本文重点介绍大型石化和合成气联合装置的低温空气分离装置的设计和运行。低温空气分离装置是大型石化和合成气装置的关键基础设施，可提供高纯度的氧气、氮气和其他气体。这些装置通过将大气冷却并蒸馏至低温，可靠地生产气流，以支持重整、气化和石化合成等工艺。先进的低温空分装置通常以受控压力生产纯度为95%至99.5%的气态氧（有时还会产生液氧或氩气副产品），供下游使用，同时还能生成高纯氮气。在现代一体化冷水机组中，低温空分装置通常是多套装置，总产能从每天几百吨到几千吨不等，并配备精密的控制系统和能量回收装置。
低温空分装置广泛应用于炼油和石化厂，为部分氧化或蒸汽重整等工艺提供氧气，并为惰性气体保护和合成提供氮气。在合成气厂（例如煤气化或油坑气化装置）中，空分装置为气化炉提供纯氧，并提供氮气作为稀释剂或吹扫剂。例如，中东地区近期建成的炼油和气化一体化装置就采用了大型低温空分装置，该装置以多种压力输出氧气，用于气化炉和硫回收，同时还向汽轮机和加工单元输送氮气。在氨和氢气厂中，空分装置提供的氮气用于与“绿色”氢气合成氨，而氧气则可用于炉内或吹扫系统。在这些行业中，根据设计，空分装置 (ASU) 还可能以液态或浓缩气态的形式产生氩气和其他稀有气体作为副产品。一个设计完善的低温空气分离装置 (CRU) 可为重整、气化和合成装置提供高纯度的 O₂ 和 N₂。
低温空分装置的典型应用包括：
- 合成气和气化： 在煤炭、气转液 (GTL) 或炼厂残渣气化工艺中，向气流床气化炉供应高纯度氧气（通常为 95% 或更高），以实现部分氧化，从而生成合成气 (CO + H₂)。纯氧可消除氮气稀释，提高合成气质量。在氧气吹扫气化炉中，现代化的低温空气分离装置可最大限度地减少氮气稀释，并稳定合成气质量。
- 蒸汽重整和制氢： 为氢气和合成气的合成工艺提供低氧原料（以及纯氮气）。对于氢气和氨的生产链，低温空气分离装置 为合成回路和惰性气氛提供氮气。在自热重整装置中，氧气（来自空气分离装置）和蒸汽的组合将烃类重整为合成气。在蒸汽甲烷重整装置 (SMR) 中，空气分离装置可能不直接提供氧气，而是提供氮气用于氨合成或生成惰性气氛。
- 炼油和石化：为燃料气燃烧或重油部分氧化提供氧气，并为惰性气体保护、换热器吹扫或作为尿素或甲醇合成等工艺的原料提供氮气。来自空分装置的氮气还可以驱动液压和气动系统，或稀释高功率工艺加热器。通过适当的调节，低温空分装置能够跟踪炼油厂负荷变化，而不会出现纯度波动。
- 钢铁、冶金及其他行业：除石油化工外，低温空分装置还满足炼钢厂转炉的氧气和惰性气体需求。然而，本文主要关注石油化工/合成气领域。
表 1. 低温空气分离装置（大型石化应用）的关键参数
表 1 总结了大型低温空气分离装置的关键工艺参数。这些装置是定制设计的，但给出了典型的性能范围。
| 范围 | 典型规格 |
|---|---|
| 氧气纯度（气态O₂） | 95–99.5%（体积比） |
| 氧气生产能力 | 约50-5000+吨/天 |
| 氮气生成（气态 N₂） | 平衡比例（约占气流输出的 80%） |
| 氧气输送压力 | 压力表读数约为 3–8 巴（增压时通常可达约 15–30 巴） |
| 氮气输送压力 | ~5–15 巴表 |
| 单位能耗 | 每吨氧气约 170–220 kWh（0.17–0.22 kWh/kg） |
| 工作温度 | 再沸器底部温度约为 78 K；换热器温度约为 90–100 K |
| 蒸馏塔数量 | 通常每列火车2-3台（氩气回收需额外配备） |
| 冷藏箱设计 | 通常每列火车2-3台（氩气回收需额外配备） |
表1：大型低温空气分离装置的关键工艺参数。氧气和氮气的输出相互关联（空气中氧气含量约为21%，氮气含量约为78%）；如有需要，可以提取氩气（约占空气的0.9%）。现代空气分离装置在中等压力下运行（压缩后通常为5-10巴），以提高热交换效率和处理量，最终产品输出通常会被重新压缩或加压储存。单位能耗约为每公斤氧气0.17-0.22千瓦时（约170-220千瓦时/吨），具体数值取决于氧气纯度和装置效率。
低温空气分离装置 (ASU) 的设计以低温精馏为核心。首先，环境空气经过过滤和压缩（通常压缩至约 5–10 bar），然后进行净化以去除水、二氧化碳和其他杂质。之后，利用集成的热交换器和膨胀机逐步冷却至低温。液化空气进入精馏塔组：通常包括一个高压塔和一个低压塔（再沸器）。低温精馏利用氮气（-196°C）和氧气（-183°C）的沸点，必要时可从中间点收集氩气。冷却后的气态氮气从高压塔顶部抽出，而液氧则从塔底抽出。为了获得高纯度氧气，通常采用多级塔板或回流装置。分离出的氧气和氮气产品可以根据下游需求，以气态（通过液态产品的汽化）或液态形式排出储存。
产品的压力水平因应用而异。在许多石化厂中，气态氧以中等压力（例如 3–8 barg）输送，但大型联合装置通常会将氧气压力提升至更高水平（10–30 bar），以便进行管道输送或多级供气（例如，一个压力水平输送至气化炉，另一个压力水平输送至硫回收装置）。气态氮通常以几巴（通常为 5–15 bar）的压力输送，用于支持吹扫和火炬燃烧等工艺，或作为惰性稀释剂供给汽轮机。在一体化装置中，压缩产生的余热通常通过联合冷却回路或给水系统回收。一些空分装置 (ASU) 集成了多个汽轮膨胀机或发电机，以回收冷能并提高装置的整体效率。
与重整和气化工艺的集成
在一体化联合循环装置中，低温空气分离装置（ASU）与重整装置、POX装置和IGCC燃气轮机同步运行。在石油化工和合成气装置中，低温ASU与主要工艺单元完全集成。例如，在煤气化或重油气化装置中，ASU为气化炉燃烧器提供必要的氧气流量。氧气流量的控制与原料输入量和所需的合成气组成（CO/H₂比）相匹配。低温制冷系统（冷箱）的废气可用于提供工艺制冷，甚至驱动辅助涡轮膨胀机。在整体煤气化联合循环（IGCC）装置中，ASU通常与燃气轮机相连：一部分压缩机空气可以绕过ASU预冷进料空气，而燃气轮机的废热可用于ASU的热交换器。事实上，许多炼油-热电联产一体化项目（例如与 IGCC 并置的炼油厂）使用单个多系列空分装置同时为炼油厂的制氢厂和 IGCC 的气化炉提供服务。
当与重整装置（例如自热重整器或部分氧化反应器）连接时，空分装置 (ASU) 提供氧气以维持高温重整反应。来自重整器的净化气流随后可流入变换器，利用水煤气变换催化剂生成氢气；在这种情况下，空分装置还可提供用于氨或甲醇合成回路的氮气。由于重整器连续运行，空分装置的设计旨在实现高可靠性和在线调节。空分装置产生的部分氮气通常用于吹扫换热器，并提供惰性气体以防止形成易燃混合物。
在这些集成系统中，空分装置 (ASU) 的设计通常包含多条并行的机组或大型单列机组，以便在不停机的情况下进行维护。典型的设计方案包括：双塔式与三塔式系统（当需要氩气回收时，通常采用三塔式系统）、用于小流量的单塔式设计，以及使用混合制冷剂的混合配置。许多现代空分装置采用先进的冷箱设计（例如板翅式换热器）来最大限度地提高效率。一些设计方案还采用了蒸汽再压缩循环或涡轮膨胀机来降低能耗。布局还必须考虑涡轮机械（空气压缩机、真空泵）和安全设备（例如，用于防止停机期间空气进入的氮气惰性化系统）。
低温空分装置需要对流量和控制进行精细的平衡。塔的操作压力通常由压力传感器和阀门控制，而温度控制（尤其是在再沸器塔底和回流罐）对于产品纯度至关重要。许多装置都配备了在线氧气和氮气分析仪，以确保产品符合规格。有时会应用先进的过程控制算法（包括模型预测控制）来优化能源利用。由于低温装置必须处理极低的温度，因此仪表（压力变送器、温度计、液位传感器）是专为低温操作而设计的，并且必须保证良好的气密性。
区域部署：中东、美国和中国
中东：该地区拥有一些全球规模最大的综合炼油和气化项目，推动了对超大型低温空分装置（ASU）的需求。中东企业经常投资建设多系列、日产1000吨以上的氧气装置，为偏远地区的石化联合装置和液化天然气/天然气制油（LNG/GTL）工厂供氧。例如，海湾地区一座著名的空分装置每天向阿联酋一家工业气体公司供应200吨高纯度氧气以及氮气和氩气，并配备了远程监控系统以应对其恶劣的环境。在沙特阿拉伯，一个具有里程碑意义的项目包括一座巨型空分装置，该装置同时为一座日产40万桶的炼油厂和一座4000兆瓦的整体煤气化联合循环（IGCC）电厂供氧；该装置可在多个压力水平下供应氧气，并配备液态储气罐以应对峰值负荷。中东炎热的气候和有限的冷却水资源使得效率和海水冷却成为重要的考量因素。供应商会根据当地高温环境条件定制空分装置，并经常采用海水冷却式换热器。此外，许多区域性电厂已将蒸汽轮机集成到空分装置中，用于电力出口。一些海湾国家对低碳氢能的监管支持也促进了对空分装置的新投资（通常是低碳或可直接用于氢能发电的设计）。
美国：美国的石化和炼油联合企业通常也采用大型低温空分装置（ASU），但其工艺侧重点往往有所不同。美国工厂为炼油工艺（例如催化裂化再生或部分氧化制氢）以及越来越多的低碳能源项目（例如制氢和二氧化碳捕集方案）提供氧气。美国拥有许多现场空分装置，为电子制造、化工和金属行业提供大量氮气——例如，亚利桑那州最近建成的一套空分装置为一个大型电子中心提供2万标准立方英尺/小时（SCFH）的高纯氧气和200万标准立方英尺/小时（SCFH）的氮气。由于美国天然气原料供应充足，蒸汽甲烷重整制氢工艺十分普遍，但空分装置也提供氨生产所需的氮气。排放法规促使一些项目致力于提高空分装置的能源效率或回收更多废热。与中东不同，美国的冷却水通常更为充足，许多工业区的环境温度也更为温和。然而，美国的 ASU 项目规模可能非常大；一个正在进行的例子是计划在密西西比河走廊建设的多系列氧气厂（日产数千吨），以服务于一个先进的化工综合体。
中国：受煤制合成气和钢铁行业的推动，中国低温空分装置市场规模庞大且持续增长。中国工厂通常采用富氧煤气化技术生产化工和电力，这需要空分装置提供巨大的氧气流量。国有煤气化项目通常采用国产空分装置，其产能从每天数百吨到数千吨不等。例如，中国的对置多燃烧器（OMB）煤浆气化炉燃烧纯氧和煤浆，因此需要本地空分装置提供所有氧气；其中最大的空分装置产能可与西方同类装置媲美甚至超过。在钢铁行业，现场空分装置为转炉提供氧气和外部氮气。中国的气候（夏季炎热，冬季寒冷）影响着材料的选择和保温性能。许多工厂由国内供应商（例如杭州福运气体、千久低温）建造，通常采用多机组配置以确保可靠性。中国的环境政策也致力于提高效率和降低氮氧化物排放，因此空分装置可能会配备余热回收装置或集成碳捕集系统（因为空分装置可以利用低温冷却在先进工艺中冷凝二氧化碳）。近年来，外国工程公司也根据EPC合同在中国建设了大型空分装置，这反映了全球技术转移的趋势。
在所有地区，空分装置（ASU）的基本技术大同小异，但具体场地因素（燃料类型、海拔、环境条件、公用设施基础设施）会影响设计选择。中东和美国的项目往往遵循国际工程标准，并经常与联合循环发电系统集成。中国的项目可能更倾向于标准化的多机组模块，并注重成本优化。然而，全球趋势是提高单机组的处理能力（数千吨/天）和自动化程度。
设计变更和控制系统
低温空气分离装置的控制理念主要围绕塔压、再沸器负荷和在线纯度分析仪展开。低温空气分离装置有多种设计，以适应不同的规模和负荷。小型现场装置（例如，为单个精炼装置提供支持）可能使用单个双塔组件，甚至模块化成套空气分离装置。相比之下，世界级综合装置则使用多塔冷箱，其中包含独立的高压塔和低压塔。当空气分离装置需要生产液氩时，会添加第三根塔（或氩气预净化塔）以通过中间抽取方式分离氩气。另一个设计差异在于膨胀系统：一些空气分离装置采用简单的节流膨胀进行制冷，而更先进的设计则包含一个或多个布雷顿循环涡轮机（膨胀压缩机），用于发电和加深制冷，从而提高能源效率。一些装置甚至使用混合制冷剂系统或额外的再沸器。
材料和设备的选择也各不相同。内部组件（塔盘或填料）的选择以低压降和高效分离为目标。换热器可根据规模大小选择钎焊铝板翅式或不锈钢螺旋焊接式。真空泵和冷凝器（用于再沸器）的尺寸需根据极低的低温操作条件进行设计。塔的尺寸和高度取决于所需的分离负荷；典型的氧气纯度要求（例如，特殊用途需要 99% 以上，散装合成气进料需要约 95%）会影响理论塔板数。
低温空分装置的控制系统高度自动化。工厂通常采用分布式控制系统 (DCS) 或可编程逻辑控制器 (PLC)，并配备专用的过程控制回路。控制策略通常采用级联回路：内回路可能维持再沸器液位，而外回路则调节回流阀或蒸发阀，以满足纯度设定值。塔压通过压缩机循环阀或排气阀进行调节。安全联锁装置确保，如果空气或水分进入冷箱，装置会被升温或吹扫。启动时，空分装置必须先经过仔细的升温和吹扫（通常使用氮气），然后再进行冷却和充注。现代空分装置可能包含动态模拟或离线优化器，用于调整运行，从而降低能耗。仪表包括低温压力传感器（压缩机中可承受高达约 100 bar 的压力）、温度传感器（量程低至 -200°C）以及分离器中的液位传感器。由于故障可能导致快速蒸发，因此严格的安全规程（泄压、惰性气体保护）至关重要。
人机界面使操作人员能够根据工厂需求的变化调整流量。例如，如果炼油厂增加氢气产量，空分装置控制系统会自动提高氧气输出并调节氮气流量。产品纯度的连续监测（氮气管路中的氧气分析仪，反之亦然）会将数据反馈到控制回路。总而言之，即使上游工艺（例如气化炉或重整炉）的功率提升或降低，自动化控制系统也能确保稳定、高质量的输出。
总而言之，用于石油化工和合成气工厂的低温空气分离装置是专为满足工业需求而定制的复杂低温制冷系统。它们的特点是配备大容量蒸馏塔、严格的纯度要求（通常氧气含量>95%）以及巨大的能源消耗（每吨氧气耗能达数百千瓦时）。设计选择因应用和地区而异：中东和中国的项目通常将空气分离装置的产能推向超大型，并集成多压力输出；而美国的部署则侧重于能源效率以及与电力和氢气网络的集成。所有此类装置都采用先进的控制系统来管理精密的低温工艺，并与重整器、气化炉和生产装置进行连接。随着石油化工和合成气行业的不断发展（包括向更清洁燃料和氢气的转型），低温空气分离装置将继续发挥关键作用，实现空气大规模分离成各种气体，以满足不同的工业用途。
