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(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)僅為4.224 K，具有較高熱導(dǎo)率及低密度等熱物理性質(zhì)。XAI 廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、航空航天、核磁共振、大科學(xué)工程前沿基礎(chǔ)設(shè)施等高端裝備制造領(lǐng)域，且價(jià)格昂貴，是一種關(guān)系國家安全、高新產(chǎn)業(yè)發(fā)展和民生健康的重要戰(zhàn)略性資源。我國是貧XAI國家，國內(nèi)XAI 90%以上依賴于進(jìn)口。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局2019年對(duì)XAI資源的估計(jì)，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(shù)難難度大、提取成本極高。根據(jù)地質(zhì)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(jīng)確認(rèn)的存在XAI 伴生的天然氣資源區(qū)塊，非常有必要進(jìn)行XAI資源高效經(jīng)濟(jì)工業(yè)開發(fā)。

1 LNG尾氣提XAI市場現(xiàn)狀

1.1 LNG尾氣提XAI工藝概況

LNG 尾氣主要產(chǎn)生于LNG 生產(chǎn)過程中，一般作為廢氣直接排放到大氣中。常規(guī)LNG 生產(chǎn)工藝中，BOG 的XAI 富集可達(dá)到1%～3%，如果采取一些優(yōu)化工藝，還會(huì)獲得更高的富集度。在一定LNG生產(chǎn)規(guī)模條件下，研究評(píng)價(jià)LNG尾氣提XAI工藝流程及其經(jīng)濟(jì)可行性，利用LNG 尾氣提XAI 項(xiàng)目將具有工業(yè)開發(fā)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。A 公司依托B 油田外圍勘探井、評(píng)價(jià)井回收的LNG 資源及配套工藝，率先在川南地區(qū)實(shí)現(xiàn)了XAI 資源的提取[1]。在川渝頁巖氣開發(fā)地區(qū)調(diào)研典型LNG 站，通過“儲(chǔ)罐閃蒸-增壓-液化-BOG 閃蒸”工藝提濃后XAI 含量為40.6%（摩爾分?jǐn)?shù)，下同），CH4含量為15.4%，N2含量為44%，H2含量為0.15%。

1.2 國內(nèi)外市場XAI需求量

2020 年全球XAI 需求為2.27×108m3，預(yù)計(jì)到2030年，XAI全球需求量將達(dá)到2.38～3.12×108m3[2]。其中，亞太地區(qū)將成為世界上XAI需求增長最快的地區(qū)，尤其是中國。隨著現(xiàn)代中國航空、航天領(lǐng)域、4G 和5G 通訊行業(yè)的高速穩(wěn)步發(fā)展，帶動(dòng)了市場XAI資源需求逐年增加。中國區(qū)增長主要來自半導(dǎo)體與TFT 行業(yè)（持續(xù)穩(wěn)步增長）以及醫(yī)療MRI（核磁共振）行業(yè)。雖然MRI 領(lǐng)域目前有新的低XAI 甚至無XAI 低溫超導(dǎo)新技術(shù)，但是逐步替代傳統(tǒng)MRI技術(shù)需要一個(gè)過程，而且現(xiàn)有MRI設(shè)備經(jīng)濟(jì)生命周期內(nèi)的維護(hù)和補(bǔ)充用XAI仍將維持相當(dāng)長的時(shí)間。另外，中國作為核大國，隨著民用核技術(shù)的發(fā)展，中國正在進(jìn)行受控核聚變技術(shù)的研究可預(yù)見的長遠(yuǎn)未來，基于受控核聚變技術(shù)的進(jìn)步，XAI的需求市場將非常廣闊。“十四五”期間，中國XAI消費(fèi)量繼續(xù)快速增長。隨著中國提XAI工程的陸續(xù)投產(chǎn)，自產(chǎn)XAI 量將不斷增長，但遠(yuǎn)低于需求量，對(duì)外依存度仍將處于較高水平[3]。

1.3 我國XAI貿(mào)易價(jià)格走勢

2020 年美國投放國際市場的液XAI 價(jià)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(yīng)提高液XAI 出口價(jià)格10%，因此供應(yīng)鏈基本是持續(xù)穩(wěn)定緩升的趨勢。目前XAI 產(chǎn)品價(jià)格正處于市場行情的高位期并維持增長態(tài)勢，我國大宗的XAI 產(chǎn)品99%以上是以液XAI 的形式進(jìn)口，通過進(jìn)口液XAI的分裝、氣化來滿足氣XAI 的終端消費(fèi)需求。因此國內(nèi)液XAI 的市場價(jià)格對(duì)標(biāo)國際市場液XAI 價(jià)格，相對(duì)穩(wěn)定。

目前國內(nèi)XAI 的終端消費(fèi)市場，氣XAI 和液XAI 的比例約為8∶2。消費(fèi)端的大宗、長協(xié)供應(yīng)則多以液XAI 氣化的形式，因此大宗、長協(xié)銷售價(jià)格同樣關(guān)聯(lián)液XAI 價(jià)格，相對(duì)平穩(wěn)。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(yīng)，由于供需不穩(wěn)定以及市場投機(jī)炒作的原因而大起大落。

根據(jù)2019 年XAI 氣行業(yè)年度峰會(huì)的行業(yè)分析，2023 年俄羅斯阿穆爾天然凈化廠投產(chǎn)以后，如果生產(chǎn)正常，將在一定程度上緩解世界XAI 的供需矛盾。據(jù)西南地區(qū)最大的氣體貿(mào)易商重慶瑞信氣體公司的訊息，俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司（Gazprom）位于遠(yuǎn)東的阿穆爾年產(chǎn)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(chǎn)運(yùn)行。從該公司定購的2022 年XAI 氣產(chǎn)品價(jià)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(chǎn)品價(jià)格也為130元/m3，據(jù)其分析，未來XAI 氣市場產(chǎn)品定價(jià)仍是進(jìn)口供應(yīng)商定價(jià)模式。

2022 年以來，由于俄烏戰(zhàn)爭等因素影響，XAI氣市場出現(xiàn)供不應(yīng)求的緊張局面。根據(jù)近期市場行情，國內(nèi)XAI（5N）管束車出廠價(jià)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(jià)格基本對(duì)標(biāo)國際液XAI 交易價(jià)格，相對(duì)較為穩(wěn)定，呈現(xiàn)穩(wěn)定上揚(yáng)趨勢，正常年增長率約為15%。根據(jù)卓創(chuàng)咨詢的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，2014—2020年間國內(nèi)氣XAI 市場價(jià)格如圖1所示。

圖1 高純XAI氣價(jià)格走勢Fig.1 Price trend of high purity XAI gas

1.4 產(chǎn)業(yè)政策支持

天然氣為清潔低碳的化石能源，大力發(fā)展天然氣有利于經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，符合全球能源與環(huán)境發(fā)展需求。《巴黎氣候變化協(xié)定》長期目標(biāo)是將全球平均氣溫較前工業(yè)化時(shí)期上升幅度控制在2 ℃以內(nèi)。中國制定了雙碳目標(biāo)，致力于將二氧化碳排放量力爭于2030 年前達(dá)到峰值，爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

國家發(fā)展和改革委員會(huì)令（第29 號(hào)）《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2019 年本）》明確提出天然氣、液化天然氣的儲(chǔ)運(yùn)、液化天然氣的加注設(shè)施建設(shè)屬于鼓勵(lì)類產(chǎn)業(yè)。天然氣業(yè)務(wù)發(fā)展勢必會(huì)帶動(dòng)LNG 業(yè)務(wù)發(fā)展，各省市政府出臺(tái)政策支持LNG 業(yè)務(wù)布局，頒布實(shí)施《長江干線京杭運(yùn)河西江航運(yùn)干線液化天然氣加注碼頭布局方案》。以西南地區(qū)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(dá)到80×108m3，遠(yuǎn)高于已建所有LNG液廠的總產(chǎn)能。

美國作為全球最大的XAI 資源國和產(chǎn)氣國，1925 年頒布了《XAI 保護(hù)條例》（The Helium Act of 1925），并于1960 年進(jìn)行了修訂。美國內(nèi)政部規(guī)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(nèi)XAI唯一的工業(yè)化來源。

1.5 產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景

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

2021年中國天然氣產(chǎn)量突破2 000×108m3，全球LNG 需求量連續(xù)增加，進(jìn)口LNG 已成為我國第二大天然氣供應(yīng)來源[7-9]。預(yù)計(jì)中國2030 年天然氣消費(fèi)規(guī)模將達(dá)到5 500×108～6 000×108m3，2040年達(dá)到峰值6 000×108m3。中國巨大的天然氣消費(fèi)量需要依靠國內(nèi)天然氣增產(chǎn)和進(jìn)口LNG 來實(shí)現(xiàn)。至2035 年，國內(nèi)天然氣預(yù)計(jì)增產(chǎn)至2 500×108～2 800×108m3，LNG接收能力達(dá)到3 248×108m3[10]。

目前國內(nèi)LNG 工廠約有200 座，總建設(shè)產(chǎn)能達(dá)到1.24×108m3/d（按每年330 天計(jì)算折合約2 800×104t/a），受氣源影響，開工率不足50%。2019年國產(chǎn)LNG約為1 165×104t/a，平均開工率約為41%。若國內(nèi)LNG 工廠能夠滿負(fù)荷運(yùn)行，全部發(fā)展BOG 提XAI 業(yè)務(wù)，國內(nèi)XAI 資源回收利用規(guī)模將達(dá)到1 227×104m3/a（0 ℃，1 atm）。隨著LNG產(chǎn)業(yè)發(fā)展，BOG提XAI更有廣泛發(fā)展空間。

2 LNG尾氣提XAI工藝比選及經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

單一的天然氣提XAI 技術(shù)能耗巨大，成本很高，將多種提XAI方法共同應(yīng)用的聯(lián)合法，即將天然氣提XAI 與LNG 生產(chǎn)、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(jīng)濟(jì)效益顯著[11]。馬國光[12]等將天然氣提XAI 工藝與制LNG 工藝進(jìn)行結(jié)合生產(chǎn)，并探索經(jīng)濟(jì)地獲取LNG 及粗XAI產(chǎn)品的流程參數(shù)。

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(lián)產(chǎn)法、聯(lián)合法等提XAI 新工藝和LNG 等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,為從天然氣中經(jīng)濟(jì)地提取XAI 提供了新的方法[13]。本文結(jié)合變壓吸附工藝，對(duì)LNG 尾氣提XAI精制工藝開展可行性研究，為經(jīng)濟(jì)高效制取高純精XAI產(chǎn)品提供了新的解決方案。

2.1 XAI精制工藝對(duì)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(diǎn)，在深冷條件下使幾乎全部的甲烷和大部分氮?dú)庖夯＝?jīng)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(jīng)吸附獲得純XAI，屬于相對(duì)成熟的工藝，在國內(nèi)外應(yīng)用非常普遍。深冷法提XAI 的產(chǎn)品純度和收率均較高，但深冷提XAI 設(shè)備投資和操作費(fèi)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(xué)性質(zhì)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(dá)到吸附劑循環(huán)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(diǎn)，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?dú)狻⒍趸嫉仍谖絼┍砻嫔系奈搅亢芨撸虼丝煽紤]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(yōu)劣對(duì)比如表1所示。

表1 方案優(yōu)劣對(duì)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(jīng)濟(jì)性好，本次優(yōu)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(jìn)入裝置原料氣存貯單元，然后進(jìn)入脫氫單元，經(jīng)過脫氫反應(yīng)橇進(jìn)行打循環(huán)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(shè)置吸附塔，解析氣為富甲烷氣，每個(gè)吸附塔循環(huán)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(jīng)過低溫吸附橇先進(jìn)行干燥，再脫除氮?dú)狻⒛蕷獾绕溆嚯s質(zhì)，最終制得高純XAI 產(chǎn)品（99.999%）進(jìn)入高純XAI 儲(chǔ)氣瓶組或進(jìn)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(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

四川盆地天然氣XAI 含量平均0.03%，按照川內(nèi)8 座LNG 液廠1 200×104m3/d 處理規(guī)模，LNG 工廠可提供40%粗XAI 267×104m3/a，折算99.999%的XAI年產(chǎn)規(guī)模可達(dá)107×104m3。

通過整合川內(nèi)可利用的XAI資源，XAI 精制純化一期裝置規(guī)模可達(dá)100×104m3/a（以5N 氣產(chǎn)量計(jì)）。通過濃度40%的粗XAI 經(jīng)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(chǎn)品，XAI 回收率可達(dá)95%以上。經(jīng)過市場分析，參照長期穩(wěn)定價(jià)格變化趨勢，結(jié)合一線XAI氣貿(mào)易商2022年定購XAI 產(chǎn)品價(jià)格及對(duì)未來5年XAI 市場價(jià)格的預(yù)測，按照主產(chǎn)品液XAI（高純XAI 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)）、氣XAI（5N 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)）出廠價(jià)140 元/m3，生產(chǎn)能力盈虧平衡點(diǎn)63%，項(xiàng)目財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率（稅后）為16.2%，項(xiàng)目的投資回收期為6.7年。

通過對(duì)建設(shè)投資、運(yùn)營成本、內(nèi)部收益率、投資回收期等進(jìn)行盈虧平衡分析和敏感性分析等經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，LNG 尾氣提XAI項(xiàng)目主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均高于行業(yè)基準(zhǔn)值，盈利能力較強(qiáng)，項(xiàng)目投資回收期短，收益率較高，財(cái)務(wù)杠桿效用明顯，投資回報(bào)能力較強(qiáng)。

3 結(jié)束語

XAI 是我國稀缺資源，高純氣、液XAI 產(chǎn)品在我國屬于關(guān)系國家安全以及高新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)品，產(chǎn)品附加值高，市場供不應(yīng)求。按照西南地區(qū)“十四五”發(fā)展規(guī)劃，LNG處理站將達(dá)到700座，年處理能力80×108m3，LNG 工廠預(yù)計(jì)每年產(chǎn)生尾氣540×104m3，折算99.999%的XAI 富集規(guī)模可達(dá)216×104m3，每年潛在的工業(yè)產(chǎn)值可達(dá)到3 億元，川渝地區(qū)將有具有廣泛的LNG尾氣提XAI潛力和經(jīng)濟(jì)效益。本項(xiàng)目采用的LNG 尾氣提XAI 工藝先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)可行，同時(shí)可以變廢為保，符合國產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，有助于在一定程度上緩解高純XAI 產(chǎn)品對(duì)進(jìn)口的依賴，對(duì)提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保障國家能源安全具有積極作用。