工业气体应用领域（氧、氮）

工业气体是指氧、氮、氩、氖、氦、氪、氙、氢、二氧化碳、乙炔、天然气等。由于这些气体具有固有的物理和化学特性，因此在国民经济中占有举足轻重的地位，推广应用速度非常快，几乎渗透到各行各业。
工业气体用量最多的传统产业有：炼钢、炼铁、有色金属冶炼、化肥生产、乙稀、丙稀、聚氯乙稀、人造纤维、合成纤维、硅胶橡制品、电缆和合成革 等石油化学工业、机械工业中的焊接，金属热处理、氦扦漏等，浮法玻璃生产等。由于这些传统产业在近几年发展迅速，工业气体的用量也达到高峰。
工业气体用量正在掘起的产业有：煤矿灭火 、石油开采、煤气化和煤液化，玻璃熔化炉、水泥生产窑、耐火材料生产窑，砖瓦窑等工业炉窑、食品速冻，食品气调包装、啤酒保鲜、光学、国防工业中的燃料、超导材料生产、电子、半导体、光纤生产、农业、畜牧业、鱼业、废水处理、漂白纸浆、垃圾焚烧、粉碎废旧轮胎等环保产业、建筑、气象、文化、文物保护、体育运动、公安破案、医疗保健产业中的冷刀、重危病人吸氧、高压氧冶疗、人体器管低温冷藏 、麻醉技术及氧吧等。

工业气体应用正在试验中的产业有：固体氮生产，燃料电池生产，磁性材料生产，超细加工，天然气发电，压缩天然气汽车，氢能汽车生产等。

--- 钢铁工业中的应用------------
吹氧炼钢： 吹氧炼钢，已为各国普遍采用，成为钢铁工业飞跃发展的一条重要途径。吹氧炼钢的主要方式有：转炉纯氧顶吹或底吹炼钢、电孤炉炼钢和平炉炼钢。转炉炼钢每吨钢耗氧50~60m³；电孤炉炼钢每吨钢耗氧10~25m³；平炉炼钢每吨钢耗耗氧20~40m³。1993年世界各国或地区各种炼钢法所占的比例（%），其中中国：转炉钢是63.8%（美国为61.8%，日本为68.8%，卢森堡为100%，奥地利为90.1%）、电弧炉钢为21.8%（美国为38.2%，日本为31.2%，奥地利为9.9%）、平炉钢为14.2%（美、日、奥均为0）、其他钢为0.2%（美、日、奥均为0）。世界：转炉59.4%，电弧炉31.0%，平炉9.6%，其他0.1%。进入90年代，电炉短流程技术在世界蓬勃发展。现代化大型电炉采用了各种强化供氧技术，提高生产效率和降低电耗。和30年前相比，电炉的冶炼周期从210min降低到55min，冶炼电耗从650kWh/t降低到350kWh/t，而氧气的用量从8m3/t增加到35~60m3/t。炼钢用氧要求氧气纯度达到99.6%，避免钢水吸氧，一般要求总管压力大于2MPa，工作压力大于1.2MPa，气体要求清洁，无水无油。此外，轧钢每吨钢耗氧3~6m³、钢材加工、连铸坯火焰切割，火焰清除、炉衬火焰每吨钢耗氧11.4~14.2m³。
高炉富氧喷煤炼铁： 高炉富氧喷煤炼铁可提高利用系数和降低焦比。1991年3月12至5月24日，首钢公司在1号高炉进行了高富氧大喷煤试验，最高富氧率达5.5%，鼓风中每富氧1%，可增产2.5%~3.0%，试验期55天，共增产生铁1.17万吨；每富氧1%，可提高煤气热值1.28%~2.00%，相当于使用风温升高32~79℃。鞍钢2号高炉富氧喷煤冶炼试验（1992年3月~1993年3月），氧气由鞍钢氧气厂提供，气量10000~12000m³/h，纯度99.5%，压力1.2~1.6MPa（进入高炉冷风前减压至0.6MPa）。为安全，系统安装了氮和均压设施，冶炼结果，富氧鼓风以后，平均每富氧1%，可增产2.27%，温度升高35℃，吨铁成本降低6.91元。1993年12月14~15日，冶金部科技司组织鉴定，当富氧到24.71%时，喷煤量达到161kg/t，入炉焦比降到407kg/t，综合焦比降到536kg/t。
熔融还原炼铁：21世纪，对钢铁工业发展的基本要求是消除环境污染。为根本改变钢铁工业的污染现状，许多发达国家纷纷投入巨资开发熔融还原炼铁技术。熔融还原采用纯氧燃烧煤，代替焦炭炼铁。同时，产生大量高热值洁净煤气，作为能源输出。 韩国浦项钢铁公司已向奥钢联订购一套年产60~70万吨铁水的COREX熔融还原炉装置（C-2000型，日产2000吨铁），已于1995年12月投产。与传统的高炉工艺路线相比，COREX设备铁水成本降低30%，SO₂发散量减少94%，NO_x减少78%，灰尘减少97%。
在宁波也用熔融还原炼铁法，拟采用2套C-2000型COREX装置，炼铁-复吹转炉-薄板坯连铸轧-冷连轧全部流程，总投资126亿元。年设计产钢160万吨。据概算，若采用球团矿方案，需配62000m³/h空分设备两套；如为块矿方案，需配71000m³/h空分设备两套。技术指标：氧耗580m³/t铁，2×600型竖炉需氮气700m³/t铁。高炉富氧炼铁用氧，对氧纯度要求可放低到92~95‰。
全氧高炉炼铁： 前苏联莫斯科钢铁研究总所，1033m³高炉上进行100%使用氧气试验，将煤气在热风炉蓄热室预热，然后代替通常的热风吹入高炉，接着在每个风口喷入氧气。这一工艺在1985~1990年间试验了12次，生产铁水25万吨。在一次试验中，焦比达3677kg/t铁水，用氧2517kg/t铁水，日产含2.2%Si的铁水1700吨。

氮气在钢铁厂的应用
主要是用作保护气，如轧钢、镀锌、镀铬、热处理（尤为薄钢片）连续铸造等都要用氮气作保护气，而且氮气纯度要求99.99%以上。
氧、氮、氩是炼钢企业不可缺少的工业气体，据天津钢管公司介绍，公司自产二次能源消耗为：氧气年耗量2046m3，其中电炉工艺用氧约占79.2%,连铸切割用氧约占6.1%,废钢切割用氧约占5.9%,其它用氧约占8.8%；氮气年耗量2141万m³，其中直接还原铁保护用氮约80.2%,冶炼工艺用氮约15.3%,石灰窑和动力用氮约4.5%；氩气年耗量29.4万m³,全部用于炼钢,其中冶炼用氩61.8%,连铸用氩38.2%。
据报导，目前炼铁、炼钢、轧钢的综合氧耗已达100~140m³/t，氮耗80~120m³/t，氩耗3~4m³/t。
炉外精炼：炼钢、连铸生产企业面临的首要任务是提高钢的质量，扩大品种，而炉外精炼工艺则是关键，尤其是对生产高级别钢种和高附加值产品及提高其竞争力具有重要作用。钢液的炉外精炼是把一般炼钢中要完成的精炼任务，如脱硫、脱氧、除气、去除非金属夹杂物、调整钢的万分和钢液温度等，移到炉外的"钢包"或者专用的容器中进行。炉外精炼工艺与工业气体的使用密切相关，一般可分为真空精炼法和非真空精炼法。真空精炼法包括：（1）真空吹氩法（2）真空吹氧脱碳精炼法（3）强搅拌真空吹氧脱碳精炼法（4）转炉真空吹氧脱碳法非真空精炼法包括：（1）氩氧炉脱碳精炼法（2）气氧炉脱碳精炼法（3）钢包吹氩法（4）密封吹氩法（5）带盖钢包吹氩法

富氧在有色全属熔炼工业上的应用
富氧炼铜: 日本玉野冶炼厂，从1981年开始吹氧炼铜,使生产力提高30%以上，美国英伦西冶炼厂，1982年开始进行吹氧炼铜，使燃料节省50%。美国Wotrerine铜冶炼厂，采用29%富氧，节约燃料30%。我国安徽铜陵第二冶炼厂在10.5m3密闭鼓风炉上改用28%的富氧空气。床能率提高45%。日本点岛冶炼厂，1991年投运23万t/d阳极铜炉，建有8650m³/h空分设备，国内最大的炼铜基地--江西贵溪冶炼厂，为将日本往友的闪速炉改为富氧熔炼。内蒙包关铜厂，使氧含量提高量28%，没有排放，二氧化碳浓度增高，每天提高铜产量1130吨，硫酸成本降低30%。
富氧炼铅：澳大利亚MTM公司建一座ISA法炼铅厂，1991年12月投产，规模为年产铅6万吨，采用富氧空气熔炼，27%O₂，流量7.1m³/s，压力135kPa。再ISA法炼铜厂，1992年投产一座18万t/a铜炉，配一套525t/d（约15400m³/h）制氧机。我国甘肃白银西北铅锌冶炼厂，将在铅锌冶炼中应用氧气。
富氧炼白银：甘肃白银有色金属公司冶炼厂，在白银炉上采用富氧熔炼，使日处理炉科量增加了56%。
富氧炼铝：日本三井氧化铝制造公司试验高炉炼铝技术，始于1975年，到1980年已在实验室制得纯度99.9%的高纯铝，1981年11月20日获准日本专利。高炉炼铝所用的热风，最好用纯氧，也可使用富氧空气，即在空气中加入4%以上的氧。富氧空气经热风炉预热，从高炉下部第一风口喷入。到1984年，已完成1m³实验炉和喷吹能力为每小时喷吹240公斤粉煤以及每小时可将100m³氧气预热到500℃的预热设备。计划1987年达到半工业性设备的生产。

--- 在化肥工业中的应用------------------
氮气是氮肥工业的主要原料,如硝酸铵含氮36%、硫酸铵含氮21%、尿素含氮46.7%。氮气在氮肥厂开工生产前，或在系统大修后，还用来置换管道和容器内的空气或煤气，以确保安全操作。
在小型水煤气制合成氨的工厂中，加氮后氮、氢比例稳定，操作平稳，同时可降低合成氨的电耗。此外还用精氮(99.99%)保护触媒。用纯液氮洗涤精制的氢氮混合气，使得惰性气体（甲烷和氢）极微，一氧化碳和氧的含量不超过20PPm。这个氮洗，氮气的消耗量约为750米3/吨氨左右。
有了合成氨这个原料气，就可以制造各种肥料，1吨合成氨可生产硝铵2~2.2吨，硫铵3.8~4吨，尿素1.5~1.7吨。氧气作粉煤或重油的气化剂，氮气参与合成作原料气，并作装置的安全保护气（触煤保护就要99.99%的纯氮气）。如以粉媒气化，每吨合成氨耗氧500~900m³；如以重油气化，每吨合成氨耗氧250~700m³；以渣油气化，每吨合成氨耗氧850~940m³；石灰氮是一种化学氮肥，1吨石灰氮要消耗氮气300~500m³，现石灰搂主要制双氰胺，硫脲和氰熔体等化工产品。大化肥装置均配置大型空分设备。

---- 在化学工业中的应用-----------------
化学工业与化肥工业及石油化工、石油化纤工业，对氮的需求量都大。苏联63.7%的氮气用于化学与化肥工业上，在氮、尿素、已内酰胺、乙烯、丙烯、聚氯乙烯、人造纤维、合成纤维、硅橡胶制品、电缆合成革等生产中，氮作为工艺气体已广泛应用与研究开拓。特别是乙烯装置在石油化工中具有特殊重要的地位。我国乙烯工业经近30年的发展，已初具规模。1993年全国乙烯产量203万吨，预计2000年我国乙烯的需要量将超过500万吨，2010年将达到800~1000万吨。现国外乙烯装置是向大型化发展，新建装置规模多数在30~70万吨/年。
氮气在化工厂，主要用作保护气、置换气、洗涤气，以保障安全生产。如聚丙烯生产，要用纯氮（99.99%）作保护气、置换气。高纯氮气是化纤生产至关重要的气体，如辽阳石油化纤总厂有三套3000m³/h高纯氮装置。合成革厂也要用高纯氮气保护，如烟台合成革厂有一套1000m³/h高纯氮装置。林产化工厂也要用氮，作为敏胶涂料、松香、树脂等生产过程的工艺保护气。可以说化工厂是用氮大户，氮气是化工厂的"保安气"，开拓化工用氮是大有可为的。

----- 在机械工业中的应用----------------------
金属的切割和焊接：氢一氧焰、氧一乙炔焰在机械工厂中对板材、容器的切割、焊接。氧一丙烷焰切割可提高切割面的光洁度。代替了部分零件的铸、锻、铣、创。利用氩的惰性，在电孤焊时用氩作保护气体，可防止被空气氧化、氮化、钛、钼及合金和不锈钢等。
金属热处理：氮是一种中性气体。在非活化状态下，氮可用作保护加热，防止钢铁的氧化、脱碳，因而广泛地用于光亮淬火、光亮退火、光亮回火等热处理工艺中。在真空热处理时，氮气常作为冷却介质使用；充氮加压油淬时，氮气既可保护真空炉的电热元件，又可通过调节氮气压力，提高钢件的淬硬性。在一定电压和低真空状态下，氮会电离，可进行离子渗氮和离子氮碳共渗。
在渗碳、渗氮时，常用氮气进行炉内吹洗、排气，炉门的气帘密封，渗碳后的防氧化冷却；在停气断电时，将氮气送入炉内，可防止炉气爆炸，保证安全操作。
氮基气氛处理具有节省能源、气源丰富、安全经济、适应性广等优点。业已表明，它已能稳定地用于退火、淬火、渗碳、渗氮等多种热处理工序。
为制造出高质量的欧元硬币，制造工艺中所用的钢合金硬币冲模必须经过特别的热处理。
容器内有害气体的置换：对容器进行置换是将容器内的有害气体或蒸汽去除掉，主要方法是导入惰性气体，去置换容器内的有害气体，如：氧、水分、氢、苯、一氧化碳、丙烯、丙酮、液化天然气等易燃、易爆气体，以降低容器内的有害介质浓度，将其控制在安全的范围内。通过对容器的置换，达到防火、防爆、防腐的目的及使容器内的氧含量或水分降低到安全水平。
钴炉化学清洗：钴炉在采用氢氟酸清洗和氨洗结果排除废液时，用充入氮气式顶排可以得到较好漂洗耳恭听效果，为防止钴炉内腔产生二次锈蚀。

---- 在浮法玻璃生产中的应用---------------------
我们知道，锡槽在浮法玻璃生产中是玻璃成型的关键热工设备，因为玻璃液是在熔融的锡液表面摊薄或堆厚成各种厚度的产品的。所以，锡槽工况的好坏对玻璃的质量、产量都起到至关重要的作用。而氮基气氛既是锡槽的惰性保护气，又是还原气，它对锡槽的正常运行工况起着决定性的作用。对锡槽内输送氮气时，必须要求连续、稳定，尽量少含氧含量。一旦供气产生波动（或供气中断）都将使得外界的氧分大量渗入锡槽内部，引起锡氧化，生成的氧化锡和氧化亚锡大量挥发，造成锡槽内一片混浊，生产无法进行。
迄今，国内已有40余条浮法玻璃生产线在运行（尚有一部分浮法生产线正在建设之中）。倘若将已投运的浮法生产线中的氧气或富氧空气加以回收，每年至少可回收纯氧11563万立方米。若将这部分氧全部添加到窑炉内助燃的话，仅从节能这一项讲就可节省燃料17103.2吨/年（折合标煤），这里还没包括减少排烟量所节省的能耗。
另外，采用富氧燃烧可提高火焰温度，改善燃烧状况，减少烟道污染，所以说它具有良好的企业效益和社会效益。由此可见，富氧燃烧工艺具有投资少、效益高，安全可靠，性能稳定等特点，值得在浮法玻璃生产线上推广应用。

---- 在石油开采领域中的应用---------------------
氮气，国外已作为强化采油气体。美国太阳石油公司原注天然气，如停注最多只能再生产一年；后采用注氮，可再持续生产20年。美国七十年代开始用含氮气85%以上和含二氧化碳15%以下的烟道气进行提高油田采收率研究和工业试验。至八十年代中期，日注氮气量总计达到1500万m³（每年50亿m³以上）。1986年，美国用氮气驱油的油田增加28.6%。1987年5月，美国德士古公司获准在埋藏41砂层的区块上进行注氮作业，在进行的三个注氮周期中，在每一个周期内，15天注氮110万m³。由于注氮成功，该区块获增产原油约0.88万吨。
氮气作为"驱油气体"，要求无油无水的干燥氮，纯度99.99%以上，注入压力20~60兆帕。
1985年5月4日，我国首次氮气泡沫压裂在辽河油田施工成功，标志着我国氮气泡沫压裂工艺技术已向国际先进水平起步。施工中，氮气排量每分钟为540m³，累计用氮气量19879m³，液氮量28.56m³。施工新用设备中，有液氮泵车4台、45m³贮液罐2个、液氮罐车1台。施工结束后反排顺利，日产油从压前4吨增加到压后的13吨。中原油田、大庆油田在压裂增产中，也应用了挤入液氮助排的方法。
从1997年起，辽河、江汉、胜利三大油田上了六套油田现场制氮注氮装置，用于三次采油来提前采收率，经几年运行均取得可喜成果。

---- 在煤气化和煤液化工业上的应用------------------
煤气化工业：煤气化工业的发展,对我国化肥、煤化工、冶金、城市煤气、建材等产业的技术升级，节能降耗和污染冶炼具有十分重要意思。符合国家产为政策和可持续发展战略要求，市场前景极为广阔。
利用德士古合成煤气制造甲醇，已成为当前煤化工的重点，这是因为它以煤为原料比用石油作原料成本低，并且甲醇用途越来越广。估计德士古煤气化化工工业在我国将会大量发展。而制造1m³德士古合成煤气需耗氧大约在0.37~0.43m³，一台φ2790×6989mm德士古煤气化炉，每天可气化500t煤，生产90万m³合成煤气，每小时大约需耗氧15000m3±10%左右，抚顺恩德机械有限公司40000m³/h恩德粉煤气化装置正式在我国氮肥行业合成气生产中得到推广应用。
灰熔聚流化床粉煤气化技术在陕西秦晋煤气化工程已获得成功。灰熔聚流化床粉煤气化技术是我国自主开发的洁净煤气化技术，它借助气剂空气（氧气或富氧）和蒸气的吹入，使床层中的煤粒沸腾起来，在燃烧产生的高温条件下使两相充分混合接触，发生煤的热解和碳还原反应，最终达到煤的安全气化。
据专家提出，21世纪煤液化技术是我国能源发展方向。目前，用煤合成油有间接（热裂解或催化加氢）和直接（煤气化）液化两种方法。现在世界上煤液化生产合成石油的路线主要是通过煤气化生产合成气，然后再合成油。美国联炭公司也研究指出，从煤生产合成燃料的转化过程中使用95%~98%的中纯氧，可节能3%~8.5%。在煤的气化过程中，氧气用作将固体煤转化成可燃气体混合物的氧化剂；在煤的液化过程中，氧气用作使煤从贫氢固体烃转化成富氢液体烃的媒介物，且用氧量很大，生产1吨煤合成燃料所需氧气量，最少为0.3吨氧/1吨煤，也可能达到1吨氧/1吨煤。所以产量为10万桶/日的合成燃料装置，需要10~20套并联安装的58400~73000m³/h制氧机。
以重油为原料改用煤为原料的中型氨厂各种改造方案的消耗指标（折合氨产量约10t/h），其中氧气耗量为：水煤浆加压气化（常规型炉）为9264m3/h（标志下同）；水煤粉加压气化（两区双温炉型）为7333m³/h；干燥粉加压气化为7179m3/h；无烟块煤常压富氧连续气化，我国神华煤液化示范工程将是世界上第一个采用煤直接液化技术来实现大规模合成油。第一期投资162.98亿元，2004年建成。
我国已启动"煤变油"项目，这就将给我们空分设备行业带来一个新的大市场，应引起我们行业的关注。