介绍
每个大型工业工厂都依赖空气——不仅用于燃烧，还作为氧气和氮气的原料。 将普通空气转化为纯净气体一直是[深冷空分装置（ASU）](https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/air-separation-unit?utm_source=chatgpt.com)的工作。 这并不是一个新想法，但多年来该过程已经得到改进：压缩机更安静，塔柱更干净，控制系统的反应速度比以往更快。 今天，在大多数钢铁、玻璃和化工厂中，ASU静静地在后台运行，像心跳一样稳定，昼夜不停地保持气体管道的充足供应。
在[盛尔气体香港](https://www.shengerhk.com/)，我们依然认为这是最严谨的工程形式之一——精确地平衡温度、压力和能量。 本指南将探讨现代深冷空分装置（ASU）的构建方式，并解释为何即便是在2025年，它依然是大规模生产工业气体最可靠的方法。 本指南为那些更关注实际细节而非宣传的读者而写：这些读者关心设计余量、纯度数据和真实的操作数据。
了解深冷空分装置
一个 深冷空分装置（空分装置）是一个工业工厂，通过低温蒸馏将大气空气分离为纯氧气、氮气和其他气体。与较小的氮气发生器或氧气浓缩器不同，深冷空分装置是大规模系统，设计用于最大化纯度和生产能力。它们的工作原理是，空气中的每种气体都有独特的沸点；通过将空气冷却到深冷温度，气体液化并可以被分离。以下是典型的深冷空分过程的概述：
- 空气压缩：环境空气被吸入空分装置，并通过多级压缩机压缩至高压。这使得空气压力达到高效下游处理所需的水平。
- 净化： 加压空气通过净化装置（分子筛吸收器）去除水分、二氧化碳和碳氢化合物。必须去除这些杂质，以防止低温设备结冰或堵塞。
- 冷却与液化：接下来，洁净干燥的空气在热交换器中冷却至低温（约-185°C或-300°F）。通过制冷循环（通常使用膨胀式涡轮膨胀机），空气被冷却直至大部分冷凝成液体。
- 塔内蒸馏：液化空气被送入一个高大的绝热蒸馏塔系统（通常为双塔设计，包含高压段和低压段）。在这个蒸馏塔内，分离是基于沸点进行的：氧气（沸点为-183°C）和氮气（沸点为-196°C）开始分离。氧气倾向于保持在塔底的液相，而氮气则优先汽化并上升到塔顶。通过精确控制压力和温度，空分装置（ASU）产生两股主要物流——富含氧气的塔底液体和富含氮气的塔顶蒸汽。一个称为冷凝器-再沸器的内部热交换器连接两个塔，使低压塔中的氧气蒸发，高压塔中的氮气冷凝，从而实现高纯度分离。
- 产品提取：分离出的气体作为产品提取。氧气通常从下部塔柱以气态（或液态）形式抽出，纯度可达~99.5%。氮气从低压塔柱顶部抽出，纯度很高（通常为99.9%或更高）。现代低温空分装置通常还包含一个氩气侧塔，用于在需要时回收纯度约为99.9%的氩气（约占空气的1%）。氮气在这些系统中回收率很高——大部分进入空气中的氮气都可以作为产品捕获，而不是排放。所得的氧气和氮气流通过热交换器加热至环境温度，并根据需要输送到供应管线或液化器。
低温空气分离装置一旦启动，便可全天候不间断运行，自动化控制系统可维持稳定的输出和氧气纯度。这些空气分离装置是工业领域高度可靠的“主力军”，通常可连续运行数年，停机次数极少。然而，它们也是资本密集型和能源密集型的，需要大型压缩机、膨胀涡轮机和隔热冷箱。其优势在于，低温空气分离装置能够生产出纯度极高的气体，并拥有其他技术（如变压吸附或膜分离系统）无法比拟的超大产能。总之，低温空气分离装置可按需提供重工业运营所需的规模和纯度的工业气体。预计到2025年，全球各行业对低温空气分离装置的需求将持续增长。
性能和生产规格
表1：低温空气分离装置（ASU）的典型性能参数
| 范围 | 典型规格 |
|---|---|
| 氧气纯度（O₂） | 纯度高达 99.5%–99.9%（高纯度氧气输出） |
| 氮回收 (N₂) | 进料空气中约 95-99% 的氮气可以被捕获为产品。 |
| 容量范围 | 每天每台空分装置（ASU）可产生约 100 至 5,000 吨以上的 O₂，以及副产品 N₂。 |
| 单位功耗 | 每立方米氧气消耗约 0.3–0.6 千瓦时（每生产一吨氧气约消耗 250–500 千瓦时） |
表 1：低温空气分离装置的典型性能参数。这些参数定义了现代低温空气分离装置的运行性能。
玻璃制造中的低温空气分离装置
玻璃制造，尤其是容器玻璃生产，已广泛采用低温空分装置（ASU）为富氧燃烧炉供氧。在传统的玻璃熔炉中，燃烧使用的是普通空气，这意味着进入燃烧器的气体中近 80% 是无法燃烧的氮气。通过改用富氧燃烧（或完全富氧燃烧，即燃料在纯氧中燃烧），玻璃厂可以显著提高效率。低温空分装置（ASU）系统通过在现场持续供应高纯度氧气来实现这一点。例如，使用近乎纯氧代替空气可以提高火焰温度，并消除氮气的干扰。这使得玻璃熔炼过程中的燃料消耗降低约 20%–25%，因为更多的热量用于熔化玻璃，而不是加热无用的氮气。更高的火焰温度和稳定性也有助于提高熔炼产量和产品质量。许多玻璃容器制造商报告称，采用富氧燃烧法显著提高了熔炉的能源效率——熔炉可以用更少的燃料达到相同的产量，从而降低运营成本。排放是另一项主要优势：氮氧化物 (NOx) 的生成量减少了 70% 甚至更多，因为熔炉内氮气含量大大降低，产生 NOx 的可能性也大大降低。由于燃料消耗减少以及富氧火焰中燃烧更充分，二氧化碳 (CO₂) 的排放量也随之降低（通常降低约 20%）。
在实际应用中，为玻璃厂供氧的低温空分装置（ASU）可通过管道直接向燃烧器输送纯度为95%至99.5%的氧气。该空分装置如同内部发电厂一般，为熔炉提供稳定的氧气供应，确保熔炉永不缺氧。空分装置提供的高纯度氧气至关重要——它能够实现完全的富氧燃烧，而不会稀释火焰，从而最大限度地提高效率并降低排放。纯度较低的氧气（例如来自非低温来源，如变压吸附式制氧机，其纯度通常为90%至95%）会引入少量氮气，从而降低这些优势。现场空分装置的另一个优势在于其规模和可靠性：玻璃熔炉全天候运转，低温装置也需要持续运行以满足这一需求。它们可以建造成能够满足大型熔炉所需的巨大氧气量（每小时数百或数千立方米的氧气），而其他技术难以达到如此规模。此外，空分装置的氮气回收功能在玻璃制造中也十分有用。产生的过量氮气可用于吹扫和惰性化工厂中的某些工艺流程。例如，氮气常用于玻璃退火炉（冷却炉）中，以防止热玻璃氧化或变色，并提供保护性气氛。由于空气分离装置 (ASU) 内置氮气源，工厂无需单独购置氮气发生器或液氮供应设备。总而言之，低温空气分离装置已成为节能、低排放玻璃生产的基石，因为它能够按需提供所需纯度和规模的氧气。
钢铁生产中的低温空分装置
钢铁行业是最早采用大型空气分离装置的行业之一，并且至今仍然依赖低温空气分离装置来提供氧气和惰性气体。在综合性钢铁厂中，高炉和转炉（BOF）在炼铁过程中消耗大量的氧气。低温空气分离装置可以为这些工艺提供高纯度氧气，显著加速化学反应并提高生产效率。例如，在转炉炼钢（也称转炉炼钢）中，向熔融铁中吹入纯氧可以迅速降低碳含量——与空气法相比，这种氧气供应方式可将转化时间缩短约25%至30%。剧烈的反应可以有效地提高温度，从而提高热能利用率。在电弧炉（EAF）炼钢中，氧气喷射用于切割废钢和提高温度，同样受益于现场氧气供应。通过在厂内配备空气分离装置，钢铁厂可以确保始终稳定的氧气供应，这对于其24小时不间断运行至关重要。低温空分装置提供的氧气纯度（通常为 99% O₂）有助于实现稳定的钢材质量和更快的熔炼周期。
除了氧气，钢铁生产还需要大量的氮气和氩气，而低温空分装置（ASU）恰好可以同时生产这两种气体。氮气在钢厂中用途广泛：作为喷射系统中的载气，用于吹扫和搅拌熔融金属（以使温度和成分均匀化），以及在某些工艺中营造惰性气氛（例如，防止连铸或成品钢热处理炉中的氧化）。由于钢厂现场空分装置能够高效回收氮气，因此无需单独的氮气系统，钢厂几乎可以无限量地获得氮气。氩气是炼钢过程中的另一种关键气体——在二次冶金（钢包精炼）过程中，氩气被吹入钢包，以温和地搅拌熔融钢水并去除杂质。配备氩气萃取塔的低温空分装置 (ASU) 可以同时供应氩气、氧气和氮气，这对于一体化钢铁厂而言是一项重大优势。钢铁行业的产能需求巨大：为了满足钢铁联合企业对氧气和惰性气体的综合需求，通常会安装大型空分装置（有些装置日产氧气量达 3,000 至 5,000 吨）。这些装置具有规模经济效益，使得单位氧气或氮气的成本极具竞争力。然而，它们也需要大量的电力和投资——通常会成为钢铁厂基础设施的关键组成部分。总之，低温空分装置技术在钢铁制造中不可或缺，它既能为高温反应提供氧气，又能同时提供氮气/氩气用于保护和加工。这确保了更高的生产效率、更优的钢材质量以及更安全的运行（通过充足的惰性气体进行防火和吹扫）。
石油化工和炼油行业的低温空分装置
在炼油和化工操作中，低温空气分离装置 (ASU) 是高纯度氧气和氮气的主要来源，支持工厂的连续运行。
炼油厂和石化厂依赖于稳定的工业气体供应，因此通常会在厂内集成空气分离装置来满足这些需求。在这些环境中，氧气和氮气扮演着不同但同样重要的角色。氧气用于部分氧化、气化和氧化反应器等工艺。例如，现代炼油厂可能会用氧气将重质残渣或石油焦气化，以生产合成气（CO 和 H₂ 的混合物），用于制氢或发电。这些气化炉需要高纯度氧气（通常为 95-99% O₂）才能高效运行，而低温空气分离装置可以轻松提供这种氧气。另一个例子是石化厂中环氧乙烷的生产，该反应是乙烯与纯氧反应——厂内空气分离装置可确保为这种高放热反应提供安全、纯净的氧气。通过在这些工艺中使用氧气代替空气，工厂可以提高产量（富氧反应进行得更快），并避免氮气的稀释效应。其结果是生产率更高，单位产品的二氧化碳排放量通常也更低，因为加热惰性氮气所浪费的燃料更少。低温空分装置产生的氧气对于炼油厂的硫磺回收装置（克劳斯工艺）也至关重要，因为氧气基反应器可以提高硫磺回收效率和产能。
在现代石化工厂中，低温空气分离装置（ASU）是为连续生产提供氧气和氮气的核心设备。
氮气作为惰性气体在石油化工生产中应用更为广泛。现场低温空分装置（ASU）可提供几乎无限量的氮气，用于设备吹扫、储罐保护以及维持反应器和管道内的惰性气氛。安全是这些行业的首要考虑因素——用氮气填充易燃液体储罐的蒸汽空间可防止爆炸性混合物的形成。氮气吹扫可在维护前清除工艺设备中的氧气和挥发性碳氢化合物，从而避免火灾隐患。强大的氮气回收能力意味着空分装置可以持续满足所有这些需求，其纯度通常在99.9%左右，以确保不会有氧气进入敏感装置。一些石油化工工艺还使用氮气作为冷却剂或用于气力输送粉末和催化剂。在大型氨或甲醇装置（通常属于“石油化工”范畴）中，空分装置可能具有双重用途：为气化炉或重整炉提供氧气，并为氨合成回路（氨由氮气和氢气合成）提供氮气。在这种情况下，低温空分装置的联产特性极具优势——氧气流为工艺流程的一部分供气，而氮气流则为另一部分供气。就产能而言，石化装置通常需要中大型（日耗氧量达数百至数千吨）的空分装置，与钢铁厂类似，这是因为石化装置消耗的气体量巨大。由于这些装置需要连续运行，可靠性至关重要；任何氧气或氮气供应中断都可能导致装置停机。因此，运营商非常重视低温空分装置的稳健设计，并通常配备冗余系统或备用液体储罐，以确保气体供应不间断。通过安装低温空分装置，石化联合企业能够提高自主运行能力，改善工艺性能，并通过按需惰化增强安全性。
电子制造中的低温空分装置
在现代电子制造中，低温空气分离装置 (ASU) 在供应晶圆加工和洁净室操作所需的超高纯度气体方面发挥着至关重要的作用。这些低温 ASU 系统能够产生先进半导体和显示器行业所需的高纯度氮气和氧气。
电子制造——包括半导体晶圆厂、显示面板厂和LED生产——需要超高纯度气体，尤其是氮气。大型半导体制造厂通常配备低温空气分离装置（ASU），以大量供应“电子级”氮气。在芯片制造中，纯度为99.999%（五个9）或更高的氮气用于吹扫工艺腔室、管道，并在关键步骤中覆盖晶圆。这可以防止氧气或水分污染硅晶圆或反应性化学品等敏感材料。即使是微量杂质也会毁掉整批芯片，因此氮气中的氧纯度必须极低（即氮气必须几乎完全不含氧）。低温空气分离装置（ASU）非常适合这项任务，因为它们本身就能产生高纯度氮气；通过蒸馏空气，它们可以去除几乎所有的氧气和水分。所提供的氮气干燥、纯度极高且稳定性好。相比之下，其他氮气发生器（PSA 或膜法）的纯度通常最高为 99.9%，并且可能仍然允许少量氧气或水蒸气进入，这对于顶级电子产品生产来说是不可接受的。
典型的电子器件空分装置 (ASU) 会持续向晶圆厂供应氮气，大型工厂的供应量通常可达每小时数千立方米。ASU 还可以生产液氮，用于现场储存作为备用，或用于冷却应用（例如低温测试或低温晶圆运输）。能源消耗是一个需要考虑的因素——这些工厂全天候运转，在确保纯度的同时保持能源效率对于成本控制至关重要——但现代设计在这方面已有所改进，采用了优化的热交换器和高效涡轮机。虽然半导体晶圆厂对氧气的需求量不如氮气，但低温 ASU 也可以生产高纯度氧气，用于硅的热氧化或使用可控氧气气氛的刻蚀工艺等。同样，由于氩气的惰性，ASU 生产的氩气对于半导体工艺（例如溅射和等离子刻蚀）也十分宝贵。通过安装现场空气分离装置，电子制造商可以获得安全可靠且超洁净的气体供应，满足严格的行业规范。此外，它们还受益于氮气的完全回收——所有所需的氮气均由空气生成，无需依赖外运的钢瓶或液态杜瓦瓶，这简化了物流并降低了污染风险。总之，低温空分装置使电子行业能够以所需的纯度和精度运行，经济可靠地供应大量氮气，最终有助于在先进制造中实现高产量和产品质量。
能源效率提升及2025年趋势
近年来，低温空分装置（ASU）设计领域的创新重点在于降低单位能耗。到2025年，提高能源效率将成为低温空分装置设计和运行的关键方向之一。传统的低温空气分离工艺能耗较高，主要原因是空气压缩和制冷需要消耗大量能量。然而，近年来技术的进步使得新型空分装置的效率显著高于老一代产品。过去十年，制造商通过采用多种策略，已将单位能耗降低了约10%至15%。能源效率的提升源于工艺循环的优化（例如，更好地集成换热器和膨胀涡轮机，以在工艺过程中回收更多冷能），以及设备的改进。现代空气压缩机和涡轮膨胀机采用更高的空气动力效率和更优质的材料，从而降低了电力消耗。一些大型空分装置目前已集成余热回收系统——例如，利用压缩机中间冷却器或膨胀级的余热来产生蒸汽或预热现场其他工艺，从而有效利用原本会被浪费的能量。为了更好地应对电网波动，空分装置的运行也呈现出更加灵活的趋势。先进的控制系统和液化储能技术使空分装置能够根据电网负荷的变化调整产量，并将部分负荷转移到用电低谷时段，从而在不影响电厂供电的前提下，提升整体能源管理水平。这种灵活性不仅可以降低运行成本，甚至还能使空分装置发挥储能作用（在电价低廉时生产液态产品，并在之后使用）。
2025年的另一大趋势是将智能监控和工业4.0理念融入空分装置。操作人员现在利用预测分析和物联网传感器持续监控空分装置的性能，旨在及早发现结垢、磨损或效率低下等问题。通过分析实时数据，控制系统可以微调运行参数，以保持最佳的能源效率和可靠性。预测性维护算法有助于在最佳时间安排停机，最大限度地减少计划外停机时间。这些数字化进步与低温空分装置本身强大的可靠性相辅相成，使其更加可靠且经济高效。在工艺方面，研究人员仍在不断探索新型循环设计，例如集成变压吸附预浓缩或采用新型蒸馏塔配置来降低能耗。虽然低温蒸馏仍将是2025年大规模制氧的主要方法，但人们对能够进一步降低能耗的混合系统也表现出浓厚的兴趣。例如，提高氮气回收率和氧气捕集效率可以直接减少制冷资源的浪费。展望未来，我们可以预期低温空分装置将持续发展，朝着更低的单位能耗和更环保的运行方向迈进——这对于致力于减少碳排放的各行业而言至关重要。总之，目前的趋势很明确：未来的空分装置将更加智能、更加节能，并更好地融入其所服务的工业生态系统。智能自动化已成为现代低温空分装置的标配。
结论
低温空气分离装置 (ASU) 已被证明是重工业和高科技制造业的一项关键技术，为现场生产纯度和规模无与伦比的气体奠定了基础。在本《2025 年低温空气分离装置指南》中，我们回顾了这些空气分离装置的运行原理，并探讨了它们对玻璃、钢铁、石油化工和电子等行业应用的影响。分析表明，低温空气分离装置能够精准地在需要的时间和地点输送氧气和氮气，从而提高效率、改善产品质量并实现更清洁的作业。更重要的是，设计和能源效率的持续改进确保了空气分离装置在未来数年内保持经济和环境效益。随着各行业不断追求更高的生产力和可持续性，低温空气分离将继续在安全高效地满足气体需求方面发挥关键作用。香港盛二气体有限公司 (Sheng Er Gas HK) 认为，低温空气分离装置 (ASU) 仍然是工业气体供应的基础。香港盛尔气体有限公司将继续开发先进的空气分离装置系统，以实现高效、可持续的氧气和氮气生产。
