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氦气全球市场及我国氦气安全保障的建议

发布时间:2017.09.24

氦气全球市场及我国氦气安全保障的建议

转自低温与特气

摘要:介绍了氦气资源在全球的分布及当今全球氦气生产情况,评估了各主要氦气供应国的生产情况和供应能力,分析了国际氦气市场的供应格局。结合我国氦气的产能情况,提出了我国氦气安全保障的建议。

   氦(He)在整个宇宙中是含量仅次于氢的气体,按照质量达23%。但氦在地球中含量极少,空气中氦的含量仅为5×10(6次方),不具备工业提取价值,因此从富氦天然气中提取是目前仅此的获取氦的方法。  

   氦气的许多特殊性质决定了它在很多领域发挥不可替代的作用。氦气是仅次于氢的第二轻的气体,且不可燃,是用做气球飞艇等载气的理想气体;氦气的分子尺寸较小,可用做检漏;氦具有非常高的比热和导热性能,可在光纤生产中做气态冷却介质; 氦气具有较低的溶解性,可用作深海潜水的呼吸气;氦气的沸点较低,是低温超导领域的必须介质;氦气的低沸点及惰性,氦气在以液氢为燃料的航天运载火箭发射工程中被广泛用于管路安全置换、火箭贮箱安全置换和飞行过程中火箭贮箱的增压补气以及部分低温部件的安全吹除。

1.氦气全球市场

1.1世界范围内氦气资源分布

   氦气资源在世界范围内的分布非常不平均,美国是世界上氦资源较丰富的国家,虽然已大规模开采60多年,但氦气藏量仍占世界总储量的40%以上。根据美国地质调查局2009年的调查报告:美国、阿尔及利亚、卡塔尔和俄罗斯拥有世界89%的氦资源。美国的氦气资源预计约200亿m3,卡塔尔100亿m3,阿尔及利亚82亿m3,俄罗斯68亿m3,加拿大20亿m3,中国11亿m3,波兰3亿m3。而截至到2010年,已探明的剩余氦气储量,美国为40亿m3,阿尔及利亚为18亿m3,俄罗斯为17亿m3,波 兰为0.33亿m3.

  世界范围内氦气资源的品质差异也非常大,世界氦产量较大的美国中东部地区的天然气中氦气平均含量约为0.8%,个别天然气田中高达7.5%,而国内现有的天然气田的天然气氦含量极低,属贫氦天然气,氮含量较高的威远天然气田氦含量也仅为0.2%。

1.2全球氦气生产情况

  目前,美国仍是世界上较大的氦气生产和供应国,其次为阿尔及利亚、卡塔尔、俄罗斯和波兰(上述五国被称为氦五国)。其他国家目前尚无对外商品化输出氦气的能力。表1是2011年及2012年全球主要氦气生产国氦气产量旧J。从表中数据来看,目前全球氦气生产总量中,美国占76%,阿尔及利亚占11%,卡塔尔占7%,俄罗斯和波兰分别占4%和2%。

表1世界各国氦气产出情况

Table 1Helium production  in  the world

 

注:“+”后数据表不来自以前贮藏的氦;“NA”表不未提供数据;“一”表示未获取数据。

   世界范围内氦气的产能是充足的,2010年12月数据显示,全球A级氦气产能约为2.47亿m3/a,其中美国产能1.77亿m3/a。此外,世界范围内陆续有新装置投入建设或计划投产。美国2009年投产氦装置一套,2010年有2套新装置开工建设。德国林德气体公司在澳大利亚的430万m3氦气生产装置于2010年3月宣布正式投人生产。卡塔尔2003年开始生产氦气,当时原工厂即卡塔尔一期授予法国液化空气公司和德国林德公司该工厂年产2000万m3氦气的权利。而新的卡塔尔二期项目具有3800万m3/a的生产能力,预计新工厂将于2013年开始运营(有报道称法液空已经启用了该装置),合同有效期为20 a。俄罗斯也有计划在东西伯利亚和远东地区建立新的现代化的氦气生产工厂,根据联邦能源部的评估,科维克京区块天然气储量大,天然气中氦气含量高达0.22%~0.26%,是东西伯利亚氦气开采项目中条件较为成熟的。目前全球氦气的产量远未达到评估预期,全球氦气市场出现供不应求的局面,这是由多方面原因造成的。首先,美国限制了对新区块的开发以及老区块资源的枯竭,使得美国的氦气产量出现衰退的趋势,依据美国内政部陆地资源管理局(BLM)氦气办公室的统计报告,美国除了两大主要的富氦的天然气田外(怀俄明州西南的Riley Ridge气田和从堪萨斯州西南到奥克拉荷马州与德克萨斯州的Hugoton气田),其他大部分富氦的天然气田,如西弗吉尼亚州的Panoma气田,在2000年后已进入田开发的衰竭期。随着这些气田的耗尽,未来氦的生产将可能转向从贫氦天然气资源中提取。目前,美国现有的22套氦提取装置也只有19套开工生产。其次,全球其他各国的氦供应能力不足。有资料称,尽管阿尔及利亚的氦资源开采量估计在1.50×108 m3/a,但实际的氦生产量不足0.25 X 108  m3/a,不足其可开采量的20%,氦气供应能力严重不足。此外,一些氦装置有可能因为故障检修或其它因素(如工人罢工、季节性停工)停车,导致生产能力下降,例如阿尔及利亚的Skikda和卡塔尔的氦工厂曾因 或CO:堵塞事故而大规模减产,导致了局部地区氦气供应情况出现波动。

1.3全球氦气供应格局

   图1为2008年世界氦供求图,该年全球氦市场1.84亿m3,(约21亿美元),其中美国市场0.81亿m3,约占44%,欧洲市场0.48亿m3,约占26%,亚洲市场0.42亿m3,约占23%(主要是日本)。在氦五国中,波兰是一个老牌氦供应国,波兰的氦业务目前由Linde负责,近年来每年向世界供应氦气约为300万m3,主要供应欧洲市场。俄罗斯近年来每年开采的氦气量达500万~600万m3,而需求仅为100万m3,剩余部分液化后一直以来主要供应西欧,直到2011年2月,俄罗斯先位罐运到韩国釜山港,标志着俄罗斯开始供应亚洲市场,这增加了俄罗斯对亚洲市场的竞争力,同时加快了俄罗斯开发西伯利亚和远东地区含氦天然气的规划。卡塔尔是氦五国中较晚开始供应氦的国家,但具有强大的潜力,卡塔尔平均每年向世界供应氦气1120万m3,近年供应量约为1 500万m3/a,2011年占氦五国供应量的7%。目前卡塔尔生产的氦主要出口到太平洋地区。报道称2013年法液空负责的卡塔尔二号工厂(总产能3  800  m3/a,法液空负责50%份额)已经投入运行,卡塔尔的氦气产能已经超过阿尔及利亚成为现今世界第二大氦生产国和供应国,占目前世界氦产能的25%。阿尔及利亚是仅次于美国的供应国,从1995年开始,阿尔及利亚开始向世界供应氦,近年来阿尔及利亚的供应能力从1520万m3提升为2 000万m3,约占氦五国总供应量的11%。阿尔及利亚生产的氦气主要供应欧洲市场。

 

   在氦五国中美国一直是较大的生产国和供应国,在国际氦气市场上拥有肯定的话语权。近年来,美国向世界供应约1.3亿一1.4亿m3氦气,随着国内市场的萎缩,美国氦气出口量在2008年开发 超过国内供应量并一直保持增长趋势。美国生产氦气供应全球市场,主要供应亚洲,欧洲及美洲市。

2.国内氦气供应情况

   与美国等国家相比,我国现有天然气中氦含量极低,属贫氦天然气,在国内设立天然气提氦生产厂经济条件不成熟。为保障国防、军工氦气需求, 成都天然气化工总厂建造了国内仅此一套天然气提氦装置,该装置利用四川自贡威远的天然气提取进行提氦。由于天然气中氦含量偏低(0.2%),成化厂制 备精氦的成本高于国外精氦的销售价格。但成化厂提氦装置的建立使我国具备了自主生产氦气的能力。为进一步提高我国国防军工用氦的保障能力,投资约1.1亿元的荣县天然气提氦装置于2010年6月在荣县东兴镇正式开工建设。中石油西南油气 田分公司下属的蜀南气矿和成都天然气化工总厂为项目实施业主。

   由于我国氦资源蕴藏量少,品质差,造成我国的 氦气不仅产量低,而且提取成本高。除成化厂自产的氦气外,我国大部分氦气主要依赖进口,由跨国公司普莱克斯、空气产品、林德、法液空、岩谷气体等控制,国内供应商所占的份额很少,且以外资企业和合资企业为主,氦气供应渠道缺乏保障。根据海关统计数据,我国2005年进口氦气达到200万m3, 2012年进口的氦气总量达到500万m3,并且以每年8%速度增长。

3.我国氦气安全保障的建议

针对国内氦气资源匮乏,氦气产量严重不足的现状和国际市场氦气供需矛盾不断加剧的趋势,国内氦气安全供应及保障应采取如下策略应对。

 3.1 构建多元化的供应体系

   我国氦气供应应尽早摆脱一边倒格局,构建多元化的供应体系。目前,国内进口氦气供应商空气产品、法液空、林德和普莱克斯等公司虽属于不同国家的企业,但氦气的源头主要还是美国,国内氦气供应呈现一边倒的格局。同为东亚市场的日本也曾面临过相同的问题,由于上世纪日本电子产业快速发展,氦气需求增长也非常快。日本的氦气进口几乎全部依赖于美国,相关产业受氦气供应价格和政策变化的冲击显眼。为了摆脱这种局面,2006年日本开始从卡塔尔进口氦气,谋求改变氦供应上受制于美国的现状。由于卡塔尔新一期氦气提取装置的运行,中东地区将成为世界氦供应的另一个重要源头,考虑到卡塔尔的氦气储量,未来卡塔尔在世界氦气市场中的地位将不断提高,因此,中国应逐步建立从卡塔尔进口氦的渠道,加大从中东地区输入氦气的比例。另一方面,澳大利亚达尔文也有新的氦提取装置运行,虽然产量远不及美国及卡塔尔的产量,但澳大利亚到中国的海上运输通道畅通,因此澳大利亚也可作为我国氦进口的来源之一。多元化的供应体系将降低我国氦供应的风险,使我国在面对国际市场变化时采取更从容的应对措施。

3.2加强开发合作

   加强与俄罗斯在远东地区的开发合作,获得在俄罗斯的氦气优先购买权利。俄罗斯作为欧洲市场氦供应商每年向欧洲供应约400万~500万m3氦气,近年来已开始向韩国供应氦。虽然俄罗斯的氦产量不高,但俄罗斯的氦资源储量非常巨大,据俄罗斯测算,东西伯利亚和雅库特地区集中了世界氦气储量的30%,同时这一地区生产的天然气中氦的含量非常高,达到0.15%~0.6%,具有工业提取价值。考虑到中国与俄罗斯建立的战略协作关系和俄

   罗斯国家政策相对欧美国家的独立性,中国从俄罗斯进口氦应成为未来中国氦保障的一个重要方向。以天然气方式从俄罗斯获得氦无疑对中国来说是一举两得的方案。但随着全球氦气市场供应萎缩,俄罗斯看到了成为氦气主要供应商的商业机会。俄罗斯天然气工业股份公司(Gazprom)积极推动的联邦法律《氦法》和联邦规划《俄罗斯的氦》以及俄联邦政府高层委托俄联邦能源部起草的《提高俄罗斯液化天然气产量纲要》一旦实施就将彻底封死中国以天然气方式从俄罗斯获得氦的设想Mj。Gazprom同时认为,提高俄罗斯氦气产量的出路是在东西伯利亚和远东地区建立新的现代化的氦气生产工厂。在俄罗斯资金缺乏的情况下,中国进行投资与俄罗斯共同开发远东地区氦资源,俄罗斯给予中国一定产品份额购买权的合作方案无疑对中俄双方是双赢的局面。

3.3开展氦储备工作

   目前,国内的氦气产能严重不足,国际市场又被少数国家垄断,氦气价格一直快速增长,中国每年进口氦气经济代价非常高昂。商品价格可以用钱 来衡量,如有必要,可以不惜成本进口,但氦资源作为一种战略物资无法单纯利用市场规律来考量。由于氦气在低温及航天发射领域的不可替代性,在国际形势突变的特殊情况下,国际氦气贸易市场就将成为敏感度极高的地带,西方国家极有可能联合起来重新实施物资禁运。为保障特殊国际形势下国防安全及国家重大战略计划的顺利进行,开展氦气储备工作就成为保障特殊国际形势下军事任务及国家重大科研试验任务的必要手段。

3.4发展废氦提纯技术

   发展废氦提纯技术,加强氦气资源回收利用。目前国内氦气应用领域中除作为飞艇载气的氦气回收外。其它领域使用的氦气均没有回收利用"1。氦气回收利用未大量普及的原因一方面是很多行业受现场工况制约,无法完成废氦的收集,另一方面很多行业废氦气成分复杂,回收提纯的成本要远高于直接购买新的氦气,导致企业回收利用废氦的驱动力不足。诺贝尔奖获得者罗伯特·理查森认为只有当前的氦气价格提高二十至五十倍,才能表明氦所具有的价值,从而提高人们回收利用氦资源的积极性。氦作为一种有限资源,其重要性已随着消耗量的不断增加及全球氦资源储采比的下降不断凸显。研制新型效率高 的纯化设备,开发低成本的纯化工艺不仅可以降低企业用氦的成本,而且可以减少氦气的整体需求量。我国是一个贫氦国家,氦气主要依靠进口,因此氦资源的回收循环利用对我国氦供给安全具有非常重大的意义。

3.5开发先进提氦技术

   开发先进提技术,提高资源的利用率。我国氦气资源贫乏,含量低,提取难度大,成本高。原有的天然气提氦技术中,主要采用低温冷凝法将氦气从天然气中分离出来,由于氦气的液化点远低于天然气,因此液化天然气是提氦工业的副产物,一般天然气中氦气含量高于0.15%就具有了工业提取价值。而我国的天然气中氦气含量往往只有几十或几百个ppm(10。6),不具备工业提取的价值。近年来,液化天然气(LNG)产业兴起,仅我国内地就已建有多套13处理量100万m3天然气的LNG站。在LNG生产过程中,由于天然气被冷凝,作为杂质的氦气在气相中被富集起来,浓度可较原料气中提高上百倍,甚至可以高于1%的浓度,远高于工业提取设定的参考线。据估算,如尾气中氦气浓度达到3%,一套日处理量100万m3的LNG装置每年氦气产量就可以达到10万m3。因此研究如何从液化天然气不凝尾气中提取氦气的技术对于我国氦气产业将产生变革性的影响,对于提高我国氦气生产的经济性、保障国家氦气供应安全和促进国内提氦技术的发展具有重要意义。

4结语

   由于氦气的稀有性、有限性、资源分布的严重不平衡性,以及工业、军事、诊治、航天等领域对氦气的依赖性,氦气已成为一种重要战略资源。从当前国际氦市场的供需情况及氦供应国的生产情况分析,氦气价格上涨是必然趋势。未来氦气资源很可能成为氦气供应国实施贸易战的依仗。从我国国情出发,只有实施针对性的策略建立国家性质的氦气保障体制,才能降低国际氦气贸易市场波动时对我国正常经济建设、科研试验任务及航天等军事任务所受的影响,保障国家的战略安全。

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