低温空气分离制氧技术：技术、效率和应用

介绍

低温空气分离 是一种将大气空气冷却至极低温度并进行蒸馏，从而将其分离成主要成分（尤其是氧气）的工艺。一个多世纪以来，这项技术一直是大规模制氧的基石，使世界各地的工业企业能够获得高纯度氧气以及氮气和氩气等有价值的副产品。在低温空气分离过程中，空气在低温（低于-180°C）下液化，以便根据其成分不同的沸点将其分离出来。最终得到的是超高纯度氧气（通常为99.5%或更高），其产量足以满足主要的工业需求。本文探讨了低温空气分离的工作原理，概述了空气分离装置（ASU）的工艺阶段和关键部件，讨论了其效率和能源需求，并探讨了该技术的广泛应用、优势、局限性和未来发展趋势。

低温空气分离的工作原理

低温空气分离的工作原理是利用低温下的分馏。空气中各组分的沸点不同；例如，氮气在约-196°C时液化，氧气在约-183°C时液化，氩气在约-186°C时液化。通过将空气压缩并冷却至这些低温，空气被液化，其组分在蒸馏塔的不同液位汽化或冷凝时即可分离。

实际上，空气分离装置首先过滤并压缩环境空气，然后去除水和二氧化碳等在低温下会结冰的杂质。净化后的空气随后在高效换热器（冷箱）内冷却，直至部分空气液化。这种低温液化空气被送入蒸馏塔系统。由于塔内存在温度梯度，沸点最低的氮气会沸腾并上升到塔顶，而沸点较高的氧气则以液态形式留在塔底。沸点介于氧气和氮气之间的氩气可以从塔中抽出，送至二级塔进行进一步提纯。通过维持适当的低温和压力，该系统可以持续产生高纯度氧气。本质上，低温空气分离利用热力学原理——通过膨胀和热交换进行冷却——来实现空气的相变和分离，从而得到纯净的气体。

流程阶段

低温空气分离过程包括几个关键步骤，这些步骤共同产生纯氧和其他气体：

1. 进气和压缩：环境空气经过滤器吸入，去除灰尘和颗粒物。洁净的空气随后由多级空气压缩机压缩至通常在 5-10 巴范围内的压力。压缩级之间的冷却器会去除热量并冷凝部分水分。
2. 预冷却和净化：压缩空气通过冷却水或制冷冷却至接近或低于环境温度。然后，它流经净化装置（通常是带有分子筛吸附器的双塔），去除水蒸气、二氧化碳和任何碳氢化合物。这一步骤至关重要，可以防止这些杂质冻结并堵塞下游设备。
3. 低温冷却（热交换）：接下来，干燥洁净的空气进入冷箱，在钎焊铝板翅式换热器中逐步冷却至低温（约-180°C）。进入的空气通过与排出的产品和废气流进行热交换而被冷却。一部分空气可能被分流并通过膨胀涡轮机（涡轮膨胀机）膨胀，以利用焦耳-汤姆逊效应提供额外的制冷。到此阶段结束时，大部分空气已被液化或成为低温的汽液混合物。
4. 分馏：冷液化空气被送入分馏塔系统，以分离氧气、氮气和氩气。现代空分装置采用双塔结构：高压塔和低压塔，两者之间通过冷凝器-再沸器连接。在高压塔中，富氮蒸汽上升到塔顶并冷凝，而富氧液体则聚集在塔底。这种富氧液体随后被送入低压塔（工作压力约为1.2巴），在那里进行分馏，在塔顶产生高纯度气态氮气，在塔底产生液氧。如果需要高纯度氩气，则从低压塔的中间级抽取一部分氩气进入单独的氩气提纯塔。在整个过程中，换热器和塔的紧密集成确保了高效的能源利用。
5. 产品提取和复温：纯氧（通常为99%–99.5%，由低温蒸馏制得）从低压塔底部抽出。根据需要，它可以以液态形式泵送至储罐，或蒸发并复温至环境温度后以气态形式输送。高纯氮气从高压塔或低压塔顶部抽出。如果制得氩气，则从塔中收集，纯度约为99.9%。所有产品流均通过热交换器进行复温，热交换器通过冷却进入的空气来回收冷能。剩余的不凝性气体（主要是氧气提取后的过量氮气）也被复温，通常排放到大气中或用作现场惰性气体。
6. 储存与供应： 产出的氧气可以以气态形式通过管道输送到附近的工艺流程，也可以液化后储存。大型空气分离装置通常同时生产气态氧（用于直接工业用途）和液氧（储存在隔热低温储罐中，作为备用供应或运输）。液氮和液氩也根据需要进行储存或运输。整个过程连续稳定运行，以维持低温和产品纯度，因为频繁停机是不切实际的。

关键系统组件

低温空气分离装置（ASU）由多个集成组件构成，每个组件都执行特定的功能，以实现氧气的生产：

• 主空气压缩机：这是一款多级压缩机（带中间冷却装置），用于提高进气压力。它为气流输送提供驱动力，并且由于压缩空气随后膨胀冷却，还能起到制冷作用。该压缩机通常是空分装置中耗电量最大的设备之一。
• 预冷装置：一种热交换器或冷却系统，用于在压缩空气进入低温段之前降低其温度。通常采用直接接触式冷却塔，利用冷水冷却空气并冷凝掉大部分剩余水分。
• 分子筛净化器：由一对装有干燥剂（沸石或氧化铝）的吸附容器组成，用于吸附残留的水、二氧化碳和碳氢化合物。该净化器可防止这些污染物在冷箱中冻结。两个容器交替运行，一个进行吸附，另一个则进行再生（使用温暖干燥的气体），从而确保持续供应洁净干燥的空气。
• 冷箱和换热器：冷箱是一个隔热外壳，内部装有低温换热器（通常为钎焊铝板翅式换热器）以及蒸馏塔。冷箱内，进入的空气与返回的低温产品和废液流相互冷却。这些换热器设计成温差最小，以最大限度地提高热回收率和制冷效率。
• 膨胀涡轮机（涡轮膨胀机）：一种涡轮机械，它将一部分高压空气膨胀到较低压力，从而产生显著的温度下降。这种膨胀提供了必要的制冷，使部分空气液化。涡轮膨胀机通常与压缩机驱动系统或发电机连接，以回收能量。它在空分装置（ASU）中高效制冷方面起着至关重要的作用。
• 蒸馏塔： 蒸馏塔是低温空气分离装置的核心部件，它们是高大的圆柱形塔（通常为双塔配置），通过蒸馏分离氧气、氮气和氩气。塔内装有多层塔板或规整填料。高压塔顶部产生纯氮气，底部产生富氧液体；低压塔底部将富氧液体提纯为高纯度氧气，顶部产生废氮气。两塔之间设有内部再沸器-冷凝器，用于进行热交换：低压塔中氧气沸腾，高压塔中氮气冷凝。
• 氩气分离塔：当需要捕集氩气时，会使用额外的分离塔。它接收来自低压塔（氩气浓度最高）的富氧液体侧流。在氩气分离塔中，氩气与氧气（和氮气）分离，生成粗氩气，粗氩气可进一步提纯，得到纯度约为99.9%的氩气。由于塔填料的改进，现代工厂通常使用两个氩气分离塔（粗氩气塔和纯氩气塔），无需进行氢气脱氧。
• 低温储罐 用于储存工厂生产的液氧、液氮或液氩的真空绝热储罐。这些储罐能够以最小的热泄漏维持低温，并提供缓冲容量。储存的液态产品可在高峰需求时汽化使用，或运往厂外。对于氧气供应的可靠性（例如，医院或连续生产过程），储罐尤为重要，因为它可以在空气分离装置 (ASU) 发生短暂停机或需要维护时提供备用氧气。
• 仪表与控制： 空气分离装置 (ASU) 采用了大量的传感器、控制阀和自动化控制系统进行监测和调节。温度、压力、流量和纯度等参数均受到持续监控，以确保装置安全高效运行。鉴于其复杂性和危险性（例如极低温度、高氧浓度），现代低温空气分离装置配备了先进的控制系统和安全联锁装置，以确保稳定运行并能快速响应任何偏差。

效率和能源消耗

低温空气分离是一项高能耗工艺，主要原因是压缩空气和实现低温制冷需要消耗大量能量。设备运行成本的很大一部分是主空气压缩机及相关设备消耗的电力。实际上，大型现代化空气分离装置每生产一吨氧气大约消耗200至250千瓦时的电力（该数值会因装置规模、设计和产品纯度目标而异）。规模较小或较老的装置可能具有更高的单位能耗——对于中等规模的空气分离装置，有时甚至高达每吨400至600千瓦时——因为它们无法享受到规模经济效益。作为参考，从空气中分离氧气的热力学最小能量约为每吨50千瓦时，因此，由于效率损失和实际限制，实际系统的运行能耗通常是该最小值的数倍。

多项设计特性可提高低温空气分离的效率。通过回收冷能，最大限度地实现了热集成：排出的冷氮气和冷氧气流可预冷热交换器中的进气。膨胀涡轮机取代了简单的节流阀，从而更高效地产生制冷（并回收能量）。此外，在最佳压力下运行蒸馏塔并使用先进的塔内件（例如可降低压降的结构填料）有助于降低分离所需的能量。采用更优化的空气动力学设计和更高电机效率的现代空气压缩机，进一步降低了单位氧气的能耗。

尽管进行了这些优化，低温空分装置仍然是耗电大户。例如，一座典型的日产1000吨氧气的工厂可能需要持续消耗数十兆瓦的电力。这些工厂通常以高容量系数（通常高于95%的正常运行时间）全天候运行，以避免升温和降温过程中的损耗。由于能耗高，运营商经常寻求提高整体经济效益的方法——例如，在用电低谷时段购买电力，或将空分装置与其他工艺集成，以利用废热或废冷。几十年来，低温空气分离的效率稳步提高，但由于气体液化的基本热力学特性，进一步大幅降低能耗仍然面临挑战。

工业应用

低温空气分离装置为全球众多行业提供氧气（以及副产品氮气和氩气）。主要工业应用包括：

• 钢铁和金属生产：炼钢（例如，碱性氧气转炉和氧气喷射电弧炉）和有色金属冶炼过程中会消耗大量的氧气。注入高纯氧可以增强燃烧并提高炉温，从而提高金属生产的效率和产品质量。
• 化学和石油化工行业：氧气是煤气化和烃类部分氧化等工艺的原料，这些工艺可生产合成气，用于氨、甲醇或费托合成燃料的生产。炼油厂和石油化工厂利用氧气进行硫回收装置和氧裂化等工艺。大型气转液、煤转液或气化装置配套的低温空分装置通常每天可生产数千吨氧气，以支持这些工艺。
• 能源与发电：富氧燃烧发电厂在纯氧或富氧环境下燃烧燃料，产生富含二氧化碳的烟气，这种烟气更容易被捕获用于碳封存。此类电厂需要大量的氧气供应，通常由现场低温空气分离装置提供。氧气还用于工业锅炉、水泥炉或玻璃炉的空气富集，以提高效率。在航空航天领域，火箭发射场消耗大量的液氧（LOX）作为火箭推进剂的氧化剂；这些液氧由低温空气分离装置生产和储存。
• 医疗保健：医院使用的医用氧气通常在中央工厂通过低温分离技术生产，然后以液氧形式通过罐车运送到医院储存，待其汽化后使用。许多医院和诊所依赖这种大宗液氧供应来满足患者护理所需的高纯度（99%以上）氧气。虽然在某些情况下也会使用小型现场PSA制氧机（提供约93%的医用氧气），但低温工厂对于氧气瓶的灌装和大型医疗机构的供氧仍然至关重要，尤其是在99%纯度为标准的地区。
• 电子和半导体制造：超高纯度氧气（99.9%以上）以及高纯度氮气对于半导体制造和其他电子制造工艺至关重要。低温空气分离技术用于获得这些气体所需的纯度。半导体行业也十分重视低温设备的可靠性和大容量，因为单个制造工厂可能消耗大量的纯气体。
• 焊接和金属切割：氧乙炔焊割炬中使用的氧气通常由低温制氧装置提供。工业气体公司使用低温空气分离装置将氧气液化，然后充装高压气瓶进行分销。如果没有低温制氧，就很难经济有效地满足无数车间和建筑工地分散的焊接氧气需求。
• 食品加工和水处理：在食品加工中，来自同一气调装置的氮气通常用于冷冻、冷藏和食品包装（气调包装），而氧气有时用于水产养殖池塘的充氧或用于特殊的食品保藏工艺。在废水处理中，纯氧或富氧可以鼓入曝气池以提高生物处理效率；大型市政系统可能会利用低温装置生产的液氧来补充曝气，尤其是在需要比空气所能提供的更高的溶解氧浓度时。

总之，低温空气分离技术能够可靠、持续地为各行各业提供气态和液态氧气。它经济高效地生产高纯度、大批量氧气，使其成为重工业以及任何氧气需求量大且持续的应用领域的首选。

优势与局限性

优势：低温空气分离在制氧方面具有以下几个显著优势：

• 高纯度输出：该设备能够稳定地生产纯度为 99.5%（或更高）的氧气，这对于许多工业和医疗应用至关重要。同时，它还能同时生产高纯度的氮气和氩气作为有价值的副产品，而其他技术（例如变压吸附法）难以以类似的纯度和产量提供这些副产品。
• 产能巨大：低温制氧装置可扩展至非常大的规模——单个空分装置每天可生产数千吨氧气。这使得它们非常适合满足氧气需求量巨大的行业，而且随着规模的扩大，单位氧气的成本往往会降低。
• 规模化成本效益：尽管建造费用昂贵，但在大批量生产的情况下，低温空分装置通常能提供最低的单位氧气成本。由于更好的热集成和设备效率，每立方米氧气的能耗通常会随着规模的扩大而降低，因此对于大批量需求，低温分离比多个小型装置更经济。
• 产品形态多样：这些装置可以生产气态和液态氧气。生产液氧（以及液氮）的能力是低温技术独有的，便于储存和运输。液态产品储存可以提供缓冲，在需求高峰期或空分装置暂时停机等紧急情况下供应氧气。
• 成熟可靠的技术：低温蒸馏是一项成熟可靠的技术，拥有数十年的运行经验。现代化的空分装置高度自动化且坚固耐用。只要维护得当，它们就能长期可靠运行，装置使用寿命可达20年以上。此外，低温系统还拥有丰富的行业经验和完善的支持体系。

局限性：尽管低温空气分离技术具有诸多优势，但也存在一些缺点：

• 高能耗：该工艺需要大量电力用于空气压缩和制冷。这意味着高昂的运营成本，而且如果电力来自化石燃料，还会产生显著的间接碳排放。即使采用高效设计，低温制氧工艺生产单位氧气所需的能量也高于规模较小的其他新型替代方案。
• 资本和基础设施密集型：建造低温制氧厂需要大量的资本投入。冷箱、蒸馏塔、多级压缩机和换热器构成了一个复杂的设施，还需要大量的空间和配套基础设施（地基、冷却水系统、电力供应等）。由于前期成本高昂且复杂，只有在持续存在高氧气需求的情况下，低温空分装置才具有经济效益。
• 运行复杂性： 这些装置的运行和维护都非常复杂。它们需要熟练的人员和对众多变量的精确控制才能保持工艺稳定。低温系统的调节灵活性也有限——它们在接近设计产能的稳定状态下运行效果最佳。大幅提高或降低产量都非常缓慢，并且可能会破坏塔的平衡。停机（无论是计划内还是计划外）后，重新启动和冷却以达到合格产品标准可能需要数小时，这对于依赖不间断氧气供应的用户来说是一个后勤方面的挑战。
• 不适用于小规模需求：对于较小的氧气需求（例如每天几吨或更少），低温制氧装置通常不实用。像变压吸附 (PSA) 或变压吸附 (VPSA) 这样的更简单的技术更适合中小规模的现场制氧。低温空气处理装置只有在处理非常大的空气量时才能发挥其效率和成本优势，因此对于适中的需求来说，它们是多余的。
• 安全与维护挑战：处理低温液体和高纯氧气存在安全隐患。必须选择能够承受极低温度的材料；脆性断裂和热应力是工程方面需要考虑的问题。纯氧环境会极大地加速燃烧，因此必须严格避免任何有机污染物（例如油类），以防止富氧设备发生火灾或爆炸。需要对旋转机械（压缩机、膨胀机）进行维护，并定期检修冷箱内部组件，这些都需要专业知识和谨慎的操作规程来确保安全。

与其他制氧技术的比较

虽然低温蒸馏是目前大规模制氧的主要方法，但其他技术则用于小规模或低纯度需求。两种主要的替代方法是变压吸附 (PSA) 和膜分离。每种方法都有其自身的工作原理、输出特性和理想应用。下表总结了低温空气分离、PSA 和膜制氧的比较：

特征	低温空气分离（蒸馏）	PSA（吸附）	膜分离
氧气纯度	99–99.9%（高纯度）	纯度约为90-95%（中等纯度）	约30-40%（低纯度）
容量范围	大型（数百至数千 Nm³/h；适用于 50 吨/天及以上）	小型至中型（每单位每小时几立方米至几百立方米）	小（几十到几百 Nm³/h）
启动时间	慢速（冷却需要几个小时）	快（启动/停止只需几分钟）	立即生效（无需明显启动时间）
设备复杂性	高 – 多台压缩机、热交换器、蒸馏塔（复杂装置）	中等 – 压缩机和双吸附器容器（撬装式系统）	低成本 – 膜组件和进料压缩机（紧凑型系统）
资金成本	高额资本投入和建设努力	较低的资本成本（模块化设备）	低资本成本（简单设备）
维护与运营	需要熟练的操作人员；需要定期维护低温设备和涡轮机械。	操作相对简单；只需定期更换吸附剂和进行基本维护。	维护量极低；活动部件少（主要只有空气压缩机）
典型用途	需要大量高纯度氧气的大型工业企业（钢铁厂、大型化工厂、工业气体供应商；也需要用于生产液态氧气）	为医院、小型工厂、废水处理厂、玻璃作坊等场所提供现场氧气供应（当氧气浓度达到 90-95% 左右时）。	某些特殊应用只需少量富氧即可（例如，在某些工艺中增强燃烧空气）。

总之，由于其快速启停能力和更简单的安装方式，PSA制氧机非常适合小批量、低纯度的氧气需求。膜分离系统的作用相对较小，通常只能提供适度的氧气富集（例如，从空气中的21%提高到约30-40%的O₂），而非高纯度氧气。低温空气分离仍然是大规模生产超高纯度氧气或生产液氧的唯一实用选择。通常，工业界会选择PSA或VPSA装置作为分散式或备用氧气供应，而依靠低温装置来满足大批量氧气需求。

未来趋势与创新

随着全球产业的演进和能源问题的日益重要，低温空气分离领域正涌现出旨在提升效率、灵活性和可持续性的创新。其中一个显著趋势是追求更高的能源效率和更低的碳足迹。研究人员和工程师正在探索优化工艺循环，并改进空气分离装置与其他系统的集成。例如，可以利用发电厂或工业过程产生的废热来驱动辅助制冷循环，从而降低空气分离装置所需的电能。一些方案甚至将空气分离装置与液化天然气（LNG）再气化终端集成，利用LNG的冷能来辅助空气液化。

另一个活跃的发展领域是运行灵活性。传统的低温装置在稳态下运行效果最佳，但未来的能源系统可能需要更强的负荷跟踪能力，以应对可再生能源发电量的波动或氧气需求的变化。先进的控制系统和人工智能驱动的工艺优化正在被应用，以使空分装置能够在一定范围内更快、更高效地调节产量。这使得制氧厂能够在电价最低或电力供应最充足时（例如，风能或太阳能发电高峰期）消耗电力，并在高成本高峰时段减少用电量，从而有效地充当电网的灵活负荷。机械设备的改进，例如压缩机的变速驱动器和改进的塔内部件，也有助于提高产量调节和爬坡能力。在短期内，现有低温空分装置的数字化和优化是创新的重点。运营商正在利用先进的分析技术来预测和预防运行问题（例如换热器结冰或塔体不稳定），并实时优化电力使用。通过将过程数据与机器学习相结合，可以使空分装置更接近理想的设定点运行，从而在保持产品规格的同时节省能源。

除了对低温技术的逐步改进之外，一些新型制氧方法也正在涌现，它们可能与低温空气分离技术形成互补或竞争关系。其中一项前景广阔的技术是使用离子传输膜（ITM）——这种陶瓷膜在高温（约 800–900°C）下只允许氧离子通过，从而在渗透侧产生几乎纯净的氧气。ITM 系统（有时也称为氧气传输膜）已在试验规模上得到验证，如果与高温热源（例如，利用气化炉或发电厂的废热）结合使用，可以显著降低制氧能耗。另一种方法是化学链式空气分离，其中金属氧化物颗粒在一个反应​​器中吸收空气中的氧气，然后在加热时在另一个反应器中释放氧气。这种方法避免了对空气进行冷却和蒸馏，如果能够克服实际应用中的挑战，则有望降低能耗。虽然这些技术仍在开发中，尚未商业化应用，但它们代表了未来以比当前低温工艺更低的能耗生产氧气的潜在途径。

随着向清洁能源的持续转型，利用可再生电力驱动低温空气分离装置是提升可持续性的另一重点。一些工业气体生产商已开始向希望减少供应链碳足迹的客户销售“绿色氧气”——即由可再生能源驱动的空分装置（ASU）生产的氧气。此外，大规模氧气生产将在新兴清洁技术中发挥作用；例如，生物质或废弃物气化生产生物燃料需要氧气，甚至在水电解制氢过程中也需要氧气（氧气是副产品，可以收集并利用）。通过与这些趋势相结合，低温空气分离工艺在低碳未来仍将保持其重要性。

结论

低温空气分离技术已被证明是一种可靠且不可或缺的制氧技术，尤其是在需要高纯度和大批量氧气的情况下。它利用空气液化和蒸馏的基本物理原理，提供其他技术无法达到的氧气纯度和产量。尽管其能耗和初始投资成本较高，但它仍然是钢铁、化工和医疗保健等行业可靠氧气来源的首选方法。变压吸附 (PSA) 和膜分离等竞争技术在规模较小或要求不高的应用领域发挥着重要作用，但低温空气分离技术仍然能够满足重工业对规模和纯度的需求。展望未来，改进和创新有望进一步提升这项百年技术，使其更加高效、灵活和可持续。通过集成先进的控制系统、利用废热以及可能采用新的氧气分离方法，低温空气分离技术将不断发展。在一个越来越重视生产力和可持续性的世界里，低温空气分离是一个关键工艺，它在适应现代挑战的同时，也保持了其核心优势。