四川盆地LNG尾气提XAI潜力探讨

贺广庆 宋煜 巨龙 王潇 杜宣叶 何方雨

中国石油天然气股份有限公司浙江油田分公司

XAI（氦气）是一种无色、无味的惰性气体，也是自然界中最难液化的气体，标准沸点仅为4.224 K，具有较高热导率及低密度等热物理性质。XAI 广泛应用于半导体、航空航天、核磁共振、大科学工程前沿基础设施等高端装备制造领域，且价格昂贵，是一种关系国家安全、高新产业发展和民生健康的重要战略性资源。我国是贫XAI国家，国内XAI 90%以上依赖于进口。根据美国地质调查局2019年对XAI资源的估计，全球XAI资源总量约519×108m3。其中，中国占比仅有2%，资源量约为11×108m3。XAI 目前仅能通过天然气精制工艺提取，但天然气田含XAI量很低，提取技术难难度大、提取成本极高。根据地质资料及历史资料，四川盆地天然气资源含XAI 约0.03%～0.1%，是我国已经确认的存在XAI 伴生的天然气资源区块，非常有必要进行XAI资源高效经济工业开发。

1 LNG尾气提XAI市场现状

1.1 LNG尾气提XAI工艺概况

LNG 尾气主要产生于LNG 生产过程中，一般作为废气直接排放到大气中。常规LNG 生产工艺中，BOG 的XAI 富集可达到1%～3%，如果采取一些优化工艺，还会获得更高的富集度。在一定LNG生产规模条件下，研究评价LNG尾气提XAI工艺流程及其经济可行性，利用LNG 尾气提XAI 项目将具有工业开发经济价值。A 公司依托B 油田外围勘探井、评价井回收的LNG 资源及配套工艺，率先在川南地区实现了XAI 资源的提取[1]。在川渝页岩气开发地区调研典型LNG 站，通过“储罐闪蒸-增压-液化-BOG 闪蒸”工艺提浓后XAI 含量为40.6%（摩尔分数，下同），CH4含量为15.4%，N2含量为44%，H2含量为0.15%。

1.2 国内外市场XAI需求量

2020 年全球XAI 需求为2.27×108m3，预计到2030年，XAI全球需求量将达到2.38～3.12×108m3[2]。其中，亚太地区将成为世界上XAI需求增长最快的地区，尤其是中国。随着现代中国航空、航天领域、4G 和5G 通讯行业的高速稳步发展，带动了市场XAI资源需求逐年增加。中国区增长主要来自半导体与TFT 行业（持续稳步增长）以及医疗MRI（核磁共振）行业。虽然MRI 领域目前有新的低XAI 甚至无XAI 低温超导新技术，但是逐步替代传统MRI技术需要一个过程，而且现有MRI设备经济生命周期内的维护和补充用XAI仍将维持相当长的时间。另外，中国作为核大国，随着民用核技术的发展，中国正在进行受控核聚变技术的研究可预见的长远未来，基于受控核聚变技术的进步，XAI的需求市场将非常广阔。“十四五”期间，中国XAI消费量继续快速增长。随着中国提XAI工程的陆续投产，自产XAI 量将不断增长，但远低于需求量，对外依存度仍将处于较高水平[3]。

1.3 我国XAI贸易价格走势

2020 年美国投放国际市场的液XAI 价格比2019 年提高约20%，而在2019 年及之前，世界最大XAI 出口国美国每年缩减出口量约10%，相应提高液XAI 出口价格10%，因此供应链基本是持续稳定缓升的趋势。目前XAI 产品价格正处于市场行情的高位期并维持增长态势，我国大宗的XAI 产品99%以上是以液XAI 的形式进口，通过进口液XAI的分装、气化来满足气XAI 的终端消费需求。因此国内液XAI 的市场价格对标国际市场液XAI 价格，相对稳定。

目前国内XAI 的终端消费市场，气XAI 和液XAI 的比例约为8∶2。消费端的大宗、长协供应则多以液XAI 气化的形式，因此大宗、长协销售价格同样关联液XAI 价格，相对平稳。小宗、散户的高纯XAI 气则是通过液XAI气化、分装的形式以管束车、瓶组、钢瓶形式供应，由于供需不稳定以及市场投机炒作的原因而大起大落。

根据2019 年XAI 气行业年度峰会的行业分析，2023 年俄罗斯阿穆尔天然净化厂投产以后，如果生产正常，将在一定程度上缓解世界XAI 的供需矛盾。据西南地区最大的气体贸易商重庆瑞信气体公司的讯息，俄罗斯天然气工业股份公司（Gazprom）位于远东的阿穆尔年产量1 000×104m3的天然气加工厂管道气提XAI 装置一期已于2021年9月投产运行。从该公司定购的2022 年XAI 气产品价格为130 元/m3（0 ℃，1 atm，下同）（含税，到岸，下同），2022 年从美孚、卡塔尔定购的XAI 气产品价格也为130元/m3，据其分析，未来XAI 气市场产品定价仍是进口供应商定价模式。

2022 年以来，由于俄乌战争等因素影响，XAI气市场出现供不应求的紧张局面。根据近期市场行情，国内XAI（5N）管束车出厂价在350 元/m3左右。从近几年的XAI 气市场分析来看，我国液XAI市场价格基本对标国际液XAI 交易价格，相对较为稳定，呈现稳定上扬趋势，正常年增长率约为15%。根据卓创咨询的数据统计分析，2014—2020年间国内气XAI 市场价格如图1所示。

图1 高纯XAI气价格走势Fig.1 Price trend of high purity XAI gas

1.4 产业政策支持

天然气为清洁低碳的化石能源，大力发展天然气有利于经济可持续发展，符合全球能源与环境发展需求。《巴黎气候变化协定》长期目标是将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2 ℃以内。中国制定了双碳目标，致力于将二氧化碳排放量力争于2030 年前达到峰值，争取2060 年前实现碳中和。

国家发展和改革委员会令（第29 号）《产业结构调整指导目录（2019 年本）》明确提出天然气、液化天然气的储运、液化天然气的加注设施建设属于鼓励类产业。天然气业务发展势必会带动LNG 业务发展，各省市政府出台政策支持LNG 业务布局，颁布实施《长江干线京杭运河西江航运干线液化天然气加注码头布局方案》。以西南地区云贵川渝4省市为例，“十四五”期间，至少新增700座LNG 加气站，年加注量有望达到80×108m3，远高于已建所有LNG液厂的总产能。

美国作为全球最大的XAI 资源国和产气国，1925 年颁布了《XAI 保护条例》（The Helium Act of 1925），并于1960 年进行了修订。美国内政部规定XAI含量高于0.3%的天然气必须提XAI。从LNG或者天然气中直接提取XAI是全球范围内XAI唯一的工业化来源。

1.5 产业发展前景

2019 年，受新冠疫情影响，全球LNG 供需继续保持宽松态势[4-6]。2020年我国LNG表观需求量为8 042.82×104t（其中进口量为6 681×104t，占总量的83%；国内自产1 361.82×104t，仅占总量的17%），同比增长10%。

2021年中国天然气产量突破2 000×108m3，全球LNG 需求量连续增加，进口LNG 已成为我国第二大天然气供应来源[7-9]。预计中国2030 年天然气消费规模将达到5 500×108～6 000×108m3，2040年达到峰值6 000×108m3。中国巨大的天然气消费量需要依靠国内天然气增产和进口LNG 来实现。至2035 年，国内天然气预计增产至2 500×108～2 800×108m3，LNG接收能力达到3 248×108m3[10]。

目前国内LNG 工厂约有200 座，总建设产能达到1.24×108m3/d（按每年330 天计算折合约2 800×104t/a），受气源影响，开工率不足50%。2019年国产LNG约为1 165×104t/a，平均开工率约为41%。若国内LNG 工厂能够满负荷运行，全部发展BOG 提XAI 业务，国内XAI 资源回收利用规模将达到1 227×104m3/a（0 ℃，1 atm）。随着LNG产业发展，BOG提XAI更有广泛发展空间。

2 LNG尾气提XAI工艺比选及经济评价

单一的天然气提XAI 技术能耗巨大，成本很高，将多种提XAI方法共同应用的联合法，即将天然气提XAI 与LNG 生产、NRU 等单元集成可大幅降低提XAI的成本及整体装置的投资，经济效益显著[11]。马国光[12]等将天然气提XAI 工艺与制LNG 工艺进行结合生产，并探索经济地获取LNG 及粗XAI产品的流程参数。

提XAI工艺主要有深冷分离、变压吸附分离等几种。单纯采用深冷法开采，提XAI成本高。但联产法、联合法等提XAI 新工艺和LNG 等相关产业的发展,为从天然气中经济地提取XAI 提供了新的方法[13]。本文结合变压吸附工艺，对LNG 尾气提XAI精制工艺开展可行性研究，为经济高效制取高纯精XAI产品提供了新的解决方案。

2.1 XAI精制工艺对比

目前深冷分离方法仍是天然气提XAI 的主要方法，该法利用XAI 液化温度极低的特点，在深冷条件下使几乎全部的甲烷和大部分氮气液化。经低温精馏分离出粗XAI，在高压低温下使粗XAI 中残余的氮和甲烷冷凝，并经吸附获得纯XAI，属于相对成熟的工艺，在国内外应用非常普遍。深冷法提XAI 的产品纯度和收率均较高，但深冷提XAI 设备投资和操作费用都较高。我国属贫XAI 国家，原料气中XAI 含量普遍低于0.20%，采用深冷法的压缩和冷损失等能耗占提XAI 成本的很大比例，使提XAI 成本增高。

变压吸附利用不同气体分子的极性、分子量及其他化学性质的不同，在不同吸附剂表面的吸附能力差异较大的特性，即在一定压力下，吸附剂大量吸附混合气体中某些组分，而在压力降低条件下，吸附剂吸附的这些组合又能充分的解吸再生，达到吸附剂循环使用的目的的原理。由于它具有能耗低、投资省、操作方便的特点，为目前使用范围最广的气体分离方法。原料气中氢气和XAI 在吸附剂上的吸附量很低，而甲烷、乙烷、丙烷、氮气、二氧化碳等在吸附剂表面上的吸附量很高，因此可考虑直接采用变压吸附法在原料气中分离XAI。深冷分离法与变压吸附法方案优劣对比如表1所示。

表1 方案优劣对比Tab.1 Comparison of the advantages and disadvantages of the scheme

2.2 LNG尾气提XAI工艺流程

由于变压吸附工艺流程简单，且投资经济性好，本次优化提纯工艺为变压吸附法，工艺流程如图2 所示。原料气首先进入装置原料气存贮单元，然后进入脱氢单元，经过脱氢反应橇进行打循环气的催化氧化脱氢方式脱氢，脱氢后的粗XAI 出装置。变压吸附部分设置吸附塔，解析气为富甲烷气，每个吸附塔循环周期包括以下步骤：吸附、均降、抽空、均升和终充。来自上游变压吸附装置的增压粗XAI（99.24%），经过低温吸附橇先进行干燥，再脱除氮气、氖气等其余杂质，最终制得高纯XAI 产品（99.999%）进入高纯XAI 储气瓶组或进入XAI液化装置。

图2 LNG尾气提XAI方案总工艺流程Fig.2 General process flow of LNG tail gas XAI extraction scheme

2.3 经济评价

四川盆地天然气XAI 含量平均0.03%，按照川内8 座LNG 液厂1 200×104m3/d 处理规模，LNG 工厂可提供40%粗XAI 267×104m3/a，折算99.999%的XAI年产规模可达107×104m3。

通过整合川内可利用的XAI资源，XAI 精制纯化一期装置规模可达100×104m3/a（以5N 气产量计）。通过浓度40%的粗XAI 经脱氢+变压吸附+XAI 液化工艺流程，最终制得99.999%的精XAI（气、液）产品，XAI 回收率可达95%以上。经过市场分析，参照长期稳定价格变化趋势，结合一线XAI气贸易商2022年定购XAI 产品价格及对未来5年XAI 市场价格的预测，按照主产品液XAI（高纯XAI 质量标准）、气XAI（5N 质量标准）出厂价140 元/m3，生产能力盈亏平衡点63%，项目财务内部收益率（税后）为16.2%，项目的投资回收期为6.7年。

通过对建设投资、运营成本、内部收益率、投资回收期等进行盈亏平衡分析和敏感性分析等经济评价，LNG 尾气提XAI项目主要技术经济指标均高于行业基准值，盈利能力较强，项目投资回收期短，收益率较高，财务杠杆效用明显，投资回报能力较强。

3 结束语

XAI 是我国稀缺资源，高纯气、液XAI 产品在我国属于关系国家安全以及高新产业发展的战略性产品，产品附加值高，市场供不应求。按照西南地区“十四五”发展规划，LNG处理站将达到700座，年处理能力80×108m3，LNG 工厂预计每年产生尾气540×104m3，折算99.999%的XAI 富集规模可达216×104m3，每年潜在的工业产值可达到3 亿元，川渝地区将有具有广泛的LNG尾气提XAI潜力和经济效益。本项目采用的LNG 尾气提XAI 工艺先进，经济可行，同时可以变废为保，符合国产相关产业政策，有助于在一定程度上缓解高纯XAI 产品对进口的依赖，对提高企业经济效益和促进地方经济发展、保障国家能源安全具有积极作用。