制氮机的分类

2025-05-28

作为工业气体生产的重要设备，制氮机在化工、电子、食品、医药等领域的应用日益广泛。随着技术进步和市场需求的变化，制氮技术已形成多样化的分类体系。本文将从技术原理、核心特点、适用场景及市场趋势等多维度，全面解析制氮机的分类，为行业用户提供选型参考，并助力企业优化生产流程。

制氮机根据分离技术分为三类：深冷空分制氮、分子筛变压吸附（PSA）制氮和膜分离制氮。深冷空分制氮适用于高纯度（≥99.99%）、大规模（产量可达数千至数万立方米 / 小时）的生产场景，常见于石油化工和冶金；PSA制氮灵活、高效，广泛用于食品包装和电子制造；膜分离制氮技术凭借瞬时响应产气与紧凑便携的设备特性，适用于中低纯度（体积浓度 90% – 98%）氮气需求场景。例如轮胎制造领域和煤矿安全生产。

一、制氮机的三大技术分类

根据分离空气的原理不同，制氮机主要分为深冷空分制氮、分子筛变压吸附（PSA）制氮和膜分离制氮三类。每种技术各具特色，适用于不同的生产需求。

1. 深冷空分制氮机

技术原理

深冷空分制氮是一种传统技术，通过压缩和冷却空气使其液化，利用液氧（沸点 – 183℃）与液氮（沸点 – 196℃）的沸点差异进行精馏分离。具体流程中，空气首先进入空气压缩机，被压缩至一定压力，以提高空气的温度和密度；随后进入净化系统，去除其中的水分、二氧化碳、灰尘等杂质，避免这些物质在后续低温过程中冻结堵塞设备；净化后的空气接着进入冷却系统，通过一系列换热器和制冷设备，逐步降低温度直至液化；最后在精馏塔中，利用氧、氮沸点的不同，经过多次蒸发和冷凝，实现氧气和氮气的分离，最终提取高纯度氮气。该技术需经过空气压缩、净化、液化、精馏等多个步骤，整个过程复杂且对设备要求极高，最终可获得纯度高达 99.999% 的氮气。

核心特点

高纯度与大规模：深冷空分制氮机能够生产出极高纯度的氮气，这种高纯度氮气适合大规模连续生产，通常其产气量 ≥3500Nm³/h，在对氮气纯度和产量要求苛刻的工业场景中具有不可替代的优势。
高投资与长周期：由于设备复杂，包含大量的压缩机、换热器、精馏塔等大型设备，导致其占地面积大，基建费用高昂。同时，设备启动时需要对整个系统进行冷却、净化等一系列准备工作，启动时间长达 12 – 24 小时，这使得该技术在一些对启动速度要求较快的场景中并不适用。

适用场景

深冷空分制氮机主要应用于石油化工、冶金等需超纯氮气的大型工业领域。在石油化工行业，高纯度氮气用于石油裂解、催化反应等过程，作为保护气、置换气等，确保化学反应的稳定进行和产品质量；在冶金行业，用于金属冶炼、热处理等工艺，防止金属在高温下被氧化，保证金属制品的性能和质量。

市场定位

深冷空分制氮因初期投资和运行成本较高，主要服务于钢铁、石化等重工业，这些行业对氮气的需求量大且对纯度要求严格，能够承受较高的投资成本和运行费用。而对于中小规模项目，由于其高昂的成本，经济性较差，因此在中小规模市场中应用较少。

2. 分子筛变压吸附（PSA）制氮机

技术原理

以碳分子筛为吸附剂，通过变压吸附（Pressure Swing Adsorption, PSA）技术选择性吸附氧气，释放氮气。其工作流程为，空气经压缩后进入吸附塔，在高压状态下，碳分子筛对氧气具有较强的吸附能力，能够将空气中的氧气吸附在其表面，而氮气则几乎不被吸附，从而实现氮气的初步分离；当吸附塔内的碳分子筛吸附氧气达到饱和后，通过降低压力（即降压过程），被吸附的氧气从碳分子筛表面脱附出来，使碳分子筛得到再生，恢复吸附能力，以便进行下一轮的吸附分离，通过多个吸附塔的交替工作，实现连续产氮。

核心优势

灵活高效：PSA 制氮机启动速度快，一般在 15 – 30 分钟内即可产出合格的氮气，相比深冷空分制氮机具有明显优势。同时，其氮气纯度可调范围广，在 95% – 99.999% 之间，可根据不同用户的需求灵活调整；并且该设备能耗较低，在生产相同纯度和产量的氮气时，相比其他一些制氮技术，能够节省更多的能源。
经济实用：设备结构紧凑，占地面积小，自动化程度高，操作简单，无需大量的人工干预。适用于中小规模的氮气生产，通常产气量在≤1000Nm³/h，与深冷法相比，其投资成本低 20% – 50%，大大降低了企业的投资压力。
维护便捷：由于设备内部无移动部件，减少了机械磨损和故障发生的概率，日常维护工作简单，只需定期检查设备的运行参数和进行一些简单的保养工作，适合食品包装、电子制造等对设备稳定性和维护便捷性要求较高的领域。

市场应用

PSA 制氮机凭借性价比优势，占据全球最大市场份额，在 2024 年其市场占比超 50%。在食品饮料行业，用于食品包装的充氮保鲜，防止食品氧化变质，延长食品保质期；在医药行业，用于药品的充氮封装，保护药品中的活性成分不被氧化，确保药品质量；在电子元器件生产中，用于焊接保护、气氛保护等工艺，防止电子元器件在生产过程中被氧化，提高产品的良品率。

3. 膜分离制氮机

技术原理

利用氧气和氮气在膜材料中的渗透速率差异实现分离。压缩空气通过中空纤维膜时，氧气由于其分子较小、活性较高，渗透速率快，优先透过膜壁排出，而氮气则在膜内富集，从而实现氧气和氮气的分离。中空纤维膜是膜分离制氮机的核心部件，其具有巨大的比表面积，能够在较小的体积内实现高效的气体分离。

核心特点

快速响应：膜分离制氮机产气速度极快，3 分钟内即可产出氮气，满足用户对快速获得氮气的需求。并且其结构简单，无阀门切换等复杂部件，减少了设备故障点，维护成本低。
经济性与纯度平衡：当氮气纯度≤98% 时，膜分离制氮机具有较高的性价比，生产过程相对简单，能耗较低；但当纯度＞98% 时，为了达到更高的纯度，需要增加更多的膜组件和采取更复杂的工艺，导致成本高于 PSA 设备。

适用场景

膜分离制氮机适用于中小型用户如轮胎充氮、煤矿防灭火等低纯度需求场景。在轮胎充氮中，使用低纯度氮气填充轮胎，能够降低轮胎内气体的氧化性，减少轮胎的磨损和爆胎风险；在煤矿防灭火中，通过向矿井中注入氮气，降低氧气浓度，抑制煤炭自燃，保障煤矿生产安全。

市场定位

膜分离技术因体积小、便携性强，在移动制氮车和应急供气领域崭露头角，尤其适用于石油管道维护和野外作业。在石油管道维护中，移动制氮车可以方便地运输到施工现场，为管道吹扫、置换等作业提供氮气；在野外作业场景，如地质勘探、野外施工等，膜分离制氮机能够快速、便捷地为作业提供所需的氮气。

二、制氮机的主要应用领域

制氮机的技术分类决定了其应用场景的多样性，以下是核心行业的典型应用：

石油与天然气

氮气驱油：在油田开采后期，油层压力下降，原油采收率降低。通过向油层注入氮气，利用氮气的膨胀性和驱替性，提高油田采收率，维持油层压力，延长油田的开采寿命。
管道吹扫：在石油天然气管道的建设、维修和投产前，需要使用氮气置换管道内的易燃气体，如天然气、油气等，将管道内的氧气含量降低到爆炸极限以下，保障运输安全，防止在管道运行过程中发生爆炸等危险事故。

化工与冶金

惰性保护：在化工行业的合成氨、聚合物生产等化学反应过程中，氮气作为惰性气体，用于隔绝空气，防止化学反应失控，避免反应物或产物被氧化，保证化学反应能够按照预期的方向进行，提高产品的质量和收率。
金属热处理：在金属热处理工艺中，如光亮退火、烧结等过程，将金属置于氮气气氛中，防止金属在高温下与氧气发生氧化反应，保证金属表面的光洁度和金属制品的性能。

食品与医药

保鲜包装：在食品包装过程中，充入氮气可以排出包装内的空气，降低氧气含量，抑制微生物的生长和繁殖，防止食品氧化、霉变和腐败，延长食品的保质期，同时保持食品的色泽、口感和营养成分。
无菌生产：在医药行业，药品的充氮封装能够防止药品中的活性成分与空气中的氧气、水分等发生反应而降解，保证药品的稳定性和有效性，确保药品质量符合相关标准。

电子与半导体

焊接保护：在 SMT（表面贴装技术）回流焊过程中，氮气作为保护气体，能够减少焊点的氧化，提高焊接质量，降低虚焊、桥接等焊接缺陷的发生率，保证电子元器件的可靠性。
洁净环境：在芯片制造过程中，对生产环境的要求极高，需要无氧气氛控制。氮气用于营造洁净的生产环境，防止芯片在制造过程中被氧化和污染，确保芯片的性能和质量。

环保与新能源

废水处理：在废水处理的曝气池工艺中，氮气可作为辅助气体，参与生物降解过程。通过向曝气池中注入氮气，可以调节池中气体的成分，优化微生物的生长环境，提高生物降解的效率，促进废水中有机物的分解和去除。
锂电池生产：在锂电池的电极干燥与封装过程中，氮气用于提供无氧、干燥的环境，防止电极材料被氧化，保证锂电池的性能和安全性，延长锂电池的使用寿命。

三、制氮机市场发展趋势与选型建议

1. 市场趋势分析

技术升级：PSA 与膜分离技术持续优化，吸附材料效率和膜选择性不断提升。例如，新型碳分子筛的研发，提高了其对氧气的吸附能力和吸附速度，使得 PSA 制氮机在相同条件下能够生产出更高纯度和产量的氮气；而膜材料的改进，增强了其对氧气和氮气的分离性能，提高了膜分离制氮机的效率和稳定性。
绿色转型：随着全球对环境保护和节能减排的重视，节能型制氮机（如变频空压机搭配 PSA）需求增长。变频空压机能够根据实际用气需求自动调节空气压缩量，避免了传统空压机在低负荷运行时的能源浪费，降低了制氮机的整体能耗，减少了碳排放，符合可持续发展的要求。
移动化与模块化：车载制氮机、即插即用设备在应急和偏远地区应用增加。这些移动化和模块化的制氮设备具有灵活便捷的特点，能够快速响应不同场景的需求，如在突发的管道泄漏事故处理、偏远地区的工程建设等场景中，为用户及时提供所需的氮气。
区域增长：亚太地区因工业化加速，成为全球最大市场，中国贡献率超 40%。随着中国、印度等亚太国家工业化进程的加快，对工业气体的需求不断增加，制氮机作为重要的工业气体生产设备，市场规模持续扩大。

2. 用户选型指南

纯度需求：如果对氮气纯度要求较高（＞99.9%），深冷空分制氮机或 PSA 制氮机是较好的选择，深冷空分制氮机能够生产出极高纯度的氮气，而 PSA 制氮机在保证较高纯度的同时，具有启动快、操作灵活等优势；如果对氮气纯度要求较低（＜98%），膜分离制氮机因其快速响应和较低的成本，是更合适的选择。
规模与经济性：对于大型项目，深冷空分制氮机虽然初期投资和运行成本较高，但因其能够满足大规模、高纯度的氮气需求，从长期来看具有一定的经济性；对于中小型项目，PSA 制氮机或膜分离制氮机更为合适，PSA 制氮机在中等纯度和产量需求下具有较高的性价比，膜分离制氮机则在低纯度、小产量需求时成本更低。
场景适配：如果是固定生产线，对设备的稳定性和连续性要求较高，PSA 制氮机能够满足这一需求；如果有移动需求，如野外作业、应急供气等，膜分离制氮机或车载制氮设备因其便携性和快速响应能力，是更好的选择。