氦在20世紀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,至少有六個獨立的觀察者能夠辨別出一個太陽大氣中的新光譜線。開始認為該線是鈉的線,但那年晚些時候得出結(jié)論,它實際上是一種新元素的證據(jù)。這個元素在希臘語中以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。
天然氣是碳氫化合物和其他化合物的天然混合物。與石油一樣,天然氣是在厭氧條件下通過有機材料的降解而產(chǎn)生的。它主要由輕烴(例如甲烷和乙烷)和一些重烴(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)有時也可能以各種濃度存在。
在1900年初,當美國中部大陸的天然氣井中大量存在氦氣時,供應情況發(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)學家和石油生產(chǎn)商報告了許多可能會產(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年的早期實驗中獲得了氦氣。從礦物來源石砂中進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發(fā)起了一項研究計劃,到1918年,一家小型實驗工廠在安大略省漢密爾頓附近開始運營。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行了論證。后來于1919年和1920年在艾伯塔省卡爾加里市。
當美國進入世界大戰(zhàn)時,將建立國內(nèi)氦源的任務交給了美國礦業(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。這三個產(chǎn)地在實驗過程中產(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)束時運往歐洲。毫不奇怪的是,此時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)后立即啟動了一項計劃,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)計的試驗性戰(zhàn)時工廠。該工廠由林德(Linde)根據(jù)合同為海軍運營,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,它已產(chǎn)生了約4,700萬標準立方英尺(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)閉的預期,BOM決定建立一個新工廠,工廠于1929年4月投入生產(chǎn),隨后第二個工廠于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2500萬標準立方英尺(700,000 Sm3)的氦氣,但從未滿負荷運轉(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時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1400萬標準立方英尺(380,000Sm3),其中近90%用于海軍飛艇計劃。吉德勒的工廠于1937年出售給美國政府,使氦氣恢復了聯(lián)邦壟斷地位。后來,BOM在德克薩斯州建立了第四個工廠,即Exell工廠,該工廠終成為其一個運營工廠。
1950年代開發(fā)的氦氣未來市場相當樂觀,氦氣開始被認為是冷戰(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,樂觀的市場預測將無法實現(xiàn)。到1973年,BOM儲存了350億標準立方英尺(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)的時候,開始是為了向政府保證氦氣來源而進行的努力,開始是通過鼓勵私人公司提取氦氣來促進氦氣保護的計劃。
從天然氣,到準備用于應對預期的供需周期性不平衡的存儲設(shè)備,變成威脅到整個行業(yè)生存能力的局面。
氦的私人消費從1970年代的低點開始恢復,盡管BOM仍在生產(chǎn),但私人生產(chǎn)到1980年代中期再次恢復健康。到1988年,管理和預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,政府提出了一項折中方案,根據(jù)該方案,不得出售BOM的設(shè)施,但政府機構(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,發(fā)生了兩個主要變化。首先,國會在1997年取消了BOM,并將聯(lián)邦氦儲備的責任移交給了內(nèi)政部土地管理局(BLM)。第二,政府將氦氣價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做出了獨特的貢獻。但是,在國會,不愿離開氦氣業(yè)務的人們轉(zhuǎn)而渴望退出。