气体分离、混合气体提纯及尾气资源化利用技术的分析研究

1 前言

为推动中国气体分离和环保产业的高质量发展贡献科技力量，助力实现"双碳"目标，我们着重分析研究气体分离、混合气体提纯及尾气资源化利用，为了较好的分析气体分离与节能环保领域，我们将详细介绍提供高效节能的解决方案，以技术进步推动效率提升。本文将针对气体分离、混合气体提纯及尾气资源化利用提供具体的可操作具体的方案。

2 解决方案

2.1 采用富氧燃烧技术

2.1.1 应用方向

富氧燃烧技术通过采用氧浓度高于空气中含氧量的富氧空气作为助燃介质，实现了燃烧过程的显著优化。该技术具有多重优势：可提升燃烧效 15‰ 火焰温度增加20 同时降低燃料燃点并加速燃烧反应，从而实现能源节约；促进燃料完全 排放量， 提高热效率 15‰ ，控制过量空气系数在1.1 以下，有效抑制氮氧化物等 30-50%) 并为碳捕 造有利条件。随着制氧技术进步和氧气成本下降，该技术已广泛应用 （高炉富氧）、有色冶金（铜铅锌冶炼）、工业窑炉（玻璃、陶瓷）、热能工程（锅炉系统）及环保领域（危废处理），展现出显著的节能环保效益。

2.1.2 应用场景

1）新能源

富氧燃烧技术在新能源领域展现出重要应用价值：在红土镍矿冶炼中，富氧侧吹工艺可提升热效率 20% 以上，实现镍铁品位精准控制；高镍三元材料煅烧采用93%纯度富氧，配合智能调节系统，显著降低能耗成本；同时，高纯氧气作为保护气应用于锂电池极片生产，有效提升产品一致性。这些创新应用通过富氧技术实现综合能效提升 15-30% ，为新能源产业提供关键技术支撑。

2）高炉

在现代化长流程钢铁生产体系中，变压吸附制氧技术正成为高炉富氧强化冶炼的首选方案，其技术优势主要体现在三个方面：首先，高炉工艺对氧气纯度的特殊需求（富氧而非纯氧）可通过变压吸附产氧与空气的智能配比完美满足；其次，相较传统深冷法制氧，变压吸附工艺可降低氧气生产成本 30% ；再次，其灵活的启停特性（冷启动 <30 分钟）和宽负荷调节能力 (30-110%) ）可有效配合全厂用氧波动，将氧气放散率控制在5%以下。理润科技凭借自主研发的机前混氧系统和成熟的工程经验，已为大型钢铁知名企业提供定制化富氧解决方案，单套系统最大供氧能力达 6500Nm³/h ，显著提升高炉利用系数（平均提高 0.1-0.15t/(m³⋅d)) ）并降低燃料比（8-12kg/t 铁）。

3）有色

VPSA 制氧技术为铜、铅、锌、镍等有色金属冶炼提供稳定氧源 (30%-93% 富氧浓度），通过富氧助燃显著提升生产效率并降低能耗30-50%。该技术适配各类冶炼炉型（底吹/侧吹/顶吹），可灵活调节供氧量，大幅降低用氧成本。以铜冶炼为例，富氧工艺不仅节能显著，还能提高烟气 SO₂浓度利于制酸，实现环保与经济效益双赢。目前该技术已成功应用于40 余套有色冶金装置。

4）水泥

富氧燃烧技术作为水泥行业碳扑集的关键方案，通过富氧与循环高浓度二氧化碳烟气混合助燃，可产出二氧化碳浓度超过75%的烟气，便于后续扑集利用。 该技术能显著提升燃烧效率，但因氧气成本问题长期受限，随着变压吸附制氧技术的成熟，富氧煅烧技术已在水泥行业实现突破性应用。该技术可助力水泥企业实现节能降耗与环保减排的双重效益，被列入国家科技支撑计划，展现出广阔的市场前景。

5）玻璃玻纤

该技术为玻璃玻纤行业提供了稳定氧源（纯度 93% ），推动富氧燃烧技术

替代传统空气助燃方式。该技术可实现显著节能效果，同步降低NOX 排放。准对窑炉对供氧稳定性的严格要求，专门的设备运维技术，可确保氧气供应安全可靠，有效解决行业用氧成本高的问题。全氧燃烧技术通过使用90—93%纯氧替代空气助燃，配合煤气、天然气、重油等燃料，正在重塑玻璃熔窑的能源利用模式。

6）新能源

富氧燃烧技术在新能源领域展现出重要应用价值：在红土镍矿冶炼中，富氧侧吹工艺可提升热效率 20%以上，实现镍铁品味精准控制；高镍三元材料煅烧采用93%纯度富氧，配合智能调节控制系统；显著降低能耗成本；同时，高纯氧气作为保护气应用于锂电池极片生产，有效提升产品一致性。这些创新应用通过富氧技术实现综合能效提升 15‰ ，为新能源产业提供关键技术支撑。

2.2 采用臭氧技术

2.2.1 应用方向

臭氧作为一种强氧化性气体，凭借其卓越的消毒和氧化能力，被广泛应用于市政污水处理 (32%) ）、工业废水处理 (23%) ）、烟气脱硝（9%）、造纸漂白 (15%) ）和食品加工 (6%) ）等领域。由于臭氧极不稳定（常温下半衰期仅20-30 分钟），必须通过现场臭氧发生器即时制备。当前我国臭氧发生器市场规模已达58 亿元，年复合增长率保持在12%以上，其中水处理领域占据55%的市场份额，成为最主要的应用场景。在臭氧制备工艺中，变压吸附（VPSA）制氧技术因其显著优势成为首选氧源方案：首先，相较于传统深冷法制氧，VPSA 设备投资成本可降低 40-50%: 其次，其生产的氧气纯度稳定在90-93%区间，完全满足臭氧发生器的原料要求；再次，系统具备优异的操作弹性，可在 30-110% 负荷范围内灵活调节；最后，单位氧气能耗控制在 0.30±0.03kWh/Nm³的行业领先水平。随着环保标准的持续提升和"双碳"战略的深入推进，臭氧技术在工业废水深度处理、烟气多污染物协同治理等领域的应用前景广阔，预计未来三年将带动 VPSA 制氧设备新增市场需求超过 20 亿元。

2.2.2 适用场景

1）臭氧烟气脱硝

臭氧凭借其强氧化特性，能高效氧化烟气中的 NOx（氧化效率 >90%⟩ ），将其转化为易溶于水的高价态氮氧化物，再通过后续吸收工艺实现高效脱除（脱硝效率 85-95%) ）。相较于传统 SCR/SNCR 技术，臭氧脱硝具有系统简单、占地面积小（减少 50%) ）、无氨逃逸等优势。通过配套氧气回收系统，可将85%以上的未反应氧气循环利用，使臭氧制备成本降低 40% ，显著提升臭氧脱硝技术的经济性（运行成本下降 30-35%) ），为钢铁、水泥等行业提供更清洁高效的烟气治理解决方案。

2）纸浆漂白

臭氧凭借其强氧化性在纸浆漂白中展现出独特优势，不仅能有效分解木素（白度提升15-20 度），而且避免了传统含氯漂白工艺产生的有毒有机氯化物（如AOX）。相较于传统漂白工艺，臭氧漂白可减少50%以上的化学药品用量，同时显著降低废水COD 负荷（降幅达 40-60%) 。通过配套氧气回收系统，可将85%以上的未反应氧气循环利用，既降低氧气消耗成本（节约 30–40%) ，又能将富余氧气用于其他生产环节，实现纸浆漂白过程的清洁化与资源高效利用。

3）臭氧水处理

臭氧水处理技术凭借其强氧化特性，在给水处理中展现出卓越的消毒性能（杀菌效率达氯消毒的300倍），且完全避免了有害消毒副产物的生成；在污水处理领域，可有效降解难生物降解有机物（COD 去除率30-50%) ），显著提升出水水质。通过配套臭氧节能设备，可实现85%以上的氧气循环利用率，回收的氧气既可回用于臭氧发生器，又可作为优质氧源用于生化池曝气（溶解氧提升 20-30%) ），双重功效使综合水处理成本降低25-35% ，同时减少40%的氧气消耗，实现高效节能的水处理解决方案。

2.3 工业化尾气资源化利用

2.3.1 钢厂尾气制化工产品

1）应用方向：

我国是钢铁生产第一大国，钢铁生产的同时年副产高炉煤气（ CO20-25%% ）、转炉煤气（CO 60-70%）及焦炉煤气（H₂ 55-60%）等含碳资源超8000 亿立方米。碳一化工以CO/CH₄等C1 化合物为原料，其中合成气（CO+H₂）路线占现代煤化工产能的65%以上。将钢铁副产煤气经PSA/膜分离提纯（ CO≥98% ， H₂≥99.5% ）直接用于碳一化工，可使化工原料成本降低 30–40% ，同时提升煤气附加值2-3 倍。钢化联产通过将钢铁副产煤气转化为甲醇（吨钢副产0.1-0.15 吨）、乙二醇等产品，构建"钢铁-化工"产业共生体系。实践表明，该模式可降低吨钢碳排放8-12%，是钢铁行业实现双碳目标的关键路径之一

2）适用领域：

长流程钢企碳资源化解决方案：基于1000-6000m³高炉与 30-350t 转炉的钢铁联合企业，通过高效回收高炉煤气（CO 20-25%，回收率≥90%）和转炉煤气（CO 60- 70% ，回收率≥85%），可年产工业级CO（纯度≥99 .5% ）50-100 万吨，用于生产甲酸（单耗 0.65tCO/t）、乙酸等高值化学品，创造吨钢综合效益 。

钢铁焦化深度协同工艺：（1）氢源保障：焦炉煤气提氢（H₂≥55%，纯度 99.99%

（2）碳源优化：高/转炉煤气 CO 富集（浓度≥98%）（3） 合成优势：采用新型催化剂（选择性 >98%) 可年产甲醇30-50 万吨/百万吨钢，或乙二醇20-30 万吨，综合能效提升 18-25% 。

2.3.2 钢厂尾气热值提升

1）应用方向：

高炉煤气与转炉煤气构成钢铁长流程生产中最重要的二次能源，其可燃组分占比突出：典型高炉煤气含CO（ (20-25%) ）与 CO₂ (18-22%) ），合计占体积比 40-50% ；转炉煤气CO 含量可达 60-70% ，CO₂占比 3-8% ，总可燃组分占比达 65‰ 。研究表明，通过系统优化这两种煤气的 CO 利用效率，可降低钢铁企业15-20%的碳排放强度。采用变压吸附（PSA）技术将煤气中CO 浓度提升至80%以上回喷高炉，可替代15-30%的化石燃料消耗。某大型钢企实践显示，该工艺使吨铁焦比降低8-12kg，年减排 CO₂超50 万吨。配套的胺法或钙循环 CO₂捕集技术（能耗<2.5GJ/tCO₂），可将捕集成本控制在 200-300 元/吨，捕获的 CO₂用于驱油可提高原油采收率 7.15% ，形成CCUS 闭环。针对天然气价格高于2.5 元/m³的区域，采用变压吸附（PSA）技术将高炉煤气提纯至CO 含量> 80% ，可获得热值2100±300kcal/Nm³的合成燃气。某沿海钢厂应用案例表明，该技术替代30%天然气需求时，年节约燃料成本超2 亿元，同时减少CO₂排放约 120 万吨，投资回收期仅2.3 年。

2）适用领域

（1）低碳转型路径选择：针对需实现阶段性减排 (15%-25%) ）的钢铁企业，采用高炉煤气（CO₂:18-22%）碳捕集耦合CO 富集（浓度≥80%）回喷工艺，可降低吨铁焦炭消耗 8-12kg，是目前最具操作性的技术路径之一。（2）高热值燃气解决方案：对于需1800-2400kcal/Nm³清洁燃气且要求零放散的企业，通过高炉煤气提质升级（CO+H₂≥75%），可替代30-50%天然气用量，实现煤气综合利用率＞98%，年节约燃料成本超亿元规模。

3 结语

本文针对本文将针对气体分离、混合气体提纯及尾气资源化利用提供具体的可操作，高效节能的方案，推动中国气体分离和环保产业的提供了良好的参考价值。

参考文献

【1】刘博文. 推动气液分离技术的发展[J].工业科技发展，2024（6）：11-15.

【2】汪晖. 浅谈气液分离技术的发展现状和发展前景展望[J]. 能源科技， 2022（22）：64-70.