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氦气:性质、生产与全球供应


背景

氦是元素周期表第二轻元素,化学性质最惰性气体之一。低密度不燃性使其在航空航天不可或缺:升力飞艇气球、焊接保护气、半导体制造晶体生长惰性气氛。液氦对接近绝对零度研究至关重要,如超导实验。

虽宇宙丰度高,地球大气仅含痕量。1868年天文学家Pierre Janssen和Sir Joseph Lockyer日食观测发现未知黄色谱线,Lockyer以希腊语helios(太阳)命名"helium"。

1895年Sir William Ramsay从铀矿cleveite提取氦确认地球存在。几年后堪萨斯Dexter附近天然气井显示高达2%浓度。全球调查显示浓度差异,美国普遍拥有最丰富储量。

20世纪初轻于空气飞行器近乎完全依赖氢气,尽管易燃。一战美国认可氦战略优势,列为关键战略物资限制出口。1925年氦保护法禁非政府用途。1937年兴登堡号灾难后法规放宽,氦替代氢气用于商业飞艇。

二战氦再显关键:长程轰炸机轮胎充氦减重延航程。战后需求激增,1960年氦法修正案建立国家储存计划。1971年产量平台期计划暂停后恢复。1993年政府储存达约350亿立方英尺(10亿立方米)。

今日主产氦天然气田位于美国,加拿大和波兰也有显著储量。

原材料

氦地下源于α粒子——铀钍等重元素放射性衰变产物——形成氦核。部分氦扩散至表面逸入太空,其余被不透水岩层封存混入天然气储层。氦浓度从可忽略至体积4%,仅超0.4%储量具商业开采价值。

氦也可深冷空气分离提取,但成本高、回收极低,大规模生产不切实际。

制造工艺

氦主要作为天然气加工副产品回收。天然气含甲烷等烃类提供能量含量。为满足市场能量规格,杂质——含氮、水汽、二氧化碳、氦——须在提纯步骤移除。

气流氦含量超~0.4%时,采用深冷蒸馏分离氦。粗氦进一步提纯达商业纯度99.99%以上。

预处理

下游深冷塔极低温运行,所有可能固化组分——水汽、CO₂、重烃——须预先移除防管路堵塞。

分离

分馏常称脱氮,在氦富集流送深冷处理前分离主要成分——甲烷和氮。流程见图示。

氦气:性质、生产与全球供应

所有可能固化堵塞深冷管路的杂质在预处理中从天然气移除。预处理后天然气组分在分馏过程中分离。

提纯

粗氦经多级提纯达商业纯度。

分销

氦以常温气态或深冷液态运输。气态氦储存于锻造钢或铝合金钢瓶900-6000 psi(6-41 MPa)。散装液氦用绝热容器运输,容量达~14800加仑(56000升)。

质量控制

压缩气体协会按杂质含量分级氦。商业级从M(99.995%纯)递进至N、P、G(99.9999%纯)。定期取样分析验证符合标准。

未来展望

1996年美国政府提议终止国家资助氦储存计划,引发科学家担忧。氦本质是天然气加工副产品;无储存将大量逸入大气损失。专家警告若计划终止全球储量可能2015年耗尽。


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