工业之肺里的生命气息——从新冠疫情中的医用液氧供应看工业体系与动员能力_风闻
马氏体-2021-09-04 15:41
近日来，德尔塔变异毒株导致美国迎来新一轮疫情高峰，部分地区医用氧供应出现紧张。液氧不足甚至影响到美国的航天发射活动。今年四五月间，印度的疫情大爆发也让我们见识到“缺氧”导致的人间惨剧：医院里出现几位病患共用床位吸氧的无奈场景，甚至发生氧气断供导致二十五位患者死亡的严重事故。
对于新冠肺炎重症患者来说，吸氧是帮助他们挺过难关、战胜病毒的重要支持手段。然而，医用氧并不能从空气中凭空得到，它是现代工业的产品，医用氧的紧急增产更是一个国家工业体系应急动员能力的体现。无论是工业孱弱的印度，还是产业空心化的美国，医用氧的短缺所暴露出的问题是相同的——一个大国，如果没有与其人口规模相匹配的工业体系、没有强大的社会动员能力，在面对自然灾害时，是多么的脆弱。
（这篇我自己微信公众号上文章原本写于今年五月，但看到观网上“疫情致美各医院氧气短缺，NASA 发射工作延期”的报道，遂重新贴上风闻，与大家分享）
回顾去年1月武汉疫情爆发初期，因为大量患者涌入医院且吸氧需求巨大，也曾经短暂出现过医用氧供应紧张的危险局面。这倒不是因为医用氧产量不足，而是出在另外两个方面：一是医用氧的配送能力一时无法跟上，二是医院内的输氧管路无法满足远超设计指标的供氧需求。
医院里的医用氧供应主要有液氧、氧气钢瓶（即汇流排供氧）和分子筛制氧机三种方式。据统计，我国大约一半的医院使用液氧为氧源集中供氧，经汽化之后把氧气通过管路输送到每位病人床头。分子筛制氧机是利用分子筛对气体的选择性吸附作用，直接从空气中分离出氧气。在用氧量较少或不适用集中供氧的场合，则采用氧气钢瓶供氧。
之所以钢瓶供氧不占主流，是因为用钢瓶储运氧气的效率太低。以最常见的40L氧气钢瓶为例，充装压力15MPa，也就是压缩了6m³的氧气（约8.5kg），对于吸氧量要达到10L/min的新冠肺炎重症患者来说，一钢瓶氧气仅能维持10个小时。但这么个接近一人高的钢瓶的自重足有50kg，运送氧气钢瓶的绝大部分运力都在运钢瓶的死重，而不是在运氧气，所以钢瓶只适用于短途运输。如果需要从外地调运氧气，大多也是运输液氧，到目的地附近的充装站再汽化充进钢瓶里。
相比之下，把氧气液化为液氧，体积缩小了800多倍，储存和运输的效率大大提高，因而在医用氧供应中占主导地位。
对于“抗疫”决战中的武汉，医用氧供应称得上是“兵马未动，粮草先行”的重要一环。你知道武汉最大的医用氧供应商是谁吗？
是一家在一般认知中绝对和医疗行业八竿子打不着的企业——武钢。
武钢（于2016年与宝钢重组为中国钢铁业“旗舰”——中国宝武钢铁集团有限公司）在武汉拥有每小时生产32万m³氧气的能力，每天可生产医用液氧200 m³（指液氧的体积，折算成气体大约1.6万m³，占氧气总产能的2%），在疫情期间供应了武汉全市一半以上的医用氧，堪称武汉战疫中的钢铁脊梁。
为什么武钢能生产这么多氧气？
这就要从现代钢铁工业对氧气的需求说起。
从铁矿石到钢，要经历高炉炼铁（上图为首钢石景山老厂区3号高炉）-转炉炼钢（下图为宝钢300吨转炉）两个主要的步骤。
高炉炼铁，是通过向炉内鼓风使焦炭燃烧放热，燃烧的产物CO则作为还原剂，把铁矿石还原为熔融的铁水。要提高单位时间内的高炉产铁量，一项很重要的措施就是提升高炉鼓风的含氧量（富氧鼓风），即在鼓入空气的同时添加纯氧，促进焦炭的燃烧。现代高炉平均每生产一吨铁，要消耗三四十立方米的氧气。
转炉炼钢是向铁水中吹入氧气，氧化掉多余的碳，使含碳量高的铁水转化成含碳量低的钢水。平均每炼一吨钢，要消耗五六十立方米的氧气。
高炉和转炉是钢铁厂里的用氧大户，加起来近100m³/吨钢，其他工序用氧量没有这么大。另外，以废钢为主要原料的电炉炼钢工艺也需要吹入一定量的氧气，但是考虑到电炉炼钢仅占我国钢产量的不到10%，电炉的耗氧量不占大头。这么算下来，平均炼一吨钢，需要的氧气大约就是100m³。
2020年，我国粗钢产量10.53亿吨，消耗氧气的量——天文数字。
换一个算法吧。考虑到巨大的耗氧量和不能停顿的钢铁生产节奏，一般来说钢铁厂都会自行配套氧气产能或对外寻求稳定的氧气供应。据统计，钢铁厂每百万吨钢铁年产能，对应的氧气产能要大于1万m³/h（一般为1.3-1.5万m³/h）。折算一下，就是每小时生产114吨钢对应着1万多m³氧气。去年我国10亿吨的钢产量（1000个百万吨）意味着我国的钢铁厂每小时至少要生产消耗1000多万m³的氧气。但考虑到去年我国钢铁行业的产能利用率尚不足80%，实际的氧气产能还要更大。另外，分离空气得到的氮气和氩气在钢铁厂被作为惰性的保护气、吹扫气使用。
在工业上，氧气的生产是利用空气中氮气、氧气、氩气的沸点差异，对液化的空气进行蒸馏分离得到的，所用的设备被称作空分设备。空分设备的标称产能是1小时内能够生产的氧气的体积（液氧产量折算为相应的气态氧的体积，也有只算气氧体积的）。目前世界上最大的空分设备可以达到15万m³/h以上，而我国自主设计制造的最大空分设备的是杭氧集团的12万m³/h空分。（上图为杭氧为神华宁煤煤制油项目研制的10万m³/h空分设备）
除了钢铁等冶金工业外，化工行业也消耗了大量的氧气，主要用于把煤、石油、天然气部分氧化转化为合成气（CO与H2的混合气）。搜索疫情期间的氧气供应新闻，也可以看到中国石化长岭炼化（位于湖南岳阳）向武汉供应液氧的消息。
2020年我国空分总产能约3000万m³/h，其中大约一半为各行业用户自有，另一半由专业的气体供应商所有。
湖北省共有两家具有医用液氧生产资质的企业，除了刚才提到的武钢，还有一家专业气体供应商——和远气体，在疫情期间保障了武汉市30%以上、湖北省除武汉市外其他地区70%以上的医用氧供应。
除了部分专业气体供应商拥有主要用于生产液氧、液氮、液氩的液体空分设备，大部分空分设备都是以气态产品为主、液态产品为辅的，具体的比例与下游的使用需求和装置的冷量平衡有关，一般来说液氧产量占到氧气总产量的1%~5%，高的能达到10%。以北京首钢气体公司为例（2010年底，首钢在北京石景山老厂区的钢铁主流程全面停产，但空分设备仍在运行，是北京唯一一家拥有医用液氧生产资质的国企，占北京医用液氧市场的40%，上图为其空分设备），其35000m³/h空分设备在设计工况下每小时可生产31000m³氧气和相当于4000m³氧气的液氧（下图），在最大液氧工况下液氧产量可以达到8000m³/h，但气氧产量要相应减少。钢铁、化工企业在正常生产过程中使用的都是气氧，液氧被作为空分设备故障停机时的应急储备，过剩的液氧则外销给没有空分能力的用氧单位。在有些年份，销售液态空气产品甚至成为部分钢铁企业最主要的利润来源。
虽然我国空分总产能巨大，但便于运送到医院用于支援抗疫的主要是液氧。如果要估算全国液氧产量，按照比较保守的液氧占总产能2%的比例，也就是相当于60万m³/h的气量，那么每天可以生产约2万m³或2万吨的液氧（液氧的密度是1141kg/m³）。如果所有空分设备都调整到最大液氧产能的工况下运行，液氧的产能占比可以提升到约10%，那就是每天10万吨。
空分设备生产出来的液氧纯度很高（否则气体杂质在装置内积累，可能造成堵塞甚至爆炸），工业液氧和医用液氧的区别，主要在于后续的储存、分装、运输等环节是否符合药品生产对清洁卫生的要求以及企业是否取得相应的生产资质。所以，只要一家企业拥有医用液氧的生产资质，它就可以把所有液氧产能均用于生产医用液氧，甚至调减气氧产能来增产医用液氧。在去年疫情期间，首钢气体公司就减少乃至停止了工业液氧的发货量，全力保障对北京医院的供应。在疫情中心的武汉，武钢党委书记甚至作出了“宁可高炉缺氧，不让病人缺氧”的表态。转炉必须用纯氧，除非停产，不然其供氧是绝对不可以削减的；高炉加氧只是一种增产手段，在万不得已的情况下可以削减。为了拯救患者的生命，武钢不惜赔上自己钢铁主业的经济效益，这就是国企的担当！
疫情中的武汉，到底需要多少液氧呢？
据我查到的数据，自2020年1月1日至2月1日，武钢向武汉各医院累计供应了超过1200m³医用液氧（指液氧的体积）；到2月21日，这个数字增加到2543m³。武钢的供应量占全武汉用量的一半。由此估算，在疫情高峰期的2月，武汉对液氧的月需求量近4000m³，也就是武钢大半个月（每天200m³）、全国几个小时的液氧产量。这就是为什么武钢有底气说，“目前（液氧）制备能力充裕”。另外，和远气体在疫情期间把两个生产基地的工业液氧产能全部转为医用液氧，使医用液氧产能达到每天290吨，供应湖北全省各医院。
（接下来虽然写的是印度的数据，没有再仔细查美国的数据，但是对比印度2020年接近1亿吨的钢产量和美国7000多万吨的钢产量，对印度液氧产能的分析同样适用于美国）
对比印度，据媒体估计该国每日医用氧气需求量已达到1000万m³以上且还在快速增长，全部折成液氧就是近1.5万吨，当然，印度的医用氧气并不全部以液氧的形式供应，在本轮病例暴增之初的4月20日，液氧日需求量大约是5000吨，目前供应量已增长到7000多吨。考虑到印度超过300万的现有确诊病例数（=累计确诊-累计治愈-累计死亡），比武汉的疫情规模大百倍，其每日液氧需求量也会比武汉的每天百余吨大百倍，达到每天万余吨。根据刚才的估算，我国液氧日产量最高可以达到近10万吨，也就是说，在极限情况下可以承受比今天的印度还要猛烈10倍的疫情冲击。当然，我国是断不可能让疫情发展到这种程度的。
印度的液氧产量有多少呢？根据印度媒体报道，目前是每天7200吨，计划到五月中旬把医用氧的日产量提升到超过9000吨（其中大部分应该是液氧，增产可能主要来自对现有设备的挖潜，气氧只能作为补充），仅为中国极限产能的十分之一左右。这与中国钢产量是印度的10倍、工业增加值是印度的10倍左右的数据基本吻合。GPD统计可以有各种口径、各国的产业结构也各不相同，但是钢产量所体现的工业规模是不会骗人的。正是每天数千吨的液氧产能缺口导致当前印度的医用氧供应紧张，只能紧急进口液氧和制氧机来补充。另外，印度东部的工业中心和西部、北部的疫情中心相距遥远，缺乏液氧容器和低效的物流极大地影响了液氧向医院的配送。这说明了，一个国家，如果没有建立起与起人口规模相匹配的工业体系，在重大灾害面前要付出的，就是惨痛的生命代价。
话又说回来，我国庞大的供应潜力，并不会马上自动转化为巨大的供应能力。这个过程，需要对整个工业体系进行充分的动员：需要部署大量熟练的操作人员操纵空分设备增产、需要生产和调集大量液氧储罐和钢瓶来储存和运输、需要发达的物流系统来调配氧气、需要对工业液氧断供导致的减产做好充分的准备……在医用氧的使用端，还需要对原有供氧设施进行扩容改造，这又需要大量的液氧汽化器、输氧管道、呼吸机……还是以武钢为例，疫情期间不仅开足马力生产医用氧，紧急订购数千个钢瓶充装氧气，还参与到火神山、雷神山、金银潭医院、天佑医院、市三医院、九医院、市中医院等多家医院供氧系统建设或改造中。没错，哪怕是十天建成的火神山（上图）、雷神山医院，采用的也是液氧集中供氧系统。这是一个强大的工业化国家在强有力的领导下才能完成的极限动员。
在去年二月，武汉战疫正处于焦灼状态时，本号也曾经分析过工业体系应急动员的问题。当时的背景是国内口罩产量和储备量不足、武汉的医院里口罩和防护服供应紧张，而上汽通用五菱、比亚迪、广汽等汽车企业纷纷转产口罩和口罩机。回顾历史，在二战中，美国的三大汽车企业——福特（Ford）、通用汽车（General Motors）和克莱斯勒（Chrysler）均投入到与汽车不相干的武器生产中，生产的战机数量达到相应型号总产量的半数以上（当然了，那个年代的飞机并不比今天的汽车复杂太多），为世界反法西斯战争的胜利提供了坚实的物质保障，被誉为“民主国家的兵工厂”。即使在今天，美国的医药产业仍然世界领先，在人类最复杂的工业门类之一——航空工业上，美国更是有傲视群雄的实力，没想到，去年三月份美国的疫情全面爆发后，竟然在口罩供应上翻了车，缺口数以亿计，从2020年3月1日至10月18日，中国对美累计出口口罩377亿只。这是因为，虽然美国的制造业保留了具有统治力的基干和部分耀眼的枝条，但是大部分不起眼的末梢都因为产业空心化而衰退了。一只小小的口罩，就让美国制造业的窘境原形毕露。
今天，作为工业总产值世界第一、唯一拥有全部工业门类的国家，再加上党和政府强有力的领导，我国的工业动员能力已无人能敌。去年一二月间我们还在为口罩不足而揪心，到了二月底，我国的口罩日产能就从2000万只（原本就是世界第一）猛增到1亿只，到去年底，日产量更是达到惊人的55亿只。熔喷布、口罩机、熟练工人，这些口罩产能的限制性因素被我们强大的工业体系迅速碾碎，各种配套都在国内得到解决。我们看到了中石油、中石化、国家能源集团等化工企业加紧研制生产熔喷布及其聚丙烯原料，机械行业各显神通自研口罩机，大批企业纷纷转产口罩，还有无数工程师和工人从春节起加班加点参与研发生产。我想，这定是一次足以载入史册的工业动员。防护服、制氧机、呼吸机、疫苗……在充分满足国内需求之后，我国已成为全世界对抗新冠肺炎的物资供应中心，践行着建设人类命运共同体的崇高使命。
我们的工业体系经受住了新冠肺炎疫情的充分考验，表现出强大的动员能力和疫情之后迅速复工复产的韧性。这是我们无惧于下次挑战的底气所在。但是我想，我们其实还能做得更好——未雨绸缪，为所有可能出现的极端情况做好最充分的预案，让工业体系的应急动员变得快一点、再快一点。
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