氦（He），这一高科技领域的珍稀气体，其战略重要性在我国尤为凸显，鉴于我国是氦资源相对匮乏的国家，对氦的获取与利用策略显得尤为关键。本文深入剖析了全球氦资源的分布情况，并审视了我国在当前氦资源利用上的现状与技术进展。特别地，文章详尽阐述了从天然气中提取氦气的多种先进技术，包括吸收法——通过特定溶剂吸收氦气实现分离；吸附法——利用吸附剂的选择性吸附能力来富集氦气；水合物法——借助氦气形成水合物的特性进行提取；膜分离法——利用膜的选择透过性将氦气与其他成分分离开来；低温法——通过降低温度使氦气液化进而分离；以及联合法——结合上述多种技术的优点，实现更高效、更经济的氦气提取。这些技术的详细介绍，不仅展现了提氦技术的多样性，也预示了我国在氦资源战略上不断探索与创新的决心。
1 世界氦资源分布
氦资源广泛存在于大气层、水体系统、煤系地层以及石油与天然气储层等自然环境中。然而，直接从大气与水体中高效提取氦气资源面临着技术难题，目前尚未实现工业化应用。相比之下，从富含氦气的天然气中提取氦气，已成为全球范围内唯一实现工业规模生产的方法。根据天然气中氦气的含量（以体积分数计），可将其划分为贫氦气藏（小于0.05%）、富氦气藏（大于0.1%）及具有显著商业开发价值的（大于0.3%）。当前，市场上约90%的氦气供应来源于氦含量超过0.1%的天然气资源。这些富氦天然气藏主要集中于地质历史悠久的四大区域：西伯利亚辽阔地带、北美大陆的中心部分、非洲北部的古老地块，以及欧洲东部的地台区域。
2 提氦技术现状
从氦资源的获取途径出发，提氦技术可细分为天然气分离、合成氨尾气回收、空气分离、铀矿提取以及地热水提氦等多种方式。在这些技术中，天然气提氦技术凭借其成熟度与效率，成为目前全球唯一实现大规模工业化生产氦气的手段。本文聚焦于天然气分离提氦技术进行深入探讨。
该工艺的核心步骤包括两个阶段：首先，通过一系列处理流程将天然气中的氦气浓缩至体积分数为50%至70%的粗氦气；随后，对粗氦气进行进一步精制，以达到A级氦的纯度标准。在众多天然气提氦技术中，吸附法（特别是变压吸附PSA）、低温法、膜分离法以及将这些技术有机结合的联合法，因其高效性与经济性而备受青睐。
以2014年的美国为例，其国内建有17套大型提氦工业化装置，充分展示了该技术的广泛应用。其中，12套装置采用了低温技术，凭借其在高纯度氦气生产中的卓越表现占据主导地位；而另外5套则创新性地结合了PSA与膜分离技术，通过这两种技术的互补优势，实现了提氦效率的进一步提升。
2. 1 吸收法
吸收法是一种特定的氦气提取工艺，它依赖于特定的液态溶剂（如氟烃或烷烃）作为氦气的吸收介质。在操作过程中，含有氦气的原料气与这种液态溶剂进行逆流接触，通过物理或化学作用，将原料气中的氦气成分有效转移到溶剂中，从而实现原料气的初步纯化。此方法特别适用于处理那些杂质含量较低且氦气浓度相对较高的原料气源。然而，值得注意的是，单独使用吸收法往往难以直接获得高纯度的氦气产品，因此在实际应用中，它通常需要与其他提纯技术（如低温法、吸附法等）相结合使用，以进一步提升氦气的纯度，满足不同领域对氦气质量的高标准要求。、
2. 2 扩散法
扩散法是一种基于氦气卓越热扩散性能的提纯技术，它利用高温环境（通常在400至500摄氏度之间）和精密的毛细管结构（如石英玻璃材质）来实现对原料气中氦气的有效浓缩，进而产出高纯度的氦气产品。然而，尽管该方法在理论上展现出良好的分离效果，但其实际应用却面临诸多挑战。特别是，石英玻璃毛细管作为关键部件，其制造精度要求极高（厚度需精确控制在0.025至0.127毫米之间），导致生产成本显著增加。此外，在扩散分离过程中，由于高温操作及气体流动特性，往往伴随着较大的温度和压力损失，这不仅影响了系统的能效，也增加了操作的复杂性。因此，尽管扩散法在技术上具有潜力，但目前尚未实现大规模的工业化应用。
2. 3 水合物法
水合物法是一种创新的氦气提取技术，其原理基于天然气中各气体组分在形成水合物时所需条件的不同。在特定的水合反应条件下，该技术能够选择性地富集氦气，随后结合催化脱氢技术，进一步提纯氦气至高纯度水平。整个工艺流程如图1所示，展现了从原料气处理到最终氦气产品输出的全过程。
然而，该技术的核心难点在于如何实现水合物的快速且可控生成。为了解决这一难题，研究人员通常采用机械强化和化学物理强化两种方法，以加速水合物的形成过程并确保其稳定性。这两种强化手段不仅提高了生产效率，还有助于优化反应条件，降低能耗和压损。
尽管水合物法具有工艺流程相对简单、能耗低、压损小以及分离效率高等显著优势，但其在工业化进程中仍面临诸多挑战。特别是核心反应器和分离装置的国产化难题，是当前制约该技术广泛应用的关键因素。由于这些关键设备的研发与生产需要高度精密的技术和大量的实验验证，因此距离实现水合物法氦气提取技术的全面工业化应用，尚需克服一定的技术和市场障碍。
图 1 水合法提氦工艺流程
2. 4 吸附法
吸附法（PSA），特别是针对氦气的提取，巧妙运用了氦气在吸附剂材料中不同压力条件下吸附能力的差异特性。该技术在高压环境下促使氦气被吸附剂捕获，而在低压条件下则实现氦气的释放与吸附剂的再生循环使用。所选用的吸附剂，如硅胶、氧化铝、分子筛及沸石等，均具备多重净化功能，能有效脱除水分、二氧化碳、甲烷及氮气等杂质，确保氦气的纯度。
氦气吸附法的工艺流程与其他基于吸附原理的分离技术大致相似，核心在于采用多塔系统实现吸附与再生过程的交替进行。每座塔在完成吸附任务后，需经过约20分钟的再生周期，以恢复其吸附能力。值得注意的是，该技术的一大里程碑事件是2008年在印度Kuthalam气田的首次成功应用，标志着其在实际生产中的可行性与有效性。
吸附法提取氦气的主要优势在于能够产出高纯度的氦气产品，同时设备结构相对简单，易于实现高度自动化操作，从而降低了运行成本。然而，值得注意的是，随着对氦气纯度要求的提高，该技术的工艺流程也会相应变得更加复杂，对设备精度与操作控制提出了更高的要求。因此，在追求高纯度氦气的同时，也需要权衡工艺复杂性与成本效益之间的平衡。
图 2 典型 PSA 提氦工艺流程
2. 5 膜分离法
膜分离法是一种基于气体在膜材料中溶解、扩散及解吸过程中的渗透性差异来实现氦气分离的高效技术。该技术依赖于精心设计的分离膜，其核心在于对He/CH4和He/N2等关键气体对的精确分离能力。分离膜根据材料的不同，可细分为无机膜与高分子膜两大类，后者在实际应用中占据了主导地位。无机膜，包括碳分子筛膜、二氧化硅膜及沸石分子筛膜等，尽管展现出卓越的分离性能，但由于生产规模及成本的限制，目前尚未能全面实现工业化。
相比之下，高分子膜如醋酸纤维素膜、聚碳酸酯膜、聚甲基丙烯酸甲酯膜、聚酰亚胺膜及聚吡咙气体分离膜等，因其广泛的应用基础而备受青睐。然而，值得注意的是，目前市场上的国产高分子膜在工业化进程中尚显滞后，大多依赖进口产品。
膜分离法以其流程简洁（如图3所示）、能耗低廉及操作灵活性高等优势，在氦气提取领域展现出巨大潜力。然而，该技术也面临着单级分离效率有限及压损较大等挑战。此外，在分离膜的使用过程中，还需在选择性与渗透性之间做出权衡，以确保最佳的分离效果。因此，未来的研究与发展将致力于优化膜材料性能、提高分离效率并降低成本，以推动膜分离法在氦气提取领域的更广泛应用与工业化进程。
图3 典型三级膜分离提氦工艺流程
2. 6 低温法
低温法是一种基于天然气中各组分在低温环境下液化温度差异显著的特性，通过物理分离手段提取氦气的技术。在低温条件下，甲烷和氮气等组分因达到其液化点而凝结为液体，而氦气由于其极低的液化温度，在此条件下仍保持气态，从而实现与液态组分的有效分离。
低温法主要包括克劳特循环工艺和膨胀制冷结合氮气循环制冷两种分离技术路径，后者又可细分为前膨胀和后膨胀两种具体工艺。历史上，克劳特循环制冷工艺曾占据主导地位，但随着技术的进步，其已被更为高效的膨胀制冷结合氮气循环制冷工艺所取代。
低温法提取氦气的完整流程涵盖预处理、粗氦提取及粗氦精制三大环节。其中，冷量主要由氮气循环制冷系统提供，以确保整个分离过程在所需的低温环境下进行（如图4所示）。低温法以其能够产出高纯度、高收率的氦气产品而著称，目前市场上约90%的粗氦气均通过此法获得。
然而，低温法也存在着操作弹性相对较低、设备投资成本及能耗较高的不足。单独使用低温法提取氦气时，其经济效益往往不尽如人意。因此，在实际应用中，低温法常需与其他工艺相结合，特别是与液化天然气（LNG）生产进行联产，以充分利用资源、降低成本并提高整体效益。
图 4 典型低温法提氦工艺流程
2. 7 联合法
鉴于前述各种提氦方法各自存在的优势与局限性，特别是在处理大规模且氦含量较低的原料时，单独使用这些方法往往面临进料标准严苛、成本高昂、能耗过大、流程繁琐以及资源损失显著等问题。为解决这些挑战，提氦领域引入了联合法的概念，即将多种提氦技术进行有机整合，形成优势互补的组合工艺。这种策略显著增强了技术的灵活性和适应性，有效提升了氦气的回收率和纯度，同时降低了总体生产成本和投资需求，展现出广阔的发展潜力和应用前景。
值得注意的是，联合法并非一成不变，而是需要根据具体的生产条件和原料特性进行定制化优化，以确保最佳的性能表现和经济效益。此外，联合法的发展还紧密依赖于各单元提氦技术的持续进步与创新，这些基础技术的提升为联合法提供了更加坚实的支撑和更广阔的创新空间。
当前，常用的联合法包括深冷－膜分离联合法、NＲU联合法、LNG联产法、NGL－NＲU联合法、水合分离+催化脱氢法、APCI闪蒸法、Linde闪蒸法以及TSA+真空PSA法等。这些方法各具特色，既有其独特的优势，也存在一定的局限性（如表1所示）。因此，在选择应用时，需根据实际需求、原料特性、生产规模及经济效益等多方面因素进行综合考虑，以确保选用最合适的联合法方案。
表 1 常用联合法优缺点
5 总结
鉴于氦气作为“高科技领域的关键稀有气体”，其战略地位在全球范围内均显得尤为关键，且当前其开采技术和市场主导权主要集中于欧美等西方国家手中。对于氦资源相对匮乏的中国而言，确保氦气的稳定供应更是具有不可估量的战略意义。尽管近年来我国在提氦技术领域取得了显著成就，但现有的技术能力和产量仍难以满足国内日益增长的需求，面临着潜在的“供应瓶颈”问题。
为有效应对这一挑战，我国需从多个维度出发，采取综合措施。首先，应加速推进氦资源的勘探工作，以全面摸清国内氦资源的分布情况，为后续的开采和利用奠定坚实基础。其次，建立国家级的氦战略储气库，以应对国际市场波动和突发事件，确保国家能源安全。同时，持续加大研发力度，开发高效、低成本的提氦技术，提升我国在这一领域的核心竞争力。此外，还应积极探索其他类型的氦资源提氦技术，如从非常规气源中提取氦气等，以拓宽氦资源的获取渠道，增加供应的多样性和稳定性。通过这些措施的实施，我国将有望逐步摆脱对外部氦气供应的依赖，实现氦气资源的自主可控。
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