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富氧

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富氧是應用物理或化學方法將空氣中的氧氣進行收集,使收集後氣體中的富氧含量≥21%。
富氧中燃燒碳即富氧燃燒技術,它是在現有電站鍋爐系統基礎上,用高純度的氧氣代替助燃空氣,同時輔助以煙氣循環的燃燒技術具有相對成本低、易規模化、可改造存量機組等諸多優勢。
中文名
富氧
外文名
oxygen enrichment
富氧含量
≥21%
應    用
航空航天、能源工業
方    法
增壓增氧、化學制氧
領    域
冶金、化工

富氧簡介

富氧是應用物理或化學方法將空氣中的氧氣進行收集,使收集後氣體中的富氧含量≥21%。富氧方法包括:增壓增氧、製氧機製氧、化學制氧等。富集的氧氣用途廣泛,隨着富氧燃燒技術的不斷髮展,富氧技術也成了綠色能源的基礎之一。 [1] 

富氧富氧方式

富氧增壓增氧方式

增壓增氧主要用在飛機上,通過增加機艙內的壓力,使空氣密度增加,由於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%),空氣密度增加後,空氣中氧的絕對質量也增加,從而達到增加氧的目的。

富氧製氧機制氧方式

製氧機製氧廣泛用在各個領域,製氧機有3大類:第一是利用空氣為原料,通過物理的方法,把氧氣從空氣裏分離出來。在1個大氣壓下,液態氧的沸點是-183℃,而液態氮的沸點是-196℃,當控制液態空氣的沸點在-183℃以下高於-196℃時,液態氮首先蒸發,留下來的是液態氧,這種方法可製得純度很高的氧氣,再用很大的壓力(一般150個大氣壓)壓入鋼瓶貯存起來,供工廠、醫院使用,貯存在鋼瓶的氧氣還可向氧氣袋充氧,供個人或旅行者使用。平時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)製氧方法,所需壓縮空氣的壓力在1MPa以內,這是近十幾年發展起來的製氧方法,也叫膜製氧方法。膜製氧方法的原理可參見文獻。第三種是PSA分子篩製氧方法,PSA分子篩製氧是使用一種變壓吸附製氧設備,這種設備主要由空氣淨化系統,PSA氧氮分離系統,氧氣緩衝、檢測系統等組成。

富氧化學制氧方式

化學制氧是利用含氧化合物為原料,通過與催化劑的反應,製出氧氣。使用的含氧化合物必須具備兩個條件:一是這種含氧化合物是較不穩定的,在加熱時容易分解放出氧氣;二是這種含氧化合物裏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40%,在氯酸鉀里加入少量黑色的二氧化錳(MnO2)粉末,氯酸鉀會迅速分解,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、呼吸等使用。氧立得就是利用這種原理製氧的。 [2] 

富氧薄膜分離製氧

富氧優 點

(1)增容方便。通過增加膜組件可以很容易地擴大系統的產氧量。
(2)無需操作人員特別照管。
(3)少保養。由於閥門少,所以不需定期更換移動組件。
(4)重量輕,結構緊湊,節省空間。
(5)易於安裝和啓動,啓動時間不超過10 min。
(6)富氧膜分離器具有較高的分離係數和滲透速度,其氧氣/氮氣的分離係數為5~7。
(7)無負壓和變壓過程。
(8)因具有全調節功能,在要求產氧量降低時,可大大節約能源。
(9)中空纖維膜的使用壽命通常超過10年。

富氧缺 點

(1)必須有新鮮、潔淨的大氣環境,戰場上無法保障。
(2)中空纖維膜需進口,目前國內還不能製造。
(3)製氧的濃度為30%~50%,雖可直接供人使用,但若充滿氧氣袋其袋內含氧量偏低。

富氧低温精餾壓縮氧

低温精餾用於大規模工業製氧已有百年的歷史,系統組成複雜。其原理是利用不同氣體的液化點不同,通過空氣壓縮低温製取不同氣體。主要的設備有:空氣淨化設備、空氣壓縮機、膨脹機、換熱設備、精餾設備、氧氣壓縮機、液氧泵等。低温精餾法雖然在工程內無法直接使用,但其氧產品經過“液氧泵內壓縮產品氧空氣分離流程”淨化處理,符合醫療用氧要求後,可充灌高壓鋼瓶在工程內備用。
使用時要注意安全問題:一是要每天專人定時檢查鋼瓶的密封件。因為鋼瓶壓力高,長期儲存易漏氣。二是定期檢查供氧管路。若管路中有焊渣、鐵鏽、油脂或其它固體物質,在供氧量較大、流速較快時,夾帶這些物質與管壁摩擦,會導致燃燒或爆炸。三是杜絕工業用氧混入其中。工業用氧價格低廉,但質量要求較低,只能用於工業生產及產品加工。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,一旦病人吸入過量,會引發或加重呼吸系統的病症,嚴重者導致生命危險。

富氧氯酸鈉氧燭製氧

從上世紀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製成的氧燭供給氧氣。氧燭按照用途可分為兩類:一類為啓動型氧燭,用於超氧化物型自救逃生器的啓動裝置,該啓動型氧燭工作時間短、產氧量少,一般只工作1 min,產生約6L標準狀態的氧氣;另一類為大型氧燭,工作時間長,主要用於軍事和航天領域。啓動型氧燭由於質量小,使用時間短,因此成型簡單、雜質允許上限較高。而大型氧燭的質量大,使用時間長,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熄火、倒塌等現象,還要儘量抑制雜質的產生。目前國內對氧燭的研究主要集中在啓動型小氧燭上,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公司的移動式氧燭製氧裝置,尺寸1.5 m*0.635 m*0.6 m,重92 kg,已裝備部隊。法國IDF公司的氧燭製氧裝置已在法國軍隊、部分原法屬非洲國家軍隊以及一些醫院得到使用。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。
氧燭製氧技術的評價有兩個基本指標:產氧量和雜質氣體含量。到目前為止,產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,降低氯酸鹽分解温度,從而減少燭體中燃料的使用量,提高氯酸鹽的含量。

富氧變壓吸附製氧

中國對變壓吸附製氧技術的開發起步較早,20世紀70年代是中國PSA分離空氣製氧技術發展的鼎盛時期。全國有十幾個單位相繼開展了變壓吸附製氧技術的實驗研究,建立了數套工業試驗設備。這個時期開發的變壓吸附製氧設備的共同點有以下幾個方面: [3] 
⑴大多采用高於大氣壓吸附、常壓解吸流程,吸附塔有兩個到四個;
⑵空氣進入吸附塔前,經過脱水預處理;
⑶設備可靠性差,不能連續穩定運行,導致大部分設備報廢;
⑷技術、經濟指標落後。
20世紀80年代,原來從事變壓吸附製氧裝備研製單位的開發項目相繼中止,中國變壓吸附製氧技術的開發再次進入低谷。
1995年,崑山錦滬機械有限公司在河南洛陽鋼鐵廠建成VPSAO1000Nm3/h製氧機,標誌着變壓吸附在中國正式進入工業領域,也標誌着變壓吸附在中國進入高速發展時期。
20世紀90年代是中國變壓吸附製氧技術突飛猛進向前發展的時期,變壓吸附製氧技術逐漸成熟,有些產品的綜合技術經濟指標已經接近國外先進水平。多年的實踐表明,中國變壓吸附製氧技術已經走出實驗室步入實用化階段。在近十年內,通過不斷地技術更新和研究開發,中國變壓吸附製氧技術日新月異、發展迅速,與世界先進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、理論分析研究和數學模型的建立,質量監控與自動化控制等許多方面。

富氧富氧燃燒

燃燒中碳捕集即富氧燃燒技術,它是在現有電站鍋爐系統基礎上,用高純度的氧氣代替助燃空氣,同時輔助以煙氣循環的燃燒技術,可獲得高達富含80%體積濃度的CO2煙氣,從而以較小的代價冷凝壓縮後實現CO2的永久封存或資源化利用;具有相對成本低、易規模化、可改造存量機組等諸多優勢,被認為是最可能大規模推廣和商業化的CCUS技術之一。 [4] 
富氧燃燒技術最早是由Abraham於1982年提出,目的是為了產生CO2用來提高石油採收率(EOR)。隨着全球變暖的加劇以及氣候的變化,作為温室氣體主要因素的CO2排放問題逐漸引起了全球的關注。因此,富氧燃燒技術作為最具潛力的有效減排CO2的新型燃燒技術之一,成為全球研究者關注的熱點。
目前,富氧燃燒技術在美國,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展。主要的研究機構和公司包括: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、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,富氧燃燒的工業示範取得了突出的進展,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)富氧燃燒試驗裝置;2009年,法國道達爾Lacq 30MW (th)天然氣富氧燃燒示範系統投入運行;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)富氧燃燒發電示範電廠,西班牙CIUDEN技術研發中心建成了一套20MW(th)的富氧燃燒煤粉鍋爐和世界上第一套30MW(th)富氧流化牀試驗裝置。此外,歐盟、美國、英國等相繼宣佈將 2015年前後對多座電廠進行富氧燃燒大型示範項。2010年8月,美國能源部宣佈啓動基於富氧燃燒實現碳捕獲的Future Gen2.0計劃,資助10億美元(項目總的預算為13億美元)建設200MWe(現調整為168MW(e))商業規模的富氧燃燒電站,其目標是獲得90%的碳捕集率,並將脱除絕大部分的SOx、NOx、Hg和顆粒物等污染物。
參考資料
  • 1.    餘曉京. 富氧環境下絕熱層燒蝕模型研究[D].西北工業大學,2004.
  • 2.    蘇俊林,潘亮,朱長明. 富氧燃燒技術研究現狀及發展[J]. 工業鍋爐,2008,(03):1-4.
  • 3.    張雄,温治,王乃帥,樓國鋒. 富氧(純氧)燃燒器的研究現狀及發展趨勢[J]. 金屬熱處理,2012,37(01):112-118.
  • 4.    祝顯強,劉應書,楊雄,劉文海. 我國變壓吸附製氧吸附劑及工藝研究進展[J]. 化工進展,2015,34(01):19-25.