■本報(bào)記者 卜葉

氦氣，銀河系第二多物質(zhì)，含量?jī)H次于氫。但在地球上，這種不可再生資源卻非常稀缺。近年來，隨著全球氦需求的上漲，氦短缺的消息時(shí)有曝出。

相比石油、天然氣，氦氣看似離生活很遠(yuǎn)，但小到氣球充氣，大到電子工業(yè)、生物醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域，都離不開它，是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本物資之一。一旦短缺，后果將十分嚴(yán)重。

目前，我國(guó)氦氣高度依賴進(jìn)口，過去三四年間，氦氣價(jià)格甚至翻了一倍。面對(duì)“氦短缺”，我國(guó)該如何面對(duì)？

勘探迫在眉睫

氦主要伴生于天然氣或放射性礦石中，也被稱為“黃金氣體”。

過去，氦作為一種化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、低密度的惰性氣體，主要用作焊接等工藝的保護(hù)氣和飛艇填充氣；科技日新月異，人們發(fā)現(xiàn)氦的優(yōu)良品質(zhì)在其他應(yīng)用中也能大放異彩。

隨著航天科技的發(fā)展，人類又將氦用于燃料增壓氣和吹掃清洗氣；極易擴(kuò)散的特性使其變成優(yōu)質(zhì)檢漏氣體；憑借良好的導(dǎo)熱性能，氦還可用作電子工業(yè)晶體生長(zhǎng)的傳熱介質(zhì)；液氦的溫度接近絕對(duì)零度，可用作低溫冷卻劑和制冷劑，實(shí)現(xiàn)低溫超導(dǎo)和超流體。

“氦的廣泛用途由其獨(dú)一無(wú)二的性質(zhì)決定，人類至今還沒有找到能夠完全替代氦的物質(zhì)?！敝袊?guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所副研究員胡忠軍告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

同時(shí)，氦資源在世界范圍內(nèi)分布不均，據(jù)美國(guó)地質(zhì)勘探局估測(cè)，美國(guó)、阿爾及利亞、卡塔爾、俄羅斯和加拿大擁有全球約92%的氦資源。

目前，我國(guó)已探明具有一定含氦量的天然氣田主要分布于渭河盆地、四川、塔里木盆地等地。但是，僅有少量氦氣田實(shí)現(xiàn)工業(yè)化開發(fā)，國(guó)產(chǎn)氦的生產(chǎn)規(guī)模遠(yuǎn)不能滿足科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)等發(fā)展的需求。

“我國(guó)氦氣田分布零散，且普遍品質(zhì)不高，氦含量偏低，提取成本高，導(dǎo)致業(yè)界對(duì)其商業(yè)化的熱情不高?！遍L(zhǎng)安大學(xué)資源學(xué)院教授付國(guó)民說，“更可惜的是，在中國(guó)早期的地質(zhì)資源勘探中，人們未能意識(shí)到氦的重要性，并沒有把氦勘探作為重要目標(biāo)，造成大量氣田在氦儲(chǔ)藏?cái)?shù)據(jù)上的空白?！?/p>

近年來，我國(guó)潛在氦資源研究逐漸升溫。地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為，氦儲(chǔ)量95%以上分布在古老地臺(tái)，據(jù)此，有專家預(yù)測(cè)，四川盆地、鄂爾多斯盆地或是我國(guó)探明氦資源的有利地區(qū)。付國(guó)民補(bǔ)充道，山前斷陷也可形成氦氣富集，儲(chǔ)量規(guī)模也許不如古老地臺(tái)巨大，但依然值得在今后的天然氣勘探中加以重視。

胡忠軍表示，我國(guó)氦工業(yè)面臨的一大問題是氦資源家底不清，需要探測(cè)調(diào)查新的氦氣藏，并在適宜開采的地區(qū)建立氦工廠，特別是大型氦液化工廠，實(shí)現(xiàn)氦遠(yuǎn)距離經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸。

提氦技術(shù)亟須升級(jí)

氦生產(chǎn)主要采用低溫冷凝分離工藝等，經(jīng)過預(yù)處理凈化、粗氦制取和純氦精制三道主要工序，最終得到純氦。付國(guó)民表示，我國(guó)在氦生產(chǎn)技術(shù)上并不存在不可克服的瓶頸，主要難在高品質(zhì)氦氣田的稀失。

一般來說，天然氣氦含量達(dá)到0.1%以上才在經(jīng)濟(jì)上具有提取價(jià)值。美國(guó)天然氣田中氦含量約為0.8%~7.5%，一般氦含量大于0.3%的天然氣稱為富氦天然氣，而目前我國(guó)天然氣田的氦含量多遠(yuǎn)低于此。

為此，胡忠軍建議，我國(guó)應(yīng)著重研究和發(fā)展貧氦、含氦天然氣提氦工藝。改進(jìn)現(xiàn)有的深冷法提氦裝置和工藝，降低能耗，發(fā)展低溫法、吸附法以及膜分離相結(jié)合的復(fù)合工藝，通過LNG聯(lián)產(chǎn)和擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模等降低提氦成本。

此外，氦在大氣中的含量極低，約為百萬(wàn)分之五，即便被認(rèn)為無(wú)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的貧氦天然氣，其氦含量也比大氣氦含量高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

胡忠軍表示，必要的時(shí)候，可以從空分馳放氣、合成氨尾氣、富氦獨(dú)居石、溫泉?dú)?、金—鈾礦的坑氣中提取氦。以空氣馳放氣提氦為例，他解釋，空氣中的氮?dú)?、氧氣均為重要的工業(yè)氣體，兩者被提取后，氦氣在剩余氣體的相對(duì)含量升高，具有一定商業(yè)提氦價(jià)值。

加強(qiáng)前沿研究

當(dāng)前，我國(guó)部分高技術(shù)產(chǎn)業(yè)仍處于國(guó)際產(chǎn)業(yè)鏈末端，電子信息產(chǎn)業(yè)等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的高端生產(chǎn)工藝對(duì)氦氣的需求量很大。隨著我國(guó)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，對(duì)氦氣的需求有望進(jìn)一步增加。

胡忠軍表示，除了加強(qiáng)勘探和技術(shù)升級(jí)，還應(yīng)該重視氦相關(guān)基礎(chǔ)研究。目前，人類對(duì)氦源的評(píng)價(jià)參數(shù)及氦氣釋放機(jī)制、復(fù)雜地質(zhì)介質(zhì)中氦的運(yùn)載機(jī)制及控制因素、富氦氣藏成藏過程及關(guān)鍵控制因素等并不完全清楚。

“跟石油、天然氣類似，氦資源的勘探成本高昂，僅一口鉆井往往就需要耗費(fèi)數(shù)千萬(wàn)元，加強(qiáng)氦氣富集規(guī)律研究能極大提高勘探效率。”付國(guó)民說。

近日，“富氦天然氣成藏機(jī)制及氦資源分布預(yù)測(cè)技術(shù)”被列入“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問題”重點(diǎn)專項(xiàng)2021年度項(xiàng)目，相關(guān)申報(bào)工作已經(jīng)啟動(dòng)。

胡忠軍表示，業(yè)界學(xué)者的普遍關(guān)注和投入，將對(duì)氦生成、儲(chǔ)藏規(guī)律、回收循環(huán)利用等產(chǎn)生巨大推動(dòng)作用，人類更好利用氦資源未來可期。