高原制供氧技术及应用

第1章 高原制供氧基础知识、基本原理及意义 制供氧系统在海拔高、气压低、昼夜温差大、高寒干燥等高原特殊地理气候环境下，面临诸多挑战。针对高原不同供氧需求，选择合适的制供氧技术方案，选用适合高海拔的制供氧原材料、元器件与设备，就显得非常重要。 1.1高原缺氧环境、缺氧反应及氧气补充 在氧气充足的平原地区，健康的人群只需要通过呼吸，就可以获取足够的氧气，满足身体需要。与平原地区相比，高原地区的空气稀薄、气压较低，海拔每增加 1000m，大气压降低约 11.5%，空气密度减小 9%。随着海拔高度的增加，空气密度不断减小，环境中氧气含量也相应地减少。因此，在高海拔地区生活的人一直处于缺氧环境中。虽然这种缺氧环境不会危及到人的生命，但却会影响人体的生理机能。长期居住在高原的居民已对高原缺氧环境有一定的耐受性。然而，生活在低海拔地区的人初入高原，可能会产生不同程度的缺氧反应，出现恶心、头痛和注意力下降等高原反应 [1]。补充氧气是减轻高原缺氧环境对居住者损害的昀有效措施，也是预防和治疗急慢性高原病的重要手段。在高原需要补充的氧气，可通过深冷空分法、变压吸附法、膜分离法、电解水法或化学试剂法等制取。 1.2高原制氧技术分类及原理 1. 深冷空分法 深冷空分法制氧，以空气为原料，首先将空气进行深度冷却，使其液化，依据空气中氧、氮等组分沸点不同，通过连续几次部分蒸发和冷凝，将氧、氮等组分逐步分离，从而获得高纯度液氧 [2]。深冷空分法制氧已有一百多年的历史，技术非常成熟。深冷空分法可用于大规模制取 99.9%以上的高纯氧，目前单套设备生产能力已超过 100000m3/h。深冷空分制氧系统由空气压缩机、空气冷却设备、分馏塔和换热器等组成，设备投资大，占地面积广。 2. 变压吸附法 变压吸附法制氧，是利用分子筛材料对氮气和氧气的选择性吸附特性，通过压力升/降变化实现对氮分子的吸附 /脱附，从而获得富氧空气 [3]。变压吸附技术在 20世纪 60年代出现，随着沸石分子筛技术的不断发展，变压吸附技术逐步开始应用于制氧领域。变压吸附法制氧，根据压力变化主要分为变压吸附(pressure swing adsorption，PSA)和真空变压吸附 (vacuum pressure swing absorption，VPSA)两大类，前者是加压吸附、常压解吸附，后者是低压吸附、真空解吸附。目前，变压吸附制氧技术已非常成熟。近十年来，随着分子筛材料性能的不断提高以及高效的气体分离系统的出现，变压吸附制氧技术开始应用于高原地区。变压吸附技术制氧具有能耗低、设备投资少、使用方便，以及可以连续产氧等优点。 3. 膜分离法 膜分离(membrane separation，MS)法制氧，是以空气为原料，在一定压力下，利用氮和氧等不同性质的气体通过膜时具有不同的渗透率来分离氧气和氮气。 20世纪 80年代中期，德国 Generon公司率先提出膜分离法 [4]。目前，膜分离制氧已广泛应用于钢铁熔炼、富氧空调、水产养殖等需氧领域。传统膜分离法制取的氧气浓度一般小于 40%，限制了其应用范围。近年来开发的陶瓷膜在高温下可制备近 100%的高纯氧气。膜分离法制氧具有体积小、重量轻、可靠性高等优点，但高性能膜材料及膜组件多需要进口，导致膜分离设备价格昂贵。 4. 电解水法 电解水法制氧，是指在电解质溶液中插入两根电极，当两电极间通电时，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气 [5]。电解水制氧的优点是氧气纯度高，可以达到 99.9%，生产规模可大可小，生产过程无污染，主要应用在食品工业、医药工业、医疗行业、焊接行业等，也可为潜艇、空间站等供氧，还可与燃料电池组合使用。电解水制氧昀大的缺点是耗能太大，电解槽部分的直流电消耗了总电量的 90%以上，并且，电解水制氧存在燃爆危险。电解水制氧在太阳能、水资源丰富的青藏高原，具有一定的优势。 5. 化学试剂法 化学试剂法制氧，是指通过试剂的化学反应制取氧气。化学试剂法制氧，具有方法简单、使用方便等优点，适合在水下、高空、医疗保健场所制氧。该方法的缺点是：产氧量相对较小；制氧试剂为一次性消耗品且价格较贵；制氧时生成的副产物可能会对周围环境造成污染。化学试剂法的一个典型应用是将一种氯酸盐制氧剂与其他材料混合制成“氧烛” [6]，氧烛储氧量大，可应用在潜艇舱室、航天器、高原富氧室等空间。 1.3高原供氧技术 供氧控制技术，主要分为集中供氧技术和弥散供氧技术。 集中供氧，是指将具有一定压力的氧气源汇集于一处，经过减压后，通过供氧管道输送到各个氧气使用终端 [7]。集中供氧系统一般由氧气源、控制装置、供氧管道、用氧终端和报警装置等组成。氧气源可以是高压钢瓶氧气、储罐液氧、制氧机生产的氧气或者它们的组合；控制装置主要包括气源切换装置、减压器、稳压装置与相应的阀门、压力表等；供氧管道将氧气从控制装置出口输送至各用氧终端；用氧终端是指使用氧气的端口，一般设在病房、手术室和其他用氧部门；报警装置安装在控制室、值班室或用户指定的其位置，当供氧压力超出使用压力的上下限时，报警装置即可发出声、光报警信号，提醒有关人员采取相应措施。集中供氧通常有如下几种方式：①氧气钢瓶汇流排方式，将钢瓶装氧气汇集在一处，经减压后进入氧气输送管道；②由液氧贮槽经液氧气化器、稳压器、减压装置进入氧气输送管道；③将制氧机生产的氧气充入进入氧气储罐，经减压后进入氧气输送管道；④以上任意两种组合方式。集中供氧技术具有管理集中高效、输送管道网络化、使用终端易于增减、管理成本及单个终端平均使用成本低等优点。目前集中供氧已广泛应用于医院供氧、办公楼及小区供氧。 弥散供氧，是指在向相对密闭缺氧的空间 (如海底行驶的潜艇、高原缺氧的卧室等)提供氧气，使氧气在该空间弥散，从而获得一个富氧空间 [8]。弥散供氧系统主要由氧气源、氧气管阀与弥散控制终端构成。其中氧气源可以是钢瓶汇流排高纯氧气、液氧罐中气化超纯氧气、制氧机生产的氧气或者它们的组合。氧气管阀一般采用食品级、医用级的塑料或不锈钢。弥散控制终端是弥散供氧系统的核心部件。随着弥散供氧技术的快速发展，控制终端越来越向小型化、智能化、Wi-Fi远程控制方向发展，不仅需要调控氧气压力、流速、流量、含量，还需要调控室内湿度及二氧化碳排放等，从而获得富氧、舒适的体验感。 1.4西藏供氧工程、制供氧产业及重大意义 1.4.1西藏供氧工程及实施 解决严重缺氧问题是保障西藏百姓和官兵身心健康的前提条件。 2008年 5月，西藏自治区政府投资 600多万元对西藏首*供氧工程项目“高原分体式弥散供氧系统”关键技术进行攻关。近几年，针对供氧工程，西藏自治区专门编制了《西藏自治区城镇供氧设施建设“十三五”规划》。西藏供氧工程不仅得到了国家在资金、技术和政策方面的大力支持，而且也得到了全国各地以及全区相关部门的技术支撑。“十三五”期间，西藏自治区投入数十亿元，先后在拉萨市、那曲市、日喀则市、阿里地区实施供氧试点工程。那曲市在学校、政府机关、居民小区实施了三期供氧试点工程，总投入六亿元左右。在“十四五”期间，西藏自治区以更大力度在全区规划实施供氧工程项目，提高西藏城镇供氧覆盖率，保障西藏人民健康水平不断提高。 1.4.2西藏制供氧产业政策及规划 随着经济发展、制供氧技术进步和人民对美好生活的向往，西藏对供氧需求越来越强烈。 2017年 3月，全国政协委员卓嘎提交了《关于加快推进西藏城镇供氧设施建设的提案》，建议国家加大政策倾斜力度，加大投资支持力度，出台西藏供氧设施建设扶持政策，加快推进西藏城镇供氧设施建设，逐步改善高寒高海拔地区城镇人居环境。与此同时，西藏自治区编制了《西藏自治区城镇供氧设施建设“十三五”规划》，计划完善高海拔地区供氧设施建设，提高供氧设施技术水平，实现西藏居住环境全面改善，以职工周转房、公共服务设施、重要旅游景点和口岸为主要对象，因地制宜，逐步提高城镇供氧覆盖率。西藏自治区在“十三五”规划期间，在拉萨市、那曲市、日喀则市、阿里地区等地开展了大量的供氧试点工程。同时，中央军委后勤保障部研究制定《高原制供氧设备管理规定》《高原制供氧设备油料补助标准》以及《高原制氧站业务经费补助标准》，建立“建、管、用、修、训”长效运行机制，使高原戍边部队供氧从昀初的“战备氧”“救命氧”，到“医疗氧”“保健氧”，再到“床头氧”“日常氧”，氧气供应越来越充足。 根据中央第七次西藏工作座谈会精神，西藏自治区可将供氧工程这一国家支持的“输血工程”变成自治区可持续发展的“造血工程”，充分利用国家对西藏供氧工程的大力支持，合理规划、良性引导，大力发展高原高效率、低成本制供氧技术，使其成为西藏独具特色的绿色可持续发展的高新技术产业，从而大力推进西藏高质量发展，提供更多就业机会，更好改善民生、凝聚人心，促进西藏经济社会发展。 1.4.3西藏制供氧重大意义 严重缺氧、高寒干燥等严酷自然环境给高原居民的身心健康造成了严重损害，西藏老百姓的平均寿命比内地低 6～8岁。西藏自治区党委和政府大力推进供氧工程，已分批次在拉萨市、那曲市、阿里地区、日喀则市等地投入数十亿元建设了供氧试点工程。 2021年召开的十三届全国人大四次会议上，西藏代表团以代表团的名义提出了“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”的议案。自治区将在“十四五”规划期间投入更多资金、以更大力度推进更大规模的供氧工程。因此，高原供氧工程在凝聚高原百姓人心、保障高原人民健康方面具有重要意义。 随着西藏供氧工程的大力推广，自治区政府和企业可通过规划、建设“弥散供氧酒店”或“富氧宾馆”，推动西藏文旅产业的健康发展。随着供氧工程的稳步推进，西藏将会吸引更多人来西藏旅游、就业与投资，推动西藏经济社会发展。西藏供氧工程的大力实施，还能有效提升西藏各级教育水平，提高西藏人民的文化素质。因此，研发适合高原的高效制供氧技术，不仅对推动西藏高新技术产业培育和发展、促进西藏经济高质量发展具有重要意义，而且对提高西藏教育水平、促进社会进步具有重要意义。 青藏高原作为中国西部安全屏障，具有重要地缘战略价值。高原缺氧也严重威胁戍守高原地区官兵的身心健康。近年来，为关怀戍守高原地区官兵的身心健康，中央军委、国防部一直高度重视高原边防官兵的“吸氧难题”，积极推进我军高原制供氧保障体系建设，有效保障戍守高原地区官兵的身心健康、增强军队战斗力。因此，研发适合高原的高效制供氧技术，对治边稳藏、国防安全具有重大战略意义。 参考文献 [1]郭振娜， 白玛多吉 ， 朗嘎卓玛 ， 等. 急进高原与急性高原反应的关系 [J].西藏科技， 2016， 282: 59-61. [2]罗艳. 深冷制氧技术在铜冶炼工程中的应用 [J].有色冶金设计与研究 ， 2010， 31(2): 14-16. [3]吴迪. 变压吸附制氧新工艺及吸附剂的应用研究 [D].烟台: 烟台大学 ， 2014. [4]颜泽栋， 单帅， 申广浩， 等. 车载型膜分离制氧机高原实地应用效果评价 [J].医疗卫生装备 ， 2016， 37(10): 13-15. [5]任小孟 ， 谈杰. 潜艇中利用 SPE电解水方法制氧的可行性分析 [J].装备环境工程 ， 2008， (2): 35-38. [6]韩旭. 小客车内氧烛紧急制氧技术研究 [J].安全与环境学报 ， 2005， (5): 43-45. [7]崔吉平， 种银保 ， 赵玛丽. 医用中心供氧系统的配置应用及质量管理控制 [J].医疗卫生装备， 2009， 30(3): 107-108. [8]李嵬， 喻波， 田贵全， 等. 高原弥散供氧的设计 [J].医用气体工程