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中國缺氦

文字：無刺王冠龍

校稿：辜漢膺 / 編輯：板栗

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1869年，俄國科學大佬門捷列夫發表了這張早期的元素週期表，格式和現在不太一樣，我們順着背一下，“氫 氦 鋰 鈹 硼”，會發現這裡面少了一個“氦”，這是一種在地球大氣中極其稀有的元素，當時還不在表上。

現藏於聖彼得堡門捷列夫博物館的

元素週期表原始手稿

（圖：wiki）▼

門捷列夫在他的第一版化學教科書《化學原理》中

首次發表了元素週期表

（《化學原理》中的元素週期表 圖：aip.org）▼

在1869年的前一年，法國和英國的天文學家在觀察太陽色球的發射光譜時，才發現這種來自太陽的新元素，並將其命名爲“氦”（英語：Helium，希臘語：ἥλιος），在希臘語中就是赫利俄斯（helios，太陽，太陽神），太陽的意思。

氦氣的光譜線（圖：wiki）▼

1881年，意大利物理學家路易吉·帕爾米耶裡在分析維蘇威火山的岩漿時首次發現了地球上的“氦”。

1895年，蘇格蘭化學家威廉·拉姆齊從釔鈾礦裡首次分離出“氦”。人類才終於可以直接觀察研究這一稀有元素。

地球上的大多數氦氣是放射性衰變的結果

因此氦大量存在於鈾和釷礦物中

（威廉·拉姆齊和純化氦氣的克萊維石 圖：wiki）▼

一直到今天，地球上發現的氦資源也只有484億m3，而中國，正是一個非常缺氦的國家。

在元素週期表裡，氦是僅次於氫的原子量第二小的元素。也是氫元素熱核聚變的直接產物，所以太陽上完全不缺氦，在晚年還會有“氦閃”的可能。

想象中的太陽氦閃（圖：novaspace.com）▼

而且氦元素還位於週期表最右邊一列，和“氖 氬 氪 氙 氡”同屬惰性氣體。由於本身密度很低，又不能像氫一樣形成水等各種化合物，氦作爲單質氣體非常容易逸出到大氣層之外，長年累月，地球上的氦就越來越少了。

氦氣在空氣中的含量很低，還容易逃逸

全球可開採的氦氣資源又主要來源於天然氣

所以氦氣是一種稀缺的非再生資源

（部分稀有氣體放電的顏色和光譜圖：wiki）▼

氦除了密度和惰性的特點，還是已知熔點和沸點最低的元素，並且具有低溶解度、高導熱率這些獨特的物理、化學性質。

這些屬性讓氦氣在工業各領域應用廣泛。

由於氦氣是很輕的惰性氣體，不像氫氣那樣易燃易爆，所以很適合填充氣球和飛艇。也常用來檢測管道、容器、設備內是否有氣體泄漏。

氦氣的用途還遠不止這些

（雙室氦檢漏機 圖：wiki）▼

（飛艇 圖：shutterstock）▼

在一些特殊的焊接應用裡，惰性的氦氣用作保護氣體，防止熔融金屬和空氣中的氧氣發生反應，被稱爲氦氣保護焊。

鎢極惰性氣體保護焊

（圖：wiki）▼

氦氣熔點超低的特點，讓它可以在極低溫度下保持液態，所以液氦是一種重要的冷卻介質，廣泛用於冷卻超導磁體、核磁共振儀器和激光設備這些高精密儀器。

在先進製造領域，氦還會用於液體燃料火箭、載人深潛、第四代核反應堆、半導體制造、量子計算機、精密分析儀器、核磁共振。

基於如此廣泛的用途

氦氣其實是一種關係國家安全、高新技術產業發展的

戰略性稀有氣體，被稱爲“黃金氣體”

（液氦用於冷卻現代MRI掃描儀中的超導磁體 圖：wiki）▼

可以說，氦已經是一種不可或缺的新興戰略資源。2021年全球對氦氣的需求大概是2.04億ｍ３（2.04×10８ｍ３），而且保持着約５％的年增長速度。

雖然按照最新的勘探結果，全球氦氣資源的挖掘潛力很大，但這其實是一個細分且技術門檻很高的市場，資源開發嚴重不足，整體上仍然是供不應求。

在許多高精尖研究中都需要液氦的冷卻

但全球能生產氦氣的國家卻很少

（圖：news.harvard.edu）▼

而且這有限的氦氣，還是高度集中於少數國家。

目前，全球的工業用氦氣基本是從含氦的天然氣裡提取出來的，所以氦的生產和天然氣高度相關。據美國地質調查局的數據，截至2021年底，全球氦氣總資源量約484億m3（484×108m3），其中美國、卡塔爾、阿爾及利亞、俄羅斯四國合計佔了87％。

氦氣資源量多的國家基本也是天然氣巨頭▼

氦氣的生產格局也基本是這樣，美國、卡塔爾產量佔全球的80％，阿爾及利亞、俄羅斯佔14％，還有少量來自澳大利亞和波蘭。和他們相比，亞太地區的氦氣產量幾乎可以忽略不計。

橫屏-全球氦氣藏分佈與產能格局示意圖（2022年）▼

這裡面，美國無論是資源量還是產量，都是無可爭議的第一，美國從上世紀初就開始開發利用氦氣。到2012年之前，美國的氦氣供應量一直接近全球的80％。

但老美產得多，用得更多，畢竟這種氣體多用於高端製造，美國企業本來就是用氦大戶，以至於美國的氦氣戰略儲備都快被用光了。2012-2020年，美國氦氣供應量從1.33億m3減至0.83億m3，減少了四成。到2021年，美國氦氣供應量進一步降至0.77億m3。

此消彼長，卡塔爾的氦氣產量在十年間快速增長，2021年達到了5100萬m3（0.51×108m3），和第二梯隊的阿爾及利亞1400萬m3、俄羅斯900萬m3相比，可謂遙遙領先。

卡塔爾本就是天然氣大戶，又有美國設備的支持

在生產氦氣這件事上有着天然的優勢▼

在這四大巨頭之外的國家，一方面受制於探明儲量不足，一方面也受限於技術，因爲氦氣提純的難度非常高，涉及一系列複雜技術，這還不包括儲存、運輸、使用所需的設備和規範。

由於可開採的氦氣通常和天然氣混雜在一起，需要通過質量分離等技術，先把“粗氦”從天然氣裡提取出來，再對粗氦進行精製，以美國AMGAS在堪薩斯州Lenexa的氣田爲例，其2022年8月以來的天然氣日產量大約2832m3，從裡面可以提取出14.16m3的氦氣。

堪薩斯大學的兩位教授在氣體間歇泉樣本中

首次發現了天然氣中的氦

（圖：wiki）▼

目前人類提取氦氣主要有兩條技術路線：天然氣直接提氦和液化天然氣閃蒸汽提氦(LNG-BOG)。後者的效率更高，發展潛力巨大，但是對原料氣的規模和提取技術有很高要求，而“天然氣直接提氦”，纔是目前唯一的工業化獲取氦的方法，。

不過中國的天然氣田含氦量很低

直接提取成本極高

要實現自主生產暫時還得靠LNG-BOG

（寧夏鹽池BOG提氦裝置區 圖：cigia.org.cn）▼

這條技術路線，又可以分爲“深冷法”和“非低溫法”。

深冷法最爲經濟有效，同時也是氦氣液化和運輸的最佳方案，主要原理是將淨化合格的天然氣通過製冷，低溫精餾獲得一次粗氦（這裡的“一”發1聲），經過進一步提濃獲得濃度30%-80%的粗氦。再使用低溫吸附或低溫冷凝、冷凍法，在低壓低溫的環境下去除粗氦中的雜質氣體，再通過氦液化器把高純度的氦氣液化。

天然氣氦回收過程示意圖▼

深冷法也叫低溫精餾法

是通過不同氣體的沸點的不同來分離氣體▼

這個深冷法看似容易，搞起來其實也很難。從原理上來說，只要把溫度降到足夠低，氦氣就以被液化，但是前面也說了，氦是液化溫度最低的元素，所以它的液化方法非常特殊，必須進行復雜的多級液化，簡單來說就是自己冷卻自己。對技術設備的要求很高。

近幾年，“非低溫法”，也就是“常溫法”提氦，已經研發成功，這就要用到膜法了！操作方式主要是多級膜法、多級變壓吸附、或者膜法＋多級變壓吸附。但這套操作的功耗太高、工藝複雜，還不適合大規模提氦。

天然氣提氦氣的膜技術

（圖：uq.edu.au）▼

綜上所述，氦氣在現代工業中用途廣泛，但是儲量與產能卻高度集中，提純、液化的技術門檻也很高，這就必然導致供不應求。

而供需矛盾最緊張的就是咱們國家了。目前我國已經是世界上最大的氦氣消費國之一，但是嚴重依賴進口，近年來對外依存度高達95％以上。

而且隨着我國科學研究、醫療技術和高科技產業的發展，對高純度氦氣的需求越來越大。

2017年以來，中國的氦氣進口量長期保持在2000萬m3以上（2000×104m3），2018年進口量高達2311萬m3（2311×104m3），約佔全球氦氣產量的14.4％，對外依存度98.51％。(2018年全球產量1.6億立方米)

2014-2021年中國氦氣產量與進口量走勢圖▼

由於全球的產氦大國就那麼幾家，所以中國進口也沒啥選擇餘地，主要來自卡塔爾、美國和澳大利亞，少量來自俄羅斯。

在企業層面，我們進口的氦氣主要來自“六大”外資，包括林德、液化空氣、空氣化工、巖谷產業株式會社、大陽日酸株式會社和吳江梅塞爾，這六家佔了總進口量的82％。

2020年以後，由於產量、船運、關稅等原因，來自美國的進口快速減少，直接制約了中國的氦氣進口量。

作爲替代，來自卡塔爾的氦氣彌補了美國的缺口，2021年，卡塔爾對我國出口了1684萬ｍ３氦氣，佔了82％。

中國對卡塔爾氦氣依賴可以說是很嚴重了▼

但卡塔爾的氦氣價格偏高，技術與設備其實都來自美國，美國如果想的話，也一樣能卡住卡塔爾這條路。

而且除了氦氣的氣源，氦氣液化器和液氦罐箱的製造商也基本是美國企業，爲了便於壟斷氣源，再加上自身產能不足，他們就長期限制對中國供貨。這些因素，都導致中國在氦氣方面很容易被“卡脖子”。

在今年5月我國自主研發液氦罐箱首次進入批量生產▼

爲了應對缺氦難題，中國正在加強勘探工作和技術攻關，以提高氦氣的產量和提取效率。

自2003年以來，自然資源部下屬的地質調查機構就已經在各地調查氦氣資源。

中西部的大型疊合盆地和陸內裂谷盆地，是中國氦資源的主要富集區。根據初步預測，四川、鄂爾多斯、塔里木、柴達木、汾渭五大盆地的氦氣遠景資源量，可達80億m3以上（80×108m3）。這些就是我國快速實現產能的主力勘探區。

中國的氦氣多爲油氣同源氦，存在深層藏氣

使得中國氦氣資源的開採難度和成本較高

（中國含油氣盆地氦氣分佈圖）▼

在技術方面，目前我們從天然氣中提取粗氦、粗氦精製、氣氦儲運的技術已經比較成熟。但是大型氦氣液化和液氦儲存的技術還在攻關階段。

國產的氦氣液化器雖然已經研製成功，但性能和可靠性尚有提升空間。而且液氦儲罐還沒有國產化，卡在結構設計和絕熱材料上，要完全自主生產還要時間。

液氦到超流氦溫區大型低溫製冷系統

在2021年研製成功，實現整機系統全國產

（80L/h氦液化器 圖：ipc.cas.cn）▼

緩解缺氦問題，除了開源，還可以節流。說白了就是省着用，提高回收和再利用率，減少浪費，或者研發氦氣的替代品，也能減少對氦的需求，把對外依存度降一點兒是一點兒。

至於在海外尋找更多的氦氣來源，鑑於資源和技術的雙重集中，努力是要努力的，但主要取決於別國的產能和態度。

中國的氦氣暫時還無法自給自足

尋求多渠道進口氦氣也是一種保障氦資源安全的解決方法

（黑龍江駁船上生產氦氣的天然氣深加工技術裝置）

（圖：shutterstock）▼

當然，有的人可能想着太陽上不全是氦麼，能不能搞一點兒下來，這在技術難度上應該不亞於可控核聚變了，有這能力，基本上也不缺啥了。

中國的缺氦問題雖然很嚴峻，但辦法總比困難多，從2018開始，對外依存度一直在降，實現氦氣的穩定可持續供應，應該是可以期望的。

參考資料：

1. "China's Helium Shortage: Causes and Implications" - Teng et al., Energy Policy, 2018.

2. "Helium: A Squeaky Voice for China's Development" - Liu, S., Energy Science & Technology, 2019.

3. "Analysis of China's Helium Supply and Demand Situation" - Zhang et al., Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2020.

4."China's Helium Shortage and Strategies for Sustainable Supply" - Li et al., Resources, Conservation and Recycling, 2021.

5. 唐金榮，張宇軒，周俊林等. 全球氦氣產業鏈分析與中國應對策略[J] . 地質通報，2023，42（1）：1-13

*本文內容爲作者提供，不代表地球知識局立場

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