问题描述

氦气是国家重要战略稀有气体资源，在国防军工、高端医疗、电子制造和大科学装置等领域都发挥着不可替代的作用。我国对氦气的需求量极大全球第二，但超过95%的氦气都依赖进口，是严重的“卡脖子”气体。氦气通常是与天然气伴生的，我国已发现的氦气藏普遍品位低，其中浓度低于500 ppm的气藏约占一半，低品位含氦天然气因提取困难而未得到充分利用，造成了严重的资源浪费，因此开发面向贫氦天然气的低成本提取技术是保障我国氦资源安全的关键难题。气体分离膜技术因分离过程不涉及相变，具有绿色、高效、节能的显著优点，为低成本天然气提氦提供了新机遇。开发气体分离膜与低温吸附或者低温精馏的耦合提氦技术被认为是实现低成本天然气提氦的有效途径，即通过膜分离富集的粗氦再经低温吸附或低温精馏得到高纯氦。膜富集得到氦气的纯度决定了低温吸附或低温精馏的设备投资和运行成本，因此膜分离技术也是实现低成本天然气提氦的关键。膜分离技术的核心是膜材料，开发具有自主知识产权的高性能天然气提氦膜材料与膜组件，并考察膜分离性能与低温技术耦合及经济性的关联对于我国低成本天然气提取和保障氦资源安全具有重要意义。

问题背景

氦是一种不可替代、关系国家安全和高新技术产业发展的重要战略资源。美国早在一战起，就开始重视氦资源保护与开发。 20世纪70年代，西方国家曾把氦气列入对华禁运物资之一， 2007年美国将氦气核定为战略储备资源，2018年又列入35种危机矿种。俄罗斯也在积极推动立法，将氦气作为重要的战略资源限制出口。氦气资源在世界范围内的分布极不平衡，其中美国是世界上氦资源最丰富的国家，占世界总储量的 40%以上。我国已探明氦气储量11亿立方米，其中可直接采收的氦资源总量不到全球 0.1%，我国氦气几乎全部依靠进口。美国不仅氦资源占有率全球最高，还通过资本等方式控制其他国家的氦资源，我国氦气的最大来源国卡塔尔地处波斯湾腹部，极易受到地区局势的影响存在隐患。我国已探明的天然气田中氦气浓度普遍很低，开采提取非常困难；此外，这些氦气由于浓度极低大部分直接进入天然气管网中而未加提取利用，造成了巨大的资源浪费。据分析，若上述氦气资源能得到有效提取和利用，可满足我国约40%以上的氦气需求，大大缓解我国氦资源被“卡脖子”的现状。

最新进展（截止问题发布年度）

目前规模储量的氦气均来自天然气伴生气，天然气提氦常采用低温精馏法，例如美国14套天然气提氦装置中除两套外均采用低温提取工艺，通常先制取纯度为50~70%的粗氦，然后将粗氦提纯为99.999%纯度的高纯氦。在国内，已经逐步开展了低温精馏、低温吸附、变压吸附、氦液化等多项关键技术的研发。例如：中国石油西南油气田公司在四川威远建成提氦试验1号装置，采用低温精馏工艺，从含氦0.18%的天然气中提氦到99.999%，产能2万m3/年。2017 年起中科院理化所等相关单位，采用低温精馏结合低温纯化/液化等技术，从液化天然气不凝气（LNG-BOG）中提取氦气，于2020年7月研制出国内首套 LNG-BOG提氦、液化装备，并应用于宁夏盐池天然气液化厂。2020 年 8 月，四川空分设备有限责任公司采用低温精馏与低温吸附技术，从BOG 中提氦，得到高纯氦气，产能达40~80 万m3/年。虽然国内提氦技术得到一定发展，但是由于氦气是目前已知沸点最低的气体，采用低温精馏最大的问题是能耗极大且设备投资大，特别是我国氦资源品位低，直接采用低温精馏技术极大增加了设备的投资和负荷，严重制约了提氦的经济性。同时由于氦气的临界温度极低（5.2 K），通过传统的热力学吸收方法也很难实现氦气的提取分离。因此，如何发展高效、低成本的提氦新技术对于提高我国氦资源的利用率、维护氦资源安全具有重要意义。

重要意义

开发面向贫氦天然气提氦的膜材料并实现膜组件的规模化制备，在此基础上开发膜分离与低温吸附或低温精馏的耦合提氦技术对于提高我国氦资源的利用率、维护氦资源安全具有重要意义。该工程技术难题的突破对于低浓度、高附加值气体提取技术的发展产生重要的引领作用，将极大推动气体分离膜特别是膜组件的国产化和低温分离技术的发展。此外，该工程技术难题的突破也将形成适合我国国情的具有自主知识产权的低品位天然气提氦成套技术，减少我们氦资源的浪费并降低对外依存度，为我国高温气冷堆、低温超导、电子制造、医疗检测和大科学装置等的发展提供有力保障。