低温空气分离是生产大量高纯度氧气、氮气和氩气的行业标准方法。在低温空气分离装置 (ASU)中，首先对环境空气进行压缩和净化。然后，空气在一系列换热器中冷却，直至各组分液化。低温液态空气进入分馏塔：氮气（沸点-196°C）汽化并上升至塔顶，而液氧（沸点-183°C）则沉降至塔底。沸点介于氮气和氧气之间的氩气则通过中间塔排出。这种分馏方法可得到纯度极高的气体——通常氧气含量≥99%，氮气含量~99.999%，氩气含量>99.9%。每个低温空气分离装置可能包含多个塔和膨胀机，以最大限度地提高效率。例如，大型钢铁厂通常会在厂内安装一个或多个空气分离装置，以供应其每年所需的数万吨氧气。
低温空气分离装置（ASU）的规模大小不一。小型成套装置可能服务于医院或化工厂（每天仅生产几吨氧气），而综合工业园区的巨型装置每天可生产数千吨氧气。实际上，钢铁厂的单个大型低温空气分离装置每天可生产超过1000吨氧气。ASU装置属于资本密集型项目（通常耗资数千万至数亿美元），且设计用于连续运行。领先的工业气体公司（例如空气产品公司、林德/普莱克斯公司、液化空气集团、梅塞尔公司等）提供交钥匙ASU系统。举例来说，Chart Industries和Universal Industrial Gases公司在全球范围内分别供应了数百套成套低温空气分离装置。如今，美国大型ASU装置的数量已达百套左右，反映了巨大的市场需求。这些装置通常在重工业领域全年运行，因此可靠性和效率至关重要。因此，如下文所述，美国空分装置市场是由重工业和能源领域终端用户的需求所塑造的。
美国市场需求：现状与预测（2025-2035 年）
美国低温空气分离装置（ASU）市场一直受益于长期的工业需求以及对能源和制造业的战略投资。美国对低温生产的氧气、氮气和氩气的需求已经非常庞大，预计到2035年将保持温和增长。到2020年代中期，美国工业氧气年消耗量超过2000万吨，其中约70%用于钢铁制造和石油炼制。其他主要用途包括化学品制造（氨、甲醇、石油化工产品）、食品和饮料加工、玻璃和水泥生产以及电子产品制造。医疗保健行业——医院和诊所——也是氧气（用于患者支持）和氮气（用于医用气体供应）的重要消费群体，尽管规模较小。
分析师预测，2025年至2035年间，北美工业气体需求将以每年中等个位数的速度增长。美国市场的增长预计将与整体工业增长保持一致。实际上，这意味着现有空分装置（ASU）产能将主要被替换或逐步扩建，而不是翻三倍。老旧的空分装置将被升级为更大、更高效的装置。新增产能将瞄准增长型行业（详见下文）。预计到2035年，美国空分装置的氧气和氮气产量将显著高于目前水平，但市场仍将集中在少数几个关键行业和供应商手中。
增长驱动因素
2025年至2035年，以下几个行业将推动美国低温空分设备市场的发展：
- 钢铁和基础金属： 炼钢仍然是氧气需求的最大驱动因素。美国钢铁厂（包括高炉/碱性氧气转炉和富氧电弧炉）需要大量的氧气。美国钢铁生产每年消耗数千万吨液氧。每个综合钢厂通常从一个或多个厂内低温空气分离装置 (ASU) 获取氧气。实际上，大型钢铁厂的 ASU 日产氧气量可能超过 1500 吨，而且通常配备备用装置。随着美国钢厂的现代化改造和电炉（其中许多使用氧气喷枪）的增加，氧气需求依然居高不下。单个钢厂的 ASU 几乎是连续运行的，因此可靠性至关重要。由于炼钢需要如此巨大的氧气量，几乎每个升级或新建钢厂项目都包括建造或扩建 ASU 产能。简而言之，到 2035 年，钢铁厂的 ASU 将持续繁忙，使该行业成为核心市场。
- 这一趋势确保了低温空气分离装置（ASU）对美国钢铁供应链的重要性。
- 医疗保健和医用气体： 医疗行业是一个重要但较为稳定的驱动因素。新冠疫情暴露了医院氧气供应的风险，促使许多医疗系统投资建设备用工厂或现场液氧设施。虽然恐慌性抢购已经消退，但正常的医疗保健需求仍然很大。大型医院和区域医疗网络通常签订液氧长期合同，甚至拥有自己的低温工厂。例如，一些大学医疗系统运营着自己的低温空气分离装置，为校内多家医院提供服务。即使是规模较小的医院也通常依赖大型空气气体公司定期供货，但对于大批量供应，集中式空气分离装置仍然是首选。医用级氧气（纯度≥99%）和氮气（纯度99.99%）是必需的。低温空气分离装置 (ASU) 可提供纯度稳定性和不间断的液氧供应，这是便携式或变压吸附 (PSA) 系统无法为大型医院提供的。因此，医疗基础设施（新建医院、诊所）的持续增长将刺激小型空气分离装置（ASU）的增多，但该市场的大部分区域保持稳定。低温空气分离装置是大规模医用气体供应的标准配置；它们提供的气体纯度高于便携式或变压吸附（PSA）系统。总之，随着人口增长和医疗保健发展趋势的推进，医用氧气需求将稳步增长，从而支持安装空气分离装置以确保可靠的供氧。
- 石油、天然气和液化天然气：美国天然气加工的扩张。对于液化天然气和石化设施而言，现场低温空气分离装置 (ASU) 可确保可靠的氮气供应，用于冷却和安全操作。液化天然气出口能力和石化产品生产也支持 ASU 的发展。液化天然气 (LNG) 工厂通常使用低温氮气进行制冷。许多新的液化装置都配备了 ASU，用于现场生成氮气 (N₂)（氧气生产的副产品）。即使在天然气加工和精炼过程中，也会使用氧气和氮气（例如，氧气用于富氧燃烧或部分氧化；氮气用于惰性气体保护和吹扫）。例如，如果现有供应不足，新建的 LNG 出口终端可能会增设 ASU。同样，石化中心（例如墨西哥湾沿岸的氨厂或乙烯厂）也经常将 ASU 建在工厂内。液化天然气和碳氢化合物之间的联系是间接的，但却至关重要：随着更多天然气处理厂和炼油厂的建设或扩建，它们要么需要自己的空分装置，要么会对天然气供应网络造成压力，从而促使空分装置供应商增加产能。实际上，石油和天然气行业的增长（包括液化天然气出口）推动了对工业气体的需求，使空分装置始终处于繁忙状态。
- 氢气和氨：或许增长最快的驱动力是氢气（以及相关的氨）设施的建设。“蓝氢”（利用天然气和碳捕获技术制取）和“绿氢”（利用水电解制取）都需要或产生大量的氧气和氮气。蒸汽甲烷重整器使用纯氧燃烧天然气，而电解槽则产生氢气和氧气。目前，美国规划的项目规模已达数十吉瓦，通常与国际公司合作。这些项目不可避免地会包含低温空分装置（ASU）。例如，计划在德克萨斯州贝敦建设的液化空气/埃克森美孚氢氨联合装置将安装四套新的空分装置（总氧气产能约为9000吨/天），为其低碳氢气和氨装置提供原料。同样，林德公司计划在路易斯安那州建设的蓝点氨厂也将为其年产140万吨的工厂配备一套约400兆瓦的空分装置（氧气产能约为400吨/天）。简而言之，氢能经济的加速发展意味着每个新建的大型氢气/氨工厂都将配备相应规模的低温空气分离装置（ASU）。未来十年，氢气/氨项目对低温氧气的需求量可能达到吉瓦级，远超以往的用途。每个这样的低温空气分离装置都是美国在建的最大容量装置之一。随着氢能经济的加速发展，几乎所有美国大型氢气或氨项目都将至少部署一套低温空气分离装置（ASU）。
除了这些主要行业外，玻璃制造、水处理和电子（需要超纯氮气/氩气）等较小的市场也使用空分装置，但它们的市场份额很小。关键在于，美国空分装置的需求高度集中：钢铁和能源项目合计占据了增长的大部分。
美国领先公司和项目
美国空分装置（ASU）市场由几家跨国工业气体公司主导。空气产品公司（Air Products）、林德（Linde，普莱克斯旗下）、液化空气集团（Air Liquide）和梅塞尔公司（Messer）（以及像环球工业气体公司（Universal Industrial Gases）这样的其他公司）共同供应了大部分空分装置。他们通常根据长期合同（交钥匙工程/拥有/运营模式）在客户现场提供融资、建设和运营服务。例如，空气产品公司一直在其商业工厂用新的高容量空分装置替换老旧装置（例如，位于俄亥俄州克利夫兰的新空分装置将于2025年投入使用，计划于2026年在佐治亚州和北卡罗来纳州投入使用）。林德和液化空气集团也为大型炼油厂、石化厂和钢铁厂客户建造类似的空分装置。像 Chart Industries 和三菱重工（原 Nikkiso）这样的设备制造商为这些项目设计和制造冷箱、热交换器和膨胀机。
以下几个示例项目展示了这项活动：
- 德克萨斯州贝城：液化空气集团与埃克森美孚的合作项目包括新建四套现场空分装置（日产氧气约9000吨），为低碳氢氨联合装置提供原料。（这有效地使该地区的氧气产能翻了一番。）这些空分装置是该厂生产燃料和化学品用氢气的核心。
- 路易斯安那州（蓝点）：蓝点氨项目（CF Industries、JERA/Mitsui 等公司）将建造一座年产 140 万吨的低碳氨厂。林德公司将建造一座装机容量约 400 兆瓦（日产氧气约 400 吨）的空分装置，为该工厂供应氧气和氮气。这座空分装置是北美有史以来建造的最大空分装置之一。
- 炼油/化工扩建：许多现有的化工厂和炼油厂也会对空分装置 (ASU) 进行升级改造。例如，液化空气集团 (Air Liquide) 近期投资约 2 亿美元，扩建路易斯安那州的空分装置产能和管道，以服务于陶氏化学 (Dow) 的新建乙烯项目。钢铁厂扩建也经常会增加或更换空分装置。通用工业气体公司 (Universal Industrial Gases)、液化空气集团和其他公司都为近期的一些电弧炉项目提供了集成式空分装置。
这些例子都说明了空分装置项目与其所在工厂的扩建密切相关。由于低温空分装置属于资本密集型项目，新订单通常与大型项目相吻合。实际上，企业会持续对空分装置基础设施进行再投资：升级老旧装置、增加备用产能，有时甚至新建工厂。
空分装置技术比较
低温空气分离装置 (ASU) 可根据所需的规模和纯度进行定制。上表 1 已对“小型”、“中型”和“大型”装置进行了对比。此外，还有不同的设计方案：一些装置采用单柱（冷凝器）低温工艺，可获得中等纯度（<95% O₂）的氧气，而大多数大型 ASU 则采用双柱蒸馏工艺，可实现 ≥99.5% 的氧气和 99.999% 的氮气。所有 ASU 的纯度都远高于非低温方法。例如，即使是小型 ASU 也能生产医用级氧气（≥99%），而 PSA 装置的纯度最高也只能达到 95% 左右。
具体来说：小型“撬装式”空分装置（ASU）每天可生产1-50吨氧气，服务于医院或小型工厂。中型工业空分装置每天可生产50-500吨氧气，服务于中型炼油厂或化工厂。大型空分装置每天产量超过500吨，服务于综合钢铁厂或多厂区联合体。美国一座大型空分装置每天可生产1000吨以上的氧气，以及数百吨氮气和数十吨氩气。
每个空分装置 (ASU) 都包含压缩机、净化床（用于去除水/二氧化碳）、主换热器以及两个（或更多）在不同压力下运行的蒸馏塔。氧气可以根据工厂的需求以液态或高压气态形式供应。氮气通常也以液态或气态形式供应。由于氩气的沸点介于氧气和氮气之间，大多数工业空分装置都包含一个氩气塔，用于提取纯度高于 99% 的液氩（用于电子和焊接行业）。
上表 1 总结了各类设备的典型产能和纯度。请注意，实际的产能指的是每日氧气产量（液吨）。氮气和氩气的流量与之成正比。低温空分装置的能源效率也各不相同：最先进的装置每吨氧气的能耗可能低于 200 kWh，而较旧的装置可能高于 250 kWh/t。能源消耗是空分装置经济性的关键因素，因此新装置通常会优先考虑效率（例如，采用涡轮膨胀机、提高回流比等）。
Outlook (2025–2035)
2025年至2035年间，受工业现代化和清洁能源转型的影响，美国低温空气分离装置（ASU）市场将稳步扩张。展望2035年，美国低温空气分离装置市场预计将持续增长。随着钢铁生产商进行现代化改造并增设电炉（电炉通常使用氧气以加快熔化速度），钢铁生产对氧气的需求可能维持在当前水平或略有增长。化工和精炼行业对O₂/N₂的需求将与制造业和能源行业的需求趋势保持一致。医疗保健行业的需求增长可能较为缓慢，现有医院将继续维持其ASU或供应合同。
增长最快的领域几乎可以肯定是低碳燃料。计划于2020年代末和2030年代初启动的大型氢气和氨气项目都将部署大型空分装置（ASU），从而有效扩大需求。如果美国政策继续鼓励氢气的使用（无论是在交通运输还是工业领域），空分装置的订单量可能会高于以往的预期。同样，液化天然气（LNG）或石化产品出口的任何增长都将提升空分装置的产能，尽管近期的LNG项目通常是利用现有供应进行的。
在供应方面，大型天然气公司将继续用更新、更高效的装置替换老旧的空分装置。我们预计，德克萨斯州、路易斯安那州、伊利诺伊州/印第安纳州和俄亥俄州等地的老旧空分装置将会进行升级或更换。技术改进（例如更先进的压缩机、数字化控制系统、余热回收以及低温/变压吸附混合配置）将降低运营成本并提高灵活性。然而，低温空分装置的根本优势——超大容量和高纯度——意味着它们仍将是散装天然气供应的首选方案。事实上，据估计，到2035年，美国将有大约一百座大型空分装置投入运营，总投资额将达数十亿美元。
总而言之，低温空气分离装置在2025年至2035年期间仍将是美国工业的关键基础设施。钢铁生产将继续消耗大部分氧气，而可靠的医用氧气供应、不断扩大的液化天然气/石化产能以及蓬勃发展的氢气/氨行业将使液态氧、氮气和氩气的需求保持高位。主要的工业气体供应商和设备制造商已开始为这一未来做好准备——建设新的空气分离装置、扩建管道并提高效率——以确保在未来十年内为所有这些终端用户提供安全、高纯度的气体供应。
