低温空气分离技术长期以来一直是工业气体大规模生产的主力军。该工艺将空气冷却至极低温度直至液化，然后进行蒸馏以分离氧气、氮气、氩气和其他气体（有关物理性质数据，请参阅 NIST 化学网络手册：https://webbook.nist.gov）。这项技术支撑着众多行业——从依赖大量氧气供应的传统钢铁厂，到需要氮气和氧气进行清洁燃料生产的新兴氢能中心。近年来，新一代低温空气分离系统开始革新这项成熟的技术，在效率、灵活性和集成性方面带来显著提升，以满足新的工业需求。
本文探讨了低温空气分离的工作原理及其在重工业中的关键作用。随后，我们考察了使现代空气分离装置（ASU）更加高效和适应性更强的技术进步。最后，我们讨论了低温空气分离在氢能经济（即所谓的氢能枢纽）中日益重要的作用，这代表着这项已有百年历史的分离工艺的新前沿。低温空气分离从钢铁厂到氢能枢纽的发展历程，既体现了工业气体供应的连续性，也展现了在不断变化的能源需求面前的创新。
低温空气分离：工艺概述及意义
低温空气分离是大量生产高纯度氧气、氮气和氩气的主要方法。该工艺基于低温分馏原理。空气首先经过过滤、压缩和冷却，然后送入蒸馏系统，根据沸点将其分离成各种组分。氧气（沸点约为-183°C）与氮气（沸点约为-196°C）和氩气（沸点约为-186°C）在不同的阶段液化和分离，从而使每种气体都能以纯净的形式被提取出来。整个系统安装在隔热的“冷箱”塔内，这些塔耸立在工业区上方——在钢铁厂、炼油厂和化工厂等场所，这种景象十分常见。
低温空气分离技术能够实现极高的纯度（氧气和氮气纯度>99.5%，氩气纯度>99.9%），这通常是关键应用所需要的。此外，该技术还具有极佳的规模化优势。例如，一台大型空气分离装置（ASU）每天可以生产数千吨氧气或氮气（美国能源部原子能管理办公室（DOE AMO）提供了大型空气分离装置的能源基准数据：https://energy.gov/eere/amo）。这使其成为“吨级”工业气体生产的首选技术，因为其他方法（例如吸附或膜分离）无法经济有效地达到所需的产量和纯度。其缺点是能耗高：将空气压缩并冷却至低温需要消耗大量电力。一台典型的每天生产约1000吨氧气的空气分离装置可能需要消耗数十兆瓦的电力——相当于一个小镇的用电量。因此，尽管低温装置提供了不可或缺的功能，但它们也面临着效率和运行成本方面的挑战。
用于制氧的低温空气分离装置冷箱组件。像这样的低温空气分离装置几十年来一直是工业气体供应的支柱，而如今，新的创新正在不断提高它们的效率和灵活性。
从工业角度来看，低温空气分离是基础性技术。它为炼钢、玻璃制造和气化等工艺提供氧气；为惰性气氛、化学保护和化肥生产提供氮气；为焊接和电子制造提供氩气。这些气体至关重要，因此许多大型工厂都安装了现场低温空气分离装置（ASU），以确保可靠、持续的供应。历史上，钢铁厂是最早大规模采用现场低温空气分离技术的行业之一，这为如今规模更大、更智能的ASU奠定了基础，而这些ASU目前正扩展到氢气生产领域。
钢铁厂：低温空气分离的传统应用领域
钢铁行业与低温空气分离技术有着长期而紧密的联系。在综合性钢铁厂中，转炉炼钢工艺需要消耗大量的氧气才能将铁转化为钢。每生产一吨钢，大约需要吹入100 Nm³的氧气。这意味着一座大型钢铁厂每天可能需要数千吨氧气。位于钢铁厂附近的低温空气分离装置（通常由工业气体公司拥有或运营）通过管道持续供应这些氧气。此外，它们还提供用于炉体密封和安全惰性化的高纯氮气，以及用于精炼钢的氩气（氩气在钢包中搅拌以去除杂质）。
几十年来，为钢铁厂提供服务的空分装置（ASU）规模不断扩大，以满足日益增长的产量需求。如今，一座现代化的钢铁厂单套氧气装置日产2000至3000吨气态氧已是司空见惯，此外还储备了额外的液态氧。一些全球最大的空分装置——氧气产能超过4000吨/日——专为冶金和能源综合体而建。这些巨型装置利用规模经济效应，高效生产氧气以及氮气和氩气等副产品。在钢铁厂，氧气供应的可靠性至关重要：空分装置必须全天候运转，才能满足连续炉的运行需求。传统的空分装置设计旨在实现稳定的产量和高运行率（通常超过95%的正常运行时间），这与钢铁一体化生产的全天候特性完美契合。
由于大量生产氧气需要消耗大量电力，因此能源效率和成本一直是人们关注的焦点。举例来说，一座为钢铁厂供氧的制氧厂可能需要消耗 50 兆瓦甚至更多的电力，从而产生巨额运营成本。多年来，人们不断改进制氧技术，例如采用更高效的压缩机和膨胀机、优化换热器设计以及改进工艺流程，以降低每吨氧气所需的千瓦时电量。例如，采用等熵效率更高、损耗更低的先进涡轮膨胀机有助于降低单位产品的能耗。此外，许多现代空分装置 (ASU) 的内部工艺优化（例如液氧泵送和热集成）也提高了效率。这些改进对于钢铁企业至关重要，因为氧气成本直接影响着钢铁生产的整体经济效益。
除了氧气之外，钢铁厂的空分装置还能将副产品货币化。特别是氩气，这是一种珍贵的稀有气体，低温装置可以从空气中含量极低的0.9%的氩气中提取出来。高产能钢铁厂的空分装置通常包含一个氩气分离塔，用于生产液氩，然后将液氩出售用于焊接、照明和电子行业。这虽然增加了复杂性，但提高了空气分离过程的盈利能力和资源利用效率。钢铁厂过剩的氮气也可以液化后出售用于其他用途（例如食品冷冻）。通过这种方式，钢铁厂的低温空分装置通常既能满足钢铁厂自身的需求，又能满足更广泛的工业气体市场的需求。
总而言之，钢铁厂奠定了低温空气分离大规模应用的基础：大型、高能耗的装置，持续供应氧气和氮气。这一传统领域不断完善技术，并推动其性能提升。如今，钢铁应用领域积累的经验和技术正为新一代空气分离装置的研发提供借鉴，以满足清洁能源转型的需求。
下一代低温空气分离技术
应对当今工业挑战推动了空分装置（ASU）设计和运行的创新。新一代低温空气分离技术着重于更高的效率、更大的灵活性以及与其他工艺更好的集成。工程师和工业气体公司正在重新思考传统空分装置的诸多方面，使其更加智能，更能适应现代需求。
一项关键的进步领域是能源效率。尽管低温蒸馏已经是目前空气大宗分离最有效的方法，但理论最低能耗与实际能耗之间仍然存在显著差距。新型空分装置设计通过多种途径来缩小这一差距：
- 改进的机械设备——采用空气动力学性能更佳、摩擦损失更低的先进离心式压缩机和膨胀机，可以降低单位产气量所需的功率（千瓦时）。例如，使用高效膨胀涡轮机可以在冷却循环中回收更多能量，从而直接降低功率需求，或在无需额外能量的情况下提高液体产量。
- 先进材料和换热器——新型换热器设计（例如采用优化翅片结构的钎焊铝板翅式换热器）可增强传热，从而实现更小的温差并减少冷能损耗。此外，还有关于微结构蒸馏塔增材制造（3D打印）的研究，该技术可通过改善塔内汽液接触来提高分离效率。
- 工艺循环创新——新一代空分装置有时会采用不同的工艺配置。其中一个值得关注的概念是单塔空分装置设计（由普莱克斯/林德公司率先应用于特定应用场景），该设计可在单个塔内生产高纯度氧气，而无需传统的双塔配置。由于无需单独的低压氮气塔，该设计简化了工艺，并可提高效率和降低仅需氧气（纯度约为95%）且无需同时生产氩气的应用的资本成本。当不需要超高纯度或全系列产品时，这种精简的工艺循环是可行的。
另一个重点是运行灵活性。传统的低温装置在稳定状态下运行效果最佳，但其快速调整产量的能力有限——通常只能将产能降低到 60-70% 左右，否则就会面临工艺不稳定的风险（蒸馏塔的运行依赖于一定的吞吐量和液体库存）。然而，不断变化的能源格局如今更青睐能够动态适应电力可用性和需求波动的工业系统。为了实现这一点，新一代空分装置 (ASU) 集成了快速爬坡和降坡功能：
- 液态储存和备用——现代空分装置 (ASU) 通常配备大型低温储罐，用于储存液氧、液氮和液氩。这些储罐起到缓冲作用，使生产与瞬时需求脱钩。例如，当电力价格低廉或过剩时（例如在大风的夜晚），空分装置可以生产额外的液态产品并储存起来。之后，当电力价格昂贵或电网负荷过重时，空分装置可以降低空气压缩机的运行功率，转而使用储存的液态产品来满足客户需求。这实际上使工厂能够在满足气体需求的同时，以最低的电力消耗“滑行”数小时。增加储存容量是一种相对简单但有效的提高灵活性的工具。
- 快速功率调节系统——工程师们巧妙地增加了工艺侧流，以快速降低或提高产量。其中一项技术是使用辅助制冷回路来承担冷却任务，或者将液体泵回精馏塔以在减少空气进料的同时保持低温。实际上，可以安装一个额外的液体泵，将产品从储罐循环回精馏塔。这样做可以保持精馏塔的低温，并在更低的能耗下维持产品纯度。一些先进的空分装置（ASU）采用这种方法，可以在几分钟内实现高达80%的能耗降低，相当于在不进行热停机的情况下使装置处于空载状态。当需要恢复满负荷生产时，由于低温状态得以保持，系统可以更快地提升产量。
- 循环运行的稳健设计——新一代空分装置采用更具韧性的组件，以应对频繁的负荷变化。这包括使用壁厚更厚的管道来承受压力波动，控制阀和仪表经过优化以适应更宽的运行范围，以及能够承受更多次启停或变速的压缩机。以往的空分装置除了维护之外无需停机，而新的设计理念是使空分装置能够负荷跟踪每日甚至每小时的变化。例如，林德的FLEXASU®概念旨在打造一种能够按需调节产量以辅助电网平衡的空分装置，从而有效地与可再生能源的可用性协同运行。这与以往截然不同，本质上是将曾经稳定运行的“温柔巨人”制氧厂转变为一种响应速度更接近调峰电厂的灵活资产。
新一代系统也采用了数字化控制和自动化技术来应对复杂性。智能控制系统、预测分析和基于人工智能的优化技术正被越来越多地用于微调空分装置 (ASU) 的运行。这些数字化工具可以预测需求波动或能源价格飙升，并主动调整装置运行。它们还有助于在过渡期间保持稳定性，确保快速爬坡时产品纯度不受影响。最终，空分装置将变得更加智能，能够根据实时情况自主平衡效率、可靠性和灵活性。
最后，我们看到了拓展低温空气分离能力的新的应用和集成。一个令人兴奋的领域是将空分装置（ASU）与以创新方式利用或生成分离气体的工艺相结合。例如，一些项目将ASU直接与气化或富氧燃烧发电系统耦合，其中高纯氧气流被送入以氧气而非空气燃烧燃料的发电厂，从而实现碳捕获。在这种情况下，发电厂的废热可被ASU用于再生或蒸发，从而提高组合系统的整体效率。另一个集成方案是将ASU与液态空气储能（LAES）系统相结合——利用非高峰时段的电力将空气液化以储存能量，然后在需要时将其展开以发电。重新加热液态空气产生的冷能可以回收利用到ASU的制冷循环中，从而在储能和工业气体生产之间形成一种创新的共生关系。
凭借这些进步，新一代低温空气分离技术比其前代产品更加通用高效。这些改进正当其时，因为新一轮的需求浪潮即将到来——这主要得益于全球向氢能经济转型。
氢气枢纽：低温空气分离的新领域
氢能中心是新兴的产业集群，专注于氢气作为清洁能源载体的生产、利用和分销。无论氢气是“绿色”（来自可再生能源电解）还是“蓝色”（来自碳捕获天然气），这些中心通常都涉及大规模制氢并将其转化为氨等衍生物。（有关全球氢能中心的更多信息，请参阅国际能源署《全球氢能评估报告》：https://www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2024）。乍一看，空气分离似乎与制氢无关。但实际上，低温空气分离是许多氢能中心配置中的关键使能技术——它能够提供氧气和氮气，从而促进氢气的生产、加工和运输。
一个重要的作用是为氢气生产过程提供氧气。在传统的“蓝氢”设施中，氢气是通过天然气的蒸汽甲烷重整 (SMR) 或自热重整 (ATR) 制取的。SMR 使用蒸汽，而 ATR 和基于气化的路线则需要纯氧作为原料来驱动重整反应或气化炉。历史上，大型空分装置 (ASU) 一直与气化装置（例如，在煤制油或炼油厂中）耦合，以提供氧气。采用 ATR 制取低碳氢的新型氢气中心同样依赖于现场低温空分装置来提供高纯度氧气（大规模集成示例：空气产品公司 NEOM 项目 – https://www.airproducts.com/neom）。这些氧氢工厂规模庞大；例如，一座采用ATR技术的制氢工厂，日产数百万立方米氢气，可能需要每天1000至2000吨氧气来供给其反应器。只有低温空气分离才能经济高效地供应如此大量的氧气。这些氧气用于将甲烷转化为合成气（CO + H₂），然后合成气转化为氢气和二氧化碳（二氧化碳被捕获，因此称为“蓝色”）。如果没有空气分离装置，就无法以所需的规模和纯度获得所需的氧气。
低温空气分离技术在氢能枢纽的另一项关键贡献是提供氮气。在通过电解法生产绿色氢气时，氢气通常并非最终运输产品——许多项目计划将氢气转化为更易于运输和储存的氨（NH₃）。氨合成（采用哈伯-博世法）需要持续供应高纯度氮气与氢气结合。空气分离技术正是在此发挥作用：空气分离装置（ASU）可以产生生产氨所需的大量氮气。沙特阿拉伯的NEOM项目就是一个典型的例子——这座绿色氢气/氨工厂包含一个巨型空气分离装置，专门用于生产氮气，然后将氮气与电解槽产生的氢气反应，每年生产120万吨绿色氨。在这样的设施中，空气分离装置实际上充当了氮气发生器的角色。它吸入空气并输出氮气（纯度通常为99.9%或更高），而空气中的副产物氧气通常不需要（电解槽本身在水分解过程中会产生氧气）。低温装置能够大规模生产低残留氧的氮气（这对氨合成催化剂至关重要），这使得它们对于与氢气枢纽相连的绿色氨和化肥工厂来说不可或缺。
除了氨之外，氮气在氢气系统中也发挥着安全和辅助作用。例如，大型电解槽装置可能需要氮气进行吹扫和保护。在动态运行或停机期间，惰性氮气用于清除设备中的氧气，防止产生爆炸性的氢氧混合物。氢气枢纽很可能不再需要运输液氮，而是采用现场制氮方式。新一代低温空分装置 (ASU) 可以为此进行定制：纯氮气装置（有时也称为独立式氮气发生器）专注于氮气的输出，不产生氧气或氩气等副产品。由于无需处理氧气，这些装置简化了工厂设计，并降低了单位氮气的能耗。它们本质上是小型化、优化版空分装置，其工艺经过调整，可以排出或最大限度地减少氧气。当氢气枢纽只需要大量氮气（用于氨或吹扫）而对氧气的需求量很小时，这种方法就很有吸引力。
钢铁厂和氢气枢纽对空气气体的不同需求凸显了低温空气分离技术如何适应两者的需求。下表总结了两者在需求和设计重点方面的一些关键差异：
表格：传统钢铁厂空分装置与氢能中心空分装置的比较
| 方面 | 钢铁厂 ASU（传统） | 新一代氢能枢纽用空气分离装置（ASU） |
|---|---|---|
| 主要目的 | 为高炉/转炉（炼钢）持续供应氧气。同时生产氮气和氩气，用于冶金用途和销售。 | 为ATR气化等工艺提供O₂（蓝色H₂），或为氨合成和惰性化提供N₂（绿色H₂）。通常根据需要专注于特定产品（O₂或N₂）。 |
| 典型尺度 | 非常大，例如 2,000–3,000 TPD O₂（单列火车）满足持续需求。 | 规模也相当大（日处理量可达数千吨气体）。例如，一座绿色氨厂的氮气日处理量约为 2700 吨以上，或者气化炉的氧气日处理量也与之相近。如果项目规模扩大，也可以采用模块化设计。 |
| 产品纯度 | 炼钢用氧气纯度约为95%至99.5%；氮气和氩气通常纯度较高（99.9%以上）。包含氩气回收。 | 用于氧气制氢（如有需要）的氧气纯度约为99%以上；用于氨生产的氮气纯度通常为99.9%。如果只生产单一产品（工厂设计较为简单），则氩气可能不会被回收。 |
| 操作模式 | 全天候24小时持续稳定运行。负载波动极小；设计为以恒定速率运行，以确保可靠性。 | 通常设计用于动态运行。如果与可再生能源或不断变化的氢气需求挂钩，则可能需要每日进行功率升降。配备液态储能装置，用于缓冲输出并应对间歇性运行。 |
| 效率导向 | 优化基荷运行下每吨氧气所需的能量（由于长时间运行电力成本高昂，这一点至关重要）。逐步改进效率（例如，采用更好的压缩机）。 | 兼顾能源效率和灵活性。即使在部分负载下也能高效运行。设计中包含多项功能，即使在循环或待机模式下也能保持良好的效率。 |
| 一体化 | 独立于钢厂现场；偶尔会与钢厂进行少量热集成（例如低水平的热回收或公用设施共享）。通常情况下，它是一个独立的公用设施单元。 | 通常高度集成到氢能枢纽基础设施中。对于蓝氢，空分装置与重整器/气化器（氧气供应，并可能共享冷却水等）相互连接。对于绿氢，空分装置（用于制取氮气）与电解槽和氨厂协调运行；并可能与可再生能源的可用性协同工作。 |
| 灵活性升级 | 传统空分装置的产能调幅有限（约60-70%）。一些钢铁厂近期进行的升级改造包括增加备用液化装置，以处理过剩产能或提供一定的缓冲，但这些装置最初并非为日常循环运行而设计。 | 新一代空分装置以“灵活性”为核心设计理念，例如采用更厚的管道、先进的控制系统、额外的泵和大容量储罐，以实现快速的负荷调整。它们能够参与需求响应，根据电网状况或氢气生产计划进行调整，而不会影响天然气供应。 |
如上图所示，新一代低温空气分离装置在氢气枢纽中的应用，使其功能超越了传统钢铁制造中稳定、连续运行的范畴。在氢气应用中，空气分离装置可以在作为氧气生产装置（基本处于闲置状态）或作为氮气生产装置（可根据需要调节产量）之间切换。这种适应性至关重要，因为许多氢气枢纽都依赖于可再生能源，而可再生能源本身具有波动性。如果氢气枢纽由太阳能和风能供电，那么为其供电的空气分离装置也必须能够应对波动的电力输入。我们现在看到的空气分离装置能够在可再生能源电力过剩时提高产量（从而生产额外的氢气或氨），并在日落或风力减弱时降低产量以节约能源。这种“按需空气分离”的能力确保了上游氢气生产不会因气体供应限制而受阻。
值得注意的是，在这些枢纽中，先进的低温系统与其他气体分离技术仍能形成互补。例如，变压吸附 (PSA) 装置可用于少量氮气或氢气提纯，但对于高纯度氮气或氧气的批量生产，低温方法仍具有明显的优势。在一些前沿的氢气项目中，设计人员会考虑混合方案——一部分生产采用 PSA 或膜分离装置，其余部分则采用低温空分装置 (ASU)，以平衡资本成本和纯度要求。尽管如此，由于其多功能性和规模优势，低温空分装置最终往往成为任何大型氢气综合体的核心设备。
结论
从钢铁厂炽热的熔炉到氢能中心的清洁能源愿景，低温空气分离始终是关键技术。其核心原理——将空气提纯为纯氧、纯氮和纯氩——始终未变，但其具体应用却在快速发展以满足新的需求。在钢铁制造领域，这些装置提供了现代高吨位炼钢所需的大量氧气，树立了可靠性和效率的标杆。如今，随着各行业向脱碳转型，新一代低温空气分离技术正迎头赶上，以满足新兴需求：为低碳氢气生产、氨基储能以及与可再生能源协同运行提供氧气和氮气，从而实现更灵活的运营。
本质上，低温空气分离是一项成熟的技术，它正以全新的面貌迎接新时代的到来。从传统钢铁厂到尖端氢能中心，低温空气分离的发展历程充分展现了工业技术适应全球变化的能力。工程师和研究人员无疑将不断突破空气分离装置的极限——无论是追求更高的效率，实现完全灵活的“按需空气分离”，还是以我们尚未想象的方式将其与新型工艺相结合。凭借这些进步，低温空气分离仍然是现代工业的基石，也是当前生产和未来能源系统的关键推动因素。随着我们迈向一个更清洁、更依赖氢能的世界，这项历史悠久的技术正在证明，无论未来走向何方，它都能不断自我革新，持续为各行各业提供所需的各种气体。
本质上，低温空气分离是一项成熟的技术，它正以全新的面貌迎接新时代的到来。从传统钢铁厂到尖端氢能中心，低温空气分离的发展历程充分展现了工业技术适应全球变化的能力。工程师和研究人员无疑将不断突破空气分离装置的极限——无论是追求更高的效率，实现完全灵活的“按需空气分离”，还是以我们尚未想象的方式将其与新型工艺相结合。凭借这些进步，低温空气分离仍然是现代工业的基石，也是当前生产和未来能源系统的关键推动因素。随着我们迈向一个更清洁、更依赖氢能的世界，这项历史悠久的技术正在证明，无论未来走向何方，它都能不断自我革新，持续为各行各业提供所需的各种气体。
