氦在20世紀(jì)之前基本上是未知的。它是在1868年8月18日日食期間觀測到太陽突出光譜中檢測到的。自從上次日全食以來,至少有六個(gè)獨(dú)立的觀察者能夠辨別出一個(gè)太陽大氣中的新光譜線。開始認(rèn)為該線是鈉的線,但那年晚些時(shí)候得出結(jié)論,它實(shí)際上是一種新元素的證據(jù)。這個(gè)元素在希臘語中以Sun命名為氦。從地面來源檢測到元素氦已經(jīng)過去了將近30年。直到1895年,威廉·拉姆齊爵士和瑞利勛爵才報(bào)告了從鈾礦石和釷礦石中分析出的氣體氦的光譜觀察。
天然氣是碳?xì)浠衔锖推渌衔锏奶烊换旌衔?。與石油一樣,天然氣是在厭氧條件下通過有機(jī)材料的降解而產(chǎn)生的。它主要由輕烴(例如甲烷和乙烷)和一些重?zé)N(例如丁烷和丙烷)組成。雜質(zhì)(例如,二氧化硫,二氧化碳和氦氣)有時(shí)也可能以各種濃度存在。
在1900年初,當(dāng)美國中部大陸的天然氣井中大量存在氦氣時(shí),供應(yīng)情況發(fā)生了巨大變化(見框1.1用于天然氣的描述)。著名的故事涉及1903年在堪薩斯州德克斯特(Dexter)鉆探的勘探井,該井產(chǎn)生的天然氣不燃燒。隨后,Cady和McFarland對來自此井和鄰近井的氣體進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,氦氣的濃度約為1%(體積)。盡管地質(zhì)學(xué)家和石油生產(chǎn)商報(bào)告了許多可能會產(chǎn)生氦氣的天然氣田,但是直到世界大戰(zhàn)爆發(fā)之前,人們對商業(yè)開采的興趣就沒有增長。Kamerlingh Onnes在1908年的早期實(shí)驗(yàn)中獲得了氦氣。從礦物來源石砂中進(jìn)行提取來使氦氣液化。
在世界大戰(zhàn)初期,英國政府開始對氦作為起重氣體感興趣。盡管氦不像氫氣那樣漂浮,但氦不會燃燒,因此可以抵御敵人的火力。英國人于1915年在安大略省多倫多大學(xué)發(fā)起了一項(xiàng)研究計(jì)劃,到1918年,一家小型實(shí)驗(yàn)工廠在安大略省漢密爾頓附近開始運(yùn)營。戰(zhàn)爭中并未真正使用加拿大氦氣,但分離技術(shù)在漢密爾頓和漢密爾頓進(jìn)行了論證。后來于1919年和1920年在艾伯塔省卡爾加里市。
當(dāng)美國進(jìn)入世界大戰(zhàn)時(shí),將建立國內(nèi)氦源的任務(wù)交給了美國礦業(yè)局(BOM)。BOM承包了三座氦氣提取廠的建設(shè):兩座在沃思堡,另一座在得克薩斯州彼得羅里亞。這三個(gè)產(chǎn)地在實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生了約200,000 scf(5,500 Sm3)的氦氣,而140,000 scf(4,000 Sm3)的壓縮氣體正等待戰(zhàn)爭結(jié)束時(shí)運(yùn)往歐洲。毫不奇怪的是,此時(shí)除了可以立即使用的氣瓶中的壓縮氣體外,沒有考慮到氦的長期存儲。
了解到德國在使用柏林飛艇方面的相對成功,美國海軍在戰(zhàn)后立即啟動了一項(xiàng)計(jì)劃,以開發(fā)剛性飛艇作為海軍武器。美國大型氦氣生產(chǎn)廠于1921年4月在沃思堡附近建成,該廠基于林德空氣產(chǎn)品公司設(shè)計(jì)的試驗(yàn)性戰(zhàn)時(shí)工廠。該工廠由林德(Linde)根據(jù)合同為海軍運(yùn)營,直到1925年移交給BOM。隨著Petrolia氣田的接近枯竭,該工廠于1929年被封存,到那時(shí),它已產(chǎn)生了約4,700萬標(biāo)準(zhǔn)立方英尺(130萬 Sm3)的氦氣。和以前一樣,沒有考慮將其長期保存在儲備中。
出于對沃思堡關(guān)閉的預(yù)期,BOM決定建立一個(gè)新工廠,工廠于1929年4月投入生產(chǎn),隨后第二個(gè)工廠于1930年5月投入生產(chǎn)。該工廠位于得克薩斯州阿馬里洛附近,使用的天然氣來自Cliffside油田,由一條12英里(19公里)的管道連接。產(chǎn)生的甲烷通過管道輸送到大約7英里(12公里)到阿馬里洛,在那里用作燃料。該工廠每年可產(chǎn)生多達(dá)2500萬標(biāo)準(zhǔn)立方英尺(700,000 Sm3)的氦氣,但從未滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。
盡管地下氦氣是聯(lián)邦政府所有的,并且只能購買(與石油和天然氣不同,可以租用),但吉德勒公司在1927-1928年間建造了兩家商業(yè)氦氣工廠:一家在堪薩斯州的德克斯特,另一家在科羅拉多州撒切爾。這些工廠使吉德勒成為當(dāng)時(shí)世界上的私人氦氣生產(chǎn)商。在接下來的10年中,吉德勒生產(chǎn)了大約1400萬標(biāo)準(zhǔn)立方英尺(380,000Sm3),其中近90%用于海軍飛艇計(jì)劃。吉德勒的工廠于1937年出售給美國政府,使氦氣恢復(fù)了聯(lián)邦壟斷地位。后來,BOM在德克薩斯州建立了第四個(gè)工廠,即Exell工廠,該工廠終成為其一個(gè)運(yùn)營工廠。
1950年代開發(fā)的氦氣未來市場相當(dāng)樂觀,氦氣開始被認(rèn)為是冷戰(zhàn)的資源。國會于1960年頒布了《氦氣法修正案》(PL 86-777),該法令實(shí)質(zhì)上指示內(nèi)政部長使用部分耗盡的布什圓頂水庫來完成氦氣的獲取和保存。使用從國庫借來的資金購買商業(yè)性粗氦。該法案還允許私人生產(chǎn)氦氣,因此BOM成為終結(jié)的購買者。作為1960年法案的直接結(jié)果,在與BOM簽訂為期22年的合同的基礎(chǔ)上,幾家私營油氣生產(chǎn)商建造了5座新的氦氣提取廠。但是,很快就變得顯而易見了,樂觀的市場預(yù)測將無法實(shí)現(xiàn)。到1973年,BOM儲存了350億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺(9.7億Sm3)的粗氦,以及美國國債的巨額且不斷增長。在這種情況下,政府取消了合同,引發(fā)了數(shù)年的訴訟,在此期間大多數(shù)私人氦氣生產(chǎn)被暫停。在沒有私人生產(chǎn)的時(shí)候,開始是為了向政府保證氦氣來源而進(jìn)行的努力,開始是通過鼓勵(lì)私人公司提取氦氣來促進(jìn)氦氣保護(hù)的計(jì)劃。
從天然氣,到準(zhǔn)備用于應(yīng)對預(yù)期的供需周期性不平衡的存儲設(shè)備,變成威脅到整個(gè)行業(yè)生存能力的局面。
氦的私人消費(fèi)從1970年代的低點(diǎn)開始恢復(fù),盡管BOM仍在生產(chǎn),但私人生產(chǎn)到1980年代中期再次恢復(fù)健康。到1988年,管理和預(yù)算辦公室提議所有氦氣生產(chǎn)都屬于私營部門。但是,該提案遭到國會的反對。在1992年,政府提出了一項(xiàng)折中方案,根據(jù)該方案,不得出售BOM的設(shè)施,但政府機(jī)構(gòu)可以自由地從私營部門購買氦氣。
過去20年氦氣銷售的歷史數(shù)據(jù)以及未來以各種增長率銷售的情景。
同時(shí),發(fā)生了兩個(gè)主要變化。首先,國會在1997年取消了BOM,并將聯(lián)邦氦儲備的責(zé)任移交給了內(nèi)政部土地管理局(BLM)。第二,政府將氦氣價(jià)格提高到大大高于私人生產(chǎn)商的水平。結(jié)果,就在BLM于1998年停止生產(chǎn)氦氣之前,超過90%的國內(nèi)需求是通過私人來源滿足的,而1960年修正案通過之前則什么都沒有。具有諷刺意味的是,正是布什穹頂水庫及其相關(guān)管道推動了這一變化,并為美國用氦氣的保護(hù)做出了獨(dú)特的貢獻(xiàn)。但是,在國會,不愿離開氦氣業(yè)務(wù)的人們轉(zhuǎn)而渴望退出。