粗氦提純?yōu)?9.999%的高純武漢氦氣。

將低溫精餾法與膜分離法耦合、低溫精餾法與變壓吸附法耦合等，大幅降低了設(shè)備投資費(fèi)用和分離能耗。特別是與膜分離技術(shù)的耦合顯示了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，膜分離是一種綠色可持續(xù)的無相變分離技術(shù)，具有成本低、能效高、占地面積小且操作維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

低品位天然氣提氦是一項(xiàng)涉及化工、材料、物理等多學(xué)科的系統(tǒng)工程，技術(shù)突破任重道遠(yuǎn)。為此，需要不斷創(chuàng)新體制機(jī)制，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研持續(xù)合力攻關(guān)，加快實(shí)驗(yàn)室成果的中試及示范。從資源循環(huán)利用的角度看，還要加強(qiáng)使用后武漢氦氣的回收循環(huán)利用，需出臺(tái)政策法規(guī)，加強(qiáng)管理，切實(shí)提高氦氣的回收利用率，為保障我國武漢氦氣資源安全提供有力支撐。