空气分离装置（ASU）是现代钢铁生产的关键基础设施，为关键工艺提供高纯度氧气、氮气和其他气体。在综合性钢铁厂中，高炉（BF）和转炉（BOF）在炼铁和炼钢过程中消耗大量的氧气（通常纯度>99%）。相比之下，规模较小的钢厂或专业加工厂通常使用厂内小型空气分离装置或外送液化气体，而不是大型空气分离装置。然而，大型空气分离装置能耗很高（通常占钢厂总能耗的10-15%），因此工程师们致力于提高效率和实现系统集成。本文探讨了低温空分装置技术及其在炼钢中的应用——从炉内富氧到铸造和热处理气氛——并考虑了变压吸附和膜系统如何发挥互补作用。
低温空分装置：大规模气体供应
低温空气分离装置 冷却并液化大气空气，然后利用蒸馏塔分离各组分。通常回收的氧气纯度≥99.5%，氮气纯度≥99.9%，同时伴生氩气（约占空气的1%），纯度约为95%。这种多产品空气分离装置每天可生产数百至数千吨气体。它们在大型钢厂中连续运行，消耗大量能源——约占工厂电力消耗的10%至15%——因此，钢铁厂通常会采用热回收和先进的控制系统来提高空气分离装置的效率。大型空分装置的优势在于其灵活性：一体化钢厂可以并行运行多套空分装置（甚至独立的空分装置），以满足高峰需求并提供冗余备份。中央空分装置通过工厂的管道网络输送高压氧气（用于鼓风和转炉吹炼）和氮气/氩气混合气体。其缺点之一是高昂的初始投资和复杂性：低温装置启动时间长，更适合稳定运行而非频繁的负荷波动。
空分装置在钢铁生产中的应用
高炉富氧
高炉利用热风吹拂，以焦炭和燃料还原矿石来生产铁。向鼓风中注入额外的氧气可以提高火焰温度和燃烧效率。实际上，高炉操作人员使用空分装置（ASU）提供的氧气将热风中的氧气浓度提高到约30%～40%，这样可以降低焦炭用量并提高产量。（使用近乎纯氧鼓风的实验表明，生产率显著提高，但这需要特殊的炉体设计，因此并未得到广泛应用。）向高炉风口供应这种富氧气流是空分装置的一项关键任务。
基本氧气转炉（BOF）氧气吹炼
在转炉（BOF）中，高纯氧（通常≥99%）通过水冷喷枪吹入熔融铁水/废钢浴中。氧气氧化杂质（碳、硅等）并释放热量，熔化废钢，完成炼钢过程。典型的转炉吹氧过程持续约15-20分钟，耗氧量约为20,000-40,000 Nm³，流量极高（每小时数千Nm³）。低温空气分离装置（ASU）通过高压管道和压缩机供应氧气，使转炉能够按需获得大量的氧气。如果没有ASU，输送如此大流量的高纯氧气是不可能实现的。（变压吸附（PSA）或膜分离式氧气发生器无法满足如此大批量、高纯度氧气的需求。）
连铸和二次冶金
钢材在转炉精炼后，通过连铸法铸造成板坯或钢锭。铸造过程中，通常将来自空分装置的氩气通过浸没式进料喷嘴注入熔融钢中。氩气气泡能够冲刷钢水，帮助去除非金属夹杂物并防止喷嘴堵塞。这种搅拌作用可以生产出缺陷更少、更洁净的板坯。空分装置提供的氮气也可用于辊筒冷却或作为备用惰性气体，但氩气是铸造过程中主要的“搅拌”气体。（氩气还用于真空脱气和特种钢的氩氧脱碳等二次加工工艺。）在所有情况下，铸造和精炼过程中使用的惰性气体均由钢厂的空分装置供应。
保护性大气和形成性大气
许多精加工工艺需要非氧化性气氛。来自空分装置的高纯氮气用于覆盖退火炉、正火炉或回火炉，以确保钢材在加热过程中不产生氧化皮。例如，钢材可以在几乎不含氧气的纯氮气（或氮气/氢气）气氛中进行回火，从而防止表面氧化。（炉子在氮气氛围中密封，直至温度冷却至约300-400℃以下后方可打开。）空分装置产生的氮气还可作为钢包、管道和储罐吹扫的惰性气体。简而言之，来自空分装置的99%以上纯度的氮气对于防止热处理和锻造过程中的脱碳或氧化至关重要。（在规模较小的工厂中，有时会使用现场变压吸附式氮气发生器作为这些炉子高纯氮气的经济来源。）以上所有用途都依赖于钢厂中央空分装置稳定供应氧气、氮气或氩气。
钢结构中的PSA和膜系统
变压吸附 (PSA) 和膜分离器是紧凑型现场制氧或制氮方案，但规模和纯度较低。典型的 PSA 制氧机可产出约 90-95% 的氧气，PSA 制氮机可产出 95-99% 的氮气。这些设备适用于中小流量。例如，钢铁厂可以使用 PSA 制氮机为退火炉或气动控制系统供气，而不是将所有氮气都从空分装置 (ASU) 输送出去。PSA 制氧机的氧气可用于小型富氧燃烧器或辅助炉，但不能用于主转炉 (BOF)。膜分离器可产出富氧空气（氧气含量约 30-40%）或中等纯度的氮气（约 90-98%）。它们的优点是操作简单、启动迅速。膜分离器制氧装置可用于提高再加热炉的燃烧空气浓度，而膜分离器制氮气装置可为电缆绝缘或小型覆盖作业提供惰性气体。
实际上，PSA 和膜分离装置是对主空分装置的补充，而非替代。它们通常安装在用气点附近。例如，冷轧生产线的退火炉可能配备 PSA 氮气发生器，而钢包燃烧器可能使用膜分离富氧装置。一般来说，大流量、高纯度需求（例如高炉和转炉吹气）由低温空分装置满足，而 PSA/膜分离装置则满足局部或灵活性需求。通过将中央空分装置与这些辅助系统相结合，钢铁生产既能获得大流量气体，又能实现按需供气的灵活性。
| 系统 | 纯度（O₂/N₂） | 流量能力 | 功耗 | 典型钢铁应用 |
|---|---|---|---|---|
| 低温空气单元 | O₂ ≥99.5%；N₂ ≥99.99%；（氩气生成） | 非常高（数百至数千牛米/小时） | 每 Nm³ O2 约 0.3–0.5 kWh | 高炉/转炉用氧气散装供应；氮气散装供应；氩气用于脱气；设备惰化 |
| PSA发生器 | O₂含量约为90-95%；N₂含量高达约99% | 中等流量（数十至约 5,000 Nm³/小时） | 中等（~0.5–1 kWh/Nm³ O₂） | 现场氮气供应（用于热处理炉和覆盖层）；小型氧气供应（燃烧器）；备用供应 |
| 膜系统 | 富氧空气（O₂含量约30-40%）；N₂含量约90-98% | 低至中等（10–1,000 Nm³/hr） | 中等（~0.5–1 kWh/Nm³ O₂） | 用于现场氧气富集（炉膛、钢包）；氮气用于局部惰化或仪表空气 |
该比较表明，低温空分装置可提供超高纯度和巨大产能（但成本和能源消耗较高），而 PSA 和膜系统则以纯度/规模为代价换取了简易性和模块化。
结论
在实际操作中，钢铁企业通常会并行运行多套空分装置（ASU）或多个空分装置，以满足需求并提供冗余备份。空分装置是钢铁行业气体供应的主力军，因此高炉（BF）或转炉（BOF）产能的任何大幅提升都必须相应增加空分装置的产能。通过将大型低温空分装置（用于大量氧气/氮气/氩气）与小型变压吸附（PSA）和膜分离装置（用于补充需求）相结合，现代钢厂能够兼顾规模和灵活性。持续提高空分装置的效率（例如，通过热回收或先进的控制系统）一直是工程师关注的重点，因为即使空分装置的效率提升幅度很小，也能转化为整个工厂的大量能源和成本节约。
空气分离装置（ASU）是现代钢铁生产的关键基础设施，为关键工艺提供高纯度氧气、氮气和其他气体。在综合性钢铁厂中，高炉（BF）和转炉（BOF）在炼铁和炼钢过程中消耗大量的氧气（通常纯度>99%）。相比之下，规模较小的钢厂或专业加工厂通常使用厂内小型空气分离装置或外送液化气体，而不是大型空气分离装置。然而，大型空气分离装置能耗很高（通常占钢厂总能耗的10-15%），因此工程师们致力于提高效率和实现系统集成。本文探讨了低温空分装置技术及其在炼钢中的应用——从炉内富氧到铸造和热处理气氛——并考虑了变压吸附和膜系统如何发挥互补作用。
低温空分装置：大规模气体供应
低温空气分离装置 冷却并液化大气空气，然后利用蒸馏塔分离各组分。通常回收的氧气纯度≥99.5%，氮气纯度≥99.9%，同时伴生氩气（约占空气的1%），纯度约为95%。这种多产品空气分离装置每天可生产数百至数千吨气体。它们在大型钢厂中连续运行，消耗大量能源——约占工厂电力消耗的10%至15%——因此，钢铁厂通常会采用热回收和先进的控制系统来提高空气分离装置的效率。大型空分装置的优势在于其灵活性：一体化钢厂可以并行运行多套空分装置（甚至独立的空分装置），以满足高峰需求并提供冗余备份。中央空分装置通过工厂的管道网络输送高压氧气（用于鼓风和转炉吹炼）和氮气/氩气混合气体。其缺点之一是高昂的初始投资和复杂性：低温装置启动时间长，更适合稳定运行而非频繁的负荷波动。
空分装置在钢铁生产中的应用
高炉富氧
高炉利用热风吹拂，以焦炭和燃料还原矿石来生产铁。向鼓风中注入额外的氧气可以提高火焰温度和燃烧效率。实际上，高炉操作人员使用空分装置（ASU）提供的氧气将热风中的氧气浓度提高到约30%～40%，这样可以降低焦炭用量并提高产量。（使用近乎纯氧鼓风的实验表明，生产率显著提高，但这需要特殊的炉体设计，因此并未得到广泛应用。）向高炉风口供应这种富氧气流是空分装置的一项关键任务。
基本氧气转炉（BOF）氧气吹炼
在转炉（BOF）中，高纯氧（通常≥99%）通过水冷喷枪吹入熔融铁水/废钢浴中。氧气氧化杂质（碳、硅等）并释放热量，熔化废钢，完成炼钢过程。典型的转炉吹氧过程持续约15-20分钟，耗氧量约为20,000-40,000 Nm³，流量极高（每小时数千Nm³）。低温空气分离装置（ASU）通过高压管道和压缩机供应氧气，使转炉能够按需获得大量的氧气。如果没有ASU，输送如此大流量的高纯氧气是不可能实现的。（变压吸附（PSA）或膜分离式氧气发生器无法满足如此大批量、高纯度氧气的需求。）
连铸和二次冶金
钢材在转炉精炼后，通过连铸法铸造成板坯或钢锭。铸造过程中，通常将来自空分装置的氩气通过浸没式进料喷嘴注入熔融钢中。氩气气泡能够冲刷钢水，帮助去除非金属夹杂物并防止喷嘴堵塞。这种搅拌作用可以生产出缺陷更少、更洁净的板坯。空分装置提供的氮气也可用于辊筒冷却或作为备用惰性气体，但氩气是铸造过程中主要的“搅拌”气体。（氩气还用于真空脱气和特种钢的氩氧脱碳等二次加工工艺。）在所有情况下，铸造和精炼过程中使用的惰性气体均由钢厂的空分装置供应。
保护性大气和形成性大气
许多精加工工艺需要非氧化性气氛。来自空分装置的高纯氮气用于覆盖退火炉、正火炉或回火炉，以确保钢材在加热过程中不产生氧化皮。例如，钢材可以在几乎不含氧气的纯氮气（或氮气/氢气）气氛中进行回火，从而防止表面氧化。（炉子在氮气氛围中密封，直至温度冷却至约300-400℃以下后方可打开。）空分装置产生的氮气还可作为钢包、管道和储罐吹扫的惰性气体。简而言之，来自空分装置的99%以上纯度的氮气对于防止热处理和锻造过程中的脱碳或氧化至关重要。（在规模较小的工厂中，有时会使用现场变压吸附式氮气发生器作为这些炉子高纯氮气的经济来源。）以上所有用途都依赖于钢厂中央空分装置稳定供应氧气、氮气或氩气。
钢结构中的PSA和膜系统
变压吸附 (PSA) 和膜分离器是紧凑型现场制氧或制氮方案，但规模和纯度较低。典型的 PSA 制氧机可产出约 90-95% 的氧气，PSA 制氮机可产出 95-99% 的氮气。这些设备适用于中小流量。例如，钢铁厂可以使用 PSA 制氮机为退火炉或气动控制系统供气，而不是将所有氮气都从空分装置 (ASU) 输送出去。PSA 制氧机的氧气可用于小型富氧燃烧器或辅助炉，但不能用于主转炉 (BOF)。膜分离器可产出富氧空气（氧气含量约 30-40%）或中等纯度的氮气（约 90-98%）。它们的优点是操作简单、启动迅速。膜分离器制氧装置可用于提高再加热炉的燃烧空气浓度，而膜分离器制氮气装置可为电缆绝缘或小型覆盖作业提供惰性气体。
实际上，PSA 和膜分离装置是对主空分装置的补充，而非替代。它们通常安装在用气点附近。例如，冷轧生产线的退火炉可能配备 PSA 氮气发生器，而钢包燃烧器可能使用膜分离富氧装置。一般来说，大流量、高纯度需求（例如高炉和转炉吹气）由低温空分装置满足，而 PSA/膜分离装置则满足局部或灵活性需求。通过将中央空分装置与这些辅助系统相结合，钢铁生产既能获得大流量气体，又能实现按需供气的灵活性。
| 系统 | 纯度（O₂/N₂） | 流量能力 | 功耗 | 典型钢铁应用 |
|---|---|---|---|---|
| 低温空气单元 | O₂ ≥99.5%；N₂ ≥99.99%；（氩气生成） | 非常高（数百至数千牛米/小时） | 每 Nm³ O2 约 0.3–0.5 kWh | 高炉/转炉用氧气散装供应；氮气散装供应；氩气用于脱气；设备惰化 |
| PSA发生器 | O₂含量约为90-95%；N₂含量高达约99% | 中等流量（数十至约 5,000 Nm³/小时） | 中等（~0.5–1 kWh/Nm³ O₂） | 现场氮气供应（用于热处理炉和覆盖层）；小型氧气供应（燃烧器）；备用供应 |
| 膜系统 | 富氧空气（O₂含量约30-40%）；N₂含量约90-98% | 低至中等（10–1,000 Nm³/hr） | 中等（~0.5–1 kWh/Nm³ O₂） | 用于现场氧气富集（炉膛、钢包）；氮气用于局部惰化或仪表空气 |
该比较表明，低温空分装置可提供超高纯度和巨大产能（但成本和能源消耗较高），而 PSA 和膜系统则以纯度/规模为代价换取了简易性和模块化。
结论
在实际操作中，钢铁企业通常会并行运行多套空分装置（ASU）或多个空分装置，以满足需求并提供冗余备份。空分装置是钢铁行业气体供应的主力军，因此高炉（BF）或转炉（BOF）产能的任何大幅提升都必须相应增加空分装置的产能。通过将大型低温空分装置（用于大量氧气/氮气/氩气）与小型变压吸附（PSA）和膜分离装置（用于补充需求）相结合，现代钢厂能够兼顾规模和灵活性。持续提高空分装置的效率（例如，通过热回收或先进的控制系统）一直是工程师关注的重点，因为即使空分装置的效率提升幅度很小，也能转化为整个工厂的大量能源和成本节约。
