1. 引言
电力行业的脱碳越来越依赖于能够更精确地控制燃烧并浓缩二氧化碳以便捕集的技术。富氧燃烧、富氧燃烧以及整体煤气化联合循环（IGCC）等技术都依赖于稳定且可扩展的高纯度氧气来源。对于公用事业规模的电厂而言，低温空气分离装置（ASU）承担着这一主要角色，它可以提供从几千到超过10万标准立方米/小时的连续氧气流量，纯度超过95%。本文探讨了用于发电厂的低温空气分离技术，以及工程师在实际锅炉和气化炉设计中添加氧气时面临的实际问题。
在日常电厂设计工作中，氧气的重要性已毋庸置疑。真正的挑战在于如何在不付出过高能源、正常运行时间和运行灵活性代价的情况下，为电厂提供氧气供应。接下来的章节将从实际角度探讨低温空气分离装置的构造和运行，分析哪些参数对电力应用最为重要，以及如何将这些装置与锅炉、气化炉和碳捕集系统连接起来，以支持更清洁的燃烧。
2. 电厂中的氧气和更清洁的燃烧
在标准的空气燃烧锅炉或燃气轮机中，进入燃烧器的大部分气体实际上是氮气，而非氧气。这些氮气几乎以惰性形式穿过火焰，携带热量，并增加烟气总流量。其结果是火焰峰值温度有限，烟气量大，但二氧化碳浓度相对较低。如果用可控氧气流（通常与循环烟气混合）替代部分或全部燃烧空气，发电厂可以：
- 提高火焰温度和热效率，然后通过烟气再循环进行重新调节。
- 产生富含二氧化碳的烟气，这种烟气在下游捕集装置中更容易、更便宜地进行处理。
- 减少锅炉和后端设备的总容积流量，从而实现更紧凑或改造的设计。
然而，要实现这些优势，电厂必须拥有纯净且可靠的氧气源。低温空气分离技术正是在此发挥了关键作用：它将高纯度（通常为 95–99.5% O₂）与大流量、稳定的气流以及与基荷电厂运行相匹配的长运行时间相结合。一旦现场配备了用于电厂的低温空气分离设备，操作人员就可以更精确地控制火焰温度和烟气成分，从而运行富氧燃烧或富氧燃烧。
3. 低温空气分离工艺基本原理
3.1 前端压缩和净化
在大多数项目中，用于电厂的低温空气分离遵循相同的基本流程：空气压缩、净化、低温冷却和双塔蒸馏。在典型的空分装置 (ASU) 中，环境空气首先通过过滤器，并在多级离心式或往复式压缩机中压缩至 5-7 巴。经过级间冷却后，压缩空气进入预净化单元 (PPU)，分子筛在此去除水蒸气、二氧化碳和痕量碳氢化合物。这一步骤至关重要；如果没有它，这些杂质会在冷箱中冻结，堵塞换热器或蒸馏塔。
3.2 低温冷却和主换热器
净化后的空气随后进入主换热器，在那里通过与离开蒸馏系统的冷产品和废液进行逆流换热，冷却至接近液化温度。该换热器通常采用钎焊铝板翅式设计，因其在低温下具有高表面积和低压降而被选中。Thunder Said Energy+1
一部分冷高压空气在涡轮机中膨胀，以提供维持低温条件所需的制冷量。剩余部分被部分液化后送至蒸馏塔。
3.3 双塔蒸馏系统
低温空气分离的核心是双柱系统：
- 高压 (HP) 塔在约 5-6 巴的条件下运行，其中进入的空气被部分分离成富氮的顶部和富氧的底部。
- 低压塔的工作压力约为 1.2–1.4 bar。来自高压塔的冷凝氮气为低压塔提供回流，而低压塔底部的富氧液体沸腾则提供再沸腾功能。
通过将这些塔进行热堆叠（通常在公共冷箱内），该工艺可以高效地回收冷量。根据电厂的目标，低压塔可以配置为同时生产氩气和氮气，或者专门针对氧气生产进行优化。用于发电的典型气态氧纯度范围从 95%（某些富氧方案）到 99.5% 及以上（用于富氧燃烧或整体煤气化联合循环 (IGCC) 项目）。jgt.irangi.org+1
3.4 内部压缩与外部压缩
为发电厂提供氧气，通常采用两种输送策略：
- 来自冷箱的低压气态氧（GOX），通过外部压缩机增压至所需的管道压力。
- 液氧（LOX）在低温下被泵送至高压，然后汽化，这种方法称为“内压缩”。由于泵送液体比压缩气体能耗更低，因此这种方法可以降低压缩机的功率。engj.org+1
该选择会影响能源消耗和动态响应，通常在早期 FEED 研究中进行优化。
4. 电厂空分装置的典型性能参数
工程师在比较不同方案时，通常会根据单位能耗、可达到的纯度、可靠性和调节能力来评估用于发电厂的低温空气分离装置。专为公用事业服务设计的现代低压空气分离装置在单位能耗和可用性方面都经过了高度优化。文献和供应商数据表明，生产纯度约为 99.5% 氧气的装置可以达到约 0.35–0.5 kWh/Nm³ O₂ 的单位能耗水平，相当于每吨氧气消耗约 350–500 kWh 的电能。ResearchGate+2jgt.irangi.org+2
无需赘述各供应商的具体保证，即可对用于电力应用的低温制氧装置进行大致的基准描述。对于用于富氧的中型空分装置（ASU），氧气纯度通常在 95% 至 97%（体积比）之间。额定流量通常在 5,000 至 20,000 Nm³/h 之间，气态产品经单独的压缩级后，压力为 3 至 10 bar。对于此规模的装置，单位能耗通常约为每 Nm³ 氧气 0.40 至 0.55 kWh，总可用率在 97% 至 99% 之间，年运行时间约为 7,500 至 8,200 小时。
对于设计用于全富氧燃烧或整体煤气化联合循环（IGCC）的大型空分装置（ASU），相关参数会大幅增加。氧气纯度通常要求为99.5%至99.8%（体积百分比），额定容量约为40,000至120,000 Nm³/h。当氧气通过管道直接输送到锅炉岛或气化炉时，输送压力通常为10至30巴。得益于更优化的低压循环和现代化的设备，单位氧气能耗可降低至约0.35至0.50 kWh/Nm³，同时氧气可用率仍保持在97%至99%，年运行时间通常可达7,800至8,400小时。
这些数据最好被视为一个实际范围，而非固定规则。场地海拔、冷却水和环境温度、所需产品压力以及是否回收氮气或氩气等因素都会对最终性能产生显著影响。从电厂角度来看，主要问题是制氧装置消耗了多少总发电量。在许多富氧燃烧和整体煤气化联合循环（IGCC）系统中，低温空气分离装置仅消耗总发电量的几个百分点，因此必须权衡其带来的更高锅炉效率以及更简便的二氧化碳捕集方式。
5. 低温空分装置与发电厂的集成
5.1 富氧燃烧系统
对于基荷机组，电厂低温空气分离装置的尺寸通常根据锅炉或气化炉的最小连续运行功率来设计，并预留一定的余量以应对瞬态工况和维护需求。在富氧燃烧锅炉中，空气分离装置几乎提供全部的氧化剂——氧气。烟气主要成分为二氧化碳和水蒸气，其中一部分会被循环回锅炉，以控制火焰温度和传热特性。在这种配置下，电厂的氧气供应本质上是基荷运行：频繁的启停操作是不理想的，因此空气分离装置的设计通常与锅炉的最小连续运行功率相匹配，并留有一定的余量。
整合方面包括：
- 氧气管道的布线和冗余设计。
- 与锅炉风箱或燃烧器歧管连接。
- 通过主从策略，协调空分装置输出和锅炉负荷之间的控制。
- 氧气处理安全系统，包括材料选择、速度限制和清洁度标准。
5.2 IGCC 和基于气化的概念
对于整体煤气化联合循环（IGCC）电厂和煤/生物质气化装置，低温空气分离装置（ASU）向气化炉而非直接向燃烧器供应氧气。合成气随后经过净化、调节，并在燃气轮机联合循环中燃烧。在此过程中，氧气流量与燃料进给量和合成气成分密切相关，因此ASU的流量稳定性和调节能力都至关重要。
部分项目采用多列空分装置配置，允许通过停机一列装置而其他装置以更高负荷继续运行，从而实现部分负荷降低。同时产生的氮气可用作汽轮机稀释剂，以控制氮氧化物排放和燃烧温度，从而提升集成价值。
5.3 动态运行和电网交互
随着电力系统接入更多可变可再生能源，人们对利用空分装置（ASU）作为灵活负荷的兴趣日益浓厚。由于压缩机是主要的电力消耗设备，运营商可以在一定范围内调节空分装置的负荷，以吸收多余的电力或在高峰时段降低能耗，同时借助中间储罐（液氧罐）和管道缓冲装置，确保氧气供应的连续性。 Thunder Said Energy+1
6. 与非低温氧气技术的比较
对于规模较小或纯度要求较低的应用，非低温技术，例如变压吸附 (PSA/VPSA) 和膜分离制氧系统，提供了替代方案。PSA 制氧装置通常可提供 90-95% 的氧气，产能从几 Nm³/h 到约 5,000 Nm³/h 不等，而膜分离系统通常将空气中的氧气浓度提高到 30-45%。 维基百科+1
对于发电厂的公用事业规模氧气供应而言，这些方案存在局限性：
- 容量：电厂富氧燃料或 IGCC 概念通常需要数万 Nm³/h 的氧气，这已达到模块化 PSA 系统的有效范围上限或超出其有效范围。
- 纯度：高 CO₂ 捕获效率和稳定的燃烧控制有利于纯度高于 ~95% 的产品，尽管低温空气分离技术更为复杂，但按吨计算更经济。
- 副产品：低温空分装置自然产生氮气（以及可选的氩气），这些氮气可以用于商业用途，也可以在现场用于密封、吹扫和惰性气体保护。非低温系统通常缺乏这种副产品利用的灵活性。
因此，PSA 或膜技术在小型工业设施、医用氧气生产或部分富集方案中更为常见，而低温装置则在与中央发电站相关的大规模、高纯度领域占据主导地位。
7. 设计和优化考虑因素
7.1 流程配置
低温空气分离技术本身还有很大的优化空间：
- 选择塔压水平是为了在保持主换热器和蒸馏阶段足够的驱动力的同时，最大限度地减少压缩机的工作量。
- 是否需要进行氩气回收，取决于额外的能源和资本投入是否能通过氩气收益得到补偿。
- 根据所需的输送压力、电网电价和电厂的灵活性要求，选择采用内部压缩还是外部压缩。
先进的设计采用低压循环、高效膨胀机和塔内规整填料，以降低能耗，同时保持分离性能。 jgt.irangi.org+1
7.2 可靠性和可维护性
对于基荷电力服务，空分机组的设计目标是实现多年连续运行，其停机时间与主要电力模块的维护保养相配合。典型的策略包括：
- 关键仪器和控制系统的冗余设计。
- PPU吸附器和旋转机械的平行阵列。
- 在线监测冷箱性能，包括主换热器中的 ΔT 曲线和塔内温度/压力曲线。
由于氧气意外损失会导致锅炉或气化炉跳闸，许多场所还会安装液氧储存装置，足以满足数小时的满负荷运行，以应对短暂的空分装置故障。
7.3 氧气服务安全
在高压下处理大量氧气需要严格注意材料的相容性、清洁度和流速。碳氢化合物污染、颗粒物以及管道几何形状的急剧变化都会增加着火风险。国际指南规定了氧气管道的最大流速、不可燃材料的使用以及用于氧气输送的部件的脱脂程序。在任何空分装置与锅炉连接的布局和规范制定工作中，都必须尽早考虑这些因素。
8. Outlook and Conclusion
As more projects move toward CO₂ capture, cryogenic air separation for power plants is likely to remain one of the standard choices for supplying large oxygen blocks to the power sector.As utilities face tighter CO₂ limits and a growing share of renewables, demand for a stable oxygen supply for power plants is more likely to increase than disappear. Oxy-fuel upgrades on existing coal units, new IGCC projects with pre-combustion capture, and various hybrid schemes that couple gas turbines with high-temperature processes all require oxygen at a scale that only a few technologies can realistically provide.
For large baseload units, Cryogenic Air Separation is still the practical choice when continuous, high-purity oxygen is needed. It combines proven hardware, established safety practice, and predictable performance, and it can be engineered to match the load profile of the boiler or gasifier. Work now underway on better cycle integration, more flexible compressor operation, and model-based control is aimed at trimming specific power consumption and making the ASU a more responsive part of the overall plant.
For engineers and researchers, the open questions are less about basic feasibility and more about configuration, integration, and control: how to size and arrange ASU trains, how to link them to the power block and CO₂-capture unit, and how to operate the whole system against a changing grid. As carbon constraints tighten and more projects move from pilot to commercial scale, well-designed cryogenic ASUs are likely to remain a standard tool for delivering reliable, lower-emission power.
