水面舰船氮氧制备技术与装备

郑卫东，于开录，李海平，赵宴辉

(1.海装舰船办，北京 100071;2.中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北 邯郸 056027)

0 引言

海军水面舰船在执行任务期间需要使用氮气和氧气［1］，其中氮气主要用于航空燃油系统的惰化保护、舰载机轮胎充气、精密仪器设备保护、食品冷库保鲜、导弹发射与姿态控制、液压设备蓄能以及动力控制能领域;氧气主要用于舰载机飞行员、病人及潜水员的呼吸用氧，以及金属切割用氧。

氮氧用气量小的舰船，可携带气瓶;氮氧用气量较大的舰船，如果携带气瓶，存在气瓶数量多、充注氮氧过程繁琐等缺点，则需要配置氮氧生产设备。常用氮氧制备技术包括低温精馏技术、变压吸附技术和膜分离技术，它们各有优势和局限性［2］。水面舰船的功能不同，对氮氧的需求量、纯度、压力、组成和相态也不同，因此需要根据实际情况确定氮氧制备工艺路线。

1 国外发展现状

1.1 低温精馏技术

低温精馏技术是应用广泛的氮氧制备技术。它的原理是:液体空气在蒸馏时，氮气的沸点低 (－196℃)，更容易挥发进入气相中，氧气的沸点高(－183℃)，大多留在液相中，经过多次蒸馏 (即精馏)，将空气分离为氮气和氧气［3］。二战期间，舰载机的飞速发展要求大型水面舰船具备现场制氮制氧能力。针对普通低温精馏装置抗倾斜摇摆能力差的问题，各国开展了大量研究。图1为美国AP公司研制开发的舰用低温精馏装置，高度约4 m，能够在水面舰船上工作。

苏联在20世纪50年代进行相关研究，先后研制开发了网格化筛板精馏塔和离心式筛板精馏塔［4］，结构示意图如图2所示。

图1 Air Products公司研制的舰用低温精馏装置Fig.1 Shipboard cryogenic oxygen plant of Air Products

图2 苏联早期舰用低温精馏设备示意图Fig.2 Schematic diagram of shipboard cryogenic oxygen plant of USSR

随着制冷、空气净化、自动控制等新技术的不断发展，舰用低温精馏装置先后出现了3代舰用低温精馏装置。

1)第一代舰用低温精馏装置

第一代舰用低温精馏装置采用高压节流制冷工艺路线，装置由空压机和冷箱2部分组成，没有配置膨胀机，空气净化、液化和精馏等设备都集中在冷箱中。空气压力是20 MPa，在切换式换热器中去除水分、二氧化碳等有害气体，经过节流阀后压力降低到0.7 MPa，空气部分液化，进入精馏塔分离为氮气和氧气。美国、苏联和英国等国在20世纪70年代以前设计建造的航空母舰，都安装了这种舰用低温精馏装置。

苏联航空母舰安装了基于高压节流的低温精馏装置，生产氮气和氧气。装置总体高度低于3.5 m，为了方便安装和维修，上层舱室的底部设有可移动的盖板。氮气和氧气通过气体压缩机压缩到设定压力后，充填到钢瓶组中。

1950年，英国航空母舰开始安装使用英国制氧公司生产的Mk.1型低温精馏装置，空压机出口压力为20 MPa，图3为冷箱内部示意图。该装置只生产氧气，纯度为99.6%，产量为6.8 Nm3/h。氧气出冷箱的压力为0.035 MPa，通过Ricardo压缩机增压到24.8 MPa。该装置在航空母舰摇摆角度≤10°，长期倾斜角度≤2°的条件下能够正常工作。

从60年代开始，Mk.1型装置被Air Products公司生产的RS500型装置取代 (见图3)。空压机出口压力为20 MPa，产品既有氧气，又有液氧，产量为13.5 Nm3/h，纯度为99.5%。液氧平时储存在液氧储罐中，使用时通过高压液氧泵将液氧压缩到24.8 MPa，然后在气化器中转化为氧气。

RS 500型低温精馏液氧装置于60年代开始应用于“皇家方舟”号、“鹰”号和“竞技神”号航母，为“海盗”和“幻影”飞机提供呼吸用氧。它们体现出合理的性能和可靠性。70年代，当固定翼舰载机将被淘汰时，对液氧装置的发展也被终止。

当英国海军决定将5架“海鹞”固定翼飞机布置在“无敌”级航母上时，有关设计部门遇到了为其供氧的问题。1977年决定将一套从“鹰”号航母上拆除的RS500液氧装置，安装在“无敌”号航母上。这套装置的寿命大约17年，不得不送到VSEI公司进行重新修整，其中单独的部件，如空压机、冷冻机、液氧充灌平台和冷箱分别送到母厂进行现代化改造。尽管老旧，该装置还能够继续服役。“无敌”级的后续航母—— “卓越”号和“皇家方舟”号则安装了新建造的RS500液氧装置［5］。

图3 Mk.1型和RS500型低温精馏装置的示意图Fig.3 Schematic diagram of Mk.1 type and RS500 type cryogenic oxygen plant

2)第二代舰用低温精馏装置

第一代舰用低温精馏装置虽然能够满足舰船氮氧需求，但它存在操作压力高、操作复杂和能耗高等缺点。为了克服以上缺点，第二代舰用低温精馏装置采用油润滑透平式膨胀机制取冷量，原料空气压力约1.0 MPa，减轻了空压机、切换式换热器、管道及阀门仪表的质量要求，降低了装置运行能耗。美国部分“尼米兹”级航空母舰安装了Cosmodyne公司制造的GA－2系列低压膨胀低温精馏装置。油润滑透平式膨胀机的缺点是:润滑油会沿着轴进入冷箱内部，污染换热器、精馏塔和过冷器等设备，美国海军每年不得不花费30万美元，耗时8～12周进行清洗［6］。

3)第三代舰用低温精馏装置

为了避免油污染，Cosmodyne公司研制了无油细箔轴承透平膨胀机，安装在在建的CVN75“杜鲁门”号航空母舰上。与此同时，GEECO公司研制开发了新型舰用低温精馏装置，由空压机、冷冻机、纯化器和冷箱组成。特点如下:采用空气轴承透平膨胀机进行制冷;摒弃切换式冷冻/加热技术，采用常温分子筛吸附技术来清除空气中的水分、二氧化碳和乙炔等杂质;操作压力低于0.8 MPa，能够实现全自动运行。装置首先安装在“仁慈”号和“舒适”号海军医疗船上，满足医疗船对液氧的需求。

1996年1月，“罗斯福”号航空母舰拆除了早期的GB－2型低温精馏装置，安装了GEECO公司的产品。经过长期运行，该装置表现出较高的可靠性和安全性，全寿命费用也大幅度降低，而且更易于操作和维护。美国海军对它非常满意，随后陆续更换了“华盛顿”号和“卡尔文森”号上的低温精馏装置，而且随后建造的航空母舰直接安装了该装置［6］。到目前为止，低温精馏装置没有出现任何安全和技术问题，直接体现了低温精馏技术的先进性和可靠性。

1.2 变压吸附和膜分离技术

变压吸附和膜分离技术是近几十年出现的新技术，能够在常温状态下运行，其原理是:氮气和氧气在分子筛吸附剂或有机膜中具有不同的吸附扩散速率，从而分离出氮气或氧气［7－8］。

变压吸附装置的工艺流程是:空压机和空气缓冲罐提供了流量、压力稳定的压缩空气，在空气预处理设备中去除灰尘、水分和油雾等有害杂质，然后通过切换阀组进入2个吸附筒中 (一个工作，另外一个再生)。吸附筒中填充了制氮分子筛或制氧分子筛，空气中的氧分子或氮分子被吸附在分子筛，从吸附筒出口即可得到氮气或氧气。可以看出，一套变压吸附装置只能生产氮气或氧气。氮气纯度一般低于99.9%，通过加氢或加碳工艺能够提纯到99.999%［9］;氧气纯度一般低于95%，通过二次变压吸附和其他工艺能够提纯到 99.5%［10］。

膜分离装置的工艺流程是:原料空气经空压机压缩以后，通过冷干机和空气过滤器去除灰尘、水分和油雾等杂质。在空气加热器中加热到50℃左右，随后进入膜组件中。氧气和大部分氮气吸附渗透到膜组件中，从另外一侧排出，剩余的氮气从膜组件出口流出。可以看出，膜分离技术只能生产氮气，纯度一般低于99.9%［11］。

根据美国联合舰队维修保养手册 (Joint Fleet Maintenance Manual)，所有的航空母舰、潜艇补给舰及海军医疗船等大型水面舰船都安装了低温精馏生产装置，包括最新建造的“福特”号航空母舰。英国“无敌”级航空母舰和苏联的各型航空母舰也都安装了低温精馏装置。印度国产航空母舰正在建造中，制造商Cochin船厂已经与美国GEECO公司签订了600万美元的低温精馏制氮制氧装置的采购合同，该合同由印度Sky Onboard公司和GEECO公司共同完成。

变压吸附装置和膜分离装置的操作简单，部分大型水面舰船和补给舰、医疗船等中小型水面舰船陆续安装了变压吸附装置和膜分离装置。例如法国“戴高乐”号航空母舰采用变压吸附技术制备99.5%的氮气和95%的氧气，再通过二级变压吸附技术生产99.5%的氧气［10］。

近几年，舰载机逐步具备独立制氧能力，对水面舰船制氧能力和氧气纯度的要求降低。2009年，“尼米兹”号航空母舰的一套低温精馏装置被膜分离制氮装置和真空变压吸附制氧装置替代，另外一套仍然得到保留，能够为舰船各部门提供不同等级的气态或液态氮氧。

2 国外水面舰船氮氧系统

2.1 氮氧系统的组成

美国航空母舰上氮氧系统由低温精馏装置、液氮液氧储罐、低温液体泵、气化器、氮氧充注站、工艺管道与控制阀组等组成 (见图4)，在舰首和舰尾的左右外舷各分布1套，二者的高压氮气管道相互联通，在全舰组成环状网络［12－13］。

图4 美国海军使用的低温精馏装置Fig.4 Cryogenic oxygen-nitrogen plant used by US Navy

低温精馏装置、液氮液氧储罐、低温液体泵、气化器、氮氧充注站均布置在机库甲板上的相邻舱室内，与机库仅有一墙之隔。系统与外舷很近，便于为航空系统提供氮气和氧气，同时也便于排放工艺废气和废液。低温精馏装置产品是液氮和液氧，产量是40～80 Nm3/h(折合为气体)，纯度均为99.5%，液氮和液氧平时储存在1～6 m3的低温液体储罐中［13］。液氮和液氧的纯度和组成分别满足BB－N－411(氮气技术指标)和MIL－O－27210(液态或气态航空呼吸用氧)的要求。

2.2 抗摇摆能力

低温精馏装置内部的低温液体会受到舰船运动的影响，而造成氮氧纯度的下降，为保证舰船对氮氧的需求，低温精馏装置必须具备一定的抗摇摆能力。美军标 MIL－P－24344等对此做出了详细规定:

1)额度流量和纯度下的操作:低温精馏装置在以下条件下运行时，流量和纯度应该满足战技指标。

① 纵摇:4°(周期11s);

② 横摇:15°(周期17s);

③ 倾斜:2.5°。

2)严重倾斜下的操作:当舰船倾斜5°时，允许产量降低到额度产量的75%，而纯度不变。

3)极端条件下的操作:低温精馏装置在下列条件下运行时，装置不应该损害，装置内部的低温液体不应该流失。

① 倾斜:15°;

② 纵摇:10°;

③ 横摇:30°。

在环境温度小于50℃情况下，装置启动12 h内能够达到满负荷生产，停机2 h内再次开机，可2 h内达到满负荷生产。

2.3 氮氧供给方式

低温精馏装置生产的液氮和液氧直接储存在低温液态储罐中，根据用户需要存在2种供给方式。

1)液氮和液氧

美军部分舰载机需要液氧作为航空呼吸用氧，舰上医疗部门也需要使用液氮，因此储罐中的液氮和液氧通过截止阀和金属软管，充灌到移动式低温液体储罐中，直接运输到使用部门，避免高压管道输送。例如先将液氧充灌到50～100 L的液氧车中，在机库中或飞行甲板上，再将液氧充灌到飞机的液氧转换器中，如图5所示。

2)氮气和氧气

图5 美国航空母舰上低温液体充灌Fig.5 Filling of liquid oxygen in US aircraft carrier

舰上主要使用气态的氮气和氧气。其供给方式是采用液氮 (氧)泵将液氮 (氧)压缩到35 MPa(20 MPa)，在气化器中加热为常温高压气体，在充注站直接充入钢瓶组中，这种液体压缩气化方式的安全性较高，不会出现超温现象。根据美军标MIL－S－23639C，氮氧的充瓶气量超过500 Nm3/h(注:低温精馏装置的氮氧产量不到80 Nm3/h)，氮氧的出口压力最高可达40 MPa。

由于高压氧气通过管道输送具有一定的危险性，因此氧气充注站就布置在隔壁的机库内，直接充注各种氧气钢瓶，便于为舰载机提供航空用氧。

高压氮气直接充入35 MPa的钢瓶组中进行临时储存和缓冲，然后在分配站分别减压到20 MPa、15 MPa和0.35 MPa，通过管道分配到全舰。其中舰首装置和舰尾装置的35 MPa和20 MPa的氮气管道连接在一起，在全舰组成环形网络。

图6为美国“艾森豪威尔”号航空母舰上氮氧充灌接口位置分布图［12］，在低温精馏装置附近设置液氧接口、气氧接口和气氮接口，飞行甲板上仅设置3个气氮接口。

2.4 氮氧系统的管理

美军航空母舰上，氮氧系统属于船舶保障系统，直接负责液氮液氧的生产、储存、运输与充瓶等工作，氮气和氧气直接通过液氮液氧车或管道输送使用部门。

为了提高可靠性，2套装置交替运行，工作3～4 d充满液体储罐。舰船上大约有10名工作人员负责低温精馏装置的生产、储存、压缩、气化、输送与管理，每12 h倒班1次。

图6 美国航空母舰上氮氧接口分布图Fig.6 Oxygen and nitrogen service outlet layout at US aircraft carrier

舰载机对液氧的纯度和杂质含量要求高，经常取样进行纯度分析，如图7所示。

图7 舰船上的液氧采样Fig.7 Sampling of liquid oxygen at US aircraft carrier

美国海军十分注重对氮氧系统人员的技术培训，在弗吉尼亚州专门建立深冷学校，只有在该校取得相关资质证书的舰员才允许在航空母舰上操作和处理氮氧设备。

当舰员操作或携带液氮液氧容器时，为避免冻伤，必须穿戴安全面罩、安全靴、皮手套和保护工作服。

3 技术综合分析

一般情况下，大型水面舰船需要不同纯度和相态的氮气 (95%～99.999%)和氧气 (93%～99.5%)，采用低温精馏技术，或变压吸附/膜分离等联合技术都能满足要求，下面对这2种技术方案进行综合分析。

3.1 产品相态和纯度

变压吸附/膜分离装置生产氮气或氧气，纯度不高于99.9%和95%，通过提纯能够达到99.999%和99.5%;低温精馏装置同时生产氮气、氧气、液氮和液氧，有利于降低装置的总体积和总重，不需要提纯，纯度直接为99.999%和99.5%。

3.2 单位能耗

装置单位能耗［14－15］与产量关系密切，产量越高，单位能耗越低，这里仅考虑适合船用的小型空分装置，氮氧产量低于300 Nm3/h。变压吸附/膜分离装置在常温下操作，氮氧纯度为99.9%和95%，其能耗较低 (0.3～0.6 kWh/m3);纯度通过提纯提高到99.999%和99.5%时，能耗达到0.9 kWh/m3。低温精馏装置采用了全低压流程和气体轴承膨胀机等工艺，氮氧纯度为99.999%和99.9%，能耗约0.6～0.8 kWh/m3。如果氮氧为液体产品，液氮液氧的冷量不能回收，能耗达到1.5 kWh/m3。

3.3 氮氧储存与充瓶方式

低温精馏、变压吸附和膜分离技术能够生产气态氮气和氧气，通过隔膜压缩机或活塞压缩机，充灌储存到钢瓶组中 (＞15 MPa)。低温精馏技术还能够生产液态氮气和氧气，直接储存在低温储槽内(＜0.5 MPa);使用时通过柱塞泵将液氮或液氧压缩到15 MPa以上，在气化器中加热到常温，充瓶或直接使用，全过程操作温度低于30℃，安全性较高。

氮氧以液态形式储存比气体钢瓶储存存在优势，美国海军进行过技术比较［13］，同样储存6500 kg氧气和4600 kg氮气，储存设备的重量减少80%，储存设备的体积减少50%。

3.4 装置国产化率

低温精馏装置的核心部件——膨胀机、精馏塔、换热器和冷阀等都能在国内生产，国产化率可达100%。变压吸附/膜分离装置的核心部件——膜组件和电磁气动阀等依赖进口。

3.5 全寿命费用

低温精馏装置在运行期间，主要针对空压机、冷冻机、低温液体泵和膨胀机等运动机械设备进行维护保养，每15～20年更换一次纯化器分子筛和冷箱的保温珠光砂，因此低温精馏装置的全寿命费用较低。英国“鹰”号航空母舰的RS500型低温精馏装置在原舰退役以后，经过改造后又安装在“无敌”号航空母舰上，一直使用到2005年，随舰退役封存。美国“萨拉托加”号航空母舰上GB－2型低温精馏装置在更换了透平膨胀机后，又安装在“杜鲁门”号航空母舰上［6］。

变压吸附/膜分离装置的关重件需要经常更换:电磁气动阀每天动作上千次，4～5年更换;膜组件的材质是有机聚合物，即使不使用也会老化，正常使用情况下5～8年需要更换［16］。关重件的更换直接影响了装置的稳定性和可靠性。

3.6 启动时间

变压吸附/膜分离装置的启动时间一般低于30 min，后续加碳脱氧生产高纯氮设备的启动时间一般为2～4 h。

低温精馏装置在正常操作条件下 (即冷箱内部温度为常温)的启动时间为8～16 h，如果产品为液氮液氧，启动时间一般为4～6 h。采取增加膨胀机转速、提高膨胀空气量和液氮液氧回灌等措施，启动时间可以降低［17］。

3.7 氮氧运输方式

一般情况下，氮气和氧气以高压气体状态，通过管道输送到全舰各用户。由于氮氧管道通过许多舱室和通道，一旦泄漏势必影响全舰正常运行。氮氧以液态状态，通过保温容器运输到各用户，具有较高的安全性。

通过以上分析可以看出，低温精馏技术具有一定技术优越性。

4 结语

水面舰船的功能不同，对氮氧的需求量、纯度、压力和相态也不同，因此需要根据舰船实际战技指标确定氮氧的现场制备方法。低温精馏制氮制氧有100多年的历史，早期舰用低温精馏装置出现能耗高、操作性差等问题。随着低温精馏技术的发展，这些问题都得到解决，实现了全自动控制，可靠性和操作性大大提高，在水面舰船制氮制氧中处于主导地位。对于氮氧产量较高，氮氧纯度分别大于99.999%和99%，同时需要氮氧的条件下，低温精馏技术具有某些技术优势。美、英、俄等国航母基本都安装了低温精馏装置，能够为舰船提供合格和稳定的氮气与氧气。近几十年出现了变压吸附、膜分离等新技术，在氮氧需求单一、氮氧纯度低的场合得到了广泛的使用，成为水面舰船制氮制氧的重要补充。某些补给船和医疗船安装了膜分离装置或变压吸附装置。

国内完全掌握了舰用膜分离技术和舰用变压吸附技术，并且已经装备在水面舰船。舰用低温精馏技术具有一定难度，国外仅美、苏、英等国能够生产舰用低温精馏装置。国内有关单位正在开展技术攻关，目前已经突破了关键技术。

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