低温空气分离是用于大规模生产高纯度氧气、氮气和氩气的核心工业工艺。作为一项成熟的技术，低温空气分离为钢铁、化工和能源行业提供持续的气体供应，在这些行业中，大量的氧气和氮气对于生产效率和产品质量至关重要。该工艺首先压缩和净化环境空气，然后将其冷却至低温（-185°C 及以下），使其液化并分馏。现代化的低温空气分离装置（ASU）以极高的规模连续运行，每小时可输送数百至数千标准立方米的气体。 低温空气分离的工业应用在钢铁制造、化工和能源生产领域尤为关键，因为这些行业需要大量纯净气体用于高温和氧化工艺。以下章节将回顾低温空气分离装置如何集成到各个行业中，重点介绍典型的工艺要求、气体纯度、流量和能源消耗。
大型空气分离装置中的低温蒸馏塔。这类塔在低温下运行，将空气分离成氧气、氮气和氩气。现代化的空气分离装置（ASU）利用多级换热器和蒸馏塔冷却并冷凝压缩空气。氧气（沸点-183°C）在塔底附近收集，纯度≥99.5%；氮气（沸点-196°C）在塔顶排出，纯度~99.9%；氩气（约占空气的1%）在侧塔中回收，纯度~95%。典型的空气分离装置在规模化运行时，单位能耗约为每立方米氧气0.4-0.6千瓦时（≈每吨氧气400-600千瓦时）。这些装置通常全天候运行，需要数兆瓦到数十兆瓦的电力。尽管能源需求巨大，但大型低温空分装置 (ASU) 提供了无与伦比的灵活性和纯度：一个大型空分装置可以从一个集成单元为多个用户（高炉、反应堆、涡轮机等）供能。
低温空气分离在钢铁生产中的工业应用
在综合性钢铁厂中，低温空气分离装置是炼铁和炼钢工艺中氧气、氮气和氩气的主要来源。其主要应用包括：
- 高炉富氧：来自空分装置的氧气与送入高炉的热风混合。将热风中的氧气浓度提高到约30-40%可以提高火焰温度和燃烧效率，从而降低焦炭消耗并提高产量。与简单的富氧燃烧器相比，使用低温氧气（纯度≥99%）可以实现更高的富氧水平。例如，大型高炉在高峰运行期间，可能会向其风口注入数千Nm³/h的空分装置氧气。
- 转炉（BOF）吹钢： 转炉（BOF）工艺依靠高压高纯氧气将熔融铁精炼成钢。在每次转炉装料过程中（持续约15-20分钟），约20,000-40,000 Nm³纯度≥99%的氧气通过水冷喷枪吹入熔体中。这种高速氧气射流氧化杂质（碳、硅、磷），并提供熔化废钢所需的能量，从而制取钢材。如此大流量、短时长的氧气流（每小时数千Nm³）只有通过中央低温空分装置（ASU）和增压压缩机才能实现。（变压吸附（PSA）或膜分离式制氧机无法满足转炉吹钢所需的氧气量和纯度要求。）
- 连铸和二次冶金：精炼后，液态钢被浇铸成板坯或钢锭。在连铸过程中，来自空分装置（ASU）的氩气（纯度约95%）通过浸没式进料喷嘴注入，以搅拌钢水并使非金属夹杂物浮出。这种“氩气鼓泡”可生产更纯净的钢水并防止喷嘴堵塞。来自空分装置的氮气（纯度约99%）可用作备用惰性气体或用于二次精炼（例如氩氧脱碳）。在所有情况下，高纯度惰性气体均来自同一台低温空分装置。
- 热处理和惰性化： 铸后，钢坯和成品通常需要进行退火、回火和热处理。这些工艺需要在惰性气氛下进行，以防止氧化皮的产生。ASU氮气（纯度99%以上）用于覆盖炉膛和淬火槽，防止高温钢水氧化。例如，卷材退火炉可以在纯氮气气氛下运行。氮气也用于对管道、钢包和储罐进行惰性化处理，以确保安全。（在小型钢厂，本地PSA制氮机可能就足够了，但大型综合钢厂通常使用ASU氮气。）
一座钢厂的空分装置（ASU）总共可生产数万立方米/小时的氧气和氮气。这类装置能耗很高（通常占钢厂总功率的10%至15%），因此钢厂会采用热回收和精细的集成设计。然而，低温空分装置的灵活性和纯度使其应用具有合理性：一体化钢厂可以并行运行多套空分装置，从而提供冗余并满足高峰需求。在现代炼钢中，低温空气分离技术确保了以管道压力稳定输送气态氧和氮气。低温空分装置具有无与伦比的纯度和容量灵活性，是全天候运转的综合性钢铁厂唯一可靠的选择。在现代炼钢过程中，低温空分装置确保了以管道压力稳定输送气态氧和氮气。低温空分装置具有无与伦比的纯度和容量灵活性，是全天候运转的综合性钢铁厂唯一可靠的选择。
低温空气分离在化学制造中的工业应用
化工和石化工厂在合成和加工过程中需要大量的氧气和惰性气体。低温空分装置可以通过多种方式满足这些需求：
- 合成气和氢气生产：氨、甲醇和炼厂制氢装置均利用氧气对原料进行部分氧化。自热重整器 (ATR) 和部分氧化 (POX) 反应器消耗空分装置 (ASU) 的氧气（≥99.5%），将天然气、石脑油或炼厂尾气气化为合成气 (H₂+CO)。例如，氨厂的重整器可能从空分装置抽取数百至数千 Nm³/h 的氧气，压力通常为 20–30 bar。生成的合成气随后用于氨或甲醇的合成。低温空分装置还与下游氢气回收装置集成；气化后，通过低温冷却和蒸馏，可以进一步提纯氢气，去除二氧化碳和轻质气体，从而生产用于燃料电池或石油化工的超纯氢气。
- 氧化及氧化物生产：催化氧化法可用于生产多种化学产品。环氧乙烷 (EO) 的生产就是一个典型的例子：乙烯在高压 (1.5–3 MPa) 下，在银催化剂的作用下与氧气反应生成环氧乙烷。对于这些连续高压氧化装置，低温空气分离可提供精确计量的氧气和干燥的惰性氮气，以维持反应器的稳定性并最大限度地提高转化效率。
- 氢气回收与提纯：在石油炼制和石油化工裂解过程中会产生富氢尾气。一些装置采用低温蒸馏技术分离和回收这些氢气。低温氢气回收装置可以生产纯度≥99.99%的氢气，并同时生产甲烷/乙烷作为燃料。与变压吸附（PSA）技术相比，这种方法在大规模生产超纯氢气时通常更经济。例如，石脑油重整装置可以使用低温塔从吹扫气流中浓缩氢气。
- 惰性化、吹扫和覆盖： 来自空分装置 (ASU) 的氮气 (≥99%) 对于工厂安全和物料处理至关重要。氮气用于惰性化反应器、塔器和储罐，以防止火灾或爆炸。在过程控制中，氮气提供仪表空气并平衡压力。液态氮气可用于吹扫工艺管线或溶剂回收中的冷阱系统。大型聚合物和大宗化学品工厂使用氮气覆盖易燃液体，以防止空气进入。低温空分装置的氮气通常可以替代多个小型氮气发生器，从而简化供应。
- 氩气和特种气体：虽然氩气是伴生气体（约占空气的0.3%至0.5%），但其体积要小得多。一些石油化工工艺会使用氩气（例如，用作惰性载体或用于生产特殊等级的聚合物），但通常情况下，空分装置产生的氩气会被液化并在市场上出售。稀有气体（氖、氪、氙）也可以少量捕获，但这些属于小众产品。
要点：在化工厂中，低温空分装置 (ASU) 的设计围绕连续、大批量工艺展开。它们通常以管道压力（约 5-10 巴）输送氧气和氮气，以匹配下游设备。为大型石化联合装置服务的空分装置每小时可生产数百至数万立方米的氧气，氮气产量可达数万至数十万立方米。工程师们密切关注能量整合（例如，利用空分装置的废冷来冷却工艺流），以最大限度地降低氧气的能耗（约 0.4-0.6 千瓦时/立方米）。尽管低温空分装置的资本和电力成本较高，但它们能够精确控制核心工艺中的原料化学成分，并支持大宗化学品的生产。
低温空气分离技术在能源领域的工业应用
能源行业越来越依赖低温空气分离技术来获取低碳电力：
- 气化发电（IGCC） 整体煤气化联合循环（IGCC）电厂利用富氧气化炉将煤、石油焦或生物质转化为合成气用于发电。低温空分装置（ASU）为这些气化炉提供所需的纯氧（通常≥99%）。合成气经净化后在联合循环汽轮机中燃烧。大型IGCC项目通常需要氧气输出量与钢铁或石化设施相当的空分装置（量级为5,000–20,000+ Nm³/h），因为持续发电需要稳定的高流量。
- 富氧燃烧 新型动力循环利用纯氧或富氧气流燃烧燃料，以促进碳捕获。例如，阿拉姆循环（一种高效天然气动力循环）几乎完全使用来自低温空分装置（ASU）的氧气来燃烧天然气。废气主要成分是二氧化碳和水，因此二氧化碳捕获几乎可以忽略不计。富氧煤锅炉或富氧燃气锅炉（用于制氢或蒸汽）也依赖于空分装置提供的氧气。这些应用需要非常大型的空分装置；例如，一台阿拉姆循环汽轮机每天可能需要数百吨氧气。需要注意的是，空分装置通常是富氧燃烧电厂中最大的单一能耗设备（根据集成情况，每吨氧气耗电量约为 200-400 千瓦时）。由于低温装置在循环运行时效率最低，工程师通常会将空分装置与储氧装置或灵活的运行模式相结合，以应对负荷变化。
- 富氧燃烧 即使是传统发电厂有时也会采用部分富氧燃烧。空分装置 (ASU) 可以为燃烧器提供额外的氧气，从而提高火焰温度和燃烧效率（尽管这种方式不如全富氧燃烧系统常见）。在一些工业炉中，空分装置提供的氧气可以替代空气，以减少烟气量和氮氧化物排放。
- 氮气在能源领域的应用： 虽然人们的关注点主要集中在氧气上，但低温氮气（N₂）在能源领域也有应用。例如，液氮储存已被提议用于电网储能（液态空气储能，LAES）。在闭环燃气轮机中，超临界氮气已被建议用作工作流体。更常见的是，氮气用于发电厂的惰性气体保护和维护（例如，用于油库的惰性气体保护、管道吹扫）。一些偏远地区的电力或液化天然气设施使用空分装置（ASU）的氮气来为设备增压，或在低氧情况下作为备用燃料。
运行注意事项： 能源行业的空分装置 (ASU) 通常规模庞大，成本主要受效率驱动。它们通常采用高效涡轮膨胀机和先进的换热器来降低约 0.4 kWh/Nm³ 的基础能耗。大容量空分装置的氧气能耗可接近 0.4 kWh/Nm³（≈400 kWh/吨）。这些装置通常以约 5-7 bar 的输出压力（管道压力）连续运行，为工艺设备供氧。然而，空分装置的灵活性有限：它们需要稳定运行（输出量低于约 60% 时存在液体倾倒的风险），并且启动时间较长（数小时至数天）。因此，使用空分装置氧气发电的工厂必须具备稳定的基础负荷（例如，连续合成气生产），或者补充灵活的氧气源以满足瞬态需求。尽管存在这些挑战，低温空分装置仍然是许多清洁能源技术所需的日产数千吨纯氧的唯一可行来源。
工业低温空分装置的技术规格
下表总结了不同工业领域典型的低温空分装置（ASU）输出功率和能耗。实际数值会因装置规模和设计而异，但表中列出的范围代表了常见的做法：
| 行业/应用 | 主要产品 | 产品纯度 | 典型氧气输出量（Nm³/h） | 能源消耗量（千瓦时/吨氧气） |
|---|---|---|---|---|
| 综合钢铁厂 | O₂（用于 BF/BOF） | ≥99.5% | ~10,000–25,000 | ~400–500 |
| N₂（惰化） | ~99% | (same ASU; co-produced) | (see O₂) | |
| 化工/石油化工 | O₂（ATRs，EO） | ≥99.5% | ~3,000–10,000 | ~400–500 |
| N₂（覆盖） | ~99% | (co-produced) | (see O₂) | |
| 能源（IGCC/富氧燃烧） | O₂（气化，锅炉） | ≥99% | ~5,000–20,000 | 约450-600（小尺寸单元更高） |
表格：各行业典型的低温空分装置参数。纯度指气态产物；O₂ 输出范围为数量级。
在所有情况下，高压（5-10 巴）输送是管道网络的标准配置。氩气（纯度约 95%）通常以约占空气吞吐量 1% 的比例伴生（上表未列出），任何稀有气体均以痕量回收。能耗随规模扩大而降低：通过采用先进的膨胀循环和热集成技术，超大型空分装置的能耗可达到约 0.4 kWh/Nm³（≈400 kWh/吨 O₂）。
结论
低温空气分离技术仍然是重工业的基础技术，能够为钢铁生产、石油化工合成和清洁能源创新提供高纯度的氧气和氮气。在钢铁行业，它满足了高炉、转炉和铸造线对氧气和惰性气体的巨大需求。在化工/石油化工行业，它为从氨到环氧乙烷的合成气和合成路线提供纯净的氧气和干燥的氮气，用于反应器和工艺流程。在能源应用领域，低温空气分离装置是新兴低碳能源方案的核心——为气化和富氧燃烧提供氧气，并支持诸如阿拉姆循环等高效循环。在所有这些领域，低温空气分离装置都能提供无与伦比的气体纯度和连续性，但代价是消耗大量能源。持续的创新（例如单塔设计、改进的涡轮膨胀机、与电网动态的集成）旨在提高效率和灵活性。
总体而言，随着全球对高耗氧工艺的需求不断增长以及脱碳目标的推进，低温空气分离的工业应用范围持续扩大。对于研究人员和工程师而言，了解这些应用以及空气分离装置（ASU）的设计权衡对于设计下一代工厂至关重要。通过利用低温蒸馏技术，各行业能够获得驱动当今钢铁生产、化工生产和先进电力系统所需的高纯度气流。
