高原海拔自適應PSA制氧技術研究

馬帥，石梅生，劉培朋

軍事科學院系統工程研究院 衛勤保障技術研究所，天津 300161

引言

我國是世界上高原地區分布最廣的國家，高原總面積約占國土總面積的1/4[1]。高原地理環境特殊，大氣壓和空氣密度低，晝夜溫差大，氣候干燥，其中以大氣壓和空氣密度低帶來的缺氧對人體的影響最大[2]。大量研究表明，針對高原缺氧的問題，氧療是最便捷、普遍、有效的手段[3-6]。目前常用的制氧技術中，變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）法制氧技術成熟，具有制氧純度較高、能耗低、自動化程度高、工藝簡單和操作簡便的特點[7]，可以滿足預防和治療高原病用氧需求，是目前高原環境下常用的制氧方法[8-9]。

隨著海拔高度的增加，大氣壓下降，空氣密度減小，大氣中的氧分壓相應降低，PSA制氧設備的氧濃度和產氧量等指標將下降[10]。不少研究者對此進行了探索，呂愛會等[11]運用響應面法分析了海拔高度、吸附時間和均壓時間對制氧效果的影響，發現海拔高度影響最大，吸附時間次之，均壓時間影響最小，而通過延長吸附時間和均壓時間可以減緩海拔高度對制氧效果的影響。田濤等[12-13]針對小型制氧裝備在高原環境下使用時出現的氧濃度和產氧量下降等問題，通過優化制氧工藝流程、實驗研究并計算優化后的工藝參數，有效提高了氧濃度和產氧量。劉應書等[14]探索了不同海拔高度下吸附時間、均壓時間、清洗時間和產品氣流量對制氧效果的影響，結果表明適當延長吸附時間和均壓時間可有效提高氧濃度和產氧量。石梅生等[15]提出了通過變頻恒壓進氣的方法來解決海拔高度對PSA制氧效果的影響，并通過理論分析計算出其1.2 Nm3/h機型制氧機的最高自適應海拔高度為4451 m。

本文搭建了攜運行式PSA制氧設備實驗平臺，在高原環境模擬低壓氧艙中研究了海拔高度對PSA制氧效果的影響、PSA制氧設備中進氣量和吸附時間對制氧效果的影響規律，然后分別通過對空壓機工作頻率和PSA制氧工藝的吸附時間進行自動調節，來實現高原環境下攜運行式PSA制氧設備的高原海拔自適應，為高原地區攜運行式PSA制氧設備的研制提供重要參考。

1 實驗平臺設計

PSA制氧工藝主要有兩床、三床、四床和六床PSA等。其中三床、四床和六床PSA相比兩床PSA制氧工藝，吸附塔內存留的富氧利用率高，氧收率也更高，但制氧工藝流程也更加復雜、技術要求更高，一般適用于大型制氧裝備，而兩床PSA制氧工藝流程簡單、操作簡單、穩定性高，在小型機動型制氧裝備中更具有優勢，因此本研究的實驗平臺采用兩床PSA制氧工藝。

1.1 實驗裝置

本實驗采用兩床PSA制氧工藝，實驗裝置如圖1所示。兩組吸附塔（每兩個相同的吸附塔構成一組）的塔高均為380 mm，塔徑均為87 mm，塔內填充的吸附劑為法國CECA生產的Li-LSX型分子篩。整個制氧過程由PLC控制器對變頻器、散熱器和氣體分配電磁閥等進行控制，空壓機由變頻進行驅動。PLC采用Horner公司的HEXL103BH型，變頻器采用Omron公司的3G3JZ型，空壓機采用臺州德瑞壓縮有限公司的DR50-3型，氣體分配電磁閥采用奉化中肯氣動設備有限公司的AK-MP-08型，氧氣檢測儀采用北京英世智博測控有限技術公司的TY-S10型，壓力傳感器采用Huba公司的5436型，流量傳感器采用矽翔微機電系統（上海）有限公司的MF4008-50-RBV-O型。

1.2 工藝流程

空氣過濾后進入空壓機，壓縮后的空氣被冷卻、干燥，經氣體分配電磁閥分配分別進入兩組吸附塔進行吸附分離。此時，產品氣一部分經單向閥進入氧氣儲罐，另一部分經過沖洗孔對解吸完的另一組吸附塔進行反吹清洗和產品氣加壓，提高吸附床的解吸效果；最后，分離后的富氮氣體經氣體分配電磁閥由消聲器排除。

實驗中兩組吸附塔的吸附時間順序如表1所示，吸附塔分別進行加壓吸附（Adsorption，AD），均壓降（Equalization Depressurization，ED），放空（PP），沖洗（Purge，PUR），均壓升（Equalization Repessurization，ER）步驟。循環過程中，吸附階段為5～18 s，解吸階段為5～18 s，均壓過程為0.5～1 s。

表1 兩床PSA制氧工藝過程時間順序

2 海拔高度對PSA制氧性能的影響

在高原環境模擬低壓氧艙中對上述制氧實驗平臺進行了初步試驗，保持PSA制氧工藝參數不變（空壓機工作頻率為35 Hz，吸附時間為8 s），改變海拔高度，同時保持產氧量為1.2 Nm3/h，對制氧設備的產品氣氧濃度進行檢測，實驗結果如圖2所示。可以看出，制氧設備運行穩定后的產品氣氧濃度隨著海拔高度的上升而降低。海拔高度上升時，大氣壓逐漸降低，空氣密度減小。在吸附時間不變的情況下，進入吸附塔內的空氣量減少，進氣壓力降低，導致吸附壓力降低，隨之吸附劑的吸附量降低，從而使得產品氣氧濃度降低。

圖2 不同海拔高度下制氧設備的運行情況

3 高原海拔自適應PSA制氧方案

PSA制氧是利用分子篩吸附劑對空氣中氧、氮的吸附能力存在較大差異的特性，在高壓下吸附、低壓下解吸的循環過程中分離氧、氮。而隨著海拔高度的上升，吸附塔內的吸附壓力會降低，分子篩吸附劑的吸附量也會隨之降低，使得產品氣氧濃度降低。要實現高原海拔自適應，就必須提高隨著海拔高度上升的吸附壓力。

3.1 調節進氣量

有研究提出通過變頻恒壓進氣的方法，隨著海拔高度的上升而提高空壓機的工作頻率，增大進氣量，保持吸附塔內的吸附壓力基本不變[15]。本次研究將運用其原理搭建實驗平臺，對海拔高度0、2000、3000、4000和5000 m進行試驗。

調節進氣量的方法為提高隨海拔上升的進氣壓力，運用變頻技術實現進氣量可隨著海拔高度的變動而自動調節，使PSA制氧設備實現高原海拔自適應。制氧過程如圖3所示，當海拔高度上升時，空壓機的排氣量減少，整個制氧設備的進氣量也相應減少，通過吸附塔入口處的空氣壓力傳感器檢測出壓力降低，此信號傳至控制系統，控制系統通過變頻器提高電機的轉速，提高空壓機的排氣量，進而提高整個制氧設備的進氣量，使產品氣的氧氣體積分數不受海拔高度的影響。

圖3 調節進氣量的高原自適應制氧過程圖

3.2 調節吸附時間

在PSA制氧工藝的AD階段，進料空氣通過壓縮機進入吸附塔，在吸附塔內完成吸附過程，氮氣被分子篩吸附劑吸附，氧氣則進入產品氣和反吹氣體中。隨著海拔高度的上升，若適當延長吸附時間，則可使更多的進料空氣進入吸附塔，從而提升吸附塔內的吸附壓力，增大分子篩的氮氣吸附量，提高產品氣氧濃度，達到海拔高度自適應的效果[16]。

調節吸附時間的方法可通過控制系統調節氣體分配電磁閥的開關時間實現，通過提高隨海拔上升時吸附塔內的吸附壓力，實現高原海拔自適應。制氧過程如圖4所示，當海拔高度上升時，空壓機的排氣量減少，整個制氧設備的進氣量也相應減少，通過吸附塔入口處的空氣壓力傳感器檢測出壓力降低，此信號傳至控制系統，控制系統通過對電磁閥開關時間的調節，適當延長吸附時間，可提高吸附塔內的進氣量和吸附塔內的吸附壓力，降低海拔高度對產品氣的氧氣體積分數的影響。

圖4 調節吸附時間的高原自適應制氧過程圖

4 結果

4.1 調節進氣量的試驗結果

在吸附時間不變的情況下（吸附時間為8 s），不同海拔高度下產品氣氧濃度隨空壓機工作頻率的變化如圖5所示。其中，產品氣氧濃度隨著空壓機工作頻率的增加呈現上升趨勢，即隨著空壓機工作頻率的增加，進氣量不斷增加，吸附塔內的吸附壓力增大，產品氣氧濃度不斷提高。在海拔4000 m時，空壓機工作頻率高于47 Hz即可使產品氣氧濃度達到90%以上，而在海拔5000 m，當空壓機達到最高頻率50 Hz時，產品氣氧濃度為83.31%。

圖5 不同海拔高度下產品氣氧濃度隨空壓機工作頻率的變化

通過程序控制自動調節進氣量，使進氣壓力維持在0.22 MPa，在低壓氧艙中進行高原海拔自適應試驗，結果如圖6所示，與圖2的結果相比，海拔2000 m時產品氣氧濃度提高了4%左右，可提高至94%；海拔3000 m時產品氣氧濃度提高了9%左右，可提高至94%；海拔4000 m時產品氣氧濃度提高了11%左右，可提高至91%；海拔5000 m時產品氣氧濃度提高了12%左右，可提高至83%。由此可知，調節進氣量的方法可以有效提高產品氣氧濃度，高原海拔自適應效果明顯。但在海拔5000 m時，盡管空壓機的工作頻率已調至最高50 Hz，仍無法使該制氧設備的產品氧濃度達到90%以上。

圖6 調節進氣量的高原海拔自適應結果

4.2 調節吸附時間的試驗結果

在空壓機工作頻率不變的情況下（工作頻率為35 Hz），不同海拔高度下產品氣氧濃度隨吸附時間的變化如圖7所示。其中，在同一海拔高度下，產品氣氧濃度隨著吸附時間的增加呈現先上升后下降的趨勢，中間存在一個最優的吸附時間。在吸附時間曲線上升階段，吸附時間較短，吸附塔內的壓力較低，分子篩的氮氣吸附量還未達到飽和，隨著吸附時間的增加，產品氣的氧濃度也相應增加；在吸附時間曲線下降階段，隨著吸附時間增加到一定程度，分子篩的氮氣吸附量已達到飽和，增加吸附時間會造成未被吸附的氮氣穿透分子篩進入產品氣，從而導致產品氣氧濃度的降低。從不同海拔高度的最優吸附時間分析，最優吸附時間隨著海拔高度的上升而增加，這是因為海拔高度越高，空氣密度越低，吸附塔內的進氣壓力上升到同一水平所需的時間越長。

圖7 不同海拔高度下產品氣氧含量隨吸附時間的變化

通過程序控制自動調節吸附時間，使吸附時間維持在最優吸附時間內，在低壓氧艙中進行高原海拔自適應試驗，結果如圖8所示，與圖2的結果相比，海拔2000 m時產品氣氧濃度提高了4%左右，可提高至94%；海拔3000 m時產品氣氧濃度提高了4%左右，可提高至89%；海拔4000 m時產品氣氧濃度提高了5%左右，可提高至83%；海拔5000 m時產品氣氧濃度提高了7%左右，可提高至78%。可以看出，調節吸附時間的方法可以一定程度上提高產品氣氧濃度，高原海拔自適應效果相對明顯。但在海拔3000 m以上，通過調節吸附時間的方法無法使該制氧設備的產品氧濃度達到90%以上。

圖8 調節吸附時間的高原海拔自適應結果

4.3 同時調節進氣量和吸附時間的試驗結果

調節進氣量和調節吸附時間的高原海拔自適應方案均可提高制氧設備在高原運行時的產品氣氧濃度。調節進氣量的方案產品氣氧濃度提升效果比調節吸附時間的方案提升效果更明顯，前者在海拔4000 m以下均可使制氧設備的產品氣氧濃度達到90%以上，后者在海拔3000 m時就無法使制氧設備的產品氣氧濃度達到90%。

在海拔5000 m時，運用調節進氣量或調節吸附時間的任何一種方法，都無法使產品氣的氧濃度達到90%以上，因此結合兩種方法，在調節進氣量的基礎上同時調節吸附時間，進行高原海拔高度自適應試驗，結果見圖9。在海拔高度為5000 m時，同時使用調節進氣量和吸附時間兩種方法，制氧設備運行穩定后產品氣氧濃度提高了19%左右，可達到90%。說明同時使用兩種方法，高原海拔自適應效果更加明顯。

圖9 海拔5000 m時同時調節進氣量和吸附時間的高原海拔自適應結果

5 討論

隨著海拔高度的增加，大氣中的氧分壓降低，PSA制氧設備的氧濃度和產氧量等指標下降，尤其是海拔3000 m以上。針對此現象，高原固定型PSA制氧設備可通過配備特定的空壓機以增大進氣量和設計特定的吸附工藝流程等方式來降低海拔高度對制氧工藝的影響，進而使PSA制氧設備的氧濃度和產氧量等指標滿足醫用分子篩制氧機相關標準；而對小型攜運行式制氧機，由于空間和重量限制，以及使用地點不固定等因素，無法通過固定進氣量的空壓機和固定的工藝流程來降低海拔高度對制氧工藝的影響，造成其產氧指標無法滿足要求。

已有研究表明，適當延長高原環境下PSA制氧工藝中的吸附時間，有利于提高產品氣氧濃度，但僅當做優化工藝的固定參數[17]。另有研究提出采用調節進氣量的變頻恒壓方式[15]，可實現PSA制氧設備的海拔高度自適應，但該研究僅進行了平原實驗和高原地區的理論分析。本研究在高原環境模擬低壓氧艙中，分別對調節進氣量和吸附時間兩種方案進行試驗，結果表明二者均可在一定程度上實現PSA制氧設備的高原海拔自適應，而且兩種方案同時使用效果更為明顯。

本研究只對進氣量和吸附時間進行了高原海拔自適應試驗，而均壓時間、產品氣流量和分子篩填裝技術等制氧工藝也對高原環境下PSA制氧設備的制氧性能有一定影響[18-20]，后續研究中將對這些因素依次進行高原海拔自適應的分析與試驗。

6 總結

本研究針對高原環境中海拔高度對PSA制氧效果的影響，提出了通過調節進氣量和調節吸附時間的高原海拔自適應方案，在高原環境模擬低壓氧艙中進行了試驗，研究了PSA制氧設備中進氣量和吸附時間對制氧效果的影響規律，得出以下結論：① 產品氣氧濃度隨著進氣量的增加呈現上升趨勢，進氣量越大，吸附塔內的吸附壓力越大，產品氣氧濃度也越高；② PSA制氧過程存在一個最優的吸附時間，吸附時間過短分子篩的有效利用率會降低，吸附時間過長氮氣會穿透分子篩進入產品氣，同時隨著海拔的上升最優吸附時間會增加；③ 隨著海拔高度的上升，空氣密度降低，PSA制氧設備的產品氣氧濃度隨之下降，可通過提高進氣量或適當延長吸附時間，使吸附塔內的吸附壓力上升，提高產品氣氧濃度，實現高原海拔自適應。同時，證明了本文中提出的高原自適應制氧方案的有效性，為PSA制氧設備隨海拔高度上升產品氣氧濃度下降的問題提供了合理的解決方案，可為研制便攜的高原制氧設備提供重要參考。