工業之肺裏的生命氣息——從新冠疫情中的醫用液氧供應看工業體系與動員能力_風聞
马氏体-2021-09-04 15:41
近日來，德爾塔變異毒株導致美國迎來新一輪疫情高峯，部分地區醫用氧供應出現緊張。液氧不足甚至影響到美國的航天發射活動。今年四五月間，印度的疫情大爆發也讓我們見識到“缺氧”導致的人間慘劇：醫院裏出現幾位病患共用牀位吸氧的無奈場景，甚至發生氧氣斷供導致二十五位患者死亡的嚴重事故。
對於新冠肺炎重症患者來説，吸氧是幫助他們挺過難關、戰勝病毒的重要支持手段。然而，醫用氧並不能從空氣中憑空得到，它是現代工業的產品，醫用氧的緊急增產更是一個國家工業體系應急動員能力的體現。無論是工業孱弱的印度，還是產業空心化的美國，醫用氧的短缺所暴露出的問題是相同的——一個大國，如果沒有與其人口規模相匹配的工業體系、沒有強大的社會動員能力，在面對自然災害時，是多麼的脆弱。
（這篇我自己微信公眾號上文章原本寫於今年五月，但看到觀網上“疫情致美各醫院氧氣短缺，NASA 發射工作延期”的報道，遂重新貼上風聞，與大家分享）
回顧去年1月武漢疫情爆發初期，因為大量患者湧入醫院且吸氧需求巨大，也曾經短暫出現過醫用氧供應緊張的危險局面。這倒不是因為醫用氧產量不足，而是出在另外兩個方面：一是醫用氧的配送能力一時無法跟上，二是醫院內的輸氧管路無法滿足遠超設計指標的供氧需求。
醫院裏的醫用氧供應主要有液氧、氧氣鋼瓶（即匯流排供氧）和分子篩製氧機三種方式。據統計，我國大約一半的醫院使用液氧為氧源集中供氧，經汽化之後把氧氣通過管路輸送到每位病人牀頭。分子篩製氧機是利用分子篩對氣體的選擇性吸附作用，直接從空氣中分離出氧氣。在用氧量較少或不適用集中供氧的場合，則採用氧氣鋼瓶供氧。
之所以鋼瓶供氧不佔主流，是因為用鋼瓶儲運氧氣的效率太低。以最常見的40L氧氣鋼瓶為例，充裝壓力15MPa，也就是壓縮了6m³的氧氣（約8.5kg），對於吸氧量要達到10L/min的新冠肺炎重症患者來説，一鋼瓶氧氣僅能維持10個小時。但這麼個接近一人高的鋼瓶的自重足有50kg，運送氧氣鋼瓶的絕大部分運力都在運鋼瓶的死重，而不是在運氧氣，所以鋼瓶只適用於短途運輸。如果需要從外地調運氧氣，大多也是運輸液氧，到目的地附近的充裝站再汽化充進鋼瓶裏。
相比之下，把氧氣液化為液氧，體積縮小了800多倍，儲存和運輸的效率大大提高，因而在醫用氧供應中占主導地位。
對於“抗疫”決戰中的武漢，醫用氧供應稱得上是“兵馬未動，糧草先行”的重要一環。你知道武漢最大的醫用氧供應商是誰嗎？
是一家在一般認知中絕對和醫療行業八竿子打不着的企業——武鋼。
武鋼（於2016年與寶鋼重組為中國鋼鐵業“旗艦”——中國寶武鋼鐵集團有限公司）在武漢擁有每小時生產32萬m³氧氣的能力，每天可生產醫用液氧200 m³（指液氧的體積，折算成氣體大約1.6萬m³，佔氧氣總產能的2%），在疫情期間供應了武漢全市一半以上的醫用氧，堪稱武漢戰疫中的鋼鐵脊樑。
為什麼武鋼能生產這麼多氧氣？
這就要從現代鋼鐵工業對氧氣的需求説起。
從鐵礦石到鋼，要經歷高爐鍊鐵（上圖為首鋼石景山老廠區3號高爐）-轉爐鍊鋼（下圖為寶鋼300噸轉爐）兩個主要的步驟。
高爐鍊鐵，是通過向爐內鼓風使焦炭燃燒放熱，燃燒的產物CO則作為還原劑，把鐵礦石還原為熔融的鐵水。要提高單位時間內的高爐產鐵量，一項很重要的措施就是提升高爐鼓風的含氧量（富氧鼓風），即在鼓入空氣的同時添加純氧，促進焦炭的燃燒。現代高爐平均每生產一噸鐵，要消耗三四十立方米的氧氣。
轉爐鍊鋼是向鐵水中吹入氧氣，氧化掉多餘的碳，使含碳量高的鐵水轉化成含碳量低的鋼水。平均每煉一噸鋼，要消耗五六十立方米的氧氣。
高爐和轉爐是鋼鐵廠裏的用氧大户，加起來近100m³/噸鋼，其他工序用氧量沒有這麼大。另外，以廢鋼為主要原料的電爐鍊鋼工藝也需要吹入一定量的氧氣，但是考慮到電爐鍊鋼僅佔我國鋼產量的不到10%，電爐的耗氧量不佔大頭。這麼算下來，平均煉一噸鋼，需要的氧氣大約就是100m³。
2020年，我國粗鋼產量10.53億噸，消耗氧氣的量——天文數字。
換一個算法吧。考慮到巨大的耗氧量和不能停頓的鋼鐵生產節奏，一般來説鋼鐵廠都會自行配套氧氣產能或對外尋求穩定的氧氣供應。據統計，鋼鐵廠每百萬噸鋼鐵年產能，對應的氧氣產能要大於1萬m³/h（一般為1.3-1.5萬m³/h）。折算一下，就是每小時生產114噸鋼對應着1萬多m³氧氣。去年我國10億噸的鋼產量（1000個百萬噸）意味着我國的鋼鐵廠每小時至少要生產消耗1000多萬m³的氧氣。但考慮到去年我國鋼鐵行業的產能利用率尚不足80%，實際的氧氣產能還要更大。另外，分離空氣得到的氮氣和氬氣在鋼鐵廠被作為惰性的保護氣、吹掃氣使用。
在工業上，氧氣的生產是利用空氣中氮氣、氧氣、氬氣的沸點差異，對液化的空氣進行蒸餾分離得到的，所用的設備被稱作空分設備。空分設備的標稱產能是1小時內能夠生產的氧氣的體積（液氧產量折算為相應的氣態氧的體積，也有隻算氣氧體積的）。目前世界上最大的空分設備可以達到15萬m³/h以上，而我國自主設計製造的最大空分設備的是杭氧集團的12萬m³/h空分。（上圖為杭氧為神華寧煤煤制油項目研製的10萬m³/h空分設備）
除了鋼鐵等冶金工業外，化工行業也消耗了大量的氧氣，主要用於把煤、石油、天然氣部分氧化轉化為合成氣（CO與H2的混合氣）。搜索疫情期間的氧氣供應新聞，也可以看到中國石化長嶺煉化（位於湖南嶽陽）向武漢供應液氧的消息。
2020年我國空分總產能約3000萬m³/h，其中大約一半為各行業用户自有，另一半由專業的氣體供應商所有。
湖北省共有兩傢俱有醫用液氧生產資質的企業，除了剛才提到的武鋼，還有一家專業氣體供應商——和遠氣體，在疫情期間保障了武漢市30%以上、湖北省除武漢市外其他地區70%以上的醫用氧供應。
除了部分專業氣體供應商擁有主要用於生產液氧、液氮、液氬的液體空分設備，大部分空分設備都是以氣態產品為主、液態產品為輔的，具體的比例與下游的使用需求和裝置的冷量平衡有關，一般來説液氧產量佔到氧氣總產量的1%~5%，高的能達到10%。以北京首鋼氣體公司為例（2010年底，首鋼在北京石景山老廠區的鋼鐵主流程全面停產，但空分設備仍在運行，是北京唯一一家擁有醫用液氧生產資質的國企，佔北京醫用液氧市場的40%，上圖為其空分設備），其35000m³/h空分設備在設計工況下每小時可生產31000m³氧氣和相當於4000m³氧氣的液氧（下圖），在最大液氧工況下液氧產量可以達到8000m³/h，但氣氧產量要相應減少。鋼鐵、化工企業在正常生產過程中使用的都是氣氧，液氧被作為空分設備故障停機時的應急儲備，過剩的液氧則外銷給沒有空分能力的用氧單位。在有些年份，銷售液態空氣產品甚至成為部分鋼鐵企業最主要的利潤來源。
雖然我國空分總產能巨大，但便於運送到醫院用於支援抗疫的主要是液氧。如果要估算全國液氧產量，按照比較保守的液氧佔總產能2%的比例，也就是相當於60萬m³/h的氣量，那麼每天可以生產約2萬m³或2萬噸的液氧（液氧的密度是1141kg/m³）。如果所有空分設備都調整到最大液氧產能的工況下運行，液氧的產能佔比可以提升到約10%，那就是每天10萬噸。
空分設備生產出來的液氧純度很高（否則氣體雜質在裝置內積累，可能造成堵塞甚至爆炸），工業液氧和醫用液氧的區別，主要在於後續的儲存、分裝、運輸等環節是否符合藥品生產對清潔衞生的要求以及企業是否取得相應的生產資質。所以，只要一家企業擁有醫用液氧的生產資質，它就可以把所有液氧產能均用於生產醫用液氧，甚至調減氣氧產能來增產醫用液氧。在去年疫情期間，首鋼氣體公司就減少乃至停止了工業液氧的發貨量，全力保障對北京醫院的供應。在疫情中心的武漢，武鋼黨委書記甚至作出了“寧可高爐缺氧，不讓病人缺氧”的表態。轉爐必須用純氧，除非停產，不然其供氧是絕對不可以削減的；高爐加氧只是一種增產手段，在萬不得已的情況下可以削減。為了拯救患者的生命，武鋼不惜賠上自己鋼鐵主業的經濟效益，這就是國企的擔當！
疫情中的武漢，到底需要多少液氧呢？
據我查到的數據，自2020年1月1日至2月1日，武鋼向武漢各醫院累計供應了超過1200m³醫用液氧（指液氧的體積）；到2月21日，這個數字增加到2543m³。武鋼的供應量佔全武漢用量的一半。由此估算，在疫情高峯期的2月，武漢對液氧的月需求量近4000m³，也就是武鋼大半個月（每天200m³）、全國幾個小時的液氧產量。這就是為什麼武鋼有底氣説，“目前（液氧）製備能力充裕”。另外，和遠氣體在疫情期間把兩個生產基地的工業液氧產能全部轉為醫用液氧，使醫用液氧產能達到每天290噸，供應湖北全省各醫院。
（接下來雖然寫的是印度的數據，沒有再仔細查美國的數據，但是對比印度2020年接近1億噸的鋼產量和美國7000多萬噸的鋼產量，對印度液氧產能的分析同樣適用於美國）
對比印度，據媒體估計該國每日醫用氧氣需求量已達到1000萬m³以上且還在快速增長，全部折成液氧就是近1.5萬噸，當然，印度的醫用氧氣並不全部以液氧的形式供應，在本輪病例暴增之初的4月20日，液氧日需求量大約是5000噸，目前供應量已增長到7000多噸。考慮到印度超過300萬的現有確診病例數（=累計確診-累計治癒-累計死亡），比武漢的疫情規模大百倍，其每日液氧需求量也會比武漢的每天百餘噸大百倍，達到每天萬餘噸。根據剛才的估算，我國液氧日產量最高可以達到近10萬噸，也就是説，在極限情況下可以承受比今天的印度還要猛烈10倍的疫情衝擊。當然，我國是斷不可能讓疫情發展到這種程度的。
印度的液氧產量有多少呢？根據印度媒體報道，目前是每天7200噸，計劃到五月中旬把醫用氧的日產量提升到超過9000噸（其中大部分應該是液氧，增產可能主要來自對現有設備的挖潛，氣氧只能作為補充），僅為中國極限產能的十分之一左右。這與中國鋼產量是印度的10倍、工業增加值是印度的10倍左右的數據基本吻合。GPD統計可以有各種口徑、各國的產業結構也各不相同，但是鋼產量所體現的工業規模是不會騙人的。正是每天數千噸的液氧產能缺口導致當前印度的醫用氧供應緊張，只能緊急進口液氧和製氧機來補充。另外，印度東部的工業中心和西部、北部的疫情中心相距遙遠，缺乏液氧容器和低效的物流極大地影響了液氧向醫院的配送。這説明了，一個國家，如果沒有建立起與起人口規模相匹配的工業體系，在重大災害面前要付出的，就是慘痛的生命代價。
話又説回來，我國龐大的供應潛力，並不會馬上自動轉化為巨大的供應能力。這個過程，需要對整個工業體系進行充分的動員：需要部署大量熟練的操作人員操縱空分設備增產、需要生產和調集大量液氧儲罐和鋼瓶來儲存和運輸、需要發達的物流系統來調配氧氣、需要對工業液氧斷供導致的減產做好充分的準備……在醫用氧的使用端，還需要對原有供氧設施進行擴容改造，這又需要大量的液氧汽化器、輸氧管道、呼吸機……還是以武鋼為例，疫情期間不僅開足馬力生產醫用氧，緊急訂購數千個鋼瓶充裝氧氣，還參與到火神山、雷神山、金銀潭醫院、天佑醫院、市三醫院、九醫院、市中醫院等多家醫院供氧系統建設或改造中。沒錯，哪怕是十天建成的火神山（上圖）、雷神山醫院，採用的也是液氧集中供氧系統。這是一個強大的工業化國家在強有力的領導下才能完成的極限動員。
在去年二月，武漢戰疫正處於焦灼狀態時，本號也曾經分析過工業體系應急動員的問題。當時的背景是國內口罩產量和儲備量不足、武漢的醫院裏口罩和防護服供應緊張，而上汽通用五菱、比亞迪、廣汽等汽車企業紛紛轉產口罩和口罩機。回顧歷史，在二戰中，美國的三大汽車企業——福特（Ford）、通用汽車（General Motors）和克萊斯勒（Chrysler）均投入到與汽車不相干的武器生產中，生產的戰機數量達到相應型號總產量的半數以上（當然了，那個年代的飛機並不比今天的汽車複雜太多），為世界反法西斯戰爭的勝利提供了堅實的物質保障，被譽為“民主國家的兵工廠”。即使在今天，美國的醫藥產業仍然世界領先，在人類最複雜的工業門類之一——航空工業上，美國更是有傲視羣雄的實力，沒想到，去年三月份美國的疫情全面爆發後，竟然在口罩供應上翻了車，缺口數以億計，從2020年3月1日至10月18日，中國對美累計出口口罩377億隻。這是因為，雖然美國的製造業保留了具有統治力的基幹和部分耀眼的枝條，但是大部分不起眼的末梢都因為產業空心化而衰退了。一隻小小的口罩，就讓美國製造業的窘境原形畢露。
今天，作為工業總產值世界第一、唯一擁有全部工業門類的國家，再加上黨和政府強有力的領導，我國的工業動員能力已無人能敵。去年一二月間我們還在為口罩不足而揪心，到了二月底，我國的口罩日產能就從2000萬隻（原本就是世界第一）猛增到1億隻，到去年底，日產量更是達到驚人的55億隻。熔噴布、口罩機、熟練工人，這些口罩產能的限制性因素被我們強大的工業體系迅速碾碎，各種配套都在國內得到解決。我們看到了中石油、中石化、國家能源集團等化工企業加緊研製生產熔噴布及其聚丙烯原料，機械行業各顯神通自研口罩機，大批企業紛紛轉產口罩，還有無數工程師和工人從春節起加班加點參與研發生產。我想，這定是一次足以載入史冊的工業動員。防護服、製氧機、呼吸機、疫苗……在充分滿足國內需求之後，我國已成為全世界對抗新冠肺炎的物資供應中心，踐行着建設人類命運共同體的崇高使命。
我們的工業體系經受住了新冠肺炎疫情的充分考驗，表現出強大的動員能力和疫情之後迅速復工復產的韌性。這是我們無懼於下次挑戰的底氣所在。但是我想，我們其實還能做得更好——未雨綢繆，為所有可能出現的極端情況做好最充分的預案，讓工業體系的應急動員變得快一點、再快一點。
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https://www.moneycontrol.com/news/business/economy/india-has-enough-oxygen-production-to-meet-existing-demand-siddharth-jain-director-of-inox-air-products-6791361.html