艦船氧、氮?dú)怏w分離技術(shù)現(xiàn)狀與展望

劉維國(guó) 趙遠(yuǎn)征 劉 輝

1海軍駐大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，遼寧大連116005 2海軍裝備部 艦船辦，北京100071 3中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064

艦船氧、氮?dú)怏w分離技術(shù)現(xiàn)狀與展望

劉維國(guó)1趙遠(yuǎn)征2劉 輝3

1海軍駐大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，遼寧大連116005 2海軍裝備部 艦船辦，北京100071 3中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064

針對(duì)氣體分離設(shè)備裝備艦船的適用性問(wèn)題，通過(guò)分析深度冷凍法、變壓吸附法、膜分離法及ITM、OTM、CAR、FTSA等氣體分離工藝的特點(diǎn)，結(jié)合艦船的特殊環(huán)境要求，說(shuō)明艦用制氧、制氮工藝采用變壓吸附和膜分離技術(shù)最具可行性，可以滿足艦船對(duì)氧、氮?dú)怏w用量需求及品質(zhì)要求。耦合變壓吸附、膜分離的氧氮一體化聯(lián)合分離技術(shù)可以更為合理地利用船用資源，是今后艦船氧、氮保障相關(guān)技術(shù)發(fā)展的新方向。

艦船；氧氣；氮?dú)?；空分；深冷；變壓吸附；膜分離

1 引言

作為基礎(chǔ)性工業(yè)氣體，氮?dú)馀c氧氣在艦船及其武器裝備上的應(yīng)用越來(lái)越重要，與國(guó)外艦船上的氣體應(yīng)用技術(shù)水平比較，我國(guó)艦船上的氣體應(yīng)用尚有很大發(fā)展空間。

現(xiàn)代艦船對(duì)氧、氮?dú)怏w的需求量越來(lái)越大、品質(zhì)要求越來(lái)越高，以傳統(tǒng)的高壓氣瓶作為唯一的氧、氮來(lái)源的保障方法已經(jīng)不能滿足需求。隨著科技的進(jìn)步，艦船裝備具有自我保障能力的氣體分離設(shè)備在今天已成為可能。但是，因?yàn)榕灤峡臻g狹小，海上運(yùn)營(yíng)環(huán)境還存在空氣濕度高、鹽霧腐蝕以及航行引起的振動(dòng)與沖擊等特定環(huán)境問(wèn)題，給氣體分離設(shè)備裝備艦船帶來(lái)了相當(dāng)大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

2 氧、氮?dú)庠磻?yīng)用基本要求與氣體分離設(shè)備的現(xiàn)狀

2.1 氧、氮?dú)庠丛谂灤系膽?yīng)用

氧氣的主要用途是呼吸與燃燒，艦上醫(yī)療保障用氧、應(yīng)急維修時(shí)焊接與切割用氧、核生化戰(zhàn)況條件下艦員的呼吸用氧，甚至改善艦用柴油機(jī)的性能、提高艦上廢水生物處理的效率［1］等都需要使用大量的氧氣。

氮?dú)馐且环N理想的惰性氣體，無(wú)污染，在空氣中取之不盡。普通氮?dú)馀c高純氮?dú)庠谂灤嫌兄鴱V泛的應(yīng)用，艦船上油艙、彈藥庫(kù)的抑燃、防爆、應(yīng)急消防、氮?dú)鉁缁?，儀器儀表的防腐蝕，武器的保養(yǎng)、檢測(cè)，機(jī)械和液壓系統(tǒng)上驅(qū)動(dòng)用氣、減震、蓄壓器增壓，燃油管路安裝維護(hù)的惰性吹掃，甚至日常官兵飲食所需的果蔬保鮮都離不開(kāi)氮?dú)猓?］。

2.2 艦船氧、氮?dú)庠吹幕疽?/h3>

根據(jù) 《GB 8982-2009醫(yī)用及航空呼吸用氧》的規(guī)定，航空呼吸用氧以及艦上醫(yī)療保障呼吸用氧的氧氣純度要求≥99.5%；按相關(guān)規(guī)范，切割用氧純度也要求不低于98.5%。保障壓力根據(jù)艦上不同用戶的要求，最高達(dá)到35 MPa。

根據(jù)《ISO 2435飛機(jī)上用的氮?dú)狻返囊?guī)定，飛機(jī)用氮?dú)饧兌葢?yīng)不低于98.5%，某些導(dǎo)彈制冷和發(fā)射、檢測(cè)用氮純度甚至高達(dá)99.999%以上，艦船上以惰性保護(hù)、置換、吹掃為目標(biāo)的普氮純度也要求不小于95%。保障壓力根據(jù)不同用戶的要求，最高可達(dá)35 MPa。

2.3 國(guó)內(nèi)艦船氣體分離裝備的現(xiàn)狀

我國(guó)艦船主要依靠在港口基地以深冷空分技術(shù)制取氧氣、氮?dú)?，而后再以增壓機(jī)壓縮充瓶后存儲(chǔ)備用。近年來(lái)，有醫(yī)療船開(kāi)始安裝以變壓吸附工藝制取純度約93%的氧氣的裝備。

3 各種空氣分離工藝與上船的適應(yīng)性分析

3.1 各種空氣分離工藝

傳統(tǒng)上空分技術(shù)大都以空氣為原料，具有代表性的空氣分離技術(shù)有深度冷凍法 （深冷法）、變壓吸附法（PSA）、膜分離法。此外，還有近幾年剛研發(fā)出來(lái)的幾種特種空氣分離方法。

3.1.1 深冷空分工藝

1903年德國(guó)人卡爾·林德發(fā)明低溫精餾工藝，深冷法制氧工藝如圖1所示。深冷法自此開(kāi)始其工業(yè)化生產(chǎn)，至今，該技術(shù)仍然是工業(yè)領(lǐng)域空氣分離市場(chǎng)的主流技術(shù)，在大規(guī)?？諝夥蛛x領(lǐng)域，深冷空分可以同時(shí)制取氧氣、氮?dú)?，甚至氬氣等特種惰性氣體，而且該方法具有較低的運(yùn)行成本和較高的產(chǎn)品氣純度。

圖1 深冷法制氧工藝流程圖Fig.1 Cryogenic oxygen-generating technics flow chart

3.1.2 變壓吸附空氣分離工藝

變壓吸附空氣分離技術(shù)（如圖2所示）始創(chuàng)于20世紀(jì)60年代初，并于70年代實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，由于該方法具有靈活、方便、投資少、能耗低、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，變壓吸附技術(shù)一開(kāi)始應(yīng)用就得以迅速發(fā)展。典型的例子是采用碳分子篩基于動(dòng)力學(xué)分離機(jī)理從空氣中連續(xù)提取純度90%～99.9995%的氮?dú)?，以及采用沸石分子篩（CaA、CaX、NaX、LiX型等）氮吸附劑基于平衡吸附機(jī)理從空氣中連續(xù)提取純度80%～95.7%的氧氣。

圖2 變壓吸附制氧流程圖Fig.2 Flow Chart of PSA Oxygen-generating

目前，變壓吸附方法不僅受制于吸附劑的性能，難以提取純度高達(dá)99.5%的氧氣，還因?yàn)閱我蛔儔何竭^(guò)程很難理想地同時(shí)獲得高純度氧氣和高純度氮?dú)?，?yīng)用受到一定程度的制約。

3.1.3 膜分離工藝

膜分離技術(shù)（如圖3所示）是20世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的一種高新技術(shù)［3］，工業(yè)化生產(chǎn)始于20世紀(jì)40年代。氣體有機(jī)膜分離技術(shù)是利用滲透的原理，即分子通過(guò)膜向化學(xué)勢(shì)降低的方向運(yùn)動(dòng)，首先運(yùn)動(dòng)至膜的外表面層上，并溶解于膜中，然后在膜的內(nèi)部擴(kuò)散至膜的內(nèi)表面層解吸，其推動(dòng)力為膜兩側(cè)的該氣體分壓差，由于混合氣體中不同組分的氣體通過(guò)膜時(shí)的速度不同，從而達(dá)到氣體分離／回收提純氣體的目的［4］。

圖3 膜分離制氧工藝流程圖Fig.3 Flow chart of Membrane Seperation Oxygen-generating

隨著膜分離材料的研究開(kāi)發(fā)以及流程工藝的改進(jìn)，迄今為止，有代表性的能應(yīng)用于空氣分離的有機(jī)膜分離材料的氧、氮分離的α值范圍為2～7，可以直接自空氣中獲得大約60%以下純度的氧氣，采用多級(jí)膜分離過(guò)程的系統(tǒng)可以獲得純度甚至大于90%的氧氣，對(duì)膜分離制氮，單級(jí)膜分離過(guò)程如采用α值約為7的膜分離材料可直接自空氣中獲得大約 99.95%以下純度的氮?dú)猓?］。但是，與變壓吸附技術(shù)一樣，該技術(shù)受制于現(xiàn)有分離材料的分離性能。采用這種技術(shù)難以獲得高純度氧、氮?dú)怏w，尤其難以同時(shí)獲得2種高純度的氣體。

3.1.4 變壓吸附與膜分離技術(shù)的耦合空氣分離工藝

為了獲得一種替代深冷空分工藝的高純度、多產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)供氣方法，很多大學(xué)、研究部門、企業(yè)提出了不少方法。如美國(guó)開(kāi)發(fā)了一種提純雙產(chǎn)物的變壓吸附與膜分離技術(shù)耦合的分離系統(tǒng)，以氮吸附劑的變壓吸附制氧系統(tǒng)提取88%～95.7%純度的富氧氣體，同時(shí)耦合了一個(gè)膜分離系統(tǒng)在適當(dāng)步驟捕集較高純度的氮?dú)庖约皬U氣排放的動(dòng)能，以實(shí)現(xiàn)雙產(chǎn)物的回收，其氧氣產(chǎn)品純度達(dá)到88%～95.7%， 氮?dú)猱a(chǎn)品純度達(dá)到 95%～99.9%；日本也開(kāi)發(fā)了一種雙產(chǎn)物流回收系統(tǒng)，采用了2個(gè)并聯(lián)的變壓吸附系統(tǒng)，以氮吸附劑制取純度88%～95.7%的氧氣，以碳分子篩制取純度約95%～99.9%的氮?dú)狻?/p>

在針對(duì)以非深冷空分技術(shù)獲取高純度氧氣方面，我國(guó)也進(jìn)行了各種有益的嘗試，并取得了一些突破，如天津衛(wèi)生裝備研究所就開(kāi)發(fā)了一種多級(jí)變壓吸附的耦合工藝，以沸石氮吸附劑基于平衡吸附機(jī)理的變壓吸附過(guò)程祛除大量的氮?dú)?，再耦合以基于?dòng)力學(xué)分離特性的碳分子篩實(shí)現(xiàn)氧氬分離，裝置可獲得純度為98.4%的高純度氧氣；此外，上海穗杉實(shí)業(yè)有限公司也開(kāi)發(fā)了一種具有氧氬分離性能的無(wú)機(jī)膜分離材料，采用變壓吸附機(jī)理過(guò)程先祛除氮?dú)?，再耦合以基于該膜分離材料的膜分離過(guò)程，可獲得99.5%以上的高純度氧氣。

3.1.5 變壓吸附與深冷技術(shù)的耦合空氣分離工藝

單一變壓吸附過(guò)程難以獲得純度高達(dá)99.5%以上的滿足航空用途的高純氧氣，結(jié)合同時(shí)需要氮?dú)獾膽?yīng)用需求，美國(guó)開(kāi)發(fā)了1種變壓吸附技術(shù)與深冷技術(shù)耦合的氧氮全液化工藝（TALON）用于飛機(jī)供氧及滅火系統(tǒng)。如美國(guó)Hanover公司開(kāi)發(fā)的TALON系統(tǒng)用于C-17運(yùn)輸機(jī)，該系統(tǒng)采用逆布雷頓制冷技術(shù)，通過(guò)微型渦輪機(jī)、蒸發(fā)器和熱回收裝置，將經(jīng)過(guò)變壓吸附分離的氧氣制成液態(tài)氧，存儲(chǔ)于杜瓦瓶中，供飛行機(jī)組人員使用，另一部分富氮空氣經(jīng)液化后用于環(huán)控系統(tǒng)、滅火以及飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻，以提高飛機(jī)紅外隱形能力［6］。

3.1.6ITM、OTM、CAR、FTSA 空氣分離技術(shù)

在以非深冷工藝制取氧氣與氮?dú)獾母鞣N工藝中，以高純度氧氣制取難度最高。因此，各國(guó)對(duì)低成本制取高純氧氣均非常重視，開(kāi)發(fā)了多種直接自空氣中獲得高純度氧氣的新型制氧工藝。其中以如下幾種為典型，均屬于適合艦載安裝使用的非深冷空分技術(shù)。

ITM（Ionic Transport Membrane）空分工藝［7］，也稱離子傳輸膜，是1種由氧離子—電子混合導(dǎo)體陶瓷材料制成的致密膜，當(dāng)膜兩邊的氧氣濃度不同時(shí)，氧氣將以氧離子的形式從高濃度的一邊透過(guò)膜到達(dá)低濃度的一邊，從而達(dá)到分離氧的目的。

由于ITM只允許氧離子透過(guò)，因而可以直接從含氧氣體中分離出純氧（100%的透氧選擇性）。而且，由于采用該工藝透氧速率快（可達(dá)有機(jī)膜氧透量200倍）、工藝及操作簡(jiǎn)單、可大幅縮小制氧系統(tǒng)的體積，降低制氧成本（理論上比傳統(tǒng)的深冷精餾或變壓吸附法成本低30%～50%），因而引起了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界廣泛興趣。自1998年始，APCI連續(xù)9年獲得美國(guó)能源部（DOE）的資助，共投資25億美元，最終目標(biāo)是建成氧產(chǎn)量25 t／d的制氧廠，目前正在中試階段。在我國(guó)，從事ITM研究的主要有南京工業(yè)大學(xué)、中科院化學(xué)物理研究所、中國(guó)科技大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校和研究所，在先進(jìn)ITM材料制備等基礎(chǔ)研究方面也取得了很大的成就。自2006年開(kāi)始，山東理工大學(xué)聯(lián)合上海穗杉實(shí)業(yè)通過(guò)幾年的研究，在ITM陶瓷膜規(guī)模化制備、陶瓷膜組件制備、膜制氧系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面均取得了重要的技術(shù)突破，建成了最大氧產(chǎn)量3.1 L／min、氧濃度99.9%和穩(wěn)定運(yùn)行1 056 h的ITM制氧系統(tǒng)，為我國(guó)ITM陶瓷膜制氧技術(shù)的進(jìn)一步產(chǎn)品化奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

OTM（OxygenTransportMembranes）空分工藝［8］，即氧氣傳輸膜，由普萊克斯公司主導(dǎo)開(kāi)發(fā)。該項(xiàng)開(kāi)發(fā)主要針對(duì)工業(yè)上需要大量氧氣進(jìn)行富氧燃燒時(shí)進(jìn)一步降低氧氣單耗，使其開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)能夠與富氧燃燒過(guò)程集成，其分離工藝原理是陶瓷膜在加載電力以及高溫條件下，低壓、高溫的空氣組份中的氧氣能夠在膜材料表面吸附，進(jìn)而在膜的另一側(cè)解離形成氧離子，這些通過(guò)膜而失去電子的氧離子形成氧分子從膜表面解吸出來(lái)，從而連續(xù)獲得穩(wěn)定的氧氣產(chǎn)物流［9］。目前，該工藝也在進(jìn)行一定規(guī)模的示范裝置測(cè)試過(guò)程。

CAR（The Ceramic Autothermal Recovery Process）空分工藝［10］，即陶瓷自熱回收工藝，是 1 種新型制氧工藝。該項(xiàng)工藝由林德氣體公司開(kāi)發(fā)成功，是一種高溫空氣分離工藝，其開(kāi)發(fā)目的也是針對(duì)工業(yè)上需要大量氧氣進(jìn)行富氧燃燒時(shí)進(jìn)一步降低氧氣單耗。與ITM工藝不同的是，林德公司的這種工藝以顆粒形鈣鈦礦陶瓷吸附材料在高溫（600～800 ℃）下吸附氧氣［11］，采用類似固定床變溫吸附分離系統(tǒng)，以多個(gè)固定床之間循環(huán)的吸附和解吸操作模式獲得連續(xù)、穩(wěn)定的氧氣產(chǎn)物流，因鈣鈦礦吸附氧氣的過(guò)程放熱而釋放氧氣的過(guò)程吸熱，因此，其分離過(guò)程僅需很少或不需要額外的熱能輸入。

目前，林德公司已經(jīng)構(gòu)建了1個(gè)0.7 t／d氧氣產(chǎn)量的試驗(yàn)設(shè)施，以測(cè)試和驗(yàn)證與西方研究所合作的富氧燃燒CAR技術(shù)在煤炭燃燒方面的試驗(yàn)。林德公司制定的以CAR技術(shù)為富氧燃燒供氣的分析報(bào)告顯示，該技術(shù)的綜合成本較深冷空分技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)，但因投入成本過(guò)高以及核心材料鈣鈦礦中的雜質(zhì)對(duì)系統(tǒng)性能的影響因素等，該工藝的商業(yè)用途仍然面臨相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

FTSA空分工藝是一種適用于常溫與高溫的空氣分離工藝。與上述CAR工藝以及常規(guī)變溫吸附技術(shù)不同的是，該工藝通過(guò)在吸附過(guò)程加入微米級(jí)吸附劑顆粒構(gòu)建了一種全新的流態(tài)化吸附分離系統(tǒng)，微米級(jí)吸附劑顆粒在分離過(guò)程中夾帶在待分離組分的流體中與待分離的混合流體一起在反應(yīng)器中以一定流速遷移，較低溫度下吸附劑吸附易吸附氣體 （如氧氣）產(chǎn)出難吸附組份 （如氮?dú)猓?，較高溫度下吸附劑解吸出來(lái)易吸附氣體（如氧氣），從而可獲得氧氣與氮?dú)獾碾p產(chǎn)物流。整個(gè)分離過(guò)程需要的能量來(lái)自于窯爐的廢氣熱能或者太陽(yáng)能、沼氣等低品位熱能，粉體輸送所需的能源與現(xiàn)有技術(shù)相比微小到可以忽略。因此，其能源消耗極低，同時(shí)，因該工藝采用了微米級(jí)的吸附劑，避免了固定床吸附劑的磨損、導(dǎo)熱較慢等問(wèn)題，也提高了系統(tǒng)分離效率，降低了吸附劑的使用量，尤其適合一些需要富氧鼓風(fēng)、富氧助燃、煙道氣二氧化碳回收、脫硫、脫硝等煙氣治理應(yīng)用領(lǐng)域的大宗工業(yè)氣體分離。這種循環(huán)流動(dòng)的吸附劑不斷在低溫下吸附和更高溫下解吸的操作模式可獲得穩(wěn)定的連續(xù)氮?dú)馀c氧氣兩種氣體。

目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)單位已經(jīng)建成氧氣產(chǎn)量40 m3／h的中試裝置以測(cè)試和驗(yàn)證該技術(shù)在富氧燃燒以及脫硝方面的可行性。從取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，該技術(shù)的綜合成本與深冷空分、變壓吸附技術(shù)相比較更有優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)有技術(shù)能源消耗的30%，但是其高昂的投入成本以及核心吸附分離材料的批量化生產(chǎn)問(wèn)題使得該工藝的商業(yè)化仍然面臨相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

3.2 艦船用空氣分離工藝適用性分析

因艦船特殊的安裝、使用、維護(hù)環(huán)境，現(xiàn)有的各種氣體分離設(shè)備基于艦船安裝使用均面臨著很大的挑戰(zhàn)，艦船上氧氣與氮?dú)庥猛径?、用量大、品質(zhì)要求高。深冷工藝可同時(shí)產(chǎn)生2種高純度氮?dú)馀c氧氣無(wú)疑是最理想的氣體分離技術(shù)，但遺憾的是，迄今為止，我國(guó)沒(méi)有一套實(shí)際運(yùn)行于搖擺、振動(dòng)、沖擊環(huán)境下作業(yè)的深冷空分裝置，即使是采用深冷空分技術(shù)制氧、制氮的移動(dòng)式裝置也是需要停車并進(jìn)行嚴(yán)格的水平校準(zhǔn)后方可開(kāi)始作業(yè)。工業(yè)上各種深冷空分裝置更是有嚴(yán)格水平度安裝要求的固定裝置。據(jù)報(bào)道，國(guó)外有進(jìn)行離心式精餾工藝的研究，在與艦船使用環(huán)境條件類似的海洋石油平臺(tái)上開(kāi)發(fā)出了一種離心式精餾工藝，以避開(kāi)現(xiàn)有深冷精餾工藝對(duì)分離塔板水平度的高度依賴，但該技術(shù)尚未得到大規(guī)模的應(yīng)用。我國(guó)石油平臺(tái)也尚未采用類似技術(shù)，采用類似工藝的美國(guó)新下水 “布什”號(hào)航母在試航時(shí)也出現(xiàn)了制氧量不足、未達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)等問(wèn)題。在艦船的其他實(shí)際應(yīng)用中，受制于新技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用推廣的滯后，世界上現(xiàn)役艦船大部分采用深冷法。

就現(xiàn)有成熟的空分技術(shù)而言，變壓吸附與膜分離技術(shù)是艦船上最為可行的分離工藝。尤其是多技術(shù)手段的耦合工藝，并以可同時(shí)生產(chǎn)氧氣、氮?dú)?種雙產(chǎn)物流的耦合工藝最為理想，可替代深冷空分同時(shí)獲得高純度雙產(chǎn)物流，滿足艦船隨時(shí)需要展開(kāi)的氧氮作業(yè)保障。

3.2.1 制氧工藝

結(jié)合艦船氧氣應(yīng)用對(duì)技術(shù)指標(biāo)的要求，醫(yī)用及呼吸用氧都要求純度不低于99.5%的氧氣，可選擇的艦載制氧工藝僅限于可直接自空氣中獲取純度99.5%以上的變壓吸附與膜分離技術(shù)的耦合工藝。其他如ITM、OTM、CAR、FTSA制氧技術(shù)盡管技術(shù)可行，但其裝備成本高昂，并且目前尚無(wú)商業(yè)化的系統(tǒng)可供選擇。

3.2.2 制氮工藝

艦船氮?dú)鈶?yīng)用面廣，分普通氮與高純氮。普氮應(yīng)用于油艙的抑燃抑爆，惰性吹掃等，純度98%即可滿足要求，僅有部分特殊用途的高純度氮?dú)庖?9.999%純度以上。與上述制氧工藝的選擇不同，制氮因產(chǎn)品氣純度跨越范圍大，可供選擇的工藝多，艦船普氮制取采用變壓吸附、膜分離技術(shù)均能滿足，高純氮?dú)鈩t可結(jié)合采用如加氫除氧或碳催化脫氧等純化方法獲得，尤其可采用變壓吸附無(wú)需純化直接自空氣中制取高純度氮?dú)獾淖儔何教峒兎椒ǎ詼p少后勤保障的負(fù)擔(dān)。而且，避免了為了獲得氮?dú)舛鎯?chǔ)危險(xiǎn)的氫氣的尷尬。

4 我國(guó)艦船氧、氮?dú)庠粗苽浞椒ㄌ接?/h2>

由于現(xiàn)有船用氣體分離設(shè)備不能很好的滿足艦用氧、氮?dú)庠吹谋Ｕ闲枨?，特別是高純度氧氣與高純度氮?dú)猓绕涫请S著GB 8982－2009的強(qiáng)制推行，以醫(yī)療與呼吸用氧要求的氧氣均要求純度大于99.5%，而現(xiàn)行我國(guó)艦船所采用的變壓吸附制氧僅能制取純度約93%的氧氣。

近年來(lái)，雖有個(gè)別艦船采用變壓吸附技術(shù)和膜分離技術(shù)提取高純度氧氣和氮?dú)庠O(shè)備，但多為分別提取，即在制取氧氣的同時(shí)向大氣排放富氮；在制取氮?dú)獾耐瑫r(shí)向大氣排放富氧。采用這種方法造成寶貴資源的浪費(fèi)和大量的能源消耗。

氧氮一體化聯(lián)合分離技術(shù)（變壓吸附、膜分離技術(shù)的耦合空氣分離工藝），尤其是高純度氧氣與高純度氮?dú)庖惑w化提取的艦船分離工藝技術(shù)是最有應(yīng)用前景的技術(shù)之一。縱觀國(guó)外現(xiàn)役艦船，受制于建造期間新技術(shù)研發(fā)的滯后而采用深冷法制取氧氣與氮?dú)猓乙蚣夹g(shù)本身的缺陷需在?？扛劭诤箫L(fēng)平浪靜時(shí)實(shí)施制氧、制氮作業(yè)以高壓氣瓶存儲(chǔ)起來(lái)滿足一定保障周期的需要，這在一定程度上制約了艦船的機(jī)動(dòng)性。因此，能夠在任意海況下即時(shí)展開(kāi)制氧制氮作業(yè)的氧氮一體化裝備顯然更具有吸引力。

氧氮一體化聯(lián)合分離的意義還不僅在于可同時(shí)分離出符合艦用要求的氧氣與氮?dú)?，更為重要的是，合理有效的耦合工藝可將壓縮能與空氣中的氧與氮?dú)饨M分物盡其用、徹底回收，節(jié)約寶貴的船用資源（包括安裝空間、電力等資源消耗）

由此可見(jiàn)，采用氧氮一體化聯(lián)合分離技術(shù)來(lái)滿足我國(guó)艦船不斷增加的氧氮需求，從整體資源配置出發(fā)，從源頭需求論證開(kāi)始，開(kāi)展我國(guó)新一代氧、氮?dú)庠幢Ｕ涎b備的研發(fā)，探索適合我國(guó)國(guó)情的艦船氧、氮保障新方法極為必要。

5 結(jié) 語(yǔ)

采用船用氧、氮?dú)庠捶蛛x設(shè)備擺脫了依靠港口或補(bǔ)給船補(bǔ)給的依賴，提高了艦船的機(jī)動(dòng)性，減少港口、基地配套相應(yīng)氧、氮?dú)庠捶蛛x設(shè)備的投入，無(wú)疑是未來(lái)艦船保障模式發(fā)展的方向。

隨著新一代的空氣分離技術(shù)如變壓吸附、膜分離、ITM、OTM、CAR、FTSA的研發(fā)進(jìn)展，尤其是吸附劑與膜分離材料開(kāi)發(fā)的深入，氧氮一體化的聯(lián)合分離工藝技術(shù)已經(jīng)是替代傳統(tǒng)空分技術(shù)的有效途徑，并在一定時(shí)期內(nèi)可以取得艦船氧、氮?dú)庠幢Ｕ霞夹g(shù)的制高點(diǎn)。但著眼于未來(lái)，隨氣體提取水平的不斷提升，立足自主創(chuàng)新開(kāi)發(fā)新一代空分技術(shù)亦將是我國(guó)艦船建造業(yè)登高望遠(yuǎn)躋身國(guó)際先進(jìn)水平的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

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Marine Oxygen Nitrogen Separation Technologies：Application and Future Prospect

Liu Wei－guo1Zhao Yuan－zheng2Liu Hui3

1 Naval Military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.Ltd， Dalian 116005， China 2 Ship Office，Naval Armament Department of PLAN，Beijing 100071，China 3 China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064， China

In order to understand the applicability of gas separation equipment installed in naval ship，the characteristics of oxygen nitrogen separation process developed for gas separation were compared and analyzed， including Cryogenic， Pressure Swing Adsorption （PSA）， Membrane Separation， Ionic Transport Membrane （ITM）， Oxygen Transport Membrane （OTM）， Ceramic Autothermal Recovery（CAR），F(xiàn)luidization Temperature Swing Adsorption Process （FTSA）， etc.Due to the specific requirements of environment in naval ship，technique of PSA and Membrane Separation are more feasible for marine application， and that satisfy the supply need for dosage and quality of oxygen and nitrogen in naval ship.The analysis also shows that the combined process of PSA and Membrane Separation is a more efficient process， and is a new direction of technical developments to supply oxygen and nitrogen in naval ship.

ship； oxygen； nitrogen； gas separation； cryogenic； pressure swing adsorption； membrane separation

U664.8

A

1673－3185（2012）02－102－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2012.02.019

2011-04-22

劉維國(guó)（1961－），男，高級(jí)工程師。研究方向：航空保障。E-mail：13304091816＠189.com

趙遠(yuǎn)征（1978－ ） ，男，工程師。 研究方向：輪機(jī)工程。 E-mail：zyzlll＠yahoo.com.cn

劉維國(guó)。

［責(zé)任編輯：張智鵬］