ES2907003T3 - New material and its production for use as a storage medium in a sensitive energy storage system in the low, medium or high temperature sector - Google Patents
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Landscapes
- Treatment Of Sludge (AREA)
Abstract
Lodo rojo modificado, que contiene los siguientes componentes: - hematita, - corindón, - rutilo y/o anatasa, - cuarzo, - opcionalmente (CaTiO3) perovskita y - opcionalmente (Fe3+,Fe2+)2(Ti,Fe3+) pseudobrookita O5 (Na,K) nefelina [AlSiO 4] y/o hauynita (Na,Ca)4- 8[Al6Si6O24(SO4)], donde el lodo rojo modificado está sustancialmente libre de Na2O y/o vidrio.Modified red mud, containing the following components: - hematite, - corundum, - rutile and/or anatase, - quartz, - optionally (CaTiO3) perovskite and - optionally (Fe3+,Fe2+)2(Ti,Fe3+) pseudobrookite O5 (Na ,K) nepheline [AlSiO 4] and/or hauynite (Na,Ca)4-8[Al6Si6O24(SO4)], where the modified red mud is substantially free of Na2O and/or glass.
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Material nuevo y su producción para su uso como medio de almacenamiento en un sistema de almacenamiento de energía sensible en el sector de baja, media o alta temperaturaNew material and its production for use as a storage medium in a sensitive energy storage system in the low, medium or high temperature sector
La presente invención se refiere a un lodo rojo modificado o un residuo de bauxita modificado, también denominado en lo sucesivo ALFERROCK®, y también a procedimientos para su producción y usos de los mismos.The present invention relates to a modified red mud or modified bauxite residue, also referred to as ALFERROCK®, and also to processes for its production and uses thereof.
Con la Ley de Energía Renovable (EEG), Alemania ha establecido que la energía nuclear y la generación de energía a partir del carbón se eliminarán gradualmente para 2038. Como sustitutos, los parques eólicos, las instalaciones solares y las instalaciones de biogás deberían constituir el suministro de energía para Alemania.With the Renewable Energy Act (EEG), Germany has established that nuclear power and power generation from coal will be phased out by 2038. As substitutes, wind farms, solar installations and biogas installations should constitute the energy supply for Germany.
En particular, sin embargo, los parques eólicos y las instalaciones solares tienen la desventaja de que en el aire en calma y en la oscuridad no se genera energía. Por lo tanto, estas fuentes de energía renovables no son capaces de proporcionar energía de carga base para los clientes, en particular los clientes industriales, que dependen de un suministro de energía constante.In particular, however, wind farms and solar installations have the disadvantage that no energy is generated in calm air and in the dark. Therefore, these renewable energy sources are not capable of providing baseload power for customers, particularly industrial customers, who rely on a constant power supply.
Para evitar esta desventaja sistémica, la generación y el consumo de energía deben estar separados. Sólo acumuladores de energía que estén conectados entre los generadores y los consumidores de energía permiten proporcionar un flujo de energía constante de la manera necesaria y, por lo tanto, hacer que las fuentes de energía renovables sean capaces de proporcionar energía de carga base.To avoid this systemic disadvantage, energy generation and consumption must be separated. Only energy stores that are connected between the generators and the energy consumers make it possible to provide a constant flow of energy in the necessary manner and thus make renewable energy sources capable of providing base load energy.
Por lo tanto, existe una demanda de acumuladores de energía y medios de almacenamiento adecuados que puedan remediar estas desventajas en la producción de energía a partir de fuentes de energía renovables y que también puedan obtenerse de una manera rentable que conserve los recursos.Therefore, there is a demand for suitable energy accumulators and storage media that can remedy these disadvantages in energy production from renewable energy sources and that can also be obtained in a cost-effective, resource-conserving manner.
Se sabe que el lodo rojo se produce como un producto de desecho en el procedimiento de Bayer para la extracción de hidróxido de aluminio (ATH) de la bauxita. En la siguiente descripción, se entiende que el lodo rojo (LR) es el residuo del procedimiento de Bayer que se produce en la extracción de ATH de la bauxita. Una gran proporción del residuo de bauxita o lodo rojo producido en la extracción de aluminio no se procesa adicionalmente ni se somete a un uso económicamente viable, sino que se desecha en sitios de disposición.Red mud is known to be produced as a waste product in the Bayer process for the extraction of aluminum hydroxide (ATH) from bauxite. In the following description, red mud (LR) is understood to be the Bayer process residue produced in the extraction of ATH from bauxite. A large proportion of the bauxite residue or red mud produced in aluminum mining is not further processed or put to economically viable use, but is disposed of at disposal sites.
De la técnica anterior ya se sabe que el residuo de bauxita es adecuado como adsorbente debido a su gran superficie interna.From the prior art it is already known that bauxite residue is suitable as an adsorbent due to its large internal surface area.
Además, se sabe que, debido a su composición química, el residuo de bauxita modificada puede usarse como un retardante de llama inorgánico libre de halógeno en plásticos de todos los tipos, que se proporcionan como un compuesto o también en forma espumada (WO 2012/126487 A1).Furthermore, it is known that, due to its chemical composition, modified bauxite residue can be used as a halogen-free inorganic flame retardant in plastics of all types, which are provided as a compound or also in foamed form (WO 2012/ 126487 A1).
Además, se sabe que el residuo de bauxita modificado tiene una alta densidad, de modo que esta composición también se puede utilizar como medio de insonorización o para la ponderación del lodo de perforación o para el blindaje contra la radiación (WO 2014/114283 A1).In addition, modified bauxite residue is known to have a high density, so this composition can also be used as a soundproofing medium or for weighting drilling mud or for radiation shielding (WO 2014/114283 A1) .
Además, se conoce un material particulado poroso que comprende un residuo de bauxita para el tratamiento de fluidos y la eliminación de contaminantes a partir del documento WO 2005/061408 A1. Los contaminantes incluyen, por ejemplo, metales pesados, aniones y gases.Furthermore, a porous particulate material comprising a bauxite residue for fluid treatment and contaminant removal is known from WO 2005/061408 A1. Contaminants include, for example, heavy metals, anions, and gases.
En experimentos con residuos de bauxita modificados y deficientes en cromato que se han calentado a temperaturas entre 120 °C y 250 °C, los inventores de la presente sorprendentemente descubrieron que el enfriamiento tuvo lugar de forma inesperada y lenta. A la luz de esta observación, los inventores de la presente invención llevaron a cabo estudios exhaustivos sobre el comportamiento de residuos de bauxita (opcionalmente deficientes en cromato) o lodo rojo, cuando se somete a un tratamiento térmico, y, en este caso, realizaron observaciones mediante la comparación de los parámetros químicos, mineralógicos, físicos y mecánicos, en particular los parámetros térmicos. Por lo tanto, los inventores llegaron a un nuevo tipo de lodo rojo modificado que se puede usar como medio de almacenamiento, en particular como medio de almacenamiento de calor.In experiments with chromate-deficient modified bauxite residues that have been heated to temperatures between 120°C and 250°C, the present inventors surprisingly found that the cooling took place unexpectedly and slowly. In light of this observation, the inventors of the present invention carried out extensive studies on the behavior of bauxite residues (optionally chromate deficient) or red mud, when subjected to heat treatment, and, in this case, carried out observations by comparing chemical, mineralogical, physical and mechanical parameters, in particular thermal parameters. Therefore, the inventors came to a new type of modified red mud which can be used as a storage medium, in particular as a heat storage medium.
El tratamiento térmico influye en los parámetros mencionados anteriormente de una manera crucial y, por lo tanto, tiene una influencia significativa en las características del medio de almacenamiento de calor en general, donde, en particular, su comportamiento durante la exposición cíclica al calor (estabilidad del ciclo térmico, resistencia al choque térmico) es importante. Sobre la base de la composición química del lodo rojo utilizado como material de partida y de los intervalos de temperatura que se corrieron durante el tratamiento térmico, pueden surgir en cada caso diferentes especies químicas/mineralógicas, que, a su vez, tienen diferentes características químicas, físicas, mineralógicas, mecánicas y térmicas. La suma de estas características determina las características del mecanismo de almacenamiento. Esto permite influir en las características del mecanismo de almacenamiento de cualquier forma, es decir, de una manera específica. Las características más importantes incluyen, por ejemplo,The heat treatment influences the parameters mentioned above in a crucial way and thus has a significant influence on the characteristics of the heat storage medium in general, where, in particular, its behavior during cyclic exposure to heat (stability of thermal cycling, resistance to thermal shock) is important. Based on the chemical composition of the red mud used as starting material and the temperature ranges that were run during the heat treatment, they can arise in each case different chemical/mineralogical species, which, in turn, have different chemical, physical, mineralogical, mechanical and thermal characteristics. The sum of these characteristics determines the characteristics of the storage mechanism. This allows to influence the characteristics of the storage mechanism in any way, that is, in a specific way. Important features include, for example,
- capacidad térmica- thermal capacity
- conductividad térmica- Thermal conductivity
- conductividad eléctrica- electric conductivity
- densidad- density
- dureza- hardness
- ductilidad- ductility
- porosidad- porosity
- resistencia al choque térmico- thermal shock resistance
- estabilidad en el ciclo térmico- stability in the thermal cycle
- coeficiente térmico de expansión- thermal coefficient of expansion
- estabilidad química, entre otras cosas- chemical stability, among other things
Por lo tanto, la presente invención se refiere a un lodo rojo modificado como se define en una de las reivindicaciones 1 y 4, un procedimiento de producción de un lodo rojo modificado que tiene las características de la reivindicación 5, un medio de almacenamiento que comprende un lodo rojo modificado, un medio de almacenamiento de calor que comprende un medio de almacenamiento y numerosos usos de un lodo rojo modificado como medio de almacenamiento, en particular en un medio de almacenamiento de calor, así como los procedimientos de aplicación óptima.Therefore, the present invention relates to a modified red mud as defined in one of claims 1 and 4, a method for producing a modified red mud having the characteristics of claim 5, a storage medium comprising a modified red mud, a heat storage medium comprising a storage medium and numerous uses of a modified red mud as a storage medium, particularly in a heat storage medium, as well as methods of optimal application.
En una realización, un lodo rojo modificado contiene los siguientes componentes:In one embodiment, a modified red mud contains the following components:
- hematita (Fe2O3),- hematite (Fe2O3),
- corindón (A^O3),- corundum (A^O3),
- rutilo (TO2) y/o anatasa (TO2),- rutile (TO2) and/or anatase (TO2),
- cuarzo (SO2),- quartz (SO2),
- opcionalmente perovskita (CaTiO3) y- optionally perovskite (CaTiO3) and
- opcionalmente pseudobrookita (Fe3+,Fe2+)2(Ti,Fe3+)O5) nefelina ((Na,K)[AlSiO4]) y/o hauynita ((Na,Ca)4-8[AlaS¡6O24(SO4)]).- optionally pseudobrookite (Fe3+,Fe2+)2(Ti,Fe3+)O5) nepheline ((Na,K)[AlSiO4]) and/or hauynite ((Na,Ca)4-8[AlaS¡ 6 O 2 4(SO 4 )]).
Por lo tanto, el lodo rojo modificado contiene menos de 0,5 % en peso de Na2O y menos de 0,5 % en peso de vidrio, tal como vidrio de soda y/o vidrio de soda de potasio. El lodo rojo modificado está preferentemente sustancialmente libre de K2O y/o CaO y/u otros óxidos alcalinos y alcalinotérreos.Therefore, the modified red mud contains less than 0.5% by weight of Na2O and less than 0.5% by weight of glass, such as soda glass and/or potassium soda glass. The modified red mud is preferably substantially free of K2O and/or CaO and/or other alkali and alkaline earth oxides.
El barro rojo es la proporción insoluble que queda después de la lixiviación alcalina del aluminio de la bauxita. El lodo rojo se enjuaga en el medio alcalino en los sitios de disposición. Así, el lodo rojo contiene una cantidad indefinida de álcali en forma de solución de sosa cáustica libre o en forma de carbonato de sodio, que se produce mediante carbonización con CO2. Dado que este contenido alcalino libre interviene activamente, pero arbitrariamente, en la formación de las fases mineralógicas, con el fin de crear condiciones definidas y controlables, este contenido alcalino, es decir, Na2O, pero también K2O y el contenido de tierras alcalinas, es decir, CaO y MgO, deben eliminarse al menos predominantemente, preferentemente completamente, mediante lavado o neutralización. Por lo tanto, el lodo rojo modificado está sustancialmente libre de Na2O y K2O; por lo tanto, el vidrio de soda y/o el vidrio de potasa no se pueden formar durante el templado.Red mud is the insoluble proportion that remains after alkaline leaching of aluminum from bauxite. The red mud is rinsed in the alkaline medium at the disposal sites. Thus, the red mud contains an indefinite amount of alkali in the form of free caustic soda solution or in the form of sodium carbonate, which is produced by carbonization with CO2. Since this free alkaline content actively but arbitrarily intervenes in the formation of the mineralogical phases, in order to create defined and controllable conditions, this alkaline content, i.e. Na2O, but also K2O and the alkaline earth content, is ie, CaO and MgO, should be at least predominantly, preferably completely, removed by washing or neutralization. Therefore, the modified red mud is substantially free of Na2O and K2O; therefore, soda glass and/or potash glass cannot be formed during tempering.
En el contexto de la presente solicitud, "sustancialmente libre" puede entenderse, en particular, como un contenido inferior al 0,5 % en peso, en particular inferior al 0,2 % en peso, en particular inferior al 0,1 % en peso, en particular inferior al 0,05 % en peso, en particular inferior al 0,03 % en peso, en particular inferior al 0,01 % en peso.In the context of this application, "substantially free" can be understood, in particular, as a content of less than 0.5% by weight, in particular less than 0.2% by weight, in particular less than 0.1% by weight. weight, in particular less than 0.05% by weight, in particular less than 0.03% by weight, in particular less than 0.01% by weight.
Por lo tanto, el lodo rojo modificado puede contener, en particular, los componentes (cristalinos) hematita (Fe2O3), corindón (A^O3), rutilo (TO2) y/o anatasa (TO2) y cuarzo (SO2) o puede consistir sustancialmente en estos componentes. Se pueden incluir otros componentes, pero no es necesario. En particular, la perovskita (CaTiO 3), pseudobrookita ((Fe3+,Fe2+)2(Ti,Fe3+)Os), nefelina ((Na,K)[AlSiO 4]) y/o hauynita ((Na,Ca)4, 8[AlaSiaO24(SO4)]) pueden mencionarse como componentes adicionales (opcionales). En este caso, sin embargo, el lodo rojo modificado no contiene sustancialmente Na2O (igualmente K2O y CaO) y/o vidrio.Therefore, the modified red mud can contain, in particular, the (crystalline) components hematite (Fe2O3), corundum (A^O3), rutile (TO2) and/or anatase (TO2) and quartz (SO2) or it can consist substantially on these components. Other components may be included, but are not required. In particular, perovskite (CaTiO 3), pseudobrookite ((Fe3+,Fe2+)2(Ti,Fe3+)Os), nepheline ((Na,K)[AlSiO 4]) and/or hauynite ((Na,Ca)4, 8[AlaSiaO24(SO4)]) may be mentioned as additional (optional) components. In this case, however, the modified red mud does not contain substantially Na2O (likewise K2O and CaO) and/or glass.
En una realización, el lodo rojo modificado puede contener In one embodiment, the modified red mud may contain
- del 48 al 55 % en peso, en particular del 49 al 54 % en peso, en particular del 50 al 53 % en peso, de hematita (FeAi),- 48 to 55 % by weight, in particular 49 to 54 % by weight, in particular 50 to 53 % by weight, of hematite (FeAi),
- del 13 al 18 % en peso, en particular del 14 al 17 % en peso, en particular del 15 al 16 % en peso de corindón (AhOa),- 13 to 18% by weight, in particular 14 to 17% by weight, in particular 15 to 16% by weight of corundum (AhOa),
- del 8 al 12 % en peso, en particular del 9 al 11 % en peso, de rutilo (TO2) y/o anatasa (TO), y- from 8 to 12% by weight, in particular from 9 to 11% by weight, of rutile (TO2) and/or anatase (TO), and
- del 2 al 5 % en peso, en particular del 3 al 4 % en peso, de cuarzo (SO2), y- 2 to 5% by weight, in particular 3 to 4% by weight, of quartz (SO2), and
- inferior al 0,03 % en peso, en particular inferior al 0,01 % en peso, de Na2O y/o inferior al 0,1 % en peso, en particular inferior al 0,05 % en peso, de vidrio.- less than 0.03% by weight, in particular less than 0.01% by weight, of Na2O and/or less than 0.1% by weight, in particular less than 0.05% by weight, of glass.
En una realización, se puede obtener un lodo rojo modificado calentando el lodo rojo sustancialmente lavado libre de Na2O (o neutralizado) y que tiene una composición mineral deIn one embodiment, a modified red mud can be obtained by heating substantially washed red mud free of Na2O (or neutralized) and having a mineral composition of
- del 10 al 55 %, en particular del 10 al 50 % en peso de compuestos de hierro,- from 10 to 55%, in particular from 10 to 50% by weight of iron compounds,
- del 12 al 35 % en peso de compuestos de aluminio,- 12 to 35% by weight of aluminum compounds,
- del 3 al 17 % en peso, en particular del 5 al 17 % en peso de compuestos de silicio,- from 3 to 17% by weight, in particular from 5 to 17% by weight of silicon compounds,
- del 2 al 12 % en peso, en particular del 2 al 10 % en peso de dióxido de titanio,- from 2 to 12% by weight, in particular from 2 to 10% by weight of titanium dioxide,
- del 0,5 al 6 % en peso de compuestos de calcio, y- 0.5 to 6% by weight of calcium compounds, and
- opcionalmente otras impurezas inevitables,- optionally other unavoidable impurities,
a una temperatura de al menos 800 °C, en particular al menos 850 °C, en particular al menos 900 °C, en particular al menos 950 °C, preferentemente al menos 1000 °C, por ejemplo, en un intervalo entre 1100 y 1200 °C, por ejemplo 1150 °C. Un lodo rojo modificado que pueda obtenerse de esta manera también puede designarse como lodo rojo templado o sinterizado o como cerámica de hematita.at a temperature of at least 800 °C, in particular at least 850 °C, in particular at least 900 °C, in particular at least 950 °C, preferably at least 1000 °C, for example in a range between 1100 and 1200 °C, for example 1150 °C. A modified red mud that can be obtained in this way can also be designated as quenched or sintered red mud or hematite ceramic.
El lodo rojo, que permanece como una proporción insoluble después de la lixiviación alcalina del aluminio de la bauxita, generalmente contiene cantidades significativas de Na2O u otros óxidos alcalinos y alcalinotérreos, que también pueden estar presentes como hidróxidos o como carbonatos. Durante el calentamiento de dicho lodo rojo (sin lavar) a temperaturas superiores a 800 °C, en particular superiores a 1000 °C, estos constituyentes alcalinos hacen que el SiO2 (cristalino) contenido igualmente en el lodo rojo se convierta en vidrio, tal como, por ejemplo, vidrio soda y/o vidrio con soda de potasa, que es un mal conductor del calor, si ni siquiera un aislante térmico, y por lo tanto es enormemente perjudicial o incluso diametralmente opuesto al uso previsto del lodo rojo modificado según la invención para almacenar calor de la corriente (acoplamiento de energía-calor) o para la conversión de calor en corriente (acoplamiento de calor-energía). Otras sustancias que no son deseables según la invención se pueden formar durante el calentamiento del lodo rojo sin lavar debido a la alta reactividad de los óxidos de tierra de álcalis y alcalinos y similares. Además, la presencia de dichas sustancias reactivas en el lodo rojo modificado según la invención también es perjudicial para el uso previsto en un medio de almacenamiento de calor, lo que trae consigo un calentamiento y enfriamiento continuo del lodo rojo modificado en el medio de almacenamiento de calor, ya que una estabilidad química del lodo rojo modificado (es decir, ninguna reacción química durante el calentamiento y enfriamiento repetidos en el intervalo de temperatura de trabajo seleccionado desde la temperatura ambiente hasta aproximadamente 1000 °C), y una estabilidad física (diferentes dimensiones térmicas, o contracción de las fases minerales presentes con un efecto sobre la resistencia al choque térmico y la estabilidad del ciclo térmico) para la vida útil del medio de almacenamiento de calor según la invención, es crucial.The red mud, which remains as an insoluble proportion after alkaline leaching of aluminum from bauxite, generally contains significant amounts of Na2O or other alkali and alkaline earth oxides, which may also be present as hydroxides or as carbonates. During heating of said (unwashed) red mud at temperatures higher than 800 °C, in particular higher than 1000 °C, these alkaline constituents cause the (crystalline) SiO2 also contained in the red mud to turn into glass, just as , for example, soda glass and/or soda potash glass, which is a poor conductor of heat, if not even a thermal insulator, and thus highly detrimental to or even diametrically opposed to the intended use of modified red mud under the invention for storing heat from the stream (heat-energy coupling) or for converting heat into stream (heat-energy coupling). Other substances which are undesirable according to the invention may be formed during heating of the unwashed red mud due to the high reactivity of alkali and alkaline earth oxides and the like. Furthermore, the presence of said reactive substances in the modified red mud according to the invention is also detrimental to the intended use in a heat storage medium, which brings about continuous heating and cooling of the modified red mud in the heat storage medium. heat, as a chemical stability of the modified red mud (i.e. no chemical reaction during repeated heating and cooling in the selected working temperature range from room temperature to about 1000 °C), and a physical stability (different dimensions thermal shocks, or contraction of the mineral phases present with an effect on thermal shock resistance and thermal cycle stability) for the useful life of the heat storage medium according to the invention, is crucial.
Por lo tanto, según la invención, es necesario lavar el lodo rojo antes del calentamiento, de modo que esté sustancialmente libre de Na2O (y otros óxidos alcalinos y alcalinotérreos, tales como K2O y/o CaO) y preferentemente también libre de constituyentes orgánicos que puedan tener un efecto reductor durante el calentamiento. Dado que el Na2O, y también los otros óxidos alcalinos y alcalinotérreos, son sustancias alcalinas (es decir, básicas), el lavado sustancialmente libre de Na2O también puede designarse como neutralización o un lodo rojo lavado correspondiente puede designarse como lodo rojo neutralizado. El lavado se lleva a cabo ventajosamente por medio de agua, a la que se puede añadir un ácido o una sustancia ácida, tal como cloruro de hierro(ll), de manera ventajosa.Therefore, according to the invention, it is necessary to wash the red mud before heating, so that it is substantially free of Na2O (and other alkali and alkaline earth oxides, such as K2O and/or CaO) and preferably also free of organic constituents that may have a reducing effect during heating. Since Na2O, and also the other alkali and alkaline earth oxides, are alkaline (i.e. basic) substances, washing substantially free of Na2O can also be designated as neutralization or a corresponding washed red mud can be designated as neutralized red mud. The washing is advantageously carried out by means of water, to which an acid or an acidic substance, such as iron(II) chloride, may advantageously be added.
En una realización (después del templado), el lodo rojo modificado puede estar sustancialmente libre de uno, dos, tres o de los cuatro componentes siguientes:In one embodiment (after quenching), the modified red mud may be substantially free of one, two, three, or all four of the following components:
- gibbsita [Al(OH)s],- gibbsite [Al(OH)s],
- goetita [FeO(OH)],- goethite [FeO(OH)],
- boehmita [AlO(OH)],- boehmite [AlO(OH)],
- cancrinita [Na6Ca2[(CO3)2|Al6Si6O24]].- cancrinite [Na6Ca2[(CO3)2|Al6Si6O24]].
En una realización, el lodo rojo modificado puede estar sustancialmente libre de uno, dos, tres, cuatro o los cinco de los siguientes componentes:In one embodiment, the modified red mud may be substantially free of one, two, three, four, or all five of the following components:
- titanato de aluminio (AI2TÍO5),- aluminum titanate (AI2TIO5),
- hierro (elemental) (Fe)- iron (elemental) (Fe)
- mayenita (Ca12Ah4O33),- mayenite (Ca12Ah4O33),
- ulvospinell (Fe2TiO4),- ulvospinell (Fe2TiO4),
- andradita [Ca3Fe2(SO4)3].- andradite [Ca3Fe2(SO4)3].
Estos componentes no deseados se pueden producir cuando el lodo rojo no se ha lavado suficiente y cuidadosamente, entre otras cosas, también se ha liberado de componentes orgánicos y/o se ha calentado o sinterizado en una atmósfera reductora.These undesirable components can occur when the red mud has not been sufficiently and carefully washed, among other things, also freed from organic components and/or heated or sintered in a reducing atmosphere.
El calentamiento puede tener lugar a la temperatura indicada, en particular, durante un período de tiempo de 5 minutos a 36 horas, en particular, de 5 minutos a 24 horas, en particular, de 5 minutos a 12 horas, en particular, de 5 minutos a 6 horas, en particular, de 5 minutos a 2 horas, en particular, de 5 minutos a 1 hora, en particular, de 5 minutos a 30 minutos.The heating can take place at the indicated temperature, in particular for a period of time from 5 minutes to 36 hours, in particular from 5 minutes to 24 hours, in particular from 5 minutes to 12 hours, in particular from 5 minutes to 6 hours, in particular, from 5 minutes to 2 hours, in particular, from 5 minutes to 1 hour, in particular, from 5 minutes to 30 minutes.
En una realización, el lodo rojo modificado puede tener una porosidad de menos de 15 %, en particular, en el intervalo de 5 a 12 %. En este caso, los tamaños de los poros son pequeños. Debido a la modificación del lodo rojo según la invención, tal porosidad comparativamente baja es fácilmente alcanzable y es particularmente adecuada para lograr una alta capacidad térmica ventajosa para el uso previsto del lodo rojo modificado según la invención y conductividad térmica típica para sustancias inorgánicas (debido a la baja dispersión de fonones en superficies límite debido a la porosidad comparativamente baja). La porosidad se puede determinar en particular por medio de isotermas de adsorción de gas según el procedimiento de BJH.In one embodiment, the modified red mud may have a porosity of less than 15%, in particular in the range of 5 to 12%. In this case, the pore sizes are small. Due to the modification of the red mud according to the invention, such a comparatively low porosity is easily achievable and is particularly suitable for achieving an advantageous high thermal capacity for the intended use of the red mud modified according to the invention and typical thermal conductivity for inorganic substances (due to the low scattering of phonons at boundary surfaces due to the comparatively low porosity). The porosity can be determined in particular by means of gas adsorption isotherms according to the BJH method.
En una realización, el lodo rojo modificado puede tener una densidad en el intervalo de 3,90 a 4,0 g/cm3, en particular de 3,91 a 3,95 g/cm3, en particular de 3,92 a 3,94 g/cm3, en particular aproximadamente 3,93 g/cm3. Debido a la modificación del lodo rojo según la invención, dicha densidad comparativamente alta también se puede lograr fácilmente y es particularmente adecuada para lograr una alta capacidad térmica ventajosa para el uso previsto del lodo rojo modificado según la invención y la conductividad térmica típica.In one embodiment, the modified red mud may have a density in the range of 3.90 to 4.0 g/cm3, in particular 3.91 to 3.95 g/cm3, in particular 3.92 to 3, 94 g/cm3, in particular about 3.93 g/cm3. Due to the modification of the red mud according to the invention, such a comparatively high density can also be easily achieved and is particularly suitable for achieving a high thermal capacity advantageous for the intended use of the red mud modified according to the invention and the typical thermal conductivity.
En una realización, el lodo rojo modificado puede tener un tamaño medio de partícula d50 en el intervalo de 3 a 10 |jm, en particular de 5 a 8 jm. El tamaño medio de partícula d50 se puede determinar en particular por medio de difracción láser o difracción láser (MALVERN) según ISO 13320 (2009).In one embodiment, the modified red mud may have an average d50 particle size in the range 3 to 10 µm, in particular 5 to 8 µm. The average particle size d50 can be determined in particular by means of laser diffraction or laser diffraction (MALVERN) according to ISO 13320 (2009).
En una realización, el lodo rojo modificado puede tener un tamaño de partícula d10 en el intervalo de 0,5 a 2,5 jm, en particular de 1,0 a 2,0 jm , y/o un tamaño de partícula d90 en el intervalo de 15 a 50 jm , en particular de 20 a 40 jm. El tamaño medio de partícula d10 se puede determinar en particular mediante difracción láser y el tamaño de partícula d90 se puede determinar mediante difracción láser (Ma Lv ERN) según ISO 13320 (2009).In one embodiment, the modified red mud may have a d10 particle size in the range 0.5 to 2.5 µm, in particular 1.0 to 2.0 µm, and/or a d90 particle size in the range 0.5 to 2.5 µm. range from 15 to 50 jm, in particular from 20 to 40 jm. The mean particle size d10 can be determined in particular by laser diffraction and the particle size d90 can be determined by laser diffraction (Ma Lv ERN) according to ISO 13320 (2009).
En una realización, el lodo rojo modificado puede tener una capacidad térmica específica a 20 °C en el intervalo de 0,6 a 0,8 kJ/(kg*K), en particular de 0,65 a 0,75 kJ/(kg*K), y/o una capacidad térmica específica a 726,8 °C en el intervalo de 0,9 a 1,3 kJ/(kg*K), en particular de 0,95 a 1,2 kJ/(kg*K). La capacidad térmica específica se puede determinar, en particular, según la norma DIN EN ISO 11357-4.In one embodiment, the modified red mud may have a specific heat capacity at 20°C in the range of 0.6 to 0.8 kJ/(kg*K), in particular 0.65 to 0.75 kJ/( kg*K), and/or a specific heat capacity at 726.8 °C in the range from 0.9 to 1.3 kJ/(kg*K), in particular from 0.95 to 1.2 kJ/( kg*K). The specific heat capacity can be determined, in particular, according to DIN EN ISO 11357-4.
En una realización, el lodo rojo modificado puede tener una conductividad térmica específica en el intervalo de 3 a 35 W/(m*K), en particular de 5 a 20 W/(m*K) en particular de 8 a 12 W/(m*K). La conductividad térmica específica se puede determinar en particular por medio de objetos de prueba en forma de placa en un medidor lambda según DIN ISO 8302.In one embodiment, the modified red mud may have a specific thermal conductivity in the range of 3 to 35 W/(m*K), in particular 5 to 20 W/(m*K), in particular 8 to 12 W/(m*K). (m*K). The specific thermal conductivity can be determined in particular by means of plate-shaped test objects in a lambda meter according to DIN ISO 8302.
En una realización, el lodo rojo modificado puede estar presente en forma de un material sólido comprimido.In one embodiment, the modified red mud may be present in the form of a compressed solid material.
El procedimiento para producir un lodo rojo modificado comprende lavar y secar el lodo rojo con una composición mineralThe procedure for producing a modified red mud comprises washing and drying the red mud with a mineral composition
- del 10 al 55 %, en particular del 10 al 50 % en peso de compuestos de hierro,- from 10 to 55%, in particular from 10 to 50% by weight of iron compounds,
- del 12 al 35 % en peso de compuestos de aluminio,- 12 to 35% by weight of aluminum compounds,
- del 3 al 17 % en peso, en particular del 5 al 17 % en peso de compuestos de silicio,- from 3 to 17% by weight, in particular from 5 to 17% by weight of silicon compounds,
- del 2 al 12 % en peso, en particular del 2 al 10 % en peso de dióxido de titanio,- from 2 to 12% by weight, in particular from 2 to 10% by weight of titanium dioxide,
- del 0,5 al 6 % en peso de compuestos de calcio, y- 0.5 to 6% by weight of calcium compounds, and
- opcionalmente otras impurezas inevitables, y posteriormente el calentamiento del lodo rojo lavado (neutralizado) a una temperatura de al menos 800 °C, en particular al menos 850 °C, en particular al menos 900 °C, en particular al menos 950 °C, preferentemente al menos 1000 °C, por ejemplo en un intervalo entre 1100 y 1200 °C, por ejemplo 1150 °C.- optionally other unavoidable impurities, and subsequently heating the washed (neutralized) red mud to a temperature of at least 800 °C, in particular at least 850 °C, in particular at least 900 °C, in particular at least 950 °C, preferably at least 1000 °C, for example in a range between 1100 and 1200 °C C, for example 1150 °C.
El lavado del lodo rojo sirve en particular para que, por las razones expuestas anteriormente, el lodo rojo a calentar esté sustancialmente libre de Na2O (y otros óxidos alcalinos y alcalinotérreos, tales como K2O y/o CaO) y preferentemente también esté libre de constituyentes orgánicos que pueden tener un efecto reductor durante el calentamiento. Para este fin, el lavado puede tener lugar en particular por medio de agua, a la que se puede añadir un ácido o una sustancia ácida, tal como cloruro de hierro (ll), de manera ventajosa.The washing of the red mud serves in particular so that, for the reasons stated above, the red mud to be heated is substantially free of Na2O (and other alkali and alkaline earth oxides, such as K2O and/or CaO) and preferably also free of constituents organics that may have a reducing effect during heating. For this purpose, the washing can take place in particular by means of water, to which an acid or an acidic substance, such as iron(II) chloride, can advantageously be added.
En una realización, el calentamiento puede tener lugar a la temperatura indicada, en particular, durante un período de tiempo de 5 minutos a 36 horas, en particular de 5 minutos a 24 horas, en particular de 5 minutos a 12 horas, en particular de 5 minutos a 6 horas, en particular de 5 minutos a 2 horas, en particular de 5 minutos a 1 hora, en particular de 5 minutos a 30 minutos.In one embodiment, the heating can take place at the indicated temperature, in particular, for a period of time from 5 minutes to 36 hours, in particular from 5 minutes to 24 hours, in particular from 5 minutes to 12 hours, in particular from 5 minutes to 6 hours, in particular from 5 minutes to 2 hours, in particular from 5 minutes to 1 hour, in particular from 5 minutes to 30 minutes.
En una realización, el calentamiento del lodo rojo lavado y seco puede llevarse a cabo en una atmósfera no reductora (neutra) (gaseosa). Como resultado, se puede evitar una reducción (no deseada) de los componentes en el lodo rojo, en particular de los compuestos de hierro.In one embodiment, the heating of the washed and dried red mud can be carried out in a non-reducing (neutral) atmosphere (gas). As a result, an (unwanted) reduction of the components in the red mud, in particular iron compounds, can be avoided.
En una realización, el lodo rojo se calienta solo una vez (es decir, no más veces). El calentamiento del lodo rojo varias veces, tal como por ejemplo la presinterización, no es necesario como regla en el procedimiento según la invención, de modo que esta etapa adicional del procedimiento (que es innecesario según la invención) se puede omitir ventajosamente.In one embodiment, the red mud is heated only once (ie no more times). Heating of the red mud several times, such as presintering, is as a rule not necessary in the process according to the invention, so that this additional process step (which is unnecessary according to the invention) can advantageously be omitted.
En una realización, el procedimiento también puede comprender una granulación precedente del lodo rojo (sinterizado o templado) después del calentamiento y posteriormente una compresión del lodo rojo granulado o del granulado. Una granulación del lodo rojo templado simplifica (o incluso facilita) una compresión dentro de un intervalo de humedad que se establece como muy estrecho.In one embodiment, the process may also comprise a preceding granulation of the red mud (sintered or quenched) after heating and subsequently a compression of the granulated red mud or of the granules. A granulation of the warm red mud simplifies (or even facilitates) a compression within a moisture range that is stated to be very narrow.
En una realización, en el procedimiento para la producción de un lodo rojo modificado se puede producir un lodo rojo modificado según la invención.In one embodiment, a modified red mud according to the invention can be produced in the process for the production of a modified red mud.
El medio de almacenamiento comprende un lodo rojo modificado según la invención. En el contexto de la presente solicitud, un "medio de almacenamiento" puede entenderse, en particular, como el material de almacenamiento activo (o real). Por ejemplo, en el caso de un medio de almacenamiento de calor, el medio de almacenamiento puede ser un material de almacenamiento de calor que debe tener una capacidad térmica y una conductividad térmica correspondientes (o adecuadas).The storage medium comprises a modified red mud according to the invention. In the context of the present application, a "storage medium" can be understood, in particular, as the active (or actual) storage material. For example, in the case of a heat storage medium, the storage medium may be a heat storage material which must have a corresponding (or suitable) thermal capacity and thermal conductivity.
El medio de almacenamiento puede contener opcionalmente componentes adicionales, además del lodo rojo modificado.The storage medium may optionally contain additional components in addition to the modified red mud.
En una realización, el medio de almacenamiento puede comprender además uno o más de los siguientes componentes:In one embodiment, the storage medium may further comprise one or more of the following components:
- un agente para evitar la inclusión de aire (absorción de aire en el interior del medio de almacenamiento) y/o adsorción de aire (acumulación de aire en la superficie). (Por ejemplo, la matriz para el dispositivo de almacenamiento de corriente/calor se puede tratar por medio de una extrusora de doble tornillo con la adición de 5 a 10 % en peso de polidimetisiloxano o polímero de polidifenilsiloxano y con el uso simultáneo de una desgasificación al vacío con una salida máxima (por ejemplo, bombas de vacío de paletas rotativas conectadas en serie) de modo que todas las inclusiones de aire se eliminen por la dispersión intensiva en el sistema de polisiloxano. El material obtenido es amasable).- an agent to prevent air inclusion (absorption of air inside the storage medium) and/or adsorption of air (accumulation of air on the surface). (For example, the matrix for the current/heat storage device can be treated by means of a twin screw extruder with the addition of 5 to 10% by weight of polydimethylsiloxane or polydiphenylsiloxane polymer and with the simultaneous use of degassing). under vacuum with maximum output (for example, rotary vane vacuum pumps connected in series) so that all air inclusions are removed by intensive dispersion in the polysiloxane system. The material obtained is kneadable).
- un agente para mejorar la conductividad térmica, en particular seleccionado del grupo que consiste en coloides metálicos, polvos metálicos, grafito y sustancias que contienen silicio,- an agent for improving thermal conductivity, in particular selected from the group consisting of metal colloids, metal powders, graphite and silicon-containing substances,
- un agente para la formación de una composición tixotrópica (en particular mediante la adición de polipentaeritritol y un ácido carboxílico (C18, por ejemplo) a la matriz portadora de calor antes del tratamiento en la extrusora de doble tornillo, la matriz se puede ajustar tixotrópicamente, por ejemplo, en un intervalo extendido. En el procedimiento de activación del medio de almacenamiento de corriente/calor, es decir, calentamiento lento, además del polisiloxano, estos agentes también pueden descomponerse térmicamente en carbono, donde el carbono resultante no tiene efectos negativos sobre las características deseadas del medio del dispositivo de almacenamiento de corriente/calor, pero mejora la conductividad térmica.- an agent for the formation of a thixotropic composition (in particular by adding polypentaerythritol and a carboxylic acid (C18, for example) to the heat carrier matrix before treatment in the twin-screw extruder, the matrix can be adjusted thixotropically , for example, in an extended range In the current/heat storage medium activation procedure, i.e. slow heating, in addition to polysiloxane, these agents can also be thermally decomposed to carbon, where the resulting carbon has no negative effects on the desired characteristics of the medium of the current/heat storage device, but improves thermal conductivity.
En una realización, el medio de almacenamiento puede estar sustancialmente libre de agentes suavizantes ("plastificantes"). Los suavizantes no suelen ser necesarios en el lodo rojo según la invención, de modo que estos suavizantes (que son innecesarios según la invención) se pueden omitir ventajosamente.In one embodiment, the storage medium may be substantially free of softening agents ("plasticizers"). Softeners are usually not needed in the red mud according to the invention, so these softeners (which are unnecessary according to the invention) can advantageously be omitted.
El medio de almacenamiento de calor comprende un medio de almacenamiento según la invención. En el contexto de la presente solicitud, un "medio de almacenamiento de calor" puede entenderse, en particular, como un dispositivo que contiene el medio de almacenamiento como un material de almacenamiento de calor activo y, además, opcionalmente también tiene otros elementos de aparato.The heat storage medium comprises a storage medium according to the invention. In the context of the present application, a "heat storage medium" can be understood, in particular, as a device that contains the storage medium as an active heat storage material and, in addition, optionally also has other apparatus elements .
En una realización, el medio de almacenamiento de calor puede ser un almacenamiento de corriente/calor. En el contexto de la presente solicitud, un "almacenamiento de corriente/calor" puede entenderse, en particular, como un dispositivo de almacenamiento que puede convertir la energía eléctrica en energía térmica (energía del calor) y/o puede convertir la energía térmica en energía eléctrica, y que, en particular, puede convertir la energía eléctrica en energía térmica y también la energía térmica en energía eléctrica.In one embodiment, the heat storage medium may be current/heat storage. In the context of the present application, a "current/heat storage" can be understood, in particular, as a storage device that can convert electrical energy into thermal energy (heat energy) and/or can convert thermal energy into electrical energy, and which, in particular, can convert electrical energy into thermal energy and also thermal energy into electrical energy.
En una realización, el medio de almacenamiento de calor también puede comprender dispositivos para cargar y descargar el medio de almacenamiento de calor. Los dispositivos para cargar y descargar los medios de almacenamiento de calor pueden, por ejemplo, contener componentes mecánicos y/u otros componentes, tales como, por ejemplo, contactos o conexiones conductoras, en particular, contactos o conexiones conductoras de electricidad y/o contactos o conexiones conductoras de calor.In one embodiment, the heat storage medium may also comprise devices for loading and unloading the heat storage medium. The devices for loading and unloading the heat storage media may, for example, contain mechanical components and/or other components, such as, for example, conductive contacts or connections, in particular electrically conductive contacts or connections and/or contacts. or heat-conducting connections.
En una realización, el medio de almacenamiento de calor puede ser un almacén de corriente/calor que también comprende medios para convertir la corriente en calor, tales como elementos de calentamiento o alambres de resistencia o alambres de calentamiento. Como resultado, es posible una conversión de energía eléctrica en energía térmica. En este caso, estos medios pueden estar en contacto indirecto o directo con el medio de almacenamiento, por ejemplo, incrustado en este.In one embodiment, the heat storage means may be a current/heat store which also comprises means for converting current to heat, such as heating elements or resistance wires or heating wires. As a result, a conversion of electrical energy into thermal energy is possible. In this case, these media can be in indirect or direct contact with the storage medium, for example embedded in it.
En una fase de implementación, los medios de almacenamiento de calor pueden ser un almacenamiento de calor/corriente que comprende medios para la conversión de calor en corriente, tales como equipos para generar vapor o aire caliente, turbinas y generadores. Como resultado, es posible una conversión de calor en corriente. Los medios de almacenamiento de calor según la invención se pueden configurar para la cogeneración tanto por acoplamiento de energía/calor como también por acoplamiento de energía/calor/energía. En otras palabras, los medios de almacenamiento de calor según la invención se pueden usar para la cogeneración por un acoplamiento de energía/calor (o acoplamiento de corriente (energía)/calor) y también por un acoplamiento de energía/calor/energía (o acoplamiento de corriente (energía)/calor/corriente (energía)). Todas las propiedades y características necesarias para ello, tales como densidad p, conductividad térmica específica Cp, intervalo de temperatura de trabajo AT, conductividad térmica dentro de la sustancia A, capacidad de transmisión intrínseca de la energía térmica en el dispositivo de almacenamiento (difusividad térmica), porosidad, distribución del tamaño de grano o partícula, dureza y ductilidad simultáneamente alta, así como estabilidad química, pueden ser proporcionadas por el lodo rojo modificado según la invención debido a su composición química o su modificación debido a las tolerancias de fabricación.In an implementation phase, the heat storage means may be a heat/current storage comprising means for converting heat into current, such as equipment for generating steam or hot air, turbines and generators. As a result, a conversion of heat into current is possible. The heat storage media according to the invention can be configured for cogeneration both by energy/heat coupling and by energy/heat/energy coupling. In other words, the heat storage media according to the invention can be used for cogeneration by energy/heat coupling (or current (energy)/heat coupling) and also by energy/heat/energy coupling (or current (energy)/heat/current (energy) coupling). All the properties and characteristics necessary for this, such as density p, specific thermal conductivity Cp, working temperature range AT, thermal conductivity within substance A, intrinsic thermal energy transmission capacity in the storage device (thermal diffusivity ), porosity, grain or particle size distribution, simultaneously high hardness and ductility, as well as chemical stability, can be provided by the modified red mud according to the invention due to its chemical composition or its modification due to manufacturing tolerances.
Por lo tanto, el modo de acción de los medios de almacenamiento de calor se puede dividir en dos etapas:Therefore, the mode of action of heat storage media can be divided into two stages:
1a etapa: cogeneración por acoplamiento de energía/calor1st stage: cogeneration by energy/heat coupling
2a etapa: cogeneración por acoplamiento calor/energía.2nd stage: cogeneration by heat/energy coupling.
Ambas etapas se pueden utilizar en cada caso de forma independiente o en combinación como cogeneración por acoplamiento de energía/calor/energía.Both stages can be used in each case independently or in combination as energy/heat/energy coupling cogeneration.
La cogeneración por acoplamiento de energía/calor funciona con una eficacia del 95 al 100 %. Por lo tanto, el medio de almacenamiento de calor según la invención es un medio ideal para transmitir calor a sistemas que requieren calor, en otras palabras, es un transmisor de calor de un tipo ideal. Esto incluye, por ejemplo, edificios (sistemas de calefacción de suelos y paredes), también equipos técnicos de todo tipo, como calderas, hornos rotatorios, equipos de destilación, tuberías, máquinas de café y muchos más. La transferencia de calor (acoplamiento de energía/calor) a todos los sistemas de este tipo es más atractiva, ya que se utiliza un procedimiento con una eficacia del 95 -100%. Los sistemas de transferencia de calor utilizados actualmente suelen funcionar con una eficacia del 25 al 35 %. Por lo tanto, la cogeneración por acoplamiento de energía/calor reduce la demanda de energía y, por lo tanto, los costos de energía a aproximadamente 1/3. Así pues, se pueden ahorrar enormes cantidades de CO2 procedentes de la combustión de combustibles fósiles a escala mundial. Los medios de almacenamiento de calor para la cogeneración mediante acoplamiento de energía-calor pueden diseñarse de manera que, aparte del lado de transferencia de calor, todas las demás superficies estén aisladas térmicamente. Esto se aplica tanto a espacios como a superficies metálicas de equipos técnicos de todo tipo.Cogeneration by power/heat coupling works with an efficiency of 95 to 100%. Therefore, the heat storage medium according to the invention is an ideal medium for transmitting heat to heat-requiring systems, in other words, it is a heat transmitter of an ideal type. This includes, for example, buildings (floor and wall heating systems), also technical equipment of all kinds, such as boilers, rotary kilns, distillation equipment, pipes, coffee machines and many more. The heat transfer (energy/heat coupling) to all such systems is more attractive, since a procedure with an efficiency of 95-100% is used. Currently used heat transfer systems typically operate at 25-35% efficiency. Therefore, power/heat coupling cogeneration reduces the energy demand and, therefore, energy costs to about 1/3. Thus, huge amounts of CO2 can be saved from burning fossil fuels on a global scale. Heat storage media for heat-energy coupling cogeneration can be designed in such a way that, apart from the heat transfer side, all other surfaces are thermally insulated. This applies both to spaces and to metal surfaces of technical equipment of all kinds.
La invención se refiere además al uso de un lodo rojo modificado según la invención como medio de almacenamiento, en particular en un medio de almacenamiento de calor.The invention further relates to the use of a modified red mud according to the invention as a storage medium, in particular in a heat storage medium.
En una realización, el lodo rojo modificado se puede utilizar para almacenar calor a una temperatura de hasta 1000 °C, en particular a una temperatura de más de 100 °C hasta 1000 °C. No obstante, es posible el uso para el almacenamiento de calor a una temperatura superior a 80 °C, en particular a más de 90 °C. En una realización, el lodo rojo modificado se puede usar como medio de almacenamiento que se puede calentar y enfriar simultáneamente. De esta manera se proporciona un tipo de control, por medio del cual, por ejemplo, el medio de almacenamiento no se calienta por encima de 500 °C durante el funcionamiento, de modo que se puede evitar una inversión de cuarzo a (trigonal) a cuarzo 13 (hexagonal). Es decir, un calentamiento del medio de almacenamiento por encima de un valor umbral predeterminado, tal como por ejemplo 500 °C, se contrarresta emitiendo simultáneamente una cantidad correspondiente de calor a un medio diferente y el enfriamiento correspondiente. In one embodiment, the modified red mud can be used to store heat at a temperature of up to 1000°C, in particular at a temperature of over 100°C up to 1000°C. However, use for heat storage at a temperature above 80 °C, in particular above 90 °C, is possible. In one embodiment, the modified red mud can be used as a storage medium that can be heated and cooled simultaneously. In this way a kind of control is provided, by means of which, for example, the storage medium does not heat up above 500 °C during operation, so that a (trigonal) a quartz inversion can be avoided. quartz 13 (hex). That is, a heating of the storage medium above a predetermined threshold value, such as for example 500 °C, is counteracted by simultaneously emitting a corresponding amount of heat to a different medium and corresponding cooling.
Esta condición constituye un desarrollo revolucionario de las tecnologías de almacenamiento anteriores. En el pasado, todos los dispositivos de almacenamiento podían cargarse o descargarse (sucesivamente), como, por ejemplo, baterías o instalaciones de almacenamiento de bombeo o depósitos de energía/calor, en los que, en primer lugar, se genera aire caliente por medio de la corriente y a continuación se calientan las piedras (operación de carga). En la 2a etapa (operación de descarga) las piedras calientes calientan aire frío a aire caliente, que a continuación hace vapor de agua para accionar turbinas y generadores. Tanto en la operación de carga como en la operación de descarga, los intervalos de temperatura de aproximadamente 100 °C a, por ejemplo, 1000 °C o partes de estos son recorridos de lado a lado.This condition constitutes a revolutionary development of previous storage technologies. In the past, all storage devices could be charged or discharged (in succession), such as batteries or pumped storage facilities or energy/heat reservoirs, in which hot air is first generated by means of current and then the stones are heated (loading operation). In the 2nd stage (unloading operation) the hot stones heat cold air into hot air, which then makes steam to drive turbines and generators. In both the charging operation and the discharging operation, temperature ranges from about 100°C to, for example, 1000°C or parts thereof are traversed from side to side.
Un problema significativo en el procedimiento de 2 etapas descrito es la capacidad de expansión cúbica o la capacidad de contracción de las sustancias cristalinas contenidas en la sustancia de almacenamiento en los intervalos de temperatura que se ejecutan durante la carga y descarga. Dado que todas las sustancias contenidas tienen coeficientes de expansión diferentes en el intervalo de temperatura respectivo, la sustancia (por ejemplo, piedras naturales) se rompe sistemáticamente y, por lo tanto, se destruye, es decir, la resistencia al choque térmico y la estabilidad del ciclo térmico no se proporcionan en la medida necesaria.A significant problem in the described 2-stage process is the cubic expansion capacity or the contraction capacity of the crystalline substances contained in the storage substance in the temperature ranges that occur during loading and unloading. Since all contained substances have different expansion coefficients in the respective temperature range, the substance (eg natural stones) is systematically broken and thus destroyed, i.e. thermal shock resistance and stability. of the thermal cycle are not provided to the extent necessary.
Si la carga y descarga pueden tener lugar simultáneamente, ya no es necesario correr a través de intervalos de temperatura relativamente grandes. El funcionamiento del dispositivo de almacenamiento ahora puede tener lugar a una temperatura arbitraria y deseada, o dentro de un intervalo de temperatura estrecho. La energía suministrada durante la operación de carga se extrae en la misma medida durante la operación de descarga. En otras palabras: con una temperatura aproximadamente constante, el coeficiente de expansión permanece estable y no cambia. Por lo tanto, la fuerza destructiva de los coeficientes de expansión que cambian específicamente en cada sustancia contenida no ocurre. Se proporciona la resistencia al choque térmico y la estabilidad del ciclo térmico, es decir, los medios de almacenamiento de calor se pueden operar a largo plazo. Por ejemplo, si no se superan los 500 °C, no se producen descomposiciones aparte de las de hidróxidos, hidratos de óxido y carbonatos, y tampoco se producen procedimientos de sinterización, etc. La sustancia de almacenamiento permanece estable en todos los parámetros, y se omiten cambios tales como descomposiciones, transformaciones de fase, sinterización. La exclusión de la solución sódica cáustica libre o del carbonato sódico resultante de la carbonización impide que los óxidos alcalinos o alcalinotérreos influyan en la formación de especies químico-mineralógicas en los intervalos de temperatura que atraviesan. Sólo de esta manera pueden formarse sustancias claramente definidas con parámetros definidos en todos los aspectos. Por ejemplo, solo las siguientes sustancias están contenidas en la sustancia de almacenamiento según la invención: hematita, alfa-Al2O3, anatasa, rutilo, perovskita, cancrinita y cuarzo.If charging and discharging can take place simultaneously, it is no longer necessary to run through relatively large temperature ranges. Operation of the storage device can now take place at an arbitrary and desired temperature, or within a narrow temperature range. The energy supplied during the charging operation is extracted to the same extent during the discharging operation. In other words: with an approximately constant temperature, the coefficient of expansion remains stable and does not change. Therefore, the destructive force of the expansion coefficients that change specifically in each contained substance does not occur. The thermal shock resistance and thermal cycle stability are provided, that is, the heat storage media can be operated for a long time. For example, if 500 °C is not exceeded, no decompositions other than hydroxides, oxide hydrates, and carbonates occur, and sintering processes, etc. do not occur. The storage substance remains stable in all parameters, and changes such as decompositions, phase transformations, sintering are ignored. The exclusion of the free caustic sodium solution or of the sodium carbonate resulting from the carbonization prevents the alkali or alkaline earth oxides from influencing the formation of chemical-mineralogical species in the temperature ranges they cross. Only in this way can clearly defined substances be formed with defined parameters in all respects. For example, only the following substances are contained in the storage substance according to the invention: hematite, alpha-Al2O3, anatase, rutile, perovskite, cancrinite and quartz.
Si se producen cantidades máximas de corriente que deben almacenarse, el intervalo de temperatura de trabajo del dispositivo de almacenamiento debe ampliarse, por ejemplo, a 1000 °C, los componentes químico-mineralógicos del material de almacenamiento cambian (cf. Tabla 1 "residuo de bauxita de fase mineral"), la estabilidad del ciclo térmico y la resistencia al choque térmico se mantienen, ya que las operaciones de carga y descarga tienen lugar a una temperatura o en un intervalo de temperatura estrecho, es decir, la autodestrucción del dispositivo de almacenamiento inducida por el coeficiente de expansión no puede ocurrir.If maximum quantities of current to be stored occur, the working temperature range of the storage device must be extended, for example, at 1000 °C, the chemical-mineralogical components of the storage material change (cf. Table 1 "residue of mineral phase bauxite"), thermal cycle stability and thermal shock resistance are maintained, since loading and unloading operations take place at a narrow temperature or temperature range, i.e. self-destruction of the charging device. storage induced coefficient of expansion cannot occur.
En una realización, el lodo rojo modificado se puede usar como medio de almacenamiento en un almacén de corriente/calor. In one embodiment, the modified red mud can be used as a storage medium in a power/heat store.
En una realización, el medio de almacenamiento se puede calentar por medio de corriente eléctrica y/o enfriar mientras se genera corriente eléctrica.In one embodiment, the storage medium can be heated by means of electrical current and/or cooled while generating electrical current.
En una realización, el lodo rojo modificado se puede utilizar para el almacenamiento de energía eléctrica obtenida de fuentes de energía renovables. En el contexto de la presente solicitud, se puede entender que "fuentes de energía renovables" son, en particular, la energía eólica, la energía hidroeléctrica, la energía mareomotriz, la energía solar, la energía geotérmica y la biomasa, pero preferentemente las fuentes de energía renovables para las cuales la escala de tiempo se aleja en gran medida de la influencia humana y para las cuales, por lo tanto, es muy importante la posibilidad de un almacenamiento efectivo, como, en particular, la energía eólica, la energía mareomotriz y la energía solar.In one embodiment, the modified red mud can be used for the storage of electrical energy obtained from renewable energy sources. In the context of the present application, "renewable energy sources" can be understood to be, in particular, wind energy, hydroelectric energy, tidal energy, solar energy, geothermal energy and biomass, but preferably renewable sources. renewable energies for which the time scale is largely removed from human influence and for which the possibility of effective storage is therefore very important, such as, in particular, wind power, tidal power and solar energy.
En una realización, el almacenamiento de corriente/calor puede comprender cables de resistencia, que se calientan mediante corriente eléctrica y, por lo tanto, calientan el medio de almacenamiento.In one embodiment, the current/heat storage may comprise resistance wires, which are heated by electrical current and thus heat the storage medium.
En una realización, la energía térmica almacenada en el medio de almacenamiento se puede transferir a otro medio, preferentemente un medio fluido, y por lo tanto el medio de almacenamiento se puede enfriar (descargar), donde el otro medio o también el medio de intercambio de calor se selecciona en particular del grupo que consiste en agua, (vapor), sal fundida, tal como por ejemplo líquidos iónicos, y aceite o gas térmico.In one embodiment, the thermal energy stored in the storage medium can be transferred to another medium, preferably a fluid medium, and thus the storage medium can be cooled (discharged), where the other medium or also the exchange medium of heat is selected in particular from the group consisting of water, (steam), molten salt, such as for example ionic liquids, and thermal oil or gas.
El medio de almacenamiento puede tener el otro medio o medio de intercambio de calor que fluye a través de él, por ejemplo, a la manera de un intercambiador de calor. Una configuración correspondiente del medio de almacenamiento como un intercambiador de calor es posible debido a la al menos formabilidad libre inicial del medio de almacenamiento. En este caso, por ejemplo, se pueden proporcionar tuberías serpenteantes para los medios fluidos correspondientes en un elemento de medio de almacenamiento/elementos de medio de almacenamiento correspondientes. Por otro lado, sin embargo, los elementos del medio de almacenamiento con forma de bloques geométricos también se pueden disponer de modo que se produzca un sistema de tuberías correspondiente con una sección transversal rectangular, poligonal o redonda. Alternativamente, el otro medio o medio de intercambio de calor también podría fluir o barrer sobre bloques correspondientes del medio de almacenamiento cuando este otro medio o medio de intercambio de calor fluye sobre la o las superficies del medio de almacenamiento a una velocidad de flujo preseleccionable.The storage medium may have the other medium or heat exchange medium flowing through it, for example in the manner of a heat exchanger. A corresponding configuration of the storage medium as a heat exchanger is possible due to the at least initial free formability of the storage medium. In this case, for example, meandering pipes for the corresponding fluid media can be provided in a storage medium element/corresponding storage medium elements. On the other hand, however, the geometrically block-shaped storage medium elements can also be arranged so as to produce a corresponding pipe system with a rectangular, polygonal or round cross-section. Alternatively, the other medium or heat exchange medium could also flow or sweep over corresponding blocks of the storage medium when this other medium or heat exchange medium flows over the surface(s) of the storage medium at a preselectable flow rate.
En este caso, el control del enfriamiento (descarga) del medio de almacenamiento puede tener lugar, por ejemplo, mediante la temperatura y la velocidad de flujo del otro medio o medio de intercambio de calor. Como resultado, se puede evitar un calentamiento y/o enfriamiento del medio de almacenamiento por encima o por debajo de un valor umbral predeterminado.In this case, the control of the cooling (unloading) of the storage medium can take place, for example, by means of the temperature and the flow rate of the other medium or heat exchange medium. As a result, heating and/or cooling of the storage medium above or below a predetermined threshold value can be prevented.
En este caso, la generación de corriente eléctrica puede tener lugar, por ejemplo, por medio de turbinas de vapor o por medio de turbinas de gas, donde en este último caso el medio de almacenamiento podría, por ejemplo, asumir la función de la "cámara de combustión" para calentar el gas de trabajo. En este caso, el aire puede usarse como gas de trabajo.In this case, the generation of electric current can take place, for example, by means of steam turbines or by means of gas turbines, where in the latter case the storage medium could, for example, take over the function of the " combustion chamber" to heat the working gas. In this case, air can be used as the working gas.
En una realización, el medio de almacenamiento y un dispositivo de descarga pueden proporcionarse integralmente o como elementos separados. Aquí, por ejemplo, se pueden concebir instalaciones en las que los elementos de medio de almacenamiento, el dispositivo regulador y el conjunto de generación de corriente forman un sistema que, por ejemplo, está integrado e instalado en la región de un edificio con una instalación solar como conjunto cerrado. En una realización, el almacenamiento de corriente/calor se puede utilizar para el transporte de energía eléctrica después de que la cogeneración ha tenido lugar sin la presencia de sistemas de línea. A este respecto, por ejemplo, se podrían proporcionar elementos de medio de almacenamiento con una masa baja, por ejemplo, de tres a cinco kilogramos, que a continuación se pueden transportar en cajas de aislamiento térmico de forma segura y con baja pérdida de calor sobre secciones amplias. Una vez llegada al destino, la energía eléctrica puede a continuación recuperarse de nuevo de la energía térmica.In one embodiment, the storage medium and a download device may be provided integrally or as separate elements. Here, for example, installations can be conceived in which the storage medium elements, the regulating device and the current generation assembly form a system that, for example, is integrated and installed in the region of a building with an installation. solar as a closed set. In one embodiment, the current/heat storage can be used for the transport of electrical energy after cogeneration has taken place without the presence of line systems. In this connection, for example, storage medium elements with a low mass, for example three to five kilograms, could be provided, which can then be transported in thermally insulated boxes safely and with low heat loss on wide sections. Once arrived at the destination, the electrical energy can then be recovered again from the thermal energy.
En una realización, el almacén de corriente/calor puede generar corriente eléctrica nuevamente después de la cogeneración mediante acoplamiento de calor/corriente. En esta conexión se pueden usar turbinas de gas o vapor, pero también generadores termoeléctricos, basados en el efecto termoeléctrico o de Seebeck.In one embodiment, the current/heat store can generate electrical current again after cogeneration by means of heat/current coupling. In this connection, gas or steam turbines can be used, but also thermoelectric generators, based on the thermoelectric or Seebeck effect.
En una realización, el almacén de corriente/calor se puede usar para suministrar energía a consumidores de energía aislados. In one embodiment, the current/heat store can be used to supply power to isolated power consumers.
En una realización, a los consumidores de energía aislada se les puede suministrar energía térmica y energía eléctrica. Es decir, aquí es posible una operación llamada aislada, independientemente de una conexión a la red eléctrica.In one embodiment, the isolated power consumers can be supplied with thermal energy and electrical energy. In other words, a so-called isolated operation is possible here, regardless of a connection to the power grid.
En una realización, el almacén de corriente/calor se puede utilizar para suministrar energía a máquinas o dispositivos móviles tales como vehículos. Esto es adecuado, por ejemplo, para vehículos que tienen un accionamiento por turbina de gas, en el que el medio de trabajo se puede calentar por medio de un elemento de medio de almacenamiento.In one embodiment, the current/heat store can be used to power machines or mobile devices such as vehicles. This is suitable, for example, for vehicles that have a gas turbine drive, in which the working medium can be heated by means of a storage medium element.
Un medio de almacenamiento de calor que puede cargarse y descargarse simultáneamente es siempre, en el sentido de cogeneración por acoplamiento de energía/calor/energía, una planta de energía térmica que consiste en un generador de corriente como, por ejemplo, fuentes de energía renovables (y, por lo tanto, libres de CO2), un dispositivo de almacenamiento, una turbina y un generador.A heat storage medium that can be charged and discharged simultaneously is always, in the sense of energy/heat/energy coupling cogeneration, a thermal power plant consisting of a current generator such as renewable energy sources (and therefore free of CO2), a storage device, a turbine and a generator.
Sin embargo, un medio de almacenamiento de calor de este tipo también puede usarse en una forma ideal como intercambiador de calor con otros sistemas. En este caso se trata de cogeneración por acoplamiento de energía/calor, por ejemplo en el sector de la tecnología de los aparatos. Ya no es necesario que el calentamiento, por ejemplo, de calderas, hornos rotatorios o instalaciones técnicas de todo tipo tenga lugar, por ejemplo, con vapor o gases de combustión calientes, sino que es posible calentar la sustancia de almacenamiento, por ejemplo, mediante energía (corriente de EE) y transmitirla por contacto directo, por ejemplo, sobre metal, cerámica u otras sustancias. Dado que la eficacia de la cogeneración por acoplamiento de energía/calor es del 95 al 100 %, es posible el calentamiento de sistemas que tengan tasas de eficiencia similares. Estas ventajas reducirán significativamente los costes energéticos en el futuro y simplificarán las construcciones técnicas. Esto incluye, por ejemplo, el calentamiento de edificios por elementos que se pueden calentar y contienen el medio de almacenamiento.However, such a heat storage medium can also ideally be used as a heat exchanger with other systems. This is heat/energy coupling cogeneration, for example in the field of appliance technology. It is no longer necessary that heating, for example, of boilers, rotary kilns or technical installations of all kinds take place, for example, with steam or hot flue gases, but it is possible to heat the storage substance, for example, by means of energy (EE current) and transmit it by direct contact, for example, on metal, ceramic or other substances. Since the efficiency of power/heat coupling cogeneration is 95-100%, heating systems with similar efficiency rates is possible. These advantages will significantly reduce energy costs in the future and simplify technical constructions. This includes, for example, the heating of buildings by elements that can be heated and contain the storage medium.
Se describen otros objetos y ventajas de las realizaciones de la presente invención con referencia a la siguiente descripción detallada y los dibujos adjuntos.Other objects and advantages of embodiments of the present invention are described with reference to the following detailed description and accompanying drawings.
La Figura 1 muestra una distribución de tamaño de partícula de un residuo de bauxita convencional seco.Figure 1 shows a particle size distribution of dry conventional bauxite residue.
La Figura 2 muestra las características de densidad de una muestra de ensayo durante el calentamiento del lodo rojo desde 100 °C hasta 1000 °C en una atmósfera de oxígeno (O2) o nitrógeno (N2).Figure 2 shows the density characteristics of a test sample during heating of red mud from 100 °C to 1000 °C in an atmosphere of oxygen (O2) or nitrogen (N2).
La Figura 3 muestra una distribución del tamaño de partícula de un lodo rojo templado a 1000 °C según una realización ejemplar de la invención.Figure 3 shows a particle size distribution of a warm red mud at 1000°C according to an exemplary embodiment of the invention.
La Figura 4 es una representación gráfica de la serie de mediciones mostradas en la Tabla 3 para la capacidad térmica específica de ALFERROCK® según una realización ejemplar de la invención.Figure 4 is a graphical representation of the series of measurements shown in Table 3 for the specific heat capacity of ALFERROCK® according to an exemplary embodiment of the invention.
A continuación se describen detalles adicionales de la presente invención y realizaciones adicionales de la misma. Sin embargo, la presente invención no se limita a la siguiente descripción detallada, sino que sirve meramente para ilustrar la enseñanza según la invención.Additional details of the present invention and additional embodiments thereof are described below. However, the present invention is not limited to the following detailed description, but merely serves to illustrate the teaching according to the invention.
Cabe señalar que las características que se describen en relación con una realización ejemplar o un sujeto ejemplar se pueden combinar con cualquier otra realización ejemplar o con cualquier otro sujeto ejemplar. En particular, las características que se describen en relación con una realización ejemplar de un lodo rojo modificado según la invención se pueden combinar con cualquier otra realización ejemplar de un lodo rojo modificado según la invención, así como con cualquier realización ejemplar de un procedimiento para la producción de un lodo rojo modificado, de un medio de almacenamiento, de un medio de almacenamiento de calor y de usos de un lodo rojo modificado, y viceversa, a menos que se indique explícitamente lo contrario.It should be noted that the features that are described in connection with an exemplary embodiment or an exemplary subject may be combined with any other exemplary embodiment or with any other exemplary subject. In particular, the features described in relation to an exemplary embodiment of a modified red mud according to the invention may be combined with any other exemplary embodiment of a modified red mud according to the invention, as well as any exemplary embodiment of a method for production of a modified red mud, of a storage medium, of a heat storage medium and uses of a modified red mud, and vice versa, unless explicitly stated otherwise.
Si un término se designa con un artículo indefinido o definido, como por ejemplo "un", "una" y "el/la", en singular, esto también incluye el término en plural, y viceversa, siempre que el contexto no especifique lo contrario de forma inequívoca. La expresión "comprender" o "tener", tal como se usa en la presente, incluye no solo el significado de "contener" o "incluir", sino que también puede significar "consistir en" y "consistir sustancialmente en".If a term is designated by an indefinite or definite article, such as "a", "an" and "the", in the singular, this also includes the term in the plural, and vice versa, provided that the context does not specify this. unequivocally contrary. The term "comprise" or "have", as used herein, includes not only the meaning of "contain" or "include", but can also mean "consist of" and "substantially consist of".
Para los estudios realizados dentro del contexto de la presente invención, en primer lugar se caracterizó el material a estudiar a temperatura ambiente, y en particular se determinó la composición química así como la mineralógica. Además, este material se calentó lentamente a 1000 °C, y en este caso cada 100 °C se determinaron las fases mineralógicas, así como la densidad y la capacidad térmica específica. For the studies carried out within the context of the present invention, the material to be studied was first characterized at room temperature, and in particular the chemical and mineralogical composition was determined. In addition, this material was slowly heated to 1000 °C, and in this case every 100 °C the mineralogical phases were determined, as well as the density and specific heat capacity.
La caracterización del material a estudiar:The characterization of the material to be studied:
1. Composición química (típica para residuos de bauxita)1. Chemical composition (typical for bauxite waste)
• 10 a 50 % en peso de compuestos de hierro• 10 to 50% by weight of iron compounds
• 12 a 35 % en peso de compuestos de aluminio• 12 to 35% by weight of aluminum compounds
• 5 a 17 % en peso de compuestos de silicio• 5 to 17% by weight of silicon compounds
• 2 a 10 % en peso de dióxido de titanio• 2 to 10% by weight of titanium dioxide
• 0,5 a 6% en peso de compuestos de calcio• 0.5 to 6% by weight of calcium compounds
2. Composición mineralógica2. Mineralogical composition
En el estado inicial del estudio se determinaron radiográficamente las siguientes fases minerales:In the initial state of the study, the following mineral phases were determined radiographically:
• hematita• hematite
• goetita• goethite
• anatasa• anatase
• rutilo• rutile
• perovskita• perovskite
• boehmita• boehmite
• gibbsite• gibbsite
• cancrinita• cancrinite
• cuarzo• quartz
3. Tamaño de las partículas3. Particle size
Los diámetros de partícula (|jm) se muestran en la Figura 1. Según esto, la sustancia es muy fina y tiene 3 máximos. Con una buena distribución era de esperar que la sustancia tuviera una alta densidad, ya que los cristales muy finos pueden insertarse en cavidades en los cristales medios finos y estos últimos pueden insertarse en cavidades en los cristales más gruesos. La densidad medida de 3,63 (g/cm3) confirma esta evaluación.The particle diameters (|jm) are shown in Figure 1. According to this, the substance is very fine and has 3 maxima. With a good distribution it was expected that the substance would have a high density, since the very fine crystals can be inserted into cavities in the medium-fine crystals and the latter can be inserted into cavities in the coarser crystals. The measured density of 3.63 (g/cm 3 ) confirms this evaluation.
Mediante la adición de sustancias térmicamente estables y químicamente inertes con distribución arbitraria del tamaño de partícula, cualquier cavidad aún presente puede reducirse con un efecto sobre las características mecánicas, eléctricas y térmicas. Esto constituye una optimización adicional del mecanismo de almacenamiento en el contexto de la invención.By adding thermally stable and chemically inert substances with arbitrary particle size distribution, any cavities still present can be reduced with an effect on mechanical, electrical and thermal characteristics. This constitutes a further optimization of the storage mechanism in the context of the invention.
4. Realización de la prueba4. Carrying out the test
Las muestras de la sustancia de prueba se calentaron en etapas bajo oxígeno y bajo nitrógeno hasta 1.000 °C. Se tomaron muestras en cada caso a 100 °C, 200 °C, 300 °C, 400 °C, 500 °C, 600 °C, 700 °C, 800 °C, 900 °C y 1000 °C y se determinaron los cambios en la composición mineralógica así como la densidad.Samples of the test substance were heated in stages under oxygen and under nitrogen up to 1,000 °C. Samples were taken in each case at 100 °C, 200 °C, 300 °C, 400 °C, 500 °C, 600 °C, 700 °C, 800 °C, 900 °C and 1000 °C and the changes in mineralogical composition as well as density.
La capacidad térmica específica se midió en el intervalo de temperatura desde la temperatura ambiente (30,26 °C) hasta 584,20 °C.The specific heat capacity was measured in the temperature range from room temperature (30.26 °C) to 584.20 °C.
5. Interpretación de los resultados5. Interpretation of the results
5.1 Fases minerales5.1 Mineral phases
La composición mineralógica de la sustancia cambia según la temperatura (véase la Tabla 1 siguiente).The mineralogical composition of the substance changes according to temperature (see Table 1 below).
A aproximadamente 300 °C la gibbsita se descompone, a aproximadamente 400 °C la goetita se descompone y a aproximadamente 500 °C la boehmita se descompone. A 573 °C, el cuarzo alfa se transforma en cuarzo beta.At about 300 °C gibbsite decomposes, at about 400 °C goethite decomposes and at about 500 °C boehmite decomposes. At 573 °C, alpha quartz transforms into beta quartz.
Por encima de 600 °C, la emisión de CO2 de cancrinita Na6Ca2 [(AlSiO 4)6 tiene lugar sustancialmente a partir de hematita (Fe2O3) y corindón (AhOa) y, en proporciones más pequeñas, de TO 2, cancrinita y perovskita.Above 600 °C, CO2 emission from cancrinite Na6Ca2 [(AlSiO 4)6 occurs substantially from hematite (Fe2O3) and corundum (AhOa) and, in smaller proportions, from TO 2 , cancrinite and perovskite.
A 1000 °C, la cancrinita y las dos fases de TiO2 anatasa y rutilo se convierten en los minerales pseudobrookita [(Fe3+)2Ti]O5 y nefelina [(Na,K)[AlSiO4]. At 1000 °C, cancrinite and the two TiO2 phases anatase and rutile convert to the minerals pseudobrookite [(Fe3+)2Ti]O 5 and nepheline [(Na,K)[AlSiO4].
Tabla 1: Fases minerales residuo de bauxita (densidad aparente 0,944 g/cm3)Table 1: Bauxite residue mineral phases (apparent density 0.944 g/cm3)
T[°C] Fases minerales Residuo de bauxita GEA Densidad T[°C] Mineral phases Bauxite residue GEA Density
100 Hematita, goetita, anatasa, rutilo, perovskita, boehmita, gibbsita, 100 Hematite, Goethite, Anatase, Rutile, Perovskite, Boehmite, Gibbsite,
cancrinita, cuarzo 3,63 cancrinite, quartz 3.63
200 Hematita, goetita, anatasa, rutilo, perovskita, boehmita, gibbsita, 200 Hematite, Goethite, Anatase, Rutile, Perovskite, Boehmite, Gibbsite,
cancrinita, cuarzo 3,64 cancrinite, quartz 3.64
300 Hematita, goethita, anatasa, rutilo, perovskita, boehmita, 3,74 cancrinita, cuarzo, a-Al2O3 300 Hematite, Goethite, Anatase, Rutile, Perovskite, Boehmite, 3.74 Cancrinite, Quartz, a-Al2O3
400 400 Hematita, goethita, anatasa, rutilo, perovskita, boehmhematite, goethite, anatase, rutile, perovskite, boehm
cancrinita, cuarzo, a-Al2O3 ita, 3,81 cancrinite, quartz, a-Al2O3 ite, 3.81
500 500 Hematita, anatasa, rutilo, perovskita, boehmita, cancrinitaHematite, anatase, rutile, perovskite, boehmite, cancrinite
cuarzo, a-Al2O3 , 3,81 quartz, a-Al2O3 , 3.81
600 hematita, anatasa, rutilo, perovskita, cancrinita, cuarzo, a-AhO3 3,89 600 hematite, anatase, rutile, perovskite, cancrinite, quartz, a-AhO3 3.89
700 hematita, anatasa, rutilo, perovskita, cancrinita, cuarzo, a-AhO3 3,60 700 hematite, anatase, rutile, perovskite, cancrinite, quartz, a-AhO3 3.60
800 hematita, anatasa, rutilo, perovskita, cancrinita, cuarzo, a-AhO3 3,71 800 hematite, anatase, rutile, perovskite, cancrinite, quartz, a-AhO3 3.71
900 hematita, anatasa, rutilo, perovskita, cancrinita, cuarzo, a-AhO3 3,73 900 hematite, anatase, rutile, perovskite, cancrinite, quartz, a-AhO3 3.73
1000 hematita;, anatasa, rutilo, perovskita, cuarzo, a-Al2O3, nefelina, 1000 hematite;, anatase, rutile, perovskite, quartz, a-Al2O3, nepheline,
pseudobrookita 3,93 pseudobrookite 3.93
5.2 Densidad5.2 Density
Como se puede ver en la Figura 2, la densidad se desarrolla en función de la temperatura de 3,63 (g/cm3) a 100 °C a 3,93 (g/m3) a 1000 °C. La descomposición de las fases minerales con la eliminación del agua y el CO2, así como los procedimientos de sinterización, reducen la densidad entre 600 °C y 700 °C, para a continuación llegar a 1.000 °C para volver a elevarse a un valor de 3,93 (g/cm3).As can be seen in Figure 2, the density develops as a function of temperature from 3.63 (g/cm3) at 100°C to 3.93 (g/m3) at 1000°C. The decomposition of the mineral phases with the elimination of water and CO2, as well as the sintering procedures, reduce the density between 600 °C and 700 °C, to then reach 1,000 °C to rise again to a value of 3.93 (g/cm3).
Para aplicaciones en el intervalo térmico sólo es posible utilizar sustancias que sean estables como cuerpos y que en los respectivos intervalos de temperatura arbitrarios no eliminen ningún otro gas como H2O o CO2 y tampoco se sometan a ningún otro procedimiento de sinterización. Óxidos tales como Fe2O3, A^O3, TO2 o SO2 apenas cambian significativamente en caso de aumentos de temperatura. Una característica significativa se revela por el hecho de que la densidad de la sustancia calentada a 1000 ° C permaneció constante durante la constante de enfriamiento, por ejemplo, no se produjeron rehidrataciones.For applications in the thermal range, it is only possible to use substances that are stable as bodies and that in the respective arbitrary temperature ranges do not give off any other gases such as H 2 O or CO 2 and do not undergo any other sintering processes. Oxides such as Fe2O3, A^O3, TO2 or SO2 hardly change significantly in case of temperature increases. A significant feature is revealed by the fact that the density of the substance heated to 1000 °C remained constant during the constant cooling, i.e. no rehydrations occurred.
5.3 Tamaño de partícula5.3 Particle size
El templado de la sustancia según la invención hasta temperaturas de 1000 °C cambia los diámetros de las partículas a valores significativamente más altos, por ejemplo, por descomposición de hidróxidos, hidratos de óxido o carbonatos y por procedimientos de sinterización (cf. Figura 3). Así, por ejemplo •Tempering of the substance according to the invention up to temperatures of 1000 °C changes the particle diameters to significantly higher values, for example by decomposition of hydroxides, oxide hydrates or carbonates and by sintering processes (cf. Figure 3). . For example •
• los valores de d-iü crecen de 0,074 pm a 1,341 pm• d-iü values grow from 0.074 pm to 1.341 pm
• los valores de d50 crecen de 0,261 pm a 6,743 pm• d50 values grow from 0.261 pm to 6.743 pm
• los valores de dg0 crecen de 1,692 pm a 28,17 pm• dg0 values grow from 1.692 pm to 28.17 pm
5.4 Capacidad térmica específica5.4 Specific heat capacity
La capacidad térmica específica de las sustancias es una función de la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, también aumenta la capacidad térmica específica. La siguiente Tabla 2 muestra los ejemplos correspondientes. The specific heat capacity of substances is a function of temperature. As the temperature increases, the specific heat capacity also increases. The following Table 2 shows the corresponding examples.
Tabla 2: Ca acidad térmica es ecífica a diferentes tem eraturas:Table 2: Specific thermal capacity at different temperatures:
En las mezclas, la capacidad térmica específica es la suma de las capacidades térmicas específicas de los componentes respectivos de las mezclas.In mixtures, the specific heat capacity is the sum of the specific heat capacities of the respective components of the mixtures.
La caracterización de la sustancia proporcionada muestra una mezcla de diferentes sustancias minerales. Durante el templado, partes de las sustancias se descomponen y, por ejemplo, eliminan el agua o el CO2 con la formación de óxidos u otras fases minerales químicamente estables. Además, se llevan a cabo procedimientos de sinterización. Los resultados de la medición de estas sustancias muestran un valor de 0,791 (kJ/(kg * K)) a 30 °C y un valor de 1,037 a 584 °C. A 1.000 °C se puede suponer un valor de 1,14-1,18 por extrapolación (cf. Fig. 4).The characterization of the provided substance shows a mixture of different mineral substances. During quenching, parts of the substances decompose and, for example, remove water or CO2 with the formation of oxides or other chemically stable mineral phases. In addition, sintering procedures are carried out. The measurement results of these substances show a value of 0.791 (kJ/(kg * K)) at 30 °C and a value of 1.037 at 584 °C. At 1,000 °C a value of 1.14-1.18 can be assumed by extrapolation (cf. Fig. 4).
Tabla 3: Serie de mediciones de ca acidad térmica es ecífica ALFERROCK®Table 3: ALFERROCK® Specific Thermal Capacity Measurement Series
Durante el enfriamiento de la sustancia calentada a 1000 °C, los valores de Cp vuelven a los valores que corresponden a las temperaturas respectivas. Sin embargo, dado que la sustancia de partida ha cambiado debido a las descomposiciones de las fases minerales y a la formación de otras sustancias y que también se han producido procedimientos de sinterización, después del enfriamiento la sustancia tendrá valores diferentes de la capacidad térmica específica de la sustancia de partida. Es importante establecer que, después del templado, está disponible una sustancia estable, que puede calentarse y enfriarse con cualquier frecuencia y que en este caso no experimenta ningún cambio adicional en las sustancias individuales en la mezcla. Como ya se ha mencionado, esto también se aplica a la densidad.During the cooling of the substance heated to 1000 °C, the values of Cp return to the values that correspond to the respective temperatures. However, since the starting substance has changed due to the decompositions of mineral phases and the formation of other substances and sintering processes have also occurred, after cooling the substance will have different values of the specific heat capacity of the starting substance. starting substance. It is important to establish that, after quenching, a stable substance is available, which can be heated and cooled at any frequency and which in this case does not undergo any further change in the individual substances in the mixture. As already mentioned, this also applies to density.
5.5 Conductividad térmica específica5.5 Specific thermal conductivity
La conductividad térmica de un sistema es, entre otras cosas, una función de parámetros tales como presión, temperatura, composición mineralógica, porosidad, densidad, etc.The thermal conductivity of a system is, among other things, a function of parameters such as pressure, temperature, mineralogical composition, porosity, density, etc.
Como se describe, todos los componentes térmicamente inestables se han descompuesto por calentamiento de la sustancia proporcionada. Después del templado se produce una sustancia que consiste en corindón (A^Oa), hematita (Fe2O3), rutilo y anatasa (TO2), así como sustancias ignífugas como pseudobrookita [(Fe3+)2Ti]O5 o nefelina [(Na,K)[AlSiO4As described, all thermally unstable components have been decomposed by heating of the given substance. After tempering a substance is produced consisting of corundum (A^Oa), hematite (Fe2O3), rutile and anatase (TO2), as well as flame retardants such as pseudobrookite [(Fe3+)2Ti]O5 or nepheline [(Na,K) [AlSiO4
En la siguiente Tabla 4 se muestran los valores de la conductividad térmica y densidad de aquellas sustancias que constituyen los componentes más importantes de la sustancia templada.The following Table 4 shows the values of the thermal conductivity and density of those substances that constitute the most important components of the tempered substance.
Tabla 4: Conductividad térmica densidad de los com onentes individualesTable 4: Thermal conductivity density of individual components
Durante el procedimiento de templado, el diámetro de las partículas de las sustancias producidas ha aumentado significativamente y, en este caso, la superficie ha disminuido. Por lo tanto, dentro de los cristales primarios, la conductividad también aumentó a los valores que se establecen en la Tabla 4. En principio, en las mezclas de cristales, los fonones se reflejan en los límites del cristal con una reducción simultánea de la conductividad térmica, es decir, existe una relación causal entre las estructuras cristalinas y la conductividad térmica de una sustancia. El aire todavía está contenido en la mezcla de sustancias y, como mal conductor del calor, disminuye la conductividad térmica medida. Para evitar este efecto, son posibles diferentes procedimientos, incluida, por ejemplo, la aplicación de presión, es decir, presionar la sustancia para formar cuerpos sólidos. During the quenching process, the particle diameter of the produced substances has increased significantly, and in this case, the surface area has decreased. Therefore, within the primary crystals, the conductivity also increased to the values that are stated in Table 4. In principle, in crystal mixtures, phonons are reflected at the crystal boundaries with a simultaneous reduction in conductivity. thermal, that is, there is a causal relationship between crystal structures and the thermal conductivity of a substance. Air is still contained in the substance mixture and, as a poor conductor of heat, lowers the measured thermal conductivity. To avoid this effect, different procedures are possible, including, for example, the application of pressure, ie pressing the substance to form solid bodies.
Además, se pueden añadir sustancias, que evitan las inclusiones de aire entre los cristalitos o en la superficie de los cristalitos y, por lo tanto, permiten la producción de bloques de sustancias sólidas.In addition, substances can be added, which prevent air inclusions between the crystallites or on the surface of the crystallites and thus allow the production of blocks of solid substances.
Estos incluyen, por ejemplo:These include, for example:
• coloides metálicos• metal colloids
• polvo metálico• metallic powder
• grafito• graphite
• sustancias pirolizantes sinterizables basadas en Si• Si-based sinterable pyrolyzing substances
Además de la adición de dichas sustancias, también se puede utilizar presión y energía térmica.In addition to the addition of said substances, pressure and thermal energy can also be used.
Es crucial ser capaz de producir buenos bloques de sustancias conductoras del calor. Para el uso de la sustancia obtenida después del templado como medio de almacenamiento de calor, una buena conductividad térmica, en particular la prevención de inclusiones de aire, es significativa para la operación de carga (calentamiento de la sustancia) y para la operación de descarga (transferencia del calor almacenado a sistemas que, por ejemplo, generan vapor).It is crucial to be able to produce good building blocks of heat-conducting substances. For the use of the substance obtained after quenching as a heat storage medium, a good thermal conductivity, in particular the prevention of air inclusions, is significant for the charging operation (heating of the substance) and for the discharging operation (transfer of stored heat to systems that, for example, generate steam).
Ejemplo:Example:
Una mezcla de la sustancia proporcionada que consiste en sustancia sin templar y sustancia templada hasta 1000 °C en una proporción de 1:1 se modifica en la superficie con PDMS al 5 % (prepolímero de polidimetilsiloxano) y se introduce en una amasadora BUSS o en una extrusora de doble tornillo corrotativa. La máquina de composición tiene una temperatura de alojamiento de 135 °C y desgasificación máxima al vacío. El par se establece en 65 - 85 % del máximo. El material se retira por medio de un transportador de enfriamiento.A mixture of the provided substance consisting of untempered substance and substance tempered up to 1000 °C in a ratio of 1:1 is surface-modified with 5% PDMS (polydimethylsiloxane prepolymer) and introduced into a BUSS kneader or a co-rotating twin screw extruder. The compounding machine has a housing temperature of 135°C and maximum vacuum degassing. Torque is set to 65 - 85% of maximum. The material is removed by means of a cooling conveyor.
El producto resultante, libre de agua y aire, se introduce en el recipiente aislado y se comprime mecánicamente. A continuación, la temperatura se aumenta lentamente a 1.000 °C y, por lo tanto, el medio de almacenamiento de calor se prepara para su funcionamiento. En lugar de PDMS, se pueden usar otras sustancias, como polvos metálicos, grafito o soluciones salinas.The resulting product, free of water and air, is introduced into the insulated container and mechanically compressed. The temperature is then slowly increased to 1,000 °C, and thus the heat storage medium is prepared for operation. Instead of PDMS, other substances can be used, such as metal powders, graphite or salt solutions.
6. Resumen 6 . Resume
Después del lavado o la neutralización, se utiliza como material de partida el residuo de bauxita/lodo rojo, que en gran medida está libre de álcalis y tierras alcalinas. El objetivo es obtener estructuras de sustancias simples y claramente definidas con parámetros claros incluso después del templado a, por ejemplo, 1000 °C o temperaturas más altas.After washing or neutralization, bauxite/red mud residue, which is largely free of alkalis and alkaline earths, is used as starting material. The goal is to obtain simple and clearly defined substance structures with clear parameters even after tempering at, for example, 1000 °C or higher temperatures.
Durante el templado hasta temperaturas de 1.000 °C, todos los componentes de la mezcla de sustancias que son inestables en este intervalo de temperaturas se descomponen. Estos incluyen gibbsita, goethita, boehmita, así como cancrinita y las fases TiO2 que, donde aplicable, forman pseudobrookita [(Fe3+)2Ti]O5 y nefelina [(Na,K) (AlSiO4)] a 1000 °C.During tempering up to temperatures of 1,000 °C, all components of the substance mixture that are unstable in this temperature range decompose. These include gibbsite, goethite, boehmite, as well as cancrinite and the TiO2 phases which, where applicable, form pseudobrookite [(Fe3+)2Ti]O5 and nepheline [(Na,K) (AlSiO4)] at 1000 °C.
Después del enfriamiento, se formó una mezcla de sustancias, que consiste en óxidos tales como Al2O3, Fe2O3, TiO2, SiO2 y opcionalmente sustancias que son resistentes a altas temperaturas, tales como pseudobrookita y nefelina, que no mostraron ningún cambio adicional después de un templado renovado a 1000 °C.After cooling, a mixture of substances was formed, consisting of oxides such as Al2O3, Fe2O3, TiO2, SiO2 and optionally substances that are resistant to high temperatures, such as pseudobrookite and nepheline, which did not show any further changes after quenching. renewed at 1000 °C.
Con el cambio mencionado anteriormente en la composición del material, la densidad también cambió de 3,63 (g/cm3 ) a temperatura ambiente para 3,93 (g/cm3 ) a 1.000 °C. Esta operación esperada fue acompañada adicionalmente por efectos de sinterización. Durante el enfriamiento de la mezcla de sustancias templada a 1000 °C, la densidad alcanzada a 1000 °C permanece sin cambios, ya que la densidad de óxidos como AhO3, Fe2O3, así como TO 2 y SO2 no cambia en los intervalos de temperatura entre 25 °C y 1000 °C.With the aforementioned change in the composition of the material, the density also changed from 3.63 (g/cm3) at room temperature to 3.93 (g/cm3) at 1,000 °C. This expected operation was further accompanied by sintering effects. During cooling of the tempered substance mixture at 1000 °C, the density reached at 1000 °C remains unchanged, since the density of oxides such as AhO3, Fe2O3, as well as TO 2 and SO2 does not change in the temperature ranges between 25°C and 1000°C.
Estos efectos de sinterización y la descomposición de las fases minerales han llevado a un aumento del diámetro de las partículas en la mezcla de sustancias. Mientras que antes del templado, por ejemplo, d50 = 0,261 pm y dg0 = 1,692 pm aplicados, después del templado se pudieron medir los siguientes valores: d50 = 6,743 pm y dg0 = 28,17 pm. La ampliación de las partículas significa una reducción de la superficie y una mejor conductividad térmica. El contenido de aire (mal conductor de calor) se redujo mentre los cristalitos muy pequeños.These sintering effects and the decomposition of the mineral phases have led to an increase in the diameter of the particles in the mixture of substances. While before quenching, for example, d50 = 0.261 pm and dg0 = 1.692 pm applied, after quenching the following values could be measured: d50 = 6.743 pm and dg0 = 28.17 pm. The enlargement of the particles means a reduction in surface area and better thermal conductivity. The air content (bad conductor of heat) was reduced between the very small crystallites.
El estudio de la capacidad térmica específica de la sustancia caracterizada mostró un aumento en la capacidad térmica específica de 0,79 (kJ/(kg K)) a 25 °C para 1,037 (kJ/(kg K)) a 600 °C. A 1000 °C se espera un valor de 1,14 1,18 (kJ/(kg K)) por extrapolación.The study of the specific thermal capacity of the characterized substance showed an increase in the specific thermal capacity from 0.79 (kJ/(kg K)) at 25 °C to 1.037 (kJ/(kg K)) at 600 °C. At 1000 °C a value of 1.14 1.18 (kJ/(kg K)) by extrapolation.
Dado que, como ya se ha dicho, la densidad también ha aumentado, el producto de la densidad y la capacidad térmica específica, como criterio crucial para las aplicaciones como medios de almacenamiento de calor, alcanza valores superiores al del agua. El agua tiene una densidad a 20 °C de 998,2 (kg/m3) y una capacidad térmica específica excepcional de 4,182 (kJ/(kg K). Esto resulta en una capacidad térmica volumétrica de 4175 (kJ/m 3 K). Por otro lado, la sustancia proporcionada tiene una densidad de 3890 (kg/m3) y una capacidad térmica específica de 1,037 ((kJ/kg K)) y, por lo tanto, una capacidad térmica volumétrica de 4,034 (kJ/(m3 K)) a aproximadamente 600 °C. A 1000 °C se producen valores para una densidad de 3.930 (kg/m3) y una cp de 1,16 (kJ/(kg K)). Así la capacidad térmica volumétrica alcanza un valor de 4,559 (kJ/(m3 K)). Este valor excede significativamente el valor del agua. Una diferencia sustancial entre el agua y la sustancia especificada es la temperatura a la que pueden operar los medios de almacenamiento. Si bien el agua funciona idealmente en intervalos de temperatura entre 40 °C y 90 °C, es decir, tiene un AT de 50 °C, la sustancia proporcionada puede funcionar en el intervalo de temperatura de hasta 1000 °C, es decir, la sustancia puede evaporar el agua por encima de una temperatura de 100 °C y, por lo tanto, puede funcionar con un AT de 900 °C. Por esta razón, la sustancia suministrada puede almacenar entre 15 y 20 veces más calor que el agua (según el volumen).Since, as already mentioned, the density has also increased, the product of density and specific heat capacity, as a crucial criterion for applications as heat storage media, reaches values higher than that of water. Water has a density at 20 °C of 998.2 (kg/m3) and an exceptional specific heat capacity of 4.182 (kJ/(kg K). This results in a volumetric heat capacity of 4175 (kJ/m 3 K) On the other hand, the given substance has a density of 3890 (kg/m3) and a specific heat capacity of 1.037 ((kJ/kg K)) and therefore a volumetric heat capacity of 4.034 (kJ/(m3 K)) at approx. of 4,559 (kJ/(m3 K)). This value significantly exceeds the value for water. A substantial difference between water and the specified substance is the temperature at which the storage media can operate. While water ideally works in temperature ranges between 40 °C and 90 °C, i.e. it has an AT of 50 °C, the given substance can function in the temperature range up to 1000 °C, that is That is, the substance can evaporate water above a temperature of 100 °C and therefore can work with an AT of 900 °C. For this reason, the supplied substance can store 15 to 20 times more heat than water (depending on volume).
En los medios de almacenamiento, el coeficiente de conductividad térmica es más importante para la operación de carga (calentamiento del dispositivo de almacenamiento) que para la operación de descarga. La conductividad térmica de los óxidos contenidos sustancialmente en la sustancia está entre 3 y 35 (W/(m K). Lo que es crucial para los medios de almacenamiento de calor es la necesidad de poder compactar la sustancia utilizada como medio de almacenamiento para formar bloques sólidos en los que la energía térmica pueda fluir de manera óptima, es decir, desde el elemento de calentamiento hacia la sustancia de almacenamiento, dentro de la sustancia de almacenamiento y desde la sustancia de almacenamiento hacia los sistemas que consumen energía térmica. A este respecto, es ventajoso que se eliminen los gases que conducen mal el calor dentro de la sustancia o en la superficie de la sustancia. Además de las aplicaciones de presión, se pueden agregar sustancias mediante las cuales los cristales primarios se "pegan". Estos incluyen, por ejemplo, coloides metálicos, polvo metálico, grafito, sustancias pirolizantes sinterizables que contienen Si. Por encima de todo, también es crucial que en el procedimiento de templado de la sustancia proporcionada se descompongan hasta 1000 °C todas las sustancias inestables y, por lo tanto, se ponga a disposición una sustancia de almacenamiento predominantemente oxidada y térmicamente estable que se pueda calentar y enfriar con cualquier frecuencia sin generar gases como H2O o CO2, que pueden destruir el bloque de almacenamiento.In storage media, the coefficient of thermal conductivity is more important for the charging operation (heating of the storage device) than for the discharging operation. The thermal conductivity of the oxides substantially contained in the substance is between 3 and 35 (W/(m K). What is crucial for heat storage media is the need to be able to compact the substance used as storage medium to form solid blocks in which thermal energy can flow optimally, i.e. from the heating element to the storage substance, within the storage substance and from the storage substance to systems that consume thermal energy. In this regard, it is advantageous if gases that conduct heat poorly within the substance or on the surface of the substance are removed. In addition to pressure applications, substances can be added by which the primary crystals "glue together". These include , for example, metal colloids, metal powder, graphite, Si-containing sinterable pyrolyzing substances.Above all, it is also crucial that in e The tempering process of the supplied substance decomposes all unstable substances up to 1000 °C and thus makes available a predominantly oxidized and thermally stable storage substance that can be heated and cooled at any frequency without generating gases such as H2O or CO2, which can destroy the storage block.
La carga y descarga de los medios de almacenamiento de calor tienen lugar simultáneamente a una temperatura arbitraria o en un intervalo de temperatura estrecho. Como resultado, se evita un cambio permanente en los coeficientes de expansión térmica y el comportamiento de choque térmico y el comportamiento de ciclo térmico se estabilizan en el sentido de una expectativa de larga vida útil del dispositivo de almacenamiento de energía.The charging and discharging of the heat storage media take place simultaneously at an arbitrary temperature or in a narrow temperature range. As a result, a permanent change in the thermal expansion coefficients is avoided and the thermal shock behavior and thermal cycling behavior are stabilized in the sense of a long life expectancy of the energy storage device.
Uso de la sustancia proporcionada como material de almacenamiento para medios de almacenamiento de calor a alta temperaturaUse of the supplied substance as a storage material for high temperature heat storage media
El sistema de almacenamientoThe storage system
Tanto el agua como las sustancias sólidas (por ejemplo, la sustancia descrita anteriormente) pertenecen a los sistemas sensibles de almacenamiento de calor (sensibles, porque el calor del dispositivo de almacenamiento es perceptible).Both water and solid substances (for example, the substance described above) belong to sensitive heat storage systems (sensitive, because the heat from the storage device is perceptible).
Los medios de almacenamiento de calor se pueden calentar mediante acoplamiento de fuerza/calor mediante energía eléctrica de parques eólicos o instalaciones solares. En el aire en calma o en la oscuridad, estos medios de almacenamiento de calor pueden, por ejemplo, generar vapor que impulsa turbinas que, a su vez, generan energía eléctrica (cogeneración por acoplamiento calor/fuerza) mediante generadores conectados corriente abajo. Por lo tanto, el medio de almacenamiento de calor asume el papel de generador de emergencia o, en gran escala, de "plantas de energía de reemplazo". Si este procedimiento es exitoso, los sistemas de líneas de energía también pueden diseñarse de manera simple y efectiva.The heat storage media can be heated by power/heat coupling by electrical energy from wind farms or solar installations. In still air or in the dark, these heat storage media can, for example, generate steam that drives turbines which, in turn, generate electrical energy (heat/power coupled cogeneration) by downstream generators. Therefore, the heat storage medium assumes the role of emergency generator or, on a large scale, of "replacement power plants". If this procedure is successful, power line systems can also be designed simply and effectively.
Los requisitos para los acumuladores de energía se establecen a continuación:The requirements for energy accumulators are set out below:
• Alta densidad de energía• High energy density
• Alta densidad de potencia• High power density
• Bajo consumo acumulado de energía • Low accumulated energy consumption
• Pérdidas bajas• Low losses
• Baja autodescarga• Low self-discharge
• Larga vida útil del ciclo• Long cycle life
• Larga vida útil• Long useful life
• Bajos costes de inversión• Low investment costs
• Bajos costes operativos• Low operating costs
La sustancia proporcionada cumple con los requisitos establecidos en amplia medida.The provided substance meets the stated requirements to a large extent.
La sustancia esThe substance is
• inorgánica• inorganic
• segura• safe
• con una larga vida útil• with a long service life
• reciclable• recyclable
• disponible en cantidades muy grandes• available in very large quantities
• muy económica• very economical
• funciona en el intervalo de temperatura de hasta 1.000 °C• works in the temperature range up to 1,000 °C
• se puede cargar y descargar simultáneamente• can be loaded and unloaded simultaneously
• se puede fabricar con facilidad.• can be easily manufactured.
En particular, el hecho de que, como medio de almacenamiento sensible a altas temperaturas, la sustancia proporcionada pueda cargarse y descargarse simultáneamente permite operar una central de energía de almacenamiento controlable y en funcionamiento permanente. De esta manera, se pueden compensar las deficiencias de generación de energía o se pueden satisfacer demandas más altas.In particular, the fact that, as a high-temperature-sensitive storage medium, the provided substance can be simultaneously charged and discharged, enables a continuously operating and controllable storage power plant to be operated. In this way, power generation deficiencies can be compensated or higher demands can be met.
Además, los medios de almacenamiento de calor pueden utilizarse, en particular, para parques eólicos o solares, lo que hace que la energía generada allí sea capaz de proporcionar energía de base como "solución global".In addition, the heat storage media can be used, in particular, for wind or solar farms, which makes the energy generated there capable of providing base power as a "global solution".
Además, se pueden utilizar pequeños conjuntos de almacenamiento de calor, por ejemplo, para una fuente de energía completa, por ejemplo, para edificios residenciales. Estos pequeños conjuntos son calentados, por ejemplo, por fuentes de energía renovables y, a continuación, se utilizan como reemplazo rutinario para el suministro completo de energía, es decir, suministro de energía térmica y electricidad, para edificios residenciales.In addition, small heat storage assemblies can be used, for example, for a complete energy source, for example, for residential buildings. These small assemblies are heated, for example, by renewable energy sources, and are then used as a routine replacement for the full power supply, ie thermal power and electricity supply, for residential buildings.
Además, se pueden utilizar pequeños conjuntos de almacenamiento de calor en máquinas de todo tipo para el suministro de energía.In addition, small heat storage assemblies can be used in machines of all kinds for power supply.
Además, después de la cogeneración, la energía eléctrica se puede hacer "transportable" en forma de medios de almacenamiento de calor sin sistemas de líneas.Furthermore, after cogeneration, electrical energy can be made "transportable" in the form of heat storage media without line systems.
Los vehículos también pueden ser alimentados de esta manera. Después de que se ha producido la cogeneración por acoplamiento de calor/energía, los medios de almacenamiento de calor que se reemplazan regularmente como baterías pueden operar motores eléctricos, en comparación con las baterías de litio.Vehicles can also be powered this way. After heat/power coupling cogeneration has occurred, regularly replaced heat storage media such as batteries can operate electric motors, compared to lithium batteries.
El equipo para la conversión de calor en energía eléctrica puede proporcionarse como un componente integral del dispositivo de almacenamiento o en conjuntos que son independientes del mismo.The equipment for the conversion of heat into electrical energy may be provided as an integral component of the storage device or in assemblies that are independent of it.
EjemploExample
La sustancia suministrada es una torta de filtración que, en primer lugar, debe someterse a un tratamiento térmico, es decir, debe calentarse lentamente hasta 1.000 °C. En este caso, primero se evapora el contenido de agua de la torta de filtración, a continuación se calcinan hasta 1.000 °C todos los minerales que son inestables en el intervalo de altas temperaturas. A continuación, la sustancia consiste solo en óxidos, así como en fases inorgánicas estables como la nefelina u otras. Esta sustancia se enfría y forma la masa de almacenamiento.The supplied substance is a filter cake that must first undergo a heat treatment, ie it must be slowly heated up to 1,000 °C. In this case, the water content of the filter cake is first evaporated, then all minerals that are unstable in the high-temperature range are calcined up to 1,000 °C. Next, the substance consists only of oxides, as well as stable inorganic phases such as nepheline or others. This substance cools and forms the storage mass.
La carga (es decir, el calentamiento) de la masa de almacenamiento se lleva a cabo directamente mediante cables de resistencia incrustados o elementos de calentamiento, es decir, cables de resistencia en manguitos de cerámica u otros sistemas. Mediante dispositivos de control correspondientes, la masa de almacenamiento se puede ajustar constantemente a temperaturas arbitrarias.Loading (ie heating) of the storage mass is carried out directly by embedded resistance wires or heating elements, ie resistance wires in ceramic sleeves or other systems. By means of corresponding control devices, the storage mass can be constantly adjusted to arbitrary temperatures.
La descarga se realiza por medio de una circulación de agua que pasa a través de la masa de almacenamiento en un punto adecuado y óptimo del intervalo de temperatura/presión de vapor. El agua se evapora, el vapor impulsa las turbinas, se genera corriente. El exceso de vapor es guiado de nuevo a la circulación de agua por medio de equipos de enfriamiento ("torre de enfriamiento").The discharge is carried out by means of a circulation of water passing through the storage mass at a suitable and optimal point in the temperature/vapor pressure range. The water evaporates, the steam drives the turbines, current is generated. Excess steam is guided back into circulating water by means of cooling equipment ("cooling tower").
Se pueden establecer condiciones óptimas mediante la conducción térmica específica del medio de almacenamiento de calor entre el suministro de calor (punto más caliente) y el consumo de calor.Optimum conditions can be established by the specific thermal conduction of the heat storage medium between heat supply (hottest point) and heat consumption.
El material de almacenamiento de calor se consolida con medios de calentamiento para el suministro de calor y el sistema de tuberías (agua) para la disipación del calor para formar un bloque. Este bloque está aislado térmicamente del exterior.The heat storage material is consolidated with heating media for heat supply and piping system (water) for heat dissipation to form a block. This block is thermally isolated from the outside.
La afirmación de que el sistema de almacenamiento de calor caracterizado de esta manera puede cargarse y descargarse simultáneamente es crucial. Por regla general, las instalaciones de almacenamiento están diseñadas para que se carguen o descarguen; véase, a este respecto, instalaciones de almacenamiento bombeadas. Por otro lado, con la posibilidad de la carga simultánea por fuentes de energía renovables y la descarga, es posible construir centrales de energía de almacenamiento estables que sean capaces de proporcionar energía de carga base.The claim that the heat storage system characterized in this way can be charged and discharged simultaneously is crucial. As a general rule, storage facilities are designed to be loaded or unloaded; see, in this connection, pumped storage facilities. On the other hand, with the possibility of simultaneous charging by renewable energy sources and discharging, it is possible to build stable storage power plants that are capable of providing baseload power.
Actualmente, el sistema de almacenamiento de calor más importante para los medios sensibles de almacenamiento de calor es el agua. Este sistema se caracteriza por que funciona con agua idealmente en un intervalo de temperatura de 40 °C - 90 °C, ya que por encima de 100 °C el agua está presente como vapor. Por lo tanto, el agua tiene un AT de 50 °C.Currently, the most important heat storage system for sensitive heat storage media is water. This system is characterized by the fact that it works with water ideally in a temperature range of 40 °C - 90 °C, since above 100 °C the water is present as steam. Therefore, water has an AT of 50 °C.
A diferencia de esto, el sistema de almacenamiento de calor que funciona con una masa de almacenamiento que se ha producido a partir de la sustancia proporcionada puede funcionar a temperaturas de hasta 1000 °C, es decir, la sustancia puede evaporar el agua por encima de una temperatura de 100 °C y, por lo tanto, puede funcionar con un AT de 900 °C. Por lo tanto, este sistema es un sistema de almacenamiento de alta temperatura.In contrast to this, the heat storage system that works with a storage mass that has been produced from the given substance can work at temperatures up to 1000 °C, i.e. the substance can evaporate water above a temperature of 100 °C and therefore can work with an AT of 900 °C. Therefore, this system is a high temperature storage system.
Ejemplo:Example:
Comparación de los medios de almacenamiento de calor sensibles de agua/ALFERROCK®Comparison of ALFERROCK®/Water Sensitive Heat Storage Media
Cálculo de la cantidad de calor que se puede almacenarCalculation of the amount of heat that can be stored
La cantidad de calor Q que puede almacenar un material de almacenamiento se calcula según la siguiente ecuación:The amount of heat Q that a storage material can store is calculated according to the following equation:
Q =m * cp * AT = p * cp * V * AT [J] Q =m * cp * AT = p * cp * V * AT [J]
m = masa [kg]m = mass [kg]
cp = capacidad térmica específica cp = specific heat capacity
p = densidad [ J jp = density [ Jj
V = volumen [ m3]V = volume [m3]
p * cp = capacidad térmica volumétrica p * cp = volumetric heat capacity
AT = intervalo de temperatura [ K ]AT = temperature range [K]
Q(1m3) = capacidad térmica volumétrica * AT [J]Q(1m3) = volumetric thermal capacity * AT [J]
1. Agua (para 1 m3)1. Water (for 1 m3)
p = 998,2 kg p = 998.2kg
cp = 4,182 k] cp = 4,182k ]
kg*K.kg*K.
p* cp = 4.175 m 3K. p* cp = 4.175 m 3 K.
AT = 50 KQ = 4.175 [ l m -^ 3K 1 ] * 50 K * 1 m3 Q = 208,7 * 103 kJAT = 50 KQ = 4,175 [ lm -^ 3 K 1 ] * 50 K * 1 m3 Q = 208.7 * 103 kJ
Convertido en Wh:Converted to Wh:
1 J = 1 J =
QAgua = 57,88 kWhQWater = 57.88 kWh
2. ALFERROCK® (para 1 m3)2. ALFERROCK® (for 1 m3)
P = 3.930 í §P = 3,930 i §
Cp = 1,16 k] Cp=1.16k ]
k g * Kk g * K
P * Cp = 4.558,8 \ , £ m 3 ~ K. P * Cp = 4,558.8 \ , £ m 3 ~ K.
AT = 900 KAT = 900K
Q = 4.558,8 [ L m -^ 3K 1 i * 900 K * 1 m3Q = 4,558.8 [ L m -^ 3K 1 i * 900 K * 1 m3
Q = 4.102,9 * 103 [ l m -^ 3K 1 ] Q = 4102.9 * 103 [ lm -^ 3 K 1 ]
Convertido en Wh:Converted to Wh:
Qalferrock® - 1,1397 MWhQ alferrock ® - 1.1397 MWh
3. Comparación ALFERROCK®/agua3. Comparison ALFERROCK®/water
Q • ALFERROCK 1,1397 MWh Q • ALFERROCK 1.1397 MWh
Q • agua 57,88 kWh 19,7 Q • water 57.88 kWh 19.7
ALFERROCK® puede almacenar 19,7 veces la cantidad de calor a una temperatura de funcionamiento de hasta 1.000 °C.ALFERROCK® can store 19.7 times the amount of heat at an operating temperature of up to 1,000°C.
El medio de almacenamiento de calor a alta temperatura ALFERROCK ® también puede usarse de manera excepcional a temperaturas más bajas como medio de almacenamiento de calor, intercambiador de calor y termostato. Cabe señalar que durante el templado de la sustancia proporcionada, el aumento de la densidad de 3,63 cm 3 a 100 °C hasta 3,93 cm 3 a 1000 °C no disminuye, sino que permanece constante en 3,93 cm 3. Por lo tanto, el valor p * cp se incrementa en un 9 %.ALFERROCK ® high temperature heat storage medium can also exceptionally be used at lower temperatures as a heat storage medium, heat exchanger and thermostat. It should be noted that during quenching of the given substance, the increase in density from 3.63 cm 3 at 100 °C to 3.93 cm 3 at 1000 °C does not decrease, but remains constant at 3.93 cm 3 . Therefore, the p * cp value is increased by 9%.
En la siguiente Tabla 5 se exponen las cantidades almacenables de calor en la región de aproximadamente 200 °C, 300 °C, 400 °C, 500 °C y 600 °C y presentan valores muy atractivos.In the following Table 5 the storable quantities of heat in the region of approximately 200 °C, 300 °C, 400 °C, 500 °C and 600 °C are presented and they present very attractive values.
T l : R i i r m l r n r íT l : R i i r m l r n r í
Claims (14)
Applications Claiming Priority (7)
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| US40386802P | 2002-08-14 | 2002-08-14 | |
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| US46117503P | 2003-04-08 | 2003-04-08 | |
| US10/444,774 US20040161474A1 (en) | 2002-05-24 | 2003-05-23 | Rare earth metal compounds methods of making, and methods of using the same |
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