我们必须找到一种不产生排放的供热生产方法。风能和太阳能技术很有用，但它们的产出取决于它们的可用性，而且它们需要外部存储系统。然而，最近研究人员发现了一种可持续的替代品——耐火砖。研究人员在 149 个国家发现了耐火砖对工业过程热的积极影响。
是的，他们解决了主要问题，即以不到电池成本十分之一的成本储存能源。在 1 个国家进行计算机模拟后，耐火砖被证明是降低可再生能源转型成本的出色工具。
149 个国家的耐火砖对工业工艺热的影响
本研究的目的：分析149个国家使用耐火砖储存工业过程热量对能源成本和电网稳定性的影响。
为了在 2050 年实现这些目标，各国都致力于 100% 利用 WWS（风能、水能、太阳能）能源来产生热能和电力。
研究采用的流程
研究人员有 利用电阻加热发电来加热耐火砖。这些热量将一直储存，直到工业过程需要时才释放。将观察到的结果与没有耐火砖的模拟结果进行了比较。
向清洁能源过渡需要满足所有四个目的。所有能源部门都需要实现电气化，包括住宅、商业、工业和其他部门。太阳能和地热将用于为建筑物和工业供暖，这就是为什么它们不会电气化。为了取代目前的系统， 风能、水能、太阳能（WWS）需要与发电机结合.
热量和工业：所需温度
各个行业对于不同过程的温度和热量的要求各不相同。
- 普通水泥和石灰生产 – 1,300–1,800°C
- 熔融石英、玻璃、传统钢铁生产 – 1,000–1,500°C
- 无机矿物生产 – 150–500°C
- 酒精和基础化学品制造 – 100–300° C
- 纸张、纸板和纸浆厂 – <100° C
然而，国际能源署表示，电网电力并不包含在工业过程中，但对于蒸汽轮机来说，它需要的温度要达到 200°C 以上，而对于热光伏电池来说，该行业需要的温度要达到 1,000-2,000°C 左右。
一般情况下，大量热量是通过煤、化石燃料、石油或生物质的连续燃烧产生的。它还包括运行电阻炉和锅炉，这些炉子和锅炉是电弧、电子束和电感应，但它也使用介电加热器和电热泵。
与其使用高成本的 BS 和 GHS 来储存电力以持续提供低温至高温的工业过程热能，不如使用可变的 WWS 电力。这可以在可用时使用 将热量储存在耐火砖中.
通过将耐火砖连接到金属电阻加热器或耐火砖的直接电阻加热（DRH），可以将储存的电能转化为热能。 耐火砖蓄热器 周围覆盖着另一种隔热性能更好的耐火砖，然后是一层钢板，以减少进一步的热量损失。或者在砖周围放置一个厚钢容器。
蓄热耐火砖的特点
- 通过按照允许空气流通的通道排列，可以有效地利用耐火砖。
- 耐火砖具有成本效益，因为不需要热交换器，并且可以由廉价的储热材料制成。
- 它们具有特定的热度和密度，因此可以吸收大量能量而温度几乎不升高。
- 它们的熔点很高。
需要时，从耐火砖中提取处理后的热量 以下任一方法.
- 其原理是让周围的空气或循环利用的低温至高温空气通过砖块中的通道，通过炽热的砖块直接发出红外辐射。
- 与耐火砖类似，它们也具有良好的绝缘性能和高熔点。高熔点使它们能够承受高温并防止快速散热。
理想耐火砖蓄热要求
如果用于隔热，耐火砖必须耐高温，但导热系数低。由于 二氧化硅的导热系数较低（0.3 W/mK）， 它通常用于隔热耐火砖。
常见隔热耐火砖（主要是氧化铝和沙子）中也使用硅酸铝。硅酸钙砖（最好是沙子和石灰石）中也含有硅酸铝。
耐火砖的应用
长期以来，人类一直使用耐火砖来储存热量 用于制造玻璃的蓄热器 和钢铁。
什么是再生器？
这些是热交换器，它们从高温烟气中接收热量。它们将热量储存 20 至 30 分钟，然后利用这些热量预热空气以供燃烧。
速览 – 中国 在耐火砖中储存 10 兆瓦的热量 适用于2018年前的商业综合体和区域供热项目。
最近有消息称 最高的建筑物可以利用重力变成绿色能源仓库.
潜在的耐火砖选择
另一种与耐火砖类似的材料是 耐火材料 它们在历史上曾被用于各种目的。
- 在青铜时代早期（公元前 4,000 - 3,000 年），用于排列原始窑炉。
- 在铁器时代（公元前 1,500 - 500 年），制造炼铁炉。
- 自十七世纪初以来，坩埚中便用于熔融玻璃。
- 自 1850 世纪 XNUMX 年代中期开始在炼钢炉中使用。
耐火砖 包含 高百分比 氧化铝和二氧化硅。它还含有少量的氧化镁 (MgO)、氧化钙 (CaO) 和氧化铁 (Fe2O3)。1800 年，智利曾用它们来衬铜冶炼炉。然而，如今这些低成本的选择也由氧化铬或/和莫来石 (铝硅酸盐矿物) 制成。但耐火砖混合物也可能含有氧化锆 (ZrO2)、碳化硅 (SIC) 和锆石 (ZrSiO4)。
1.石墨（纯低品位固体碳）
这是另一个潜在的选择， 可加热至 2,400° C。然而，这项技术在保持成本效益方面面临各种挑战。最大的挑战是石墨的汽化速度慢，而且由于它使用辐射加热，因此传热能力有限，因为对于许多应用来说，它可能需要额外的传热。
耐火砖的温度与被加热材料的温度不同。由于 材料的温度取决于特定的质量和热量 其他耐火砖和材料以及两者之间的热量损失。
举个例子: 假设石墨耐火砖为材料提供 1500° C 的热量。此时，石墨需要加热到 1800-2000° C，以保证材料的性能和热损失。
工业过程热研究用耐火砖涉及的方法
对149个国家的工业过程加热用耐火砖的研究效果涉及以下3种类型的模型。
方法＃1 电子表格模型
它用于根据当前 BAU 需求估算 2050 年正常情况 (BAU) 和风能、水能和太阳能 (WWS) 能源需求。它还用于计算 WWS 发电机满足 2050 WWS 需求所需的额定容量。
方法二：全球天气-气候-空气污染
电子表格模型的结果被输入到 GATOR-GCMOM，这是一个全球天气-气候-空气污染模型。该模型预测太阳能和风能电力供应以及太阳能热能和波浪能电力供应。它还每 30 秒预测一次全球建筑物制冷和供暖需求，持续数年。
这些对太阳、空气和风温度的预测以及电子表格模型中发电机铭牌容量的输入。
方法 #3 LOADMATCH
GATOR-GCMOM 的输出被输入到 LOADMATCH。这将需求与供应、存储和对需求的响应进行匹配，持续多年，每 30 秒一次。LOADMATCH 模拟运行了 3 年，从 2050 年到 2052 年，时间步长为 30 秒。
模拟比较 ：比较了两组模拟：一组有耐火砖（耐火砖案例），另一组没有耐火砖（基准案例）。LOADMATCH 模拟在 2 个地区开展，覆盖 29 个国家。
观察
在全部 29 个地区中， 在耐火砖情况下观察到了电网稳定性，与基准情况类似。下表列出了两种方法（基准和耐火砖）之间的一些关键区别。 耐火砖降低了存储容量要求，观察到的变化如下：
| 参数 | 百分比差异 = 100% × (a − b)/b |
| 电池储存容量 | 14.5% |
| 绿色储氢燃料电池尺寸 | 3.9% |
| 氢气罐尺寸 | 18.3% |
| 电网电力所需的氢气生产 | 31.4% |
| 地下热能最大释放率 | 1% |
| 地下热能储存能力 | 27.3% |
| 陆上风电额定容量 | 1.2% |
| 海上风电额定容量 | 0.54% |
| 公用事业光伏铭牌容量 | 0.54% |
| CSP 铭牌容量 | 0.84% |
交叉引用 – 补充材料：耐火砖对工业工艺热的影响
总体而言， 通过添加耐火砖来增加最大排放率和储存容量但在电储能和低温储能上，效果却相反。简单来说，添加耐火砖提高了所有储能类型的最大放电率，但降低了最大容量。
一项研究发现，日本一栋房屋的碳足迹为 38 吨， 这很有趣。我想知道我家的碳足迹是多少！
使用耐火砖降低成本
在接受评估的 149 个国家中， 耐火砖箱所需量减少 14.5% （32.2 TWh 而非 37.7 TWh）电池存储容量高于基准情况。与电池存储相比，耐火砖存储的成本大幅降低是耐火砖情况下能源成本较低的主要原因。
下图表明了使用耐火砖减少电力和低温储热及发电机容量的好处。它还将 149 个国家向 WWS 过渡的资本成本从 58.24 万亿美元减少到 56.97 万亿美元（2020 年美元），降至 1.27 万亿美元（2.2%）。
然而，除加拿大和冰岛外，所有地区的资本成本都有所下降。这是因为他们已经拥有丰富且稳定的水电和风能资源，不需要采用耐火砖方法（但在过程中仍然安装了它）。
此外， 有所减少 ，在 能源平准化成本 （平准化能源成本） 0.15 个国家的能源成本平均为 1.7 美分/千瓦时（119%），年均能源成本平均为 1.78 亿美元（149%）.
通过降低与电网相关的成本，可以降低 LCOE 成本：电网氢气、地下热能存储、电池和发电成本。
另一方面， 耐火砖存储容量从 0TWh 增加到 32.1 TWh虽然耐火砖储能容量是缩减电池储能容量的5.8倍，但其每千瓦时成本仅为电池储能的十分之一。这清楚地表明，用耐火砖代替电池将降低成本。
2050 年年均终端使用需求 BAU 和 WWS
根据预计 2050 年的能源需求， 耐火砖趋于增加 耐火砖和基准情况之间的年度能源成本差异较小。 较低的资本成本加上耐火砖导致使用寿命缩短了 3.2%，即从 5.9 年缩短至 5.7 年 显示出更高的差异 在149个国家 能源成本回收时间。这是在 100% 过渡到 WWS 的情况下。
此外，在两个地区， 东南亚和新西兰，投资回收期缩短一年以上。使用耐火砖还可以减少发电机所需的土地。值得注意的差异是 2,700个国家的土地减少2平方公里（0.43%）.
耐火砖的唯一缺点 工业加热过程中
虽然有这么多优点，但唯一的缺点是它创造的就业机会较少。 预计新增就业岗位减少 0.51%（118,000 个） 由于电力和低温储热容量以及所需的发电机铭牌容量减少， 耐火砖与基准案例.
如何在没有电池的情况下储存太阳能 和耐火砖，让我们来一探究竟！
客户案例: 工业工艺加热用耐火砖
A 2019年发表的报告 Daniel C. Stack 等人的研究提到了耐火砖电阻加热储能的性能。该团队对耐火砖和 将电能以约1000-1700°C的高温热量储存起来。
他们将耐火砖按照特定且受保护的模式排列。当需要加热时，将砖块移至冷气流中，然后用于工业操作或使用蒸汽涡轮机发电。通过这种方式，研究人员得出结论，他们可以在数小时内对耐火砖进行充电和放电。他们还建议，容量为 100 到 1000 兆瓦时的系统可以每天使用。
金属合金和陶瓷电阻加热器用于将电能转化为热能。它们将砖（氧化镁、碳化硅或氧化铝）连接到加热器上。
观察:
碳化硅和二硅化钼加热器可达到最高温度。但是，要将热量均匀分布到砖块阵列的中心却非常困难。
这些加热器适用于高达 1100° C 的温度，但一旦温度达到并超过 1500° C，它们就会开始变质。这主要是因为它们的外部保护涂层被氧气扩散所取代。
建议
为了加热耐火砖，研究人员建议 采用直接电阻加热（DRH）)。导电耐火砖通过电流加热，温度可升至1800°C。这些耐火砖含有掺杂镁或氧化镍的氧化铬（一种导电金属氧化物），使其能够达到高温。
DRH 的优势
- 由于耐火砖本身就是加热元件，因此 DRH 具有加热元件和耐火砖之间无温度下降的优势。
- 此外，DRH 不受电流、频率或电压的影响。
- 它不需要昂贵的电力电子设备。
- 它适合直接连接到光伏阵列。
研究人员估计，250 年配备外部加热的 2018 兆瓦时氧化铝耐火砖系统的价格约为 10.75 美元/千瓦时储热。这包括以下比率：
- 隔热材料（1.6%）
- 安全壳（7.2%）
- 耐火砖（18.4%）
- 变压器（52.2％）
- 鼓风机（11.9％）
- 金属加热丝（8.7%）
首先，耐火砖的价格约为 2.12 美元/千瓦时，但氧化镁的成本为 1.87 美元/千瓦时，碳化硅的成本约为 7.18 美元/千瓦时。但相比之下，电池的成本为 250-500 美元/千瓦时，约为每千瓦时热能存储成本的 10 倍。
客户案例
2021
根据 2021 年的数据，电力仅占 20.6 个国家终端使用行业总电力需求的 149%。其余贡献来自潮汐或波浪能 0.0043%、地热能 0.33%、太阳能 3.63%、风能 6.54% 和水力发电 15.5%。
2021-2022 年，约有 47 个国家通过 WWS 产生了超过 50% 的电力需求，99.8 个国家通过 WWS 产生了 100-XNUMX% 的电力。
到目前为止，水力发电一直是 WWS 发电的主导，但太阳能和风能正在占领市场。如果世界上大部分电力是由 WWS 产生的，那么其中约 90% 将由 WWS 产生。
2022
约17％ 2 年全球二氧化碳排放量 其中工业热能燃烧产生的热量占比8.38%，钢铁、水泥等产品生产过程中的化学反应产生的热量占比XNUMX%。
结语
由此，研究人员得出结论，耐火砖对 149 个国家的工业过程热的影响是积极的，它们是储存工业过程热和向清洁能源过渡的有用工具。耐火砖可以为工业过程储存高温热量，降低可再生能源的成本。它们的性能存在一些不确定性，例如每日热量损失率。但即使每日热量损失率为 5%，耐火砖仍然是一种经济实惠的选择。
尽管耐火砖不能解决工业排放问题，但其产热排放可以大幅减少。因此，需要制定政策和激励措施来应对气候变化、能源安全和空气污染，以促进可持续的潜在解决方案。
来源: 耐火砖对工业工艺热的影响
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