Производство цемента технология: Современные технологии производства цемента

Содержание

производство цемента, виды, марки цемента, про цемент.

Цемент - один из немногих строительных материалов, без которого невозможно какое-либо строительство. Будь то монолитный небоскрёб из железобетона или деревянная избушка. Ведь только в сказке у избушки бывают куриные ножки. В жизни же - её "фундаментные ножки" из бетона. История создания и изобретение цемента заслуживают отдельного разговора и в рамки нашей рубрики никак не укладываются.

Так всё же из чего изготовлен портландцемент. Какие у него основные характеристики: виды, марки. Давайте, обо всём по чуть-чуть, но по сути. Так сказать - для общей информации. Начнём, пожалуй, с главного - с производства цемента.

Производство цемента

Если особо не вдаваться в подробности и поверхностно посмотреть на процесс, то производство цемента можно представить в виде трёх основных стадий:

  1. Добыча и обработка сырья.
    • Добывается известняк, глина, гипсовый камень.
    • Добытый известняк дробят, сушат, измельчают и перемешивают в нужной пропорции с глиной. Примерно 75% известняка и 25% глины. Состав постоянно корректируется, в зависимости от характеристик используемых материалов.
    • Таким образом получают шлам (мокрый, сухой или комбинированный метод)
  2. Обжиг сырьевого состава и получение клинкера - следующий шаг в производстве цемента
    • Шлам поступает в специальную печь, где происходит его обжиг при температуре около 1450 градусов.
    • При этой температуре шлам спекается (почти как зерна керамзита), превращаясь в так называемый клинкер.
    • Клинкер измельчают в специальных жерновах до порошкообразного состояния
  3. Смешивание компонентов и получение портландцемента.
    • В измельчённый клинкер добавляют примерно 5% гипса.
    • В зависимости от марки и вида цемента, вводятся минеральные добавки (цифры д0, д5, д20 в маркировке)

Собственно, на этом производство цемента можно считать завершённым. Получившийся порошок является портландцементом ПЦ. Применение портландцемента настолько обширно, что перечисление цементной продукции может занять целую страницу. Собственно об этом можно почитать нашу статью цемент в производстве бетона и ЖБИ

Основные виды цемента

  • Белый цемент

    Основное использование БЦ - изготовление строительных сухих смесей. По многим параметрам обгоняет обычный портландцемент: ускоренный набор прочности, повышенная стойкость к атмосферным воздействиям. Изначальная декоративность ЖБИ из БЦ позволяет эксплуатировать архитектурный железобетон - без дополнительной окраски и облицовки. ЖБИ из белого цемента - не темнеют, не выгорают, не желтеют от времени. Так же, БЦ используют в штукатурных растворах, для изготовления цветных поверхностей задекорированных под камень и т.д. Для этого, белый цемент смешивают с красящими пигментами.

  • Быстротвердеющий цемент

    Зачастую, цементы, включающие в свой состав активные минеральные добавки, пользуются более низким спросом, нежели их бездобавочные собратья по цементному цеху. Причина тому - более медленный темп схватывания добавочного цемента. А подобная затяжка способна внести свои коррективы в сроки оборачиваемости опалубки, в скорость бетонирования, да и в весь строительный процесс в целом. Для того, чтобы строители не были привязаны к затянутым срокам схватывания цемента с минеральными добавками, многие цементные заводы выпускают цемент быстротвердеющий. Причём, быстротвердеющими бывают как добавочные, так и бездобавочные виды цемента. Например: Предприятие Мордовцемент производит и продаёт бездобавочный быстротвердеющий цемент м500 д0 в мешках и навал.

  • Расширяющийся цемент

    РЦ получают из глиноземистого цемента и гипса. Отличается от остальных видов расширением при твердении. Почти все остальные виды дают усадку ( кроме ВБЦ и НЦ)

  • Водонепроницаемый безусадочный цемент

    В основном, применяется при: гидроизоляции монолитных конструкций, заделке швов между железобетонными элементами, герметизации различных стыков, сооружении водонепроницаемых бетонных емкостей для хранения различных жидкостей.

  • Гидрофобный цемент

    Цемент с введением специальных добавок, повышающих его стойкость к хранению и транспортировке во влажной среде, Так же, ГЦ используют, чтобы получить товарный бетон с повышенной влагонепроницаемостью и морозостойкостью до F1000

  • Глиноземистый цемент

    Он же - аллюминатный и бокситный. Основное преимущество - бетоны из такого вяжущего быстрее набирают прочность: до 50% за сутки. Процесс твердения сопровождается большим количеством тепла, что может быть актуально при зимнем бетонировании.

  • Напрягающий цемент.

    Расширяющийся при наборе прочности цемент, предназначенный для создания самонапряженных железобетонных конструкций, в т.ч. с использованием специальных видов арматуры. Растворы на таком вяжущем применяются при изготовлении трещиностойких (безусадочных), водонепроницаемых стыков, при капитальном ремонте и модернизации старых конструкций, увеличении их водонепроницаемости. Бетоны на основе НЦ - чемпионы по коэффициенту водонепроницаемости: до W20, что актуально при строительстве подвалов на грунтах с высоким УГВ, монолитных кровель, резервуаров, чаш бассейнов и т.д. - без устройства дополнительной гидроизоляции. Бетон, полученный из напрягающего цемента, первые 7-10 дней набора прочности должен находиться в среде с повышенной влажностью. Такие бетоны отличаются повышенной прочностью, влагонепроницаемостью и морозостойкостью.

  • Портландцемент

    Портландцемент. Самый распространённый и используемый вид. Наверно 99% цемента, используемого в строительстве это - портландцемент ПЦ.

  • Пуццолановый цемент

    Потрландцемент с введением добавок, содержащих тонкоизмельчённый активный кремнезём. Отличается увеличенным временем схватывания и пониженным тепловыделением. Что может быть актуально при бетонировании объемных конструкций. А именно: Крупные массивы свежеуложенного бетона вырабатывают большое количество тепла. Ведь гидратация цемента - всё же экзотермический процесс. Ну вырабатывают и вырабатывают, в чем проблема. А беда в том, что верхние слои бетона отдают тепло быстрее и больше, нежели те, что внутри. Теплопроводность то у бетона маленькая. Вот и получается неравномерность усадки. Одним словом - трескается.

  • Сульфатостойкий цемент

    СЦ обладает повышенной защитой от разрушающего действия солей (сульфаты натрия, магния). Подробней про цемент сульфатостойкий. Применяется в производстве сульфатостойких бетонных смесей. (гидротехнические сооружения и т.д)

  • Тампонажный цемент

    ТЦ применяют при тампонировании (заглушке) нефтяных и газовых скважин.

  • Шлаковый цемент

    ШЦ, получают из молотого доменного шлака, с введением добавок активизаторов: гипса, извести и т.д.

  • Цветной цемент

    ЦЦ получают введением в состав окрашивающих пигментов из белого цементного клинкера Основное предназначение ЦЦ - получение декоративных ЖБИ, не требующих дальнейшей обработки.

Марки цемента

Марочная прочность сродни марке бетона. Цифра марки соответствует устойчивости к осевому сжатию в кгс/кв.см или в МПа.
Как проверить марку цемента:

Определение марки осуществляют таким образом: замешивают раствор из цемента, с составом: 1:3, на стандартном песке, с водоцементным отношением 0.4. Из этого раствора в специальных формах отливаются балочки 4х4х16 см. Далее эти образцы помещают в специальную камеру либо просто накрывают колпаком ( не забыв поставить рядом сосуд с водой, для повышения влажности под колпаком). Выдерживают 24 часа. Затем балочки вынимают из опалубки-формы, и ставят в пропарочную камеру. Пропаривают и у полученных образцов проверяют прочность на изгиб. Используется специальный пресс. Полученные результаты умножают на соответствующие коэффициенты (для каждой марки цемента - они свои) и получают прочность на сжатие.

Импортный цемент уже давно маркируется в классах прочности на сжатие. Например: Cem 42.5 - минимальная (гарантированная) прочность на сжатие в возрасте 28 суток -42. 5 МПа.

Маркировка цемента в соответствии с ГОСТ 10178-85

  • тип – портландцемент, шлакопортландцемент. Указывается в виде аббревиатуры ПЦ и ШПЦ.
  • марка
  • наличие или отсутствие мин. добавок : д0, д5, д20 (процентный состав добавок). Например: м400 д20, или цемент м500 д0.
  • обозначение быстротвердеющего цемента литерой Б
  • пластификация и гидрофобизации цемента. Аббревиатуры ПЛ и ГФ.
  • обозначения цемента, изготовленного из клинкера нормированного состава. Литера Н
  • обозначения стандарта соответствия .

Классификация цемента в соответствии с ГОСТ 31108-2003.

У нас в России тоже постепенно вводятся классы цемента по прочности на сжатие. Пока это касается в основном портландцемента импортного производства. Наши российские цементные заводы не торопятся переходить на классы. Хотя, отдельные цемзаводы уже выпускают цемент, классифицируемый в соответствии с ГОСТ 31108-2003. Официальной датой начала "новой жизни" считается 1 января 2008 года. Именно тогда российским производителям цемента дали добро на новые обозначения. Однако, мало кто торопится это вводить в производство. Ну если только Мордовцемент полностью перешёл на новый ГОСТ. Большинство пока мечется. В общем, когда наконец произойдёт всеобщее "классовое равенство", основные характеристики портландцемента, в соответствии с ГОСТ 31108-2003, будут обозначаться так:

  • цем I - портландцемент
  • цем II – портландцемент с мин. добавками

Портландцемент с мин. добавками будет представлен в двух подтипах:

  • Подтип А - процентный состав мин добавок 6% - 20%,
  • Подтип В - присутствие в составе от 21 до 35% добавок.

Отличие по видам добавки: гранулированный шлак с литерой Ш, пуццолан – с литерой П. По классам прочности: 22,5; 32,5; 42,5 и 52,5, Цифры - обозначают минимальную (гарантированную) прочность цементного камня на сжатие в МПа в возрасте 28 суточного твердения.

Так же, для классов 32.5-52.5 вводятся дополнительные обозначения по прочности в возрасте 2 или 7 суток: литеры :Н нормальнотвердеющий, Б - быстротвердеющий. В виду того, что добавочные портландцементы отличаются более медленными сроками схватывания, что не совсем подходит для темпов современного строительства, цементные заводы выпускают портландцементы марок м400 д20Б и цем 42,5Б, входящие в категорию - быстротвердеющие. Уменьшение сроков набора прочности происходит за счёт применения цементного клинкера специального минералогического состава, либо за счёт более тонкого помола обычного цементного клинкера. Иногда, для ускорения сроков схватывания и твердения применяются специальные добавки для бетона.

Когда эта классификация портландцемента начнёт применяться в полной мере - остаётся только догадываться. Пока мы живём по своему стандарту. Причём, как и при производстве и продаже бетона: ну никак не хотим уходить от марок. Впрочем, это никому не мешает. Если так удобней заказчикам, то производители - не против :-)))

Предлагаем ознакомиться с другими материалами о цементе, размещёнными на нашем сайте.

Способы производства цемента - Завод строительных смесей "ВосЦем"

Процесс производства цемента состоит из следующих основных технологических операций: добычи сырьевых материалов; приготовления сырьевой смеси, обжига сырьевой смеси и получения цементного клинкера; помола клинкера в тонкий порошок с небольшим количеством некоторых добавок.

В зависимости от способа подготовки сырья к обжигу различают мокрый, сухой и комбинированный способы производства цементного клинкера.

При мокром способе производства измельчение сырьевых материалов, их перемешивание, усреднение и корректирование сырьевой смеси осуществляется в присутствии определенного количества воды. А при сухом способе все перечисленные операции выполняются с сухими материалами. Мокрый способ приготовления сырьевой смеси применяют, когда физические свойства сырьевых компонентов (пластичной глины, известняка, мела с высокой влажностью и т.д.) не позволяют организовывать экономичный технологический процесс производства сырьевой смеси по сухому способу производства. При комбинированном способе сырьевую смесь приготовляют по мокрому способу, затем ее максимально обезвоживают (фильтруют) на специальных установках и в виде полусухой массы обжигают в печи. Каждый из перечисленных способов имеет свои достоинства и недостатки.

Способ производства цемента выбирают в зависимости от технологических и технико-экономических факторов: свойств сырья, его однородности и влажности, наличия достаточной топливной базы и др.  

Мокрый способ производства цемента.

Сухой способ производства цемента.

Комбинированный способ производства цемента.

Производство цемента складывается в основном из следующий операций: добыча сырья; приготовления сырьевой смеси, состоящего из дробления и ее гомогенизации; обжига сырьевой смеси; помола обожженного продукта (клинкера) в тонкий порошок.

Существуют два основных способа производства – мокрый и сухой. При мокром способе производства сырьевую смесь измельчают и смешивают сырьевые материалы с водой. Получаемая сметанообразная жидкость – шлам – содержит 32-45% воды. По сухому способу сырьевые материалы предварительно высушивают, а затем измельчают и смешивают. Полученный тонкий порошок называют сырьевой мукой.

В зависимости от физических свойств исходных материалов и ряда других факторов при получении цемента по мокрому способу применяют разные схемы производства. Схемы эти отличаются одна от другой только способом приготовления сырьевой смеси. Приводим схему производства цемента по мокрому способу из твердого материала — известняка — и мягкого — глины.

При трехкомпонентной сырьевой смеси корректирующую добавку дробят, после чего она попадает в бункер, откуда вместе с известняком поступает в мельницу. Глину до болтушки пропускают через валковую дробилку. Сырьевые материалы дозируют перед мельницей специальными питателями.

Если при производстве по мокрому способу сырьевую смесь составляют из одних твердых материалов — известняка, мергелей и глинистых  сланцев, то их дробят в дробилках без добавки воды и размалывают совместно в мельнице, куда добавляют воду. В том случае в схеме отсутствует болтушка. При изготовлении цемента из одних мягких материалов (мела, глины, мягких мергелей) сырье измельчают в болтушках, после чего размалывают в более коротких шаровых мельницах. В этом случае воду добавляют в первой стадии процесса и материалы дозируют перед ,поступлением в болтушки.

При сухом способе производства выбор схемы зависит от рода поставляемого топлива, физических свойств сырья, мощности завода и ряда других факторов. При использовании для обжига клинкера угля с большим содержанием летучих обжиг ведут во вращающихся печах, — если же применяют топливо с малым содержанием летучих — то в шахтных.

Так как при соприкосновении мелкого порошка, образующегося при помоле, с влагой материала образуется пластичная масса, которая налипает на внутреннюю поверхность агрегата и препятствует дальнейшему помолу, то дробленые сырьевые материалы с естественной влажностью размалывать нельзя. Поэтому после выхода из дробилки сырьевые материалы высушивают и затем направляют в мельницу, где перемалывают в тонкий порошок. Однородные по физическим свойствам материалы можно дробить и сушить в одних и тех же аппаратах. В случае применения гранулированного шлака его подсушивают без предварительного дробления. Помол и сушку сырьевой смеси целесообразно вести одновременно в одном аппарате-мельнице — в том случае, если влажность сырьевых материалов не превышает 8-12%, например, при использовании известняков и глинистых сланцев. Если в качестве сырья используется непластичный глинистый компонент, то при сухом способе производства обжиг ведут только во вращающихся печах. При пластичном глинистом компоненте можно вести обжиг, как во вращающихся печах, так и в шахтных печах. В последнем случае сырьевую смесь вначале увлажняют в смесительных шнеках водой до 8-10%-ной влажности. Затем массу подают в грануляторы, где она вместе с дополнительно подводимой водой превращается в гранулы с влажностью 12-14%. Эти гранулы и поступают в печь.

При обжиге клинкера на газообразном или жидком топливе схема производства упрощается, так как отпадает необходимость в приготовлении угольного порошка.

В ряде случаев может оказаться целесообразным комбинированный способ производства, при котором сырьевая смесь в виде шлама, полученного при обычном мокром способе производства, подвергается обезвоживанию и грануляции, а затем обжигается в печах, работающих по сухому способу.

Выбор сухого или мокрого способа производства зависит от многих причин. Как тот, так и другой способ имеют ряд преимуществ и недостатков. При мокром способе легче получить однородную (гомогенизированную) сырьевую смесь, обуславливающую высокие качества клинкера. Поэтому при значительных колебаниях в химическом составе известнякового и глинистого компонента он целесообразнее. Этот способ используется и тогда, когда сырьевые материалы имеют высокую влажность, мягкую структуру и легко диспергируются водой. Наличие в глине посторонних примесей, для удаления которых необходимо отмучивание, также предопределяет выбор мокрого способа. Размол сырья в присутствии воды облегчается, и на измельчение расходуется меньше энергии. Недостаток мокрого способа — больший расход топлива. Если используют сырьевые материалы с большой влажностью, то расход тепла, затрачиваемого на сушку и обжиг, при сухом способе будет мало отличаться от расхода тепла на обжиг шлама при мокром способе. Поэтому сухой способ производства целесообразнее при сырье со сравнительно небольшой влажностью и однородным составом. Он же практикуется в случае, если в сырьевую смесь вместо глины вводят гранулированный доменный шлак. Его же применяют при использовании натуральных мергелей и тощих сортов каменного угля ,с малым содержанием летучих, сжигаемых в шахтных печах.

При изготовлении сырьевой смеси по любому способу необходимо стремиться к наиболее тонкому помолу, теснейшему смешению сырьевых материалов и к возможно большей однородности сырьевой смеси. Все это гарантирует однородность выпускаемого продукта и является одним из необходимых условий нормальной эксплуатации завода. Резкие колебания химического со·става сырьевой смеси нарушают ход производственного процесса. Высокая тонкость помола и совершенное смешение необходимы для того, чтобы химическое взаимодействие между отдельными составными частями сырьевой смеси прошло до конца в возможно более короткий срок.

При выборе той или другой схемы производства особое внимание следует обращать на рентабельность работы предприятия и возможность снижения себестоимости продукции. Основными мероприятиями, ведущими к снижению себестоимости являются: интенсификация производственных процессов, повышение коэффициента использования оборудования, рост выпуска цемента, повышение его качества (марки), снижение расхода топлива и электроэнергии, механизация производственных процессов и всех вспомогательных работ, автоматизация управления производственными процессами и некоторые другие.

Мощность цементных заводов устанавливают в зависимости от сырьевой базы и потребности района в цементе. На новых заводах она равна обычно 1-2 млн. т цемента в год. Характерным показателем производительности труда на цементных заводах является выпуск цемента на одного рабочего в год, который в 1963 г. составил 915 т. Выработка на одного работающего была 7-62 т. На заводах, оснащенных высокопроизводительным оборудованием, выработка цемента достигла соответственно 2000 и 1600 т.

На цементных заводах, а также на заводах по производству других вяжущих материалов приходится перемещать от одного аппарата к другому большие массы кускового порошкообразного и жидкого материала. Для транспортирования их применяют ковшовые элеваторы, шнеки, ленточные, пластинчатые и скребковые транспортеры, транспортные желоба, насосы, краны с грейферами. Для транспортирования порошкообразных материалов широко используют пневмовантовые и камерные насосы, а также пневмотранспортные желоба.

Транспортирование шлама имеет ряд особенностей, так как он представляет собой сметанообразную текучую массу, содержащую 32-45% воды. Чтобы уменьшить расход топлива на обжиг, стремятся снизить влажность шлама, а чтобы улучшить его транспортабельность, необходимо увеличить содержание воды. По условиям транспортабельности шлам должен течь по желобу, имеющему уклон в 2-4 %. Чем пластичнее сырьевые материалы, тем больше приходится добавлять воды для получения шлама нужной текучести. Обычно шлам транспортируется центробежными насосами.

На заводы сырьевые материалы доставляют из карьера в виде кусков размерами до 1000-1200 мм. Иногда сырьевые отделения расположены непосредственно на карьерах, откуда шлам поступает на заводы. Так, на Балаклейском цементном заводе отделение болтушек размещено на карьере. Сырьевые материалы в виде мела и глины поступают в дробилки, а затем в болтушки. Полученный глиняно-меловой шлам нормальной влажности перекачивается по шламопроводам на завод.

При выпуске цемента обычных марок сырьевые материалы и клинкер размалываются до остатка на сите №008 порядка 8-10%. Для получения цемента более высоких марок материалы размалываю тоньше — до остатка на том же сите около 5% и даже меньше. Измельчать сырьевые материалы до получения тонкого порошка в одном аппарате невозможно. Поэтому сначала материал подвергают в дробилках двyx — тpex стадийному дроблению до величины кусков, не превышающей 8-20 мм, а затем измельчают в мельницах в гонкий порошок с размерами зерен не более 0,06-0,10 мм, глину поступающую из карьера в кусках размером до 500 ММ, измельчают в валковых дробилках до кусков не больше 100 мм, а затем отмучивают в болтушках до получения глиняного шлама с влажностью 60-70%. Этот шлам и подают в сырьевую мельницу.

Удельный расход сырья зависит от его химического состава и зольности топлива и составляет 1,5-2,4 т на 1 т клинкера. Расход электроэнергии на 1 т выпускаемого цемента составляет 80-100 квт/ч.

Технология производства цемента: сырье, способы, оборудование

Для проведения строительных или ремонтных работ используют различные материалы, в том числе цемент разных видов и марок. Его используют для подготовки бетонных, кладочных, штукатурных растворов, для производства железобетонных изделий. Но при этом редко кто знаком с технологией производства цемента.

Состав цемента

Цементная смесь получается в результате смешивания ряда компонентов:

  1. Клинкера

    . Вещество основано на глине и известняке, используется для определения прочности материала. Производится путем обжига глины и известняка. Под воздействием высоких температур плавится, преображаясь в гранулированную фракцию с высоким содержанием кремнезема. Затем обжигается повторно.
  2. Гипса

    . Используется для регулирования процесса твердения цемента. Вводится в состав в количестве не более 5%.
  3. Активных минеральных добавок

    . Они способствуют улучшению свойств цементного состава и расширению области его использования.

При изготовлении продукции могут быть использованы другие добавки, например, окислы кальция, магния, фосфора, соли. Но они используются в небольших количествах. Их вносят для того, чтобы получить установленные характеристики — жаропрочность, кислотоустойчивость и пр.

Если технологический процесс позволяет, то в состав могут быть введены пластификаторы.

Их использование помогает получить следующие эксплуатационные характеристики:

  1. Препятствовать проникновению влаги в конструкцию.
  2. Уменьшение времени затвердевания.
  3. Увеличение прочности.
  4. Стойкость к колебаниям температур, влиянию агрессивных сред.

В зависимости от количества добавок выделяются несколько видов продукта:

  1. Портландцемент

    . Самая распространенная модификация, в составе которой около 80% силиката кальция. Используется при различных строительных работах. Добавление красящих веществ улучшает декоративные свойства цемента, позволяя использовать его для отделочных работ.
  2. Глиноземистый

    . Отличается ускоренным твердением. Благодаря этому свойству его используют на объектах, которым необходима срочная реставрация, например, устранение разрушений после аварий, пожаров.
  3. Магнезиальный

    . Основной компонент — оксид магния, добавляет составу прочности, повышает адгезию к древесине. Однако из-за повышенной склонности к коррозии используется редко.
  4. Кислотоупорный

    . В процессе изготовления в состав вносится наполнитель — гидроксиликат натрия, затворяющийся жидким стеклом. Используется в кислотостойких бетонах и растворах.

Производство цемента на заводах

Выпуском цементной смеси занимаются специализированные предприятия. Чтобы получить качественный продукт требуется специальное оборудование и знание технологии. От мощности предприятия и качества сырья зависит выбор способа производства цемента.

Технологический процесс предполагает выполнение ряда производственных этапов:

  1. Добыча сырья, в состав которого входит гипс, глина, известняк.
  2. Дробление известняка с приданием полученному продукту необходимой влажности.
  3. Измельчение известняка. Смешивание его с глиной. Концентрация компонентов может меняться. Все зависит от характеристик используемого сырья. В основном соотношение составляет 3:1. В результате получается комбинированный, сухой или мокрый шлам.
  4. Обжиг. Сырьевая масса отправляется в печь, разогретую до 1500 градусов, где спекается и превращается в гранулированную фракцию — клинкер.
  5. Измельчение. Клинкер в специальных мельницах измельчается до порошкообразного состояния.
  6. Подготовленные ингредиенты смешиваются в соответствии с рецептурой марки будущего цемента. В процессе смешивания добавляется гипс и специальные минеральные добавки.

Цементные составы изготавливаются по проверенным технологиям. В зависимости от состава и качества используемого сырья применяются разные методы подготовки исходных материалов.

Сухой способ

При производстве не используется вода. Основные материалы — глина и известняк, дробятся на специальном оборудовании. Сушатся, перемалываются в муку. Смешиваются при помощи пневматического инструмента и подаются на обжиг.

Клинкер, что образовался после обжига, измельчается до установленной фракции, фасуется в подготовленную тару и перевозится на склад. Производство цемента сухим способом позволяет снижать производственные затраты. Но требует повышенной однородности основных материалов. К тому же является опасным, с точки зрения экологии.

Мокрый способ

Преимуществом данного метода изготовления цемента является возможность точно подобрать необходимый состав шлама, несмотря на неоднородность исходного сырья. Шлам при таком способе приобретает жидкую консистенцию. В нем содержится около 40% жидкости.

Прежде чем сделать конечный продукт, шлам помещается в специальные технологические бассейны для корректировки состава. Затем отправляется во вращающиеся печи для обжига.

Температура обжига превышает 1000 градусов, поэтому изготовление цемента мокрым способом требует больших энергозатрат. Но дает возможность получать продукт высокого качества.

Комбинированные способы

Технология предполагает объединение сухого и мокрого способов производства цемента. Один из них может быть взят за основу, а второй — выступать в качестве дополнения. На разных предприятиях эти способы имеют различия. Все зависит от особенностей имеющегося оборудования для производства цемента, близости к месту добычи сырья, а также от потребностей на установленные марки продукта.

Если за основу взят мокрый метод, то сырье вначале смешивается, а затем обезвоживается в специальных сушилках с фильтрами почти до сухого состояния. Только после этой процедуры отправляется в печь. Такая технология позволяет уменьшать теплозатраты, поскольку в процессе обжига почти нет испарений.

Когда в основе лежит сухой способ, в процессе гранулирования готовой смеси используется вода. В обоих случаях влажность клинкера, отправляющегося в печь, около 10-18%.

Как делают белый цемент

Белый цемент, производство которого несколько отличается от технологии выпуска серого продукта, может выпускаться как мокрым, так и сухим способом. Отличается технология тем, что исходное сырье обжигается при высокой температуре и затем быстро охлаждается водой.

Клинкер этого вида продукции складывается из минеральных добавок, известняка, гипса, соли и других компонентов. Исходное сырье готовится из карбонатной и глинистой породы: известняка, каолиновой глины, отходов обогащения, кварцевого песка.

Основным достоинством и отличительной чертой белого цемента является его белоснежность. Но его производство обходится намного дороже по сравнению с серым продуктом.

Технология производства / Цементный завод АО «ХайдельбергЦемент Волга»

Технология производства цемента на АО «ХайдельбергЦемент Волга» является современный «сухой» способ.

 

Существует два основных способа производства цемента «мокрый» и «сухой».

Сегодня, главным недостатком российских цементных заводов является то, что они используют «мокрый» способ, который гораздо более энергоемкий, чем используемый в развитых странах мира «сухой» способ. Поэтому для компаний важно постепенно переходить на более прогрессивные энергосберегающие технологии. АО «ХайдельбергЦемент Волга» использует «сухой» способ производства цемента, что позволило предприятию сократить удельные расходы топлива, резко повысить производительность печей и помольного оборудования.

При сухом способе производства дробленые сырьевые материалы высушиваются и тонко измельчаются. Полученная сырьевая мука после корректирования и усреднения до заданного химического состава обжигается в печах. С использованием этого способа, на обжиг клинкера расходуется от 750 до 1200 ккал/кг клинкера, при «мокром» способе производства—от 1200 до 1600 и выше ккал/кг клинкера. «Сухой» способ производства экономически целесообразен тогда, когда сырьевые материалы имеют низкую влажность и по возможности однородный химический состав, и в результате суммарный расход тепла на сушку сырьевых материалов и на обжиг клинкера ниже, чем расход тепла на обжиг этих материалов при мокром способе производства

 

Основные технологические этапы производства цемента.
  • 1. Добыча и транспортировка сырья из карьера к приемному бункеру цеха «Сушка сырья».
  • 2. Дробление, сушка сырьевых компонентов, транспортирование в арочный склад, для усреднения и хранения.
  • 3. Доставка на крытый склад железосодержащих компонентов автотранспортом.
  • 4. Транспортировка сырьевых компонентов из арочного склада на станцию дозирования. Дозировка сырьевых компонентов, получение сырьевой смеси, транспортировка до цеха «Помол сырья».
  • 5. Помол сырьевой смеси, совмещенный с сушкой, подача готовой сырьевой муки в силос сырьевой муки.
  • 6. Дозированная подача готовой сырьевой муки из силоса в теплообменник цеха «Обжиг».
  • 7. Обжиг сырьевой муки во вращающейся печи с декарбонизатором и одноветьевым пятиступенчатым циклонным теплообменником.
  • 8. Охлаждение готового клинкера и доставка его в силос клинкера для хранения.
  • 9. Дробление и при необходимости сушка добавок для введения их в цемент, транспортировка добавок в силоса.
  • 10. Дозировка компонентов для получения цемента. В зависимости от марки цемента.
  • 11. Помол цемента в замкнутом цикле, транспортировка готовой продукции до силосов цемента.
  • 12. Хранение и отгрузка цемента.

На всех технологических переделах контроль качества заводской лабораторией. Все виды цементов прошли обязательную сертификацию.

Технология производства цемента

Технология производства цемента довольно сложна, это поэтапный высокотехничный процесс. Причем качество конечного продукта зависит от множества факторов, которые непременно нужно учитывать. Из-за популярности и, можно сказать, универсальности данного строительного материала, конкуренция среди производителей велика. Потребитель же выбирает товар, исходя не только из его стоимости, но и характеристик.

Технология изготовления цемента: этапы

Строго говоря, есть две основных фазы в производстве цемента. Это изготовление клинкера из шлама либо сухой шихты (та, в свою очередь, получается из смеси природных материалов) и изготовление самого портландцемента методом измельчения гранул клинкера с добавками. Если говорить о первом этапе более подробно, то следует упомянуть разные способы получения клинкера.

  1. Технология производства цемента сухим способом – составные части будущего клинкера (известняк, мел, глина, уголь, мергель) высушиваются в сушильных барабанах и измельчаются в порошкообразную массу. После этого смешиваются без использования воды – получается сухая шихта. Этот метод экономически целесообразен, если уровень влажности сырья достаточно низок – до 12 процентов. Тогда затраты на сушку компонентов ниже, чем расходы на мокрый метод.
  2. Технология производства цемента мокрым способом предполагает использование воды. Из исходного сырья получается шлам с уровнем влажности от 30 до 50 процентов. Вещество перемешивается до однородного состояния и измельчается. После этого шлам подается в печь, предназначенную для обжига клинкера, где поддерживается температура более 1400 градусов Цельсия. На этом первый этап обработки завершается.
  3. Технология получения цемента смешанным способом представляет собой соединение обоих перечисленных выше методов. В результате получается клинкер с усредненным показателем влажности – около 20 процентов. При этом изначально сухая шихта искусственно увлажняется, а мокрая – высушивается до нужного состояния. Далее этот материал также поступает на обжиг.

Ресурсосберегающая технология цемента

Шлаки металлургического производства (мартена, доменных печей и т.д.) могут использоваться в качестве сырья для производства цемента. Это не только удешевляет процесс изготовления, но и решает вопрос переработки шлаков. Щелочным компонентом при этом может быть щелочной раствор, который применяется с целью очистки металлических отливок. К сожалению, вместо рационального использования полезные материалы чаще попадают в шламонакопители.

Для производства шлакощелочного цемента технология будет несколько отличаться от метода изготовления портландцемента. Измельченный шлак смешивается с щелочной составляющей. Характеристики полученного материала также отличны от параметров портландцемента. Так, шлакощелочной бетон более морозостоек благодаря меньшей пористости цементной пасты. Шлакощелочной цемент не является хромосодержащим веществом (а портландцемент может содержать в разных количествах водорастворимые соединения хрома).

В производстве шлакощелочного цемента новые технологии почти не применяются – это давно известный материал, изобретенный еще в XIX веке. Однако в нашей стране этот метод изготовления цемента до сих пор не имеет столь обширного распространения, как за рубежом.

Технология производства | Газметаллпроект




Технология производства портландцемента

Портландцемент – это гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе и представляющее собой продукт тонкого измельчения клинкера, получаемого путем обжига до спекания искусственной сырьевой смеси.
Производство портландцемента включает в себя следующие основные этапы: добыча сырья; приготовление сырьевой смеси; обжиг сырьевой смеси и получение клинкера; совместный помол клинкера с гипсом, а в некоторых случаях также с различными добавками, способными придать портландцементу специальные свойства, причем первые три этапа являются наиболее энергоемкими и дорогостоящими, на них приходится около 70% себестоимости цемента.

При производстве портландцемента необходимо сочетание в сырьевой смеси карбонатного и глинистого компонентов, которые в разных пропорциях содержатся в мергеле – горной породе, их которой состоят склоны Маркхотского хребта. Помимо основных материалов при производстве портландцемента используются также различные корректирующие добавки (железосодержащие, алюминатные и т.д.).
Добыча мергеля осуществляется открытым способом в карьерах. Карьеры мергеля разрабатываются горизонтальными уступами высотой от 15до 20м. Основными процессами при добыче и переработке мергеля являются производство вскрышных работ, разрушение и добыча материала, погрузка экскаваторами и внутрикарьерное транспортирование карьерными самосвалами. Мергель из карьера поступает в дробильное отделение, где подвергается одно – либо двухстадийному дроблению в щековых, ударно – отражательных, молотковых дробилках. Дробленый мергель по системе транспортеров поступает на склад.



Существует два основных способа производства портландцемента – «мокрый» и «сухой».При «мокром» способе производства сырьевые материалы измельчают в помольных установках в присутствии воды, в результате чего получается текучая сметанообразная масса, называемая шламом, с влажностью 37 - 38%. Полученная таким образом сырьевая смесь подается на обжиг в длинную вращающуюся печь с внутрипечными теплообменными устройствами.
Типоразмеры вращающихся печей мокрого способа производства: Ø5х185м; Ø4х150м; Ø4х3,6х4х150м. 

Печь «мокрого» способа производства можно условно разделить на 6 технологических зон: сушки, подогрева, кальцинирования (декарбонизации), экзотермических реакций, спекания и охлаждения. Во вращающейся печи под воздействием высокой температуры (1450оС) сырьевая смесь претерпевает физико - химические превращения, в результате чего получается клинкер, представляющий собой твердые гранулы серого цвета диаметром от 5 до 20мм.

При «сухом» способе производства помол сырьевых материалов осуществляется с одновременной сушкой, в результате чего получается сырьевая мука с влажностью не более 1%, которая подается на обжиг в короткую вращающуюся печь с запечными теплообменными устройствами: циклонными теплообменниками и декарбонизатором. 

Типоразмеры вращающихся печей «сухого» способа производства: Ø5,5х66м; Ø 5,2х65м. Во вращающейся печи «сухого» способа производства отсутствуют зоны сушки, остальные зоны и процессы, происходящие в них, аналогичны таковым печи «мокрого» способа. Процессы дегидратации и почти полностью - декарбонизации сырьевой смеси происходят в циклонных теплообменниках и декарбонизаторе, откуда сырьевая смесь поступает в короткую вращающуюся печь.

Существует также комбинированный способ производства портландцемента, который предполагает либо частичное обезвоживание шлама (до 16-18%) с применением вакуум – фильтров и концентраторов шлама, либо увлажнение сырьевой муки до влажности 10-14%, грануляцию сырьевой смеси и подачу ее на обжиг в короткую вращающуюся печь.

При выборе способа производства учитываются различные факторы: однородность химического состава сырьевых материалов, их физико – механические характеристики.

В настоящее время наиболее востребован «сухой» способ производства цемента, как более экономичный: удельный расход условного топлива на 1 тонну клинкера при «сухом» способе производства в два раза меньше, чем удельный расход условного топлива при «мокром» способе производства.

Экономия топлива является решающим аргументом в пользу «сухого» способа производства, так как одной из наибольших статей затрат при производстве портландцемента является расход условного топлива на обжиг клинкера.
Полученный одним из способов портландцементный клинкер после охлаждения поступает на склад клинкера и добавок.

Для получения портландцемента клинкер подвергается тонкому измельчению в мельничных агрегатах совместно с гипсом (применяется для регулирования сроков схватывания цементного теста), а также при производстве некоторых видов цемента - с различными добавками.
Готовый цемент по системе цементопроводов подается на хранение в специально оборудованные силосы, откуда отгружается потребителю в таре либо навалом в вагоны – цементовозы или автотранспорт.

Технология производства цемента на заводе

В строительных работах цемент потребляется как самостоятельное сырье, так и в качестве компонента в составе (бетон или железобетон). Процесс изготовления трудозатратный и дорогой. Используемые производителями технологии напрямую влияют на качество сырья и его окончательную стоимость.

Базовый состав цемента одинаковый для всех видов. Цемент делают из глиняной породы, из которой изготавливается клинкер. От типа обработки зависят технические характеристики. Около 15% состава занимают минеральные добавки (только в точном соотношении с установленными государственными стандартами). Если процентное соотношение добавок будет нарушено, то свойства цементного раствора будут изменены. У раствора есть название — пуццолановый цемент.

На качество материала оказывает непосредственное влияние технология его производства:

  • зернистость помола влияет на степень застывания бетона и его прочность. Чем меньший размер имеет помол, тем прочнее раствор;
  • чтобы увеличить пластичность цементной смеси, в нее добавляют пластифицирующие компоненты органического и неорганического происхождения;
  • на уровень тепловыделения также влияют используемые добавки. Специальные вещества способны оказывать воздействие на количество и скорость выделения тепла.

Сегодня производители предлагают потребителю огромное количество видов цемента, которые следует использовать в зависимости от условий труда и особенностей строения. Но технологии производства остаются стандартными.

Этапы производства цемента

Изготовление цемента следует разделить на два основных этапа: получение клинкера и помол составляющих. Клинкер — смесь природного характера, обычно она изготавливается из извести (около 75%) и глины (около 25%). Компоненты прошли обжиг в специальных печах под воздействием высокой температуры. Возможен вариант замены глины на другие компоненты природного происхождения, например, трепел или доломит.

В природе можно найти уже готовый клинкер, который не нуждается в обжиге. Это мергель — горная порода. Но материала в природе настолько мало, что производители отдают предпочтение искусственно сделанного клинкеру.

Второй этап заключается в тщательном перемешивании составляющих клинкера в особых емкостях. Затем смесь проходит продолжительный обжиг в печах, что дает возможность компонентам вступить во взаимосвязь друг с другом. В результате глина и известь образуют небольшие шарики, величиной с грецкий орех. Затем компоненты смешиваются снова и измельчаются.

Технология производства цемента

Технология получения цемента имеет свои особенности, в зависимости от способа: мокрого, сухого или комбинированного.

Технология производства цемента сухим способом

Этот метод является экономически выгодным, поэтому используется практически на каждом производстве. Его особенность заключается в том, что на каждом этапе работы компоненты остаются сухими. Основа производства материала базируется на химических и физических характеристиках используемого сырья.

Все элементы проходят дополнительную сушку, а затем измельчаются до порошкообразного состояния. Компоненты смешиваются, другими словами, проходят этап гомогенизации. В итоге получается гомогенизационный силос или мука. Затем сырьевую муку отправляют в печь для прохождения деликатного обжига. Полученная смесь называется клинкер.

В следующей мельнице в клинкер вносятся всевозможные добавки (в зависимости от типа цемента). Затем компоненты снова измельчаются и микшуются. После этого сырье отправляется на сохранение в бункер. Там цемент комплектуется в мешки различной емкости и следует на отгрузку.

Технология производства цемента мокрым способом

Создание цементной смеси с добавление жидкости — менее популярный метод в сравнении с предыдущим. В его производстве используются карбонатный мел, силикатная глина. Возможно применение железосодержащих добавок, например, конверторного шлама, пиритных остатков.

Глину, которую планируется использовать, обрабатывают в специальных вальцевых системах дробления, крошат до величины гранул от 0 до 100 мм. Состав направляется в болтушки для последующего отмачивания. Это позволяет создать шлам, с уровнем влажности около 70%. Компоненты, которые входят в состав смеси, смешиваются и измельчаются с использованием заданного процента влаги. В конечном счете, получается шихта с уровнем влажности в пределах 30-50%.

На данной стадии смесь проходит контроль качества. Если ее показатели соответствуют стандартам, то она обжигается под воздействием высоких температур, превращаемого в миниатюрные зерна. Их также следует перемолоть до порошкообразного вида. Данная технология трудозатратная, поэтому используется в формировании некоторых растворов.

Технология производства цемента комбинированным способом

Данная технология объединила сразу два метода производства цемента. В барабане для измельчения шлам проходит этап принудительного увлажнения до 40-45%. Затем состав проходит через фильтры с целью его обезвоживания. Затем состав доставляется на прогрев, что дополнительно уменьшает содержание жидкости.

После этого цементная масса отправляется на прогревание, где постоянно перемешивается. Готовый продукт направляется на сохранение и для последующего фасования в мешки.

Изготовление белого цементного раствора

Производство белого цемента нуждается в отдельном рассмотрении. Материал широко используется в отделке поверхностей. После высыхания приобретает белый цвет.

В соединение смеси входят мергель, известняк, мрамор, песок и глина, но в меньшей степени в сравнении с серым цементом. Большую часть смеси занимает мраморная крошка. В смеси также допускается присутствие красящих окислительных элементов: железа, хрома, марганца, титана и других. Мел и каолин придают раствору белесый оттенок. К чистоте используемой воды предъявляются высокие требования, ее процент в общей массе не более 45%. Материал проходит несколько уровней очистки, поэтому на исходе получается цемент высокого качества. Обрабатываемая раствором из белого цемента поверхность не имеет изъянов.

Измельчение клинкера продолжается в мельничном агрегате, в котором установлена специфическая облицовка. Деликатность измельчения белого цемента гораздо выше, чем обычного серого. Поэтому смесь производится двух марок М400 и М500. Изделия из белого цемента не осыпаются, не разрушаются, за ними легко ухаживать. Поэтому материал применяется в создании разнообразных архитектурных строений и форм.

Важно отметить, что белоснежный цвет материала позволяет создавать другие оттенки. На заключительном этапе производства в смесь вносится определенный процент пигментных добавок.

Для производства каждого вида цемента используется особое оборудование, а производители придерживаются определенной последовательности действий. Поэтому рекомендуется приобретать цемент у производителей, которые уже зарекомендовали себя на строительном рынке, сопровождают свою продукцию сертификатами качества.

Производство цемента | Центр и сеть климатических технологий

Цемент - это глобальный товар, производимый на тысячах заводов. Отрасль консолидируется во всем мире, но на долю крупных международных компаний приходится лишь 30% мирового рынка. Основным и наиболее заметным рынком цемента является строительная промышленность, где он используется в различных областях, где он смешивается с водой для изготовления бетона. В большинстве современных проектов гражданского строительства, офисных зданий, квартир и жилых домов используется бетон, часто в сочетании с системами стальной арматуры.По данным UNEPTIE, во многих развитых странах рост рынка очень медленный, и цемент в больших объемах используется в основном для строительства инфраструктуры. На рынках развивающихся стран (например, Китая) темпы роста более высокие. Поскольку цементная промышленность носит одновременно глобальный и локальный характер, она сталкивается с уникальным набором проблем, которые привлекают внимание как на местном, так и на международном уровне.

На цемент приходится 83% общего потребления энергии при производстве неметаллических полезных ископаемых и 94% выбросов CO2. Энергия составляет от 20% до 40% общей стоимости производства цемента.Производство цементного клинкера из известняка и мела путем нагревания известняка до температур выше 950 ° C является основным энергоемким процессом. Портландцемент, наиболее широко используемый тип цемента, содержит 95% цементного клинкера. Большое количество электроэнергии используется для измельчения сырья и готового цемента.

В процессе производства клинкера также выделяется CO2 в качестве побочного продукта при кальцинировании известняка. Эти технологические выбросы не связаны с использованием энергии и составляют около 3,5% выбросов CO2 во всем мире и 57% общих выбросов CO2 от производства цемента.Выбросы при кальцинировании известняка нельзя уменьшить за счет мер по повышению энергоэффективности или замены топлива, но их можно уменьшить за счет производства смешанного цемента и выбора сырья.

Введение

Цемент - это глобальный товар, производимый на тысячах заводов. Промышленность консолидируется во всем мире, но на крупные международные фирмы приходится лишь 30% мирового рынка (European Commission, 1997). Основным и наиболее заметным рынком цемента является строительная промышленность, где он используется в различных областях, где он смешивается с водой для изготовления бетона.На обрабатывающую промышленность в целом приходится треть мирового потребления энергии. Прямые выбросы промышленной энергии и технологического CO2 составляют 6,7 гигатонн (Гт), что составляет около 25% от общих мировых выбросов, из которых 30% приходится на металлургическую промышленность, 27% - на неметаллические полезные ископаемые (в основном цемент) и 16% - на химическое и нефтехимическое производство (IEA, 2008). Производство цемента включает нагрев, кальцинирование и спекание смешанных и измельченных материалов для образования кликера. В результате производство цемента является третьей по величине причиной антропогенных выбросов CO2 из-за производства извести, ключевого ингредиента цемента.Следовательно, экономия энергии при производстве цемента может снизить воздействие на окружающую среду. В цементно-бетонной промышленности повышение энергоэффективности и сокращение выбросов CO2 может быть достигнуто в основном с помощью двух процедур: (i) путем изменения производственных процессов и (ii) путем корректировки химического состава цемента. Производство и производственные процессы можно улучшить, изменив управление энергопотреблением и вложив средства в новое оборудование и / или модернизацию. Было продемонстрировано, что изменения в химическом составе цемента способствуют экономии энергии и сокращению выбросов CO2, но их широкому распространению пока препятствует тот факт, что разработка нового промышленного стандарта сложна и требует времени.Это, в частности, относится к цементной промышленности, которая является высоко капиталоемким и конкурентоспособным сектором с длительным экономическим сроком службы существующих предприятий, так что изменения в существующем капитале не могут быть легко внесены.

Наибольшие возможности для повышения энергоэффективности и сокращения выбросов CO2 могут быть достигнуты за счет улучшения процесса производства цемента. В цементной промышленности пиропроцессинг (переработка сырья в цемент при высокой температуре, например, выше 8000 ° C) является очень распространенной технологической процедурой, на которую приходится 74% потребления энергии в мировой цементной / бетонной промышленности. Поскольку термический КПД за счет использования этой традиционной технологии пиропроцессинга в среднем немного превышает 30% (Mersmann, 2007), существуют значительные возможности для улучшений. На измельчение и помол приходится 5,8% энергопотребления цемента / бетона (Choate, 2003). Эти операции имеют энергоэффективность от 6 до 25%, а также предоставляют большие возможности для экономии энергии.На следующем рисунке представлен процесс производства цемента.

Потенциальные возможности для повышения энергоэффективности и снижения выбросов CO2 при производстве сырья и производстве бетона меньше, чем при производстве цемента. Например, выбросы CO2 во время транспортировки можно уменьшить, заменив дизельное топливо биодизелем. Обычно повышение энергоэффективности пропорционально сокращает выбросы CO2, образующегося при сжигании ископаемого топлива и производстве электроэнергии.Однако следует отметить, что сокращение выбросов CO2 от производства цемента на процент, пропорциональный повышению энергоэффективности, невозможно. Более половины выбросов CO2, связанных с цементом / бетоном, являются результатом химических реакций, необходимых для преобразования сырья, а не результатом энергии, необходимой для этих реакций. Например, если топливо с почти нулевым выбросом CO2 (например, ядерная энергия, биомасса) использовалось для всех нужд пиропроцессинга в энергии, то выбросы CO2 можно было бы сократить на 54%.

Еще один способ сократить выбросы - заменить ископаемое топливо отходами или биомассой. Цементные печи хорошо подходят для сжигания отходов из-за их высокой температуры процесса, а также из-за того, что клинкерный продукт и известняковое сырье действуют как газоочистители. Использованные шины, древесина, пластмассы, химикаты и другие виды отходов сжигаются в цементных печах в больших количествах. Заводы в Бельгии, Франции, Германии, Нидерландах и Швейцарии достигли среднего уровня замещения от 35% до более 70%.Некоторые отдельные заводы даже достигли 100% -ной замены с использованием соответствующих отходов. Однако очень высокие показатели замещения могут быть достигнуты только при наличии специальной системы предварительной обработки и наблюдения. Например, твердые бытовые отходы необходимо предварительно обработать для получения однородной теплотворной способности и характеристик корма. Цементная промышленность в Соединенных Штатах сжигает 53 миллиона изношенных шин в год, что составляет 41% всех сгоревших шин, что эквивалентно 0,39 Мт или 15 ПДж.Около 50 миллионов шин, или 20% от общего количества, по-прежнему используются на свалках. Еще один потенциальный источник энергии - ковры: около 100 ПДж в год выбрасываются на свалки - вместо этого их можно сжигать в цементных печах. Хотя эти альтернативные материалы широко используются, их использование все еще вызывает споры, поскольку цементные печи не подлежат такому же жесткому контролю выбросов, как установки для сжигания отходов. Согласно статистике МЭА, цементная промышленность в странах ОЭСР в 2005 году использовала 1,6 млн тнэ горючих возобновляемых источников энергии и отходов, половина из которых - промышленные отходы, а половина - древесные отходы (Taylor, 2006).Во всем мире сектор потреблял 2,7 Мтнэ биомассы и 0,8 Мтнэ отходов. Это составляет менее 2% от общего расхода топлива в этом секторе. С технической точки зрения использование альтернативных видов топлива может быть увеличено с 24 до 48 Мтнэ, хотя между регионами будут различия из-за разной доступности таких видов топлива. Это приведет к сокращению выбросов CO2 в диапазоне от 100 до 200 млн тонн в год.

Еще один способ снизить энергетические и технологические выбросы при производстве цемента - это смешивание цементов с увеличенными долями альтернативного (не клинкерного) сырья, такого как вулканический пепел, гранулированный доменный шлак от производства чугуна или летучая зола от сжигания угля. выработка энергии.Использование таких смешанных цементов широко варьируется от страны к стране. Он высокий в континентальной Европе, но низкий в Соединенных Штатах и ​​Великобритании. В США и Китае другие заменители клинкера добавляют непосредственно на стадии изготовления бетона. В долгосрочной перспективе цементу не хватает жизнеспособной безуглеродной альтернативы, и сценарии МЭА предполагают сильную зависимость от цементных печей для улавливания и хранения углерода (CCS) с кислородным топливом (IEA, 2008).

Осуществимость технологий и производственные потребности

В процессе пиропроцессинга цемента важно помнить, что отходы горят и горят при разных температурах и в разных условиях.Следовательно, твердые топливные отходы необходимо вводить в печь таким образом, чтобы они не влияли существенно на температурный профиль и химические реакции в процессе пиропроцессинга в целом. Иногда необходимо добавлять твердые отходы через люк или клапан в кожухе печи, что представляет собой техническую проблему и частично компенсирует повышение эффективности и сокращение выбросов CO2. Наконец, получение и обращение с альтернативным или отработанным топливом может вызвать техническую ответственность и политические проблемы.Компании-производители цемента не хотят, чтобы их называли обработчиками опасных отходов, и окружающие сообщества могут беспокоиться о транспортировке и обращении с опасными отходами на ближайшем цементном заводе.

Кроме того, смешанные цементы предоставляют большие возможности для энергосбережения и сокращения выбросов, но их использование во многих случаях потребует пересмотра строительных стандартов, кодексов и практик.

Из этапов цепочки производства цемента операции измельчения и помола достаточно энергоэффективны.Как упоминалось ранее, типичные системы обычно работают с энергоэффективностью на месте от 6 до 25% (Министерство энергетики США, 2003). Повышение энергоэффективности измельчения и измельчения можно повысить за счет использования современных систем мельниц, которые включают несколько единиц технологического оборудования с двухвалковыми прессами высокого давления, трубными мельницами, шаровыми мельницами и обычными или высокоэффективными сепараторами (IEA, 2009).

Состояние технологии и ее будущий рыночный потенциал

Основной потенциал в снижении энергопотребления и выбросов CO2 при производстве цемента / бетона заключается в улучшении пиропроцессинга цемента.Пиропереработка превращает сырую смесь в клинкер. В настоящее время около 78% производства цемента в Европе приходится на сухие печи, еще 16% производства приходится на полусухие и полумокрые печи, а оставшаяся часть европейского производства, около 6%, приходится на мокрые печи. технологические печи. Как правило, ожидается, что при обновлении печи мокрого процесса, работающие в Европе, будут преобразованы в системы обжига сухого процесса, как и системы обжиговых печей полусухого и полумокрого процессов. В среднем системы пиропереработки в ЕС и США работают с термическим КПД ниже 35%, что довольно мало.В развивающихся странах этот процент еще ниже (Карстенсен, без даты). Эти улучшения процесса будут происходить за счет лучшего управления энергопотреблением, модернизации существующего оборудования (например, замена мокрых печей, модернизация до подогревателей и прекальцинаторов), внедрения новых технологий пиропроцессинга (например, систем с псевдоожиженным слоем) и, в более долгосрочной перспективе, выполнения НИОКР, необходимых для разработки новых концепции процессов производства цемента.

Япония является ведущей страной в области энергоэффективности в цементном секторе.Европа (в среднем 4,1 ГДж / т цемента) не могла конкурировать с Японией (3,1 ГДж / т), но многие другие части мира демонстрируют гораздо более высокие модели энергопотребления, например средний уровень энергопотребления в США (5,3 ГДж / т) или в Китае намного выше, чем в среднем по Европе (Worrell et al., 2004).

Типичные балансы энергии для основных систем пиропроцессинга показаны ниже. Эти балансы показывают, где происходят потери энергии и, таким образом, представляют возможность для повышения энергоэффективности и снижения выбросов CO2 на основе топлива.В частности, таблица показывает, что можно добиться значительных улучшений, если перейти от мокрого цементирования к сухому. Отдельные области использования энергии (например, разгрузка клинкера, оболочка печи и т. Д.) В таблице показывают площадь и величину возможностей, доступных для управления потерями энергии путем улучшения конкретного оборудования или методов.

Посредством энергетических аудитов, включая тестирование производительности печной системы и расчет баланса массы и тепла, можно определить конкретные возможности повышения энергоэффективности и снижения выбросов CO2.Энергетический аудит производства цемента должен как минимум рассматривать использование энергии и рекомендовать возможные действия, такие как:

  • Нижние потери газа на выходе из печи
    • установить устройства, обеспечивающие лучшую кондуктивную теплопередачу от газов к материалам, например цепи печи
    • работают при оптимальном уровне кислорода (контроль подачи воздуха для горения)
    • Оптимизация формы и температуры пламени горелки
    • увеличить или увеличить мощность подогревателя
  • Более низкие возможности поглощения влаги для сырьевой муки и топлива: устранение необходимости испарения адсорбированной воды
  • Уменьшение количества пыли в выхлопных газах за счет сведения к минимуму турбулентности газа: пыль уносит энергию из печи, где она улавливается пылесборниками; пыль перерабатывается в сырьевую муку и подается в печь, где ее повторно нагревают
  • Более низкая температура на выходе клинкера, сохранение большего количества тепла в системе пиропереработки
  • Нижняя температура дымовой трубы охладителя клинкера
    • рециркулировать избыток более холодного воздуха
    • регенерировать более холодный воздух, используя его для сушки сырья и топлива или подогрева топлива или воздуха
  • Снижение потерь излучения в печи за счет использования правильной смеси и более энергоэффективных огнеупоров для контроля температурных зон печи
    • Нижняя утечка холодного воздуха
    • закрыть ненужные отверстия
    • обеспечивают более энергоэффективные уплотнения
    • работают с максимально высокой температурой первичного воздуха
  • Оптимизируйте работу печи, чтобы избежать сбоев.

Производство цемента мокрым способом включает смешивание сырья (известняк и глина или суглинок) с водой для получения суспензии. Далее в процессе из гомогенизированной смеси испаряется вода, и этот этап производства требует значительного количества энергии. Сырьевая мука (высушенный шлам) подвергается воздействию высоких температур во вращающейся печи, где происходит реакция прокаливания (ее конечными продуктами являются известь и CO2). На известь также влияют температуры от 1400 до 1450 ° C.Эта реакция, называемая спеканием, приводит к образованию клинкера. Заключительный этап производства цемента - тонкое измельчение клинкера и смешивание вещества с минеральными компонентами, такими как шлак, летучая зола или гипс.

В случае производства сухого цемента сырье смешивается без воды, поэтому процесс испарения можно не проводить. Последняя технология может снизить потребление энергии от «мокрого» до «сухого» процесса более чем на 50%.

Существующие технологии в цементной промышленности можно модернизировать несколькими способами.В Таблице 26-3 показано, основанное на данных цементных заводов США, влияние возможных мер по модернизации, таких как переход от мокрых процессов к сухим и в рамках последней категории, влияние использования технологий подогревателя и прекальцинатора. Таблица показывает, что, если все заводы в США модернизируют свою пиропроцессинг до уровня лучших заводов США (т.е. система сухого процесса с подогревателем с технологией прекальцинатора), промышленность снизит потребление энергии на 30% до примерно 3 407 650 Джоулей / тонну цементировать и сократить выбросы CO2 на 13% до 75.3 млн т / год.

Что касается новых технологий в цементном секторе, несколько технологий проходят испытания и демонстрируются, например, печи с псевдоожиженным слоем. С середины 1990-х годов было разработано несколько опытных образцов крупномасштабных печей с псевдоожиженным слоем (200 т / день), которые продемонстрировали значительную экономию энергии. Например, по оценкам, полномасштабная система с псевдоожиженным слоем (3000 т / день) будет столь же эффективна, как самая передовая обжиговая печь в США, использующая подогреватель и прекальцинатор, и на 37% эффективнее, чем средняя установка в США.Для систем с псевдоожиженным слоем требуемые капитальные затраты примерно на 12% ниже, чем у современного цементного завода, а их эксплуатационные расходы составляют около 75% от эксплуатационных расходов современного цементного завода (Министерство энергетики США, 2003). Однако по сравнению с более старыми, полностью капитализированными установками на базе печей, системы с псевдоожиженным слоем относительно дороги, поэтому их, вероятно, следует рассматривать только для будущего расширения мощности. Еще одним препятствием для внедрения систем с псевдоожиженным слоем является нежелание вкладывать средства в такие большие капитальные затраты, поскольку системы были продемонстрированы только на небольших предприятиях.

Цементные заводы, учитывая их крупномасштабный спрос на промышленную тепловую энергию, предлагают возможности для комбинированного производства электроэнергии и / или пара, особенно если система когенерации является частью первоначального проекта завода. Это может значительно повысить общую энергоэффективность некоторых производственных операций. В настоящее время пять заводов по производству цемента вырабатывают электроэнергию на месте за счет когенерации (Министерство энергетики США, 2003 г.). Более того, использование отработанного тепла в системах теплообмена подогревателя обычно более энергоэффективно, чем когенерация электроэнергии с присущей ему низкой эффективностью преобразования тепловой энергии в электрическую (обычно для производства 1 кВтч требуется около 10 481 Джоулей).Хотя совместное производство пара на цементном заводе возможно, цементные заводы обычно требуют небольшого количества пара и расположены в изолированных районах, где рынки для избыточного производства пара часто недоступны.

Вклад технологий в экономическое развитие (включая поддержку энергетического рынка)

Важным преимуществом повышения энергоэффективности в цементной промышленности могло бы стать снижение затрат на электроэнергию. В целом, в цементной промышленности ЕС расходы на электроэнергию составляют около 40% от общих производственных затрат, в то время как европейские технологии производства цемента являются одними из самых энергоэффективных в мире.С 1970-х годов в Европе энергия, необходимая для производства цемента, упала примерно на 30%, а возможности для дальнейших улучшений стали довольно небольшими. Однако в других частях мира по-прежнему возможна более значительная экономия на энергозатратах.

В производстве цемента рентабельное повышение эффективности от 10% до 20% уже возможно при использовании коммерчески доступных технологий. Энергоемкость большинства промышленных процессов как минимум на 50% выше теоретического минимума, определяемого основными законами термодинамики.Энергоэффективность обычно ниже в регионах с низкими ценами на энергию. Комплексные технологии для двигателей и паровых систем позволят повысить эффективность во всех отраслях промышленности с типичной экономией энергии в диапазоне от 15% до 30%. Срок окупаемости может составлять всего два года, и в лучшем случае финансовая экономия в течение срока эксплуатации улучшенных систем может достигать 30–50%. В тех процессах, где эффективность близка к практическому максимуму, инновации в материалах и процессах позволят получить еще больший выигрыш (IEA, 2008).

Климат

При производстве цемента выделяется CO2, так как для сжигания сырья и придания клинкеру уникальных свойств требуются очень высокие температуры. CO2 образуется из трех независимых источников: декарбонизация известняка в печи (около 525 кг CO2 на тонну клинкера), сжигание топлива в печи (около 335 кг CO2 на тонну цемента) и использование электроэнергии (около 50 кг. кг CO2 на тонну цемента). Существует три основных меры, с помощью которых цементная промышленность может сократить прямые выбросы CO2 в ближайшем будущем:

  • Повышение энергоэффективности (все еще возможно максимум 2%),
    • Снижение соотношения клинкер / цемент (введение полезных промышленных побочных продуктов), и
    • Увеличение использования отходов в качестве альтернативного топлива (национальные инициативы, адекватное национальное выполнение определенных директив, касающихся конкретных отходов).

На основании анализа IEA (2008) для смешанных цементов, в целом потенциал экономии в этом случае составляет от 300 до 450 млн тонн CO2 к 2050 году. Основные подходы к этому заключаются в использовании:

  • Доменный шлак, охлажденный не воздухом, а водой. Около половины всего доменного шлака уже используется для производства цемента, где шлак охлаждается водой и где расстояния транспортировки и затраты приемлемы. Если бы был использован весь доменный шлак, это привело бы к сокращению выбросов CO2 примерно на 100 млн тонн CO2.
  • Зола уноса угольных электростанций. Но содержание углерода в летучей золе может повлиять на время схватывания бетона, которое определяет качество цемента. Для использования в качестве заменителя клинкера высокоуглеродистая летучая зола должна быть улучшена. Технологии для этого только появляются. Специальные методы измельчения также изучаются как способ увеличения скорости реакции летучей золы, что позволяет повысить содержание летучей золы в цементе до 70% по сравнению с максимальным значением 30% в настоящее время (Justnes et al., 2005). Китай и Индия могут значительно увеличить использование летучей золы.Если бы 50% всей летучей золы, которая в настоящее время отправляется на свалки, можно было бы использовать, это привело бы к сокращению выбросов CO2 примерно на 75 млн. Т.
  • Стальной шлак. Процесс CemStar, который использует 15% -ную загрузку стального шлака с воздушным охлаждением в смеси сырья вращающейся печи, был разработан и успешно применяется в Соединенных Штатах, что привело к снижению выбросов CO2 примерно на 0,47 т / т добавленного стального шлака ( Yates et al., 2004). В Китае насчитывается около 30 сталелитейных цементных заводов с совокупной годовой производительностью 4.8 млн т. Однако качество стального шлака варьируется, и его трудно перерабатывать, что ограничивает его использование. Если бы общий мировой ресурс сталеплавильного шлака конвертерных печей и ЭДП в размере от 100 до 200 млн тонн в год был использован таким образом, потенциал сокращения выбросов CO2 составил бы от 50 до 100 млн тонн в год. Для подтверждения жизнеспособности этого варианта необходим дальнейший анализ. Другие материалы, которые могут быть использованы в большей степени в качестве заменителей клинкера, включают вулканический пепел, молотый известняк и битое стекло. Такие подходы могли бы облегчить проблемы доступности заменителей клинкера и, возможно, проложить путь к 50% сокращению энергопотребления и выбросов CO2.В долгосрочной перспективе могут быть разработаны новые типы цемента, в которых известняк не используется в качестве основного ресурса. Эти новые виды называются синтетическими пуццоланами. Технологическая осуществимость, экономичность и энергетический эффект таких альтернативных цементов остаются спекулятивными.
  • Смешанные цементы предоставляют большие возможности для энергосбережения и сокращения выбросов, но их использование во многих случаях потребует пересмотра строительных стандартов, норм и правил. В целом потенциал экономии для смешанных цементов составляет от 300 до 450 млн тонн CO2 к 2050 году.Скорость обучения для цементных печей CCS при текущей стоимости 200 долларов США за тонну CO2 составляет около 5%, в то время как целевой показатель затрат на коммерциализацию в долларах США составляет 75 долларов США.

Для расчета этих сокращений выбросов парниковых газов рекомендуется применять утвержденные методологии для консолидированной методологии увеличения смеси при производстве цемента, методологии сокращения выбросов парниковых газов за счет рекуперации отходящего тепла и использования для выработки электроэнергии на цементных заводах, перехода на ископаемое топливо, энергоэффективности и мер по замене топлива для промышленных объектов, сокращение выбросов за счет частичной замены ископаемых видов топлива с альтернативными видами топлива или менее углеродоемкими видами топлива в проекте по производству цемента (крупномасштабные мероприятия), который был разработан в рамках Механизма чистого развития Киотского протокола РКИК ООН (МЧР).Эта методология помогает определить базовый уровень выбросов парниковых газов в отсутствие проекта (т. Е. При обычном ведении бизнеса), как можно рассчитать сокращения выбросов ниже этого базового уровня и как можно отслеживать эти сокращения. Общую информацию о том, как применять методологии CDM для учета парниковых газов, можно найти здесь.

Финансовые потребности и затраты

Прогнозируется, что мировой спрос на цемент будет расти на 4,7% ежегодно до 2,8 млрд метрических тонн в 2010 году. Китай, который уже является крупнейшим рынком цемента в мире, продемонстрирует наибольший рост общего объема проданного цемента.Другие развивающиеся части Азиатско-Тихоокеанского региона и Восточной Европы, а также ряд стран в регионах Африки / Ближнего Востока и Латинской Америки также продемонстрируют прирост рынка цемента выше среднего, чему способствуют хорошие перспективы строительства. Ожидается, что Вьетнам, Таиланд, Украина, Турция и Индонезия также продемонстрируют значительный рост в процентном отношении. Рыночный рост будет менее устойчивым в развитых регионах США, Японии и Западной Европы, при этом основная часть роста спроса на цемент до 2010 года будет приходиться на ремонтно-эксплуатационное строительство.Однако увеличение расходов на строительство в Германии и Японии после продолжительного периода спада поможет поддержать общий рост развитых мировых рынков.

Цементная промышленность приложила значительные усилия для внедрения инновационных технологий в производство цемента. В последние годы были потрачены значительные ресурсы на изучение новых и, надеюсь, не вызывающих споров и экологически чистых технологий. К сожалению, многие такие технологии обладают низкой производительностью (некоторые все еще находятся в стадии разработки), технически сложны и в настоящее время недоступны для многих развивающихся стран.При сравнении современных технологий с точки зрения устойчивости, пригодности, производительности, надежности, рентабельности, патентных ограничений (доступности) и требований к компетентности можно сделать вывод, что, по крайней мере, в краткосрочной перспективе цементная промышленность будет базироваться на на мельницах пирообработки и помола.

Как описано выше, наиболее традиционный способ производства цемента - в печах. Хотя в развитом мире это стандартная процедура, в развивающемся мире мы можем столкнуться с финансовыми требованиями, которые нелегко удовлетворить.Высокотемпературные печи для обжига цемента широко распространены и доступны в большинстве развивающихся стран и могут представлять собой доступную, экологически безопасную и устойчивую альтернативу обработке. Выбор мельницы будет варьироваться на разных предприятиях из-за ряда факторов. Хотя потребление энергии (и, следовательно, затраты на энергию) на трубных станах выше, они имеют более низкие эксплуатационные расходы и затраты на техническое обслуживание, чем другие типы станов. Инвестиционные затраты трудно сравнивать в общих чертах, потому что ограничения, характерные для конкретного объекта, играют важную роль.Факторы, не связанные с затратами, которые влияют на инвестиционные решения, включают содержание влаги в сырье, вертикальные валковые мельницы могут как сушить, так и измельчать материалы, и поэтому они наиболее подходят для сырья с более высоким содержанием влаги, в то время как валковые прессы и горизонтальные валковые мельницы могут потребовать отдельная сушилка.

В 1999 году десять ведущих цементных компаний, представляющих примерно одну треть мирового производства цемента, добровольно приступили к реализации того, что стало Инициативой устойчивого развития цемента (CSI), программой под руководством членов Всемирного совета предпринимателей по устойчивому развитию (WBCSD). ).Его цель состоит в том, чтобы найти новые способы для отрасли уменьшить свое воздействие на окружающую среду, понять потенциал ее социального вклада и расширить взаимодействие с заинтересованными сторонами.

Список литературы

  • Американская ассоциация угольной золы (ACAA), 2001. Обзор продуктов сжигания угля.
  • Чоат, В., 2003. Возможности сокращения выбросов энергии и выбросов в цементной промышленности. Министерство энергетики США.
  • Европейская комиссия, 1997. 4-я рамочная программа исследований и технологического развития (RTD), проект ATLAS.
  • МЭА, 2008. Перспективы энергетических технологий - сценарии и стратегии до 2050 года. Международное энергетическое агентство.
  • МЭА, WBSCD, 2009. Дорожная карта цементных технологий на 2009 год - Сокращение выбросов углерода до 2050 года. Международное энергетическое агентство.
  • Джастнес, Х., Эльфгрен, Л. и Ронин, В., 2005. Механизм эффективности энергетически модифицированного цемента по сравнению с соответствующими смесями цемента, цемента и бетона, исследования, 35 (2), стр. 315-323.
  • Karstensen, K.H. (без даты).Звуковое уничтожение устаревших пестицидов в цементных печах в развивающихся странах, Фонд научных и промышленных исследований (SINTEF).
  • Мерсманн, М., 2007. Технология пиропроцесса. Отчет о технической конференции по цементной промышленности, IEEE, стр. 90-102.
  • Перри, Курт Э., 1986. Энергетические возможности и возможности сокращения выбросов для цементной промышленности - Вращающаяся цементная печь, Chemical Publishing Co., Inc., Нью-Йорк, стр. 107
  • Scalon, J., 1992. Добавка минералов, сборник ACI 22.
  • Тейлор, М. 2006. Энергоэффективность и выбросы CO2 в мировой цементной промышленности. Документ подготовлен для семинара IEA-WBCSD, Международное энергетическое агентство.
  • Министерство энергетики США, 2003 г. Энергетика и возможности сокращения выбросов для цементной промышленности, Вашингтон, округ Колумбия, США.
  • Уоррелл, Э., Прайс, Л. и Галицкий, С., 2004. Новые энергоэффективные технологии в промышленности: примеры избранных технологий, Nr. LBNL-54828: Департамент анализа энергии, Отдел экологических энергетических технологий, Национальная лаборатория Эрнеста Орландо Лоуренса в Беркли, Калифорнийский университет, Беркли, Калифорния 94720.
  • Йейтс, Дж. Р., Перкинс, Д. и Санкаранараянан, Р., 2004. Процесс и технология Cemstar для снижения парниковых газов и других выбросов при увеличении производства цемента, Хэтч, Канада.

Технология производства цемента: принципы и практика

Анджан Кумар Чаттерджи в настоящее время является председателем Conmat Technologies Private Limited, исследовательской и консалтинговой компании в Калькутте, Индия, занимающейся предоставлением услуг технической поддержки цементной, бетонной и минеральной промышленности внутри и за пределами страны.Одновременно он также является ответственным директором Института структурной защиты и реабилитации доктора Фиксита, Мумбаи, который является некоммерческим центром знаний, специально посвященным ремонту, реставрации и обновлению инженерных систем бетонных зданий. Он также связан с крупными цементными компаниями страны в различных консультативных услугах. До того, как приступить к выполнению вышеуказанных задач, доктор Чаттерджи более двух десятилетий был сотрудником Associated Cement Companies Limited (ныне ACC Limited) и вышел на пенсию с должности ее исполнительного директора.Находясь в ACC, он отвечал за исследования и разработки компании, разработку проектов и несколько диверсифицированных бизнес-единиц.

С академической точки зрения доктор Чаттерджи является аспирантом геологии и доктором наук о материалах. Он проводил обширные исследования в области электролитического переплава шлаков, исследований фазового равновесия оксифторидных систем и микроструктурных исследований цемента, бетона и керамики в Институте металлургии в Москве, Московском государственном университете и Научно-исследовательском институте строительства, Великобритания. .Помимо национальной сцены, доктор Чаттерджи выполнял различные международные задания в ЮНИДО и компании по экологическим исследованиям Амстердамского университета.

Он является стипендиатом и членом большого числа профессиональных организаций. Он является научным сотрудником Индийской национальной инженерной академии, Индийского института бетона и Индийского института керамики. Он также является одним из основателей Азиатской исследовательской академии цемента и бетона в Пекине, Китай. Он был удостоен награды за заслуги перед индийским институтом бетона, Ассоциацией инженеров-консультантов, Конфедерацией индийской промышленности и Ассоциацией производителей цемента.На его счету много других наград и большое количество публикаций.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie.Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie.Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Описание технологии производства цемента

В зависимости от физического состояния сырьевой смеси производство портландцементного клинкера классифицируется по следующим технологиям:
- Если сырьевая смесь готовится в виде суспензии сырьевой смеси в воде - суспензия - используется технология мокрого производства;
- При приготовлении сырьевой смеси в виде отвальных гранул - используется полумокая или полусухая технология;
- При приготовлении сырьевой смеси в виде сухого порошка используется сухая технология.- Если сырьевая смесь готовится в виде сухого порошка - применяется технология сухого метода.

С 1952 года цемент на предприятии производится мокрым способом. Десять лет назад Компания решила сделать первый решительный шаг - установить новую линию по производству сухого клинкера, введенную в эксплуатацию в августе 2014 года.

Известняк, используемый для производства цемента, добывается в соседнем карьере Карпенай и измельчается с помощью щековой и молотковой дробилок. Известняк из дробильного отделения конвейерами поступает на склад сырья, куда также подается глиняный щебень.В хранилище емкостью 36000 т хранится известняково-глинистая смесь, а также известняковый щебень для корректировки сырьевой смеси.

Смесь известняка и глины и регулирующие добавки - песок и железная руда - транспортируются по соответствующим бункерам. После этого дозированное сырье транспортерами подается в дробилку и мельницу сырья, где материал измельчается до необходимой крупности и сушится. Порошок шихты подается в бункер измельченной и высушенной шихты, откуда поднимается подъемником в циклонный теплообменник.Горячий материал из 4-ступенчатого циклонного теплообменника со встроенным кальцинатором поступает в печь, где при температуре 1450 ° C образуется клинкер. После охлаждения клинкер из охладителя клинкера транспортером подается в силосы клинкера. Клинкер из силосов транспортируется на цементные мельницы.

При помоле клинкера и гипса на цементных мельницах образуется цемент. В зависимости от типа цемента при производстве цемента дополнительно могут использоваться гранулированный доменный шлак, известняк и др.

Измельченный цемент хранится в цементных силосах, откуда он загружается в железнодорожные вагоны или автоцистерны или упаковывается в бумажные мешки.

Более подробное описание технологии производства цемента и схемы вы можете увидеть здесь.

Manufacturing Technology из журнала International Cement Review Magazine

19 июля 2021 г.

В соответствии со все более строгими стандартами выбросов загрязняющих веществ системы deNO x широко используются в производстве цемента в Китае.Поскольку декарбонизатор является относительно гибким и регулируемым по конструкции, он является ключевым элементом в процессе сокращения выбросов NO x. Компания Tianjin Cement Industry Design and Research Institute Co, Ltd исследует технологию сокращения выбросов NO x при производстве цемента ...

15 июня 2021 г.

Перспективное мышление в железнодорожных грузоперевозках

В связи с резким сокращением количества пассажиров поездов в Великобритании и сокращением расписания движения пассажирских поездов из-за COVID-19, грузовая и логистическая компания Freightliner изучает новые виды услуг для повышения эффективности...

07 июня 2021 г.

Карьер завтрашнего дня

Говорят ли полномасштабные цифровые решения для малых и средних горнодобывающих предприятий о будущем или они уже стали реальностью? Независимый OEM-пакет smartQuarry от немецкой начинающей компании talpasolutions использует ...

10 мая 2021 г.

Универсальное прожигание AF

KHD PYROROTOR ® - это роторный реактор для сжигания, который перерабатывает отходы с низкими характеристиками горения в качестве альтернативного топлива в процессе производства цемента.На сегодняшний день установлено семь промышленных установок, ...

27 апреля 2021 г.

Вклад Вика в SeRaMCo

Французская многонациональная группа Vicat участвует в европейском проекте SeRaMCo (Вторичное сырье для железобетонных изделий), направленном на сокращение углеродного следа в строительном секторе...

26 апреля 2021 г.

Умные ходы FLSmidth

С запуском ECS / ProcessExpert® V8.5 FLSmidth привносит технологии искусственного интеллекта (AI) в расширенное управление процессами. Но что именно это означает для производителей цемента? Хавьер Пигасо Мерино, FLSmidt ...

06 апреля 2021

JK White Cement: путь к постоянному совершенствованию

Производство белого клинкера и белого цемента требует правильного сырья, надлежащей гомогенизации, правильного топлива и оптимальных производственных условий.Завод JK White Cement в Готане, Индия, обязуется обслуживать ...

22 марта 2021 г.

Информированная оптимизация процесса

Успешная эксплуатация цементных печей с большим количеством альтернативных видов топлива имеет важное значение для перехода к устойчивому производству цемента. Для обеспечения стабильных условий процесса необходим подробный мониторинг.Инфракрасный ...

8 марта 2021 г.

Повышение эффективности кулера

Новый охладитель четвертого поколения Tianjin Cement Industry Design and Research Institute Co, названный «Sinowalk», включает в себя такие ключевые особенности, как высокая эффективность рекуперации тепла, стабильные механические характеристики и интеллект ...

8 марта 2021 г.

Работа с пылью

При этом химический состав пыли варьируется между прямым режимом работы, когда сырьевая мельница не работает, и непрямым режимом работы, когда сырьевая мельница работает, поиск места назначения для пыли рукавного фильтра при поддержании гомогенной печи...

8 марта 2021 г.

Повышение производительности стана

Снижение клинкерного фактора без ущерба для качества и растущий спрос на высокоэффективные цементы представляют собой серьезную проблему для технологии тонкого помола, используемой на цементных заводах. В рамках своей зеленой цементной пла ...

26 января 2021 г.

ESP превращается в рукавный фильтр

Когда электрофильтры не могут соответствовать более строгим нормам по выбросам, может быть более экономичным превратить их в рукавные фильтры, а не заменять их новым рукавным фильтром.Gorco SA выделяет ключевые направления ...

8 марта 2021 г.

Увеличение срока службы футеровки втрое

Вьетнамский цементный завод более чем в три раза увеличил срок службы огнеупорной футеровки в более прохладном корпусе за счет использования сборной модульной футеровки от HASLE Refractories. Снижение абразивного и щелочного воздействия с ...

7 декабря 2020 г.

Цементный завод XXI века: экологичнее и больше на связи

Цементный завод будущего будет придерживаться тенденций оцифровки и устойчивого развития, чтобы получить конкурентное преимущество и повысить устойчивость.Элефтериос Хараламбус, Томас Циглер, Рамез Хаддадин, Себастьян Райтер и ...

10 ноября 2020 г.

Следим за шестернями

Одна из самых серьезных механических проблем при техническом обслуживании вращающейся печи сегодня - поддержание эффективной работы венцовой шестерни и зацепления шестерни. Несоосность во время производства создает неравномерное и нестабильное напряжение...

18 февраля 2021 г.

От WHRPG до EfW

По мере того как цементные заводы ищут способы уменьшить свой углеродный след, системы выработки электроэнергии с рекуперацией отходящего тепла (WHRPG) становятся все более популярными. Использование биомассы также имеет потенциал в качестве энергии из отходов (E ...


Изменение бетона: инновации в низкоуглеродистом цементе и бетоне

Как признается в дорожной карте 2018 года, существует значительный разрыв между этим сценарием и сценарием, соответствующим более амбициозным стремлениям стран в Парижском соглашении о еще большем ограничении повышения температуры до 1.5 ° С. Сценарий МЭА «Превышение 2 ° C» (B2DS), указанный ранее, является лишь иллюстрацией проблемы, которую такое сокращение выбросов может поставить перед текущими промышленными амбициями.

Переход к B2DS потребует более амбициозных действий по каждому из этих рычагов, особенно в краткосрочной перспективе:

  • Хотя многие из относительно простых достижений уже были достигнуты, еще есть возможности для повышения энергоэффективности . Европа и США сейчас отстают от Индии и Китая по энергоэффективности из-за продолжающегося использования устаревшего оборудования, и им нужно будет по крайней мере сократить этот разрыв в следующем десятилетии, если они хотят достичь целей отрасли.Ключевыми проблемами будут требуемые капиталовложения и тот факт, что действия в отношении других рычагов, таких как альтернативные виды топлива и CCS, могут замедлить прогресс в области энергоэффективности.
  • Переход от использования ископаемого топлива в производстве цемента также будет иметь ключевое значение. В частности, Китай и Индия имеют значительный потенциал для перехода на экологически чистые виды топлива с низким содержанием углерода. Доказано, что в Европе цементные заводы работают на 90% неископаемого топлива. Ключевой задачей будет обеспечение доступности биомассы из действительно устойчивых источников.В настоящее время сектор в основном полагается на биомассу, полученную из отходов; однако переход к большей части альтернативных видов топлива может в конечном итоге побудить сектор перейти на древесные гранулы.
  • Замена клинкера предполагает замену части клинкера в цементе другими материалами. Это может сыграть большую роль, чем предполагалось в настоящее время. Достижение к 2050 году среднего глобального отношения клинкера 0,60 к 2050 году, как указано в Технологической дорожной карте 2018 года, имеет потенциал для смягчения почти 0.2 гигатонны (ГТ) CO2 в 2050 году. Доля необходимого клинкера может быть снижена еще больше в отдельных областях применения, что потенциально может снизить выбросы CO2 в этих областях на 70–90%. В самом амбициозном конце шкалы, если бы 70-процентная замена была достигнута в глобальном масштабе, это могло бы составить почти 1,5 ГТ выбросов CO2, сэкономленных в 2050 году. Замена клинкера - это не только очень эффективное решение, но и то, что может быть сегодня развертывается дешево, поскольку обычно не требует вложений в новое оборудование или изменений источников топлива.Поэтому особенно важно увеличить масштабы замещения клинкера в ближайшем будущем, в то время как более радикальные варианты, такие как внедрение новых и углеродно-отрицательных цементов, все еще находятся в стадии разработки. Самыми серьезными препятствиями являются неопределенная доступность материалов-заменителей клинкера и отсутствие спроса потребителей на цементы с низким содержанием клинкера.
  • Многие эксперты по понятным причинам скептически относятся к возможности быстрого масштабирования CCS . Хотя в этот рычаг включены и другие технологии, как показано на Рисунке 1, на практике в настоящее время надежды возлагаются на CCS.Это отражено как в дорожной карте 2018 года, так и в других основных современных упражнениях по моделированию. Даже если надежды на CCS окажутся оптимистичными, технология улавливания углерода может оказаться критически важной для перехода на B2DS. Более того, CCS может дополнить разработку некоторых новых бетонов, которые зависят от источника чистого уловленного CO2 для отверждения карбонизацией. Одна из ключевых проблем, с которыми сталкивается CCS, - это стоимость технологии по сравнению с другими рычагами.

Однако невозможно будет даже приблизиться к B2DS без радикальных изменений в потреблении цемента и прорыва в разработке новых цементов:

  • Большинство сценариев выбросов цемента зависят от прогнозов потребления , которые заслуживают далеко внимательнее.Спрос на бетон можно снизить, иногда более чем на 50 процентов, за счет нового подхода к проектированию, использования бетона более высокого качества, замены бетона другими материалами, повышения эффективности его использования на строительных площадках и увеличения доли бетона, который используется повторно и перерабатывается. Развертывание множества таких подходов со стороны спроса на ключевых растущих рынках, таких как Китай, Индия и африканские страны, будет иметь важное значение, если сектор хочет достичь нулевых чистых выбросов. Однако меры по повышению эффективности использования материалов будут зависеть от сотрудничества и мотивации множества действующих лиц, помимо цементного сектора.
  • Движение к нулевым выбросам для всего нового строительства потребует быстрого увеличения масштабов внедрения новых цементов . Некоторые из них могут сократить выбросы более чем на 90 процентов. Другие могут улавливать углерод, теоретически улавливая больше углерода, чем выделяется при их производстве, что делает их углеродно-отрицательными. Однако до сих пор большинство этих продуктов не достигли коммерческой жизнеспособности. Для достижения прорыва в этой области потребуются согласованные инвестиции в исследования и крупномасштабные демонстрационные проекты, а также обучение и обучение потребителей для создания рынка новых продуктов.

Даже с амбициозными прогнозами по всем рычагам смягчения воздействий на соответствие B2DS в 2050 году все равно будет выброшено более 8 ГТ CO2. Эти «остаточные выбросы» необходимо будет компенсировать другими способами. Таким образом, достижение нулевого уровня выбросов CO2 должно оставаться целью и после 2050 года. Неспособность сделать это будет означать большую зависимость от технологий с отрицательными выбросами, которые до сих пор не смогли масштабироваться.

В поисках потенциальных прорывов

На этом фоне в данном отчете анализируется потенциал прорывных инноваций в области цемента с низким содержанием клинкера и новых цементов.В качестве показателя инноваций он представляет собой обширный анализ патентных прав на ключевые технологии, относящиеся к этим областям. Исследование включало девять месяцев исследований, в течение которых была собрана база данных, содержащая около 4500 патентов за 14 лет.

Исследование показывает, что цементный сектор является более инновационным в техническом плане, чем предполагает его репутация. В последние годы в этом секторе наблюдается значительная патентная активность, особенно по сравнению с другими отраслями тяжелой промышленности, такими как сталелитейная промышленность.Одно из самых быстрорастущих технологических направлений направлено на снижение содержания клинкера в цементе. Количество патентов, поданных в этой области, превысило количество патентов в других технологических подсекторах.

Исследования в значительной степени - хотя и не исключительно - остались в рамках традиционной парадигмы цемента на основе клинкера. Они имели тенденцию сосредотачиваться на увеличении замещения клинкера, а не на радикальном изменении состава используемого сырья. Наш анализ прав собственности на патенты показывает, что технологии замещения клинкера и химические добавки более чем вдвое превышают количество семейств патентов на новые цементные технологии.Хотя последние, как указано ниже, тем не менее вызывают значительный исследовательский интерес, этот вывод указывает на довольно постепенный подход к инновациям в этом секторе.

Китай превратился в ключевой центр инноваций; она инвестировала больше, чем какая-либо другая страна, в исследования и разработки (НИОКР) цемента. Он доминирует в нашем патентном анализе как с точки зрения патентных заявок, так и с точки зрения правопреемников. Это обнадеживает с точки зрения декарбонизации, поскольку, по прогнозам, на Китай и дальше будет приходиться основная доля мирового производства цемента.Однако, учитывая рост рынков в Индии и других странах Азиатско-Тихоокеанского региона, потенциал НИОКР и их размещение в этих регионах также будут иметь ключевое значение.

Учитывая безотлагательность задачи и исторически сложившееся время, необходимое для развития технологических систем, потребуется значительный толчок, чтобы вывести следующее поколение низкоуглеродистых цементов из лабораторий и на рынок

Производители цемента владеют ключевыми активами знаний, необходимыми для декарбонизации; они составляют восемь из 15 высших исполнителей.Стратегии компаний различаются, но немногие крупные производители цемента в настоящее время проводят крупные централизованные исследования - одним исключением является LafargeHolcim. Компании с меньшим портфелем патентов также могут иметь влияние, и несколько малых и средних предприятий (МСП), не входящих в топ-15, разработали новые цементы с долей выбросов по сравнению с обычным цементом. Патентные портфели таких фирм играют важную роль в привлечении инвестиций и интереса со стороны крупных производителей цемента. Например, LafargeHolcim сотрудничает с американской фирмой Solidia Technologies в разработке низкоклинкерного бетона с углеродным отверждением.

Важно отметить, что несмотря на то, что было проведено множество исследований и разработок в области низкоклинкерных и новых цементов, лишь немногие из этих продуктов были коммерциализированы, и ни одна из них не получила широкого распространения. Некоторые новые цементы обсуждались в исследовательском сообществе более десяти лет, но без особого успеха. В настоящее время эти альтернативы редко бывают столь же рентабельными, как обычный цемент, и они сталкиваются с нехваткой сырья и сопротивлением со стороны клиентов. Нормативные акты, направленные на предотвращение антиконкурентного поведения, также создают серьезное препятствие для более тесного сотрудничества в отрасли.

В результате технологические инновации и их распространение займут слишком много времени при обычном сценарии ведения бизнеса. Учитывая безотлагательность задачи и исторически сложившееся время, необходимое для развития технологических систем, потребуется значительный толчок, чтобы вывести следующее поколение низкоуглеродистых цементов из лабораторий и на рынок. Не все добьются успеха, но те, у кого это получится, могут иметь значительный потенциал декарбонизации.

Соответствие более широким разрушительным тенденциям

Подрывные тенденции, окружающие сектор, могут создать новые возможности для ускорения использования низкоуглеродистых цементных или бетонных технологий.Сектор цемента и бетона далеко не защищен от разрушительных последствий цифровизации, внедрения новых бизнес-моделей и ожиданий инвесторов и потребителей в отношении устойчивого развития - ожиданий, которые противоречат широкому кругу отраслей. Сочетание расширенных возможностей подключения, удаленного мониторинга, прогнозной аналитики, 3D-печати и инноваций в дизайне уже преобразует традиционные цепочки поставок в строительном секторе. McKinsey недавно опубликовала исследование о потенциальных вариантах использования искусственного интеллекта (ИИ) в инженерном и строительном секторе. предсказывает, что ИИ будет играть все более важную роль в этом секторе в ближайшие годы.Такие изменения могут привести к потреблению более чистого цемента и бетона, а также к снижению общего спроса на цемент.

Между тем основные игроки рынка цемента все чаще сталкиваются с конкуренцией со стороны региональных производителей на развивающихся рынках. Замедление экономического роста в Китае способствовало возникновению глобального перенасыщения цементом, а в Европе в последние годы наблюдается существенный дисбаланс между высокими производственными мощностями и низким рыночным спросом. Китайский рынок стремительно консолидируется: несколько лет назад 3000 мелких игроков производили низкосортный цемент; к 2020 году всего на 10 фирм может приходиться 60% производственных мощностей страны.China National Building Material (CNBM) и Sinoma, крупнейшие и четвертые по величине производители в стране, объединяются, чтобы стать одной из крупнейших в мире цементных компаний.

В то же время политические и общественные тенденции меняют будущее антропогенной среды. В последние годы правительства столкнулись с растущим давлением с целью улучшить качество воздуха в городах, особенно в Китае и Индии. В Южной Африке недавняя засуха в Кейптауне обострила уязвимость городов к изменению климата: строительство 2000 жилых единиц было приостановлено в 2017 году из-за нехватки воды.Наконец, пожар в башне Гренфелл в 2017 году в Великобритании привел к растущим призывам к ответственности за решения, принятые в отношении облицовки и материалов, используемых в государственном жилищном строительстве.

Растущее беспокойство общественности, ожидания инвесторов в отношении раскрытия информации о климатических рисках и сложный период для финансовых показателей вынуждают компании-производители цемента пересмотреть свои бизнес-модели. Крупнейшие международные производители уже предлагают постоянно расширяющийся спектр услуг - от специальных цементов до сложных услуг по доставке, адаптированных для сложных проектов.Преимущество первопроходца может быть у компаний, которые увязывают глубокое сокращение выбросов со значительными возможностями для создания стоимости и повышения прибыльности на этом развивающемся рынке.

На пути к электрохимическому синтезу цемента - процесс на основе электролизера для декарбонизации CaCO3 при производстве полезных газовых потоков

Резюме

Производство цемента в настоящее время является крупнейшим промышленным источником выбросов CO 2 , составляя ∼8% (2,8 Гт / год ) глобальных выбросов CO 2 .Глубокая декарбонизация производства цемента потребует устранения как выбросов CO 2 из-за разложения CaCO 3 до CaO, так и выбросов из-за сжигания ископаемого топлива (в основном угля) при прокаливании (~ 900 ° C) и спекании ( ~ 1450 ° С). Здесь мы демонстрируем электрохимический процесс, в котором используется электролиз нейтральной воды для получения градиента pH, в котором CaCO 3 декарбонизируется при низком pH, а Ca (OH) 2 осаждается при высоком pH, одновременно производя O высокой чистоты. 2 / CO 2 газовая смесь (молярное соотношение 1: 2 при стехиометрическом режиме) на аноде и H 2 на катоде.Мы показываем, что твердый продукт Ca (OH) 2 легко разлагается и вступает в реакцию с SiO 2 с образованием алита, основной вяжущей фазы портландцемента. Электрохимическое прокаливание дает концентрированные газовые потоки, из которых можно легко отделить и изолировать CO 2 , можно использовать H 2 и / или O 2 для выработки электроэнергии через топливные элементы или камеры сгорания, можно использовать O 2 . в качестве компонента кислородного топлива в цементной печи для повышения эффективности и снижения выбросов CO 2 , или выходящие газы могут использоваться для других процессов с добавленной стоимостью, таких как производство жидкого топлива.Анализ показывает, что если бы водород, произведенный в реакторе, сжигался для нагрева высокотемпературной печи, процесс электрохимического цементирования мог бы работать исключительно за счет возобновляемой электроэнергии.

Как обсуждалось на Коллоквиуме Саклера в 2018 г. «Состояние и проблемы науки для декарбонизации нашего энергетического ландшафта» и в других недавних анализах (1⇓⇓ – 4), глубокая декарбонизация сегодняшней энергетической системы потребует решения не только производства энергии (24% глобальных выбросов парниковых газов) и транспорта (14% глобальных выбросов парниковых газов), а также секторов, которые трудно декарбонизировать, таких как крупная промышленность, на которую сегодня приходится около 21% глобальных выбросов парниковых газов (5).Промышленность использует ископаемые виды топлива для обогрева и проведения химических и термохимических реакций, но может стать менее зависимой от ископаемого топлива, если 1) станут доступны электрические альтернативы и 2) стоимость и надежность возобновляемой электроэнергии продолжит расти (6, 7). Распространение очень дешевой возобновляемой электроэнергии уже стимулировало поиск электрохимических методов для обновления промышленных процессов (1, 8, 9). Среди них до сих пор были ограничены электрохимические пути производства цемента; 1 предыдущий пример представляет собой высокотемпературное электрохимическое декарбонирование с использованием расплавов солей, работающее в том же диапазоне температур, что и печи для термической обжига (10, 11).Здесь мы предлагаем и демонстрируем доказательство концепции электрохимического процесса при температуре окружающей среды, который декарбонизирует CaCO 3 , осаждает твердый Ca (OH) 2 , из которого синтезируются желаемые силикаты кальция, и производит потоки концентрированного газа H 2 и O 2 + CO 2 , которые поддаются улавливанию и улавливанию CO 2 и / или используются в других процессах с добавленной стоимостью (рис. 1).

Рис. 1.

Схема электрохимического цементного завода с низким уровнем выбросов.Реактор электрохимической декарбонизации, работающий от возобновляемых источников энергии, преобразует CaCO 3 в Ca (OH) 2 для использования в синтезе цемента. В ячейке декарбонизации (рис. 2) используется градиент pH, создаваемый электролизом в нейтральной воде, для растворения CaCO 3 на кислотном аноде и осаждения Ca (OH) 2 , где pH ≥ 12,5. Одновременно на катоде генерируется H 2 , а на аноде генерируется O 2 / CO 2 . Эти газовые потоки могут выполнять несколько альтернативных функций в устойчивой производственной системе.CO 2 может улавливаться непосредственно из изначально сконцентрированного потока (CCS). Электричество или тепло можно вырабатывать из H 2 и O 2 через топливные элементы или камеры сгорания. Кислородное топливо O 2 / CO 2 можно рециркулировать в печь для более чистого сжигания в цикле спекания цемента. Можно использовать концепции повторного использования и утилизации CO 2 (CO 2 U), например, использование в EOR или производстве жидкого топлива.

Портландцемент (12) - самый широко производимый искусственный материал в мире, производимый со скоростью 4 миллиарда метрических тонн в год (13).За исключением сельского хозяйства, производство цемента является крупнейшим промышленным источником парниковых газов (за ним следует производство стали), на которое сегодня приходится 8% мировых выбросов парниковых газов (14). Около половины выбросов CO 2 связано с использованием CaCO 3 (как правило, известняк) в качестве ключевого компонента, а остальная часть приходится в основном на сжигание ископаемого топлива в цементной печи (15). Спрос на цемент растет по мере того, как население мира увеличивается и становится все более городским, а также по мере развития инфраструктуры в странах с развивающейся экономикой (16).Ожидается, что к 2060 году количество построек на Земле удвоится; это эквивалентно строительству Нью-Йорка каждые 30 дней в течение следующих 40 лет (17). Поскольку каждый килограмм произведенного цемента выделяет около 1 кг CO 2 (15), несколько гигатонн CO 2 в год будут выбрасываться из новой инфраструктуры, что подчеркивает безотлагательность декарбонизации производства цемента.

Текущие усилия по сокращению углеродного следа цемента включают улавливание углерода из дымовых газов, использование альтернативных видов топлива или разработку дополнительных вяжущих материалов (14, 18⇓⇓ – 21).В настоящее время дымовой газ цементных заводов слишком загрязнен для экономичного улавливания углерода с помощью аминовой очистки; использование альтернативных видов топлива (например, изношенных шин) не снижает первичные выбросы CaCO 3 ; а использование дополнительных материалов в бетоне имеет ограниченное влияние на выбросы углерода из портландцемента и может одновременно ухудшить его физические свойства (14, 19⇓ – 21). В другом семействе подходов используется цемент для улавливания и секвестрации большего количества CO 2 , в результате чего получается обогащенный карбонатом цемент или бетонный продукт (22⇓⇓ – 25).В отличие от вышеупомянутых подходов, мы были мотивированы искать подходы, основанные на электрохимии, которые имеют потенциал для производства наиболее широко распространенных и используемых цементов, тем самым сводя к минимуму риск внедрения, и в то же время используя преимущества появляющейся очень дешевой возобновляемой электроэнергии для уменьшения количества химических веществ. и тепловые источники CO 2 . Как мы показываем, наш процесс может работать синергетически с другими научными и технологическими инструментами устойчивой энергетической системы, обсуждаемыми на коллоквиуме Саклера, включая ветровое и солнечное электричество, расщепление воды и создание топлива, а также хранение химической и электрической энергии.

В нашем реакторе используются преимущества градиентов pH, присущих электролизной ячейке, для декарбонизации CaCO 3 и осаждения и сбора Ca (OH) 2 (рис. 2). Мы показываем, что Ca (OH) 2 , полученный таким образом, который требует меньше энергии для дегидратации до CaO, чем требуется для прокаливания CaCO 3 , легко реагирует с SiO 2 с образованием алита, основной активной фазы. (От 50 до 70% по весу) в портландцементе (12). Практика, близкая к стехиометрической, когда каждые 2 протона электролитически образуются в кислородно-генерирующем анодном декарбонате 1 формульная единица CaCO 3 , демонстрируется в лабораторном масштабе.Мы предлагаем несколько путей, с помощью которых этот реактор электрохимической декарбонизации может быть интегрирован в цементный завод с низким или нулевым выбросом углерода (рис. 1), включая питание от возобновляемой электроэнергии и использование газов, производимых в любой из нескольких альтернативных функций, таких как 1 ) прямой улавливание и связывание изначально сконцентрированного потока CO 2 , 2) выработка электроэнергии или тепла из H 2 (и, возможно, O 2 ) через топливные элементы или камеры сгорания, 3) обеспечение кислородного топлива для более чистое горение в цикле спекания цемента и 4) производство жидкого топлива.Представлен технико-экономический анализ первого порядка зависимости энергопотребления и стоимости топлива от стоимости возобновляемой электроэнергии.

Рис. 2.

Схема декарбонизатора на базе электролизера. Реакции 1 и 2 представляют собой полуэлементные реакции выделения кислорода и выделения водорода соответственно при почти нейтральном pH. Реакция 3 - это образование воды из составляющих ее ионов. Реакции 4 и 5 представляют собой разложение карбоната кальция и выделение CO 2 ; см. текст для промежуточных шагов.В реакции 6 гидроксид-ионы в реакции 3 вместо этого идут на образование гидроксида кальция, а протоны протонируют карбонат-ионы (реакция 5). Общая реакция, в которой CaCO 3 превращается в Ca (OH) 2 с сопутствующим высвобождением H 2 , O 2 и CO 2 , показана внизу.

Результаты

Наша ячейка декарбонизации одновременно функционирует как электролизер, а также как химический реактор для преобразования твердого CaCO 3 в твердый Ca (OH) 2 , схематически показанный на рис.2 и продемонстрировано экспериментально на рис. 3 и SI Приложение , рис. S2 и S3. Электролизер, работающий с водой, близкой к нейтральной, имеет следующие реакции анодной и катодной полуэлементов: 2h3O → O2 + 4H ++ 4e‐ [1] 2h3O + 2e- → h3 + 2OH -. [2] В установившемся режиме электролизер создает градиент pH, который легко визуализируется при добавлении универсального индикатора pH к работающей H-ячейке, как показано на рис. 3 и видеороликах S1 и S2. В таком электролизере H + и OH - обычно рекомбинируют с образованием воды: H ++ OH- → h3O.[3] Наш реактор заменяет эту реакцию реакцией декарбонизации. Когда CaCO 3 добавляется к кислому раствору, образующемуся вблизи анода во время электролиза, химическое декарбонизация происходит по следующей последовательности реакций (26): (K = 6 × 10-9) CaCO3 (s) ⇌Ca ( водн. 5,9 × 102) h3CO3 (водн.) ⇌CO2 (г) + h3O. [5c] Растворенный Ca 2+ (уравнение 4 ) притягивается к аноду и затем осаждается из раствора в виде Ca (OH) 2 при реакции с ОН - ; эта реакция предпочтительна при pH выше 12.5: Ca2 ++ 2OH- → Ca (OH) 2. [6] Сумма электрохимических и химических реакций, протекающих в ячейке, равна 2CaCO3 (s) + 4h3O (l) → 2Ca (OH) 2 (s) + 2h3 ( г) + O2 (г) + 2CO2 (г). [7] Мы определяем стехиометрическую работу этого реактора как условие, при котором каждые 2 моль протонов, образующихся во время электролиза (уравнение 1 ), превращает 1 моль CaCO 3 на 1 моль Ca (OH) 2 , как показано в уравнении. 7 ; это представляет собой максимально возможный выход и кулоновскую эффективность. При стехиометрической операции соотношение производимых газов также определяется формулой. 7 : каждый моль Ca (OH) 2 давал результаты в образовании 1 моль H 2 на катоде и 1 моль O 2 и 2 моль CO 2 на аноде.

Рис. 3.

Покадровые изображения декарбонизации H-клеток с использованием платиновых электродов и 1 M NaNO 3 в деионизированной воде в качестве электролита. Каждая ячейка содержит несколько капель индикаторной краски pH, цветовая шкала которых указана внизу. ( A - E ) Ячейка, содержащая порошок CaCO 3 в анодной (левой) камере и без пористого разделителя между камерами.Электролиз при напряжении ячейки 2,5 В (ток ~ 6 мА) дает цветовой градиент, показывающий кислотный раствор на аноде (слева) и щелочной раствор на катоде (справа). Внимательное изучение поперечной трубы показывает расслоение растворов, связанное с конвекцией, обусловленной плотностью. ( F - I ) Ячейка для декарбонизации, в которой в обеих камерах используются сепараторы пористого волокна для ограничения конвекции, а источник порошка CaCO 3 находится внутри съемной чашки, что позволяет отслеживать потерю веса.Обратите внимание на отсутствие расслоения. ( J ) Ca (OH) 2 осаждается в поперечной трубке после 12 ч электролиза при высоком напряжении ячейки 9 В для ускорения реакции.

Ранее Рау, наряду с другими (27⇓⇓ – 30), предлагал использовать электролитическое обезуглероживание с использованием возобновляемых источников энергии в качестве средства снижения закисления океана. Их концепция, в свою очередь, аналогична работе кальциевого реактора, используемого для поддержания щелочности в рифовых аквариумах: CaCO 3 реагирует с кислотой (в случае Рау кислота образуется в результате окисления морской воды) с образованием растворенного Ca (HCO 3 ) 2 и Ca (OH) 2 на катоде.Полученный раствор Ca (HCO 3 ) 2 и Ca (OH) 2 является щелочным и улавливает CO 2 из атмосферы для преобразования CaCO 3 и может быть возвращен в соленую воду для уменьшения подкисления. . Здесь вместо использования электролитической декарбонизации для улавливания CO 2 мы выделяем CO 2 в виде газообразного продукта, который нужно улавливать и улавливать или использовать в других процессах, и осаждаем Ca (OH) 2 для использования в производство цемента.Обратите внимание, что помимо производства цемента, Ca (OH) 2 является важным компонентом при производстве сахара-рафинада, целлюлозы и бумаги, карбонатов щелочных металлов, для очистки сточных вод и в качестве флюса при рафинировании стали (31). Обычно Са (ОН) 2 получают гашением СаО, полученного прокаливанием СаСО 3 ; Используя наш реактор декарбонизации, Ca (OH) 2 может быть произведен непосредственно для этих применений, позволяя при этом непосредственно улавливать произведенный CO 2 .

Для проверки предложенной схемы построена серия лабораторных реакторов с Н-ячейками. На рис. 3 A - E показаны покадровые изображения реактора, собранного с платиновыми электродами и использующего электролит, состоящий из 1 M NaNO 3 в дистиллированной воде, к которому было добавлено несколько капель универсального индикатора pH. . Цветовая шкала, коррелирующая цвет с pH, показана внизу рисунка. В анодной камере находится порошок CaCO 3 , и в отличие от ячейки на рис.3 F - J , между камерами не используется пористый сепаратор. Первоначально на рис. 3 A желтый оттенок показывает, что электролит имеет pH ~ 6 везде, кроме непосредственно над слоем порошка CaCO 3 , где фиолетовый оттенок показывает, что частичное растворение карбоната привело к повышению pH до > 10. На рис. 3 B - E показана ячейка в разное время после начала электролиза в потенциостатических условиях (напряжение ячейки 2,5 В, ток ∼6 мА).Цветовые градиенты показывают, что со временем развивается более крутой градиент pH, достигающий более экстремальных значений pH в каждой камере, что согласуется с реакциями полуэлементов (уравнения 1 и 2 ). Однако при внимательном рассмотрении раствора в поперечной трубке видно отчетливое расслоение с кислым (розовым) раствором вверху и щелочным (пурпурным) раствором внизу, что мы приписываем разнице плотностей между двумя растворами. Фильм S1 показывает развитие градиента pH и слоистых слоев жидкости в этой ячейке с течением времени.В этой конфигурации ячейки Ca (OH) 2 наблюдалось осаждение по всей длине ячейки, включая непосредственно на катоде из платиновой проволоки, который в конечном итоге пассивируется. Как показано в приложении SI, приложение , рис. S1, пассивация приводит к резкому падению тока элемента через несколько часов работы.

Рис. 3 F - I показывает ту же конструкцию ячейки, но с пористым бумажным разделителем, расположенным на пересечении каждой камеры с поперечной трубкой для ограничения конвекции.Кроме того, источник порошка CaCO 3 в этой ячейке содержится в съемном стакане, так что растворение CaCO 3 как функция времени можно было измерить путем удаления и взвешивания оставшегося порошка (после сушки). Обратите внимание на отсутствие расслоения; в отсутствие конвективного перемешивания ячейки могут работать> 12 ч без пассивации катода Ca (OH) 2 ( SI Приложение , рис. S1). В этой ячейке щелочной раствор диффундирует равномерным фронтом через ячейку, и при работе в установившемся режиме pH внутри поперечной трубки достаточно высок, чтобы осаждение Ca (OH) 2 происходило преимущественно между сепараторами, где это легко собраны для анализа.Также обратите внимание, что в этой конфигурации pH вокруг анода намного менее кислый (то есть без розового оттенка), и на самом деле желтый цвет указывает на pH ∼6. Это важно, потому что 6 приблизительно соответствует pH, при котором HCO 3 - и CO 2 (водн.) находятся в равновесии. Наблюдение предполагает, что по существу все протоны, образующиеся в реакции выделения кислорода (уравнение 1 ), расходуются в реакции с карбонатным ионом (уравнение 5 ). Мы подтверждаем это независимыми измерениями, которые обсуждаются позже.Кроме того, состав выходящих газов подтвержден газовой хроматографией.

Используя конструкцию ячейки, показанную на рис. 3 F - I , мы собрали значительное количество белого осадка на пористом бумажном сепараторе непосредственно перед катодом, как показано на рис. 3 J . После сушки с помощью порошковой рентгеновской дифракции (XRD) было подтверждено, что осадок состоит преимущественно из Ca (OH) 2 с небольшим количеством CaCO 3 (6%, согласно уточнению Ритвельда) (рис.4 А ). Анализ Брунауэра – Эммета – Теллера (БЭТ) показал, что осадок имеет удельную поверхность 0,8 м 2 / г. Примесь CaCO 3 могла образоваться при воздействии воздуха на Ca (OH) 2 при подготовке образцов для XRD или когда часть растворимого HCO 3 - депротонируется при контакте с OH - до реформировать CaCO 3 . Сканирующая электронная микроскопия (SEM) показывает, что частицы Ca (OH) 2 кристаллизованы с 3 различными характерными масштабами длины.Наиболее крупные изолированные кристаллиты (рис. 4 B ) имеют размеры в десятки микрометров и имеют морфологию гексагональной призмы, характерную для Ca (OH) 2 (32). Следующими по шкале размеров являются агрегаты гораздо более мелких кристаллитов, имеющих размеры несколько микрометров (рис. 4 C и D ), но аналогичную морфологию гексагональной призмы. Наконец, существуют выделения с округлой морфологией клубеньков, которые при большем увеличении выявляют кристаллиты субмикронного размера (рис.4 E и F ). Появление 3 различных морфологий преципитатов Ca (OH) 2 предполагает, что условия зародышеобразования и роста в реакторе сильно различаются. Происхождение этих вариаций - тема будущего исследования. Однако практически все полученные частицы имеют размер менее 90 мкм, типичный для сырьевых смесей при производстве цемента (12). Анализ состава с помощью энергодисперсионного рентгеновского анализа ( SI Приложение , рис. S2) показал отсутствие примесей выше фоновых уровней в Ca (OH) 2 , за исключением следовых количеств Na, вероятно, возникающих из-за соли Na, используемой в реакторный электролит.Таким образом, настоящий подход, по-видимому, способен производить мелкие частицы Са (ОН) 2 высокой чистоты.

Рис. 4.

Ca (OH) 2 порошок, полученный в реакторе декарбонизации. ( A ) порошковая рентгенограмма типичного образца; Уточнение по Ритвельду показывает 94% Ca (OH) 2 и 6% CaCO 3 . ( B - F ) СЭМ-изображение показывает Ca (OH) 2 кристаллитов трех шкал длины. ( B ) Крупнейшие кристаллиты Ca (OH) 2 имеют размеры в десятки микрометров и характерную морфологию гексагональной призмы.( C ) Агрегаты более мелких кристаллитов Ca (OH) 2 , показанные при большем увеличении на D , имеют аналогичную морфологию гексагональной призмы, но имеют микрометровые размеры. ( E ) Ca (OH) 2 с округлой морфологией узелков, которые при большем увеличении ( F ) показывают кристаллиты субмикронного размера.

Была проведена серия экспериментов для определения кулоновской эффективности реактора по сравнению со стехиометрическим пределом.В каждом эксперименте реактор с Н-ячейкой собирали со свежим электролитом, используя 1 М соли NaClO 4 или NaNO 3 и такое же исходное количество порошка CaCO 3 . Реактор работал в потенциостатических условиях (3,5 В) в течение времени от 1 до 14 ч, после чего чаша, содержащая CaCO 3 , была удалена из реактора, высушена и взвешена для получения количества CaCO 3 , потерянного для химическое растворение. Результаты 13 экспериментов представлены на рис.5 как количество молей растворенного CaCO 3 относительно пройденных кулонов (верхняя абсцисса), полученное интегрированием тока за время эксперимента, и газовый эквивалент H 2 (нижняя абсцисса), рассчитанный в предположении, что скорость электролиз равен току ячейки (т. е. побочных реакций нет). Красная пунктирная линия на фиг. 5 представляет стехиометрическую реакцию, в которой каждые 2 протона, образующиеся на аноде в реакции с выделением кислорода, протонируют 1 ион карбоната.Планки погрешностей для каждой точки данных соответствуют накопленной ошибке взвешивания, основанной на точности весов. Аппроксимация методом наименьших квадратов по всем точкам данных дает отношение скорости химической реакции к скорости электролиза 0,85 по сравнению с максимальным значением 1. Это демонстрирует, что высокая кулоновская эффективность возможна даже при использовании неоптимизированного реактора лабораторного масштаба. . Для обоих электролитов данные за самое долгое время (крайние правые точки данных) показывают падение эффективности, что и в других экспериментах ( SI Приложение , рис.S1) связано с пассивацией катода Ca (OH) 2 при длительном времени работы реактора. Обратите внимание, что некоторые точки данных лежат выше линии максимальной теоретической эффективности. Мы связываем это отклонение с некоторой непреднамеренной потерей CaCO 3 во время удаления чашки, содержащей CaCO 3 , из реактора. Мы также попытались напрямую измерить количество Ca (OH) 2 , полученного в этих экспериментах, но не смогли восстановить весь Ca (OH) 2 , осажденный в клетках (например,g., со стенок ячеек) или для эффективного удаления всего осадка на бумажном сепараторе. Очевидно, что могут быть спроектированы более совершенные реакторы, в которых имеется больший контроль над конвекцией и химическими градиентами, и в которых осажденный Ca (OH) 2 собирается более эффективно, в том числе непрерывно. Такие усовершенствования конструкции реактора выходят за рамки данной статьи. Даже в этом случае нынешний КПД близок к термическому КПД обычного прекальцинатора цемента, который декарбонизирует около 90% поступающего CaCO 3 .

Рис. 5.

Кулоновская эффективность реактора декарбонизации, измеренная в 13 экспериментах, каждый из которых начинался со свежесобранной H-ячейкой типа, показанного на рис. 2. Потеря массы CaCO 3 из-за растворения отложена в зависимости от общего пройденного заряда. через систему (верхняя абсцисса) и эквивалентные моли водорода, производимые на катоде (нижняя абсцисса), рассчитанные в предположении, что весь ток идет на электролиз. Красная пунктирная линия представляет стехиометрическую реакцию, дающую максимальную эффективность преобразования на основе заряда, а черная пунктирная линия представляет собой аппроксимацию данных методом наименьших квадратов, наклон которой соответствует ~ 85% кулоновской эффективности.

Продемонстрировав эффективность предложенного реактора декарбонизации, мы обратили наше внимание на оценку пригодности твердого продукта Ca (OH) 2 в качестве предшественника портландцемента. Самым распространенным минералом в портландцементе, составляющим от 50 до 70% по весу, является алит, 3CaO · SiO 2 . Были приготовлены смеси Ca (OH) 2 и мелкодисперсного порошка SiO 2 , а также контрольный образец из покупного порошка CaCO 3 , смешанного с тем же SiO 2 , в молярном соотношении алита 3: 1. соотношение.Смешанные порошки подвергались термообработке в широком диапазоне температур. На рис. 6 A и B показаны рентгенограммы и СЭМ-изображение смеси Ca (OH) 2 + SiO 2 после нагревания до 600 ° C в течение 2 часов на воздухе. В отличие от CaCO 3 , который не разлагается до 898 ° C (при 1 атм P CO2 ), Ca (OH) 2 имеет термодинамическую температуру разложения 512 ° C (при 1 атм P h3O ) и здесь уже разложился до CaO при обжиге при 600 ° C, хотя CaO еще не прореагировал с SiO 2 с образованием алита.После нагревания в течение 2 часов при 1500 ° C, типичной температуре цементной печи, и охлаждения путем выключения питания печи смесь прореагировала с образованием низкотемпературной полиморфной модификации алита T1 (ICSD: 4331), как показано рентгеновской дифрактометрией. Схема на рис.6 C . Известно, что полиморфизм алита зависит от природы и количества примесей в сырье, а также от скорости охлаждения от температуры печи (33). В то время как высокотемпературные полиморфы M1 и M2 чаще всего получают в промышленных процессах, полиморф T1, полученный нами в медленно охлаждаемых образцах, считается столь же цементирующим (33–35).Рис. 6 D показывает, что частицы алита, полученные из наших прекурсоров, имеют размер менее 30 мкм, что находится в пределах диапазона, необходимого для коммерческих портландцементов (12). На рис. 6 E и F показаны карты состава кальция и кремния, из которых очевидна однородность состава алита. Фиг.7 A и B показывают рентгенограмму и изображение с помощью сканирующего электронного микроскопа соответствующей смеси CaCO 3 и SiO 2 после нагревания до 600 ° C в течение 2 часов на воздухе, а на рис.7 C и D показывают результаты после нагревания до 800 ° C в течение 2 часов на воздухе. При 600 ° C значительного разложения не произошло, тогда как при 800 ° C CaCO 3 разложился до CaO, но реакция на алит не началась. После нагревания до 1500 ° C в течение 2 часов (рис. 7 E и F ) XRD показывает, что образовалась фаза алита. Однако остается некоторое количество непрореагировавшего CaO, 6% согласно уточнению Ритвельда спектров XRD. СЭМ-изображение на рис.7 F по сравнению с фиг. 6 D показывает, что алиты, производные из Са (ОН) 2 - и СаСО 3 , в конечном итоге достигают аналогичных морфологий и размеров частиц. Эти результаты показывают, что электрохимически полученный Ca (OH) 2 из нашего реактора декарбонизации является подходящим предшественником для синтеза основной гидратирующей фазы силиката кальция в портландцементе. Более того, из-за мелкодисперсной морфологии осадка (по сравнению, например, с измельченным известняком) и его более низкой температуры разложения на> 300 ° C, по-видимому, он имеет улучшенную реакционную способность по сравнению с CaCO 3 , что может привести к сокращению времени обжига и / или температуры, которые снижают потребление энергии на стадии высокотемпературной реакции.

Рис. 6.

Синтез алита, 3CaO-SiO 2 , с использованием Ca (OH) 2 , полученного в реакторе декарбонизации. ( A ) XRD-диаграмма и ( B ) SEM-изображение смеси Ca (OH) 2 и SiO 2 после нагревания до 600 ° C в течение 2 часов на воздухе. Ca (OH) 2 разложился до CaO, но еще не прореагировал с SiO 2 с образованием фазы алита. После обжига при 1500 ° C в течение 2 часов ( C ) XRD-диаграмма показывает однофазный алит, морфология которого показана на SEM-изображении в D .Карты состава ( E и F ) кальция и кремния соответственно показывают равномерное распределение обоих элементов.

Рис. 7.

Синтез алита с использованием CaCO 3 и SiO 2 показывает более низкую реакционную способность, чем с Ca (OH) 2 . После нагревания до 600 ° C в течение 2 часов на воздухе рентгенограмма ( A ) и изображение ( B ) SEM показывают, что CaCO 3 еще не разложился до CaO. После нагревания до 800 ° C в течение 2 часов на воздухе рентгенограмма ( C ) показывает, что CaCO 3 разложился до CaO, но еще не прореагировал с SiO 2 с образованием фазы алита.( D ) СЭМ-изображение полученной смеси порошков CaO и SiO 2 . После обжига при 1500 ° C в течение 2 часов на воздухе рентгенограмма ( E ) показывает смесь алита с некоторым остаточным CaO. ( F ) СЭМ-изображение этой неполностью прореагировавшей смеси.

Обсуждение

Помимо производства реакционноспособного Ca (OH) 2 , подходящего для синтеза цемента, наш реактор декарбонизации на основе электролиза производит концентрированные газовые потоки H 2 на катоде и O 2 и CO 2 (в молярном соотношении 1: 2 при работе с высоким кулоновским КПД) на аноде.Эти газы являются важными компонентами в широком спектре устойчивых технологий, которые в настоящее время используются во всем мире, и открывают несколько возможных синергий между производством цемента и этими технологиями, которые мы сейчас обсуждаем.

Улавливание и связывание углерода (CCS) на уровне цементного завода на сегодняшний день сосредоточено на улавливании CO 2 после сжигания в сочетании с использованием кислородного сжигания. Поток O 2 / CO 2 из нашего реактора декарбонизации может сделать эти процессы более простыми и эффективными.Улавливание после сжигания относится к технологиям улавливания CO 2 из выхлопных газов печи, таким как образование петель кальция, очистка амином и мембранная фильтрация (36⇓ – 38). Кислородное топливо, или сжигание с повышенным содержанием кислорода, относится к сжиганию ископаемого топлива (здесь, в первую очередь, угля) с кислородом вместо воздуха (37, 39). Кислородное сжигание в первую очередь приводит к повышению эффективности использования топлива, поскольку азот, содержащийся в воздухе, не требует нагревания. Во-вторых, отсутствие азота допускает более высокие температуры пламени без выделения оксидов азота (NO x ), которые имеют потенциал глобального потепления в 298 раз больше, чем CO 2 в пересчете на массу (40), а также способствуют образованию смога, кислотные дожди и истощение озонового слоя.В-третьих, дымовой газ от сжигания кислородного топлива имеет более высокую концентрацию CO 2 и меньше примесей NO x (37, 41), что делает улавливание углерода более эффективным. Таким образом, на цементном заводе, использующем наш реактор декарбонизации, газовая смесь O 2 / CO 2 может использоваться в качестве кислородного топлива в высокотемпературной печи для снижения энергопотребления и выбросов NO x . Среди других преимуществ обогащения кислородом, 1 эксперимент в промышленном масштабе с использованием обогащения кислородом от 30 до 35% привел к увеличению производства цементных печей на 25-50% (42).Кроме того, кислородное сжигание оказывает незначительное, если не положительное, влияние на качество портландцементного клинкера (39, 43⇓⇓⇓ – 47).

Концентрация CO 2 в дымовых газах обычных цементных печей составляет ∼25% (48). Для химической абсорбции с аминами, наиболее технологически зрелый метод улавливания после сжигания для комбинированного потока (37, 38), увеличение концентрации CO 2 до 60%, как было показано, снижает потребность в тепле, энергии регенерации растворителя и стоимости пара. захвата (49⇓⇓⇓ – 53).Газовый поток из нашей камеры декарбонизации еще выше (67%), что должно сделать очистку амином более эффективной. Однако большим преимуществом может быть возможность полностью избежать дорогостоящих процессов CCS, таких как очистка амином. Поскольку здесь CO 2 доставляется в высококонцентрированной форме, смешанной только с O 2 (и некоторыми парами H 2 O), прямой улавливание с использованием тех же простых процессов сжатия (54, 55), которые теперь используются для очищенных и концентрированный CO 2 .

Газообразный водород, производимый на катоде в нашей ячейке декарбонизации, имеет ценность в качестве сырья в основных отраслях промышленности, таких как производство аммиака и удобрений, переработка нефти и газа и перерабатывающая металлургия, и считается ключевым компонентом разработки технологий, которые могут декарбонизировать тяжелую промышленность. дежурный транспорт, авиация и отопление (56, 57). Объединенные газовые потоки также могут быть использованы в процессах утилизации CO 2 , которые производят жидкое топливо, такое как те, которые также используют водород и производят спирты.

Водород также может быть возвращен для поддержки цементного процесса (рис. 1). Его можно сжигать напрямую, чтобы обеспечить тепло или электроэнергию обратно в цементный завод, или потоки газа H 2 и O 2 / CO 2 могут снабжать топливный элемент, который генерирует электричество на месте для питания электрохимических реактор или другие производственные операции, такие как измельчение, перемешивание и транспортировка. При использовании твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) (58), который имеет самый высокий электрический КПД среди всех типов топливных элементов (от 60 до 80%) (59), вредное воздействие CO 2 на топливные элементы с протонообменной мембраной (60, 61) предотвращается, и типичные рабочие температуры ТОТЭ от 500 до 1000 ° C можно легко поддерживать, используя тепло от цементной печи (которая обычно работает при 1450-1500 ° C).Одновременно кислород удаляется из газового потока O 2 / CO 2 , дополнительно очищая CO 2 и упрощая связывание. Обратите внимание, что эта комбинация электрохимического реактора и ТОТЭ создает регенеративный топливный элемент (62), который имеет способность накапливать энергию, если предусмотрено хранение реагентов, и тем самым может сглаживать прерывистость возобновляемой электроэнергии, используемой для питания цементного завода.

Поток CO 2 , полученный из ячейки декарбонизации, также может иметь значение в приложениях, которые производят повышающий цикл захвата CO 2 .CO 2 уже используется для увеличения нефтеотдачи (EOR) (63, 64) и для производства таких химикатов, как мочевина, салициловая кислота, метанол, карбонаты (65), синтетическое топливо (с помощью процесса Фишера-Тропша) (66) и синтетический природный газ (по реакции Сабатье) (67). Растет интерес к поиску способов электрохимической или фотохимической реакции на CO 2 для создания химикатов и топлива из захваченного CO 2 с использованием возобновляемой электроэнергии (68). Например, была продемонстрирована модельная установка, использующая захваченный CO 2 для производства синтоплива (69).

Мы также рассмотрели возможность использования электрохимического процесса производства цемента исключительно с использованием возобновляемой электроэнергии. Возможно, наименее капиталоемкий способ использования выходных газов из реактора декарбонизации - это сжигание для нагрева цементной печи. Мы проанализировали потоки энергии в этой конфигурации; подробности приведены в приложении SI . Предполагая, что реактор декарбонизации работает с кулоновским КПД 85%, электролизер работает с КПД от 60 до 75% и сгорает образующиеся H 2 и O 2 для нагрева печи для спекания с КПД от 60 до 80%, входная электрическая энергия, необходимая для изготовления 1 кг цемента, равна 5.От 2 до 7,1 МДж. Это предполагает отсутствие энергетической выгоды от замены Ca (OH) 2 на CaCO 3 в процессе высокотемпературного спекания или других потенциальных преимуществ, таких как снижение капитальных и энергетических затрат на измельчение известняка (при условии, что эта функция заменена путем химического растворения). При эффективном сжигании на 80% H 2 и O 2 , полученных в ячейке декарбонизации, вырабатываемая тепловая энергия немного превышает энергию, необходимую для спекания.Если сгорание имеет эффективность только 60%, 90% тепловой энергии, необходимой для спекания, может быть получено из газов электролизера (т. Е. Требуется ~ 0,5 МДж / кг дополнительной энергии). Этот дефицит энергии, а также электроэнергии для поддержки операций может быть восполнен за счет превышения емкости электролизера над стехиометрически необходимой для декарбонизации. Этот анализ предполагает, что процесс электрохимического цементирования с использованием возобновляемых источников энергии не потребует больших объемов дополнительной энергии, если таковая имеется.

Важный связанный с этим вопрос - это, конечно, стоимость процесса, основанного на электрохимии. Учитывая многочисленные возможные конфигурации, описанные выше, полный технико-экономический анализ выходит за рамки данной статьи. Стоимость срока службы и экономическая отдача для всей системы или любого из ее компонентов зависит от капитальных затрат, эффективности и долговечности, а также от стоимости цемента и газообразных побочных продуктов. Многие факторы стоимости в настоящее время неизвестны; например, стоимость срока службы реактора декарбонизации будет зависеть от его конкретной конструкции и характеристик, ни одна из которых еще не была оптимизирована.Поэтому мы ограничиваем наш технико-экономический анализ сравнением стоимости энергии электрохимического процесса с его аналогом, работающим на угле. Расчетное значение от 5,2 до 7,1 МДж / кг цемента для электрохимического процесса действительно превышает энергию, требуемую для обычного цементного процесса в средней обжиговой печи США, которая составляет 4,6 МДж / кг (70). При цене угля 61 доллар за тонну (для битуминозного угля) (71) стоимость энергии для обычного процесса составляет около 28 долларов за тонну цемента, что составляет 25% от средней цены продажи цемента в США, равной 113 долларов за метрическую тонну (13 ).Соответствующие затраты на электрохимический процесс, естественно, зависят от цены на электроэнергию и в некоторых случаях могут быть нулевыми или даже отрицательными, если они получены из возобновляемых источников. Однако для затрат на электроэнергию в размере 0,02, 0,04 и 0,06 доллара за кВт⋅ч и при условии, что потребность в энергии для электрохимического процесса составляет 6 МДж / кг, что находится в середине нашего расчетного диапазона, стоимость энергии составляет 35-60 долларов, и 100 долларов за тонну цемента соответственно. Это говорит о том, что при отсутствии других соображений, электрохимический процесс будет конкурентоспособным по стоимости с обычными заводами (~ 28 долларов за тонну цемента), если электричество доступно по цене <0 долларов.02 за кВт⋅ч. Обратите внимание, что оптовая стоимость ветровой электроэнергии в настоящее время составляет 0,02 доллара США за кВт⋅ч или немного ниже на большей части территории Соединенных Штатов (72). Мы предполагаем, что ветровая электроэнергия будет доступна по этой цене для предлагаемых цементных заводов, например, от расположенной рядом ветряной электростанции.

Однако это сравнение затрат не учитывает затраты на улавливание и связывание углерода, которые для аминовой очистки обычного цементного дымового газа оцениваются примерно в 91 доллар за тонну (50).В смоделированной выше электрохимической последовательности, где электролитический H 2 сжигается для нагрева печи, стоимость прямого улавливания CO 2 из потока O 2 / CO 2 , показывающего реактор декарбонизации, должна составлять менее 40 долларов. за тонну (50). Это изменит чистые затраты на электроэнергию в пользу электрохимического процесса в среде, где политика требует удаления углерода и где доступна недорогая возобновляемая электроэнергия.

Наконец, следует учитывать водоемкость такого процесса на основе электролизера.На каждый килограмм цемента, изготовленного с использованием предлагаемой камеры обезуглероживания, потребуется 0,4 кг воды; это означает, что средняя обжиговая печь в США, производящая 1800 тонн цемента в день, потребует ~ 760 тонн воды в день. Однако половина этой воды будет извлечена при дегидратации Ca (OH) 2 . Если в качестве топлива для печи использовался H 2 , другая половина воды могла бы конденсироваться из дымовых газов. В принципе, вся вода, используемая для электролиза, может быть переработана.

Выводы

Мы предлагаем и демонстрируем электрохимический процесс синтеза цемента, в котором CaCO 3 декарбонизируется, а Ca (OH) 2 осаждается в градиенте pH, создаваемом электролизером с нейтральной водой, в то время как потоки концентрированного газа H 2 и O 2 / CO 2 производятся одновременно.Мелкодисперсный порошок Ca (OH) 2 используется для синтеза фазово-чистого алита, основной вяжущей фазы в обычном портландцементе. Концентрированные газовые потоки из этого процесса могут использоваться синергетически с другими процессами, находящимися в стадии разработки для устойчивых промышленных технологий. Среди нескольких альтернатив CO 2 может быть непосредственно захвачен и изолирован; H 2 и / или O 2 могут использоваться для выработки электроэнергии через топливные элементы или камеры сгорания; O 2 может использоваться как компонент кислородного топлива для дальнейшего снижения выбросов CO 2 и NO x из цементной печи; или выходные газы могут использоваться для синтеза продуктов с добавленной стоимостью, таких как жидкое топливо.Показано, что наши лабораторные прототипы реакторов декарбонизации способны работать с кулоновской эффективностью, близкой к теоретической, когда каждые 2 протона, образующиеся на аноде во время электролиза, растворяют 1 формульную единицу CaCO 3 . В таких условиях произведенный электролитический водород, если он сгорает, может обеспечить большую часть или всю тепловую энергию, необходимую для высокотемпературного спекания цемента. Эти результаты предлагают путь к рентабельному производству цемента без выбросов, при котором вся энергия обеспечивается за счет возобновляемых источников энергии.

Материалы и методы

Ячейки декарбонизации.

Н-элементы, разработанные по индивидуальному заказу, были изготовлены компанией James Glass, Inc. Электролитом был 1 М NaClO 4 или NaNO 3 (Sigma-Aldrich, ≥98%), растворенный в деионизированной воде. Эти электролиты были выбраны потому, что их соли кальция растворимы и не разлагаются при высоком напряжении. Оба электрода были изготовлены из платины: стержень у катода и проволока у анода (MW-1032; BASi). Платина была выбрана потому, что она обладает высокой каталитической активностью в отношении выделения водорода и кислорода как в кислоте, так и в основании.Альтернативные недорогие электродные материалы могут включать никель, медь или нержавеющую сталь для катода (pH 12,5) и Al, Sn или Pb для анода (pH 6). Порошок CaCO 3 (Sigma-Aldrich, ≥99%) добавляли в анодное отделение. Фильтровальная бумага (28310-015, задержка частиц 5 мкм; VWR) использовалась в качестве пористого сепаратора. Потенциостатические эксперименты проводили с использованием потенциостата Bio-Logic Science Instruments VMP3. Все тесты проводились при комнатной температуре.

XRD-анализ.

Рентгенограммы были получены с использованием XRPD PANalytical X’Pert PRO с использованием излучения Cu и тета: тета-гониометра с вертикальным кругом с радиусом 240 мм.Конфигурация этого прибора по умолчанию - геометрия Брэгга – Брентано с высокоскоростным позиционно-чувствительным детектором высокого разрешения X’Celerator, использующим столик для образцов Open Eulerian Cradle. Данные XRD анализировали с помощью Highscore, версия 4.7.

SEM Характеристика.

СЭМ-визуализация и анализ состава образцов проводились с использованием прибора Phenom XL, оснащенного энергодисперсионным рентгеновским детектором (nanoScience Instruments), работающего при ускоряющем напряжении 10 кВ для визуализации и 15 кВ для энергодисперсионного рентгеновского излучения. спектроскопический анализ.

BET Характеристика. №

Quantachrome Instruments NOVA 4000E (Anton Paar QuantaTech) использовался для выполнения многоточечного БЭТ-анализа удельных площадей поверхности порошка.

Синтез алита.

Электрохимически осажденный Ca (OH) 2 или CaCO 3 (Sigma-Aldrich, ≥99%) смешивали с SiO 2 (99,5%, 2 мкм; Alfa Aesar) в молярном соотношении 3: 1. Порошки смешивали в суспензии с этанолом, затем сушили. Полученные хорошо перемешанные порошки прессовали в таблетки.Гранулы помещали в платиновые тигли и нагревали со скоростью 2 ° C в минуту до 1500 ° C в муфельной печи (Thermolyne F46120-CM). Температуру поддерживали на уровне 1500 ° C в течение 2 часов, затем окатыши охлаждали в печи путем отключения питания. Рентгеноструктурный анализ подтвердил алитность полученных порошков.

Благодарности

Настоящая публикация основана на работе, финансируемой Сколковским институтом науки и технологий (Сколтех), программой «Центр исследований, образования и инноваций в области электрохимического хранения энергии» по контракту 186-MRA.L.D.E. выражает признательность за поддержку программы стипендий для докторантов Banting, осуществляемой правительством Канады. Мы благодарим Исаака Меткалфа, Натана Корбина, Киндл Уильямс и Картиша Мантирама (Массачусетский технологический институт) за помощь в проведении экспериментов; Мухаммаду Адилу и 24 M Technologies, Inc. за выполнение измерений BET; и Form Energy, Inc. за предоставление доступа к Phenom XL SEM. В этой работе использовались общие экспериментальные установки, частично поддерживаемые Программой центров материаловедения и инженерных центров Национального научного фонда в рамках награды DMR-1419807.

Сноски

  • Автор: L.D.E. и Y.-M.C. спланированное исследование; L.D.E., A.F.B., M.L.C. и R.J.-Y.P. проведенное исследование; L.D.E., A.F.B. и Y.-M.C. проанализированные данные; и L.D.E., A.F.B. и Y.-M.C. написал газету.

  • Заявление о конфликте интересов: Y.-M.C., L.D.E. и A.F.B. являются изобретателями по патентным заявкам, поданным Массачусетским технологическим институтом в отношении определенного предмета статьи.

  • Эта статья является результатом исследования Артура М.Коллоквиум Саклера Национальной академии наук «Состояние и проблемы декарбонизации нашего энергетического ландшафта» прошел 10–12 октября 2018 г. в Центре Арнольда и Мейбл Бекман Национальной академии наук и инженерии в Ирвине, Калифорния. Коллоквиумы НАН начались в 1991 г. и с 1995 г. публикуются в PNAS. С февраля 2001 г. по май 2019 г. коллоквиумы поддерживались щедрым подарком от Дамы Джиллиан и д-ра Артура М. Саклера Фонда искусств, наук и гуманитарных наук в память мужа дамы Саклер, Артура М.