[科普中國(guó)]-技術(shù)氧

技術(shù)氧即氧氣有關(guān)技術(shù)，主要包括制氧和全氧燃燒技術(shù)。

變壓吸附制氧技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，日漸成熟，被應(yīng)用到鋼鐵制造、石油化工、玻璃制造、醫(yī)院用氧等領(lǐng)域。變壓吸附制氧由于其方便、快捷、高效且可持續(xù)供氧的特點(diǎn),近年來(lái)不斷被人們研究和應(yīng)用。

全氧燃燒（又稱為純氧燃燒）是使用氧氣取代傳統(tǒng)空氣作為助燃劑，與燃料進(jìn)行燃燒，減少氮?dú)猱a(chǎn)生，既有利于節(jié)能，又有利于減少氮氧化物排放。隨著制氧技術(shù)的迅猛發(fā)展及電力成本的降低，全氧燃燒逐步得到推廣和應(yīng)用。

變壓吸附法制氧技術(shù)變壓吸附技術(shù)是19 世紀(jì)60 年代出現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)沸石對(duì)氮和氧的分離系數(shù)較低（在2～3之間），故當(dāng)時(shí)沒(méi)能在制氧方面實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。隨著合成沸石分子篩技術(shù)的不斷發(fā)展，變壓吸附技術(shù)逐步開(kāi)始應(yīng)用于制氧領(lǐng)域。其工作原理是利用分子篩對(duì)氮?dú)夂脱鯕獾倪x擇性吸附性能，增壓時(shí)分子篩對(duì)氮?dú)膺M(jìn)行吸附，得到富氧氣體，而降壓時(shí)氮?dú)饨馕肿雍Y獲得再生。最初由于技術(shù)工藝不成熟，變壓吸附制氧多應(yīng)用于平原地區(qū)，近十年來(lái)由于分子篩性能的不斷提高和高效的氣體分離系統(tǒng)，為變壓吸附制氧技術(shù)在高原地區(qū)應(yīng)用提供了可能。

變壓吸附技術(shù)制氧具有能耗低、設(shè)備投資少、使用方便，而且可以連續(xù)產(chǎn)氧等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)不少學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了大量研究，不論是在工藝技術(shù)還是設(shè)備研制等方面都有許多新成果。我國(guó)軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所為了解決高原邊防部隊(duì)用氧難題，自上世紀(jì)70年代開(kāi)始對(duì)高原變壓吸附制氧技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，是國(guó)內(nèi)開(kāi)展高原變壓吸附制氧工藝研究最早的單位。該研究所朱學(xué)軍等對(duì)高原環(huán)境對(duì)小型醫(yī)用制氧機(jī)性能的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著海拔高度增加，制氧機(jī)的進(jìn)氣量不斷減小，相同刻度流量下氧氣濃度逐漸降低，但是吸氧效應(yīng)實(shí)驗(yàn)證明氧濃度降低的程度不會(huì)影響在高原搶救缺氧病人。田濤等針對(duì)小型制氧機(jī)在高原使用時(shí)出現(xiàn)氧濃度和回收率下降的問(wèn)題進(jìn)行了研究，通過(guò)優(yōu)化制氧流程可有效提高氧濃度和回收率。目前兩塔或四塔變壓吸附工藝的氧回收率較低，僅為30%～40%，回收率低會(huì)增加設(shè)備能耗，這對(duì)高原地區(qū)制氧尤為不利。

為此，石梅生等研究了六吸附塔制氧工藝及其控制方法，用多通旋轉(zhuǎn)分配閥來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體的分配，提高了回收率，解決了高原部隊(duì)用氧問(wèn)題。王濟(jì)虎等為高原行駛車輛研制了車用變壓吸附制氧機(jī)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)該制氧機(jī)達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求，效率高，操作與維護(hù)方便適于高原地區(qū)使用。

在高原條件下的供氧方式研究中，肖華軍等在拉薩地區(qū)對(duì)分子篩制氧機(jī)室內(nèi)彌散式供氧效果進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)顯示制氧機(jī)在開(kāi)機(jī)2h后，房間內(nèi)的供氧水平可以達(dá)到2200m以下高度的氧濃度，供氧房間人員睡眠血氧飽和度高于未供氧房間人員，所以通過(guò)向房間內(nèi)彌散式供氧可有效避免高原反應(yīng)。對(duì)于高原彌散式供氧的特性，劉應(yīng)書(shū)等基于實(shí)驗(yàn)和模擬研究發(fā)現(xiàn)在高原環(huán)境中供氧軸向最大速度和氧氣摩爾濃度都隨軸向距離的增加而衰減，并且在軸向0～1.5m范圍內(nèi)有很大的速度梯度和濃度梯度，而且位于不同海拔高度上的彌散供氧所形成的富氧區(qū)域具有相似的形狀，該研究結(jié)果為高原富氧室的供氧設(shè)備布置、安裝提供了參考和借鑒。

目前，變壓吸附制氧設(shè)備在高原地區(qū)已得到了廣泛應(yīng)用。2002年在風(fēng)火山上建立了世界上第一座變壓吸附高原制氧站，從而使人員高原發(fā)病率下降了44.1%。而后中鐵二十局建立兩座變壓吸附高原制氧站，安裝在隧道進(jìn)山口兩端，從兩頭向施工隧道內(nèi)進(jìn)行彌散式供氧，使隧道內(nèi)氧含量達(dá)到了14%左右，相當(dāng)于海拔高度下降了1000 m。目前青藏鐵路沿線已經(jīng)建立17 座變壓吸附制氧站，同時(shí)配置了25個(gè)高壓氧艙供人員吸氧使用。2012 年軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所為我國(guó)南極昆侖科考站專門(mén)研制出適應(yīng)海拔4087m、可在環(huán)境溫度-90 ℃儲(chǔ)存的變壓吸附制氧設(shè)備，保障了科考站人員的工作、生活用氧需求。1

全氧燃燒技術(shù)日用玻璃是人民生活必需品，也是科學(xué)研究工作不可或缺的產(chǎn)品，我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷娑茧x不開(kāi)日用玻璃。日用玻璃涉及瓶罐玻璃、器皿玻璃、藝術(shù)玻璃、儀器玻璃、藥用玻璃、保溫瓶玻璃、電光源和照明玻璃。

全氧燃燒由美國(guó)能源署在20世紀(jì)80年代提出，并委托美國(guó)的幾個(gè)較大的氣體公司、科研機(jī)構(gòu)立項(xiàng)研究，其最初的宗旨是節(jié)約能源、降低排放。該技術(shù)在20世紀(jì)90年代獲得了實(shí)際應(yīng)用，并取得了理想的效果。我國(guó)玻璃領(lǐng)域的全氧燃燒技術(shù)的引進(jìn)是在2000年，首先應(yīng)用在陰極射線管玻璃（CRT）的玻錐和玻屏熔化。全氧燃燒（又稱為純氧燃燒）是使用氧氣取代傳統(tǒng)空氣作為助燃劑，與燃料進(jìn)行燃燒，減少氮?dú)猱a(chǎn)生，既有利于節(jié)能，又有利于減少氮氧化物排放。隨著制氧技術(shù)的迅猛發(fā)展及電力成本的降低，全氧燃燒逐步得到推廣和應(yīng)用。

全氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用1、全氧燃燒技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

全氧燃燒首先在電子玻璃方面得到應(yīng)用，幾乎全部技術(shù)從國(guó)外引進(jìn)。在我國(guó)日用玻璃領(lǐng)域的推廣起源于電磁爐微晶玻璃面板（鋰鋁硅玻璃系統(tǒng)），現(xiàn)在應(yīng)用領(lǐng)域包括高硼硅器皿玻璃、高鋁硅玻璃、藥用低硼硅玻璃、藥用中硼硅玻璃、光學(xué)玻璃、光伏玻璃、低熔點(diǎn)玻璃、無(wú)鉛玻璃（照明）、玻璃棉、高鉛玻璃、玻璃微珠、玻纖、陶瓷釉料、精白料（高白料）白酒瓶、化妝品瓶、啤酒瓶等領(lǐng)域。

2、日用玻璃全氧燃燒熔窯

與傳統(tǒng)的空氣助燃熔窯（馬蹄焰、橫火焰）相比，日用玻璃全氧燃燒熔窯有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）熔化部使用1支或多支純氧燃燒噴槍，不間斷噴出氧氣和燃料，在熔窯的特定位置設(shè)立調(diào)節(jié)煙道用以排出煙氣、調(diào)節(jié)窯壓；

（2）噴槍的布置有橫向布置、縱向布置、頂燒等多種方式，可根據(jù)玻璃的特點(diǎn)及要求由設(shè)計(jì)人員靈活選擇。

與傳統(tǒng)的熔窯不同之處在于：

（1）通常情況下使用全氧燃燒技術(shù)后熔化率有所提高，提高的幅度與熔化的難易程度、玻璃品質(zhì)要求、碎玻璃使用量等因素有關(guān)；

（2）全氧燃燒熔窯由于其獨(dú)特的燃燒方式，熔窯的尺寸及形狀會(huì)有別于現(xiàn)有熔窯。相比常見(jiàn)的馬蹄焰熔窯會(huì)有更大的長(zhǎng)寬比；

（3）耐火材料的選擇會(huì)發(fā)生較大的變化，火焰空間由于超高的水蒸汽濃度導(dǎo)致硅質(zhì)材料被完全棄用，并且，由于材料的變化引起鋼結(jié)構(gòu)必須采用適合耐火材料；

（4）采用了完全不同的噴槍和與之匹配的安全性、可靠性、控制精度更高的燃燒系統(tǒng)；

（5）更為完善的測(cè)量系統(tǒng)，獲得更多的熔窯運(yùn)行參數(shù)，為操作者的調(diào)整提供更為可靠的依據(jù)。

3、全氧燃燒燃料

目前，除了塊煤、煤制氣（發(fā)生爐煤氣）不能用于全氧燃燒熔窯之外，其它燃料均可使用。其中，焦?fàn)t煤氣、石油焦在日用玻璃和建筑玻璃行業(yè)全氧燃燒熔窯中運(yùn)用，大大拓寬了全氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

全氧燃燒與環(huán)保問(wèn)題日用玻璃由于其特殊性造成環(huán)保問(wèn)題解決起來(lái)有相當(dāng)大的困難。日用玻璃的特殊性集中表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）產(chǎn)品的多樣性；

（2）窯型的多樣性；

（3）企業(yè)規(guī)模偏??；

（4）熔窯面積不大。

上述特點(diǎn)，導(dǎo)致企業(yè)在選擇煙氣處理方案、設(shè)備及運(yùn)行方式時(shí)很難下手。不少企業(yè)花錢(qián)購(gòu)置了環(huán)保設(shè)備，卻由于自身產(chǎn)品的特殊性難以達(dá)到當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，即使達(dá)到也會(huì)因運(yùn)行費(fèi)用高而難以推廣。

全氧燃燒技術(shù)在日用玻璃行業(yè)使用時(shí)，對(duì)環(huán)保的影響有以下幾個(gè)方面：

（1）由于燃燒時(shí)沒(méi)有引入助燃空氣里的氮?dú)猓钥捎行Ы档椭迸艜r(shí)的NO，濃度；即使生產(chǎn)的料方中引入有硝酸鹽，煙氣處理也會(huì)較為簡(jiǎn)單，達(dá)標(biāo)相對(duì)費(fèi)用低，更加可靠。

（2）全氧燃燒由于沒(méi)有傳統(tǒng)的馬蹄焰窯的換向操作，所以可部分降低粉塵的排放。

（3）全氧燃燒技術(shù)運(yùn)用于日用玻璃領(lǐng)域后，對(duì)氟化物、硫化物、HCl、其他重金屬（砷、鉛、鉻等）的排放沒(méi)有明顯的幫助。如果玻璃成分中含有上述物質(zhì)，還是應(yīng)該采取相應(yīng)的煙氣處理措施。但是由于全氧燃燒煙氣的特殊性，其環(huán)保設(shè)施的選擇和使用上會(huì)有一定的不同，這一點(diǎn)是應(yīng)該注意的。

全氧燃燒經(jīng)濟(jì)性分析1、運(yùn)行成本

運(yùn)行成本涉及燃料品種、當(dāng)?shù)氐娜剂蟽r(jià)格、電價(jià)（直接決定氧氣成本）、氧氣的來(lái)源、玻璃的熔化難度（越是難以熔制的玻璃節(jié)能效果越明顯，改為全氧燃燒后的運(yùn)行費(fèi)用也會(huì)越低）、設(shè)計(jì)節(jié)能率。

（1）燃料種類及價(jià)格。能耗數(shù)據(jù)與熔窯形制、管理水平、玻璃種類、碎玻璃用量、是否有電助熔等因素相關(guān)；燃料價(jià)格與地區(qū)、統(tǒng)計(jì)時(shí)間有關(guān)。

（2）氧氣的來(lái)源。目前，常見(jiàn)的氧氣可由很多渠道獲得，不同渠道獲得氧氣價(jià)格差異很大，這需要根據(jù)客戶的具體情況確定。

2、建造成本

建造成本歸納起來(lái)為兩加兩減。兩加是指火焰空間使用價(jià)格更高的電熔耐火材料，使用控制精度和可靠性更高的燃燒控制系統(tǒng)。這兩項(xiàng)相比傳統(tǒng)的熔窯，費(fèi)用有明顯的上升。由于以上原因，使得企業(yè)在新熔窯建設(shè)上的投資會(huì)有一定幅度的上升。兩減是指沒(méi)有了傳統(tǒng)熔窯使用的蓄熱室及換向裝置，熔窯占地面積更小、熔窯基礎(chǔ)更?。ㄌ貏e是蓄熱室部分）。由于以上原因，使得企業(yè)在蓄熱室、換向裝置的材料購(gòu)置、建設(shè)以及在熔窯土建方面的投資會(huì)有不同程度的下降。

全氧燃燒火焰空間里的水蒸汽濃度可達(dá)50%以上，含堿玻璃品種的堿金屬水蒸汽會(huì)對(duì)偏酸性的硅質(zhì)耐火材料造成加速侵蝕，所以全氧燃燒熔窯火焰空間不再使用硅質(zhì)耐火材料，而改為偏中性的電熔耐火材料，這將導(dǎo)致熔窯建設(shè)投資的上升。

全氧燃燒需要對(duì)燃料及氧氣精確計(jì)量、調(diào)節(jié)靈敏，對(duì)設(shè)備的可靠性及系統(tǒng)的安全性都提出了更高的要求，所以目前國(guó)內(nèi)使用的燃燒控制系統(tǒng)較傳統(tǒng)的空氣助燃的熔窯燃燒控制系統(tǒng)價(jià)格會(huì)更高。在傳統(tǒng)空氣助燃的熔窯中，蓄熱室的造價(jià)一般達(dá)到熔窯總造價(jià)的25%以上。取消了蓄熱室和換向裝置，在設(shè)備購(gòu)買和建造環(huán)節(jié)可以為企業(yè)節(jié)省一筆不小的開(kāi)支。這一點(diǎn)是可以準(zhǔn)確預(yù)見(jiàn)的。由于全氧燃燒熔窯沒(méi)有了蓄熱室，熔窯所占面積會(huì)變小，而且不用再建設(shè)蓄熱室基礎(chǔ)。這樣，土建成本會(huì)有較大幅度的降低。

綜合分析，使用相同品質(zhì)耐火材料的情況下，全氧燃燒熔窯的建設(shè)成本不會(huì)比相同生產(chǎn)能力的傳統(tǒng)空氣助燃熔窯更高，甚至在某些時(shí)候還會(huì)更低。

全氧燃燒技術(shù)適用范圍通過(guò)對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，全氧燃燒在節(jié)能、環(huán)保、提升產(chǎn)品質(zhì)量、提升綜合經(jīng)濟(jì)效益方面有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，但是全氧燃燒技術(shù)也有它的適用范圍，至少目前來(lái)看并不是所有的日用玻璃產(chǎn)品都適合用全氧燃燒。目前，國(guó)內(nèi)下列情況比較適宜使用全氧燃燒技術(shù)。

1、難熔的玻璃

簡(jiǎn)單的講，越是難于熔化的玻璃使用全氧燃燒技術(shù)后在玻璃品質(zhì)的提升、能耗的降低方面效果越明顯。比如：鋰鋁硅系列、鎂鋁系列、高硼系列、無(wú)堿玻纖、高鋇系列、常見(jiàn)的鈉鈣硅玻璃中的精白料、高白料、工藝品等。而相對(duì)附加值較低的產(chǎn)品，由于使用全氧燃燒后投入產(chǎn)出比沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)，所以普通鈉鈣硅玻璃目前推廣全氧燃燒技術(shù)的迫切性并不大。

2、品質(zhì)要求高的玻璃

全氧燃燒熔窯可以提供更高的熔化溫度、更加科學(xué)的窯內(nèi)溫度梯度，這就使得玻璃可以得到更充分的熔化、更充分的澄清、均化、更加易于實(shí)現(xiàn)的熔化氣氛（無(wú)論工藝需要的是氧化氣氛還是還原氣氛）。比如，傳統(tǒng)的電子微晶玻璃（鋰鋁硅系列）在使用傳統(tǒng)的空氣助燃熔窯時(shí)，不僅能耗很高，而且玻璃的品質(zhì)很難保證，特別是鋁含量、硅含量無(wú)法達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的指標(biāo)，這樣導(dǎo)致國(guó)內(nèi)該行業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品理化指標(biāo)與國(guó)外同類產(chǎn)品一直存在明顯的差距。2008年，該行業(yè)逐步推廣使用全氧燃燒技術(shù)后，不僅能耗大幅降低（50%），而且玻璃的理化指標(biāo)得到明顯改善，目前已接近國(guó)外先進(jìn)水平?，F(xiàn)在的行業(yè)狀況是：國(guó)內(nèi)生產(chǎn)此類產(chǎn)品的企業(yè)大多已經(jīng)改為全氧燃燒熔窯。與電子微晶玻璃類似的還有玻纖行業(yè)，目前國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)均已改為全氧燃燒熔窯或全氧燃燒加電助熔窯。

3、 NOx處理困難的玻璃

日用玻璃行業(yè)在規(guī)模、窯型、燃料、玻璃成分、成型方式等方面千差萬(wàn)別，這就導(dǎo)致日用玻璃領(lǐng)域在進(jìn)行環(huán)保治理時(shí)遇到的情況不盡相同。目前，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的脫硝工藝，無(wú)論是SCR還是SNCR，都有不少成功的案例。但是，在日用玻璃行業(yè)也有不少失敗的案例，究其原因還是跟日用玻璃行業(yè)的多面性、復(fù)雜性有直接的關(guān)系。簡(jiǎn)單的講，在某些企業(yè)非常成功的脫硝工藝，到另外一家就不一定可行。全氧燃燒技術(shù)從燃燒機(jī)理上杜絕了產(chǎn)生NOx的氮的引入，這種燃燒方式使煙氣排放更容易達(dá)標(biāo)。23

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)