介绍
低温空气分离是大规模生产工业氧气和氮气的基石技术。在此过程中，空气中的组分在极低的温度下分离，从而获得满足严苛工业要求的高纯度气体。从美国的钢铁厂到欧洲的化工厂，空气分离装置 (ASU) 为现代制造业和能源部门提供持续不断的氧气和氮气供应。本文探讨了这种低温工艺的工作原理、其在钢铁、化工和新能源等关键行业的应用，以及它与变压吸附 (PSA) 和膜分离等替代技术的比较。本文采用技术性但易于理解的语言，旨在向研究人员、工艺工程师和行业专业人士介绍这项关键技术在美国和欧盟的当前应用和市场意义。
低温空气分离的工作原理
了解这种工艺的工作原理有助于理解为什么它能够提供无与伦比的纯度和产量。低温空气分离是指将空气冷却至极低温度，然后利用蒸馏法分离其组成成分。大型低温空气分离装置的典型步骤如下：
- 空气压缩和过滤：首先，环境空气被吸入，并通过多级压缩机压缩至高压。过滤器和分子筛床（预净化装置）会去除水蒸气、二氧化碳和其他污染物，以防止在后续阶段形成冰块或造成堵塞。
- 冷却和液化：洁净的高压空气在换热器中被逆流的低温产品流冷却。然后，空气通过膨胀涡轮机或焦耳-汤姆逊阀膨胀，导致一部分空气在约 –180 °C 的温度下液化。由此产生低温条件下的液态和气态空气混合物。
- 低温精馏：冷空气混合物被送入精馏塔系统（通常采用双塔设计，包括高压塔和低压塔）。利用氮气和氧气沸点略有差异（氮气沸点为-196°C，氧气沸点为-183°C），精馏塔将混合物分离：氮气以气态形式聚集在塔顶，而富氧液体则聚集在塔底。连接的低压塔进一步精炼分离过程，最终在塔底获得纯度高于99.5%的氧气，在塔顶获得纯度高于99.9%的氮气。此外，还可以通过侧流塔从中间液流中提取氩气（纯度约为99.9%）。
- 再沸器和冷凝器：位于塔柱交界处的集成式换热器（再沸器-冷凝器单元）有助于热量传递。低压塔中的氧气沸腾产生蒸汽，用于加热高压塔中的氮气，而冷凝的氮气则用于低压塔的回流。这种能量集成是提高效率的关键。
- 产品提取和储存：分离后的氧气和氮气被提取出来。氧气通常以约 99.5% 的纯度以气态形式输送到管道或用于其他工艺流程，或以液态形式（液氧）储存在储罐中。氮气可以以气态形式输送（用于电子和化工行业的氮气纯度通常为 99.9% 至 99.999%），也可以以液态形式（液氮）储存和运输。许多大型空分装置还会同时生产液态氩气和其他稀有气体作为有价值的副产品。生产液态产品的能力可以提供备用供应（例如，在维护期间）并通过商业销售带来额外收入。
这种低温精馏工艺需要大量的制冷能量，但能够生产出极高纯度和大批量的产品。先进经济体中的现代化空分装置采用高效涡轮膨胀机、塔内规整填料和智能控制系统，以最大限度地降低单位气体产量的能耗。尽管这些装置结构复杂且投资巨大，但其运行原理已得到充分理解，并且运行可靠，因此成为批量供应氧气和氮气的首选方案。
在主要行业的应用
低温空气分离技术在多个行业中发挥着关键作用，尤其是在钢铁、化工制造和新兴能源领域。在美国和欧洲，数千家空气分离工厂生产着维持这些行业运转所需的各种气体。以下我们将重点介绍各个行业的关键应用和实践：
钢铁行业
钢铁工业是低温空气分离制氧的最大用户之一。现代炼钢工艺依赖高纯度氧气来增强燃烧并去除熔铁中的杂质。
- 碱性氧气转炉 (BOF)：在综合钢铁厂中，碱性氧气转炉使用大量纯度约为 99.5% 的氧气将生铁转化为钢。每生产一吨钢可能需要数十立方米的氧气，因此需要安装现场低温空气分离装置 (ASU) 以提供持续的氧气流。美国和欧盟的钢铁厂通常拥有专用的空气分离装置，每天可生产数千吨氧气，从而确保为炼钢转炉提供稳定的氧气供应。
- 电弧炉 (EAF)：即使是小型钢厂和废钢回收企业也会在电弧炉中使用氧气喷枪来提高温度和效率。低温氧气可以提高炉温，加快废钢熔化速度。欧洲和美国的许多钢铁厂为此目的在其电弧炉旁配备了现场或附近的空气分离装置 (ASU)。
- 切割和加热：来自低温分离装置的氧气也用于钢材的火焰切割、钢包加热和其他冶金工艺。高纯度氧气可以防止引入可能影响金属质量的氮气或水分。
- 行业趋势：在欧洲，钢铁脱碳举措（例如使用基于氢气的直接还原铁）仍然依赖氧气进行炉体加热和下游精炼等工艺。低温空气分离技术在这些新的工艺配置中仍然至关重要。在美国和欧盟，钢铁制造商都强调提高空分装置的能源效率，并经常将空分装置的产出与为多个钢厂供气的天然气管道网络连接起来。
化学制造
美国和欧盟的化工和石化行业是低温空气分离应用的另一个基石。这些行业需要大量高纯度的氮气和氧气：
- 氨和化肥生产：氨工厂需要持续供应高纯度氮气，才能用氢气合成氨（NH₃）。大型低温空气分离装置通常与氨工厂配套使用，用于生产氮气（以及副产品氧气）。例如，在美国墨西哥湾沿岸地区和欧洲的化工产业集群中，低温空气分离装置为大型氨和化肥联合企业提供氮气原料。
- 氧化过程：许多化学过程使用纯氧来高效地推动反应。环氧乙烷、环氧丙烷和其他氧化物化学品是通过在催化剂存在下使碳氢化合物与氧气反应而生产的。使用来自低温分离装置的95%至99.9%纯度的氧气可以提高产率并减少不必要的副产物。欧洲的化学品制造商和美国的炼油厂通常依靠现场制氧装置来支持此类氧化反应（例如，用于生产环氧乙烷或用于硫回收装置）。
- 炼油和天然气加工：炼油厂使用大量氮气进行惰性气体保护、吹扫和覆盖，以防止易燃化学品发生火灾和爆炸。炼油厂综合设施中的低温空气分离装置 (ASU) 提供氮气，用于防火防爆，同时还提供氧气，用于重质残渣气化或再生催化工艺等过程。在天然气加工和液化天然气 (LNG) 设施中，低温氮气用于管道吹扫，并在某些液化循环中用作制冷剂。
- 工业气体分销：欧洲和美国都拥有广泛的管道网络和氧气、氮气散装输送系统。集中式低温工厂生产这些气体，并将其分销给各种规模较小的化工厂、制药厂、食品加工厂和电子制造厂。低温生产工艺的可靠性和高纯度是这些行业安全和质量的基石。
新能源和清洁技术领域
在新兴能源和清洁技术应用领域，低温空气分离技术正重新获得重视：
- 氢气生产（蓝色氢气）：蓝色氢气项目（利用天然气或煤炭生产氢气并进行碳捕集）通常需要大量的氧气。自热重整或煤气化等工艺使用纯氧（而非空气），以避免合成气中氮气稀释。在美国和欧洲，低温空气分离装置（ASU）已建在气化炉旁，用于为氢气生产提供氧气，同时将产生的二氧化碳进行封存。尽管绿色氢气（通过电解制氢）正在发展，但电解槽产生的副产品氧气通常不足以替代专用的空气分离装置，无法满足大规模连续运行的需求。
- 碳捕集和富氧燃烧：发电厂和工业炉窑正在试验富氧燃烧技术——即在纯氧环境中燃烧燃料，从而产生富含二氧化碳的废气，以便于进行碳捕集。这项技术已应用于欧洲的一些试点项目，例如先进的水泥窑和发电站，其关键在于利用低温空气分离技术来提供所需的氧气。欧盟的一些新型富氧燃烧项目将最先进的低温设备与碳捕集系统相结合，以减少水泥和钢铁等行业的排放。
- 能源储存和电池制造：新型能源储存系统，例如液态空气储能（LAES），利用低温技术在用电低谷时段将空气液化，并在需要时通过气化释放能量。这些系统包含小型低温空气分离循环。此外，美国和欧洲电动汽车电池超级工厂的兴建增加了对高纯度氮气的需求，以提供无湿气的惰性环境。低温或先进的变压吸附（PSA）装置为这些工厂供应氮气，这凸显了即使是新兴能源产业也依赖于空气分离技术。
低温空气分离技术的优势
低温空气分离技术在规模化生产氧气和氮气方面具有显著优势，尤其与变压吸附（PSA）和膜分离等非低温方法相比更是如此。其主要优势在于能够同时实现高纯度和大产量：
- 超高纯度：低温精馏技术可实现氧气纯度达到 99.5%（某些设计甚至更高），如有需要，氮气纯度可达 99.999%（五个九）。这远远超过了变压吸附 (PSA) 或膜分离系统的典型纯度极限，对于电子制造、制药以及任何需要极高纯度惰性气体或氧化性气体的工艺而言至关重要。
- 产能巨大：低温空气分离装置在大规模生产中具有经济优势。它们每天可以生产数百至数千吨氧气或氮气，足以满足整个工业综合体的需求。相比之下，变压吸附（PSA）和膜分离装置通常只适用于中等规模的生产。对于高于一定阈值（例如每小时数百立方米及以上）的持续需求，低温空气分离装置能够提供更低的单位气体成本和更可靠的供应。
- 多种产品（氩气和液态气体）：只有低温系统才能轻松实现氩气和空气中其他稀有气体（如氖、氪、氙，在专用设备中）的联产。例如，氩气是一种重要的副产品，许多大型空分装置都通过额外的蒸馏步骤回收氩气，这对焊接和电子市场至关重要。低温装置还能生产液氧和液氮，这些液态气体可以作为备用库存储存在现场，或运输到异地客户处。变压吸附（PSA）和膜分离系统无法生产液态产品或回收稀有气体。
- 规模化能源效率：虽然低温装置的电力需求很高，但在产量非常大的情况下，其单位气体产量的能效通常比运行多个小型变压吸附（PSA）或膜分离装置来提供相同体积的气体更高。美国和欧盟的现代化低温工厂通常会集成各种节能措施，例如废热回收、先进的工艺控制，有时还会与液化天然气（LNG）接收站或可再生能源发电设施相结合，从而降低整体能源消耗。
- 可靠性和稳定性：工业低温空分装置专为24小时不间断运行而设计，具有极高的可靠性（通常运行时间超过99%）。它们能够出色地满足稳定的基础负荷需求。而PSA和膜分离制氮机由于其快速循环运行以及对过滤器/吸附剂状态的依赖，通常需要比同等产量的空分装置更频繁的维护。大型低温空分装置由经验丰富的操作人员或工业气体公司管理，可提供长期稳定的供气合同，深受大型企业的信赖，确保其生产运营不间断。
为了说明低温空气分离技术与变压吸附（PSA）技术和膜分离技术的区别，我们可以并列比较几个关键因素：
| Factor | 低温空气分离 | PSA（变压吸附） | 膜分离 |
|---|---|---|---|
| 纯度（O₂） | 纯度高达约 99.5%（适用于医疗/钢铁行业的高纯度氧气） | 最高可达约 95%（对于变压吸附制氧设备，通常为 90-93%）。 | 氧气浓度最高约为 40%（富氧空气，并非纯氧） |
| 纯度 (N₂) | 纯度可达 99.999%（可实现超高纯度氮气） | 纯度高达 99.9%（使用大型变压吸附系统可实现高纯度） | 约 95–99%（中等纯度氮气输出） |
| 最佳量程范围 | 大规模（≥ 500 Nm³/h 及以上）；最适合超大流量和连续供应的场合。 | 流量范围为小型到中型（几十到几百立方米/小时）；可根据需要添加模块化单元。 | 流量范围为小型到中型（几十到约 1000 Nm³/h）；采用模块化设计（可堆叠额外的膜组件以增加流量）。 |
| 启动速度 | 速度慢（启动和冷却需要数小时） | 中等难度（需要 15-30 分钟才能达到规定的纯度） | 速度非常快（几乎是瞬间完成；不到 5 分钟） |
| 资本和设备成本 | 高（包括压缩机、冷箱、精馏塔等主要基础设施） | 低到中等（橇装式设备，安装设置更简单） | 维护成本低（活动部件少；主要包括压缩机和膜组件） |
| 运营成本（能源） | 单位燃气成本较高（虽然大型设备可以实现规模经济，但制冷所需的能源消耗仍然很大）。 | 低到中等（主要为压缩机工作；随着纯度接近上限，能耗会升高） | 能耗较低（主要用于压缩机工作；如果追求更高的纯度或压力，能耗会增加） |
| 维护复杂性 | 维护成本高（压缩机、涡轮机、低温设备需要专家进行维护） | 维护要求适中（阀门和吸附床需要定期维护；保持进气清洁）。 | 低（膜组件没有活动部件，但性能会逐渐下降，需要每隔几年更换一次） |
| 主要优势 | 纯度极高，产量巨大；可生产液态产品并回收氩气；已在基础负荷运行中得到充分验证。 | 操作简单；安装快捷；适用于现场中型需求或需求波动较大的情况。 | 极其简洁；占地面积小；可立即启动/停止；维护要求低。 |
| 局限性 | 资本支出和电力消耗高；小规模生产不经济；产能提升缓慢，且如果需求波动，灵活性不足。 | 氧气纯度有限（最高约 95%）；不适用于中等流量以上的应用；无法生产液氧或氩气。 | 最高纯度有限；产品压力较低；膜对湿度敏感，需要清洁干燥的空气供应。 |
实际上，这些技术通常是互补的。许多公司由于其前期成本较低且灵活性高，会使用变压吸附制氧机或膜分离系统来满足小规模、间歇性或低纯度需求，同时依靠低温分离装置来生产大部分高纯度、大批量的氧气和氮气。值得注意的是，在美国和欧洲，工业气体供应商通常会提供多种解决方案：既有用于管道网络和液体分销的大型中央低温生产设施，也有用于满足客户特殊或小批量需求的现场制气设备。
结论
低温空气分离技术仍然是大规模氧气和氮气生产的黄金标准，它将成熟的工程技术与持续创新相结合。在美国和欧盟的钢铁、化工和能源等行业，低温空气分离装置构成了无形的支柱——默默地将空气分离成各种气体，从而维持熔炉高温、反应器运转以及产品生产。与其他方法相比，这项技术能够安全可靠地提供极高纯度和大批量气体，其优势无可匹敌。
与此同时，当今市场对效率和可持续性提出了更高的要求。欧美工业气体行业正在积极升级低温装置，采用更加环保的措施：例如利用可再生能源电力合同、增加热集成和储能系统以削减峰值电力负荷，并采用数字控制技术（甚至包括数字孪生和基于人工智能的优化器）来实现最佳性能。这些改进措施在提高产量的同时，也降低了空气分离过程对环境的影响。与此同时，变压吸附（PSA）和膜分离系统也找到了各自的利基市场，适用于分散式和小规模供气，确保每种应用都能获得最合适的解决方案。
总而言之，低温空气分离技术是重工业和新兴能源应用的关键支撑技术。凭借在纯度和产能方面的技术优势，该技术在大规模氧气和氮气生产领域占据主导地位。随着美国和欧盟工业的持续发展——致力于降低碳排放、开发新能源系统和发展先进制造业——低温空气分离技术的作用将继续至关重要，并将在持续创新的推动下，迎接下一代挑战。
