中文名：富氧

外文名：oxygenenrichment

富氧含量：≥21%

应用：航空航天、能源工业

方法：增压增氧、化学制氧

领域：冶金、化工

富氧是应用物理或化学方法将空气中的氧气进行收集，使收集后气体中的富氧含量≥21%。富氧方法包括：增压增氧、制氧机制氧、化学制氧等。富集的氧气用途广泛，随着富氧燃烧技术的不断发展，富氧技术也成了绿色能源的基础之一。

增压增氧方式

增压增氧主要用在飞机上,通过增加机舱内的压力,使空气密度增加,由于空气中含氧量的比例是一定的(氧在空气中的体积比为20 95%),空气密度增加后,空气中氧的绝对质量也增加,从而达到增加氧的目的。

制氧机制氧方式

制氧机制氧广泛用在各个领域,制氧机有3大类:第一是利用空气为原料,通过物理的方法,把氧气从空气里分离出来。在1个大气压下,液态氧的沸点是-183℃,而液态氮的沸点是-196℃,当控制液态空气的沸点在-183℃以下高于-196℃时,液态氮首先蒸发,留下来的是液态氧,这种方法可制得纯度很高的氧气,再用很大的压力(一般150个大气压)压入钢瓶贮存起来,供工厂、医院使用,贮存在钢瓶的氧气还可向氧气袋充氧,供个人或旅行者使用。平时我们所见的氧气瓶供氧、氧气袋供氧都是使用这种方法制出的氧气。第二种是常压(或叫低压)制氧方法,所需压缩空气的压力在1MPa以内,这是近十几年发展起来的制氧方法,也叫膜制氧方法。膜制氧方法的原理可参见文献。第三种是PSA分子筛制氧方法,PSA分子筛制氧是使用一种变压吸附制氧设备,这种设备主要由空气净化系统,PSA氧氮分离系统,氧气缓冲、检测系统等组成。

化学制氧方式

化学制氧是利用含氧化合物为原料,通过与催化剂的反应,制出氧气。使用的含氧化合物必须具备两个条件:一是这种含氧化合物是较不稳定的,在加热时容易分解放出氧气;二是这种含氧化合物里含氧的百分比是比较高的,能分解放出较多的氧气。一般用氯酸钾(分子式是KClO₃),它含氧的百分比达40%,在氯酸钾里加入少量黑色的二氧化锰(MNO₂)粉末,氯酸钾会迅速分解,有多量的氧气放出。氯酸钾分解放出的氧气常用“排水集气法”收集,供试验、呼吸等使用。氧立得就是利用这种原理制氧的。

优 点

（1）增容方便。通过增加膜组件可以很容易地扩大系统的产氧量。

（2）无需操作人员特别照管。

（3）少保养。由于阀门少，所以不需定期更换移动组件。

（4）重量轻，结构紧凑，节省空间。

（5）易于安装和启动，启动时间不超过10 min。

（6）富氧膜分离器具有较高的分离系数和渗透速度，其氧气/氮气的分离系数为5~7。

（7）无负压和变压过程。

（8）因具有全调节功能，在要求产氧量降低时，可大大节约能源。

（9）中空纤维膜的使用寿命通常超过10年。

缺 点

（1）必须有新鲜、洁净的大气环境，战场上无法保障。

（2）中空纤维膜需进口，目前国内还不能制造。

（3）制氧的浓度为30%~50%，虽可直接供人使用，但若充满氧气袋其袋内含氧量偏低。

低温精馏用于大规模工业制氧已有百年的历史，系统组成复杂。其原理是利用不同气体的液化点不同，通过空气压缩低温制取不同气体。主要的设备有：空气净化设备、空气压缩机、膨胀机、换热设备、精馏设备、氧气压缩机、液氧泵等。低温精馏法虽然在工程内无法直接使用，但其氧产品经过“液氧泵内压缩产品氧空气分离流程”净化处理，符合医疗用氧要求后，可充灌高压钢瓶在工程内备用。

使用时要注意安全问题：一是要每天专人定时检查钢瓶的密封件。因为钢瓶压力高，长期储存易漏气。二是定期检查供氧管路。若管路中有焊渣、铁锈、油脂或其它固体物质，在供氧量较大、流速较快时，夹带这些物质与管壁摩擦，会导致燃烧或爆炸。三是杜绝工业用氧混入其中。工业用氧价格低廉，但质量要求较低，只能用于工业生产及产品加工。其中含有一氧化碳、二氧化碳、乙炔等对人体极为有害的杂质，一旦病人吸入过量，会引发或加重呼吸系统的病症，严重者导致生命危险。

从上世纪40年代开始至今，北约组织国家普遍使用以氯酸钠为基本原料制成的氧烛供给氧气。氧烛按照用途可分为两类：一类为启动型氧烛，用于超氧化物型自救逃生器的启动装置，该启动型氧烛工作时间短、产氧量少，一般只工作1 min，产生约6L标准状态的氧气；另一类为大型氧烛，工作时间长，主要用于军事和航天领域。启动型氧烛由于质量小，使用时间短，因此成型简单、杂质允许上限较高。而大型氧烛的质量大，使用时间长，因此在配方配比、成型工艺上有较高的要求，不仅要防止分解过程中出现熄火、倒塌等现象，还要尽量抑制杂质的产生。目前国内对氧烛的研究主要集中在启动型小氧烛上，大型氧烛的研究还没有深入。

国际上，西欧国家及美国对大型氧烛的研究较为深入。如奥地利DAimber公司的移动式氧烛制氧装置，尺寸1.5 m*0.635 m*0.6 m，重92 kg，已装备部队。法国IDF公司的氧烛制氧装置已在法国军队、部分原法属非洲国家军队以及一些医院得到使用。英国的“无畏号”核潜艇中，氧烛是唯一的氧源。在航天领域，使用以高氯酸锂为原料的氧烛作为“和平号”空间站氧源。

氧烛制氧技术的评价有两个基本指标：产氧量和杂质气体含量。到目前为止，产氧量的提高主要有两条途径：（1）使用含氧量高的氯酸盐，提高烛体中的氧密度。如“和平号”空间站使用的氧烛是以高氯酸锂为原料。2）通过寻找催化剂，降低氯酸盐分解温度，从而减少烛体中燃料的使用量，提高氯酸盐的含量。

中国对变压吸附制氧技术的开发起步较早，20世纪70年代是中国PSA分离空气制氧技术发展的鼎盛时期。全国有十几个单位相继开展了变压吸附制氧技术的实验研究，建立了数套工业试验设备。这个时期开发的变压吸附制氧设备的共同点有以下几个方面：

⑴大多采用高于大气压吸附、常压解吸流程，吸附塔有两个到四个；

⑵空气进入吸附塔前，经过脱水预处理；

⑶设备可靠性差，不能连续稳定运行，导致大部分设备报废；

⑷技术、经济指标落后。

20世纪80年代，原来从事变压吸附制氧装备研制单位的开发项目相继中止，中国变压吸附制氧技术的开发再次进入低谷。

1995年，昆山锦沪机械有限公司在河南洛阳钢铁厂建成VPSAO1000Nm3/h制氧机，标志着变压吸附在中国正式进入工业领域，也标志着变压吸附在中国进入高速发展时期。

20世纪90年代是中国变压吸附制氧技术突飞猛进向前发展的时期，变压吸附制氧技术逐渐成熟，有些产品的综合技术经济指标已经接近国外先进水平。多年的实践表明，中国变压吸附制氧技术已经走出实验室步入实用化阶段。在近十年内，通过不断地技术更新和研究开发，中国变压吸附制氧技术日新月异、发展迅速，与世界先进水平之间的差距正在不断缩小。但从整体水平上看，中国在很多方面与国际先进水平仍有一定的差距。如在新型高性能的吸附剂的研究、吸附流程的改进、理论分析研究和数学模型的建立，质量监控与自动化控制等许多方面。

燃烧中碳捕集即富氧燃烧技术，它是在现有电站锅炉系统基础上，用高纯度的氧气代替助燃空气，同时辅助以烟气循环的燃烧技术，可获得高达富含80%体积浓度的CO2烟气，从而以较小的代价冷凝压缩后实现CO2的永久封存或资源化利用；具有相对成本低、易规模化、可改造存量机组等诸多优势，被认为是最可能大规模推广和商业化的CCUS技术之一。

富氧燃烧技术最早是由Abraham于1982年提出，目的是为了产生CO₂用来提高石油采收率(EOR)。随着全球变暖的加剧以及气候的变化，作为温室气体主要因素的CO₂排放问题逐渐引起了全球的关注。因此，富氧燃烧技术作为最具潜力的有效减排CO2的新型燃烧技术之一，成为全球研究者关注的热点。

目前，富氧燃烧技术在美国，日本，加拿大，澳大利亚，英国，西班牙，法国，荷兰等国家都得到重视和发展。主要的研究机构和公司包括：美国的EERC和ANL，B&W和Air ProduCT以及Alstom美国分公司，日本的IHI、HITACHI，加拿大的CANMET，荷兰的IFRF，澳大利亚的BHP和Newcastle大学、CS Energy，西班牙的CIUDEN，法国的Alstom，英国的Doosan Babcock，以及瑞典的Vattenfall电力等。

2005年以来，富氧燃烧的工业示范取得了突出的进展，瑞典瀑布电力公司2008年在德国黑泵建成了世界上第1套全流程的30MW(th)富氧燃烧试验装置；2009年，法国道达尔Lacq 30MW (th)天然气富氧燃烧示范系统投入运行；澳大利亚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(电)富氧燃烧发电示范电厂，西班牙CIUDEN技术研发中心建成了一套20MW(th)的富氧燃烧煤粉锅炉和世界上第一套30MW(th)富氧流化床试验装置。此外，欧盟、美国、英国等相继宣布将 2015年前后对多座电厂进行富氧燃烧大型示范项。2010年8月，美国能源部宣布启动基于富氧燃烧实现碳捕获的Future Gen2.0计划，资助10亿美元(项目总的预算为13亿美元)建设200MWe(现调整为168MW(e))商业规模的富氧燃烧电站，其目标是获得90%的碳捕集率，并将脱除绝大部分的SOx、NOx、Hg和颗粒物等污染物。