西藏制氧技術發(fā)展及研究現狀

李 勇，孟芳兵，陳遠富，吳 琪，旦增旺旦，王世鋒

(西藏大學 a.供氧研究院；b.理學院，西藏 拉薩 850000)

1 前 言

西藏地區(qū)平均海拔4000 m以上，高寒缺氧的自然環(huán)境嚴重影響著西藏人民的健康，在西藏生活工作的人長期處于缺氧狀態(tài)，這致使西藏人民的身體產生不可逆的機體損傷及組織器官的加速老化[1-3]。為了改善這種狀況，西藏自治區(qū)政府正在大力倡導“氧進家”之民心、民生工程。2020年在十三屆全國人大三次會議上西藏代表團以代表團的名義共提出了三條建議，其一就是“關于支持西藏高海拔地區(qū)供氧工程建設和運行維護的建議”。因此西藏供氧的需求已成為西藏經濟社會發(fā)展的需要，成為黨和國家對西藏人民的關懷需要，是治邊穩(wěn)藏國家戰(zhàn)略的需要。供氧不僅解決西藏人民的健康問題，提升西藏人民的幸福感，同時制供氧產業(yè)的形成發(fā)展將會有力推動西藏經濟的發(fā)展，消納西藏境內豐富的清潔能源、解決就業(yè)問題、產生巨大的經濟社會效益。實現供氧首先需要解決氧源的問題，當前制氧行業(yè)最主要的制氧方式有三種，分別為深冷分離空氣法制氧、變壓吸附分離空氣法制氧、膜分離法制氧。本文就三種制氧技術在西藏的發(fā)展及研究現狀進行了綜述，并對西藏制氧未來的發(fā)展進行了展望，提出了發(fā)展建議。

2 制氧技術在西藏的發(fā)展及研究現狀

2.1 深冷分離空氣法制氧

2.1.1深冷分離空氣法制氧原理

深冷分離空氣法制氧是德國卡爾·林德教授于1902年發(fā)明的，發(fā)展至今，技術已較為成熟，是一種常規(guī)的制氧方式。深冷分離空氣法制氧的主要原理是利用液態(tài)空氣中氮、氧等各個組分沸點不同，首先對凈化后的空氣進行壓縮、冷卻獲得液化的空氣，再通過精餾，使空氣中的氧和氮分離最終得到氧氣，因系統(tǒng)最低工作溫度在120 K以下，因此這種方法制氧被稱為深冷分離空氣法。其一般工藝流程如圖1。

圖1 深冷分離空氣法制氧流程圖

2.1.2深冷分離空氣法制氧優(yōu)缺點

深冷分離空氣法制氧是當前應用最為廣泛的制氧方式，其技術工藝成熟，制氧純度高(一般純度在99.6%以上)，產品除氧氣外還有氮氣、氬氣，適合大規(guī)模制氧[4]。但是深冷分離空氣法有以下缺點：

1.制氧工藝流程復雜、自動化程度不高、操作過程復雜、需專業(yè)人員運行維護；

2.停車啟動時間長(重啟一次一般需要7 h以上)、代價高；

3.占地面積大，建設周期長、投資大。

2.1.3深冷分離空氣法制氧在西藏的發(fā)展

深冷分離空氣法制氧產品是較早在西藏應用的氧氣產品，早期主要應用于醫(yī)療及應急供氧，目前部分單位彌散供氧的氧源亦采用深冷分離空氣法制取的液氧。當前所需液氧主要通過公路運輸，從格爾木、蘭州等地運抵西藏，成本較高，市場價一般為5元/Nm3。為了降低液氧成本，由杭州創(chuàng)威控股集團有限公司與拉薩市柳梧新區(qū)城市投資建設發(fā)展集團有限公司于2018年5月共同投資組建的西藏創(chuàng)投氣體技術有限公司目前正在建設中，建成后西藏本地即可實現較大規(guī)模深冷分離空氣法制取液氧，但考慮到西藏本地難以消耗深冷分離空氣同時生產的液氮、液氦，該方法制取液氧的成本將會較高。當前深冷分離空氣法制氧主要向節(jié)能降耗和提升安全性兩個方向發(fā)展。

2.2 變壓吸附分離空氣法制氧

2.2.1變壓吸附分離空氣法制氧原理

變壓吸附分離空氣法制氧主要是根據沸石分子篩對空氣中的氧氣和氮氣具有不同的吸附能力來實現氣體分離的一種技術。當空氣流過分子篩時，在一定的壓力下，由于分子篩對氮氣的吸附能力大而使氮氣被吸附氧氣得以通過，從而獲得氧氣,原理圖見圖2。隨著分子篩材料及變壓吸附分離空氣法制氧工藝的發(fā)展進步，先后出現了三種變壓吸附制氧方式，分別為：高壓吸附常壓解吸制氧(PSA)、常壓吸附真空解吸制氧(VSA)、低壓吸附真空解吸制氧(VPSA)。上述三種變壓吸附制氧方式工藝流程不同，但原理相同。

圖2 變壓吸附分離空氣制氧原理圖

2.2.2變壓吸附分離空氣法制氧優(yōu)缺點

VPSA與深冷分離空氣法制氧對比如表1。作為一種比較成熟的制氧方式，與傳統(tǒng)深冷分離空氣法制氧相比，變壓吸附法制取氧氣主要有如下優(yōu)點：

表1 VPSA與深冷分離空氣法制氧對比表

1.變壓吸附的工藝流程較為簡單，在常溫和低壓環(huán)境下便可操作，啟?？焖?大型變壓吸附分離空氣制氧設備啟動后15～30 min可開始制氧，小型PSA制氧機可做到即開即用)，自動化程度高無需專人看管[5]；

2.變壓吸附法制取氧氣運行壓力較低，安全性較強，無污染，對環(huán)境友好；

3.氧氣的純度和產氧量在一定范圍內可以靈活調節(jié)；

4.占地面積小、投資費用低、能耗低，尤其是大型VPSA變壓吸附分離空氣法制氧能耗已低至0.32 kW·h/Nm3[6]。但是變壓吸附分離空氣法制氧的濃度一般只有93%左右，不適宜高純氧的生產。

2.2.3變壓吸附分離空氣法制氧在西藏的發(fā)展

當前變壓吸附分離空氣法制氧共有三種工藝，分別為PSA、VSA、VPSA，其中PSA和VPSA在西藏均有應用，尤其PSA在西藏應用最為廣泛。由于PSA工藝流程最為簡單，其在中小型變壓吸附分離空氣制氧機上得以廣泛應用。目前西藏市場上流行的家用小型制氧機基本都采用PSA工藝，部分單位集中彌散供氧的氧源也采用PSA分子篩分離空氣制氧機。與PSA工藝相比，VPSA工藝具有較低的工作壓力及更低的能耗表現，目前正得以快速發(fā)展。西藏高爭水泥廠水泥回轉窯富氧燃燒采用的制氧方式便是VPSA分子篩變壓吸附分離空氣法制氧，使用效果良好。

當前對變壓吸附分離空氣法制氧的研究熱點主要集中在兩個方面：一是工藝流程的優(yōu)化；二是低成本高性能分子篩材料的研發(fā)。工藝流程優(yōu)化方面主要是對大型制氧設備吸附床的優(yōu)化設計，以實現吸附床內氣體流速均勻，防止吸附床被氣流快速穿透等，對微型制氧機的工藝流程模擬優(yōu)化[7-10]。制氧分子篩材料的研發(fā)是提升變壓吸附分離空氣法制氧性能、降低成本的根本途徑。LiX分子篩是當前市場上公認制氧性能最好的分子篩材料，但LiX分子篩較為昂貴，因此對LiX分子篩通過離子交換等方式進行改性是當前制氧分子篩材料研究的一個熱點[11-12]。變壓吸附分離空氣法制氧在內地目前已是較為成熟的工藝，在西藏發(fā)展也較為迅速，但普遍存在著同樣的產品在西藏其性能和壽命明顯降低，這主要是由于西藏地處高原，氣壓低、空氣稀薄，許多設備、材料進入高原后表現出了明顯的不適應，因此需要根據高原的環(huán)境特征對工藝進行調整優(yōu)化，對設備及材料進行適應性改進。目前，雖然開展了一定的這方面工作，但不夠深入系統(tǒng)。

2.3 膜分離法制氧

2.3.1膜分離法制氧原理

膜分離法制氧是一種新型的空氣分離技術，從原理上可將其分為兩類，一類是利用空氣中氮氣和氧氣在一定壓力下膜中的滲透速率差來實現氮、氧分離，相對于氮氣來說，氧氣在膜中的滲透速率大，更容易透過膜，從而在膜的另一側得到富氧空氣，這種方法制得的氧濃度一般低于40%，通常所用膜材料為有機材料[13]；另一類是是利用離子-電子混合導體陶瓷材料制成的致密無機膜，在高溫下，當膜兩側的氧分壓不同時，氧氣將會在膜表面離解成氧離子，并以氧離子的形式從高壓側傳導到低壓側，然后在低壓側膜表面重新結合成氧分子，從而實現從空氣中分離制取氧氣的目的，原理圖見圖3，理論上由于陶瓷膜只允許氧離子透過，用該種方法可以制備出純度為100%的氧氣[14-16]。

圖3 混合導體致密陶瓷膜透氧原理圖

2.3.2膜分離法制氧的優(yōu)缺點

有機膜分離法制氧工藝技術較為成熟，已經廣泛在富氧機、富氧空調等設備上得到實際應用，該方法具有制氧工藝流程簡單、操作過程容易、設備啟停方便快捷、運行噪音小、不會對周圍環(huán)境造成污染、建設周期短、投資費用低、能耗低等優(yōu)點，但制取出來的氧氣純度不高，濃度一般低于40%，不適宜大規(guī)模制氧場景[17-19]。

陶瓷透氧膜分離空氣制氧是一種新興的中、大規(guī)模制氧技術，與傳統(tǒng)深冷分離空氣法制氧相比該技術具有建設周期短、投資費用低、能耗低、操作過程簡單、啟停時間短、自動化程度高、運行費用低、制氧純度高等諸多優(yōu)點，但目前該技術雖取得了巨大的進步，但仍不成熟[20-22]。

2.3.3膜分離法制氧在西藏的發(fā)展

膜分離法制氧在西藏有一定的應用，目前在西藏膜分離法主要用于高原氧吧、富氧空調、醫(yī)用富氧機、進藏火車車廂供氧等制氧場景，所用分離膜主要為高分子材料膜。西藏冬季極為寒冷干燥而且更加缺氧，富氧空調在實現供氧的同時具有供暖加濕功能，在西藏將會有較大的發(fā)展空間。

大中型致密陶瓷透氧膜分離空氣制氧技術不夠成熟，目前在西藏還未見應用，但是較傳統(tǒng)深冷分離空氣法制氧，能大幅度降低生產成本的高純氧生產技術，將會是一種非常有發(fā)展前景的制氧技術，目前各國正在積極發(fā)展。該種技術的關鍵材料——混合導體致密陶瓷透氧膜是目前研究的熱點，作為能應用于工業(yè)化制氧的致密陶瓷透氧膜，不僅需要有高的透氧性能而且需要良好的穩(wěn)定性。當前研究人員主要通過摻雜、表面改性等方法來改善單相鈣鈦礦型陶瓷透氧膜材料的穩(wěn)定性以獲得高透氧性高穩(wěn)定性的陶瓷透氧膜[23-25]。現有的單一材料難以實現高透氧性、和高穩(wěn)定性同時兼顧，為此采取雙相復合的方法制備同時滿足高透氧和穩(wěn)定性的陶瓷透氧膜成為了研究該類材料的一種可行策略?？梢灶A見，隨著致密陶瓷透氧膜分離空氣制氧技術不斷成熟，由于其產品只有純氧，且在成本上較傳統(tǒng)制氧方式具有較大的優(yōu)勢，將會是一種適宜在西藏發(fā)展的大規(guī)模制氧方式，未來可能在西藏大規(guī)模彌散供氧、富氧垃圾焚燒、水泥廠轉窯爐富氧燃燒、污水處理等方面提供氧源。

3 各類制氧技術在西藏發(fā)展展望

目前PSA分離空氣法制氧在西藏處于主導地位，中小型PSA制氧技術已經相當的成熟，但是在高原依然存在PSA制氧機正常使用壽命遠低于平原地區(qū)的問題，這需要制氧機生產企業(yè)及科研工作者根據高原低氣壓、晝夜溫差大、干燥的氣候特征對PSA制氧機制氧工藝流程進行優(yōu)化，對PSA制氧機所用分子篩材料及空壓機等關鍵材料和元器件進行高原適應性研發(fā)及選型。目前西藏大學已經籌建了供氧研究院，對高原制供氧關鍵技術進行研發(fā)是西藏大學供氧研究院的任務之一，廣大的制供氧企業(yè)也在開展制供氧技術的高原化開發(fā)。相信通過科研工作者及廣大企業(yè)的共同努力，高原型的PSA制氧機將會實現更長的使用壽命、更低的價格，從而在家庭用戶中得以更廣泛的使用。目前西藏國家機關單位、企業(yè)、賓館等需要集中供氧的場景大多使用的是PSA較大型制氧機作為供氧氧源，部分單位亦采用液氧儲罐作為氧源，存在的主要問題是PSA制氧機能耗高、設備壽命低、故障率高，而液氧(一般從格爾木、蘭州等地由公路運輸至拉薩)雖運行穩(wěn)定，但長期成本高，因此西藏中大規(guī)模制氧需尋求能長期穩(wěn)定運行、綜合成本更低廉的制氧方式。VPSA制氧機是通過微壓吸附真空脫附分離空氣制取氧氣的工藝，由于其吸附壓力低，整個系統(tǒng)能耗低、運行穩(wěn)定性好、關鍵材料和零部件的使用壽命均得以延長，所以與PSA制氧相比其綜合成本低、使用壽命長、運行穩(wěn)定，是將來西藏中大規(guī)模制氧的一個發(fā)展方向?；旌蠈w陶瓷膜分離空氣制氧是一種新型的制氧技術，該技術無需壓縮空氣，受高原低氣壓影響小，將會是一種沒有“高原反應”的制氧方式，但該種制氧方式當前還不成熟，需要進一步研發(fā)。該技術與傳統(tǒng)深冷分離空氣法制氧、VPSA分離空氣法制氧相比，設備投資較低，尤其是優(yōu)秀的能耗表現，將會是未來成本最低廉、最有發(fā)展前景的純氧制備生產方法之一，無論是在健康用氧還是在富氧燃燒、污水處理等工業(yè)用氧方面均有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 總 結

供氧在西藏意義重大，已成為西藏經濟社會發(fā)展的需要，成為黨和國家對西藏人民的關懷需要，是治邊穩(wěn)藏國家戰(zhàn)略的需要。提供優(yōu)質的氧源是實現供氧首先需要解決的問題，本文分別就深冷分離空氣法制氧、變壓吸附分離空氣法制氧、膜分離法制氧三種制氧技術在西藏的發(fā)展及研究現狀進行了綜述，認為目前西藏市場占據主導地位的制氧方式是PSA分離空氣法制氧，但是存在使用壽命低、運行穩(wěn)定性不高、制氧成本高的問題，需要進行制氧工藝高原適應性優(yōu)化及關鍵材料及零部件高原適應性的研發(fā)及選型。對于西藏未來制氧技術的發(fā)展，本文認為隨著科研工作者及生產企業(yè)的共同努力，小型PSA家用制氧機將會有更廣泛的使用及發(fā)展空間。VPSA具有優(yōu)秀的能耗表現及運行穩(wěn)定性和更長的使用壽命，將會成為西藏大中型制氧發(fā)展方向之一?；旌蠈w陶瓷膜分離空氣制氧作為一種新型先進的制氧技術，將會是最適合西藏的大規(guī)模制氧方式，但是該方式還不成熟，需要進一步的研究開發(fā)。