液态空气

液态空气（Liquid Air）详解

液态空气是空气在极低温下液化形成的混合物，主要由液氮（78%）、液氧（21%）和少量液氩（0.9%）组成。作为一种多组分低温液体，它在能源存储和工业分离领域展现出独特价值。

1. 基本特性

（1）物理参数

• 沸点范围：-194℃至-183℃（随组分变化）

• 典型组成：

  成分	体积比	沸点（1atm）
  N₂	78.1%	-196℃
  O₂	20.9%	-183℃
  Ar	0.93%	-186℃

• 密度：约0.87 g/cm³（-200℃）

• 蒸发潜热：约220 kJ/kg

（2）相变行为

• 分馏效应：静置时会自发分层（氧下沉，氮上浮）

• 危险组合：液态空气汽化可能形成富氧大气（火灾风险提升）

2. 制备工艺

林德-汉普逊循环（工业级生产）

1. 空气净化：去除CO₂/水分（避免冰堵）

2. 多级压缩：至20-200 bar

3. 预冷：液氮冷却到-160℃

4. 节流膨胀：焦耳-汤姆逊效应降温液化

5. 储存：双层真空绝热容器（日蒸发率<1%）

小规模制备可使用Gifford-McMahon制冷机直接液化

3. 核心应用

（1）能源领域

• 液态空气储能（LAES）：

  • 充电：过剩电能驱动空气液化

  • 放电：液态空气汽化驱动涡轮机（效率≈60%）

  • 英国Highview Power已建250MWh示范项目

（2）工业分离

• 低温精馏塔：分级获取高纯氮/氧/氩

• 特殊气体提取：氖/氪/氙等稀有气体原料

（3）特殊用途

• 航天测试：模拟极低温空间环境

• 冷冻粉碎：橡胶/塑料超细粉碎（避免热降解）

4. 安全规范

5. 技术挑战

• 能效瓶颈：液化过程耗能高（理论最小功1.2kWh/kg，实际2.5kWh/kg）

• 材料脆化：碳钢在-150℃冲击韧性下降80%

• 经济性：目前成本≈$100/吨，需规模效应降低成本

6. 前沿发展

• 混合储能系统：LAES+锂电互补（英国曼彻斯特试点）

• 车载应用：Ricardo公司研发液态空气汽车辅助动力

• CO₂捕集：液化过程同步分离二氧化碳（挪威技术验证中）

7. 常见问题

Q：家用液空气罐可能吗？
A：目前不现实，原因：

1. 家用制冷设备无法达到所需低温

2. 安全储存需要专业压力容器

Q：与液氮相比的优势？
A：

• 可分离多种有用组分

• 储能密度更高（≈200Wh/kg vs 液氮≈100Wh/kg）

• 原料获取零成本（直接液化空气）

Q：为何不直接储存液态氧/氮？
A：液态空气的优势在于：

1. 简化制备流程（无需预先分离）

2. 储能时可直接利用环境热源汽化

3. 组分变化可调节能量释放特性