氦氣供應(yīng)有限,25年后可能將消耗殆盡!
紐瑞德氣體:氦氣(He)資源處于短缺狀態(tài)。去年11月,東京迪士尼樂(lè)園停售填充氦氣的氣球,而銷售氣體的企業(yè)也紛紛被迫暫停供應(yīng)氦氣。這些情況均是由氦氣難以穩(wěn)定采購(gòu)造成的。全球氦氣儲(chǔ)量中,可用現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)的約有70億立方米。如果繼續(xù)按照目前的速度消費(fèi),25年后氦氣氣就會(huì)被消耗殆盡。如果不大幅減少消費(fèi)量,并趕在枯竭前開(kāi)發(fā)出新的生產(chǎn)技術(shù),氦氣很快就會(huì)被消耗完。下面是對(duì)氦氣進(jìn)行的調(diào)查。
用于光纖及半導(dǎo)體制造
氦氣作為工業(yè)氣體的特點(diǎn)是,因其性質(zhì)特殊,所以在很多用途中難以用其他原料替代,而其供給源也有限。從這一意義來(lái)說(shuō),盡管氦是自然界中含量?jī)H次于氫的元素,但仍與稀土一樣面臨供應(yīng)緊張的危險(xiǎn)。
氦氣的特殊性質(zhì)之一是其沸點(diǎn)約為-269℃,是已知的沸點(diǎn)最低的物質(zhì)。此外氦氣還具有比熱大、導(dǎo)熱率高的特點(diǎn),可用于冷卻用途。比如,在光纖制造工序中,可用于冷卻熔融成型的玻璃,在半導(dǎo)體制造的濺射工序中,可用于冷卻高溫的硅晶圓。而且,在利用超導(dǎo)線圈的MRI(核磁共振成像)設(shè)備及MEG(腦磁儀)等醫(yī)療設(shè)備中,氦氣也不可或缺。另外,氦氣的分子量較小,而且與氫氣不同,具有惰性,十分穩(wěn)定,因此填充到氣球中也很安全。此外其分子直徑也很小,因此還廣泛用于氣密性檢查方面的用途。此外,吸入氦氣后,人的聲音還會(huì)變成和“唐老鴨”一樣,這是因?yàn)槁曇粼?strong>氦氣環(huán)境下比在空氣中傳播速度更快。
如果僅以冷卻為目的,可用氮?dú)馓娲,如果僅作為惰性氣體利用,可用氬氣代替。不過(guò),在利用氦氣多種特性的光纖及半導(dǎo)體制造等用途中,卻很難有其他替代原料。
無(wú)法從空氣中提取
氦氣通常是從含量比例較高的天然氣中提取。雖然天然氣田為數(shù)眾多,但能開(kāi)采出氦氣的氣田沒(méi)有大幅增加的傾向。原因是,能夠以合算的成本提取氦的氣田有限。最近大力開(kāi)采的頁(yè)巖氣田也無(wú)法提取氦氣。另外,以前市場(chǎng)投放量較寬裕的庫(kù)存也開(kāi)始見(jiàn)底。身為主要生產(chǎn)國(guó)的美國(guó)在1960年代將氦氣作為軍用戰(zhàn)略物質(zhì)大量?jī)?chǔ)備,之后美國(guó)轉(zhuǎn)變方針,從1990年代開(kāi)始長(zhǎng)期向民間提供,但這也將在2015年結(jié)束。
由于氦氣難以被其他氣體替代,因此存在穩(wěn)定的需求,新興市場(chǎng)國(guó)家的需求在不斷增加,而氦氣的供應(yīng)卻一直處于有限的狀態(tài),尤其是2000年代后半期起,陷入了供求關(guān)系結(jié)構(gòu)性吃緊狀態(tài)。在這種情況下,主力生產(chǎn)工廠的定期維護(hù)時(shí)間拉長(zhǎng),導(dǎo)致2012年11~12月陷入氦氣嚴(yán)重供應(yīng)不足的狀況。另外,這一時(shí)期之前,頁(yè)巖氣開(kāi)采增加,天然氣需求隨之下降,也是影響因素之一。
利用氦氣循環(huán)裝置使消費(fèi)量減至1/100
氦氣用戶也開(kāi)始采取大幅減少消費(fèi)量的手段。東京大學(xué)研究生院新領(lǐng)域創(chuàng)成科學(xué)研究科教授武田常廣為了使用MEG開(kāi)展研究,使用了由其本人擔(dān)任董事長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)FTI(Frontier Technology Institute Inc.)開(kāi)發(fā)的氦氣循環(huán)裝置。該裝置只有對(duì)嵌入循環(huán)裝置的冷卻裝置進(jìn)行每年一次的維護(hù)時(shí)才需要加入氦氣。FTI為該循環(huán)裝置新開(kāi)發(fā)了濾網(wǎng),可以去除造成冷卻裝置堵塞的雜質(zhì),大幅延長(zhǎng)了維護(hù)周期。并且還新開(kāi)發(fā)了隔熱管,這樣一來(lái),即使為防止給MEG帶來(lái)噪聲而將冷卻裝置設(shè)置在距離MEG數(shù)米遠(yuǎn)的場(chǎng)所時(shí),運(yùn)送氦氣時(shí)其溫度幾乎不會(huì)上升。據(jù)稱,采用該循環(huán)裝置可使氦氣的消費(fèi)量減少到使用一次性制冷劑時(shí)的1/100。
數(shù)十年后,有望出現(xiàn)新的氦氣生產(chǎn)技術(shù)。其中之一就是從含有微量氦氣的空氣中提取氦氣的方法。大氣中的氦氣濃度只有0.0005%左右,大幅低于天然氣中的氦氣濃度(目前的盈虧平衡點(diǎn)為0.3%以上)。目前從空氣提取氦氣的方法在成本上不合算,未能實(shí)用化。另外還有一種利用核合成反應(yīng)來(lái)生產(chǎn)氦氣的方法。核合成法實(shí)用化后,就會(huì)以副產(chǎn)物形式生成氦氣。不過(guò),與制造出的能源相比,生成的氦氣較少,可能不適合大量生產(chǎn)氦氣的目的。因此,今后還需要開(kāi)發(fā)新的技術(shù),使工序比現(xiàn)有提取方法復(fù)雜的新方法降低成本。
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