富氧

富氧是應用物理或化學方法將空氣中的氧氣進行收集，使收集后氣體中的富氧含量≥21%。富氧方法包括：增壓增氧、制氧機制氧、化學制氧等。富集的氧氣用途廣泛，隨著富氧燃燒技術的不斷發展，富氧技術也成了綠色能源的基礎之一。

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%),空氣密度增加后，空氣中氧的絕對質量也增加，從而達到增加氧的目的。

制氧機制氧廣泛用在各個領域，制氧機有3大類：第一是利用空氣為原料，通過物理的方法，把氧氣從空氣里分離出來。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)制氧方法，所需壓縮空氣的壓力在1MPa以內，這是近十幾年發展起來的制氧方法，也叫膜制氧方法。膜制氧方法的原理可參見文獻。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備，這種設備主要由空氣凈化系統,PSA氧氮分離系統，氧氣緩衝、檢測系統等組成。

化學制氧是利用含氧化合物為原料，通過與催化劑的反應，制出氧氣。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制氧的。

（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）易於安裝和啟動，啟動時間不超過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。

（1）必須有新鮮、潔凈的大氣環境，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）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含氧量偏低。

低溫精餾用於大規模工業制氧已有百年的歷史，系統組成複雜。其原理是利用不同氣體的液化點不同，通過空氣壓縮低溫製取不同氣體。主要的設備有：空氣凈化設備、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。低溫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”凈化處理，符合醫療用氧要求后，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。

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：一類為啟動型氧燭，用於超氧化物型自救逃生器的啟動裝置，該啟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，主要用于軍事和航天領域。啟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，還要盡量抑制雜質的產生。目前國內對氧燭的研究主要集中在啟動型小氧燭上，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公司的移動式氧燭制氧裝置，尺寸1.5 m*0.635 m*0.6 m，重92 kg，已裝備部隊。法國IDF公司的氧燭制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。

氧燭制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，降低氯酸鹽分解溫度，從而減少燭體中燃料的使用量，提高氯酸鹽的含量。

中國對變壓吸附制氧技術的開發起步較早，20世紀70年代是中國PSA分離空氣制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制氧技術的實驗研究，建立了數套工業試驗設備。這個時期開發的變壓吸附制氧設備的共同點有以下幾個方面：

⑴大多採用高於大氣壓吸附、常壓解吸流程，吸附塔有兩個到四個；

⑵空氣進入吸附塔前，經過脫水預處理；

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，原來從事變壓吸附制氧裝備研製單位的開發項目相繼中止，中國變壓吸附制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制氧機，標誌著變壓吸附在中國正式進入工業領域，也標誌著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制氧技術突飛猛進向前發展的時期，變壓吸附制氧技術逐漸成熟，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，中國變壓吸附制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，中國變壓吸附制氧技術日新月異、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。

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后實現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。

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)富氧流化床試驗裝置。此外，歐盟、美國、英國等相繼宣布將 2015年前後對多座電廠進行富氧燃燒大型示範項。2010年8月，美國能源部宣布啟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，並將脫除絕大部分的SOx、NOx、Hg和顆粒物等污染物。