西藏制氧技术发展及研究现状

李 勇，孟芳兵，陈远富，吴 琪，旦增旺旦，王世锋

(西藏大学 a.供氧研究院；b.理学院，西藏 拉萨 850000)

1 前 言

西藏地区平均海拔4000 m以上，高寒缺氧的自然环境严重影响着西藏人民的健康，在西藏生活工作的人长期处于缺氧状态，这致使西藏人民的身体产生不可逆的机体损伤及组织器官的加速老化[1-3]。为了改善这种状况，西藏自治区政府正在大力倡导“氧进家”之民心、民生工程。2020年在十三届全国人大三次会议上西藏代表团以代表团的名义共提出了三条建议，其一就是“关于支持西藏高海拔地区供氧工程建设和运行维护的建议”。因此西藏供氧的需求已成为西藏经济社会发展的需要，成为党和国家对西藏人民的关怀需要，是治边稳藏国家战略的需要。供氧不仅解决西藏人民的健康问题，提升西藏人民的幸福感，同时制供氧产业的形成发展将会有力推动西藏经济的发展，消纳西藏境内丰富的清洁能源、解决就业问题、产生巨大的经济社会效益。实现供氧首先需要解决氧源的问题，当前制氧行业最主要的制氧方式有三种，分别为深冷分离空气法制氧、变压吸附分离空气法制氧、膜分离法制氧。本文就三种制氧技术在西藏的发展及研究现状进行了综述，并对西藏制氧未来的发展进行了展望，提出了发展建议。

2 制氧技术在西藏的发展及研究现状

2.1 深冷分离空气法制氧

2.1.1深冷分离空气法制氧原理

深冷分离空气法制氧是德国卡尔·林德教授于1902年发明的，发展至今，技术已较为成熟，是一种常规的制氧方式。深冷分离空气法制氧的主要原理是利用液态空气中氮、氧等各个组分沸点不同，首先对净化后的空气进行压缩、冷却获得液化的空气，再通过精馏，使空气中的氧和氮分离最终得到氧气，因系统最低工作温度在120 K以下，因此这种方法制氧被称为深冷分离空气法。其一般工艺流程如图1。

图1 深冷分离空气法制氧流程图

2.1.2深冷分离空气法制氧优缺点

深冷分离空气法制氧是当前应用最为广泛的制氧方式，其技术工艺成熟，制氧纯度高(一般纯度在99.6%以上)，产品除氧气外还有氮气、氩气，适合大规模制氧[4]。但是深冷分离空气法有以下缺点：

1.制氧工艺流程复杂、自动化程度不高、操作过程复杂、需专业人员运行维护；

2.停车启动时间长(重启一次一般需要7 h以上)、代价高；

3.占地面积大，建设周期长、投资大。

2.1.3深冷分离空气法制氧在西藏的发展

深冷分离空气法制氧产品是较早在西藏应用的氧气产品，早期主要应用于医疗及应急供氧，目前部分单位弥散供氧的氧源亦采用深冷分离空气法制取的液氧。当前所需液氧主要通过公路运输，从格尔木、兰州等地运抵西藏，成本较高，市场价一般为5元/Nm3。为了降低液氧成本，由杭州创威控股集团有限公司与拉萨市柳梧新区城市投资建设发展集团有限公司于2018年5月共同投资组建的西藏创投气体技术有限公司目前正在建设中，建成后西藏本地即可实现较大规模深冷分离空气法制取液氧，但考虑到西藏本地难以消耗深冷分离空气同时生产的液氮、液氦，该方法制取液氧的成本将会较高。当前深冷分离空气法制氧主要向节能降耗和提升安全性两个方向发展。

2.2 变压吸附分离空气法制氧

2.2.1变压吸附分离空气法制氧原理

变压吸附分离空气法制氧主要是根据沸石分子筛对空气中的氧气和氮气具有不同的吸附能力来实现气体分离的一种技术。当空气流过分子筛时，在一定的压力下，由于分子筛对氮气的吸附能力大而使氮气被吸附氧气得以通过，从而获得氧气,原理图见图2。随着分子筛材料及变压吸附分离空气法制氧工艺的发展进步，先后出现了三种变压吸附制氧方式，分别为：高压吸附常压解吸制氧(PSA)、常压吸附真空解吸制氧(VSA)、低压吸附真空解吸制氧(VPSA)。上述三种变压吸附制氧方式工艺流程不同，但原理相同。

图2 变压吸附分离空气制氧原理图

2.2.2变压吸附分离空气法制氧优缺点

VPSA与深冷分离空气法制氧对比如表1。作为一种比较成熟的制氧方式，与传统深冷分离空气法制氧相比，变压吸附法制取氧气主要有如下优点：

表1 VPSA与深冷分离空气法制氧对比表

1.变压吸附的工艺流程较为简单，在常温和低压环境下便可操作，启停快速(大型变压吸附分离空气制氧设备启动后15～30 min可开始制氧，小型PSA制氧机可做到即开即用)，自动化程度高无需专人看管[5]；

2.变压吸附法制取氧气运行压力较低，安全性较强，无污染，对环境友好；

3.氧气的纯度和产氧量在一定范围内可以灵活调节；

4.占地面积小、投资费用低、能耗低，尤其是大型VPSA变压吸附分离空气法制氧能耗已低至0.32 kW·h/Nm3[6]。但是变压吸附分离空气法制氧的浓度一般只有93%左右，不适宜高纯氧的生产。

2.2.3变压吸附分离空气法制氧在西藏的发展

当前变压吸附分离空气法制氧共有三种工艺，分别为PSA、VSA、VPSA，其中PSA和VPSA在西藏均有应用，尤其PSA在西藏应用最为广泛。由于PSA工艺流程最为简单，其在中小型变压吸附分离空气制氧机上得以广泛应用。目前西藏市场上流行的家用小型制氧机基本都采用PSA工艺，部分单位集中弥散供氧的氧源也采用PSA分子筛分离空气制氧机。与PSA工艺相比，VPSA工艺具有较低的工作压力及更低的能耗表现，目前正得以快速发展。西藏高争水泥厂水泥回转窑富氧燃烧采用的制氧方式便是VPSA分子筛变压吸附分离空气法制氧，使用效果良好。

当前对变压吸附分离空气法制氧的研究热点主要集中在两个方面：一是工艺流程的优化；二是低成本高性能分子筛材料的研发。工艺流程优化方面主要是对大型制氧设备吸附床的优化设计，以实现吸附床内气体流速均匀，防止吸附床被气流快速穿透等，对微型制氧机的工艺流程模拟优化[7-10]。制氧分子筛材料的研发是提升变压吸附分离空气法制氧性能、降低成本的根本途径。LiX分子筛是当前市场上公认制氧性能最好的分子筛材料，但LiX分子筛较为昂贵，因此对LiX分子筛通过离子交换等方式进行改性是当前制氧分子筛材料研究的一个热点[11-12]。变压吸附分离空气法制氧在内地目前已是较为成熟的工艺，在西藏发展也较为迅速，但普遍存在着同样的产品在西藏其性能和寿命明显降低，这主要是由于西藏地处高原，气压低、空气稀薄，许多设备、材料进入高原后表现出了明显的不适应，因此需要根据高原的环境特征对工艺进行调整优化，对设备及材料进行适应性改进。目前，虽然开展了一定的这方面工作，但不够深入系统。

2.3 膜分离法制氧

2.3.1膜分离法制氧原理

膜分离法制氧是一种新型的空气分离技术，从原理上可将其分为两类，一类是利用空气中氮气和氧气在一定压力下膜中的渗透速率差来实现氮、氧分离，相对于氮气来说，氧气在膜中的渗透速率大，更容易透过膜，从而在膜的另一侧得到富氧空气，这种方法制得的氧浓度一般低于40%，通常所用膜材料为有机材料[13]；另一类是是利用离子-电子混合导体陶瓷材料制成的致密无机膜，在高温下，当膜两侧的氧分压不同时，氧气将会在膜表面离解成氧离子，并以氧离子的形式从高压侧传导到低压侧，然后在低压侧膜表面重新结合成氧分子，从而实现从空气中分离制取氧气的目的，原理图见图3，理论上由于陶瓷膜只允许氧离子透过，用该种方法可以制备出纯度为100%的氧气[14-16]。

图3 混合导体致密陶瓷膜透氧原理图

2.3.2膜分离法制氧的优缺点

有机膜分离法制氧工艺技术较为成熟，已经广泛在富氧机、富氧空调等设备上得到实际应用，该方法具有制氧工艺流程简单、操作过程容易、设备启停方便快捷、运行噪音小、不会对周围环境造成污染、建设周期短、投资费用低、能耗低等优点，但制取出来的氧气纯度不高，浓度一般低于40%，不适宜大规模制氧场景[17-19]。

陶瓷透氧膜分离空气制氧是一种新兴的中、大规模制氧技术，与传统深冷分离空气法制氧相比该技术具有建设周期短、投资费用低、能耗低、操作过程简单、启停时间短、自动化程度高、运行费用低、制氧纯度高等诸多优点，但目前该技术虽取得了巨大的进步，但仍不成熟[20-22]。

2.3.3膜分离法制氧在西藏的发展

膜分离法制氧在西藏有一定的应用，目前在西藏膜分离法主要用于高原氧吧、富氧空调、医用富氧机、进藏火车车厢供氧等制氧场景，所用分离膜主要为高分子材料膜。西藏冬季极为寒冷干燥而且更加缺氧，富氧空调在实现供氧的同时具有供暖加湿功能，在西藏将会有较大的发展空间。

大中型致密陶瓷透氧膜分离空气制氧技术不够成熟，目前在西藏还未见应用，但是较传统深冷分离空气法制氧，能大幅度降低生产成本的高纯氧生产技术，将会是一种非常有发展前景的制氧技术，目前各国正在积极发展。该种技术的关键材料——混合导体致密陶瓷透氧膜是目前研究的热点，作为能应用于工业化制氧的致密陶瓷透氧膜，不仅需要有高的透氧性能而且需要良好的稳定性。当前研究人员主要通过掺杂、表面改性等方法来改善单相钙钛矿型陶瓷透氧膜材料的稳定性以获得高透氧性高稳定性的陶瓷透氧膜[23-25]。现有的单一材料难以实现高透氧性、和高稳定性同时兼顾，为此采取双相复合的方法制备同时满足高透氧和稳定性的陶瓷透氧膜成为了研究该类材料的一种可行策略。可以预见，随着致密陶瓷透氧膜分离空气制氧技术不断成熟，由于其产品只有纯氧，且在成本上较传统制氧方式具有较大的优势，将会是一种适宜在西藏发展的大规模制氧方式，未来可能在西藏大规模弥散供氧、富氧垃圾焚烧、水泥厂转窑炉富氧燃烧、污水处理等方面提供氧源。

3 各类制氧技术在西藏发展展望

目前PSA分离空气法制氧在西藏处于主导地位，中小型PSA制氧技术已经相当的成熟，但是在高原依然存在PSA制氧机正常使用寿命远低于平原地区的问题，这需要制氧机生产企业及科研工作者根据高原低气压、昼夜温差大、干燥的气候特征对PSA制氧机制氧工艺流程进行优化，对PSA制氧机所用分子筛材料及空压机等关键材料和元器件进行高原适应性研发及选型。目前西藏大学已经筹建了供氧研究院，对高原制供氧关键技术进行研发是西藏大学供氧研究院的任务之一，广大的制供氧企业也在开展制供氧技术的高原化开发。相信通过科研工作者及广大企业的共同努力，高原型的PSA制氧机将会实现更长的使用寿命、更低的价格，从而在家庭用户中得以更广泛的使用。目前西藏国家机关单位、企业、宾馆等需要集中供氧的场景大多使用的是PSA较大型制氧机作为供氧氧源，部分单位亦采用液氧储罐作为氧源，存在的主要问题是PSA制氧机能耗高、设备寿命低、故障率高，而液氧(一般从格尔木、兰州等地由公路运输至拉萨)虽运行稳定，但长期成本高，因此西藏中大规模制氧需寻求能长期稳定运行、综合成本更低廉的制氧方式。VPSA制氧机是通过微压吸附真空脱附分离空气制取氧气的工艺，由于其吸附压力低，整个系统能耗低、运行稳定性好、关键材料和零部件的使用寿命均得以延长，所以与PSA制氧相比其综合成本低、使用寿命长、运行稳定，是将来西藏中大规模制氧的一个发展方向。混合导体陶瓷膜分离空气制氧是一种新型的制氧技术，该技术无需压缩空气，受高原低气压影响小，将会是一种没有“高原反应”的制氧方式，但该种制氧方式当前还不成熟，需要进一步研发。该技术与传统深冷分离空气法制氧、VPSA分离空气法制氧相比，设备投资较低，尤其是优秀的能耗表现，将会是未来成本最低廉、最有发展前景的纯氧制备生产方法之一，无论是在健康用氧还是在富氧燃烧、污水处理等工业用氧方面均有巨大的发展潜力。

4 总 结

供氧在西藏意义重大，已成为西藏经济社会发展的需要，成为党和国家对西藏人民的关怀需要，是治边稳藏国家战略的需要。提供优质的氧源是实现供氧首先需要解决的问题，本文分别就深冷分离空气法制氧、变压吸附分离空气法制氧、膜分离法制氧三种制氧技术在西藏的发展及研究现状进行了综述，认为目前西藏市场占据主导地位的制氧方式是PSA分离空气法制氧，但是存在使用寿命低、运行稳定性不高、制氧成本高的问题，需要进行制氧工艺高原适应性优化及关键材料及零部件高原适应性的研发及选型。对于西藏未来制氧技术的发展，本文认为随着科研工作者及生产企业的共同努力，小型PSA家用制氧机将会有更广泛的使用及发展空间。VPSA具有优秀的能耗表现及运行稳定性和更长的使用寿命，将会成为西藏大中型制氧发展方向之一。混合导体陶瓷膜分离空气制氧作为一种新型先进的制氧技术，将会是最适合西藏的大规模制氧方式，但是该方式还不成熟，需要进一步的研究开发。