用于工业热处理和制造过程脱煤的电气技术米凯莱·福尔赞（Michele Forzan）、埃格伯特·巴克（Egbert Baake）和科恩·范·鲁塞尔（Koen Van Reusel）

《Energies》：Electrotechnologies for Defossilisation of Industrial Thermal and Manufacturing Processes Michele Forzan, Egbert Baake and Koen Van Reusel

【字体：大中小】 时间：2026年04月14日 来源：Energies 3.2

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　　摘要工业生产仍然严重依赖热处理过程，这些过程主要使用化石燃料作为能源。这对初级能源使用和温室气体排放有重大影响。同时，电技术（定义为利用电能通过内部热耗散（感应、导电或介电/微波）或通过电阻和红外系统进行热传递来转换材料的过程）的快速发展，为在广泛的温度

　　摘要工业生产仍然严重依赖热处理过程，这些过程主要使用化石燃料作为能源。这对初级能源使用和温室气体排放有重大影响。同时，电技术（定义为利用电能通过内部热耗散（感应、导电或介电/微波）或通过电阻和红外系统进行热传递来转换材料的过程）的快速发展，为在广泛的温度和功率密度范围内过渡到非化石燃料能源供应铺平了道路。然而，用电力替代燃料并不只是简单的替换问题；这种变化的可行性取决于工艺要求、安装空间和电网连接的限制、电力供应的可靠性和波动性以及经济因素。因此，本文提出了一种简单的、以决策为导向的方法来评估从能源和经济角度进行脱碳的可行性。该方法基于一个“替代系数”，该系数比较了给定数量的电能替代的化石能量，并将其与发电的初级能源强度进行基准测试。通过水泥生产（使用电阻和微波方法）、钢带加工（结合感应加热和电阻保温）以及铸铁和铝的金属熔炼等能源密集型行业的案例研究，展示了在何种条件下，电气化可以作为直接替代品、混合增强器或新的生产模式的推动者。结果表明，在当今电力系统进一步脱碳的情况下，电技术可以在哪些方面实现初级能源节省和二氧化碳减排。

1. 引言
近年来，在许多应用中，用电力替代燃料的情况急剧增加[1,2,3,4,5,6]。在许多工业过程中，使用电能替代天然气或石油等化石燃料的技术也提高了其影响力[7,8,9,10,11,12]。替代的原因有很多，例如安全性、系统体积的小型化、污染减少、产品质量提高以及经济竞争力[13,14]。

工业生产仍然严重依赖于主要使用天然气、石油和煤炭等化石燃料的热处理过程。这种依赖对初级能源消耗和温室气体排放具有重大影响，因为欧洲用于工业加热过程的最终能源中超过80%仍然是基于化石燃料的，而工艺热能占工业能源需求的最大份额[15]。热处理过程的工作温度范围很广，从造纸、食品、纺织或化工行业的几百摄氏度到钢铁、玻璃或陶瓷生产中的1600摄氏度以上（图1）。例如，在德国，大约三分之二的工业最终能源用于工艺热能[16]（图2）[17]。随着绿色氢气、生物/合成甲烷以及特别是来自可再生能源的电力等气候中性能源载体的日益普及，这为工业热处理和制造过程的脱碳创造了机会和挑战。

电气化通常被描述为一个简单的“燃料转换”，但在工业实践中很少如此。工业加热过程在温度水平、所需功率密度、炉子尺寸、气氛、吞吐量和产品质量要求方面极为多样。此外，对电力供应的可靠性和灵活性、与现有工厂的集成、经济竞争力以及长期监管稳定性也有严格要求。因此，必须根据具体情况来评估用电力替代化石燃料的技术可行性和可获得性，而不能预先假设。

过去几十年中，已经为工业应用开发和完善了一系列电技术。这些技术包括直接和间接电阻加热、感应加热、射频和微波加热、红外系统以及电弧炉[7,8,9,10,11,12]。其中一些技术原则上可以作为燃料系统的相对简单替代品（例如，用电阻元件代替燃气燃烧器），而其他技术则能够以完全不同的方式将能量传递到材料中，实现非常高的体积功率密度和大幅缩短的处理时间。这种多样性对工业界和政策制定者提出了一个核心问题：在何种条件下，特定热处理的电气化可以减少初级能源使用和二氧化碳排放，以及何时在经济上具有吸引力？

本文旨在提供一种简单、透明且以决策为导向的方法来解决这个问题。我们引入了一个替代系数γ，该系数量化了从以燃料为主的过程配置转变为电气化或混合配置时，一千瓦时的电能实际上替代了多少兆焦耳的燃料。然后将此系数与发电的初级能源强度和相对能源价格进行基准测试，从而初步评估电气化在初级能源和经济方面的益处。此外，我们还讨论了如何结合工艺质量和二氧化碳强度的考虑来补充这种基于能源的筛选方法。

为了说明该方法及其实际相关性，本文将替代系数框架应用于三个具有不同边界条件和工艺要求的代表性工业案例：(i) 水泥和石灰行业的煅烧，比较电阻加热和微波辅助的概念；(ii) 通过感应加热结合电阻保温来电气化钢带生产线；(iii) 铸铁和铝的金属熔炼，其中电气化面临严格的技术和经济限制。这些案例研究表明，在何种条件下，电气化可以作为直接替代品、混合增强器或新的生产模式的推动者，并强调电技术如何在当前情况下实现初级能源节省和二氧化碳减排，以及随着电力系统脱碳其优势如何变化。

在本文中，“电技术”一词指的是所有利用电能处理材料的技术。可以根据要处理的材料类型或能量传递的物理机制进行不同的分类。一个有用的分类是材料类型：电磁感应加热仅适用于具有合适几何形状的导电材料；射频和微波加热需要具有足够高损耗的介电材料，而电阻和红外加热器几乎可以应用于任何材料，尽管效率各不相同。表1总结了主要的电技术及其特别适用的材料类别[18,19]。

2. 材料与方法
2.1. 概述和数据来源
为了评估在特定工业过程中用基于电力的系统替代燃料是否可行且有益，我们提出了一种基于替代系数γ和补充标准的统一框架。该框架支持在不同工业热处理和制造过程中的透明、可重复的决策制定。通用框架数据统一到了2021年，而选定的案例研究数据则来自特定来源的工业数据集（当有更新的过程级估计时）：国际能源署（IEA，法国巴黎）、欧洲环境署（EEA，丹麦哥本哈根）、欧盟统计局（Eurostat，比利时布鲁塞尔）、美国能源信息署（EIA）。

本研究涵盖了欧盟（包括英国和瑞士）和选定的美国州的电力生成组合。

2.2. 能源基础、单位和符号定义
为了确保整个工作中能源核算的透明性和一致性，使用了以下定义：
燃料能量（C，以MJ为单位）：所有数值均基于低位热值（LHV）计算，不包括水的潜热。这一标准反映了工业实践；基于高位热值（HHV）计算的数值使用特定燃料的转换因子进行转换（例如，HHV ≈ 1.08 × LHV 对于天然气）。
电能（E，以kWh为单位）：始终以千瓦时为单位报告；从不与其他单位混合（MWh, MJ）。
初级能源强度（ξ，以MJ/kWh为单位）：生产1千瓦时电能所需的不可再生初级能源（包括开采、加工和发电损失）。

表2中显示的符号在整个手稿中始终一致使用。

2.3. 替代系数γ：定义和方法论
考虑一个需要热能的工业热处理或制造过程。我们比较了两种工艺配置，如图3所示：
图3. 通过两种不同的转换过程获得相同的产品：过程1需要更多的燃料，而在过程2中，燃料被完全或部分替代为电能。
过程1（基线）：能源主要由燃料燃烧提供。
○燃料消耗：C1 [MJ]。
○辅助电能：E1 [kWh]。
过程2（电气化/混合）：相同的工艺输出，但电能替代了部分或全部燃料。
○燃料消耗：C2 [MJ]。
○总电能：E2 [kWh]。

替代系数的定义：
γ = (C1 ? C2) / (E2 ? E1) [MJ/kWh] (1)

系数γ量化了“能源替代密度”——即从过程1过渡到过程2时，每增加一千瓦时的电能实际上替代了多少兆焦耳的燃料能量。

当C1 > C2（燃料减少）且E2 > E1（电能增加）时定义该系数；γ 为正数，单位为MJ/kWh；在部分电气化（混合系统）的情况下，C2可能仍然很大，但(C1 ? C2) 表示实际的燃料替代量。

示例：家用炉灶应用
为了用具体例子澄清这种方法，考虑将天然气炉灶替换为感应炉灶来将一升水从0°C加热到100°C，这需要大约418.4 kJ ≈ 0.116 kWh的有效热能。传统的燃气炉灶的热效率约为30%，考虑到燃烧损失和热传递不完全，所需的燃料输入为C1 = 418.4/0.30 ≈ 1.395 MJ，辅助电能几乎可以忽略不计（E1 ≈ 0）。感应炉灶则将电磁能量直接传递到锅底，效率约为80%，因此电能输入为E2 = 0.116/0.80 ≈ 0.145 kWh，没有燃料燃烧（C2 = 0）。应用公式(1)可得γ = 1.395/0.145 ≈ 9.62 MJ/kWh，这意味着每增加一千瓦时的感应电能可以替代近10 MJ的燃料消耗。在卢森堡（ξ ≈ 3.8 MJ/kWh），这种替代大约节省了60%的初级能源；在塞浦路斯（ξ ≈ 8.67 MJ/kWh），两种选项在初级能源水平上大致相当。第3节讨论的工业案例涉及更为复杂的限制条件，包括严格的温度容忍度、相变和冶金要求，因此对γ的评估需要特定过程的建模，而不仅仅是简单的效率比。

2.4.**一次能源标准：将γ与电网强度ξ进行基准比较**
电能的一次能源强度ξ定义为产生1千瓦时电能所需的一次性不可再生能源，其中包括开采、加工、传输和发电过程中的损失：
$$ \xi = \text{一次性不可再生能源} [\text{MJ}] / \text{产生的电能} [\text{kWh}] $$
ξ会因以下因素而显著变化：
- 地理位置（电网组成因国家/地区而异）；
- 时间变化（随着可再生能源容量的增加而逐年变化；
- 能源来源组合（化石燃料——煤炭、天然气、铀——与可再生能源和水力发电）。

只有当
$$ \gamma > \xi $$
时，电气化才能节省一次能源。也就是说，如果避免的燃料能量（γ）超过了产生额外电能所需的一次性不可再生能源（ξ），那么这种转变就能减少总的一次能源消耗。

**地理和时间依赖性**
2021年的数据显示，ξ的值在卢森堡约为3.8 MJ/kWh（该国的发电组合以可再生能源和水力发电为主），而在塞浦路斯则高达8.67 MJ/kWh（电能几乎完全来自天然气和石油的燃烧）（见图4和图5）。欧盟的平均值为6.5–7.0 MJ/kWh，美国各州的数值则从水力发电丰富的地区的大约4 MJ/kWh到依赖煤炭的地区的大约9 MJ/kWh不等（见图4和图5）。

**ξ的时间演变同样重要**
随着可再生能源规模的扩大，预计到2030年ξ将比2021年水平降低25–40%，到2050年在基本脱碳的电网中降至2–3 MJ/kWh。这一进展对框架有着直接的影响：即使在过程本身不变的情况下，那些目前只是勉强可行的技术也会随着电网的脱碳而变得越来越有吸引力。

**应用于家用炉灶的例子**
以γ = 9.62 MJ/kWh为例，在2021年的电网条件下，电气化已经在大多数欧洲国家带来了明显的一次能源收益，而且这种优势在未来几十年内将进一步扩大。

**2.5. 经济可行性标准：成本比率β**
**2.5.1. 定义和解释**
能源成本比率β将电能的经济成本与燃料的经济成本进行比较：
$$ \beta = \frac{K_E}{K_C} = \frac{\text{1千瓦时的电价}}{\text{1 MJ的燃料价格}} $$
其中，
$ K_E $ 是1千瓦时电能的市场价格（€/kWh），
$ K_C $ 是1 MJ燃料的市场价格（€/MJ）。

当
$$ \gamma > \beta $$
时，电气化在经济上具有吸引力。这意味着节省的燃料成本超过了增加的电能成本。

**2.5.2. 价格敏感性和市场动态**
经济可行性对波动的能源市场非常敏感。天然气价格受到地缘政治供应中断的剧烈影响（如2021–2023年的欧洲危机所示），而电价则反映了批发市场动态、电网传输限制和碳定价政策。地区间的差异也很明显：拥有丰富水力发电和风能资源的北欧国家的电价通常较低，而中欧国家在2021年后的天然气价格则特别高。因此，应使用当前和预测的地区价格数据来评估成本比率β，并考虑对合理价格路径的敏感性。

**2.6. 基于CO2的可行性标准：碳替代参数δ**
**2.6.1. 动机和定义**
虽然一次能源节约和经济可行性很重要，但在欧盟乃至全球范围内，气候影响（温室气体排放）往往是推动工业电气化的主要政策因素。我们引入了一个补充的碳替代标准δ：
$$ \delta = \left( \frac{C_{Elec}}{C_{Fuel} \times LCI_{Elec} - C_{Fuel} \times LCI_{Fuel} \right) $$
其中，
$ LCI_{Fuel} $ 是燃料的生命周期二氧化碳强度（kg CO?/MJ），包括直接燃烧排放和上游（开采、加工、运输）排放；
$ LCI_{Elec} $ 是电能的生命周期二氧化碳强度（kg CO?/kWh），包括直接发电排放（如果是化石燃料的话）和上游排放。

当
$$ \delta > 1 $$
时，电气化可以减少二氧化碳排放。这是因为通过替代燃料所避免的二氧化碳排放超过了额外发电所产生的二氧化碳排放，从而带来净气候效益。

**2.6.2. 二氧化碳强度数据和地区差异**
本研究采用的生命周期二氧化碳强度数据基于2021年的数据。对于燃料，天然气、重燃料油和煤炭的直接和上游综合强度分别约为0.055 kg CO?/MJ、0.077 kg CO?/MJ和0.098 kg CO?/MJ。对于电能，不同地区的发电加权生命周期强度差异很大，卢森堡约为80 g CO?/kWh，塞浦路斯约为750 g CO?/kWh，欧盟平均水平在380–420 g CO?/kWh之间，德国在2021年约为380 g CO?/kWh。表3总结了在当前和预测的电网条件下天然气替代的δ值。如表所示，即使在平均欧洲条件下，电气化也能实现显著的二氧化碳减排；随着电网向2030年和2050年的脱碳目标迈进，这一效益将进一步提升。

**2.7. 框架的局限性：工艺质量和补充评估**
**2.7.1. 框架的范围**
替代系数γ及其相关标准（ξ、β、δ）为工业电气化提供了必要的但不是充分的评估。这些标准评估了能源数量和经济/环境指标，但没有直接涉及工艺质量方面的考虑，例如：
- 加热均匀性和空间温度控制：感应加热、微波加热或电阻加热能否达到所需的温度梯度和均匀性？
- 反应动力学和化学效应：加热方法是否影响反应速率、相变或化学成分？
- 炉膛气氛要求：是否需要特定的气氛（惰性、氧化性、还原性或真空），并且这些气氛是否与电加热兼容？
- 冶金约束：对于金属熔炼/铸造，加热方法能否保持合金成分、机械性能、表面质量或夹杂物清洁度？
- 瞬态响应和电网兼容性：工艺能否容忍可变的功率输入？电网稳定性和爬坡率是否可接受？
- 整合和改造约束：物理空间限制、电力基础设施或设备兼容性是否限制了可行性？

**2.7.2. 补充的技术评估**
除了γ–ξ–β–δ框架提供的能源和经济筛选外，成功的电气化决策还需要同时进行技术验证。通常需要进行详细的热建模和CFD分析，以确认所提出的加热技术能否实现所需的温度均匀性和空间梯度，特别是对于对产品品质有严格要求的过程。对于涉及相变或化学反应的应用（如煅烧或退火），必须通过实验室或中试规模的试验来确认加热方法对反应动力学和材料微观结构的影响。如果需要特定的炉膛气氛（惰性、还原性或真空），必须明确验证其与电加热系统的兼容性。对于感应加热和微波加热技术，还需要进行电磁建模，以优化耦合效率、频率选择和工件内的功率分布。在系统层面，必须评估可用的电网连接能力、功率质量要求以及备用安排的可行性。最后，设计能够在可变功率条件下保持稳定的过程控制（如果安装旨在提高电网灵活性，则这一点尤为重要），这需要专门的自动化工程。这些评估是本文所述一级筛选的补充，并应与其并行进行。

**3. 案例研究**
**3.1. 通过电阻加热和微波加热实现水泥生产的脱碳**
作为电气化如何引领不同生产模式的例子，将讨论两个关于水泥生产中煅烧过程电气化的案例研究。

水泥是当今全球社会不可或缺的材料。据估计，全球每年的水泥消耗量相当于每人半吨[22]。随着人口增长和城市化进程的进一步推进，预计全球水泥需求将持续增加。水泥生产是二氧化碳排放的重要来源，约占全球总排放量的8%[23]。这是因为工厂的大部分排放都与生产过程相关。仅仅通过替代化石燃料无法消除工艺过程中的二氧化碳排放，因为使用碳氢化合物基燃料无法避免二氧化碳的排放。这一点直接源于煅烧反应：
$$ CaCO_3 + \text{热量} \rightarrow CaO + CO_2 $$
值得注意的是，工艺过程中的排放是不可避免的，每生产1公斤水泥会产生超过400克二氧化碳[24]，此外还有用于为工艺提供动力的燃料燃烧产生的二氧化碳（250克/公斤水泥[24]）。因此，减少与水泥生产相关的二氧化碳排放有两种主要方法：一是捕获化学煅烧过程中释放的二氧化碳；二是使用低碳能源供应热能。

**LEILAC和DESTINY项目**
两个欧洲项目（LEILAC和DESTINY）正在研究这些可能性。
LEILAC证明了使用电阻加热替代现有燃气供应工艺的可行性。
如DESTINY项目所示，通过将生产规模缩小到小型现场水泥生产，进一步减少了水泥生产的碳排放。

**3.1.1. LEILAC：以电气化作为替代方案**
LEILAC（低排放强度石灰和水泥）计划分为两个连续的开发阶段。第一阶段LEILAC1实现了对工艺相关二氧化碳排放的直接隔离。LEILAC分离装置（见图6）的设计能够有效捕获石灰和水泥制造过程中不可避免的温室气体排放。该技术通过一个专门设计的钢制容器间接将热量传递给石灰石，从而保持炉膛烟气与分解产物之间的完全分离，使高纯度的二氧化碳得以提取。将其集成到现有水泥设施中只需进行最小的工艺改造，因为该装置基本上取代了传统煅烧炉，而不引入额外的试剂或辅助操作。结果，在比利时Lixhe的海德堡水泥工厂完成了试点装置的建造。

LEILAC1的结果表明，生石灰和水泥熟料都可以成功处理；有效的二氧化碳分离是可行的；并且从更广泛的系统角度来看，间接煅烧相关的能源成本与传统直接煅烧相当。其他值得注意的结果包括：内壁上没有物料堆积；经过多次煅烧循环后管子没有可测量的结构或操作退化；对主机厂运营或熟料产量的干扰微乎其微；以及整个运营过程中的安全记录良好。

**3.1.2. DESTINY：通过微波加热开启新的生产范式**
DESTINY项目开发了915 MHz微波技术，用于能源密集型行业（包括水泥生产）中的颗粒材料连续处理。专有的微波系统细节受到保密协议的保护。该项目介绍了一种新颖的燃烧概念，它用直接的微波与材料相互作用取代了传统的燃烧方式，从而补充了传统的生产系统。图7对传统的旋转窑和DESTINY微波（微瓦）窑的配置进行了对比。与传统的大型窑不同，即使在生产规模缩减的情况下，DESTINY窑也能保持高效运行。该项目在向以下性能目标迈进方面取得了进展：能够在可再生能源变化典型的时间范围内承受±30%的能量输入波动，同时特定能源效率的下降可以忽略不计；根据行业和产品类型的不同，能源效率提高40%；资源（燃料）效率提高超过40%；在稳态条件下，二氧化碳排放量减少45%，不包括电力生产部分的贡献；运营成本（OPEX）和资本支出（CAPEX）均减少15%。

在大型传统旋转窑中，材料的停留时间通常超过两小时。而DESTINY概念中使用的微型旋转流化床技术实现了更好的微波耦合效果，将停留时间缩短到了不到两分钟。DESTINY微波装置的一个关键优势在于其能够按需进行现场生产。实验研究证实了在520-540°C的激活温度范围内，通过微波辐射激活天然高岭土浆体的可行性。在低产量（12公斤/小时）时获得了足够的反应性；但在高产量（25公斤/小时）下，28天后的火山灰活性指数仅为88%。因此，实现更高的质量流量并保持足够的激活水平仍然是一个未解决的技术挑战。

欧洲的研究项目LEILAC和DESTINY代表了推动能源密集型水泥行业电气化的两条互补路径。LEILAC将电气化作为一种替代策略，而DESTINY则体现了对生产模型的根本性变革。LEILAC的方法是将传统的气体燃烧系统替换为电阻加热元件，同时保留了标准水泥制造过程的大规模生产架构。基于微波加热技术的DESTINY容器级工艺设备实现了高效的小规模生产，并支持精益的、现场化的、需求驱动的生产模式。DESTINY模型还具有内在的可扩展性，能够在不同的输出率下调整生产能力，同时保持满意的效率。无论是传统工艺结构的电气化（LEILAC）还是通过先进电技术实现的新生产模式（DESTINY），都是减少与水泥需求增长相关的气候足迹的互补策略。

在确定任何给定情况下经济上最优的解决方案以实现水泥生产的完全脱碳目标时，应同时评估大规模集中式生产和容器级、现场化、需求驱动的生产方式。在高温下微波作用的有效性尤其令人期待，因为它通过电磁能与材料的直接和即时耦合，使工艺温度更接近煅烧反应的热化学阈值。相比之下，电阻加热依赖于对流和辐射热传递机制，需要高达2000°C的元件温度来确保材料获得足够的热量。LEILAC案例表明，在需要保持现有生产基础设施连续性的情况下，电力可以直接替代化石能源。然而，基于微波的DESTINY概念表明，电力不仅仅是一种可以与传统化石燃料互换的能量载体。微波与材料的体积性和即时性相互作用揭示了一种特定的物理机制，这为新的工艺配置和生产模式（如容器级制造）创造了可能性，在某些操作和经济背景下，这些模式可能比大规模集中生产更为合适。

为了估算某个热处理装置的替代潜力，需要一种简单而稳健的方法。这是通过IFS项目EnabEL [25]中提出的过程和经济要求的层次化评估（图8）来实现的。本节讨论的实际示例将这种方法应用于一个典型的工业场景，即退火和酸洗生产线中的钢材条带加热和保持过程（图9）。该装置包含两个独立的加热区/炉子，每个炉子的腔体长度为15米，宽度/高度为3米。钢材条带首先从室温加热到1200°C，然后在这个温度下保持30秒。该装置的处理能力为每小时37吨，条带的尺寸为宽度1500毫米，厚度1毫米。加热区内安装了总功率为12兆瓦的燃烧器。

工业燃气燃烧器可以实现超过300千瓦/平方米的功率密度，因此炉子的设计主要围绕电源进行。在设计电气替代方案时，最具有挑战性的部分是满足工艺要求。对于使用导电工件的情况，市场上已有三种成熟的技术可以实现超过1000°C的炉温：间接电阻加热、直接电阻加热和感应加热。间接电阻加热的技术原理很简单：由金属合金或高温陶瓷制成的加热元件安装在炉壁上，这些元件被加热到高温，通过辐射将热能传递给工件。通常电效率可以达到95-98%。在考虑的温度范围内，市场上有多种类型的加热元件及其相应的最高工作温度：金属FeCrAl合金可达1450°C，陶瓷加热元件（SiC）可达1600°C，MoSi2加热元件可达1800°C。不幸的是，SiC加热元件在高温应用中的性能并不理想，其电阻会随时间变化；此外，SiC加热元件的电阻在制造过程中也会有很大波动。因此，建议只有在没有其他选择的情况下才使用SiC加热元件。

感应加热是一种通过在工件内部产生涡流来生成热源的直接加热方法，这种方法消除了热能传输的技术限制。与燃气燃烧器相比，感应加热可以实现更高的功率密度。对于条状工件，感应加热可以采用纵向场（LFH）或横向场（TFH）的形式。LFH系统更为稳健且设计更为简单，应尽可能使用。LFH的唯一显著限制是其受发电机最大频率的限制；随着条带变薄，需要更高的频率来达到足够的电效率。为了估算所需的频率，可以使用以下公式：f = (πκμ(d3.5)2)^(-1)（其中κ为电导率，μ为磁导率，d为条带厚度）。

考虑到现有的技术，可以制定两种一般的替代策略：1. 用间接电阻加热替代加热和保持过程；2. 在加热过程中使用感应加热器作为增强手段，同时结合间接电阻加热的保持过程。第一种策略最容易实施，不需要数值模拟，且热传递机制不变。在实际应用中，保持过程可以通过间接电阻加热轻松实现电气化，因为只需补偿热损失；而加热过程则不能通过间接电阻加热替代。辐射能量传递与加热元件和工件温度的四次方差成正比（图11），即使使用MoSi2加热元件也无法在15米长的炉子内将钢材条带加热到所需的1200°C（图11）。因此，必须采用基于TFH的增强方案。

综上所述，对TFH加热性能的分析估算通常是不够的。温度分布、加热速率和工艺效率取决于描述TFH感应器与条带几何关系的相关参数的优化。在这种情况下，需要进行数值模拟。感应加热可以简化为两个耦合过程的组合：首先，高频电磁场在工件中诱导涡流；其次，工件内部的热量由于焦耳热损失而扩散。由于热传播的时间常数远高于高频电磁场的时间常数，因此可以使用二维模拟模型来进行模拟。为了估算TFH作为增强器的总体性能，只需对常规区域进行模拟即可。模拟几何尺寸可以简化为二维，以节省计算资源。图15展示了TFH加热器的模拟结果。在1.4米的安装空间内，该加热器能够以2千赫的频率将材料从室温加热至1200摄氏度，电效率达到90%。图15显示了TFH加热器的2D模拟结果（数据来源于作者自己的计算）。3.2.3 经济影响评估热处理设备的平均寿命通常设计为20至40年，重点在于保持几乎不间断的运行。在这样的设备寿命期间，运行成本远高于初始的替代成本。在高温和高功率应用中，运行成本主要由能源价格决定。在考虑替代方案时，这些成本特别受到天然气和电能价格比较的影响，而这又受可用性和当地政治因素的影响。目前，在大多数欧盟国家，电价平均至少是天然气价格的两倍（见图16左侧），这导致能源成本增加了100%以上。波兰则是一个例外，未来具有良好前景，因为转向电加热不会影响能源成本，尤其是在考虑了二氧化碳证书价格之后。另一方面，芬兰和瑞典更进一步，过渡到电加热甚至可以降低运营成本。图16展示了欧盟的工业能源价格（左侧）[33]；包括二氧化碳税在内完全替代电加热后的运行成本估计变化（右侧）。彩色条形图表示欧盟27个成员国的平均值。总之，在高功率工艺中实施感应加热，无论是作为完全替代方案还是与间接电阻加热结合的增强方案，都是满足工艺需求的最佳方式。即使考虑到更复杂的工艺设计，这一点仍然成立。尽管当前的能源价格表明，在短期内用电力替代天然气驱动的设备可能不太可取，但未来可再生能源生产和二氧化碳定价的变化可能很快会改变这一情况。因此，评估和设计替代方案的战略将变得越来越重要。3.3 铸铁和铝的熔炼过程电气化 3.3.1 引言金属的熔炼过程是高能耗的工业过程，持续提高竞争性熔炼技术的能源效率越来越受到关注[34]。在这种背景下，现在必须在单独评估能源的同时考虑熔炼过程的二氧化碳排放。为了应对未来熔炼技术的挑战，必须评估并减少整个工艺链的二氧化碳平衡[35]。在比较不同的熔炼过程时，有三组评估标准特别重要：应用要求、经济要求和生态要求（见图17）。图17展示了不同熔炼过程比较的评估标准。工艺要求是主要的边界条件。只有当不同的熔炼技术满足相同的工艺要求（如温度水平、炉内气氛和产量）时，才能被视为竞争选项。如果只有一种技术能满足这些要求，那么实际上是没有竞争的，其余的标准就变得次要了。然而，如果有两种或更多的技术能够提供相同或类似的工艺性能，最终的选择应基于经济和生态标准。最重要的经济方面是投资成本、维护成本，尤其是最终使用的能源成本。近年来，与所选最终能源相关的总二氧化碳平衡也变得越来越重要，这不仅从生态角度考虑，也从经济角度考虑，因为二氧化碳排放交易计划的存在。为了进行完整的能源比较，并一致地比较不同熔炼炉的二氧化碳排放量，除了最终能源需求之外，还必须考虑每个炉子的初级能源需求。因此，对初级能源使用和二氧化碳排放的评估必须包括整个工艺链[36]。为了描述熔炼过程的总能源需求，第一步是考虑直接能源需求，即熔炼操作本身所需的特定能量。第二步是考虑与材料损失相关的嵌入能量，例如由于氧化造成的损失。这些损失必须通过额外的材料输入来补偿，并从能量角度来看，需要通过生产该材料所积累的能量来补偿。这可以通过遵循VDI 4600标准的完整工艺链分析来评估。根据所使用的最终能源类型——电力、天然气或煤炭——相应的工艺链会产生不同的二氧化碳排放。即使电熔炼过程的初级能源需求与燃油加热过程相似，其二氧化碳排放量通常也更低。随着可再生能源电力的比例不断增加，预计电熔炼过程在未来将实现更大的二氧化碳减排。3.3.2 铸铁的熔炼熔炼炉广泛用于铁、钢和有色金属的熔炼。在铸铁铸造厂中，冲天炉、感应炉以及部分使用燃气或燃油的旋转炉之间存在竞争；见图18。图18展示了用于熔炼铸铁的炉子。从生产要求的角度来看，冲天炉在连续熔炼和大规模生产方面具有显著优势。感应炉体积较小，其高度灵活的配置使得在经常改变熔体成分和少量高质量熔融产品时能够做出最佳选择[37]。然而，在这两种情况下，能源消耗都非常重要。图19展示了热风冲天炉的总体布局和现代大型炉子的典型能源消耗值。这种大型炉子的熔炼速率约为60吨/小时。冲天炉用于生产多种不同等级的铸铁的大铸造厂。考虑到氧化损失对能源平衡的影响，总能源消耗在每吨熔融铸铁1000至1100千瓦时之间。热风冲天炉的主要能源是焦炭；少量部分使用天然气和电力。考虑到2022年德国的电力组成，这些能源来源导致的总二氧化碳排放约为810千克/吨铸铁。图19展示了热风冲天炉的总体示意图和最终能源需求。图20展示了一种感应坩埚炉，主要用于灵活熔炼多种不同等级的铸铁。现代中频感应炉的体积较小，其铸铁的熔炼速率通常在10吨/小时到20吨/小时之间[38]。现代炉子在熔炼铸铁时的能源消耗约为540千瓦时/吨（不包括保持操作损失），虽然低于冲天炉，但由于使用电力作为能源，能源成本相当或甚至更高。使用感应坩埚炉熔炼铸铁的总效率约为75%。总体而言，考虑到2022年德国的电力组成，熔炼和渗碳过程导致的二氧化碳排放约为220千克/吨铸铁。但如果使用100%的绿色电力，总二氧化碳排放仅为20千克/吨铸铁。图20展示了感应坩埚炉的总体示意图和最终能源需求。铸铁熔炼过程的电气化为减少二氧化碳排放提供了巨大潜力，特别是当使用可再生能源发电时。特别是，关于灰铸铁熔炼过程的实验数据可以用来推导出从使用化石燃料的过程向完全电气化过程转变的替代系数γ。在冲天炉中熔炼一吨灰铸铁的过程中，化石燃料、焦炭和天然气造成的能源消耗为930千瓦时或3312 MJ，而电力消耗为30千瓦时。同样的熔炼过程在感应坩埚炉中则需要420千瓦时。根据这些值，我们得到??=3312 / 420 ? 30 ? 8.5 MJ/kWh。3.3.3 铝的熔炼目前，铝的熔炼主要使用燃气炉。这些燃气炉（见图21）因其相对较低的运行能源成本而受到青睐[21]。在燃气炉中，燃烧器的明火直接对准熔体表面，导致显著的氧化损失和熔体中的温度分布不均。为了补偿氧化损失，需要消耗大量能量来生产初级铝。因此，图21中的能源平衡显示了由于补偿氧化损失而产生的大量能量。对于铝熔炼过程的电气化，感应通道炉（见图22）是一种满足铸造行业所有典型技术要求的技术，如高产量和短熔炼周期、通过熔池移动实现熔体均匀化、精确的功率和温度控制、简单的自动过程控制、易于操作以及高灵活性[38]。此外，高电能和热效率以及低氧化损失从而节省原材料，导致较低的特定能源消耗和环境竞争力。图22展示了用于熔炼铝的感应通道炉的总体示意图和最终能源需求。熔炼过程中的氧化损失在能源和生态方面起着重要作用，特别是在铝熔炼过程中。这些氧化损失取决于熔炼技术、投入铝废料的类型和纯度、熔体中的温度水平和空间分布、熔炼时间、炉内气氛等因素。实际研究表明，与燃油加热相比，感应炉可以节省能源、降低氧化损失并具有环境优势。图21和图22中的能源平衡比较显示，使用感应通道炉代替燃气炉熔炼一吨铝可以大大降低能源输入和二氧化碳排放。结果突显了氧化损失的影响，这些损失需要用高能耗的初级铝材料来补偿。在冲天炉中熔炼一吨灰铸铁需要大约715千瓦时或2574 MJ的甲烷气体，而在通道感应炉中则需要520千瓦时。在这种情况下，替代系数明显较低，为??=2574 / 520 ? 5 MJ/kWh。4. 讨论分析表明，使用电气技术使工业热过程去化石燃料在技术上是可行的，并且在许多情况下已经能够提供能源和环境优势。引入替代系数γ提供了一个简单的操作标准，用于确定何时以及是否可以通过电气化实现初级能源节省和二氧化碳减排。案例研究——水泥煅烧（电阻加热/LEILAC和微波加热/DESTINY）、带有感应增强器和电阻保持的带材加热线，以及使用高效电气解决方案的铸铁和铝熔炼——展示了三种互补的方法：直接替换、混合使用和新生产模式。替代系数是根据铸铁和铝熔炼的实验数据评估得出的，结果显示替代系数γ的值有很大差异：铁的替代系数约为8.5，铝的替代系数约为5。基于这些值，可以看出，在欧盟和美国的一些州，灰铸铁熔炼过程的电气化在初级能源节省方面是有利的。然而，在那些电力主要来自非化石燃料的国家，铝熔炼过程的电气化才具有优势。然而，在设计（例如热分布、功率密度、空间要求和气氛）、系统（例如可用电网电力、灵活性和储能）和经济（例如能源和二氧化碳价格、资本支出/运营支出）方面仍存在限制。同时，随着电力结构逐渐脱碳、电网整合得到优化以及灵活的需求管理策略的采用，电力技术的优势将进一步提升。未来的研究需要包括动态评估（季节性/小时级能源结构）、全面的生命周期评估（LCA）分析以及多标准决策支持工具，以促进工业规模的部署。5. 结论本研究提出了一个统一的评估框架，用于评估工业热过程电气化的可行性，该框架基于替代系数γ [MJ/kWh]以及补充标准ξ（一次能源）、β（经济性）和δ（二氧化碳排放）。将该框架应用于水泥煅烧（LEILAC/DESTINY）、钢带加热和金属熔炼的过程中，结果表明在2021年欧盟电网条件下，电气化在多个配置中可以满足一次能源（γ > ξ）、经济性（γ > β）和二氧化碳排放（δ > 1）的标准，尽管具体结果仍强烈依赖于工艺和电网情况。随着ξ预计从2021年的6.8 MJ/kWh降至2050年的约2.5 MJ/kWh，电气化的条件可能会在更广泛的应用场景中得到改善，从而提升二氧化碳排放性能。从这个意义上说，早期投资可能会从电网的逐步脱碳中受益，但这种收益的程度将因具体情境而异。γ–ξ–β–δ框架应被视为一个透明的筛选工具，用于识别进一步工程评估的有前景的路径。其主要局限性在于忽略了工艺质量方面（如加热均匀性和冶金效应），并且侧重于运营成本而非资本成本。从实际角度来看，电气化在可再生能源丰富的地区、混合配置或增强配置中尤为相关，同时也适用于与预期电网脱碳目标相一致的规划策略。在政策层面，持续的电网升级、对混合示范项目的支持以及针对各行业的电气化路线图，将有助于提高电气化的普及程度[39,40,41]。总体而言，电气化不应被视为一种通用解决方案，而应视为一系列特定于工艺的机会，其重要性取决于技术、经济和电网条件。

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