氦氣的供應(yīng)，現(xiàn)在和將來

估計陸地上的氦氣總存量約為17,000萬億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺（470萬億標(biāo)準(zhǔn)立方米），但大部分供應(yīng)量是在地球大氣中，濃度僅為5 ppm。大氣中的氦在地殼中擴散的氦增益（作為鈾和釷等元素的放射性衰變的產(chǎn)物）與氦向空間的損失之間處于動態(tài)平衡（Hwang和Weltmer，1995）。 

某些天然氣中的氦氣濃度也高達(dá)8％。美國大部分富含氦氣的天然氣位于得克薩斯州，俄克拉荷馬州和堪薩斯州的Hugoton-Panhandle氣田。懷俄明州賴?yán)麕X地區(qū)的LaBarge油田；以及位于德克薩斯州阿馬里洛附近的Cliffside油田中的聯(lián)邦設(shè)施。通常，在美國，氦含量超過0.3％的天然氣被認(rèn)為是經(jīng)濟的氦提取方法，盡管氦提取的經(jīng)濟性通常取決于天然氣流中的其他產(chǎn)品。 

本章將研究用于生產(chǎn)純化氦氣的分離技術(shù)，當(dāng)前確定的氦氣儲量和資源，以及未來50年內(nèi)氦氣的潛在供應(yīng)和可用性。

氦氣的分離技術(shù)

盡管可以從空氣中提取和純化少量的氦（連同氬，氖，氪和氙），但（除氦氣外，空氣是所有氦氣、氬氣、氖氣、氪氣和氙氣）的唯一實用來源。在這些元素的某些提取過程中，氦被濃縮，然后可以被提取和純化。但是，對其他氦氣的需求不足以使空氣成為商業(yè)氦氣的重要來源。廣泛得出的結(jié)論是，從空氣中提取氦氣作為主要產(chǎn)品非常昂貴，并且在可預(yù)見的將來可能會保持如此。如果所有空分工廠都配備了提取氦氣的設(shè)備，那么所產(chǎn)生的數(shù)量將不足當(dāng)前需求的0.1％。此外，如果將所有現(xiàn)有的空氣分離廠升級為提取氦氣，那么產(chǎn)量將仍然不到當(dāng)前需求的1％。）氦氣的主要來源是從天然氣中提取和純化。在某些情況下，氦氣是從氣流中去除氮氣以增加其熱值的天然副產(chǎn)品。在其他情況下，工藝流專門設(shè)計用于去除氦氣。從天然氣中處理氦氣通?？梢哉J(rèn)為是在兩個不同的過程中發(fā)生的，盡管這兩個過程可以而且確實在相同的物理位置發(fā)生。第一步是從天然氣流中提取粗氦（按體積計占50％至70％）。第二步是進一步精制，以將氦氣純化至工業(yè)級。

天然氣粗氦提取

在去除氮的過程中，氦通常與天然氣分離，以提高熱值。在美國，可以經(jīng)濟地證明開采合理的最低實際氦氣濃度通常約為0.3％（體積）。但是，有時候，氦不是從高濃度天然氣中提取的，而當(dāng)天然氣作為燃料燃燒時，氦只是排放到大氣中。

確定從特定天然氣來源提取氦氣的可行性非常復(fù)雜，并且受技術(shù)，物流和經(jīng)濟因素的綜合影響。例如，儲備基地太小可能不利于昂貴的氦氣提取和純化設(shè)備的安裝。圍繞天然氣流中其他產(chǎn)品的經(jīng)濟和技術(shù)考慮以及合同義務(wù)也可能影響氦氣開采的經(jīng)濟性。在計劃和建立氦氣提取地點之前，必須考慮所有這些因素。

從天然氣中提取粗氦通常需要三個處理步驟。

• 第一步是去除雜質(zhì)。胺和乙二醇的吸收，干燥劑的吸附和其他萃取過程通常會從氣體中除去水，二氧化碳和硫化氫。

• 第二步是提取高分子量烴。

• 第三步是低溫處理，該處理除去了大部分剩余的甲烷氣體。產(chǎn)物是粗氦，通常含50％至70％的氦，其余主要是氮以及少量的氬，氖和氫。

   

氦氣純化

液化之前，氦的最終純化通常使用

（a）在液氮溫度和高壓下使用活性炭吸收器或

（b）變壓吸附（PSA）工藝進行。

低溫吸附可產(chǎn)生99.9999％的氦純度，而PSA工藝可回收純度高于99.99％的氦。對于氣態(tài)氦氣，PSA的成本可能較低，但在需要液化氦氣生產(chǎn)的地方，PSA的成本可能更高。PSA工藝被廣泛用于結(jié)合超低溫濃縮生產(chǎn)純凈氦。

氦氣儲量和資源

美國是世界上最大的氦氣生產(chǎn)國。表4.1總結(jié)了過去40年中美國的氦氣銷量。美國的兩個最重要的氦氣來源分別是位于得克薩斯州，俄克拉荷馬州和堪薩斯州的Hugoton-Panhandle油田綜合體和位于懷俄明州西南部Riley Ridge地區(qū)的埃克森美孚公司的LaBarge油田。Hugoton-Panhandle工廠的大部分生產(chǎn)都連接到或可能連接到德克薩斯州阿馬里洛附近的BLM氦氣管道和Cliffside存儲設(shè)施。1996年，該地區(qū)生產(chǎn)了約28億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺（7,800萬Sm³）的氦氣，其中22億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺（6,100萬Sm³）被出售，其中6億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺（1,700萬Sm³）存儲在布什巨殼水庫中。埃克森美孚公司的Shute Creek加工廠的LaBarge油田產(chǎn)量約為10億平方英尺（2800萬Sm³），其余為0。

?？松梨谖挥趹讯砻髦莸腖aBarge氣田和Shute Creek天然氣處理廠最初設(shè)計為每天處理約4.8億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺（1330萬Sm³）的天然氣；它需要約15億美元的投資。目前，該油田和加工設(shè)施每天生產(chǎn)約6.5億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺（1800萬Sm³）的天然氣，預(yù)計升級后的產(chǎn)能將提高到每天約7億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺（1900萬Sm³）。車間生產(chǎn)的氣體為66.5％的二氧化碳，20.5％的甲烷，7.4％的氮氣，5.0％的硫化氫和0.6％的氦氣。該處理設(shè)施產(chǎn)生二氧化碳（用于提高石油采收率的項目），甲烷，硫化氫和氦氣。在生產(chǎn)高峰時，該工廠的產(chǎn)量可能高達(dá)400萬標(biāo)準(zhǔn)立方英尺。

盡管投資回報率一直令人失望，但很明顯，?？松梨诠鞠Ｍ撛O(shè)施在其整個預(yù)期使用壽命內(nèi)都能實現(xiàn)盈利。計劃繼續(xù)進行設(shè)備升級（包括氦氣處理設(shè)施）和鉆井的投資，以保持可交付性。訪問該設(shè)施的委員會成員很清楚，該設(shè)施的運營方式與?？松梨谔岢龅牧硗?0年運營目標(biāo)一致。

氦氣在美國以外的地區(qū)少量生產(chǎn)。1998年，阿爾及利亞的氦氣產(chǎn)量約為5億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺（1400萬Sm³）。俄羅斯，波蘭，中國和非洲部分地區(qū)生產(chǎn)的氦氣量要少得多。盡管在阿爾及利亞工廠生產(chǎn)的天然氣中氦氣含量僅為0.17％，但經(jīng)濟上是有利的，因為天然氣被轉(zhuǎn)化為液化天然氣進行運輸，并且其中的氦氣濃度更高。阿爾及利亞的氦氣主要服務(wù)于歐洲市場。

氦氣儲量和資源類別

BLM的職責(zé)是評估美國的氦氣儲量和資源。BLM已經(jīng)建立了一個19,000個樣品的氦氣濃度數(shù)據(jù)庫，其中許多測量工作是在其自己的阿馬里洛實驗室中進行的。BLM還使用各種來源的數(shù)據(jù)進行分析，包括潛在氣體委員會的報告（例如，參見科羅拉多礦業(yè)學(xué)院，1995年）和私人生產(chǎn)富含氦氣的天然氣的數(shù)據(jù)。

BLM使用美國地質(zhì)調(diào)查局分類系統(tǒng)對氦氣儲量進行分類，該系統(tǒng)同時考慮了物理不確定性和經(jīng)濟可行性。通過將資源分為“已識別”資源和“未發(fā)現(xiàn)”資源來傳達(dá)物理不確定性。已確定的資源是根據(jù)特定的地質(zhì)證據(jù)估算的，而未發(fā)現(xiàn)的資源則假定發(fā)生在未勘探的地區(qū)。識別出的資源又分為“已測”，“已指示”和“推斷”資源。已測資源基于生產(chǎn)測試和鉆井過程中進行的其他測量。已指示和推斷資源基于逐漸減少的某些地質(zhì)數(shù)據(jù)。測量和指示資源的組合稱為“已演示”。

通過將資源分為“儲備”，“邊際儲備”和“次經(jīng)濟儲備”來傳達(dá)經(jīng)濟考慮。儲備是指可以經(jīng)濟地開采的資源。邊際儲備在經(jīng)濟上可以生產(chǎn)。次經(jīng)濟儲備顯然不是經(jīng)濟可生產(chǎn)的。

截至1996年12月31日，BLM估計已確定的美國氦氣資源總量約為5890億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺（160億Sm³），其中2170億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺（60億Sm³）被歸為可計量儲量。其中的350億平方英尺（10億Sm³）存儲在布什巨殼水庫中，其中40億平方英尺（1.1億Sm³）是私有的。BLM類別的測得儲量最接近石油行業(yè)用來表示資源的實際預(yù)期可采量的“探明儲量”的定義（石油工程師協(xié)會/世界石油大會，1997年）。但是，由于BLM的測量資源數(shù)量包括“非消耗”儲量（即，BLM使用的術(shù)語使人們很難理解有多少氦潛在可用。天然氣行業(yè)使用的分類方案更加清晰，所有新的氦氣資源都來自該行業(yè)。

BLM估計，未消耗的氦儲量約為530億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺（15億Sm³）的氦，其中大部分位于賴?yán)郊沟貐^(qū)的礦床中（Gage和Driskill，1998年）。由于天然氣質(zhì)量差，在可預(yù)見的將來不太可能生產(chǎn)Riley Ridge非消耗性儲量。另外，預(yù)期從Hugoton-Panhandle聯(lián)合體處理的氦氣中只有60％到65％用于處理氦氣（Gage和Driskill，1998年）。盡管估計這個數(shù)字接近75％（Gage和Driskill，1998年），但是當(dāng)最終將含氦氣作為燃料燃燒時，這些儲量的很大一部分仍將丟失。表4.2中列出的數(shù)據(jù)考慮了這些因素，試圖得出更現(xiàn)實的探明儲量估算結(jié)果。

按照目前每年約40億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺（1.1億Sm³）的使用量，該儲量的儲/產(chǎn)比超過35年。但是，有幾個因素可能會改變這種情況。首先，盡管Hugoton-Panhandle油田正在迅速枯竭，但運營商正在啟動程序（例如壓縮）以減緩油田的衰落。這種努力可能導(dǎo)致將來天然氣產(chǎn)量的增加，從而導(dǎo)致氦氣儲量的增加。第二，有證據(jù)表明，正在處理越來越多的Hugoton-Panhandle氣體用于氦氣。氦氣處理廠在存儲管道上增加產(chǎn)能的計劃表明，這種趨勢可能會持續(xù)下去。第三，有證據(jù)表明，在可行的情況下，除雨果頓-潘漢德爾之外的其他地區(qū)的天然氣加工商對處理氦氣的天然氣越來越感興趣。

未來的氦氣供應(yīng)

從以下觀察中可以得出對未來產(chǎn)量的合理估計。

首先，?？松梨诠灸壳懊磕陱腖aBarge生產(chǎn)約10億平方英尺（2800萬Sm³），預(yù)計在不久的將來，這個數(shù)量將增加到每年14億平方英尺（3900萬Sm³）。該工廠的進一步生產(chǎn)受到工廠產(chǎn)能的限制，預(yù)計不會進一步增加。但是，這樣的費率在生產(chǎn)和加工設(shè)備的50年預(yù)期使用壽命內(nèi)應(yīng)該是可持續(xù)的。

其次，Hugoton-Panhandle工廠的油田產(chǎn)量預(yù)計將下降。但是，如果假定最終可以提供Cliffside當(dāng)前可用的氣體（私人存儲加上公共存儲再加上本地氣體），那么氦氣處理設(shè)施的使用壽命將表明目前的生產(chǎn)速度約為30億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺，每年100萬Sm³）可以再維持25年。

第三，除Hugoton-Panhandle聯(lián)合體和LaBarge以外的其他來源的產(chǎn)量目前每年僅約2億平方英尺（550萬平方英尺）。預(yù)計在不久的將來投產(chǎn)的工廠將使這個數(shù)字大約翻一番。盡管氦氣的量不會使外部工廠的生產(chǎn)成為主要來源，但從長遠(yuǎn)來看，新工廠可能會使外部工廠的生產(chǎn)變得更加重要。

考慮到評估地質(zhì)和經(jīng)濟不確定性的困難，預(yù)測目前正在開發(fā)的自然資源以外的未來自然資源的供應(yīng)是一項更加艱巨的任務(wù)。但是，由于氦的可獲得性與天然氣的生產(chǎn)和加工有關(guān)，因此對天然氣狀況的分析可能是衡量將來氦供應(yīng)可能性的有用手段。

截至1997年12月31日，美國的探明天然氣儲量估計為167萬億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺（4.6萬億Sm³）。1997年期間，美國天然氣產(chǎn)量為19.9萬億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺（5500億Sm³），儲/產(chǎn)比為8.4年。天然氣的持續(xù)供應(yīng)是美國充滿活力的天然氣工業(yè)的結(jié)果，該行業(yè)正在通過新的野外勘探和改進的采收技術(shù)輕松地替代已生產(chǎn)的儲量。如果不是這樣，那么如此低的儲量/產(chǎn)油率將導(dǎo)致天然氣供應(yīng)的迅速下降。以上述生產(chǎn)數(shù)字為基準(zhǔn)，委員會產(chǎn)生了圖4.1和4.2估計何時私人氦業(yè)將需要購買政府擁有的氦。由于有關(guān)氦需求的數(shù)據(jù)不足以預(yù)測氦使用的未來趨勢，因此委員會考慮了一系列可能的氦消耗增長情景。

圖4.2（a）部分顯示了根據(jù)圖4.1的增長率假設(shè)當(dāng)前趨勢（實線）和需求的氦氣生產(chǎn)情景。（b）部分描述了假設(shè)（a）部分中所示的增長情景的總氦氣儲量和私有氦儲量。

圖4.1顯示了過去20年的氦氣銷售數(shù)據(jù)以及曲線，這些曲線描述了氦氣銷售的年增長率分別為-1％，0％，1％，3％和5％。盡管在1985年至1995年間氦氣的銷售量增加了一倍以上，但增長率卻有所變化，并且似乎正在下降。因此，盡管氦氣消耗量短期內(nèi)可能會繼續(xù)上升，但可能會以接近當(dāng)前水平的水平趨于平穩(wěn)甚至下降。

出于此推演的可能性，委員會認(rèn)為不會發(fā)現(xiàn)新的氦源。圖4.2a中的實線根據(jù)當(dāng)前的生產(chǎn)趨勢和產(chǎn)能描繪了氦氣生產(chǎn)與時間的最壞情況。該曲線的峰值是由于LaBarge處氦氣產(chǎn)量的增加。氦氣生產(chǎn)的總體下降是由于與Hugoton-Panhandle情結(jié)相關(guān)的場的耗盡。圖中的其他行復(fù)制了圖4.1中所示的消耗場景。

圖4.2b顯示了儲備設(shè)施中的氦氣總量（頂部曲線）和私有儲備中的氦氣量（底部曲線），假設(shè)圖4.2a中所示的供需情況。如果氦需求保持在1998年的水平不變，則曲線表明直到2004年左右氦的凈存儲量都將增加。那時，氦供應(yīng)商將開始減少其私有存儲，這將在2015年左右耗盡。氦氣的使用量每年以1％，3％或5％的速度增長，私人儲備將分別在2010年，2007年或2005年耗盡。如果氦氣使用量以每年1％的速度減少，則直到2020年之后才會耗盡私人儲備。如果可用的氦氣量大于在這些情況下使用的最壞情況的估計值，則私人儲備將甚至用盡。 

在氦氣消費量每年增長不足3％的情況下，私營企業(yè)需要向政府購買的氦氣量才能滿足需求，這將少于內(nèi)政部要求出售的氦氣量。在某些情況下，差異很大，如果氦的可用量超過委員會的設(shè)想，則差異甚至更大。 

人們可能會想知道，如果發(fā)現(xiàn)更多的含氦天然氣，還會有多少額外的氦氣可用。

為了解決這個問題，需要考慮幾件事。

首先，美國的氦氣供應(yīng)商業(yè)行業(yè)仍然很年輕，僅在1960年左右才成立。

其次，該行業(yè)主要基于發(fā)現(xiàn)和開采其他氣體的資源（例如，Hugoton-Panhandle和LaBarge氣田） 。盡管氦氣可能在氣田開發(fā)決策中發(fā)揮作用，但是公司并未專門針對氦氣進行勘探，因為氦氣的經(jīng)濟地位只是次要的副產(chǎn)品。結(jié)果，形成富氦氣沉積物的地質(zhì)特征和過程尚不為人所知，這使得對氦氣進行故意勘探變得困難。然而，天然氣生產(chǎn)廠的天然氣生產(chǎn)商和運營商越來越意識到氦提取的經(jīng)濟效益。BLM保護和存儲計劃在推動該行業(yè)發(fā)展和激發(fā)人們對提取的興趣方面發(fā)揮了重要作用。隨著氦的未來用途的增長，對氦提取的認(rèn)識可能會增加，這可能導(dǎo)致從可用天然氣流中提取更大比例的氦，甚至有意探索新的氦來源。 

據(jù)估計，美國的全部潛在天然氣基礎(chǔ)比已探明的儲量基礎(chǔ)（截至1993年12月31日）還多了1,100至1,900萬億scf（31至53萬億立方米）。由于在美國具有這種潛力，天然氣的勘探可能會持續(xù)很長時間。如上所述，美國氦氣的儲量/產(chǎn)量比超過35年 。在此分析中，將氦氣銷售量用作氦氣消耗量的代理。

盡管將來消費量的增長可能會降低該比率，特別是如果在資源庫中添加很少的新供給的情況下，但是如果實現(xiàn)了很大的潛力，則資源庫可能會擴大。

此外，懷俄明州的賴?yán)麕X地區(qū)估計包含約470億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺（13億平方厘米）的非消耗性氦氣資源（Gage和Driskill，1998年）。這種氦氣被包含在目前無法經(jīng)濟生產(chǎn)的低質(zhì)量天然氣中。如果這樣的話，也許是由于氦氣價格上漲的結(jié)果，它將使目前的儲量/產(chǎn)量比增加13年以上。

關(guān)于世界范圍的氦氣供應(yīng)，可以得出類似的觀察結(jié)果。液化天然氣正在成為世界能源供應(yīng)中的重要組成部分。由于甲烷液化會濃縮剩余的氣流，因此即使在低氦氣濃度的氣體（例如阿爾及利亞發(fā)現(xiàn)的氦氣）中，全世界也可能有其他氦氣來源。