Alors que la structure énergétique mondiale accélère sa transition vers des alternatives à faible-carbone, les exigences en matière de pureté du gaz industriel, de stabilité de l'approvisionnement et d'adaptabilité des processus sont devenues beaucoup plus strictes dans la fabrication de nouvelles énergies. L'oxygène, autrefois considéré comme un utilitaire de support, est désormais un fluide de base du processus. Les équipements industriels de production d'oxygène -, en particulier les unités d'adsorption modulée en pression (PSA) et de séparation d'air cryogénique -, sont de plus en plus déployés dans la production de matériaux pour batteries au lithium, la fusion de verre photovoltaïque, la production d'hydrogène et les domaines connexes. Shenger Gas se concentre sur les technologies de séparation industrielle. La discussion suivante décrit comment les équipements de génération d’oxygène ajoutent une valeur pratique aux nouvelles applications énergétiques.
Frittage des matériaux cathodiques des batteries au lithium : la nécessité d'une atmosphère d'oxygène contrôlée
Lors du frittage à haute -température de matériaux cathodiques tels que le phosphate de fer et de lithium (LFP) et le nickel-cobalt-manganèse (NCM), la concentration en oxygène à l'intérieur du four affecte directement la cristallinité et la durée de vie. Lorsque les niveaux d’oxygène tombent en dessous du seuil requis, les défauts du réseau augmentent et l’efficacité coulombienne initiale diminue.
Les générateurs d'oxygène industriels peuvent fournir en continu de l'air enrichi en oxygène-(pureté de 90 à 95 %) ou de l'oxygène de qualité industrielle-(99,5 % ou plus) aux fours à rouleaux et aux fours à poussée. Par rapport à l'alimentation en réservoir d'oxygène liquide, la génération d'oxygène sur site-élimine le remplacement des bouteilles et réduit les pertes par évaporation. La pression de sortie est stable dans la plage de 0,3 à 0,6 MPa, correspondant aux exigences typiques d'entrée du four. Un système d'oxygène PSA d'une capacité de 50 Nm³/h peut prendre en charge de manière fiable une ligne de production de matériaux cathodiques avec une production annuelle d'environ 10 000 tonnes métriques.
Fusion du verre photovoltaïque : apport d'oxygène pour la combustion de l'oxy-combustible
Dans la production de verre flotté photovoltaïque (PV), les températures de fusion dépassent souvent 1 500 degrés. La combustion conventionnelle de l'air-carburant permet à près de 78 % de l'azote d'évacuer la chaleur sans participer à la réaction, tout en générant également des oxydes d'azote. Le passage à la combustion d'oxy-carburant augmente la température de la flamme, augmente l'efficacité de la fusion et raccourcit l'étape d'affinage du verre fondu.
Les générateurs d'oxygène fournissent au four de l'air enrichi à 90 à 93 % en oxygène-. Grâce au contrôle échelonné de l’injection d’oxygène, la consommation de carburant peut être réduite de 15 à 25 % et les émissions de NOx chutent à des niveaux conformes aux normes environnementales. La fusion du verre nécessite un grand-volume d'oxygène continu avec de petites-fluctuations à court terme. Les systèmes d'oxygène PSA centrifuges ou de grande taille dotés d'un réservoir tampon sont mieux adaptés pour gérer les variations de pression lors de la commutation des vannes.
Production d’hydrogène vert et tests de piles à combustible : récupération de l’oxygène par électrolyse
Dans l'électrolyse de l'eau pour la production d'hydrogène, l'oxygène est généré en tant que coproduit -à l'anode. Dans les électrolyseurs alcalins ou PEM, l'oxygène sous-produit atteint généralement une pureté de 99,2 % ou plus, avec seulement des traces mineures de brouillard alcalin ou d'humidité. Après lavage et séchage, cet oxygène peut être utilisé directement pour l'aération des eaux usées ou la découpe des métaux dans les installations à proximité, créant ainsi une source de revenus supplémentaire à partir de ce qui est souvent évacué.
Les bancs d’essais R&D sur les piles à combustible nécessitent un contrôle précis de la concentration en oxygène à l’entrée de la cathode. Les petits générateurs d'oxygène PSA ou les systèmes de mélange d'oxygène-azote permettent aux ingénieurs de simuler différentes altitudes et stœchiométries de l'air. Pour les applications de qualité test-, le point de rosée de l'oxygène doit être inférieur à -60 degrés et le système doit répondre rapidement aux changements de demande de débit.
Traitement thermique des batteries au lithium usagées :-pyrolyse enrichie en oxygène pour la récupération des métaux
Après broyage et tri des batteries au lithium usagées, la poudre d'électrode restante contient des liants et des séparateurs qui doivent être éliminés par pyrolyse. Sous une atmosphère enrichie en oxygène-(30 à 40 % d'oxygène), la pyrolyse à basse-température permet une oxydation plus complète des matières organiques tout en réduisant la tendance à former des dioxines. Dans l'étape de fusion suivante pour le cuivre, l'aluminium, le cobalt et le nickel, l'injection d'oxygène améliore l'agitation du bain et raccourcit le cycle de fusion.
Les générateurs d'oxygène conteneurisés ou-montés sur châssis fonctionnent bien dans les-installations de recyclage sur site. Ils nécessitent moins de 20 mètres carrés de surface au sol et uniquement des raccordements électriques et hydrauliques -, aucune évaluation de sécurité ni permis associés aux réservoirs de stockage d'oxygène liquide.
Critères de sélection clés pour les générateurs d'oxygène industriels (pour les centrales à énergie nouvelle)
Les nouvelles lignes de production d'énergie sont généralement situées dans des parcs industriels où une disponibilité élevée et un fonctionnement sans surveillance sont attendus. Les facteurs clés à évaluer comprennent :
- Correspondance de pureté : si le processus nécessite une teneur en oxygène supérieure ou égale à 99,5 % (par exemple, certaines étapes de frittage), un système PSA cryogénique ou à deux -étages est préféré. Pour les processus où une pureté de 93 % est suffisante, le PSA -en une seule étape offre une meilleure économie.
- Contrôle du point de rosée : pour les longs trajets de canalisations ou les environnements présentant de grandes variations de température, un sécheur réfrigéré ou par dessiccation doit être ajouté pour empêcher l'eau liquide d'atteindre les réacteurs à haute température.
- Consommation d'énergie : le PSA consomme environ 0,35 à 0,45 kWh par Nm³ d'oxygène produit. Les systèmes cryogéniques consomment entre 0,55 et 0,70 kWh/Nm³ (y compris la compression et le fractionnement de l'air). Pour une utilisation à grande-échelle (supérieure ou égale à 500 Nm³/h), le coût total de possession de la cryogénie peut être inférieur.
- Stratégie de redondance : pour les processus dans lesquels l'interruption de l'oxygène est inacceptable, une configuration d'unité N+1 ou un réservoir d'oxygène liquide de secours doit être envisagée.
Tendances de l’industrie et mises à niveau des équipements
Les nouveaux procédés de fabrication d’énergie continuent d’évoluer. Par exemple, le frittage de la cathode des batteries sodium-ion nécessite une fenêtre de concentration en oxygène plus étroite (tolérance de ± 0,5 %), ce qui impose des exigences plus élevées en matière de stabilité du générateur. Pendant ce temps, à mesure que les projets d'hydrogène vert se développent, l'utilisation de l'oxygène sous-produit de l'électrolyse passe d'une option à une nécessité - une installation d'hydrogène de 1 000-tonnes-par an produit environ 8 000 tonnes d'oxygène par an. L’évacuation de cet oxygène représente une perte de ressources importante.
Les futurs équipements industriels de production d’oxygène évolueront vers une conception modulaire, une consommation d’énergie réduite et un contrôle intelligent. Les exemples incluent des lits d'adsorption radiaux pour réduire la résistance à l'écoulement, des modèles basés sur l'IA-pour ajuster la synchronisation du cycle en réponse aux fluctuations de la demande et des diagnostics IoT pour les anomalies de commutation des vannes. Ces améliorations répondent aux exigences fondamentales de la fabrication de nouvelles énergies : stabilité, propreté et contrôlabilité.
