深冷空气分离是工业规模生产高纯度氧气的核心技术。通过将空气冷却至极低温度并对其组分进行蒸馏，深冷空气分离装置（通常称为空气分离装置，简称ASU）可以生产大量的氧气以及氮气和氩气等副产品。钢铁制造、化工和医用气体供应等行业严重依赖这种方法来满足其氧气需求。在本文中，我们将探讨深冷空气分离的工作原理、其在这些领域的关键应用，以及2020年代以来提高效率和可持续性的最新设计改进。
低温空气分离的工作原理
低温空气分离技术基于空气中各种组分沸点不同的原理。通过将空气液化并进行分馏，可以将氧气与氮气和氩气分离。该过程包含以下几个基本步骤：
- 空气压缩和净化：环境空气首先被压缩到高压（通常为 5-10 巴），然后通过过滤器和分子筛去除水、二氧化碳和其他杂质。这种预净化至关重要，因为水分或二氧化碳等杂质会在后续过程中冻结并堵塞设备。
- 低温冷却：洁净的加压空气随后通过热交换器（冷箱）并在一台涡轮膨胀机中膨胀，从而被冷却至极低温（约 –180 °C 或 –292 °F）。这种冷却会导致大部分空气冷凝成液气混合物。
- 双塔精馏：冷混合物被送入一个在不同压力下运行的双塔精馏系统。在高压塔（约 5-6 巴）中，空气分离成底部富含氧气的液体和顶部几乎纯净的氮气蒸汽。这种富氧液体随后被送入低压塔（约 1.2 巴），在那里进行进一步精馏。沸点较低的氮气蒸发并从低压塔顶部排出，而液氧则聚集在底部。通过连接这两个塔的冷凝器和再沸器，一个塔中的冷氮气可以为另一个塔中的氧气提供制冷（再沸）作用，从而大大提高了能源效率。
- 产品提取：最终，在低压塔底部可获得高纯度氧气（通常为 99% 至 99.5% 的 O₂）。高纯度氮气（通常为 99.9% 或更高）则从塔顶取出。许多空气分离装置 (ASU) 还包含第三个氩气精馏塔，用于从低压塔的中间阶段提取氩气（氩气的沸点为 -186°C，介于氧气和氮气之间）。分离出的氧气、氮气和氩气随后被加热至环境温度，并根据最终用途以气体形式输送或以低温液体形式储存。液氧 (LOX) 可以泵送并汽化以供应高压气态氧，而液氮 (LIN) 和液氩则储存起来用于运输或现场使用。
这种低温精馏工艺能够高效生产纯度高达99%或以上的氧气，这对于大多数工业和医疗应用至关重要。副产品气体（氮气和氩气）也能达到高纯度，可用于其他用途或出售。但其缺点是低温空气分离过程耗能巨大——需要消耗大量电力进行空气压缩和制冷。现代空气分离装置 (ASU) 通过使用高效压缩机、钎焊板翅式换热器和精密的能量集成技术来降低能耗，使其接近热力学极限。在稳定运行状态下，大型低温空气分离装置每生产一吨氧气可能消耗约200千瓦时的电力（是理论最小值的数倍，但正如后面将讨论的，这已比以往的技术有了很大改进）。
炼钢：氧气的重要作用
钢铁工业是工业氧气的主要消费行业之一，而低温空气分离技术在该行业中不可或缺。在综合钢铁厂中，现场制氧装置为高炉和碱性氧气转炉 (BOF) 工艺提供氧气：
- 高炉富氧：在高炉中，鼓入富氧空气有助于焦炭燃烧并提高炉温。用纯氧富集鼓风空气可以提高效率，从而用更少的焦炭生产更多的铁。
- 碱性氧气转炉：碱性氧气转炉（或称转炉）是用于将熔融生铁精炼成钢的设备。高纯度氧气以超音速喷入熔融铁水中，在短短几分钟内即可燃烧掉碳和杂质。这种氧化反应会产生巨大的热量，并降低碳含量，从而将生铁转化为低碳钢。一次转炉冶炼过程会消耗大量的氧气——在吹氧过程中，每分钟的耗氧量可达数千立方米。因此，炼钢本质上是一种耗氧量巨大的工艺。
大型钢铁厂通常每天需要数千吨氧气，而只有低温空气分离技术才能经济高效地满足这一需求。钢铁厂通常会在厂区内建设专用的空气分离装置（ASU），或者通过管道从附近的工业气体公司的ASU设施获取氧气。事实上，一些世界上最大的空气分离装置正是为了支持钢铁生产而建造的。举例来说，一家大型钢铁厂可能需要一座日产2000至4000吨氧气的制氧厂才能满足其需求。低温空气分离装置能够以如此大的规模生产氧气（同时还能副产大量氮气），这使其成为钢铁制造商的首选。副产的氮气也不会浪费——钢铁厂会使用氮气进行吹扫和保护性操作，例如搅拌钢包中的熔钢或保护转运钢包中的熔铁免受氧化。通过在厂区内建设低温空气分离装置，钢铁厂可以确保氧气和氮气的持续可靠供应。过剩的产量可以以液态形式储存在绝缘储罐中，以应对高峰需求或设备维护停机，从而确保炼钢过程不会因气体短缺而中断。
化学加工：用于燃料和化学品的氧气
化学和能源行业的许多领域都依赖于大量的氧气，而低温空气分离技术仍然是主要的氧气来源。氧气在化学加工领域的应用范围广泛，涵盖从石化产品制造到能源生产和排放控制的各个方面。
- 合成气和气化：氧气是生产合成气（一种由氢气和一氧化碳组成的混合物，用于制造燃料和化学品）的关键反应物。在煤气化或重油部分氧化等工艺中，来自空分装置（ASU）的纯氧被送入气化炉或重整器，与碳氢化合物原料发生反应。使用纯氧（而不是空气）可以避免将氮气引入工艺流程，从而提高效率，并产生更清洁、富含二氧化碳的气流，便于捕集。大型气制液和煤制化学品工厂通常运行大型低温空分装置为其气化炉供氧。例如，为费托合成燃料装置或氨厂气化炉供氧的制氧厂规模可能与钢铁厂的制氧厂规模相当，日产量可达数千吨氧气。
- 石化产品和氧化反应：氧气在化学工业的许多氧化反应中都有应用。一个显著的例子是环氧乙烷的生产，其中乙烯被氧化成环氧乙烷（甘醇和塑料的原料）。现代环氧乙烷生产装置通常使用来自空气分离装置的高纯度氧气，这可以提高反应速率，并避免使用空气带来的稀释效应。同样，丙烷氧化脱氢或硝酸生产（氨氧化）等工艺也受益于高浓度氧气供应。低温空气分离技术能够提供这些工艺所需的高纯度和高产量氧气，从而提高生产效率。
- 炼油和清洁燃料：炼油厂和清洁燃料生产也需要使用氧气。目前正在探索将富氧燃烧技术应用于发电和水泥生产，以简化二氧化碳捕集过程——这些系统需要大量的氧气供应。在炼油厂，像用于硫回收的克劳斯装置等设备可以通过富氧来提高产能。鉴于所需的氧气量巨大，所有这些应用通常都从低温空气分离装置（ASU）获取氧气。
在化工厂中，氧气的可靠性和纯度至关重要，因为任何中断都可能扰乱连续生产过程。工业气体公司（例如林德、液化空气集团和空气产品公司）经常在大型化工厂区建造现场空分装置，或通过管道网络供应氧气。低温分离法还能生产氮气，这是一项额外的优势；许多化工过程都使用氮气进行惰性气体覆盖和吹扫。总而言之，对于化工行业的大量氧气需求，低温空气分离法因其规模、纯度和连续运行的经济高效性而仍然是首选解决方案。
医疗和保健用氧气供应
医用氧气是名副其实的救命产品，而低温空气分离技术几乎在所有主要的医用氧气供应链中都发挥着关键作用。医院、急救服务机构和医疗机构需要高纯度氧气（根据美国药典 [USP] 标准，医用氧气的纯度通常约为 99%）用于患者治疗。虽然小型制氧机（采用变压吸附技术）可以为单个患者或偏远诊所提供纯度约为 93% 的氧气，但大部分医用氧气是由大型低温空气分离装置集中生产，然后以液态或气态形式分发。
医用氧气生产和供应的关键方面包括：
- 液氧批量生产：大型工业气体工厂采用低温空气分离技术批量生产液氧。液氧储存在绝缘罐车中，并运输到医院和药房。在使用地点，液氧被汽化成气态，并通过医院的管道网络输送到呼吸机、麻醉机和氧气面罩。低温生产工艺确保氧气符合医用纯度标准，且不含污染物。
- 可靠性和高峰需求：医疗机构无法承受氧气短缺，因此可靠性至关重要。低温空气分离装置 (ASU) 全天候运行，以满足基本需求，而液氧储存则为高峰使用或供应中断提供缓冲。例如，在新冠疫情期间，许多医院的呼吸机患者对氧气的需求激增——工业气体行业通过提高低温制氧产量和增加槽车运输来应对这一需求。储存来自低温工厂的液氧的能力有助于满足这些突然激增的氧气消耗需求。
- 现场制氧与氧气配送：一些大型医院或偏远地区的医疗中心会安装自己的小型空分装置或制氧机，但如果需要高流量氧气，这些设备通常仍然是低温制氧设备。在大多数情况下，由于规模经济效应，医院依靠区域性低温制氧厂提供的液氧更为实际。一个大型低温空分装置每天可以为数千个氧气瓶或数十辆槽罐车充装医用氧气，然后将这些氧气运送到医疗机构。这种集中生产方式利用大型工厂的效率，确保了氧气质量的稳定性和一致性，并降低了单位成本。
总而言之，低温空气分离技术为医用氧气供应提供了稳定的超纯氧气来源，是医用氧气供应的基础。每当您看到医院的白色氧气罐或标有“医用O₂”字样的气瓶时，里面的氧气很可能就来自低温空气分离装置。由于其纯度和产量方面的优势，这种方法仍然是医用氧气的黄金标准，确保患者能够获得维持生命所需的氧气。
ASU设计和效率方面的进展
低温空气分离技术是一项成熟的技术，但在过去十年中，该技术取得了显著的设计改进，提高了效率、灵活性和产量。鉴于高昂的电力成本和不断变化的工业需求，工程师们一直致力于降低空分装置的能耗并提高其运行灵活性。表 1 重点列出了不同代低温空分装置设计的性能指标，展示了新一代设计在效率和性能方面如何显著优于旧一代设计：
| ASU设计配置 | 比功率（每吨氧气消耗的千瓦时） | 氩气回收 (%) | 显著特征/时代 |
|---|---|---|---|
| 经典双栏（2020 年前） | ~350 kWh/t O₂ | ~90% | 传统的塔盘式精馏塔、老式压缩机（老旧工厂） |
| 现代能源优化技术（2020年代） | ~270 kWh/t O₂ | ~95% | 高效压缩机、塔内结构填料、变频驱动器 |
| Heat-pump assisted ASU (mid-2020s) | ~230 kWh/t O₂ | ~96% | 集成制冷循环（蒸汽再压缩）以实现节能 |
| 下一代“LEC-ASU”（试点项目） | ~200 kWh/t O₂ | 97%+ | 采用冷能储存和先进自动化技术的低能耗空气分离装置（2020年代末） |
表1：低温空气分离装置设计性能比较。“比功率”是指生产一公吨氧气（气态，纯度约99.5%）所需的电能。与旧设计相比，新设计能耗更低，氩气回收率更高。
这些改进得益于以下几项创新：
- 先进的精馏技术：较老的空分装置通常使用传统的精馏塔盘，而较新的装置越来越多地在塔内采用规整填料。现代高容量填料增加了接触表面积并降低了压降，从而可以使用更短的塔，同时提高分离效率。这有助于节省能源并提高氧气和氩气的回收率。得益于改进的内部设计，一些最先进的工厂可以实现超过 95% 的氧气回收率，并在无需单独的氩气精馏塔的情况下生产纯度超过 97% 的氩气。
- 高效涡轮机械：通过改进气动设计和材料，压缩机和膨胀机的效率显著提高。如今的大型空气压缩机多变效率可达90%至95%，与老式设备相比，大大降低了功耗。低温膨胀机现在通常采用磁力轴承（消除了油污染风险并减少了维护），并且能够从冷气膨胀过程中回收更多能量。这些改进直接降低了每吨氧气所需的电能消耗。
- 热集成和制冷循环：目前正在采用创新的工艺循环来回收冷能并平衡电力负荷。一个例子是低能耗低温空气分离装置 (LEC-ASU) 概念，该概念采用辅助热泵循环和液态空气储罐。其基本原理是在电价较低（或有富余可再生电力可用）时将多余的空气液化，并将液态空气储存起来。在用电高峰期，利用储存的液态空气生产氧气，而无需让压缩机满负荷运行。这种负荷转移和热集成技术已实现每吨氧气生产能耗低于 200 千瓦时——这是效率方面的一项重大突破。
- 自动化和智能控制：现代空分装置配备了先进的控制系统，包括人工智能驱动和模型预测控制系统。这些系统持续调整塔压、回流比和压缩机设置等变量，以最大限度地降低能耗，同时保持产品纯度。数字孪生仿真技术使操作人员能够针对不同的工况优化工艺流程。事实证明，这些数字化措施已使大型工厂的能耗降低了 5% 至 10%，从而消除了效率低下的环节。
这些改进的最终结果是，2020年代建造的新型低温空气分离装置能够以比前几代装置低得多的能耗生产氧气。许多近期的大型空分装置（ASU）的单位能耗指标低至每吨氧气200多千瓦时（或标准条件下每立方米氧气约0.25千瓦时），而几十年前的旧式设计则在每吨300-400千瓦时左右。与此同时，单套装置的生产能力也大幅提升——目前已有多套单系列空分装置投入运行，其氧气产量超过每天5000吨；模块化设计也使得多个小型系列装置可以组合成大型联合装置。这些进步确保了低温空气分离技术在经济上保持竞争力，并能够满足不断增长的氧气需求。
Emerging Trends and Future Outlook
随着工业发展和全球优先事项转向效率和可持续性，低温空气分离技术也在不断发展。低温空气分离装置（ASU）用于工业制氧的一些新兴趋势和未来发展方向包括：
- 与可再生能源电网集成：传统上，空分装置（ASU）为了实现最佳效率，通常以稳定负荷连续运行。如今，人们越来越关注空分装置的灵活运行，以充分利用波动性可再生能源。新型大型空分装置的设计目标是能够在短时间内将产能在约30%到100%以上之间进行调节。在太阳能或风能过剩时期，空分装置可以提高产量，并将多余的产品以液态形式（氧气或氮气）储存起来。在电价高企时期，它可以降低产量，利用储存的液态产品供应客户。实际上，空分装置及其液态储罐就像一个巨大的“电池”（称为液态空气储能系统），同时仍然能够为工业用途提供氧气。这种响应电网需求的运行模式已在一些地区得到应用，有助于稳定电网并降低运营成本。
- 支持氢经济和清洁钢铁生产：对绿色氢能和清洁钢铁生产的需求正在推动对大规模氧气的需求。例如，绿色氢能项目（采用电解法）通常发现，与低温空气分离装置 (ASU) 结合使用以供应纯氧比直接排放或压缩电解槽产生的低压副产物氧气更经济。从 ASU 供应 30-40 巴的氧气，其成本可能只有提升电解槽氧气压力的成本的一半，而且 ASU 产生的低温还可以用于冷却或液化氢气。在直接还原铁 (DRI) 炼钢（一种比高炉炼钢更清洁的替代方案）以及用于制取氢气（蓝色氢气）的碳捕集过程中，低温装置不仅用于制氧，还用于从工艺气流中分离和液化二氧化碳。这预示着未来 ASU 将发挥双重作用：既提供氧气又捕集二氧化碳，从而直接降低工业排放。
- 材料和结构改进：空气分离装置 (ASU) 的物理设计正在不断改进。更轻更坚固的材料（例如用于冷箱和管道的铝合金）正在缩短建造时间和降低成本。改进的低温设备绝缘技术（例如真空珍珠岩绝缘和多层屏蔽）进一步减少了热损失。这些改进使新型 ASU 效率更高、部署速度更快，一些模块化设计更是显著缩短了安装周期。
- 规模化和模块化：我们正在见证两种截然不同的发展趋势——用于大型项目的世界级规模空分装置，以及用于快速部署的模块化小型空分装置。一方面，企业正在建造有史以来规模最大的制氧厂（单条生产线氧气产量超过 5000 吨/天），以实现大型综合项目的规模经济效益。另一方面，标准化模块化空分装置（例如 500 吨/天的装置）可以并行运输和安装，从而以较低的项目风险达到所需的产能。模块化空分装置也便于在工厂进行预制，从而提高质量并降低成本。这种趋势可能会持续下去，为最终用户提供灵活的选择，以满足其氧气供应需求。
- 持续提升效率：低温分离技术的研发仍在进行中。研究人员和工程师的目标是通过更好的热集成和新型循环，将单位氧气产量的能耗进一步降低，下一代工厂的能耗有望降至约 150 千瓦时/吨氧气。每一个百分点的效率提升都至关重要，不仅能降低运营成本，还能减少间接碳排放（因为发电通常会产生排放）。我们的目标是到 2030 年将空分装置的效率提升至接近理论最小值，这意味着与目前最佳实践相比，能源消耗可再降低约 25%。此外，如果可再生电力和碳捕集技术能够完全集成，未来的空气分离装置将能够实现接近零的净碳排放。
总之，低温空气分离技术作为工业气体生产的基石，拥有广阔的发展前景。它是一项成熟可靠的技术，并且仍在不断改进而非被取代。压力变吸附（PSA）或膜式制氧机等替代技术仅适用于小规模应用，无法像低温空分装置那样同时实现高纯度、大产量和多种气体的联产。随着世界经济朝着更清洁的生产方式发展，以及对氧气需求的不断增长（无论是用于治疗患者、生产更环保的钢铁，还是制氢），低温空气分离技术将仍然不可或缺。持续的创新确保了这些装置变得更加节能、灵活，并与现代工业的需求更加契合。
结论
低温空气分离是工业制氧的标杆技术，为钢铁制造、化工生产和医疗保健等关键行业提供必不可少的氧气。通过将空气液化并分离其组分，一台空气分离装置 (ASU) 每天可供应数百甚至数千吨纯度高于 99% 的氧气——这是其他任何技术都无法比拟的。虽然能源消耗和初始投资成本较高，但设计方面的持续改进提高了效率，并相对降低了成本。如今的低温空气分离装置比以往更加高效智能，并且正以越来越创新的方式（从负荷跟踪到混合系统）加以应用，以满足不断变化的能源需求。
对于研究人员和工程师而言，低温空气分离仍然是一个充满活力的领域。2020年代以来，填料、工艺流程和自动化方面取得了新的突破，不断拓展着性能极限。然而，通过冷却和冷凝分离空气的基本物理原理保持不变——这是一个可靠且广为人知的基础。只要各行各业需要大量高纯度氧气（以及氮气/氩气），低温空气分离就将继续作为供应的主力。在一个追求效率和可持续发展的世界里，这项成熟的技术正在不断发展，以更经济、更清洁的方式提供氧气，从而确保其在未来几十年内继续在工业生态系统中发挥重要作用。
