氦气市场基础理论研究（一）

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1.背景

受经济全球化的深入影响，世界各国经济相互依赖程度不断加深，经济活动不断突破和削弱国家间壁垒。众所周知，每一次对地理壁垒和制度壁垒的突破和削弱都会推动

全球化的发展，也都会带来生产力的进步和提供更高的生活水平。国家积极推动以经济全球化为发展目标的大环境下，氦气作为战略资源备受各个国家的关注。

中国作为氦气需求大国，2021年氦气对外依存度达到93.6%。自2020年起中国BOG提氦技术打破壁垒，提氦工厂陆续投产。2022年中国氦气市场货源紧张局面延续下，内蒙作为主要的中国氦气提取厂家集中地，在市场上所占的比重日益提升。

氦气市场目前已经历4次资源短缺的局面，特别是自2021年上半年，由于受供应地生产装置多次检修及突发事件的影响，供应面开始收紧。而市场需求相对维稳，进而出现供小于求的局面，氦气短缺4.0应运而生。

2.相关理论

2.1稀有气体架构

2.2发现历史

2.3理化定义

2.3.1氦气定义

氦（He），为稀有气体的一种，在室温和大气压下，氦是无色、无臭、无味的气体，是最轻的零族气体，唯一不能在标准大气压下固化的物质。在干燥空气中，氦的体积含量约为5.24*10-6，天然气中氦的含量较高，一般为0.05%~2%，最高可达7%。

2.3.2成为稀有气体的原因

氦元素在全宇宙的质量中大约占了24%，但是在地球大气中的浓度为5.2 ppm（1ppm=0.0001％），因此称它为稀有气体。稀有气体也被称为惰性气体，化学反应上的惰性也是造成氦气在地球上含量低的一个原因。以下为氦气含量低的原因。

受地球重力影响，物体要逃离地球，需要达到第二宇宙速度v=11.2km/s。平衡态时，气体分子热运动的速率分布服从麦克斯韦速率分布律:

进一步得到氦气在室温的最概然速率在1500m/s左右。尽管这个速度仍然小于第二宇宙速度，但是仍有一部分氦原子的速度是可以超过第二宇宙速度的，这部分氦原子可以逃离地球，特别是位于大气最外层的氦原子更容易逃离地球。

2.4生产方法

2.4.1天然气分离法

工业上，主要以含有氦的天然气为原料进行提取，主要方法包括非低温法和低温法。

2.4.1.1非低温法

2.4.1.2低温法

目前天然气提氦广泛采用的方法，具有高的回收率、可靠性和稳定性，但系统复杂。

2.4.2空分装置副产氦

大型空分低温分离装置中，通常可以副产纯氦。从液氮中提取粗氖氦，然后经过氖氦精制装置制取高纯氦气。但受限于氦气在空气中含量低，产量有限。

2.4.3合成氨法

在合成氨中，从尾气经分离提纯可得氦。以含氦天然气为原料的合成氨装置中，由于氦是惰性气体，不参与化学反应，因此在合成循环气中逐步得到浓缩，为了维持一定的惰性组分浓度，必须排放一部分循环气，这就是驰放气。驰放气中氦含量一般比天然气中的高10倍左右，从合成氨驰放气中提氦的关键在于脱除大量的氢。

2.5应用

2.5.1核磁共振造影

氦气无色、无味、不易燃，氦气的应用主要是其冷却能力，它在医学扫描上有广泛用途。在核磁共振造影方面，就是利用氦液包裹的超导磁体产生磁场，对核磁共振仪的运行来说举足轻重。

2.5.2光纤和显示屏

电子产业是氦气的另一大市场。光纤生产的第一道环节是生产玻璃制棒，氦气可被用来强化玻璃制棒的强度，以便随后进行加热和拉长。氦气和氩气还可以让加热拉长的光纤快速冷却下来。氦气还被用于制造平板显示屏等电子设备。2021 年我国光缆产量 32181.6 万芯千米，同比增长 11.6%。产业正在走出颓势，对氦气需求也呈现进一步的增长。

2.5.3半导体

氦气是一种惰性气体，很难和其他成分起反应，这让其成为半导体制造中很理想的材料。在硅片周围包裹上惰性气体，可以避免出现意料之外的反应。另外，由于氦气具有高导热性，它还能高效散热，这可以在半导体制造过程中降低硅片的温度，能让半导体的体积变得更小。中国规模以上工业企业 2021 年集成电路产量 3594 亿块，比上年同期增长 33.3%。高增速的产量，对氦气需求量亦呈现较大幅度提升。

2.5.4火箭发射

氦气还是空间研发的一种重要材料。它被当做制冷剂用于冷却很多材料和精准焊接，也被当做航空器飞行或着陆的液态系统气密剂。

2.5.5核研发

氦气也被用于核聚变的研发领域。在建的法国罗讷河口省热核聚变实验反应堆（ITER）项目，将会建立一个冷却工厂以确保反应堆的冷却。

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