在中國科協公布的2022十大工程技術難題中，由中國科學院院士、中國科學院過程工程研究所所長、河南大學校長張鎖江牽頭提出的如何從低品位含氦天然氣中提取氦氣問題在列。
我國氦資源極其稀缺，據估計氦氣資源總量約11億立方米，其中可直接采收的總量約0.5億立方米，不到全球儲量的0.1%
研發面向低品位含氦天然氣的低成本提取技術，開展提氦工程示范，對于提升我國對氦資源的利用率、降低氦氣對外依存度、保障我國用氦安全具有重大戰略意義
目前，全球范圍內氦氣唯一的工業化來源是從天然氣中提取。我國已探明氦資源儲地主要包括鄂爾多斯盆地、塔里木盆地、渭河盆地以及長慶氣田等。如果能研發出貧氦天然氣的高效低成本提取技術，使得上述氦氣資源得到開發利用，可滿足我國40%以上的需求
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，氦氣也是關乎國家安全和經濟命脈的戰略性資源，在眾多領域中都發揮著不可替代的作用。在高端裝備制造中的半導體、液晶顯示器和光纖領域用量最大，其次是醫用核磁成像及低溫超導設備、高端裝備的氣密性檢查、超流體材料制備等領域。
我國對氦氣需求量巨大，對外依存度超過95%。由于我國氦氣藏品位低，且天然氣是氦氣唯一的工業化來源，提取技術尚不成熟，經濟性較低。在中國科協公布的2022十大工程技術難題中，由中國科學院院士、中國科學院過程工程研究所所長、河南大學校長張鎖江牽頭提出的如何從低品位含氦天然氣中提取氦氣問題在列。
“研發面向低品位含氦天然氣的低成本提取技術，開展提氦工程示范，對于提升我國對氦資源的利用率、降低氦氣對外依存度、保障我國用氦安全具有重大戰略意義。”張鎖江說。
中國科學院過程工程研究所開發了面向低品位含氦天然氣提取的分離膜組件
氦氣為什么如此重要？
張鎖江：氦氣是地球上沸點最低的氣體，為零下268.9℃，在超導材料及制冷領域發揮著關鍵作用，能夠使超導磁鐵維持磁性，保證磁共振設備準確成像，以診斷腦腫瘤、中風、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定運行，用于物質結構的研究；天文學家也利用液氦來冷卻探測儀器，以避免熱噪聲的干擾，更準確地接收來自遙遠星系的訊息。
氦氣化學性質極不活潑，幾乎不與任何物質反應，可用于原子反應堆和加速器、激光器、冶煉和焊接時的保護氣體，在高端裝備的氣密性檢查、航天發射和飛艇等領域也不可或缺。氦氣很輕、無毒、不可燃燒，且難溶于水，可將氦氣加到氧氣中用于治療氣喘和窒息，并預防潛水員在上浮過程中極易發生的“減壓癥”；氦氣也可以稀釋易燃的麻醉劑；還可用于氬氦刀以治療癌癥。
此外，氦氣還具有優異的導熱性能，也使它成為半導體行業的必需品，可通過氦氣控制熱傳遞速率實現半導體芯片零部件制造過程的快速導熱，提高生產率并減少缺陷。因此，氦氣是一種非常重要的戰略性資源。
我國面臨怎樣的氦資源形勢？
張鎖江：氦資源在全球范圍內分布極不均衡。美國是氦氣藏量最豐富的國家，占世界總儲量的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，據估計氦氣資源總量約11億立方米，其中可直接采收的總量約0.5億立方米，不到全球儲量的0.1%。
美國早在第一次世界大戰時期，就開始重視氦氣資源的保護與開發。20世紀70年代，西方國家曾把氦氣列入對華禁運物資之一。美國于2007年將氦氣定為戰略儲備資源，限制氦氣產量，使其價格飆升；2018年進一步將氦氣列入35種關鍵礦產目錄。俄羅斯也在積極推動立法，將氦氣作為重要戰略資源。
我國是用氦大國，需求量居全球第二。從2012年到2022年，我國氦氣年需求量從500萬立方米增長到約2200萬立方米，但95%依賴進口，國產僅5%。其中從卡塔爾進口量最多，占總進口量的50%以上。
目前，全球范圍內氦氣唯一的工業化來源是從天然氣中提取。我國已探明氦資源儲地主要包括鄂爾多斯盆地、塔里木盆地、渭河盆地以及長慶氣田等。上述儲地中天然氣的含氦濃度普遍很低(0.1%～0.3%)，工業開采利用面臨諸多挑戰。如果能研發出貧氦天然氣的高效低成本提取技術，使得上述氦氣資源得到開發利用，可滿足我國40%以上的需求。
當前氦氣提取的主要技術和未來趨勢是什么？
張鎖江：低溫精餾是當前天然氣提氦的主流技術，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現分離，即先將天然氣逐級冷凝到約-190℃獲得純度為70%～90%的粗氦，再進一步通過低溫精餾將粗氦提純為99.999%的高純氦氣。因為工藝相對簡單、技術較為成熟，成為當前應用最為廣泛的提氦方法。據統計，美國14套天然氣提氦裝置中，有12套采用低溫精餾工藝。
中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司采用低溫精餾工藝，在四川威遠建成提氦試驗1號裝置，從含氦0.18%的天然氣中獲得純度為99.999%的氦，產能20000立方米/年。2017年起中國科學院理化技術研究所聯合相關企業，采用低溫精餾結合低溫液化等技術，從液化天然氣閃蒸氣(LNG-BOG)中提取氦氣，于2020年7月研制出國內首套LNG-BOG提氦、液化裝備，應用于寧夏鹽池某天然氣液化廠。
低溫精餾法提氦產品純度和回收率較高，但生產成本高、設備投資大、能耗高。近年來，各相關單位分別通過優化制冷工藝和設備來降低能耗，從而提升低溫精餾提氦技術的效率。為進一步提高提氦的經濟性，多種新技術的組合成為推動天然氣提氦工藝升級的重要趨勢。如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，大幅降低了設備投資費用和分離能耗。特別是與膜分離技術的耦合顯示了獨特的優勢，膜分離是一種綠色可持續的無相變分離技術，具有成本低、能效高、占地面積小且操作維護簡單等優點。
膜分離技術是在壓力差的驅動下，利用混合氣體通過氣體分離膜時滲透速率的不同，實現各組分的分離及氦氣的提取。需要說明的是，單純采用膜分離技術，其經濟性受限，需與低溫精餾等技術耦合才能獲得更好的提氦效果，即先將貧氦天然氣通過膜富集到80%左右的粗氦，再通過低溫精餾等技術耦合獲得高純氦，同時兼具技術可行和經濟效益的優勢。針對我國天然氣藏普遍品位低的現狀，研發膜分離與低溫精餾/低溫吸附耦合技術，是未來天然氣提氦的重要發展方向。
膜分離技術的研發有哪些難點？
張鎖江：從天然氣提氦膜技術的研發過程看，包括高性能膜材料的設計與制備、氣體分離膜組件研制和膜分離系統集成三個部分。
膜分離技術的核心是膜材料。高性能的膜材料應當同時滿足在一定條件下讓更多的氦氣優先通過，且使盡量少的雜質氣體通過。目前性能優異的高端氣體分離膜材料多被國外公司壟斷，開發具有自主知識產權的膜材料及膜分離工藝是未來發展的關鍵所在。
當前高性能氦氣分離膜材料的開發面臨三個挑戰：一是氣體分離膜材料受通量和選擇性相互制約效應的影響，開發兼具高滲透性和高選擇性的膜材料極具挑戰；二是克服聚合物膜材料因輕烴和重烴等可凝氣體的溶解而導致的塑化效應；三是消除聚合物膜材料長時間運行過程中的老化問題。目前的高分子膜材料主要依靠鏈段無規則堆積形成的微孔進行分離，未來如何實現對孔結構精準調控以實現對氦氣的精準篩分，是制備高性能氦氣分離膜的關鍵所在，一些新型晶體結構材料和仿生設計方法的引入為其提供了可能。
在氣體分離膜組件方面，中空纖維膜是一種具有自支撐結構的非對稱膜，相比卷式膜和平板膜等形式的氣體分離膜組件，其具有在相同占地面積下更大的有效膜面積。由于受膜材料、紡絲工藝和后處理等多種因素的影響，應用于天然氣提氦的中空纖維膜的大規模無缺陷制備仍然是亟待解決的難題。為避免產生缺陷，需要對紡絲工藝及膜絲后處理等環節進行嚴格控制。因此，無缺陷、高穩定性中空纖維膜的自動化、智能化制備技術應是未來重點突破的方向。
在膜分離系統集成方面，需對膜分離工藝以及其與低溫技術耦合工藝等進行系統集成和優化，以降低設備投資成本和運行成本。不同氣源條件的復雜性，對天然氣提氦的工藝集成系統提出了更高的要求。未來，需發展過程模擬優化設計軟件，系統考察不同工況對氦氣純度和回收率的影響規律，優化提氦集成工藝參數，為貧氦天然氣提氦大規模工程化應用提供系統解決方案。
在膜分離技術研發方面有哪些進展？
張鎖江：中國科學院過程工程研究所針對我國氦氣藏品位低、提取難度大的問題，開發了性能優異的國產化氦氣分離膜材料，并開發出中空纖維氦氣分離膜組件，表現出良好的效果。近期，與中國石油化工股份有限公司北京化工研究院合作，開發了面向LNG-BOG的新型氦氣分離膜材料及中空纖維膜組件，并與變壓吸附、低溫精餾技術耦合，依托中石化重慶涪陵某集氣站的LNG-BOG富氦物流建設了提氦中試裝置，運行效果良好。目前，在中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃的支持下，正在開展面向貧氦天然氣的膜分離與低溫吸附耦合技術攻關，以期突破關鍵核心技術和整套分離工藝。
低品位天然氣提氦是一項涉及化工、材料、物理等多學科的系統工程，技術突破任重道遠。為此，需要不斷創新體制機制，加強產學研持續合力攻關，加快實驗室成果的中試及示范。從資源循環利用的角度看，還要加強使用后氦氣的回收循環利用，需出臺政策法規，加強管理，切實提高氦氣的回收利用率，為保障我國氦氣資源安全提供有力支撐。
