瞭望丨中國科學院院（yuàn）士 張鎖江：突破核心技術 加速氦氣國（guó）產化

      我國氦資源極其稀缺，據估（gū）計氦氣資源總（zǒng）量約11億立方（fāng）米，其中可直接采收的總量（liàng）約0.5億立方米，不到全球儲量的0.1%

    研發麵向低品位（wèi）含（hán）氦51吃瓜网的（de）低成本提取技術，開展提氦工程示範，對於提（tí）升我國對（duì）氦資源的（de）利用率、降低氦氣（qì）對外依存度、保障我（wǒ）國用氦安全具有重大戰略（luè）意義

    目前（qián），全球範圍內氦氣唯一的工業化來源是從51吃瓜网中提取。我（wǒ）國已探明氦資源儲地主要包括鄂爾多（duō）斯盆地、塔裏木盆地、渭（wèi）河盆（pén）地以及長慶氣田等。如果能研發出貧氦51吃瓜网的（de）高（gāo）效低成本提取技術，使得上述（shù）氦氣資源得（dé）到開發利用，可滿足我（wǒ）國40%以上的需求

中國（guó）科學院過程工程研究所開發了麵向低品（pǐn）位含氦51吃瓜网提取的分離膜組件（2023 年 3 月攝（shè））受訪者供圖

    氦（hài）氣，一種無色、無（wú）臭、無味、無毒的（de）惰性單原子氣體，在地球上的含量（liàng）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（hé）經濟命脈（mò）的戰略性資源，在眾多領域中都發揮著不可替代的（de）作用。在高端裝備製造中（zhōng）的半導體、液晶顯示器和光纖（xiān）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、超流體材料製備等領域。

    我國對氦氣需求量巨大，對（duì）外依（yī）存（cún）度超過95%。由於我國氦氣（qì）藏品位低，且51吃瓜网是氦氣唯一（yī）的工業化來源，提取（qǔ）技（jì）術（shù）尚不（bú）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（kē）學院院士、中國科學院過（guò）程工程研究所所長、河（hé）南大學校長（zhǎng）張鎖江牽（qiān）頭（tóu）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（zài）列。

    “研發麵向低（dī）品位含氦51吃瓜网的低（dī）成本提取技術，開（kāi）展提（tí）氦（hài）工程示範，對於提升我國（guó）對氦資源的利用率、降低氦氣對外依存（cún）度、保障我國用氦安全具有重大戰略意義。”張鎖江在接受《瞭望》新聞周刊記者專訪時表示。

    氦氣是戰略儲備資（zī）源

    《瞭望》：氦氣為什（shí）麽（me）如此重要？

    張鎖江：氦氣是地球上沸點最低的氣體（tǐ），為零下268.9℃，在超導材料及製冷領域發揮著關鍵作用，能夠使超（chāo）導磁鐵（tiě）維持磁性，保證磁共振設備準確成（chéng）像（xiàng），以診斷腦腫瘤、中風、脊髓損（sǔn）傷、肝髒疾病和癌症等；還可維持大型粒子加速（sù）器的穩定運行，用於物質結構的研究；天文（wén）學家也利用液（yè）氦來冷卻探測（cè）儀器，以避免熱噪（zào）聲的幹（gàn）擾（rǎo），更準確地接收來自遙遠星係的訊息。

    氦氣化學性質極不活潑，幾乎不與任何（hé）物質反應，可用於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（hé）飛艇等領域也不可或缺。氦氣很輕（qīng）、無毒、不可燃燒，且（qiě）難溶於（yú）水，可將氦氣（qì）加到氧氣中（zhōng）用（yòng）於治療（liáo）氣喘和窒息，並預防潛水員在上浮過程中極易發生（shēng）的“減壓症”；氦（hài）氣也（yě）可以稀釋易燃的麻醉劑；還可（kě）用於氬氦刀（dāo）以治（zhì）療癌症（zhèng）。

    此外，氦氣還具有優（yōu）異的（de）導熱（rè）性能，也使它成為半導體行業的必需品，可通過氦（hài）氣控製熱傳遞速率實現半導（dǎo）體芯片零部件製造過程的快速（sù）導熱，提高生產率並減少（shǎo）缺陷（xiàn）。因此，氦氣是一種非常重要的戰略性資源。

    《瞭望》：我國麵臨怎樣的氦資源形勢？

    張鎖江：氦資源在全球（qiú）範圍內分（fèn）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（yǐ）上（shàng）；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（zhōng）可直接采收的總量約0.5億立方米，不到全球儲量的（de）0.1%。

    美國早在第一次世界大戰時（shí）期，就（jiù）開始重視氦氣資源的保（bǎo）護與開發。20世紀70年（nián）代，西方國家曾把氦氣列（liè）入對華禁運物資之一。美國於2007年將氦氣定為戰略儲備（bèi）資源，限製（zhì）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（lù）。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（jū）全球第二。從2012年（nián）到2022年（nián），我國氦氣年需求（qiú）量從500萬立方米（mǐ）增長到約2200萬立方米，但95%依賴進（jìn）口，國產僅5%。其中從（cóng）卡塔爾進口量最多，占總（zǒng）進口量的50%以上。

    目前（qián），全球範圍內氦氣唯（wéi）一的工業化來源（yuán）是從天（tiān）然（rán）氣中提取。我國已探明氦資源儲地（dì）主要包括鄂爾多斯盆（pén）地、塔裏木盆地、渭河盆地以及（jí）長慶氣田等。上（shàng）述（shù）儲地（dì）中51吃瓜网的含氦濃度普遍很低（0.1%～0.3%），工業開采利用麵臨諸多挑戰。如果能研發出貧氦51吃瓜网（qì）的高效低（dī）成本提取技術，使得上述氦（hài）氣資源得到開發（fā）利用，可滿足我國40%以上的需求。

    組合技術是重要方向（xiàng）

    《瞭望》：當（dāng）前氦氣提取的主要技術和未來趨勢是什麽？

    張鎖江：低溫精餾是當前51吃瓜网提氦的主流技術，其原理是利用51吃瓜网中不同氣體組分的臨界溫度差異而（ér）實現分離，即（jí）先將51吃瓜网逐級冷凝到約-190℃獲得（dé）純度為70%～90%的粗氦，再進一步通過低溫精餾將粗氦提純（chún）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（fàn）的提氦方法。據（jù）統計，美國14套51吃瓜网提氦（hài）裝置中，有（yǒu）12套采用（yòng）低溫精餾工藝。

    中國石（shí）油51吃瓜网股份有限公司西南（nán）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（hào）裝置，從含氦0.18%的天（tiān）然氣中獲得純度為99.999%的（de）氦（hài），產能2萬立方米/年。2017年（nián）起中國科學院理化技術研究所聯合相關企業，采用（yòng）低溫精餾結合低（dī）溫液化等技術，從液化天然（rán）氣閃蒸氣（LNG-BOG）中（zhōng）提取氦氣，於2020年7月研製出國內首套LNG-BOG提氦（hài）、液化裝備，應用於寧夏鹽池某天（tiān）然氣（qì）液化廠。

    低（dī）溫（wēn）精餾法提氦產品純度和回收率（lǜ）較高，但生產成本高、設（shè）備投資大、能（néng）耗高。近年來，各相關單位分別（bié）通過優化製冷工藝和設（shè）備來降（jiàng）低能耗，從（cóng）而提升低溫精餾提氦技術的效（xiào）率。為進一步提高（gāo）提（tí）氦的經濟性，多種新技術的組合成為推動51吃瓜网提氦工（gōng）藝升級的（de）重要趨（qū）勢。如將低溫精餾法與膜分離法耦合、低溫精餾法與變壓（yā）吸附法耦合等，大幅降低了設備投資費（fèi）用和分離能耗。特別是與膜分離技術的耦合顯（xiǎn）示了獨特的優勢，膜分離是一種綠色可持（chí）續的無相變分離技術（shù），具有成本（běn）低、能效（xiào）高（gāo）、占地麵積小（xiǎo）且操作維護簡單等優點。

    膜分離技術是在壓力差的驅動（dòng）下，利用混合（hé）氣體通過氣體分離膜時（shí）滲透速率的不同，實現各（gè）組分的分離及氦氣（qì）的提取。需（xū）要說明的是，單純采用膜分離技（jì）術，其經濟性受（shòu）限，需（xū）與低溫（wēn）精餾等技術耦合才能獲得更好的提（tí）氦效果，即先將貧氦天然（rán）氣通過膜（mó）富（fù）集到80%左右的粗氦，再通過（guò）低（dī）溫（wēn）精餾等技術耦（ǒu）合獲得高純氦，同時兼具（jù）技術可行和經濟效益的優勢。針對我國51吃瓜网藏普（pǔ）遍品（pǐn）位低的現狀，研發膜分離與低溫精（jīng）餾/低溫吸附耦合（hé）技術，是未來51吃瓜网提氦的重（chóng）要發展方向。

    正進行膜（mó）分離（lí）與低溫吸附耦合技（jì）術攻（gōng）關

    《瞭（liǎo）望》：膜分離技術的研（yán）發有哪些難點？

    張鎖江：從51吃瓜网（qì）提氦膜技術的研發過程看，包括高性能膜材料的設計（jì）與製備、氣體分離膜組件研製和膜分離（lí）係統集成三個（gè）部分。

    膜分離技術的核心是（shì）膜材料。高性能的（de）膜材料應當同時滿足（zú）在一定條件下讓更多的氦氣優先通過，且使盡量少的（de）雜質氣體（tǐ）通過。目前（qián）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（lí）工藝是未來發（fā）展的關（guān）鍵所在。

    當前高性能氦氣分離膜材料的開發麵臨三個挑戰（zhàn）：一是氣體分離膜材料受通量和選擇（zé）性相互製約（yuē）效應的（de）影（yǐng）響，開發兼具高滲透性和高（gāo）選擇性的膜材料極具挑戰；二是克服聚合物膜（mó）材料因輕烴和（hé）重烴等可凝（níng）氣體的溶解而導致的塑化效應；三是（shì）消除聚合物膜材料長時間運（yùn）行過（guò）程中的老化問題。目前的高分子膜（mó）材料主要依靠鏈段無規則堆積形成（chéng）的微孔進行分離，未來（lái）如何實現對孔結構精準調控以（yǐ）實現對氦氣的精準篩分，是製備高性能氦氣分離膜的關（guān）鍵所在，一些新型晶（jīng）體結構材料和仿生設計方法的（de）引入為其提供了可能。

    在氣體分（fèn）離膜組（zǔ）件方麵，中空（kōng）纖維膜是一種（zhǒng）具有自支撐結（jié）構的非對稱膜，相比卷式膜和平板膜等形式的（de）氣體分（fèn）離膜組件，其具有在相同占地麵積下更大的有效膜麵積。由於受膜材料、紡絲工藝和（hé）後處理等多種因素的影響，應用於51吃瓜网提氦的中空纖維膜的（de）大規模無缺陷製備（bèi）仍然是（shì）亟待解決的難題。為避免產生缺陷，需要對紡絲工藝及膜絲（sī）後處理等環節進行嚴格控製（zhì）。因此，無（wú）缺陷、高穩（wěn）定性中空纖維膜的自動化、智能化製備技術應是未來重點突破的方向（xiàng）。

    在膜分離係統集（jí）成方麵，需對膜分離工藝以及其與低溫技術耦合工藝等（děng）進行係統集成和優化，以降低設備投資成本（běn）和運行（háng）成本。不同氣源條件的複雜性，對51吃瓜网提氦（hài）的工藝集成係統（tǒng）提出了更高的要求。未來，需（xū）發展過程模擬優化設計軟件，係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51吃瓜网提氦（hài）大規模工程化應用提供係統解決（jué）方案（àn）。

    《瞭望》：你帶領團隊在膜分離技術研發方麵有哪些進展？

    張鎖江：中國（guó）科學院過程（chéng）工程研究所針對我國氦氣藏品位低、提（tí）取難度大的問題，開發了性能優異（yì）的國產（chǎn）化氦氣分離膜材料，並開發出中空纖維氦氣分離膜組件，表現（xiàn）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，開發了麵向LNG-BOG的新型氦氣分離膜材料及中空纖維膜組件，並與變壓吸附、低溫精餾（liú）技術耦合，依托中石化重慶涪（fú）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（dìng）支（zhī）持基礎研究領域青（qīng）年團隊計劃的支持下（xià），正在開展麵向貧氦天（tiān）然氣的（de）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（yì）。

    低品（pǐn）位51吃瓜网提氦是一項涉（shè）及化（huà）工、材料、物理等多學科的係統工程，技術突破任重道遠。為此，需（xū）要不斷創新體製機製，加強產學研持續合力攻關，加快實（shí）驗室成果（guǒ）的中試及示範（fàn）。從資源循環利用的角（jiǎo）度看，還要加強使用後氦（hài）氣的回收循環利用，需出台政（zhèng）策法規（guī），加強管（guǎn）理，切實提高氦氣的回收利用率，為保障我國氦氣資（zī）源安全提供（gòng）有力支撐（chēng）。