四川盆地LNG尾氣提XAI潛力探討

賀廣慶 宋煜 巨龍 王瀟 杜宣葉 何方雨

中國石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司

XAI（氦氣）是一種無色、無味的惰性氣體，也是自然界中最難液化的氣體，標準沸點僅為4.224 K，具有較高熱導率及低密度等熱物理性質。XAI 廣泛應用于半導體、航空航天、核磁共振、大科學工程前沿基礎設施等高端裝備制造領域，且價格昂貴，是一種關系國家安全、高新產業發展和民生健康的重要戰略性資源。我國是貧XAI國家，國內XAI 90%以上依賴于進口。根據美國地質調查局2019年對XAI資源的估計，全球XAI資源總量約519×108m3。其中，中國占比僅有2%，資源量約為11×108m3。XAI 目前僅能通過天然氣精制工藝提取，但天然氣田含XAI量很低，提取技術難難度大、提取成本極高。根據地質資料及歷史資料，四川盆地天然氣資源含XAI 約0.03%～0.1%，是我國已經確認的存在XAI 伴生的天然氣資源區塊，非常有必要進行XAI資源高效經濟工業開發。

1 LNG尾氣提XAI市場現狀

1.1 LNG尾氣提XAI工藝概況

LNG 尾氣主要產生于LNG 生產過程中，一般作為廢氣直接排放到大氣中。常規LNG 生產工藝中，BOG 的XAI 富集可達到1%～3%，如果采取一些優化工藝，還會獲得更高的富集度。在一定LNG生產規模條件下，研究評價LNG尾氣提XAI工藝流程及其經濟可行性，利用LNG 尾氣提XAI 項目將具有工業開發經濟價值。A 公司依托B 油田外圍勘探井、評價井回收的LNG 資源及配套工藝，率先在川南地區實現了XAI 資源的提取[1]。在川渝頁巖氣開發地區調研典型LNG 站，通過“儲罐閃蒸-增壓-液化-BOG 閃蒸”工藝提濃后XAI 含量為40.6%（摩爾分數，下同），CH4含量為15.4%，N2含量為44%，H2含量為0.15%。

1.2 國內外市場XAI需求量

2020 年全球XAI 需求為2.27×108m3，預計到2030年，XAI全球需求量將達到2.38～3.12×108m3[2]。其中，亞太地區將成為世界上XAI需求增長最快的地區，尤其是中國。隨著現代中國航空、航天領域、4G 和5G 通訊行業的高速穩步發展，帶動了市場XAI資源需求逐年增加。中國區增長主要來自半導體與TFT 行業（持續穩步增長）以及醫療MRI（核磁共振）行業。雖然MRI 領域目前有新的低XAI 甚至無XAI 低溫超導新技術，但是逐步替代傳統MRI技術需要一個過程，而且現有MRI設備經濟生命周期內的維護和補充用XAI仍將維持相當長的時間。另外，中國作為核大國，隨著民用核技術的發展，中國正在進行受控核聚變技術的研究可預見的長遠未來，基于受控核聚變技術的進步，XAI的需求市場將非常廣闊?！笆奈濉逼陂g，中國XAI消費量繼續快速增長。隨著中國提XAI工程的陸續投產，自產XAI 量將不斷增長，但遠低于需求量，對外依存度仍將處于較高水平[3]。

1.3 我國XAI貿易價格走勢

2020 年美國投放國際市場的液XAI 價格比2019 年提高約20%，而在2019 年及之前，世界最大XAI 出口國美國每年縮減出口量約10%，相應提高液XAI 出口價格10%，因此供應鏈基本是持續穩定緩升的趨勢。目前XAI 產品價格正處于市場行情的高位期并維持增長態勢，我國大宗的XAI 產品99%以上是以液XAI 的形式進口，通過進口液XAI的分裝、氣化來滿足氣XAI 的終端消費需求。因此國內液XAI 的市場價格對標國際市場液XAI 價格，相對穩定。

目前國內XAI 的終端消費市場，氣XAI 和液XAI 的比例約為8∶2。消費端的大宗、長協供應則多以液XAI 氣化的形式，因此大宗、長協銷售價格同樣關聯液XAI 價格，相對平穩。小宗、散戶的高純XAI 氣則是通過液XAI氣化、分裝的形式以管束車、瓶組、鋼瓶形式供應，由于供需不穩定以及市場投機炒作的原因而大起大落。

根據2019 年XAI 氣行業年度峰會的行業分析，2023 年俄羅斯阿穆爾天然凈化廠投產以后，如果生產正常，將在一定程度上緩解世界XAI 的供需矛盾。據西南地區最大的氣體貿易商重慶瑞信氣體公司的訊息，俄羅斯天然氣工業股份公司（Gazprom）位于遠東的阿穆爾年產量1 000×104m3的天然氣加工廠管道氣提XAI 裝置一期已于2021年9月投產運行。從該公司定購的2022 年XAI 氣產品價格為130 元/m3（0 ℃，1 atm，下同）（含稅，到岸，下同），2022 年從美孚、卡塔爾定購的XAI 氣產品價格也為130元/m3，據其分析，未來XAI 氣市場產品定價仍是進口供應商定價模式。

2022 年以來，由于俄烏戰爭等因素影響，XAI氣市場出現供不應求的緊張局面。根據近期市場行情，國內XAI（5N）管束車出廠價在350 元/m3左右。從近幾年的XAI 氣市場分析來看，我國液XAI市場價格基本對標國際液XAI 交易價格，相對較為穩定，呈現穩定上揚趨勢，正常年增長率約為15%。根據卓創咨詢的數據統計分析，2014—2020年間國內氣XAI 市場價格如圖1所示。

圖1 高純XAI氣價格走勢Fig.1 Price trend of high purity XAI gas

1.4 產業政策支持

天然氣為清潔低碳的化石能源，大力發展天然氣有利于經濟可持續發展，符合全球能源與環境發展需求?！栋屠铓夂蜃兓瘏f定》長期目標是將全球平均氣溫較前工業化時期上升幅度控制在2 ℃以內。中國制定了雙碳目標，致力于將二氧化碳排放量力爭于2030 年前達到峰值，爭取2060 年前實現碳中和。

國家發展和改革委員會令（第29 號）《產業結構調整指導目錄（2019 年本）》明確提出天然氣、液化天然氣的儲運、液化天然氣的加注設施建設屬于鼓勵類產業。天然氣業務發展勢必會帶動LNG 業務發展，各省市政府出臺政策支持LNG 業務布局，頒布實施《長江干線京杭運河西江航運干線液化天然氣加注碼頭布局方案》。以西南地區云貴川渝4省市為例，“十四五”期間，至少新增700座LNG 加氣站，年加注量有望達到80×108m3，遠高于已建所有LNG液廠的總產能。

美國作為全球最大的XAI 資源國和產氣國，1925 年頒布了《XAI 保護條例》（The Helium Act of 1925），并于1960 年進行了修訂。美國內政部規定XAI含量高于0.3%的天然氣必須提XAI。從LNG或者天然氣中直接提取XAI是全球范圍內XAI唯一的工業化來源。

1.5 產業發展前景

2019 年，受新冠疫情影響，全球LNG 供需繼續保持寬松態勢[4-6]。2020年我國LNG表觀需求量為8 042.82×104t（其中進口量為6 681×104t，占總量的83%；國內自產1 361.82×104t，僅占總量的17%），同比增長10%。

2021年中國天然氣產量突破2 000×108m3，全球LNG 需求量連續增加，進口LNG 已成為我國第二大天然氣供應來源[7-9]。預計中國2030 年天然氣消費規模將達到5 500×108～6 000×108m3，2040年達到峰值6 000×108m3。中國巨大的天然氣消費量需要依靠國內天然氣增產和進口LNG 來實現。至2035 年，國內天然氣預計增產至2 500×108～2 800×108m3，LNG接收能力達到3 248×108m3[10]。

目前國內LNG 工廠約有200 座，總建設產能達到1.24×108m3/d（按每年330 天計算折合約2 800×104t/a），受氣源影響，開工率不足50%。2019年國產LNG約為1 165×104t/a，平均開工率約為41%。若國內LNG 工廠能夠滿負荷運行，全部發展BOG 提XAI 業務，國內XAI 資源回收利用規模將達到1 227×104m3/a（0 ℃，1 atm）。隨著LNG產業發展，BOG提XAI更有廣泛發展空間。

2 LNG尾氣提XAI工藝比選及經濟評價

單一的天然氣提XAI 技術能耗巨大，成本很高，將多種提XAI方法共同應用的聯合法，即將天然氣提XAI 與LNG 生產、NRU 等單元集成可大幅降低提XAI的成本及整體裝置的投資，經濟效益顯著[11]。馬國光[12]等將天然氣提XAI 工藝與制LNG 工藝進行結合生產，并探索經濟地獲取LNG 及粗XAI產品的流程參數。

提XAI工藝主要有深冷分離、變壓吸附分離等幾種。單純采用深冷法開采，提XAI成本高。但聯產法、聯合法等提XAI 新工藝和LNG 等相關產業的發展,為從天然氣中經濟地提取XAI 提供了新的方法[13]。本文結合變壓吸附工藝，對LNG 尾氣提XAI精制工藝開展可行性研究，為經濟高效制取高純精XAI產品提供了新的解決方案。

2.1 XAI精制工藝對比

目前深冷分離方法仍是天然氣提XAI 的主要方法，該法利用XAI 液化溫度極低的特點，在深冷條件下使幾乎全部的甲烷和大部分氮氣液化。經低溫精餾分離出粗XAI，在高壓低溫下使粗XAI 中殘余的氮和甲烷冷凝，并經吸附獲得純XAI，屬于相對成熟的工藝，在國內外應用非常普遍。深冷法提XAI 的產品純度和收率均較高，但深冷提XAI 設備投資和操作費用都較高。我國屬貧XAI 國家，原料氣中XAI 含量普遍低于0.20%，采用深冷法的壓縮和冷損失等能耗占提XAI 成本的很大比例，使提XAI 成本增高。

變壓吸附利用不同氣體分子的極性、分子量及其他化學性質的不同，在不同吸附劑表面的吸附能力差異較大的特性，即在一定壓力下，吸附劑大量吸附混合氣體中某些組分，而在壓力降低條件下，吸附劑吸附的這些組合又能充分的解吸再生，達到吸附劑循環使用的目的的原理。由于它具有能耗低、投資省、操作方便的特點，為目前使用范圍最廣的氣體分離方法。原料氣中氫氣和XAI 在吸附劑上的吸附量很低，而甲烷、乙烷、丙烷、氮氣、二氧化碳等在吸附劑表面上的吸附量很高，因此可考慮直接采用變壓吸附法在原料氣中分離XAI。深冷分離法與變壓吸附法方案優劣對比如表1所示。

表1 方案優劣對比Tab.1 Comparison of the advantages and disadvantages of the scheme

2.2 LNG尾氣提XAI工藝流程

由于變壓吸附工藝流程簡單，且投資經濟性好，本次優化提純工藝為變壓吸附法，工藝流程如圖2 所示。原料氣首先進入裝置原料氣存貯單元，然后進入脫氫單元，經過脫氫反應橇進行打循環氣的催化氧化脫氫方式脫氫，脫氫后的粗XAI 出裝置。變壓吸附部分設置吸附塔，解析氣為富甲烷氣，每個吸附塔循環周期包括以下步驟：吸附、均降、抽空、均升和終充。來自上游變壓吸附裝置的增壓粗XAI（99.24%），經過低溫吸附橇先進行干燥，再脫除氮氣、氖氣等其余雜質，最終制得高純XAI 產品（99.999%）進入高純XAI 儲氣瓶組或進入XAI液化裝置。

圖2 LNG尾氣提XAI方案總工藝流程Fig.2 General process flow of LNG tail gas XAI extraction scheme

2.3 經濟評價

四川盆地天然氣XAI 含量平均0.03%，按照川內8 座LNG 液廠1 200×104m3/d 處理規模，LNG 工廠可提供40%粗XAI 267×104m3/a，折算99.999%的XAI年產規?？蛇_107×104m3。

通過整合川內可利用的XAI資源，XAI 精制純化一期裝置規?？蛇_100×104m3/a（以5N 氣產量計）。通過濃度40%的粗XAI 經脫氫+變壓吸附+XAI 液化工藝流程，最終制得99.999%的精XAI（氣、液）產品，XAI 回收率可達95%以上。經過市場分析，參照長期穩定價格變化趨勢，結合一線XAI氣貿易商2022年定購XAI 產品價格及對未來5年XAI 市場價格的預測，按照主產品液XAI（高純XAI 質量標準）、氣XAI（5N 質量標準）出廠價140 元/m3，生產能力盈虧平衡點63%，項目財務內部收益率（稅后）為16.2%，項目的投資回收期為6.7年。

通過對建設投資、運營成本、內部收益率、投資回收期等進行盈虧平衡分析和敏感性分析等經濟評價，LNG 尾氣提XAI項目主要技術經濟指標均高于行業基準值，盈利能力較強，項目投資回收期短，收益率較高，財務杠桿效用明顯，投資回報能力較強。

3 結束語

XAI 是我國稀缺資源，高純氣、液XAI 產品在我國屬于關系國家安全以及高新產業發展的戰略性產品，產品附加值高，市場供不應求。按照西南地區“十四五”發展規劃，LNG處理站將達到700座，年處理能力80×108m3，LNG 工廠預計每年產生尾氣540×104m3，折算99.999%的XAI 富集規?？蛇_216×104m3，每年潛在的工業產值可達到3 億元，川渝地區將有具有廣泛的LNG尾氣提XAI潛力和經濟效益。本項目采用的LNG 尾氣提XAI 工藝先進，經濟可行，同時可以變廢為保，符合國產相關產業政策，有助于在一定程度上緩解高純XAI 產品對進口的依賴，對提高企業經濟效益和促進地方經濟發展、保障國家能源安全具有積極作用。