野战条件下制氧技术与装备的研究进展

马 帅，石梅生，张利芳，汪 星

（1.军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所，天津300161；2.联勤保障部队第940医院医学工程科，兰州730050；3.兰州市安宁区人民医院，兰州730050）

0 引言

氧气是人类赖以生存的物质基础，也是维持生命的重要因素，是战时医疗保障的重点内容之一[1]。在救治的最佳时间内，对紧急患者（特别是急性呼吸衰竭患者）采取有效的氧疗，使患者吸入足够的氧气以保证其体内血氧浓度维持在正常范围内，可以有效提高患者的救治率[2]。目前主要的制氧方法分为2类：一类是物理制氧，即将空气中的氧气与包括氮气在内的其他气体通过物理方法进行分离，如深冷（深度冷冻）法、膜分离法和变压吸附（pressure swing adsorption，PSA）法；另一类是化学制氧，即采用化学试剂，通过化学方法进行氧化还原反应，从无到有地制取氧气，如超氧化物制氧、氯酸盐分解和水电解等。

战场环境对医疗保障的要求重点是阶梯救治和快速后送[3]，而战时野战环境下的极端条件，如低温、高原地区的低压、车船舰载的密闭与不平稳等，对制氧装备的可行性、快速性、连续性和机动性等提出了更高要求[4]。本文对现有的制氧技术进行综述，结合各制氧方法的研究进展，分析各制氧方法的特点和制氧装备在野战条件下的应用。

1 物理制氧

1.1 深冷法

深冷法制氧是利用空气中各组分沸点不同，通过深度冷却后精馏而从空气中将氧气分离（制得氧气体积分数超过99.6%[5]）的方法。由于分离氧气和氮气需要在90 K以下的温度进行，因此这种方法被称为深冷法或低温法。

1.1.1 深冷法制氧工艺流程的研究进展

传统的深冷空分塔由低压塔和高压塔组成，其制氧工艺流程如图1所示[6]。随着科技的发展，最初的高压流程和中压流程逐渐被低压流程取代[6]，制氧工艺一般采用常温的高效分子筛吸附净化空气杂质、配备增压透平膨胀机组、规整填料上塔、全精馏制氩、分散控制系统（distributed control system，DCS）等最新技术[7]。在低压流程的基础上，Chang等[8]提出了一种改进的热集成耦合系统，通过改变精馏塔热耦合方式来降低精馏塔中空气操作压力，进而降低整体能耗，理论上可比普通深冷法降低47%的能耗。Zheng等[9]提出对于生产低纯度的氧气（体积分数为95%），单塔和三塔工艺要比传统的双塔工艺具有更大的节能潜力，并以10 000 m3/h的产氧量装置进行模拟，研究结果表明，单塔和三塔工艺比双塔工艺平均能耗降低12.3%～25.9%。Wu等[10]和Mehrpooya等[11]分别提出了一种利用液化天然气（liquefied natural gas，LNG）冷能生产氧气的低温空分新工艺，采用LNG冷回收的空分流程，制氧能耗约为0.36 kWh/m3。

图1 深冷空分制氧工艺流程图[6]

1.1.2 深冷法制氧装置的研究进展

深冷法进入工业近百年来，在大规模空气分离领域应用广泛。近年来，随着冶金、煤化及石化等工业对大型化空分装置需求的日益增加，深冷法制氧装置规模正由中等型（1 000 m3/h以上）向大型（10 000 m3/h以上）、特大型（80 000 m3/h以上）方向发展[12]。李美玲等[13]研究指出，空分制氧装置从10 000 m3/h到40 000 m3/h，制氧能耗则从0.383 kWh/m3降低到0.370 kWh/m3，制氧装置规模越大能耗越低。国外深冷法制氧技术发展较早，如林德、法液空等大型空分公司于20世纪初就研发出深冷法制氧装置，于20世纪90年代开始投运10万等级的空分装置，我国深冷法制氧装置自20世纪五六十年代开始，经历了仿制、引进技术和自主研发等阶段[14]，到2000年以后，以杭州杭氧、四川空分、开封空分、杭州福斯达等为代表的一批国内深冷法制氧装置生产企业紧跟世界空分技术发展的步伐。如今自主研发的国产空分设备技术性能也达到了国际先进水平，不仅占据了国内大部分市场，也开始向中东地区、东南亚地区，墨西哥、韩国等国家和地区出口空分设备[15]。

1.2 PSA法

PSA法是利用吸附剂在不同的压力下对不同空气组分具有不同的吸附力，进而实现空气中的氧氮分离的方法。

影响PSA法制氧的因素主要是吸附剂的吸附分离性能和PSA制氧工艺流程[16]。PSA制氧技术始创于20世纪60年代初，近60 a来人们对PSA制氧技术的研究主要体现在吸附剂的改性研究和PSA制氧工艺流程的研究等。

1.2.1 吸附剂的改性研究进展

开始应用于PSA制氧的分子筛主要是5A（CaA）、13X（Nax）沸石[17]。沸石分子筛对氮气的吸附容量和氮氧分离系数是决定PSA制氧装置规模和技术经济指标的最关键因素，因此对制氧吸附剂的改性研究主要着眼于提高和改善吸附剂对氮气、氧气的选择吸附性能，国内外也对此进行了大量研究[18-29]，通过改变沸石硅铝比（SiO2/Al2O3）和进行金属阳离子置换来调节分子筛的表面性质和吸附性能。硅铝比在2.0～2.2的X型分子筛被称为低硅铝比X型沸石分子筛（LSX），用Li+交换的锂型LSX（Li-LSX）在空分制氧领域展现了很大的优势，是目前工业上应用最广泛的空分制氧吸附剂[26]。Weston等[27]发现只有当Li+交换度大于75%时，Li-LSX的氮气吸附量才会迅速增加。鉴于锂价格的急剧上涨，Epiepang等[25]使用少量的Li+和Ag+交换到锶型LSX（Sr-LSX）和钙型LSX（Ca-LSX）样品中，制得锂锶混合型LSX（LiSr-LSX）、银锶混合型LSX（AgSr-LSX）和银钙混合型LSX（AgCa-LSX）混合物，氮氧分离系数为4.16～6.90，可以作为Li-LSX的理想替代品。Fu等[28]提出在高原空气相对湿度和日温度变化较大的条件下，对八面沸石（FAU）的氮气容量和氮氧分离性能造成不可逆的影响（238 K时，0%水含量时氮氧分离系数可达4.0，10%水含量时则为1.5左右），为抑制水和温度变化带来的负面影响，在高原特殊条件下，硅铝比接近1.5的FAU将是PSA制氧实际应用的合适吸附剂。

1.2.2 PSA制氧工艺流程的研究进展

PSA制氧技术起始于20世纪60年代，1960年Skarstrom[30]在其申请的专利中提出两吸附床四步PSA流程，如图2所示。Berlin[31]在Skarstrom[30]的逆放步骤之间增加了均压操作，在第一个吸附床吸附结束、第二个吸附床冲洗结束后联通两吸附床，完成均压步骤，降低了能耗的同时也提高了氧回收率。1964年Montareuil和Daniel[32]在其申请的法国专利中首先提到真空变压吸附（vaccum pressure swing adsorption，VPSA）流程，在略高于常压下吸附，真空下解吸。相较于PSA制氧工艺，VPSA制氧工艺可以提高产品氧气体积分数和氧回收率，且能耗低[33]。

图2 两吸附床PSA制氧工艺流程图[30]

在此基础上，PSA制氧工艺流程的研究主要集中于提高氧回收率、降低能耗以及适应各种复杂多变的环境等方面。相关研究人员对PSA制氧工艺流程进行了大量优化研究[34-38]，分析了制氧工艺流程中的吸附压力、吸附时间、均压时间、环境温度、冲洗孔径大小等工艺条件对氧气体积分数和氧回收率的影响，并得出了相应的最佳条件。为提高氧回收率，可以增加吸附床的数量。一般来说，吸附床越多，床内存留的富氧利用率越高，氧回收率越高。对于大中型固定式PSA制氧装置，两床制氧机的氧回收率一般为30%左右[35]，四床制氧机的氧回收率一般为40%左右。石梅生等[39]提出了一种高原高效制氧机，采用六床制氧流程，如图3所示，氧产量为10 m3/h，产氧纯度为93.5%，氧回收率可达58%。

图3 六床PSA制氧流程图[39]

与传统的PSA相比，快速变压吸附（rapid pressure swing adsorption，RPSA）流程的主要优势是缩短周期时间，其RPSA采用简单循环和高压降的单床工艺，压降平均增加一个数量级，周期时间可以缩短到10 s[40]。Moran等[41]提出多床系统的快速循环变压吸附（rapid cycle pressure swing adsorption，RCPSA），可以进行均压等步骤，进而提高氧回收率和降低能耗。Zhu等[42]研究出一种四吸附床和旋转多孔阀组成的RCPSA空分系统，在低吸脱压比（250 kPa∶101 kPa）下，产氧量为1 L/min，产氧纯度为92%。

1.3 膜分离法

膜分离法制氧是指在压力驱动下，使空气中的氧气和氮气通过膜的选择渗透作用来实现连续分离的过程，其分离过程如图4所示[6]。

图4 膜分离制氧过程示意图[6]

膜分离法的制氧工艺简单，因此膜分离法的研究主要集中于膜材料的改性与研究部分。多年来，科研工作者曾对上百种聚合物进行过性能测试和改性研究筛选，目前用于气体分离的聚合物膜材料主要有聚酰亚胺、醋酸纤维素和聚砜等膜材料。

常用的聚合物膜材料，其气体分离性能总是受到选择性和渗透性之间的罗伯逊上限影响[43]，选择性影响其产氧体积分数，渗透性影响其氧回收率。研究人员通过改变聚合物中金属络合物的比例或掺杂其他材料来改变聚合物的气体分离性能[44-49]。Alqaheem等[48]指出常用的聚合物材料聚醚酰亚胺（polyetherimide，PEI）具有较高的选择性（氧氮选择系数α为8.0），但渗透性却很低（氧透性为0.4 bar，1 bar=105Pa），为了改善其性能，可以添加填料（如10%的4A沸石）以创建微孔，从而更好地扩散气体。Han等[49]通过在聚醚酰胺中添加T（p-OCH3）PPCoCl制成的复合物膜，具有较好的渗透性（氧透性和氮透性分别为8.0和2.6 bar）和选择性（α为4.2），显著提高了原聚醚酰胺的气体分离性能。

2 化学制氧

2.1 超氧化物制氧

碱金属和碱土金属的过氧化物、超氧化物可与水和二氧化碳发生反应产生氧气。其整个反应过程可用下列反应方程式来表示[50]：

其中，M为碱金属。

超氧化物中最常用的生氧药剂为超氧化钾，通常将超氧化钾制成片状或板状，以方便使用和存储[51]。目前超氧化物制氧技术的研发主要围绕制氧装置在使用时出现的易烧结和融化、利用率低、难以匹配呼吸商等问题开展。针对上述问题，杨喆等[52]提出超氧化钾空气再生药剂配比优化方案，加入氢氧化钙和钠石灰，使药片产氧量最大为360 L，利用率提高了16.3%。余新昌等[53]提出化学氧呼吸器普遍存在使用过程中氧气体积分数较高的问题，通过在超氧化钾生氧剂中加入二氧化碳吸收剂BKD作为添加剂进行降氧，可以有效降低氧气体积分数，从而提高生氧剂的氧气利用率，稳定时氧气体积分数在26.5%左右，同时能保持65 min的稳定时长。Wang等[54]提出增加药剂板的数量或在药剂板中添加二氧化碳吸收剂，可以满足地下避难所中氧气产生速率和系统呼吸商之间匹配的要求。

2.2 氯酸盐分解

氯酸盐产氧是以氯酸盐（如NaClO3）或过氯酸盐为主体，以金属粉末作为燃料，添加少量的催化剂、抑氯剂和黏结剂，经混合后干（湿）压或浇铸而成。用电或明火引燃药块后，便能沿块体轴向等面积自动燃烧，这种燃烧现象与蜡烛燃烧很相似，故名“氧烛”[55]，其组成示意图如图5所示[56]。

图5 氧烛组成示意图[56]

二战期间，美国海军首先研制氧烛，将其用于紧急氧源和潜艇在海底运行时的供氧[56]。随后，英国、法国、奥地利和日本等国先后投入大量人力、物力进行氧烛的研制工作[56]。我国于20世纪80年代开始研究氧烛的机理、配方及点燃方式，并于20世纪90年代研制成功[56]。

目前，氧烛法制氧技术的研究主要集中于改进其性能方面，包括降低氧烛表面温度、提高氧烛的使用安全、提高氧烛的制氧性能等方面。常用的产氧药块（如NaClO3）在热分解初期温度可达500℃以上，在580℃左右完成分解，不仅需要较高的点燃温度，包裹材料的机械外壳也会持续高温，对使用环境造成很大的影响，同时高温容易对人员造成伤害。刘建国等[57-58]以氧烛中常用的Co2O3催化剂为研究对象进行实验，探究催化剂对氧烛产氧速率及稳定性的影响，结果表明Co2O3对NaClO3热解具有明显的催化性，在含有质量分数为4%的Co2O3时热解开始温度下降170℃左右，但热解终止温度仅下降了7℃，且会使NaClO3热解过程不连续，产氧速率不稳定；若在同时加入Mn金属，可使热解终止温度由419℃下降为351.9℃，并使热解过程更加连续平稳。为降低氧烛反应温度、优化产氧速率及提高整体产氧量，王伟象等[59]设计了双层结构的氧烛，提高了产氧效率（比单层结构氧烛提高了15.3%）。翟康等[60]提出在氧烛外壳增加二氧化硅气凝胶棉毡，有效降低了氧烛外壳最高温度（50℃以下），减缓了外壳温升速率。张彦军等[61]为适合野外多种环境而研制的便携式氧烛，合成了一种钴盐催化剂，使NaClO3分解降低到了250℃，放氧速率在0～5 L/min范围调节，氧烛密封罐的外表温度低于60℃。

2.3 水电解

水电解制氧技术适用于需要高纯氧或电力充足的场合，如医药工业、食品工业、潜艇和空间站供氧、火焰焊接或切割等。俄罗斯水电解制氧装置在20世纪90年代开始应用于和平号空间站，采用流动碱性电解质[64]；美国水电解技术在20世纪80年代便已应用于军事潜艇供氧，于2010年应用于国际空间站供氧，采用的是SPE水电解技术[64]。我国在载人航天应用背景的牵引下，中国航天员中心于20世纪90年代初期就开始进行SPE水电解制氧技术研究[65]，经过近20 a的技术积累和发展，已成功研制出了我国第一台用于空间站供氧的水电解制氧试验装置，并完成了“天宫一号”目标飞行器在轨飞行试验。

3 各制氧技术在野战条件下的应用

3.1 野战条件下氧气需求的特点

由于野战条件下制氧装备保障对象的特殊性以及应用场合的复杂多变性，与常规民用制氧装备相比，野战条件下制氧装备在某些方面有更严格的要求和显著的特点。根据保障对象的不同可将野战条件下氧气需求分为战伤救治用氧和高原用氧。

3.1.1 战伤救治用氧

总结国内外近现代战争中伤病员的特点，头颈部和胸腹部等出血、休克以及烧伤的病种较多，氧气对伤病员的救治十分重要[66]，如战时常见的创伤性气胸患者，吸氧条件下气体吸收率可以提高4倍左右[67]。而在不同的野战条件下，不同的医疗用氧单元对氧气的需求则体现在不同的方面。

（1）野战急救车：作为前接和转移伤病员的环节，氧气的需求量较小，同时制氧装置需放置于急救车上，对制氧装置的体积和质量有较大限制，因此需要保证制氧装置的快速性和机动性。

（2）野战救护所：作为伤病员接收、分类、紧急救治或早期治疗以及后送的机构，氧气的需求量适中，制氧装置通常放置于箱组或车辆等可移动便携式载体中，因此需要保证制氧装置的机动性、快速性和连续性。

（3）野战医院：作为战时后方医院，主要负责收治师、旅救护所和就近医疗机构后送的伤病员，对伤病员实施急救、早期治疗和部分专科治疗，氧气需求量较大，通常建立中心供氧系统，需要保证制氧装置的高效性、稳定性和连续性。

3.1.2 高原用氧

胃肠道间质瘤极易出现坏死和囊变，因此手术治疗中要防止破坏假囊导致转移。本次研究中，25例经过CT和MRI诊断为坏死和囊变，1例结肠胃肠道间质瘤转移到腹腔，经过MRI获得定位。

我国高原（海拔3 000 m以上）地区幅员辽阔，边界线长而复杂，随着现代战争形态的转变，环境因素对战争进程的影响不断加大，高原地区海拔高、空气稀薄，高原低气压性缺氧引发的各种高原性疾病严重影响着高原官兵的身体健康和军事作业能力，长期在高原生活的部队官兵会因为缺氧而影响日常训练、工作，导致战斗力下降。平原官兵急进高原的最初阶段易出现严重的高原反应，少数可引发急性高原不适应症及高原肺水肿、脑水肿等各种高原性疾病。对于高原环境下用氧的需求根据应用场合的不同而有所差异。

（1）定点制氧保障：对于高原常驻官兵，建立固定制氧机房，针对定点保障人群进行集中制、供氧，氧需求量大，因此定点制氧保障装备需满足使用方便、产氧量大、运行稳定等要求。

（2）机动制氧保障：对于到高原执行驻训等任务的平原官兵，通常需配备车载式、方舱式或便携式制氧装备，氧需求量较大，机动制氧保障装备需满足可随部队机动、产氧迅速且稳定、能耗低、环境适应性强等要求。

（3）单兵制氧保障：单兵制氧保障装备是指可以由一个人携带的制氧设备，受限于体积和质量，产氧量不会很大，单兵制氧保障装备需满足体积小、质量轻、能耗低等要求。

3.2 各制氧技术的特点及应用

结合表1所列的不同制氧技术的优缺点，根据各制氧技术和装备的应用发展情况总结如下：

表1 常用制氧技术的优缺点对比

（1）深冷法制氧技术成熟，制氧纯度高，但装置启动时间过长（一般为24～40 h[68-69]），无法实现野战条件下现场快速制氧，且装置体积大无法实现小型化，因此目前深冷法制氧在野战条件下主要应用于后方氧站、空军场站等场合，如应用于航空航天的KL-15A型制氧制氮车[70-71]，可生产纯度为99.5%的液氧（产氧量为0.022 m3/h）和气氧（产氧量为32 m3/h）。

（2）PSA制氧技术产氧体积分数较高，应用范围广泛，且PSA制氧装置结构简易、体积小、自动化程度高、操作简便、制氧纯度较高，可以满足战伤救治医疗用氧的需求，产生的氧气可以满足每分钟数升的氧气量，也可以满足每小时数吨的氧气量，对环境要求低。目前在野战条件下我军已研制出应用于后方供氧的大型固定式PSA制氧装置，应用于野战方舱医院、野战帐篷医院等场合和车载、船载等机动型PSA制氧装置、便携式PSA制氧装置等[72-81]，如图6所示，分别为我军研制的医用制氧方舱、野战制氧挂车、高原制氧车和箱组式制氧机[82]，能够满足我军基地和分队医疗救治用氧需求。

图6 PSA制氧装置[82]

（3）膜分离法耗能低、使用简单，且制氧装置扩容方便，大型化、小型化制氧装置均可实现，但产氧体积分数低（25%～40%），因此目前在野战条件下适用于舱室和车辆的弥散供氧。我军也研制出了用于高原环境下的车载型膜分离制氧机，如图7所示，该制氧机的富氧流量为5.4 L/min，产氧体积分数为26.7%左右[83]，可有效提高高原地区车辆驾驶人员的抗缺氧能力，从而降低高原行车事故的发生率。

图7 车载型膜分离制氧机[83]

（4）超氧化物制氧方法简单、使用方便，具有产氧和吸收二氧化碳的双重功能，但其产氧量低且属于一次性制氧不可再生，因此在野战条件下使用超氧化物制氧方法制备的氧气主要应用于救援和逃生用个人呼吸器的生氧药剂和潜艇、地下坑道等密闭环境中的备用氧源。超氧化物中最常用的主要是超氧化钾，其制氧装置的药板通常是由超氧化钾和少量纤维压制而成的板状药片，并在制氧装置中分层放置，如图8所示[84]。

图8 板状超氧化钾制氧装置[84]

（5）氯酸盐分解制氧使用方便，装置体积小、质量轻，不受环境限制，但产氧过程会向环境释放出一定热量，且会产生一定量氯气等副产物，属于一次性制氧不可再生，因此目前在野战条件下主要应用于车辆、船舰内紧急制氧，以及小型单兵携带式制氧[85]。

（6）水电解法制氧可制得高纯氧（纯度＞99.9%），生产原料为水，生产规模可大可小，由于制氧过程需要耗费水和大量电能，而野战条件下环境恶劣，很难实现充足的电力要求，因此主要应用于需要高纯氧且电力充足的特殊场合，如空间站和潜艇供氧[86]等。

4 结语

未来战场条件纷纭复杂，卫勤保障要实现野战条件下联合救治链，制氧技术的选择就要确保其快速性、连续性和高机动性，而各种不断发展的制氧技术在能耗、产氧体积分数、使用成本等方面各有特点，也为野战条件下的氧气供给提供了很多的选择。着眼未来新型的卫勤保障模式，应结合战时制氧技术的特点，根据不同的保障对象、野战环境、应用需求等选用合适的制氧技术，充分发挥其优势，并不断研发新型的制氧装备，构建完备的制供氧保障链，为我军在野战条件下医疗救治用氧保障提供强有力的技术与装备支持，提高我军战斗力和医疗保障能力。