深冷制氧是一种领先的工业工艺，通过在极低温度下将氧气从空气中分离出来，从而生产高纯度氧气。这种方法，也称为深冷空气分离或深冷蒸馏，几十年来一直是工业气体行业的主力军。它依靠冷却空气使其组分液化，然后对液体进行蒸馏以提取氧气、氮气和其他气体。最终得到的氧气纯度非常高（通常高于99.5%），产量也足以满足钢铁制造、化工和能源生产等行业的需求。在本文中，我们将探讨深冷制氧的原理，并将其与变压吸附（PSA）和膜分离等其他制氧方法进行比较，并重点介绍其在各个行业的实际应用。
低温制氧原理
低温制氧的原理是通过将空气冷却至极低温来分离空气。在典型的低温空气分离装置 (ASU) 中，环境空气首先经过过滤以去除灰尘，然后被压缩至高压（约 5-8 巴）。压缩空气通过热交换器分阶段冷却，通常使用制冷循环和膨胀涡轮机来达到极低温（约 -180°C）。此时，大部分空气会冷凝成液体。液化空气包含液态氮、氧和氩的混合物，被送入精馏塔系统进行分离。
现代低温精馏塔采用双塔设计：一个高压塔和一个低压塔串联使用。在这些塔中，利用沸点差异来分离组分。氮气（沸点约为-196°C）和氩气（-186°C）的沸点低于氧气（-183°C），因此，当液态空气混合物在塔内沸腾并重新冷凝时，氧气会以液态形式聚集在塔底，而氮气则以气态形式上升到塔顶。通过精确控制精馏塔内的压力和回流，可以提取出高纯度氧气（通常为99%至99.9%）。这些氧气可以以接近环境压力的气态形式收集，也可以以液态形式泵入储罐。低温装置通常还会通过额外的精馏步骤生产高纯度氮气和氩气，作为有价值的副产品。
低温分离法可以生产高纯度氧气，但工艺过程相当复杂。空气分离装置（ASU）包含的主要设备有空气压缩机、净化系统（用于去除水分和二氧化碳，以免它们冻结）、大型冷箱绝缘装置、精馏塔、换热器以及低温氧泵或汽化器。该工艺过程需要消耗大量能源，主要用于空气压缩和制冷，并且通常需要连续运行。然而，一旦投入运行，低温制氧对于大批量生产而言效率极高，能够充分发挥规模经济的优势。许多大型钢铁厂、炼油厂和化工厂都在厂区内运行专用的低温空气分离装置，以满足每天数千吨的氧气需求。
与其他制氧方法的比较
虽然低温制氧技术非常适合大批量、高纯度的氧气生产，但还有其他方法更适合小规模或低纯度需求的场合。两种主要的替代方法是变压吸附 (PSA) 和膜分离。每种方法都有其独特的原理、优势和权衡之处，因此在不同的应用场景下各有其适用性。下文我们将概述 PSA 和膜分离制氧的工作原理，并将其与低温制氧技术进行比较。
变压吸附（PSA）制氧
与低温制氧技术不同，变压吸附（PSA）是一种非低温技术，它利用特殊的吸附材料从空气中过滤掉氮气来制取氧气。在PSA制氧机中，空气（通常压力为4-10巴）通过装满沸石或其他分子筛的容器。这些吸附剂优先吸附氮气。在高压下，这些吸附剂会吸附大部分氮气，同时让氧气（和氩气）通过。这样，在出口处就能获得富氧气体。然后，该过程进入低压阶段：吸附床减压，释放被吸附的氮气（作为废气排出），并使分子筛再生，为下一个循环做好准备。通过交替使用两个（或多个）吸附塔，PSA系统可以提供近乎连续的产品气体流。
变压吸附（PSA）制氧装置操作相对简单，可以快速启动或关闭。它通常采用模块化撬装式设计。PSA 制氧的氧气纯度低于低温制氧，通常在 90% 至 95% 之间。（一些 PSA 系统可以通过额外的精制步骤达到约 99% 的纯度，但无法达到低温制氧装置提供的超高纯度和液氧产量。）PSA 的产能也比较有限。单个 PSA 制氧机每小时的氧气产量从几立方米到几千标准立方米不等（最多每天几十吨）。这使得 PSA 非常适合中小型应用，例如为医院、污水处理厂或小型工业流程供应氧气。PSA 装置的初始投资成本和能耗通常低于同等规模的低温制氧装置。然而，在大型应用中，PSA 每单位氧气的比能耗实际上可能更高，因为其效率不会随着规模的扩大而显著提高。PSA 装置的另一个局限性是无法轻松地同时生产液氧或其他气体（例如氩气），而且吸附剂在系统运行期间需要定期更换。
膜氧分离
膜分离是另一种制氧方法，它利用气体选择性透过膜的原理。在这种方法中，压缩空气被送入装有聚合物中空纤维膜的模块。这些膜允许某些气体比其他气体更快地扩散通过。氧气比氮气更容易透过膜，因此在低压渗透侧流出的气流中氧气浓度会升高。富集程度取决于膜的特性和操作条件，例如压力和流量。商用膜式制氧机通常只能提供富氧空气，而不是高纯度氧气。例如，单级膜可以使氧气浓度达到约 30-40%（空气中的氧气浓度为 21%）。虽然可以通过多级膜来实现更高的纯度，但效率会降低，成本也会急剧上升，因此这种方法不适合大规模生产高纯度氧气。
膜分离系统结构非常简单，没有活动部件，因此在可靠性和维护方面具有优势。它们占地面积小，初始成本也较低。膜式制氧机适用于需要适度提高氧气浓度且流量相对较低的应用（例如，用于锅炉燃烧的富氧空气或用于鱼类养殖的曝气）。然而，由于目前的技术无法使氧气浓度达到接近纯氧的水平，因此在需要高纯度或大流量氧气的情况下，通常不使用膜分离技术。在这种情况下，通常会选择低温制氧或变压吸附（PSA）技术。目前，研究人员正在开发更先进的膜材料（包括高温陶瓷离子传输膜），以期未来能够实现更高的氧气纯度，但这些技术尚未广泛应用于商业领域。
低温分离法、变压吸附法和膜分离法的性能比较
每种制氧方法都具有独特的性能特征。主要区别包括可达到的氧气纯度、生产能力、能源效率、灵活性和成本。下表比较了低温制氧与变压吸附（PSA）和膜分离技术的性能特点：
| 方面 | 低温制氧 | PSA制氧 | 膜氧分离 |
|---|---|---|---|
| O₂纯度 | 99%～99.9%（高纯度；可用于生产液氧） | 约 90-95%（中等纯度） | 约30-40%（富氧空气） |
| Typical Capacity | 大规模（每天50至1000吨以上氧气） （约5000立方米/小时以上） | 小型至中型（每天 0.2 至 50 吨） （约 10–1500 Nm³/h） | 小规模（每天最多约 10-25 吨富氧空气） （流量有限，单位为 Nm³/h） |
| 工作压力 | 空气进料压力约为 6 巴；蒸馏压力约为 1-6 巴。 产品氧气通常以接近 1 巴的压力（气态）或液态形式输送。 | 空气供应压力约为 5-10 巴；产品压力约为 1 巴（气态）。 | 空气供应压力约为 5–13 巴；产品压力约为 1 巴（富集气体）。 |
| 能源消耗 | 每吨氧气约需200千瓦时电量（用于生产约95%浓度的氧气） 如果生产液氧或99.9%浓度的氧气，则耗电量更高。 | 每吨氧气消耗约 240-400 千瓦时电量（具体数值取决于生产规模和纯度） | 适度富集时，每单位氧气的成本较低；但对于高纯度氧气而言，则不经济。 |
| Capital & Equipment | 初始成本高；设备复杂，包括压缩机、冷箱和精馏塔。 | 成本适中；采用模块化撬装设计，包含压缩机和吸收罐。 | 成本低；简单的模块（膜束）加压缩机 |
| Start-up/Response | 启动缓慢（需要数小时）；最适合在稳定负载下进行24/7连续运行。 | 快速启动（只需几分钟）；能够很好地应对开关机循环和负载变化。 | 响应迅速；开关操作非常简便，适用于需求波动较大的情况。 |
| Co-production | 可同时生产氮气、氩气和液态产品（附加值）。 | 每次只能产生一种气体（氧气或氮气）；无法产生氩气。 | 仅产生富氧空气（副产品为富氮废气）。 |
表格：氧气生产方法及其典型性能参数比较。
总而言之，当需要超高纯度和超大产量时，低温制氧装置占据主导地位——例如，一台低温空分装置每天可以为大型钢铁厂或石化联合企业供应数百甚至数千吨氧气。变压吸附（PSA）系统适用于现场中等规模的氧气需求（每天几十吨或更少），此时90-95%的纯度就足够了，并且简单性和灵活性是首要考虑因素。膜分离系统适用于需要适度提高氧气浓度且对复杂性要求较低的小规模和特殊应用场景。在能源效率方面，低温制氧在大规模生产时更具优势（大型装置的单位能耗更低），而变压吸附系统通常更适合小型装置。例如，现代低温空分装置采用先进的板翅式换热器，并可能使用液氧泵而不是气体压缩机进行高压氧气输送，以最大限度地降低每吨氧气的能耗。膜分离系统在轻微提高氧气浓度方面具有最低的能耗和维护成本，但无法达到许多工业流程所需的高纯度水平。
低温制氧技术的实际应用
低温制氧技术在众多行业中发挥着至关重要的作用，为这些行业提供可靠的高纯度氧气供应。一些重要的应用包括：
- 钢铁和金属生产：钢铁工业是氧气消耗量最大的行业之一。高炉和碱性氧气转炉使用氧气燃烧焦炭并去除熔融铁中的杂质，从而显著缩短生产时间并降低燃料消耗。电弧炉和切割/焊接作业也使用氧气喷枪，以提高温度和生产效率。位于钢铁厂的低温制氧装置可为这些工艺提供所需的巨大氧气量（通常每天数千吨）。
- 化学制造：许多化学工艺需要氧气作为反应物。例如，环氧乙烷、环氧丙烷的生产以及其他氧化反应都使用高纯度氧气以提高产率。氨和甲醇工厂、煤气化装置以及石化设施通常依靠现场低温制氧装置来为合成气生成或氧化反应器提供氧气。低温制氧装置还能供应氮气和氩气，这对于需要多种气体的综合性化工企业来说是一个额外的优势。
- 能源和发电：在发电厂和能源应用领域，氧气用于富氧燃烧（在氧气中燃烧燃料，产生富含二氧化碳的烟气，以便于碳捕集）和整体煤气化联合循环（IGCC）系统等工艺，这些系统利用氧气对煤或生物质进行气化。这些应用需要非常大的氧气流量，只有低温制氧技术才能经济高效地满足需求。此外，航空航天领域的火箭发射系统也依赖液氧（LOX）作为液体燃料火箭的氧化剂——液氧通过低温蒸馏生产，并储存起来用于太空飞行。
- 医用和航空氧气供应：医院和野战医疗设施所需的大量氧气通常由工业气体工厂采用低温方法生产，然后通过液氧罐车或装满氧气的钢瓶进行配送。低温生产的液氧在使用点通过蒸发器转化为气态医用氧气供患者使用。（对于规模较小或偏远地区的设施，也会使用现场制氧机，但需求量大的中央供氧系统则依赖于低温生产。）飞机和潜艇的生命保障系统也需要氧气供应，这些氧气可能来自储存在机上或潜艇上的低温液氧，也可能是在飞行或航行过程中为机组人员和乘客现场制取的。
- 环境和水处理：一些废水处理厂在曝气池中使用纯氧（而不是空气）来提高好氧消化效率；这些氧气通常由低温制氧厂供应，或以液态形式从异地工厂运送。同样，水产养殖（鱼类养殖）作业有时也会向水中充氧以维持更高的养殖密度，具体使用液氧还是变压吸附（PSA）系统取决于规模和地点。
总而言之，这些多样化的应用凸显了大规模供氧技术在现代工业中的关键作用。
结论
低温制氧仍然是生产高纯度工业氧气的主要方法，对于重工业和先进的化学工艺至关重要。它能够同时大规模生产氧气、氮气和氩气，这使其成为集成工业运营不可或绝的组成部分。虽然较新的小型技术，例如变压吸附（PSA）和膜分离技术，已经找到了各自的利基市场——在小规模生产中提供灵活性、降低前期成本或节省能源——但它们是对低温制氧技术的补充，而非替代。实际上，选择低温制氧还是其他方法取决于所需的氧气纯度、产量和具体应用。研究人员和工程师正在不断创新所有这些技术，寻求改进，例如降低低温空分装置的能耗，或开发更高性能的吸附剂和膜。最终，了解每种制氧方法的相对优势，有助于行业专业人士选择最适合自身需求的技术，从而确保可靠高效的氧气供应。
