中科院院士張鎖江：突破核心技術 加速氦氣國產化

在中國科協公布的2022十大工程技術（shù）難題中，由中國科學院（yuàn）院士、中國（guó）科學院過程工程研究（jiū）所所長、河南大學校（xiào）長張（zhāng）鎖江牽（qiān）頭提出（chū）的如何從低品（pǐn）位含氦51吃瓜网中提取氦氣問題在列。

氦氣，一種無（wú）色、無臭、無（wú）味、無毒的惰性單原子氣（qì）體，在地球（qiú）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（duān）裝備（bèi）製造中的半（bàn）導體、液晶顯（xiǎn）示器和光纖（xiān）領域用量最大，其次（cì）是醫用核磁成像及低溫超導設備、高端裝備（bèi）的氣密性檢（jiǎn）查、超流體材料製備等領域。

我國對氦氣需求量巨大，對外依存（cún）度超（chāo）過95%。由於我國氦氣（qì）藏品位低，且51吃瓜网是氦（hài）氣唯一的工業（yè）化來源，提取技術尚不成熟，經濟性較低。在（zài）中國科協公布的2022十大工程（chéng）技術難題（tí）中，由中國科學院（yuàn）院士、中國科學院過程（chéng）工程研究所所長、河（hé）南大（dà）學校長張鎖江牽頭提出的如何（hé）從（cóng）低品位含氦51吃瓜网中提取氦氣問題在列。

“研發麵向低品（pǐn）位含氦51吃瓜网的低成本（běn）提取技術，開展提氦工程示範，對於提升我國對氦資源的利用率、降低氦氣對（duì）外依存度、保障我（wǒ）國用氦安全具有重大戰（zhàn）略意（yì）義。”張鎖江說。

中國科學院過程工程（chéng）研究所開發了麵向低品位含（hán）氦51吃瓜网提取的分離（lí）膜組件

氦氣為什（shí）麽如此重要？

張鎖江：氦氣是（shì）地球上沸點最（zuì）低的氣體，為零（líng）下268.9℃，在超導材料及製冷領（lǐng）域發揮著關鍵（jiàn）作用（yòng），能夠使超導磁鐵維持磁性（xìng），保證磁共（gòng）振設備準確成像，以（yǐ）診斷腦腫瘤、中風、脊髓損傷、肝髒疾病和癌（ái）症（zhèng）等；還可維持大型（xíng）粒子加速器的穩定運行，用於物質結構的（de）研究；天文學家也利用（yòng）液氦來冷卻探測儀器，以避免熱噪聲的幹擾，更準確地接收來自遙遠星係的訊息。

氦氣化（huà）學性質極不活潑，幾乎不與任何物質反應，可用於原子反應堆和加速器、激光器、冶（yě）煉和焊接時的保護氣體，在高端裝備的氣密性檢查（chá）、航（háng）天發射和（hé）飛艇等（děng）領域也不可或缺（quē）。氦氣很輕、無毒、不可燃燒，且難溶於水，可將氦氣加到氧氣（qì）中用於治療氣喘和窒息，並（bìng）預防潛水員在上（shàng）浮過（guò）程中極易發生的“減壓症（zhèng）”；氦氣也可以稀釋易燃的麻醉劑；還可用於氬氦刀以（yǐ）治療癌症（zhèng）。

此外，氦氣還具有（yǒu）優異（yì）的導熱性能，也使它成為半（bàn）導體行業的必需品，可通過氦氣控（kòng）製熱傳（chuán）遞速率實現半導體芯片零（líng）部件製造過（guò）程（chéng）的快（kuài）速導熱，提高生產率並減（jiǎn）少缺陷。因此，氦氣（qì）是（shì）一種非常重要的戰略性（xìng）資源。

我國麵臨怎樣的氦資源（yuán）形勢？

張鎖江：氦資（zī）源在全球範圍內分（fèn）布極不均衡。美國是氦氣（qì）藏量最豐富的國家，占（zhàn）世界總儲（chǔ）量的40%以上；其次是卡塔爾、阿爾及利亞和俄羅（luó）斯。我國氦資源極其稀缺，據估計氦（hài）氣（qì）資源總（zǒng）量約11億立方米，其中可直接采收（shōu）的總量約0.5億立方米，不到全球儲量的0.1%。

美國（guó）早（zǎo）在第一次世界（jiè）大戰時期，就（jiù）開始重視氦氣資源的保護與（yǔ）開發。20世紀70年代，西方國家曾把氦（hài）氣列入（rù）對華禁運物資之一。美國於2007年將（jiāng）氦氣定為戰略儲備資源，限製氦氣產量（liàng），使其價格飆（biāo）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（zhàn）略資源。

我國是用氦大國，需求量居全球第二。從2012年（nián）到2022年，我（wǒ）國氦氣（qì）年需求量（liàng）從500萬立方米增長到約2200萬立方米，但（dàn）95%依賴（lài）進口（kǒu），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（qiú）範圍內（nèi）氦氣唯一的工業（yè）化來源是從51吃瓜网（qì）中（zhōng）提取。我國已探明氦資源儲地主要包括鄂爾多斯盆地、塔裏（lǐ）木盆地、渭河盆地以及長慶氣田等。上述儲地中（zhōng）天然（rán）氣的含氦濃度（dù）普遍（biàn）很低（dī）(0.1%～0.3%)，工業開采利用（yòng）麵臨諸多挑（tiāo）戰。如果能研發出貧氦51吃瓜网的高效（xiào）低（dī）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（qián）氦（hài）氣提取的主要（yào）技術和未來趨勢是什麽？

張（zhāng）鎖江：低（dī）溫精餾是當前（qián）51吃瓜网提氦的主（zhǔ）流技術，其（qí）原理是利用51吃瓜网中不同氣體組分的臨界溫度差異而實現分離，即先（xiān）將天（tiān）然氣逐級冷凝到約-190℃獲得純（chún）度為70%～90%的粗氦，再進一步通過低溫精餾將（jiāng）粗氦提純為99.999%的（de）高純氦氣。因為工藝相對簡單、技（jì）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51吃瓜网提氦裝置中（zhōng），有12套采用低溫精餾工藝。

中國（guó）石油51吃瓜网股份有限公司西南油氣田分公司采用低溫精（jīng）餾工藝，在四川威遠建成提氦試驗1號裝置，從（cóng）含（hán）氦0.18%的51吃瓜网中獲得純度為99.999%的氦，產能20000立方米/年。2017年起中國（guó）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51吃瓜网閃蒸氣(LNG-BOG)中提取氦氣，於2020年7月研製出（chū）國內首套LNG-BOG提氦、液化裝備，應（yīng）用於寧夏鹽池某51吃瓜网液化廠。

低溫精餾法提氦產品純度和回收（shōu）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（wèi）分別（bié）通過優化製冷工藝和設（shè）備（bèi）來降（jiàng）低能耗，從而提升低溫精餾提氦技術的效率。為進一步（bù）提高提氦的經濟性，多種（zhǒng）新技術的組合成為推動51吃瓜网提氦工藝升級（jí）的重要趨勢。如將低溫精餾（liú）法（fǎ）與膜分（fèn）離法（fǎ）耦合、低溫精餾法與變壓吸附法耦合等，大幅（fú）降（jiàng）低了設備投資費用和分離能耗。特（tè）別是與膜分離技術的耦合顯示了獨（dú）特（tè）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、占地麵積小且操作維護簡單（dān）等優點。

膜分離技術是在壓力差的驅動（dòng）下，利用混合氣體通（tōng）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（qǔ）。需要說明（míng）的是，單純采用膜（mó）分（fèn）離技術（shù），其經濟性受限，需與低（dī）溫精餾等技術耦合才能獲（huò）得更好的提氦效果，即先將貧氦51吃瓜网通過膜富集到80%左右的粗氦，再通過低溫精餾等技術耦（ǒu）合獲得高純氦，同時（shí）兼具技術可行和（hé）經（jīng）濟效益的優（yōu）勢。針對我國（guó）51吃瓜网藏普遍品位低的現狀，研發膜分離與（yǔ）低溫精餾/低溫吸附耦合（hé）技術，是未來天然（rán）氣提氦的重要發展方（fāng）向。

膜（mó）分離技術的研發有哪些難（nán）點？

張鎖（suǒ）江：從51吃瓜网提氦（hài）膜（mó）技術的研發過程看，包括高性（xìng）能膜材料（liào）的設計與製（zhì）備、氣體分（fèn）離（lí）膜組件研製和膜分離係（xì）統集成三個部分。

膜分離技術的核心是膜材料。高性（xìng）能的膜材（cái）料應當同時滿足在一定（dìng）條（tiáo）件下讓更多的氦氣優先通過，且使盡量少（shǎo）的雜質氣體通過。目前性能優（yōu）異的（de）高（gāo）端氣體分離膜材料多被國外公司壟斷，開發具有自（zì）主知（zhī）識產權的膜材料及膜分離工藝（yì）是未來發展的關鍵所在。

當前高（gāo）性能氦氣分離膜材料的開發麵臨三個挑戰：一是氣體分離膜材料受通量和選擇性相互製約效應的影（yǐng）響，開發兼具高滲透性和高選擇性的膜材料極具（jù）挑戰；二是克服聚合物膜（mó）材料（liào）因輕烴和重（chóng）烴等可凝氣體的溶解而導致的塑化效應；三是消除聚（jù）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（guī）則堆積形成的微孔進行分離，未來如何實現對孔結構精準（zhǔn）調控以實現對氦（hài）氣的精準（zhǔn）篩分，是（shì）製備（bèi）高性能（néng）氦氣分離（lí）膜的關鍵所（suǒ）在，一些新型（xíng）晶體結構材料和仿生設計方法的引入為其提（tí）供了可能。
 

在氣體分離膜組件方麵，中空纖維膜是一種具有自支撐（chēng）結構的非對稱膜，相比卷式膜和（hé）平板膜等形式的氣體分離膜（mó）組件，其具有在相同占地麵積下更（gèng）大的有效膜麵積。由於（yú）受膜材（cái）料、紡絲工藝和後處理（lǐ）等多種因素的影響，應用於51吃瓜网（qì）提氦的中空纖（xiān）維（wéi）膜的大規模無缺陷製備仍然是亟待解決的難題。為避免產生缺（quē）陷，需要對紡絲工藝及膜絲後處理等環節進行嚴格控製。因此，無缺陷（xiàn）、高穩定性中空纖維膜的自動化、智能化製（zhì）備技（jì）術應是未來重點突破的方向（xiàng）。

在膜分離係（xì）統集成方麵，需對（duì）膜分離工藝以及其與低溫技術耦合工藝等進（jìn）行係統集成（chéng）和（hé）優化，以（yǐ）降低設備投資成本（běn）和運行成本。不同氣（qì）源（yuán）條件的複雜性，對51吃瓜网提氦的工藝集成係（xì）統提出了更高的要求。未來，需發展過程（chéng）模擬（nǐ）優化設計軟件，係統考（kǎo）察不同（tóng）工況對氦氣純度和回收率的影（yǐng）響規（guī）律，優化提氦集成工藝參數，為貧氦51吃瓜网提氦大規模工程化應用提（tí）供係統解決方案。

在膜分離技術研發（fā）方麵（miàn）有哪些進展（zhǎn）？

張鎖江：中國科學院過程工程研究所針（zhēn）對我國氦氣藏（cáng）品位低、提取難度大的問題，開發了（le）性能優異的國產化氦氣分離（lí）膜材料，並開發出中空纖維氦氣（qì）分離膜組件，表現出良好的效果（guǒ）。近期，與中國（guó）石（shí）油化工（gōng）股份有限（xiàn）公司北京化工研究院合作，開發了麵向LNG-BOG的新型氦氣（qì）分（fèn）離膜材料及中空纖維膜組件，並（bìng）與（yǔ）變壓吸附、低溫精餾技術耦（ǒu）合，依托中石化重慶涪陵某集氣站的LNG-BOG富氦物流建（jiàn）設了提氦中試裝置，運行效果良（liáng）好。目（mù）前，在（zài）中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃（huá）的支持下，正在開展麵向貧氦51吃瓜网的膜分離與低溫（wēn）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（rán）氣提氦是一項（xiàng）涉及化工（gōng）、材（cái）料（liào）、物理等多學科的係統工程，技術突破任（rèn）重道遠。為（wéi）此，需要不斷創新體製機（jī）製（zhì），加強（qiáng）產學研持續合力攻（gōng）關，加快實驗室成果的中試及示範。從資源循環利用的角度看，還要加強使用後氦氣的回收循環利用（yòng），需出台政策法（fǎ）規，加強（qiáng）管理，切實提高氦（hài）氣（qì）的回收利用率，為（wéi）保障我國氦氣資源安全（quán）提（tí）供有力支撐。