A medida que la estructura energética global acelera su cambio hacia alternativas bajas-en carbono, los requisitos de pureza del gas industrial, estabilidad del suministro y adaptabilidad de los procesos se han vuelto significativamente más estrictos en la fabricación de nuevas energías. El oxígeno, que alguna vez se consideró una utilidad de apoyo, es ahora un medio de proceso central. Los equipos industriales de generación de oxígeno -, particularmente las unidades de adsorción por cambio de presión (PSA) y de separación criogénica de aire -, se utilizan cada vez más en la producción de materiales para baterías de litio, la fusión de vidrio fotovoltaico, la producción de hidrógeno y campos relacionados. Shenger Gas se centra en tecnologías de separación industrial. La siguiente discusión describe cómo los equipos de generación de oxígeno agregan valor práctico en nuevas aplicaciones energéticas.
Sinterización del material del cátodo de una batería de litio: la necesidad de una atmósfera de oxígeno controlada
Durante la sinterización a alta-temperatura de materiales catódicos como el fosfato de hierro y litio (LFP) y el níquel-cobalto-manganeso (NCM), la concentración de oxígeno dentro del horno afecta directamente la cristalinidad y el ciclo de vida. Cuando los niveles de oxígeno caen por debajo del umbral requerido, los defectos de la red aumentan y la eficiencia coulómbica inicial cae.
Los generadores de oxígeno industriales pueden suministrar continuamente oxígeno-aire enriquecido con oxígeno (90-95 % de pureza) u oxígeno de grado industrial-(99,5 % o superior) a hornos de rodillos y hornos de empuje. En comparación con el suministro de tanques de oxígeno líquido,-la generación de oxígeno en el sitio elimina el reemplazo de cilindros y reduce las pérdidas por evaporación. La presión de salida es estable en el rango de 0,3 a 0,6 MPa, lo que coincide con los requisitos de entrada típicos del horno. Un sistema de oxígeno PSA con una capacidad de 50 Nm³/h puede soportar de forma fiable una línea de producción de material catódico con una producción anual de aproximadamente 10.000 toneladas métricas.
Fusión de vidrio fotovoltaico: suministro de oxígeno para la oxi-combustión de combustible
En la producción de vidrio flotado fotovoltaico (PV), las temperaturas de fusión suelen superar los 1500 grados. La combustión de aire-convencional permite que casi el 78 % del nitrógeno elimine el calor sin participar en la reacción, al tiempo que genera óxidos de nitrógeno. El cambio a la combustión de oxi-combustible aumenta la temperatura de la llama, aumenta la eficiencia de la fusión y acorta la etapa de clarificación del vidrio fundido.
Los generadores de oxígeno suministran al horno entre un 90 % y un 93 % de aire enriquecido con oxígeno-. Con el control de la inyección de oxígeno por etapas, el consumo de combustible se puede reducir entre un 15% y un 25% y las emisiones de NOx caen a niveles que cumplen con los estándares ambientales. La fusión del vidrio requiere oxígeno continuo y de gran-volumen con pequeñas fluctuaciones-a corto plazo. Los sistemas de oxígeno centrífugos o PSA grandes con un tanque de compensación son más adecuados para manejar las variaciones de presión durante el cambio de válvula.
Producción de hidrógeno verde y pruebas de pilas de combustible: recuperación de oxígeno a partir de la electrólisis
En la electrólisis del agua para la producción de hidrógeno, el oxígeno se genera como co-producto en el ánodo. En electrolizadores alcalinos o PEM, el oxígeno subproducto generalmente alcanza una pureza del 99,2 % o más, con solo trazas menores de niebla alcalina o humedad. Después del lavado y secado, este oxígeno se puede utilizar directamente para la aireación de aguas residuales o para corte de metales en instalaciones cercanas, creando un flujo de ingresos adicional a partir de lo que a menudo se ventila.
Los bancos de pruebas de I+D de pilas de combustible requieren un control preciso de la concentración de oxígeno de entrada al cátodo. Los pequeños generadores de oxígeno PSA o los sistemas de mezcla de oxígeno-nitrógeno permiten a los ingenieros simular diferentes altitudes y estequiometrías del aire. Para aplicaciones de grado de prueba-, el punto de rocío de oxígeno debe estar por debajo de -60 grados y el sistema debe responder rápidamente a los cambios en la demanda de flujo.
Tratamiento térmico de baterías de litio gastadas:-pirólisis enriquecida con oxígeno para la recuperación de metales
Después de triturar y clasificar las baterías de litio gastadas, el polvo de electrodo restante contiene aglutinantes y separadores que deben eliminarse mediante pirólisis. Bajo una atmósfera-enriquecida con oxígeno (30–40% de oxígeno), la pirólisis a baja-temperatura logra una oxidación más completa de los compuestos orgánicos y al mismo tiempo reduce la tendencia a formar dioxinas. En la siguiente etapa de fundición de cobre, aluminio, cobalto y níquel, la inyección de oxígeno mejora la agitación del baño y acorta el ciclo de fusión.
Los generadores de oxígeno montados en contenedores o sobre patines-funcionan bien en-las instalaciones de reciclaje del sitio. Requieren menos de 20 metros cuadrados de espacio y solo conexiones eléctricas y de agua - sin evaluaciones de seguridad ni permisos asociados con los tanques de almacenamiento de oxígeno líquido.
Criterios clave de selección para generadores de oxígeno industriales (para nuevas plantas de energía)
Las nuevas líneas de producción de energía suelen estar ubicadas en parques industriales donde se espera un alto tiempo de actividad y un funcionamiento sin supervisión. Los factores clave a evaluar incluyen:
- Coincidencia de pureza: si el proceso requiere oxígeno superior o igual al 99,5 % (por ejemplo, ciertos pasos de sinterización), se prefiere un sistema PSA criogénico o de dos-etapas. Para procesos en los que una pureza del 93 % es suficiente, el PSA de una sola-etapa ofrece una mejor economía.
- Control del punto de rocío: para tramos de tubería largos o entornos con grandes cambios de temperatura, se debe agregar un secador desecante o refrigerado para evitar que el agua líquida llegue a los reactores de alta-temperatura.
- Consumo de energía: el PSA consume aproximadamente entre 0,35 y 0,45 kWh por Nm³ de oxígeno producido. Los sistemas criogénicos consumen entre 0,55 y 0,70 kWh/Nm³ (incluida la compresión y el fraccionamiento del aire). Para uso a gran-escala (mayor o igual a 500 Nm³/h), el costo total de propiedad de la tecnología criogénica puede ser menor.
- Estrategia de redundancia: para procesos donde la interrupción del oxígeno es inaceptable, se debe considerar una configuración de unidad N+1 o un tanque de oxígeno líquido de respaldo.
Tendencias de la industria y actualizaciones de equipos
Continúan evolucionando nuevos procesos de fabricación de energía. Por ejemplo, la sinterización de cátodos de baterías de iones de sodio-requiere una ventana de concentración de oxígeno más estrecha (tolerancia dentro de ±0,5%), lo que impone mayores exigencias a la estabilidad del generador. Mientras tanto, a medida que los proyectos de hidrógeno verde aumentan, la utilización del oxígeno subproducto de la electrólisis está pasando de ser una opción a una necesidad - una instalación de hidrógeno de 1000-ton-al año produce aproximadamente 8000 toneladas de oxígeno al año. Ventilar ese oxígeno representa una pérdida significativa de recursos.
Los futuros equipos industriales de generación de oxígeno avanzarán hacia un diseño modular, un menor consumo de energía y un control inteligente. Los ejemplos incluyen lechos de adsorción radial para reducir la resistencia al flujo, modelos basados en IA-para ajustar el tiempo del ciclo en respuesta a las fluctuaciones de la demanda y diagnósticos de IoT para anomalías en el cambio de válvulas. Estas mejoras abordan los requisitos básicos de la fabricación de nuevas energías: estabilidad, limpieza y controlabilidad.
