深冷制氧装置的工作原理（How a Cryogenic Oxygen Plant works）十分直观：经过压缩与净化的空气被液化后，在高压/低压精馏塔中按各组分沸点进行分离。 深冷制氧装置是一种大型空气分离设备，通过低温精馏从环境空气中生产高纯度氧气。空气经吸入、压缩和净化后被冷却至液化状态；在深冷精馏塔中，液态空气根据不同的沸点实现分离：氮气（沸点 –196 °C）以气态形式排出，氧气（沸点 –183 °C）以液态形式收集，若需要回收氩气（沸点 –186 °C），则可在侧塔中提取。最终可得到几乎纯净的氧气和氮气（以及可选的氩气）产品流。
工艺概述
低温制氧装置的核心是空气分离装置。首先，空气压缩装置将环境空气吸入并加压至中等压力（通常约为0.6–0.8 MPa，或约6–8 bar）。然后，压缩空气经过预冷（约5–10 °C）以去除大部分水分，并通过分子筛进行净化，去除残留的水和二氧化碳（露点通常≤–60 °C）以防止结冰。净化后的空气随后在逆流式换热器（冷箱）中冷却，该换热器利用返回的低温气流进行冷却。部分空气可能通过涡轮膨胀机或焦耳-汤姆逊阀膨胀，以产生额外的冷量，并将进料温度降至–170至–190 °C，然后再进入蒸馏塔。
当空气被冷却到足够低的温度后，它将进入精馏塔系统（distillation columns）。典型配置包括高压塔（HP塔）和低压塔（LP塔）。 高压塔顶部产生富氮蒸汽，塔底生成富氧液体；这股富氧液体被送入低压塔，在此进一步分离：塔底收集几乎纯净的液氧，塔顶排出高纯度的氮气蒸汽。 从低压塔中部可抽取一股含约 7–15% 氩气的富氩液体，若需要回收氩气，该液流可送入专门的氩气精馏塔进行纯化处理。
在精馏过程结束后，产品气流将被调整至最终使用条件。 若氧气产品为液态，可通过液体泵加压；若为气态，则通过压缩机压缩至所需供气压力，并在必要时加热至常温。 氮气产品（通常纯度≥99%）一般会被加热后排放或储存备用。 深冷制氧装置通常设计为**连续运行系统**，运行率可达 **90–99% 以上**，以确保氧气和氮气的稳定供应。
流程步骤：
- 空气吸入与压缩： 环境空气经多级压缩机加压至约 0.6–0.8 MPa（6–8 bar）。
- 空气冷却与净化： 预冷至约 5–10 °C；通过分子筛去除水分和二氧化碳。
- 深冷换热： 通过逆流换热器和膨胀降温，将空气冷却至 –170 至 –190 °C。
- 精馏分离： 在串联精馏塔中，氮气（沸点 –196 °C）自下而上汽化逸出，氧气（沸点 –183 °C）以液态形式向下流动分离。
- 氩气回收（可选）：抽取侧流进行氩气提纯（按 O₂ 的质量计，可产出约 5-6% 的 Ar）。
- 产品回收： 从低压塔塔底收集液态氧（O₂），经汽化或加压后输送至使用压力；从塔顶提取氮气（N₂）气体。
低温制氧设备规格
深冷制氧装置的主要技术指标包括产能、纯度和压力。 其生产能力通常以氧气每小时的**标态体积流量（Nm³/h）**或**吨/日（t/d）**表示。单套空分装置（ASU）通常可提供数百至数千 Nm³/h 的氧气产量。 氧气纯度可根据设计灵活调整：典型工业应用中，氧气纯度约为 **95–99.6%**minnuogas.commathesongas.com，对于特殊用途，还可实现 **99.9% 以上的高纯氧**输出。 产品压力则取决于最终用途： * **气态氧**：一般为几 bar（0.2–2.0 MPa）； * **液态氧（LOX）**：在需要高压输送或钢瓶充装时，可加压至 **10–20 MPa**。
以下为一套中型深冷制氧装置（单列机组）的典型技术规格表：
| 范围 | 典型值 |
|---|---|
| 氧气产量 | 100–5000 Nm³/h（每套机组） |
| 氧气纯度 | 纯度约为95%–99.6%（工业/医用级） |
| 产品压力 | ~0.2–2.0MPa (2–20bar) 氧气 |
| 能源消耗 | 每立方米氧气消耗量约为 0.4–0.7 千瓦时 |
| 氩气产率 | 每千克氧气中约含0.05–0.06千克氩气（质量百分比为5–6%） |
| 工作温度 | 约 -183°C（液态氧沸点） |
例如，一套生产 **1,000 Nm³/h、纯度为 99.5% O₂** 的深冷制氧装置，其能耗约为 **0.5 kWh/Nm³**（约 **450 kWh/吨氧气**）pdfs.semanticscholar.orgshengerhk.com。 具体能耗取决于设计因素，如最终输出压力、环境条件及冷箱尺寸。若采用更大的换热面积及附加的深度亚冷阶段，系统能耗可接近该范围的低值。
低温氧气厂能源利用
在项目规划阶段，当氧气需求量超过约 **200–300 吨/天（t/d）** 时，通常会选择建设深冷制氧装置（Cryogenic Oxygen Plant），因为规模效应可以显著降低单位能耗（kWh/吨氧）。 深冷空分本质上是一种**高能耗过程**。理论上，将空气中的氧气分离出来所需的最小功仅约 **51 kWh/吨 O₂**，但实际装置的能耗通常是该值的数倍shengerhk.com。 现代深冷空分装置的典型能耗约为 **300–600 kWh/吨 O₂**（约 **0.4–0.7 kWh/Nm³**）shengerhk.com。能耗会随着产品压力和纯度的提高而增加。 例如：当氧气输出压力为 **40 bar** 时，能耗约 **500 kWh/吨**；若仅为 **7 bar**，则能耗约 **400 kWh/吨**shengerhk.com。 此外，制冷循环方式（膨胀机型或机械制冷型）以及与下游冷却系统的集成程度，也会显著影响整体能效。
影响能源使用的关键因素：
- 供气压力： 将氧气压缩或泵送至高压力（用于液氧或高压管道输送）会显著增加能耗。
- 产品纯度： 更高的氧气纯度要求（如 >99.5%）需要增加回流比和制冷负荷，从而提高能耗。
- 设备设计：更大的冷箱换热器和多级膨胀机可以提高热力学效率（但资本支出较高）。
压缩机和制冷设备的电力成本通常占运营成本的大部分（通常占运营支出的 70-80%）。shengerhk.com按工业电价（例如每千瓦时 0.05-0.10 美元）计算，每吨氧气的电力成本可能增加 20-50 美元。shengerhk.com。优化空分装置（平衡资本支出与运营支出）至关重要：增加换热器面积和制冷设备的投资可以降低能耗，反之亦然。
运行条件
深冷制氧装置在严格控制的条件下运行。 进气空气必须**洁净无油**并**充分干燥**，以防止结冰堵塞。分子筛净化系统通常将空气中的水分和二氧化碳含量降低，使露点达到 **–60 °C 或更低**。 压缩机组采用**多级压缩并带中间冷却器**的结构，输出压力通常设计在 **6–8 bar** 左右。 冷箱部分负责处理约 **–185 °C** 的低温工况，内部采用**铝制板翅式换热器**和低温专用管路，全系统使用**不锈钢或铝材**等与氧气相容的材料，以防止燃烧和点火风险。 安全系统包括**氧浓度监测仪**与**惰性气体置换装置**，用于防止空气侧设备中出现氧气富集现象。
空分装置 (ASU) 通常以设计负荷连续运行。大型低温装置通常报告年正常运行时间超过 99%mathesongas.com，仅因计划维护（例如更换分子筛或进行小型塔体清理）而短暂停机。控制系统将塔压维持在接近环境压力的水平，并调节回流流量以达到设定的 O₂/N₂ 比例。启动和停机程序确保富氧气流不会进入装置中未设计用于处理富氧气流的部分。
环境因素（如海拔与气温）在设计阶段都会被充分考虑。 较高的环境温度或海拔会降低空气密度，从而在相同氧气产量下增加压缩机的能耗。压缩过程中产生的热量必须通过**冷却资源**（如水冷或风冷换热器）有效排出。 制氧装置的额定工况通常以**标准条件（例如 25 °C、海平面）**为基准；性能曲线会显示随环境变化而导致的产量差异。 总体而言，深冷空分装置结构稳健，但由于氧气和氮气的流量较大，必须在现场配置**良好的通风系统**和**氧气浓度监测装置**，以确保安全运行。
尺寸考虑因素
低温制氧装置的选型需要考虑产能、灵活性和可靠性是否与应用需求相匹配。主要考虑因素包括：
- 需求产能： 估算氧气的峰值与平均用量（通常以 t/d 或 Nm³/h 表示）。按最大需求并预留裕量进行装置选型。
- 产品与纯度： 明确所需的氧气纯度等级；同时确定是否需要副产氮气和/或氩气用于销售或工艺用途。若市场需求存在，回收氩气可显著提升项目的经济效益。
- 负载曲线： 持续高负载应用通常使用一个或多个大型空分装置 (ASU) 机组。对于可变或间歇性需求，可以使用多个小型机组或混合解决方案（变压吸附式 + 低温空分装置）。低温空分装置通常具有良好的调节能力（通常可降至额定功率的约 50%）。
- 冗余：关键用户通常会安装冗余机组（例如 N+1 配置），以便在一个空分装置 (ASU) 离线时，另一个空分装置可以满足需求。冗余措施还可能包括储存液氧以应对停机情况。
- 公用工程与布局： 确保具备充足的电力供应（大型空分装置可能需数十兆瓦）及冷却条件（水冷或风冷）。为冷箱预留足够空间（高度可达数米），并配置深冷储罐区。同时应规划氧气管网或装车站的位置与走向。
- 集成：考虑将空分装置与利用废热或需要氧气压力的工艺连接起来。例如，如果现场的耗氧炉能够以略微加压的方式输送氧气，则可以减少压缩需求。
通常而言，规模较大的深冷制氧装置具有更佳的经济性。 工程指南指出，当氧气需求量超过约 **200–300 吨/天（t/d）** 时，采用**深冷分离**往往比 PSA 或膜分离方式更具成本优势mathesongas.com。 超大型装置（数百至数千吨/天）可通过**规模经济**和**更高效的制冷循环**进一步降低单位能耗与投资成本。 而对于氧气需求较小的场合（几十吨/天及以下），可考虑使用**非深冷系统**（如 PSA/VPSA），其设备投资（CAPEX）较低、结构更简单，但纯度相对较低、单位能耗更高。
低温制氧厂成本因素
低温制氧厂的成本受多种经济因素影响：
- CAPEX 成本驱动因素： 深冷制氧装置的主要资本支出集中在空气压缩机（通常占设备成本的约 50–80%）、铝制冷箱换热器以及精馏塔系统。此外，安装工程（管道、基础、仪表）及高压氧储系统也会显著增加总投资成本。 行业数据显示，空分装置（ASU）的资本支出约为每年氧气产能 **200–300 美元/吨**shengerhk.com。 例如，一项年产 330 万吨氧气（约 9000 吨/天）的多列制氧项目，其单位投资约为 **260 美元/吨年产能**。 随着装置规模扩大，单位产能投资（CAPEX per tonne）呈下降趋势，体现出明显的**规模经济效应**（成本 ∝ 产能^0.6–0.7）。 有调查显示，一套 **200 吨/天** 规模的装置约需 **2500 万美元**，而 **3000 吨/天** 装置的投资约为 **1.25 亿美元**shengerhk.com，充分说明大型空分的投资效率更高。
- 运营成本构成：电力是主要的运营成本（约占运营成本的 70-80%）shengerhk.com。其他费用包括人工、维护（压缩机大修、塔填料更换）和少量消耗品（润滑剂、吸附剂），通常占运营成本的 10-20%。每吨氧气的电力成本取决于当地电价；例如，按每千瓦时 0.06 美元的价格计算，每吨氧气用量为 500 千瓦时，电力成本约为每吨氧气 30 美元。shengerhk.com。许多运营商会协商特殊的电力合同或将负荷转移到低电价时段以降低这项成本。
- 氩气收益：低温空分装置可以回收氩气（约占空气体积的1%），从而抵消部分收入。典型的氩气产量为每生产100公斤氧气可回收约5-6公斤氩气shengerhk.com（约每公斤氧气可回收0.05-0.06公斤氩气）。假设氩气价格为每吨 500 至 600 美元，则每吨氧气可抵扣约 25 至 35 美元的成本。shengerhk.com。实际上，许多经济模型保守地假设每吨氧气可抵扣 10 至 20 美元的“氩气抵扣额”（已计入回收氩气的价值）。（如果氩气未能回收，氧气买家可能会要求降低氧气价格作为交换。）
在工厂设计中，平衡这些因素至关重要。大型工厂可以分摊固定成本，并能合理地使用更高效（但价格昂贵）的设备来降低能耗，而小型工厂则需要支付更高的单位成本。产能、纯度和集成度（例如与其他工艺共享制冷）均需根据应用需求进行设计。最终目标是建造一座能够可靠地以指定纯度和压力供应大量氧气的低温制氧厂，同时确保可预测的能耗和成本结构。
