杭氧大中型空分设备流程技术发展综述.docx

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杭氧大中型空分设备流程技术发展综述

杭氧大中型空分设备流程技术发展综述

【关键词】空分流程；变革；蓄冷器；切换式换热器；分子筛净化；增压膨胀；规整填料；全精馏制氩；内压缩；大型空分设备

【论文摘要】回顾了近五十年来我国大中型空分流程技术发展的历程，对七次空分流程优胜劣汰的变革作了评述，阐明了实现我国大中型空分流程再次变革的目标应是进一步提高单元设备部机技术水平、控制水平的节能和智能型的大型内压缩流程。

五十年来，我国大中型空分流程已经历了铝带蓄冷器冻结高低压空分流程、石头蓄冷器冻结全低压空分流程、切换式换热器冻结全低压空分流程、常温分子筛净化全低压空分流程、常温分子筛净化增压膨胀空分流程、常温分子筛净化填料型上塔全精馏制氩流程。

目前正在实现大型内压缩空分流程的变革，旨在使我国空分设备总体水平能紧跟世界先进水平，服务于广大用户，自立于世界空分之林。

   每次大中型空分流程的变革，都是空分技术不断发展和科研成果相继被采用的必然结果；每次大中型空分流程的变革，都以其独具的技术闪光点将空分设备的技术水准推上了一个又一个新的台阶。

以下对大中型空分流程技术的发展历程作一回顾，并就每个流程的优点和不足逐一评述，希望能了解过去，开拓未来，使大中型空分流程的发展迎来一个又一个技术的春天，在技术的百花丛中永葆鲜艳。

1铝带蓄冷器冻结高低压空分流程（简称第一代空分）

   1956年4月，为了适应冶金工业、化肥工业等方面迫切需要大中型空气分离设备的新形势，杭州通用机器厂（杭氧集团有限公司前身）承担了设计试制高低压流程3350m3/h空分设备的艰巨任务，在参观、剖析了吉林化肥厂从苏联进口的3350m3/h空分设备的基础上，通过近两年的努力，于1958年4月30日试制成功第一套3350m3/h空分设备。

铝带蓄冷器冻结高低压空分流程（见图1）是我国最早的大中型空分设备的主导流程，标志着我国在空气分离设备的制造已实现了从小型向大型的飞跃发展。

   典型产品：

3350m3/h（20℃状态）空分设备，这是我国第一代空分产品，流程组织较为复杂，主要由空气过滤压缩、高压空气压缩、C02碱洗、氨预冷、膨胀制冷、换热、精馏等系统组成。

   主要性能指标：

       氧气：

3120m3/h（标态），99％O2

   氮气：

800m3/h（标态），99．8％N2

1．1流程特点

（1）加工空气压力分成低压（0．53～0．57MPa）和高压（16~20MPa）两个等级，这是因空分设备的冷量需要而确定的。

空分设备的冷量来源于两个压力等级下空气的焦汤效应、氮气膨胀制冷和氨预冷系统制冷等三个方面。

（2）采用了氧、氮蓄冷器各两只（分别一只走正流、另一只走返流），内充盘装铝带填料，供换热和清除低压空气中的水分和C02用。

蓄冷器的自清除效果采用返流气量大于正流气量来保证，通常返流与正流气的流量之比为1．03~1．04倍。

   （3）采用了一对高压换热器来冷却高压空气，高压空气中的C02是通过碱洗塔碱液的洗涤、水分是通过氨预冷系统的冻结而清除的。

   （4）将冷凝蒸发器分成主冷和辅冷两部分，辅助冷凝蒸发器放置位置低于主冷凝蒸发器，利用液氧液位落差使上塔液氧源不断流人辅助冷凝蒸发器，同时被下塔顶部引入的压力氮气气化成氧气后，导人乙炔分离器吸附掉乙炔，作为产品氧气的一部分输出，这就保证了精馏塔的安全运行。

主冷凝蒸发器为列管式（共17749根列管，温差1．8K），辅助冷凝蒸发器为盘管式（温差3．2K）。

A1、A2—乙炔吸附器AF—空气过滤器APl、AP2、AP3—碱液泵APC—空气往复压缩机APC1、APC2—氨预冷器ATC—空气透平压缩机AWC—碱洗塔C1—下塔C2—上塔CS—乙炔分离器E1、E2—主换热器E3—过冷器E4—膨胀前换热器ET—膨胀机K1—主冷凝蒸发器K2—辅助冷凝蒸发器LAFl、LAF2—二氧化碳过滤器NPC—氮预冷器NR1、NB2—氮蓄冷器ORl、OR2—氧蓄冷器RPC—馏分预冷器WC—水冷却器

图1铝带蓄冷器冻结高低压空分流程图

1．2流程缺点

（1）流程组织较复杂。

为了提供空分设备所需的部分冷量及由此而引起的高压空气中水分、C02的清除问题，在冷箱外增设了高压空气压缩机、碱洗塔、氨预冷系统等多套机组；同时冷箱内设备也较多，给整套空分设备的操作、维护带来诸多不便。

（2）蓄冷器的自清除问题没有得到妥善解决，氧气（或氮气）和空气的传质和传热虽按不同时间间隔错开，但却在同一腔内进行，使产品的纯度受到较大污染，氧气纯度由99．5％02下降到99％02，氮气纯度由99．8％N2下降到98％N2，而后者由于纯度较低，只能放空；此外蓄冷器热端温差较大（5℃），复热不足损失大。

   （3）膨胀机结构为冲动式固定喷嘴的型式，效率较低，只有60％左右。

若用空气作膨胀介质，对膨胀后空气如何处理，没有得到妥善解决，影响了空分流程的组织水平。

   （4）氧提取率低，一般只有83．3％。

   （5）能耗高，设计值为0．66kWh／m302，而实际运行值高达0．7~0．9kWh／m302。

1．3主要用户

   从1958年试制成功后，第一代空分设备共生产27套，主要用户为：

首都钢铁公司、吉林化肥厂、上海吴淞化工厂、重庆钢铁公司、鞍山钢铁公司、杭州钢铁厂和南京钢铁厂等，其中出口朝鲜7套。

1969年后停止生产。

目前这些空分设备已完成历史使命，均已报废或停机。

2石头蓄冷器冻结全低压空分流程（简称第二代空分）

   1964年，由于北京石景山（首都）钢铁公司的30吨转炉氧气顶吹炼钢试验成功，国务院决定迅速推广这种先进的炼钢方法，使发展全低压流程大中型空分设备显得更为紧迫。

杭氧在承接试制全低压6000m3／h空分设备任务后，参与了首都钢铁公司从日本神户制钢所引进的6000m3／h空分设备的验收工作，并获得了一些技术资料，在消化吸收这些资料的基础上，对部分单元设备进行了改造设计，在1965年11月完成了设计方案。

随着反动式透平膨胀机技术的开发、管式石头蓄冷器的出现及其自清除技术的改进等，1968年杭氧试制完成了第一台全低压流程的6000m3／h空分设备，这种管式石头蓄冷器冻结全低压空分流程（见图2），是我国第二代空分产品。

流程组织大为简化，主要由空气过滤压缩、空气预冷、膨胀制冷、换热、精馏等系统组成。

   A1、A2—液空吸附器A3—液氧吸附器A4、A5—二氧化碳吸附器AC—空气冷却塔AF—空气过滤器ASC—空气螺杆压缩机C1—下塔C2—上塔E1—液空过冷器E2—液氮过冷器E3—污氮一空气液化器EFl、EF2—膨胀前空气过滤器ETl、ET2、ET3—膨胀机K1—冷凝蒸发器NRl、NR2—氮蓄冷器ORl、OR2—氧蓄冷器V1、V2、V3、V4—自动阀箱V5、V6、V7、V8—抽气阀箱WC—水冷却器WP—水泵

图2管式蓄冷器冻结全低压空分流程图

   主要性能指标：

氮气：

6600m3／h（标态），100×10-602

   氧气：

6000m3／h（标态），99．6％02 

2．1流程进步点

（1）随着透平膨胀机技术的发展，出现了反动式固定喷嘴透平膨胀机。

空气在固定喷嘴和叶轮中进行两次膨胀，使膨胀机效率有了很大的提高（可达80％），空分设备的制冷手段得到了改善，因此使加工空气由第一代空分流程的两个压力等级转变到只要0．5MPa（G）的一个压力等级成为可能，实现了高低压空分流程向全低压空分流程的变革。

（2）将铝带蓄冷器改为石头蓄冷器，让产品氧气、氮气始终走蛇管内部换热，保证了氧、氮纯度不受污染，使氧的纯度达到99．6％02，氮的纯度达到100×10-602。

   （3）为了清除冻结在石头上的CO2和水分，除了采用正流空气和返流污氮气交替切换的方法外，还采用了中间抽气法，即在蓄冷器中部抽出了相当于加工空气量10％的空气，这就保证了抽口以下正流气量小于返流气量的自清除要求，进一步缩小了蓄冷器冷端温差，使自清除更为彻底。

   （4）对膨胀后空气如何合理处理，有了新的技术：

送人上塔中部参与精馏，充分利用了上塔的精馏潜力，提高了氧提取率（可达84％）。

   （5）用循环液氧泵OP和液氧吸附器A3组成的强制循环来清除液氧中的乙炔等碳氢化合物，确保了空分设备的安全运行，取消了前一流程的辅助冷凝蒸发器。

   （6）能耗比第一代空分有了明显的下降，可达到0．55-0．60kWh／m302。

2．2流程缺点

（1）管式石头蓄冷器中的石头填料单位体积所具有的比表面积只有铝带的1／5，而密度却远比铝带大，因而处理同样的空气量，石头蓄冷器比铝带蓄冷器体积要大5倍以上，这就使得石头蓄冷器体积庞大、笨重，所需的安装基础必须深沉坚实，而且占地面积大，工程费用多。

（2）由于采用中间抽气法来保证蓄冷器的不冻结性，因而设置了相应的抽气阀箱、（V5~V8）和C02吸附器，使冷箱内设备及配管复杂化。

   （3）膨胀机采用的固定喷嘴，只能依靠调节压力来调节气量，因而膨胀量调节范围较小，对空分变工况生产需要大量冷量时的适应性较差，只能增设备用膨胀机来解决冷量的调节问题，这显得很不经济。

   （4）主冷凝蒸发器仍为长列管式，管子数目仍然较多，体积大，制造难。

·

2．3首家用户

   1970年10月，第一套全低压流程的6000m3／h空分设备在武汉钢铁公司投入生产，标志着我国气体分离和液化设备工业正式进入了全低压空分流程的时代。

3切换式换热器冻结全低压空分流程（简称第三代空分）

   随着高效率板翅式换热器的研制成功和反动式透平膨胀机技术的进一步发展，空分流程水平又大大向前推进了一步，出现了切换式换热器冻结全低压空分流程（图3）。

1970~1978年杭氧采用该流程自行设计了1000、6000、10000m3／h三种规格的空分设备，但质量不稳定。

1979~1991年杭氧在引进了10000m3／h空分设备的设计制造技术的基础上，经过消化吸收及二次开发，先后成功设计制造了1000~10000m3／h空分设备的系列产品。

典型产品为10000m3／h空分设备。

这是我国第三代空分产品。

主要由空气过滤压缩、空气预冷、膨胀制冷、换热、精馏（含提氩设备）等系统组成。

   主要性能指标：

   氧气：

10000m3／h（标态），99．6％O2

   液氧：

100m3／h（标态），99．6％02

   氮气：

10000m3／h（标态），100×10-602

   液氩：

250m3／h（标态），99．999％Ar

   AC—空气冷却塔AF—空气过滤器ATC—空气透平压缩机C1—下塔C2—上塔C3—粗氩塔C4—精氩塔E1—氧一空气液化器E2—污氮一空气液化器E3、4—液空过冷器E5—液氮过冷器E6—氩换热器EH—电加热器ET—透平膨胀机K1—冷凝蒸发器K2—粗氩冷凝蒸发器K3—精氩冷凝器K4—精氩蒸发器OE—液氧喷射器R1、2—切换式换热器SL—消声器V1、2、3、4—自动阀箱WC—水冷却器W1、2—水泵

图3切换式换热器冻结全低压空分流程图

3．1流程进步点

（1）以传热效率高、结构紧凑轻巧、适应性大的板翅式换热器，取代了石头蓄冷器、列管式冷凝蒸发器及盘管式过冷器、液化器等，使单元设备的外形尺寸大大缩小，空分设备的冷箱也相应缩小，跑冷损失减少、膨胀量下降、启动时间缩短等一系列的良性循环，提高了空分设备的技术经济性。

（2）以切换式换热器取代石头蓄冷器后，由于由间壁式连续换热代替了蓄冷器的间歇换热，·使温度场分布较为稳定，同时在气流通道中供水分和C02冻结的空间也增大了，使切换周期可以延长，切换损失可由蓄冷器流程的4％下降到2％。

   （3）采用了环流法来保证切换式换热器的不冻结性，可使空气和返流污氮气冷端温差由蓄冷器流程的3．5℃缩小到2．5℃。

这是一种较为完整的不冻结性方法，不再需要中间抽气阀箱、C02吸附器等附加设备，使流程简化。

   （4）采用反动式可调喷嘴的透平膨胀机，使膨胀机效率变化平稳，对变工况生产适应性强，同时采用了电机制动来回收膨胀机的对外做功。

   （5）采用了体积小、重量轻、流通能力大的切换碟阀取代笨重的强制切换阀，使布置紧凑。

   （6）氧提取率提高到~87％。

   （7）能耗大大下降。

10000m3／h空分设备一般为0．49~0．52kWh／m302，6000m3／h空分设备一般为0．53~0．55kWh／m302。

3．2流程缺点

（1）为了满足切换式换热器自清除要求，需要返流污氮气量较大，一般而言，污氮气量与总加工空气量之比不得少于55％，即纯氮产量只能达到总加工空气量的45％，这样，纯氮气和氧气产量之比最多只能达到1．1，无法满足用户对大量纯氮气需求。

（2）为满足切换式换热器的不冻结性要求，冷端要保证有一个最小温差，空分设备的启动要分成四个阶段来完成，以避免水分和C02进入精馏塔内，因而启动操作要十分小心，比较麻烦。

3．3主要用户

   从1970~1991年，杭氧共生产切换式全低压空分流程空分设备135套，其中1000m3／h空分设备61套，6000m3／h空分设备59套，10000m3／h空分设备15套。

除天津碱厂、广西河池化肥厂、浩良河化肥厂、武汉钢铁公司、天津钢厂、湘潭钢铁公司、广州氮肥厂、衢州化工厂和上钢五厂、鞍山钢铁公司等近20套第三代空分已停机或报废外，其余都还在服役中。

但这类流程由于技术落后，操作维护复杂，运转周期较短，是下一步实施技术改造的重点对象。

4常温分子筛净化全低压空分流程（简称第四代空分）

   随着国际上分子筛净化技术的发展和在空分设备中的广泛应用，分子筛净化空气的冷箱外“前端净化”技术，代表20世纪70年代国际空分设备流程发展的主导方向。

1979年后，我国在引进德国林德公司常温分子筛净化技术的10000m3／h空分设备设计与制造技术之后，1981～1984年先后设计制造了6000m3／h、10000m3／h两种等级的分子筛净化全低压流程空分设备（流程见图4）。

   AC—空气冷却塔AF—空气过滤器ATC—空气透平压缩机C1—下塔C2—上塔C3—粗氩塔C4—精氩塔C5—除甲烷塔E1—主换热器E2—液空液氮过冷器E4—氩换热器EH—电加热器ET—透平膨胀机K1—冷凝蒸发器K2—粗氩冷凝蒸发器K3—精氩冷凝器K4—精氩蒸发器MS1、2—分子筛吸附器OE—液氧喷射器RH—蓄热器RU—制冷机WC—水冷却器WPl、2—水泵

图4常温分子筛净化全低压空分流程图

   典型产品：

6000m3／h空分设备，主要由空气过滤压缩、空气预冷、分子筛净化、膨胀制冷、换热、精馏等系统组成。

   主要性能指标：

   氧气：

6000m3／h（标态），99．6％02

   液氧：

60m3／h（标态），99．6％02

   氮气：

13000m3／h（标态），100×10-602

   液氩：

85m3／h（标态），99．999％Ar

4．1流程进步点

（1）以分子筛吸附剂在常温下吸附空气中水分和二氧化碳及碳氢化合物的特性，将切换式换热器的传热传质和换热两种功能分家，在冷箱外用分子筛吸附器清除空气中水分和C02，在冷箱内的换热器仅起换热作用，这样不仅使进冷箱的空气较纯净，而且延长了换热器的寿命。

冷箱内不再需要设置自动阀箱、腋空液氧吸附器、循环液氧泵及相应的切换阀门管道等，使空分流程简化，冷箱内设备减少，操作维护方便。

（2）由于主换热器没有自清除要求，冷端温差不用严格限制，使纯氮气和氧气产量比大大提高，可达到2．3～2．5，可以满足需要大量纯氮气的用户要求。

   （3）分子筛吸附器切换周期为108分钟，远远长于切换式换热器切换周期3.5分钟，因此空气切换损失就大大减少，由通常的占加工空气总量的2％下降到0．5％，有利于氧提取率的提高。

同时切换次数的减少，精馏塔受切换而引起的波动干扰减少，有利于氩的提取。

   （4）分子筛吸附器清除空气中有害杂质较彻底，空分设备的操作安全性好，连续运行周期可达二年以上。

   （5）启动和操作过程中，不需考虑自清除的影响，因而操作简便，有利于实现变负荷操作和提高自动化控制水平。

   （6）氧提取率提高到90％~92％，氩提取率~52％。

4．2流程缺点

   为了保证分子筛吸附器能在较佳的温度8~10℃（2下工作，以充分发挥分子筛吸附剂的吸附效果，设置了制冷机组；同时为了分子筛吸附剂的加温解吸，设置了电加热器。

同时为了保证再生时污氮气有足够的压力，空压机的排压应适当提高，这些导致了这类空分的能耗比切换式换热器流程要高~4％，约为0．51~0．57kWh／m302。

4．3主要用户

   第四代空分设备杭氧共设计制造6套，其中6000m3／h空发设备4套，分别是：

金山石化工厂（2套）、大庆乙烯工程、吉林化学公司化肥厂；扬子石化总公司10000m3／h空分设备2套。

采用常温分子筛虽然具有切换损失少、操作维护方便等优点，但由于能耗较高，所以它存在致命的缺点，很快就被新的带增压膨胀机的常温分子筛净化空分流程所代替。

5常温分子筛净化增压膨胀空分流程（简称第五代空分）

   在寻求降低能耗的途径上，常温分子筛净化增压膨胀空分流程的出现，是空分流程技术的一大进步。

1986~1988年，杭氧在引进消化国外先进技术的基础上，自行开发成功采用常温分子筛净化增压膨胀空分流程的6000m3／h空分设备，这是我国第一套第五代空分产品。

   在这套空分设备中，除空分流程外，还开发了带增压机的透平膨胀机、全可控涡理论设计的三元叶轮和全等温冷却的单轴空气透平压缩机、立式单层分子筛吸附器等三项新技术。

在自动控制水平方面，成功地将计算机集散系统应用于空分设备的调节控制，有效地实现了对空分设备的控制调节要求。

   第五代空分设备的成功开发，使我国空分技术从技术引进走向自我研制开发阶段，是我国空分史上的一次飞跃（流程见图5）。

   典型产品：

6000m3／h、10000m3／h空分设备，主要由空气过滤压缩、空气预冷、分子筛净化、增压膨胀制冷、换热、精馏等系统组成。

   AC—空气冷却塔AF—空气过滤器ATC—空气透平压缩机B—增压机C1—下塔C2—上塔C3—粗氩塔C4—精氩塔C5—除甲烷塔E1—空气液化器E2—液空过冷器E3—氩换热器EH—电加热器ET—透平膨胀机K1—冷凝蒸发器K2—粗氩冷凝蒸发器K3—精氩冷凝器K4—精氩蒸发器MS1、2—分子筛吸附器OE—液氧喷射器RH—蓄热器RU—制冷机WC—水冷却器WPl、2—水泵

图5常温分子筛净化增压膨胀空分流程图

   6000m3／h空分设备主要性能指标：

   氧气：

6000m3／h（标态），99．6％02

   液氧：

60m3／h（标态），99．6％02

   氮气：

13000m3／h（标态），10×10-602

   液氩：

120m3／h（标态），99．999％Ar

   14000m3／h空分设备主要性能指标：

   氧气：

14000m3／h（标态），99．6％02

   液氧：

140m3／h（标态），99．6％02

   氮气：

14000／h（标态），100×10-602

   液氩：

300m3／h（标态），99．999％Ar

5．1流程特点

（1）在常温分子筛净化全低压空分流程的基础上，将膨胀机的制动发电机改成了增压机。

增压机的作用是将膨胀空气在膨胀过程中产生的功，直接用来使进膨胀机的空气增压，使膨胀机前的压力提高，就增加了单位膨胀空气的制冷量，在空分设备所需冷量一定的情况下，减少了膨胀空气量，总的加工空气量也就相应降低，使常温分子筛净化增压膨胀空分流程的氧提取率进一步提高，能耗进一步下降。

第五代空分氧提取率可达到93％~97％，氩提取率54％~60％。

（2）采用了全可控涡理论设计的三元流叶轮和全等温冷却的单轴空气透平压缩机。

   （3）采用了立式单层床内绝热结构的分子筛吸附器。

   （4）成功地实现了计算机集散控制系统对空分流程的控制调节要求，使自动化控制水平上了一个台阶。

   （5）由于加工空气量下降了~4％，能耗与切换式换热器冻结全低压空分流程相当，约为0．47~0．53kWh／m302。

5．2主要用户

   1988年杭氧提供给吉林化肥厂的6000m3／h设备顺利成功投产后，由于它具有节能减耗、操作方便、安全可靠等优点，得到用户的普遍认可和喜爱。

在1988~1996年的八年中，杭氧设计生产了第五代空分设备近60套,其中3200~4500m3／h空分设备17套,6000~6500m3／h空分设备20套,10000m3／h空分设备11套,15000m3／h空分设备4套,实现了制氧容量从小到大的全系列空分设备的升级换代,使我国空分设备的整体性能接近20世纪80年代国际先进水平.

6常温分子筛净化填料型上塔全精馏制氩空分流程（第六代空分）

   常温分子筛净化增压膨胀空分流程,已作为主导流程在国际空分行业中得到广泛采用.但为了进一步提高空分设备效率、降低能耗，20世纪80年代初期，国外一些著名空分制造商开始将规整填料技术应用于空分设备上，到了20世纪90年代采用规整填料和全精馏无氢制氩技术的空分设备已全面推向工业化应用。

杭氧紧跟国际先进水平，1994年在1000m3／h的制氩系统中采用全精馏制氩技术，1995年开始构思采用规整填料和全精馏无氢制氩技术的新一代空分设备。

杭氧总结了1000m3／h的全精馏制氩和3600m3／h的上塔中使用规整填料技术的成功设计经验和实际运行经验，针对新一代空分的技术特点，在流程计算、流程组织、流程控制和填料塔的设计制造装配等方面进行了深入的研究和开发，在1996年后，全面推出了采用规整填料和全精馏无氢制氩技术的第六代空分设备（流程见图6）。

   AC—空气冷却塔AF—空气过滤器APl、AF2—流程液氩泵ATC—空气透平压缩机B—增压机C1—下塔C2—填料上塔C3I—粗氩填料塔I段C3Ⅱ—粗氩填料塔Ⅱ段C4—精氩填料塔E1—主换热器E2—液空液氮过冷器EH—电加热器ET—透平膨胀机K1—冷凝蒸发器K2—粗氩冷凝蒸发器K3—精氩冷凝器K4—精氩蒸发器LQ—粗氩液化器MS1、MS2—分子筛吸附器OE—液氧喷射器PV—液氮平衡器WC—水冷却器

图6常温分子筛净化填料上塔全精馏制氩空分流程图

   第六代空分设备除采用规整填料塔和全精馏制氩这两项核心技术外，还采用了（不带冷冻机的）高效蒸发降温技术、双层床吸附技术及双层主冷等技术，这些技术分别被用于上塔、氩塔、水冷却塔、分子筛吸附器、冷凝蒸发器等设备上，取得了使成套空分设备获得大幅度增效减耗的整体效应。

第六代空分设备达到国际20世纪90年代中期先进水平，显示了参与国际竞争的实力。

   杭氧的第六代空分设备荣获国家机械工业科学技术进步一等奖、浙江省科学技术进步一等奖、杭州市科技进步一等奖。

   典型产品：

6500m3／h空分设备和20000m3／h空分设备。

主要由空气过滤压缩、高效空气预冷、分子筛双层床净化、增压膨胀制冷、换热、精馏及全精馏制氩等系统组成。

   6500m3／h空分设备主要性能指标：

   氧气：

6500m3／h（标态），99．6％02

   液氧：

65m