電熱儲能裝置用鎂質(zhì)耐火磚的方向
利用鎂質(zhì)蓄熱磚的高熱容特性設(shè)計建造電熱儲能裝置是用來拉平電力負荷的一種較經(jīng)濟的技術(shù)設(shè)施。電熱儲能裝置用耐火材料蓄能實際是蓄熱能力大的耐火制品作為蓄能元件，裝置外殼用輕質(zhì)耐火材料加強隔熱保溫。
電熱儲能裝置的操作過程是：當(dāng)夜晚電力需求最小時，蓄熱磚通過電阻加熱系統(tǒng)加熱到800℃，而將電能轉(zhuǎn)變成熱能儲存起來。到了白天的用電高峰期間，通過送風(fēng)系統(tǒng)，向儲能裝置內(nèi)送入空氣，經(jīng)過溫度調(diào)節(jié)，向用戶供應(yīng)熱風(fēng)，從而避免用戶在高峰負荷期間用電加熱和減輕高峰電力負荷。
用于電熱儲能裝置內(nèi)的耐火材料必須具有高熱容量，這取決于其熱容和容重。其次，為了快速加熱儲能裝置釋放和儲存能量，要求用于電熱儲能裝置內(nèi)的耐火材料應(yīng)具有高導(dǎo)熱性。此外，電熱儲能裝置的壽命往往長達30年以上，冷卻循環(huán)數(shù)千次，因而要求用于建造電熱儲能裝置的耐火材料應(yīng)具有很高的抗熱震性能，即應(yīng)具有熱疲勞壽命長的性能。
在電熱儲能裝置中使用的耐火材料，可以作為線彈性體來看，在線彈性斷裂力學(xué)中，裂紋在疲勞載荷下的疲勞溫差小時，其使用壽命長。
電熱儲能用MgO/MgO—FeOn 質(zhì)蓄能元件屬于MgO—FeOn 系統(tǒng)，該系統(tǒng)中Fe3+ /Fe2+比既受氣氛PO2 所控制，又與所處環(huán)境的溫度有關(guān)系。如圖1 所示，與鎂質(zhì)耐火材料有關(guān)的共有兩個相區(qū)，即(MgO，F(xiàn)eO)ss 區(qū)和(MgO，F(xiàn)eO)+尖晶石固溶體共存區(qū)。當(dāng)溫度提高后，MgO ·Fe2O3 逐漸分解，其數(shù)量逐漸減少，(MgO，F(xiàn)eO)ss 則逐漸增加。圖中虛線示出了MgO ·Fe2O3 的分解路線。
圖1 鎂質(zhì)蓄熱磚系統(tǒng)三相圖(在空氣中)
圖1的E和MgO ·Fe2O3 組成點之間的尖晶石邊界線有一隆起(圖1上方的附圖)，它標(biāo)志接近于MgO ·Fe2O3 的原始組成點能在鎂方鐵礦析出為一相以前形成 O /Fe比例小于 1.33 的尖晶石。由圖1 中等溫線的外形看出，在1400℃以下的空氣中，與Fe2O3平衡的尖晶石則有一接近Fe2O3 0/Fe(1.5)。在這種轉(zhuǎn)化中，當(dāng)Fe2O3 與 MgO 借固態(tài)陽離子擴散進行反應(yīng)生成尖晶石時，便能觀察到 KirKendall效應(yīng)，即當(dāng)Fe2O3與MgO之間的陽離子擴散形成一層尖晶石時，在Fe2O3 —尖晶石界面將發(fā)生氧的損失，進入氣相：而尖晶石—MgO 界面卻將從氣象中取得氧。這一過程可以表示為：
(1) 在Fe2O3 —尖晶石界面發(fā)生：
3Fe2O3 + 2Mg 2+ = 2MgFe2O3 + 2Fe2 + ½O2
(2) 在尖晶石—MgO 界面發(fā)生：
2Fe2 + 3MgO + ½O2 = MgFe2O4 + 2Mg 2+
這表明，在前一界面比后一界面形成了約兩倍之多的尖晶石。結(jié)果則導(dǎo)致含 Fe2O3 粒子的MgO 在壓塊時產(chǎn)生組織膨脹，而FeOn 的 上述氧化—還原反應(yīng)所伴隨的體積變化會對MgO — FeOn 質(zhì) 耐火材料的應(yīng)用有危害，不過，由于MgO — FeOn 質(zhì)耐火材料中FeOn 的上述轉(zhuǎn)化反應(yīng)在高溫條件下才能明顯進行，即在溫度高于500℃才可觀察到，而實際上在200~800℃下使用的MgO — FeOn 質(zhì)耐火材料都是穩(wěn)定的。這就說明MgO — FeOn 質(zhì)耐火材料作為電熱儲能用蓄熱磚是可行的。早期MgO — FeOn 質(zhì)耐火材料蓄熱磚是以工業(yè)窯爐上拆除回來的廢鎂磚破碎至0.2~2.8mm為原料，為提高磚的體積密度，細粉用含94% Fe2O3的鐵礦精礦粉，粒度為0.01~0.2mm，用硫酸鐵(0.5%~10%)或鋼件清洗廢液結(jié)合。泥料經(jīng)壓制形成后與250℃烘干即獲得不燒MgO—FeOn 制品，典型不燒鎂磚的性能：密度為3.1g/m³，比熱容1128J/(Kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)4~26.4W/(m·K)。
用于電熱儲能裝置中的MgO — FeOn 質(zhì)蓄能元件也可采用燒成工藝生產(chǎn)。它們亦以廢鎂磚或者普通燒結(jié)鎂砂為原料，同時配入一定數(shù)量的鐵礦精礦粉或者是軋鐵皮，主要FeO細粉或者“鐵紅”作為 FeOn 原料進行生產(chǎn)。燒成鎂鐵磚的燒成溫度大于1200℃，燒成鎂鐵磚(60%~65%MgO、30%~32%Fe2O3)的性能為：B.D≥ 3.1g/m³，比熱容為1140J(Kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)約6.0W/(m·K)。
由此可見，鎂鐵磚蓄能力大，熱傳導(dǎo)率高，在200~800℃下使用時其穩(wěn)定性非常好，是電熱儲能裝置中耐火蓄能元件的理想材質(zhì)。
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