[科普中國]-富氧

簡介

富氧是應(yīng)用物理或化學(xué)方法將空氣中的氧氣進(jìn)行收集，使收集后氣體中的富氧含量≥21%。富氧方法包括：增壓增氧、制氧機(jī)制氧、化學(xué)制氧等。富集的氧氣用途廣泛，隨著富氧燃燒技術(shù)的不斷發(fā)展，富氧技術(shù)也成了綠色能源的基礎(chǔ)之一。1

富氧方式增壓增氧方式增壓增氧主要用在飛機(jī)上,通過增加機(jī)艙內(nèi)的壓力,使空氣密度增加,由于空氣中含氧量的比例是一定的(氧在空氣中的體積比為20 95%),空氣密度增加后,空氣中氧的絕對質(zhì)量也增加,從而達(dá)到增加氧的目的。

制氧機(jī)制氧方式制氧機(jī)制氧廣泛用在各個(gè)領(lǐng)域,制氧機(jī)有3大類:第一是利用空氣為原料,通過物理的方法,把氧氣從空氣里分離出來。在1個(gè)大氣壓下,液態(tài)氧的沸點(diǎn)是-183℃,而液態(tài)氮的沸點(diǎn)是-196℃,當(dāng)控制液態(tài)空氣的沸點(diǎn)在-183℃以下高于-196℃時(shí),液態(tài)氮首先蒸發(fā),留下來的是液態(tài)氧,這種方法可制得純度很高的氧氣,再用很大的壓力(一般150個(gè)大氣壓)壓入鋼瓶貯存起來,供工廠、醫(yī)院使用,貯存在鋼瓶的氧氣還可向氧氣袋充氧,供個(gè)人或旅行者使用。平時(shí)我們所見的氧氣瓶供氧、氧氣袋供氧都是使用這種方法制出的氧氣。第二種是常壓(或叫低壓)制氧方法,所需壓縮空氣的壓力在1MPa以內(nèi),這是近十幾年發(fā)展起來的制氧方法,也叫膜制氧方法。膜制氧方法的原理可參見文獻(xiàn)。第三種是PSA分子篩制氧方法,PSA分子篩制氧是使用一種變壓吸附制氧設(shè)備,這種設(shè)備主要由空氣凈化系統(tǒng),PSA氧氮分離系統(tǒng),氧氣緩沖、檢測系統(tǒng)等組成。

化學(xué)制氧方式化學(xué)制氧是利用含氧化合物為原料,通過與催化劑的反應(yīng),制出氧氣。使用的含氧化合物必須具備兩個(gè)條件:一是這種含氧化合物是較不穩(wěn)定的,在加熱時(shí)容易分解放出氧氣;二是這種含氧化合物里含氧的百分比是比較高的,能分解放出較多的氧氣。一般用氯酸鉀(分子式是KClO3),它含氧的百分比達(dá)40%,在氯酸鉀里加入少量黑色的二氧化錳(MnO2)粉末,氯酸鉀會(huì)迅速分解,有多量的氧氣放出。氯酸鉀分解放出的氧氣常用“排水集氣法”收集,供試驗(yàn)、呼吸等使用。氧立得就是利用這種原理制氧的。2

薄膜分離制氧優(yōu) 點(diǎn)（1）增容方便。通過增加膜組件可以很容易地?cái)U(kuò)大系統(tǒng)的產(chǎn)氧量。

（2）無需操作人員特別照管。

（3）少保養(yǎng)。由于閥門少，所以不需定期更換移動(dòng)組件。

（4）重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間。

（5）易于安裝和啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間不超過10 min。

（6）富氧膜分離器具有較高的分離系數(shù)和滲透速度，其氧氣/氮?dú)獾姆蛛x系數(shù)為5~7。

（7）無負(fù)壓和變壓過程。

（8）因具有全調(diào)節(jié)功能，在要求產(chǎn)氧量降低時(shí)，可大大節(jié)約能源。

（9）中空纖維膜的使用壽命通常超過10年。

缺 點(diǎn)（1）必須有新鮮、潔凈的大氣環(huán)境，戰(zhàn)場上無法保障。

（2）中空纖維膜需進(jìn)口，目前國內(nèi)還不能制造。

（3）制氧的濃度為30%~50%，雖可直接供人使用，但若充滿氧氣袋其袋內(nèi)含氧量偏低。

低溫精餾壓縮氧低溫精餾用于大規(guī)模工業(yè)制氧已有百年的歷史，系統(tǒng)組成復(fù)雜。其原理是利用不同氣體的液化點(diǎn)不同，通過空氣壓縮低溫制取不同氣體。主要的設(shè)備有：空氣凈化設(shè)備、空氣壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、換熱設(shè)備、精餾設(shè)備、氧氣壓縮機(jī)、液氧泵等。低溫精餾法雖然在工程內(nèi)無法直接使用，但其氧產(chǎn)品經(jīng)過“液氧泵內(nèi)壓縮產(chǎn)品氧空氣分離流程”凈化處理，符合醫(yī)療用氧要求后，可充灌高壓鋼瓶在工程內(nèi)備用。

使用時(shí)要注意安全問題：一是要每天專人定時(shí)檢查鋼瓶的密封件。因?yàn)殇撈繅毫Ω?，長期儲(chǔ)存易漏氣。二是定期檢查供氧管路。若管路中有焊渣、鐵銹、油脂或其它固體物質(zhì)，在供氧量較大、流速較快時(shí)，夾帶這些物質(zhì)與管壁摩擦，會(huì)導(dǎo)致燃燒或爆炸。三是杜絕工業(yè)用氧混入其中。工業(yè)用氧價(jià)格低廉，但質(zhì)量要求較低，只能用于工業(yè)生產(chǎn)及產(chǎn)品加工。其中含有一氧化碳、二氧化碳、乙炔等對人體極為有害的雜質(zhì)，一旦病人吸入過量，會(huì)引發(fā)或加重呼吸系統(tǒng)的病癥，嚴(yán)重者導(dǎo)致生命危險(xiǎn)。

氯酸鈉氧燭制氧從上世紀(jì)40年代開始至今，北約組織國家普遍使用以氯酸鈉為基本原料制成的氧燭供給氧氣。氧燭按照用途可分為兩類：一類為啟動(dòng)型氧燭，用于超氧化物型自救逃生器的啟動(dòng)裝置，該啟動(dòng)型氧燭工作時(shí)間短、產(chǎn)氧量少，一般只工作1 min，產(chǎn)生約6L標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的氧氣；另一類為大型氧燭，工作時(shí)間長，主要用于軍事和航天領(lǐng)域。啟動(dòng)型氧燭由于質(zhì)量小，使用時(shí)間短，因此成型簡單、雜質(zhì)允許上限較高。而大型氧燭的質(zhì)量大，使用時(shí)間長，因此在配方配比、成型工藝上有較高的要求，不僅要防止分解過程中出現(xiàn)熄火、倒塌等現(xiàn)象，還要盡量抑制雜質(zhì)的產(chǎn)生。目前國內(nèi)對氧燭的研究主要集中在啟動(dòng)型小氧燭上，大型氧燭的研究還沒有深入。

國際上，西歐國家及美國對大型氧燭的研究較為深入。如奧地利Daimber公司的移動(dòng)式氧燭制氧裝置，尺寸1.5 m*0.635 m*0.6 m，重92 kg，已裝備部隊(duì)。法國IDF公司的氧燭制氧裝置已在法國軍隊(duì)、部分原法屬非洲國家軍隊(duì)以及一些醫(yī)院得到使用。英國的“無畏號”核潛艇中，氧燭是唯一的氧源。在航天領(lǐng)域，使用以高氯酸鋰為原料的氧燭作為“和平號”空間站氧源。

氧燭制氧技術(shù)的評價(jià)有兩個(gè)基本指標(biāo)：產(chǎn)氧量和雜質(zhì)氣體含量。到目前為止，產(chǎn)氧量的提高主要有兩條途徑：（1）使用含氧量高的氯酸鹽，提高燭體中的氧密度。如“和平號”空間站使用的氧燭是以高氯酸鋰為原料。2）通過尋找催化劑，降低氯酸鹽分解溫度，從而減少燭體中燃料的使用量，提高氯酸鹽的含量。

變壓吸附制氧中國對變壓吸附制氧技術(shù)的開發(fā)起步較早，20世紀(jì)70年代是中國PSA分離空氣制氧技術(shù)發(fā)展的鼎盛時(shí)期。全國有十幾個(gè)單位相繼開展了變壓吸附制氧技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，建立了數(shù)套工業(yè)試驗(yàn)設(shè)備。這個(gè)時(shí)期開發(fā)的變壓吸附制氧設(shè)備的共同點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：3

⑴大多采用高于大氣壓吸附、常壓解吸流程，吸附塔有兩個(gè)到四個(gè)；

⑵空氣進(jìn)入吸附塔前，經(jīng)過脫水預(yù)處理；

⑶設(shè)備可靠性差，不能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，導(dǎo)致大部分設(shè)備報(bào)廢；

⑷技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)落后。

20世紀(jì)80年代，原來從事變壓吸附制氧裝備研制單位的開發(fā)項(xiàng)目相繼中止，中國變壓吸附制氧技術(shù)的開發(fā)再次進(jìn)入低谷。

1995年，昆山錦滬機(jī)械有限公司在河南洛陽鋼鐵廠建成VPSAO1000Nm3/h制氧機(jī)，標(biāo)志著變壓吸附在中國正式進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，也標(biāo)志著變壓吸附在中國進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。

20世紀(jì)90年代是中國變壓吸附制氧技術(shù)突飛猛進(jìn)向前發(fā)展的時(shí)期，變壓吸附制氧技術(shù)逐漸成熟，有些產(chǎn)品的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)已經(jīng)接近國外先進(jìn)水平。多年的實(shí)踐表明，中國變壓吸附制氧技術(shù)已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室步入實(shí)用化階段。在近十年內(nèi)，通過不斷地技術(shù)更新和研究開發(fā)，中國變壓吸附制氧技術(shù)日新月異、發(fā)展迅速，與世界先進(jìn)水平之間的差距正在不斷縮小。但從整體水平上看，中國在很多方面與國際先進(jìn)水平仍有一定的差距。如在新型高性能的吸附劑的研究、吸附流程的改進(jìn)、理論分析研究和數(shù)學(xué)模型的建立，質(zhì)量監(jiān)控與自動(dòng)化控制等許多方面。

富氧燃燒燃燒中碳捕集即富氧燃燒技術(shù)，它是在現(xiàn)有電站鍋爐系統(tǒng)基礎(chǔ)上，用高純度的氧氣代替助燃空氣，同時(shí)輔助以煙氣循環(huán)的燃燒技術(shù)，可獲得高達(dá)富含80%體積濃度的CO2煙氣，從而以較小的代價(jià)冷凝壓縮后實(shí)現(xiàn)CO2的永久封存或資源化利用；具有相對成本低、易規(guī)?；⒖筛脑齑媪繖C(jī)組等諸多優(yōu)勢，被認(rèn)為是最可能大規(guī)模推廣和商業(yè)化的CCUS技術(shù)之一。4

富氧燃燒技術(shù)最早是由Abraham于1982年提出，目的是為了產(chǎn)生CO2用來提高石油采收率(EOR)。隨著全球變暖的加劇以及氣候的變化，作為溫室氣體主要因素的CO2排放問題逐漸引起了全球的關(guān)注。因此，富氧燃燒技術(shù)作為最具潛力的有效減排CO2的新型燃燒技術(shù)之一，成為全球研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。

目前，富氧燃燒技術(shù)在美國，日本，加拿大，澳大利亞，英國，西班牙，法國，荷蘭等國家都得到重視和發(fā)展。主要的研究機(jī)構(gòu)和公司包括：美國的EERC和ANL，B&W和Air Product以及Alstom美國分公司，日本的IHI、HITACHI，加拿大的CANMET，荷蘭的IFRF，澳大利亞的BHP和Newcastle大學(xué)、CS Energy，西班牙的CIUDEN，法國的Alstom，英國的Doosan Babcock，以及瑞典的Vattenfall電力等。

2005年以來，富氧燃燒的工業(yè)示范取得了突出的進(jìn)展，瑞典瀑布電力公司2008年在德國黑泵建成了世界上第1套全流程的30MW(th)富氧燃燒試驗(yàn)裝置；2009年，法國道達(dá)爾Lacq 30MW (th)天然氣富氧燃燒示范系統(tǒng)投入運(yùn)行；澳大利亞CSEnergy公司2011年在Calide建成了目前世界上第一套也是容量最大30MW(電)富氧燃燒發(fā)電示范電廠，西班牙CIUDEN技術(shù)研發(fā)中心建成了一套20MW(th)的富氧燃燒煤粉鍋爐和世界上第一套30MW(th)富氧流化床試驗(yàn)裝置。此外，歐盟、美國、英國等相繼宣布將 2015年前后對多座電廠進(jìn)行富氧燃燒大型示范項(xiàng)。2010年8月，美國能源部宣布啟動(dòng)基于富氧燃燒實(shí)現(xiàn)碳捕獲的Future Gen2.0計(jì)劃，資助10億美元(項(xiàng)目總的預(yù)算為13億美元)建設(shè)200MWe(現(xiàn)調(diào)整為168MW(e))商業(yè)規(guī)模的富氧燃燒電站，其目標(biāo)是獲得90%的碳捕集率，并將脫除絕大部分的SOx、NOx、Hg和顆粒物等污染物。