Published December 1, 2019
| Version v1
Publication
Open
Decarbonising ceramic manufacturing: A techno-economic analysis of energy efficient sintering technologies in the functional materials sector
Creators
- 1. Pennsylvania State University
- 2. University of Sheffield
- 3. University of Warwick
- 4. University of Nottingham Malaysia Campus
- 5. Xi'an Jiaotong University
- 6. Norwegian University of Science and Technology
Description
The rising cost of energy and concerns about the environmental impact of manufacturing processes have necessitated the need for more efficient and sustainable manufacturing. The ceramic industry is an energy intensive industrial sector and consequently the potential to improve energy efficiency is huge, particularly through the introduction of modern sintering technologies. Although several energy efficient sintering processes have been developed, there is no comprehensive techno-economic analysis which compares and contrasts these techniques. This paper presents a critical review and analysis of a number of sintering techniques and compares them with the recently developed cold sintering process (CSP), including mode of operation, sintering mechanism, typical heating rates, duration of sintering, energy consumption profile and energy saving potential, limitations, key challenges for further development and current research efforts. By using a figure of merit, pounds per tonne of CO2 saved (£/tCO2-eq), which links initial capital investment with energy savings, within a framework derived from ranking principles such as marginal abatement cost curves and Pareto optimisation, we have demonstrated that under the scenarios considered for 3 separate functional oxides ZnO, PZT and BaTiO3, CSP is the most economically attractive sintering option, indicating lower capital costs and best return on investment as well as considerable energy and emission savings. Although the current work establishes the viability of CSP as a competitive and sustainable alternative to other sintering techniques, the transition from laboratory to industry of CSP will require hugely different facilities and instrumentation as well as relevant property/performance validation to realise its full potential.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
استلزم ارتفاع تكلفة الطاقة والمخاوف بشأن التأثير البيئي لعمليات التصنيع الحاجة إلى تصنيع أكثر كفاءة واستدامة. صناعة السيراميك هي قطاع صناعي كثيف الاستخدام للطاقة، وبالتالي فإن إمكانية تحسين كفاءة الطاقة هائلة، لا سيما من خلال إدخال تقنيات التلبيد الحديثة. على الرغم من تطوير العديد من عمليات التلبيد الموفرة للطاقة، إلا أنه لا يوجد تحليل تقني اقتصادي شامل يقارن ويقارن هذه التقنيات. تقدم هذه الورقة مراجعة وتحليلًا نقديين لعدد من تقنيات التلبيد وتقارنها بعملية التلبيد البارد التي تم تطويرها مؤخرًا (CSP)، بما في ذلك طريقة التشغيل، وآلية التلبيد، ومعدلات التسخين النموذجية، ومدة التلبيد، وملف استهلاك الطاقة وإمكانات توفير الطاقة، والقيود، والتحديات الرئيسية لمزيد من التطوير وجهود البحث الحالية. باستخدام رقم الجدارة، جنيه لكل طن من ثاني أكسيد الكربون الموفر (£/ tCO2 - مكافئ)، والذي يربط استثمار رأس المال الأولي بتوفير الطاقة، ضمن إطار مشتق من مبادئ التصنيف مثل منحنيات تكلفة التخفيض الهامشي وتحسين باريتو، فقد أثبتنا أنه في ظل السيناريوهات التي تم النظر فيها لثلاثة أكاسيد وظيفية منفصلة ZnO و PZT و BaTiO3، فإن CSP هو خيار التلبيد الأكثر جاذبية اقتصاديًا، مما يشير إلى انخفاض تكاليف رأس المال وأفضل عائد على الاستثمار بالإضافة إلى توفير كبير في الطاقة والانبعاثات. على الرغم من أن العمل الحالي يثبت جدوى الطاقة الشمسية المركزة كبديل تنافسي ومستدام لتقنيات التلبيد الأخرى، إلا أن الانتقال من المختبر إلى الصناعة في الطاقة الشمسية المركزة سيتطلب مرافق وأجهزة مختلفة اختلافًا كبيرًا بالإضافة إلى التحقق من الملكية/الأداء ذي الصلة لتحقيق إمكاناتها الكاملة.Translated Description (French)
Le coût croissant de l'énergie et les préoccupations concernant l'impact environnemental des processus de fabrication ont nécessité la nécessité d'une fabrication plus efficace et durable. L'industrie céramique est un secteur industriel à forte intensité énergétique et, par conséquent, le potentiel d'amélioration de l'efficacité énergétique est énorme, en particulier grâce à l'introduction de technologies de frittage modernes. Bien que plusieurs procédés de frittage économes en énergie aient été développés, il n'existe pas d'analyse technico-économique complète qui compare et contraste ces techniques. Cet article présente un examen et une analyse critiques d'un certain nombre de techniques de frittage et les compare au processus de frittage à froid (CSP) récemment développé, y compris le mode de fonctionnement, le mécanisme de frittage, les vitesses de chauffage typiques, la durée du frittage, le profil de consommation d'énergie et le potentiel d'économie d'énergie, les limitations, les principaux défis pour la poursuite du développement et les efforts de recherche actuels. En utilisant un facteur de mérite, les livres par tonne de CO2 économisée (£ / tCO2-eq), qui relie l'investissement initial en capital aux économies d'énergie, dans un cadre dérivé de principes de classement tels que les courbes de coûts de réduction marginaux et l'optimisation de Pareto, nous avons démontré que dans les scénarios considérés pour 3 oxydes fonctionnels distincts ZnO, PZT et BaTiO3, CSP est l'option de frittage la plus économiquement attrayante, indiquant des coûts en capital plus faibles et un meilleur retour sur investissement ainsi que des économies d'énergie et d'émissions considérables. Bien que les travaux actuels établissent la viabilité du CSP en tant qu'alternative compétitive et durable à d'autres techniques de frittage, la transition du laboratoire à l'industrie du CSP nécessitera des installations et des instruments extrêmement différents ainsi qu'une validation pertinente des propriétés/performances pour réaliser son plein potentiel.Translated Description (Spanish)
El aumento del coste de la energía y las preocupaciones sobre el impacto ambiental de los procesos de fabricación han hecho necesaria una fabricación más eficiente y sostenible. La industria cerámica es un sector industrial intensivo en energía y, en consecuencia, el potencial para mejorar la eficiencia energética es enorme, particularmente a través de la introducción de tecnologías modernas de sinterización. Aunque se han desarrollado varios procesos de sinterización energéticamente eficientes, no existe un análisis tecnoeconómico exhaustivo que compare y contraste estas técnicas. Este documento presenta una revisión y análisis críticos de una serie de técnicas de sinterización y las compara con el proceso de sinterización en frío (CSP) recientemente desarrollado, incluido el modo de operación, el mecanismo de sinterización, las tasas de calentamiento típicas, la duración de la sinterización, el perfil de consumo de energía y el potencial de ahorro de energía, las limitaciones, los desafíos clave para un mayor desarrollo y los esfuerzos de investigación actuales. Al utilizar una cifra de mérito, libras por tonelada de CO2 ahorrada (£/tCO2-eq), que vincula la inversión de capital inicial con el ahorro de energía, dentro de un marco derivado de principios de clasificación como las curvas de costos de reducción marginal y la optimización de Pareto, hemos demostrado que en los escenarios considerados para 3 óxidos funcionales separados ZnO, PZT y BaTiO3, la CSP es la opción de sinterización más atractiva económicamente, lo que indica menores costos de capital y el mejor retorno de la inversión, así como un considerable ahorro de energía y emisiones. Aunque el trabajo actual establece la viabilidad de la CSP como una alternativa competitiva y sostenible a otras técnicas de sinterización, la transición del laboratorio a la industria de la CSP requerirá instalaciones e instrumentación muy diferentes, así como la validación relevante de la propiedad/rendimiento para desarrollar todo su potencial.Files
1-s2.0-S0955221919305527-main.pdf.pdf
Files
(2.1 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:31415a193508886a1b9e5fe569ba9a64
|
2.1 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- إزالة الكربون من صناعة السيراميك: تحليل تقني اقتصادي لتقنيات التلبيد الموفرة للطاقة في قطاع المواد الوظيفية
- Translated title (French)
- Décarbonisation de la fabrication des céramiques : une analyse technico-économique des technologies de frittage écoénergétiques dans le secteur des matériaux fonctionnels
- Translated title (Spanish)
- Descarbonización de la fabricación de cerámica: un análisis tecnoeconómico de las tecnologías de sinterización energéticamente eficientes en el sector de los materiales funcionales
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2967373328
- DOI
- 10.1016/j.jeurceramsoc.2019.08.011
References
- https://openalex.org/W1495416723
- https://openalex.org/W1498763999
- https://openalex.org/W1582111906
- https://openalex.org/W1583348256
- https://openalex.org/W1604880529
- https://openalex.org/W1612340540
- https://openalex.org/W1617094072
- https://openalex.org/W1652069810
- https://openalex.org/W1800036361
- https://openalex.org/W1963514325
- https://openalex.org/W1963734348
- https://openalex.org/W1965398901
- https://openalex.org/W1965474473
- https://openalex.org/W1968566359
- https://openalex.org/W1969484003
- https://openalex.org/W1971320999
- https://openalex.org/W1972502784
- https://openalex.org/W1972915571
- https://openalex.org/W1973453703
- https://openalex.org/W1975860207
- https://openalex.org/W1975965990
- https://openalex.org/W1976901097
- https://openalex.org/W1978217937
- https://openalex.org/W1979827730
- https://openalex.org/W1984311292
- https://openalex.org/W1984700330
- https://openalex.org/W1985087230
- https://openalex.org/W1985464512
- https://openalex.org/W1985798630
- https://openalex.org/W1987167802
- https://openalex.org/W1987453318
- https://openalex.org/W1992932194
- https://openalex.org/W1994617547
- https://openalex.org/W1994639597
- https://openalex.org/W1995429798
- https://openalex.org/W1996068044
- https://openalex.org/W1996104147
- https://openalex.org/W1997368721
- https://openalex.org/W1999009515
- https://openalex.org/W1999643431
- https://openalex.org/W2001937355
- https://openalex.org/W2003435160
- https://openalex.org/W2005187628
- https://openalex.org/W2011252094
- https://openalex.org/W2011539791
- https://openalex.org/W2011898791
- https://openalex.org/W2012854497
- https://openalex.org/W2014392174
- https://openalex.org/W2014908126
- https://openalex.org/W2016886879
- https://openalex.org/W2020297434
- https://openalex.org/W2021774343
- https://openalex.org/W2021897410
- https://openalex.org/W2022479570
- https://openalex.org/W2023728301
- https://openalex.org/W2024444954
- https://openalex.org/W2026208474
- https://openalex.org/W2027309960
- https://openalex.org/W2029844066
- https://openalex.org/W2030349230
- https://openalex.org/W2030663413
- https://openalex.org/W2033198823
- https://openalex.org/W2033764893
- https://openalex.org/W2034060454
- https://openalex.org/W2034382553
- https://openalex.org/W2034642340
- https://openalex.org/W2035633183
- https://openalex.org/W2039032693
- https://openalex.org/W2039255107
- https://openalex.org/W2042450155
- https://openalex.org/W2042753348
- https://openalex.org/W2042810725
- https://openalex.org/W2043301592
- https://openalex.org/W2043874911
- https://openalex.org/W2046529429
- https://openalex.org/W2047422561
- https://openalex.org/W2050486719
- https://openalex.org/W2052041400
- https://openalex.org/W2052264999
- https://openalex.org/W2052912408
- https://openalex.org/W2054272415
- https://openalex.org/W2055001900
- https://openalex.org/W2055307036
- https://openalex.org/W2057111592
- https://openalex.org/W2057525566
- https://openalex.org/W2059094548
- https://openalex.org/W2059718608
- https://openalex.org/W2063321858
- https://openalex.org/W2063446784
- https://openalex.org/W2067494321
- https://openalex.org/W2068718273
- https://openalex.org/W2070249845
- https://openalex.org/W2072000991
- https://openalex.org/W2078883855
- https://openalex.org/W2079576793
- https://openalex.org/W2081989957
- https://openalex.org/W2082474970
- https://openalex.org/W2084724222
- https://openalex.org/W2086052993
- https://openalex.org/W2087375921
- https://openalex.org/W2089050878
- https://openalex.org/W2090219472
- https://openalex.org/W2092725033
- https://openalex.org/W2100114097
- https://openalex.org/W2102471596
- https://openalex.org/W2118944686
- https://openalex.org/W2122162056
- https://openalex.org/W2132189255
- https://openalex.org/W2132935474
- https://openalex.org/W2133769086
- https://openalex.org/W2135100798
- https://openalex.org/W2135454342
- https://openalex.org/W2137620557
- https://openalex.org/W2137969661
- https://openalex.org/W2138432653
- https://openalex.org/W2150816213
- https://openalex.org/W2154533916
- https://openalex.org/W2157660514
- https://openalex.org/W2159352203
- https://openalex.org/W2163273083
- https://openalex.org/W2166977245
- https://openalex.org/W2171432822
- https://openalex.org/W2175714443
- https://openalex.org/W2186838515
- https://openalex.org/W2206808531
- https://openalex.org/W2266864431
- https://openalex.org/W2277688452
- https://openalex.org/W2288814601
- https://openalex.org/W2307884575
- https://openalex.org/W2315997412
- https://openalex.org/W2322778672
- https://openalex.org/W2327747119
- https://openalex.org/W2330642385
- https://openalex.org/W2330710098
- https://openalex.org/W2337980950
- https://openalex.org/W2341659503
- https://openalex.org/W2341822376
- https://openalex.org/W2408528987
- https://openalex.org/W2495996811
- https://openalex.org/W2496381847
- https://openalex.org/W2498734863
- https://openalex.org/W2500726094
- https://openalex.org/W2501296502
- https://openalex.org/W2513476951
- https://openalex.org/W2513791271
- https://openalex.org/W2514937649
- https://openalex.org/W2523375539
- https://openalex.org/W2530181669
- https://openalex.org/W2532995175
- https://openalex.org/W2543509410
- https://openalex.org/W2543584377
- https://openalex.org/W2552697119
- https://openalex.org/W2560660958
- https://openalex.org/W2564956283
- https://openalex.org/W2598511119
- https://openalex.org/W2604974793
- https://openalex.org/W2605882163
- https://openalex.org/W2606635198
- https://openalex.org/W2737249608
- https://openalex.org/W2761783132
- https://openalex.org/W2782219723
- https://openalex.org/W2793084681
- https://openalex.org/W2796144586
- https://openalex.org/W2809947409
- https://openalex.org/W2949667263
- https://openalex.org/W2949936171
- https://openalex.org/W3011210071
- https://openalex.org/W3022719865
- https://openalex.org/W3114521359
- https://openalex.org/W418046203
- https://openalex.org/W4211191043
- https://openalex.org/W4214892578
- https://openalex.org/W4231240065
- https://openalex.org/W4312328790
- https://openalex.org/W563626144
- https://openalex.org/W757274623