廉价的蓄热"耐火砖"预计可为工业节省数万亿资金

当今的工业生产需要高温，而高温主要是通过持续燃烧煤炭、石油、化石天然气或生物质来实现的。世界上大部分国家都在关注如何通过从化石燃料向风能、太阳能和水能等可再生能源过渡来减少排放，问题是如何在一个 100% 可再生能源的世界里为工业提供按需持续供热。

在最近发表的一项研究中，斯坦福大学土木与环境工程系的研究人员提出，一种古老的解决方案--耐火砖--可能就是答案。

这项研究的共同作者、土木与环境工程博士后丹尼尔-桑博（Daniel Sambor）说："通过以最接近最终用途的形式储存能源，可以减少能源转换中的低效率。在我们的领域，人们常说'如果你想洗热水澡，就储存热水，如果你想喝冷饮，就储存冰块'；因此，这项研究可以概括为'如果你需要工业用热，就把它储存在耐火砖里'。"

随着风能和太阳能的波动，取代燃烧燃料的能源必须能够发电或储热。耐火砖可以承受高温而不会损坏，几千年来，可能从青铜时代早期开始，耐火砖就被用来砌筑熔炉、窑炉、壁炉和烤箱。

与耐火砖类似，耐火砖也可以储热或隔热，具体取决于其材质。用于储热的耐火砖应具有较高的比热（即 1 克物质吸收或散失的热量使其温度变化 1 °C（1.8 °F））和较高的熔点。具有这些特性的理想低成本耐火砖材料包括氧化铝和氧化镁或低级石墨。隔热耐火砖必须能承受高温，但导热率要低，以抵御热流并缓慢地从周围环境中获取热量。二氧化硅的导热率较低，因此常用于这类耐火砖中。

耐火砖用于隔绝回转窑内部钢壳产生的高温 维基共享资源/Alexknight12 CC BY-SA 3.0

蓄热耐火砖的周围是另一种隔热性能更强的耐火砖，然后是钢材，如厚钢容器，以进一步减少热量损失。工艺热量可根据需要从耐火砖中提取，方法是将环境空气或循环空气通过耐火砖中的通道，产生低温至高温的空气，或者直接从烧红的耐火砖中发射红外线辐射获取热量。使用耐火砖可避免电池存储或绿色氢气存储可再生能源电力，因为耐火砖存储取代了电力存储。

本研究旨在考察使用耐火砖储存大部分工业加工热量对 149 个国家的影响，这些国家在 2050 年的假设未来已过渡到 100% 使用清洁和可再生能源。所选的 149 个国家排放了全球 99.75% 的化石燃料二氧化碳 (CO2)。研究人员使用计算机模型比较了两种情况下的成本、土地需求、健康影响和排放情况：一种情况是由耐火砖提供 90% 的工业用热，另一种情况是不使用耐火砖。

斯坦福大学多尔可持续发展学院土木与环境工程系教授、该研究的第一作者兼通讯作者马克-雅各布森说："我们的研究是第一项以耐火砖作为解决方案的一部分，对可再生能源的大规模过渡进行研究的研究。耐火砖能够以更快的速度、更低的成本过渡到可再生能源，这对每个人的健康、气候、就业和能源安全都有帮助。"

在 149 个国家中，与不使用耐火砖的情况相比，使用耐火砖可在 2050 年将资本成本大幅降低 1.27 万亿美元。此外，耐火砖还可使电池储能需求减少约14.5%，电网每年的氢气产量减少约27.3%，土地需求减少约0.4%，每年的总体能源成本减少约1.8%。在"无耐火砖"情景下，假设各国将从电炉、加热器、锅炉和热泵中获取工业流程所需的热量，并使用电池为这些技术储能。

雅各布森说："耐火砖储能与电池储能的区别在于，耐火砖储存的是热量而不是电能，成本只有电池的十分之一。材料也简单得多。它们基本上只是泥土的组成部分。"

这项研究提出了一个重要问题：工业燃烧产生的气体和颗粒以及工业加工化学反应（主要是钢铁和水泥生产）产生的二氧化碳排放，是耐火砖无法解决的，那么这些问题又该如何解决呢？研究人员提出，电弧炉、电阻炉和锅炉、感应炉、电子束加热器和电介质加热器可以覆盖耐火砖未覆盖的工业燃烧。使用绿色氢气代替焦炭或煤炭将铁矿石还原成纯铁，可以解决钢铁生产过程中的二氧化碳排放问题。他们还提出，在生产普通波特兰水泥（OPC）时，可以使用玄武岩（不含碳的硅酸钙岩）代替石灰石，并使用土工聚合物水泥代替 OPC，从而消除水泥生产中的二氧化碳排放。研究人员说，将这些技术与耐火砖相结合，就有可能"消除工业生产中的大部分（如果不是全部的话）空气污染和二氧化碳，而无需进行碳捕集"。

高温蓄热耐火砖在市场上可以买到。研究人员说，利用它们来帮助向可再生能源过渡，将使这一过程既便宜又简单，他们希望这两点能吸引人们支持他们的新颖解决方案。

雅各布森说："试想一下，如果我们提出一种昂贵而困难的过渡到可再生电力的方法--我们将很少有人接受。但是，如果这种方法比以前的方法更省钱，那么实施起来就会更快。让我感到兴奋的是，它的影响非常大，而我研究过的很多技术，它们的影响都是微不足道的。在这里，我可以从多个角度看到，从帮助降低空气污染死亡率到使世界更容易过渡到清洁的可再生能源，都能以低成本带来巨大的好处。"

该研究发表在《PNAS Nexus》杂志上。