Технологические исследования материалов для производства цемента: Полная технологическая схема производства цемента

Содержание

Полная технологическая схема производства цемента

Учитывая, что строительный материал – цемент, разных марок, является строительным материалом, без которого невозможно ни одно строительство, многих застройщиков и покупателей интересует схема его производства и нюансы изготовления.

СодержаниеСвернуть

  • Схема производства цемента
  • Технологическая схема производства цемента

Схема производства цемента

Это отработанный многими десятилетиями процесс, который имеет несколько принципиально новых способов, состоящих из следующих основных этапов:

  • Разработка, добыча, доставка и обогащение исходных материалов: известняковых и глиноземных пород для производства клинкера;
  • Получение клинкера. Является одним самых энергозатратных, поэтому самых дорогостоящих этапов схемы производства цемента. В частности на осуществление этого этапа приходится до 75% затрат на производство цемента. В общем случае технология производства клинкера выглядит так: подготовленную смесь компонентов заливают водой, дают отстояться в течение определенного периода времени, после чего начинается термическая обработка в печах при температуре до 1 500 градусов Цельсия. При этом исходные компоненты клинкера спекаются в виде гранул определенной фракции;
  • Измельчение клинкера. На этом этапе происходит мелкодисперсное измельчение гранул клинкера и введение присадок, которые определяют специальные свойства и марку цемента. По сути это конечный этап схемы изготовления цемента, который оканчивается фасовкой данного материала в мягкие контейнеры Биг-Бены, бумажные многослойные клапанные мешки или транспортировкой в силосы для последующей реализации «навалом».

Технологическая схема производства цемента

На данный момент времени цемент изготавливается по нескольким принципиально разным технологиям, имеющим свои принципиальные преимущества и недостатки.

  • Так называемый мокрый способ производства цемента, широко использующийся отечественными цементными заводами. Является самой энергозатратной. Суть схемы заключается в загрузке компонентов цемента в специальное оборудование, в водную среду. После выдержки в воде компоненты цемента поступают в мельницу, которая измельчает их в порошок. Полученный таким образом полуфабрикат транспортируется в специальный бассейн, корректируется по составу и в дальнейшем обжигается в специальной печи с последующим охлаждением. После контроля качества, данный продукт следует на измельчение до состояния товарного цемента;
  • Сухая технология. Принципиальное отличие от «мокрой схемы» заключается в том что после предварительного измельчения компоненты цемента направляются в осушительные барабаны, после чего перемешиваются и проходят дополнительное измельчение в мельнице. При этом на этапе измельчения в цемент вводятся добавки и присадки. Далее полученная масса направляется на обжиг, измельчение и упаковку. Одним из преимуществ этого способа получения портландцемента можно отметить возможность использования в качестве сырья зольную пыль и прочие отходы энергетического и металлургического производства. Сухая технология исключает: многоступенчатое дробление компонентов, снижает «добывающие» и транспортные затраты, а также расширяет выбор сырья для производства цемента;
  • «Полусухая» схема производства цемента. Данная схема отличается габаритами гранул клинкера, влажностью материала и технологией обжига. В частности масса компонентов для изготовления цемента обжигается в специальных печах «ЛЕПОЛЬ», которые при всех прочих равных условиях обеспечивают уменьшение уровня карбонизации конечного продукта на 22-23%;
  • Комбинированный способ производства цемента. В этом случает, происходит органичное сочетание нескольких технологий: «мокрой» и «сухой». С ответствующими преимуществами и недостатками.

В завершение данного повествования следует сказать, что цементные заводы, расположенные на территории Российской Федерации, по объективным причинам, используют исключительно «мокрую» схему производства цемента.

Применение передовых энергоэффективных технологий «сухого» производства цемента требует значительных капиталовложений и полного перевооружения действующего производства, невозможных в ближайшем обозримом будущем.

состав и производство, как добывают сырье на заводе, технология и изготовление в домашних условиях

Цемент входит в число основных строительных материалов. Он используется при создании связующих строительных растворов, цемент используют при изготовлении бетонных и железобетонных изделий. От качества данного материала зависит, насколько прочное и долговечное будет здание, или железобетонная конструкция.

История цемента началась в Англии, где в 1824 году был зарегистрирован патент на его изобретение. В то время для изготовления цемента использовалась известковая пыль, смешанная с глиной. Полученная смесь подвергалась воздействию высокой температуры, при которой она спекалась.

Обожжённый полуфабрикат цемента называется клинкер. Цементом он становится после перемалывания клинкера до порошкообразного состояния.

В строительстве используется основное свойство цемента – при смешивании с водой он постепенно твердеет, а затем превращается в прочный камень. Характерную для готового изделия прочность материал может приобрести даже в воздушной среде, если присутствует избыточная влажность.

Сырьё для производства цемента, из чего он делается, технология изготовления

Сегодня процесс изготовления цемента изменился. Изготовляют его несколькими способами, да и компоненты, входящие в его состав, тоже отличаются от использовавшихся две сотни лет назад.

Чтобы было понятно, из чего делают цемент и как происходит его производство, необходимо знать, какие виды сырья используют сегодня производители этого важного строительного материала.

Так как сырьём для производства цемента гост31108 2003, гост 30515 2013 служат естественные породы, то и предприятия, занимающиеся его изготовления, чаще всего размещают поблизости от мест добычи этих пород.

Все ископаемые, из которых делается цемент, делятся на два вида:

  1. Карбонатные ископаемые, отличающиеся характеристиками и особенностью структуры. Именно структура породы обеспечивает эффективное её взаимодействие с остальными ингредиентами состава продукта.
  2. Глинистые и горные породы, имеющие осадочное происхождение. Имея минеральную основу, при увлажнении они приобретают пластичность и увеличиваются в объёме. Так как для данного вида сырья характерна вязкость, то их можно использовать, производя цемент сухим способом.

Теперь следует назвать конкретно, какие ископаемые относятся к каждому из видов сырья, используемых при производстве цемента.

К карбонатным породам относят следующие виды природного сырья:

  • мел, представляющий разновидность известняка. Обладает способностью легко измельчаться;

Мел

  • мергелистый известняк, в природе встречается как в рыхлом, так и в твёрдом состоянии. В породе могут содержаться примеси глины, поэтому данный вид известняка считается сырьём переходным, обладающим свойствами, характерными и для известняков, и для глины;

Мергелистый известняк

  • известняки – ракушечники, не имеющие включений кремния. Порода имеет пористую, легко разрушающуюся при сжатии структуру;

Известняки – ракушечники

  • доломитовые породы и другие ископаемые осадочного происхождения. Они содержат карбонаты, придающие породе ценные свойства.

Доломит

Глинистые породы включают следующие виды ископаемых:

  • глина с минеральными включениями, набухающими при контакте с водой;

Глина

  • суглинки, содержащие повышенную концентрацию частиц песка;

Суглинки

  • сланцы, имеющие глинистую основу. Данное сырьё относят к горным породам, повышенной прочности. При механическом воздействии разделяется на пластинчатые пластины. Характеризуется стабильным составом и низким содержанием влаги;

Сланцы

  • лесс, пористая порода, с включениями частиц кварца и силиката.

Лесс

Кроме данных видов сырья, что изготавливать цементную смесь на заводе используют некоторые виды производственных отходов. Для улучшения качества в его состав добавляют добавки, предусмотренные технологическим процессом: глинозём и кремнезём, плавиковый шпат и апатиты.

Применение песка просто необходимо при проведении самых разных ремонтных и строительных работ. Тут все о применении карьерного песка.

При проведении отделочных работ на кухне, в ванной или в любом другом помещении необходимо знать время высыхания плиточного клея. Здесь можно узнать, сколько сохнет плиточный клей.

В настоящее время декоративная штукатурка по праву является самым популярным и прогрессивным методом отделки. Перейдя по ссылке ознакомитесь с самостоятельным ее приготовлением.

Все добавки, называемые пластификаторами, также природного происхождения. Они влияют в лучшую сторону на следующие качества цемента:

  • увеличивают стойкость к изменениям температуры;
  • усиливают прочность;
  • подвижность и эластичность продукта;
  • уменьшает проникновение воды в готовое изделие.

В зависимости от свойств, добавленных в состав цемента пластификаторов, его раствор будет застывать быстрее, или же медленнее.

Состав, из которого производят цемент

Часть людей работающих в сфере строительства не знают, из чего делается цемент.

Состав цемента может быть различным в зависимости от марки и предназначения.

Однако вне зависимости от вида цемента, то есть рецепта, использованного при его производстве, основой для него служат два компонента – известняк с добавлением глины.

Глина

Количество известняка в три раза превышает количество глины. Такие пропорции необходимы для получения качественного клинкера, являющегося полуфабрикатом для производства цемента.

Известняк

Теперь можно назвать основные компоненты состава, чтобы каждому было ясно, из чего делают цемент:

  • клинкер, основа конечной продукции, определяющая её характеристики прочности. Используется в виде гранул диаметром до 60 мм. Его термообработка выполняется при температуре, доходящей до 1500°. При плавлении клинкера образуется масса, для которой характерно высокое содержание кремнезёма и кальциевого диоксида;
  • данные компоненты влияют на эксплуатационные характеристики конечного продукта. Перед обжигом гранулы клинкера измельчаются до пылеобразного состояния;
  • гипс, определяющий скорость затвердевания цемента. В базовых рецептах предусмотрено добавление в состав чистого гипса до 6 % от общего количества компонентов;

Гипс

  • специальные добавки (пластификаторы, морозостойкие присадки, жидкое мыло и т.д.), усиливающие свойства, уже имеющиеся у продукции, или же придающие ей специальные характеристики, способные расширить область применения цемента.

Пластификатор

Производство – как изготавливают цемент, процесс получения на заводе

Изготовление материала выполняется в определённом порядке, поэтапно. В технологии его производства предусмотрены следующие операции:

  1. Ингредиенты, предназначенные для изготовления клинкера, предварительно смешиваются. Обязательно необходимо точное соблюдение пропорций состава – 25 % глины и 75% известняка.
  2. Полученный состав обжигается при высокой температуре. При высокотемпературном обжиге глина и известь соединяются, образуя клинкер.
  3. Готовый продукт измельчается шаровыми мельницами, состоящими из барабанов, расположенных в горизонтальном положении, внутри которых размещены стальные шары. Помещённый в них клинкер размельчается до состояния порошка.
  4. Чем мельче полученные фракции цемента, тем лучшие эксплуатационные характеристики он будет иметь.

Существует несколько методов изготовления данного строительного материала. Их выбор обусловлен многими факторами, основными из которых является специфика имеющегося на предприятии оборудования и спрос на определённые марки цемента.

Разработанные технологии имеют отличие в способах подготовки сырья, используемого при производстве состава. Порядок его изготовления остаётся прежним.

Производство

Разработаны следующие методы:

  1. Мокрая технология, предусматривающая замену извести мелом. В процессе смешивания компонентов состава происходит измельчение их в шаровой мельнице. Это процесс выполняется с добавлением воды. В результате образуется шихта, имеющая концентрацию влаги до 50%.
  2. Полученный материал затем обжигается в печи. После обжига он уже становится клинкером. Затем его измельчают.
  3. Сухая технология значительно уменьшает себестоимость производства, так как она объединяет несколько технологических операций в единый процесс. При использовании данной технологии компоненты, поступающие в шаровую мельницу, одновременно размалываются и сушатся.
  4. Для сушки используется воздействие горячих газов. Готовая шихтная масса имеет консистенцию порошка.
  5. Комбинированная технология объединяет особенности вышеописанных способов производства. В зависимости от оборудования, используемого на предприятии, может быть получен полусухой состав, имеющий влажность до 18%.
  6. Во втором варианте первоначально подготавливается сухая смесь, затем увлажнённая до 14 %. В обоих вариантах подготовленный состав затем отжигается и перемалывается.

Подробнее о производстве цемента смотрите на видео:

Классификация цементных смесей

Существует много разновидностей и различных марок данного строительного материала. Различают их по основному составу и добавкам, придающим каждому виду особые свойства.

Среди основных типов выделяют:

  • портландцемент, с которого начиналось производство популярного в строительстве продукта. Для изготовления связующих растворов его не используют. Он применяется для создания бетонных изделий высокой прочности, штукатурке и отделочных работах;
  • часто используют при возведении фундаментов. Для этого необходимо знать, как разводить цемент с песком;

Портландцемент

  • шлаковый цемент, при изготовлении которого используется доменный шлак и активные присадки. Используется для изготовления бетона и строительных растворов;
  • глинозёмистый цемент, отличается устойчивостью к воздействию влаги, быстрым затвердеванием;

Глиноземистый

  • кислотоупорный цемент, в котором используется кварцевый песок и кремнефтористый натрий. Материал устойчив к воздействию кислот, но недолговечен.

Приобретая любой из видов цемента, следует знать, что его состав активно взаимодействует с окружающей средой, при долгом хранении теряя свою прочность.

Даже если он хранится в сухом помещении, то спустя несколько месяцев его марка изменится в меньшую сторону. Поэтому, при его приобретении, следует обращать внимание на дату изготовления. Так же можете ознакомиться с нашей статьёй о технических характеристиках цемента м400.

А. К. Чаттерджи. Технология производства цемента: основы и практика

В книге рассмотрен широкий круг вопросов технологии производства цемента — от добычи природных сырьевых материалов до характеристик конечных продуктов. Вопросы производства обсуждаются совместно с достижениями материаловедения и технологии. Приведены результаты детального анализа ситуации в цементной промышленности. 
Уделено внимание всем отдельным производ­ственным процессам. Изложению вопросов практики предшествуют вводные теоретические подразделы. Обсуждаются пути решения экологических проблем и задач обеспечения устойчивого развития при управлении предприятием. Подробно описаны тенденции значимых для промышленности исследований технологических процессов и готового продукта.
Монография содержит следующие разделы:
основные сведения о минеральных ресурсах для производства цемента;
проектирование состава сырьевой смеси, определение ее размалываемости и обжигаемости;
виды топлива, обычно используемые в производстве клинкера;
альтернативные виды топлива и сырьевых материалов;
обжиг и охлаждение клинкера;
помол клинкера и изготовление цемента;
состав и свойства портландцементов;
передовой практический опыт контроля качества в заводских условиях;
средства смягчения воздействия на окружаю­щую среду и контроля выбросов;
тенденции исследований и разработок в производстве и применении цемента;
глобальные и региональные тенденции роста производства цемента.
Далее приведены данные о книге, ее стои­мость и контактная информация для заказа. При онлайн-заказе монографии и вводе промокода EEE16 предоставляется 20 %-я скидка. Доставка обычной почтой при онлайн-заказе — без оплаты.
A.K. Chatterjee. Cement production technology: principles and practice.
Catalog no. K43638 May 2018, 419 pp. 
ISBN: 978-1-1385-7066-5 
Цена: US$ 179,95 / GBP 140,00
CRC Press 
Taylor & Francis Group
Tel.: 1-800-634-7064, 1-561-994-0555, 
+44 (0) 1235 400 524
E-mail: [email protected]
www.crcpress.com

Эталонные материалы

Мы предлагаем вас следующие эталонные материалы:

a) Эталонные цементы VDZ100, VDZ200 и VDZ300

Характеристики эталонных цементов VDZ100 (CEM I), VDZ200 (CEM II/B-M (S-LL)) и VDZ300 (CEM III/B) определяют в ходе кругового исследования. Каждый из этих цементов можно заказывать в виде порций весом примерно 200 г. Наряду со средними значениями в распоряжение предоставляются сравнительные стандартные отклонения кругового исследования и выведенные из них неопределенности опорных значений. Материалы можно применять, например, для калибровки систем контроля качества или в лабораторной практике. Имеются опорные значения для следующих методов:

  • Рентгенофлуоресцентный анализ по стандарту DIN EN 196-2
  • Химические анализы с «мокрой» подготовкой проб по стандарту DIN EN 196-2 (щелочи, сульфиды, сульфаты, хлориды)
  • Содержание несвязанной извести
  • Фазы минералов согласно рентгеновской дифрактометрии и уточнению по методу Ритвельда
  • Состав цемента по стандарту CEN/TR 196-4
  • Элементы в следовых количествах
  • Гранулометрический состав
  • Поверхности по методу Блэйна
  • Плотность
  • Теплота гидратации (7 г) в соответствии с DIN EN 196-11

Перечень параметров с их подробным описанием, опорными значениями и неопределенностями есть здесь.

b) Эталонные и испытательные цементы для выявления водорастворимых хроматов

Эталонный цемент VDZ400
Характеристики эталонного цемента VDZ400 определяют в ходе кругового исследования. Речь при этом идет о портландцементе CEM I 42,5 R, в который не добавляли средство для снижения концентрации хроматов. Упаковка такого цемента крайне важна с точки зрения обеспечения стабильности его параметров и его эталонного состояния. По этой причине материал герметично заваривают в комбинированный вакуумный пакет отдельными порциями по 500 г, чтобы в каждой порции было достаточное для проведения испытания на нормированном строительном растворе в соответствии со стандартом DIN EN 196-10 количество материала.

  • прим. 0,3 пропромилле водорастворимого хромата по стандарту DIN EN 196-10
  • Упаковочная единица: 10 x 500 г (отдельные герметично заваренные порции)

Эталонный цемент VDZ410
Характеристики эталонного цемента VDZ410 определяют в ходе кругового исследования. Речь при этом идет о портландцементе CEM I 52,5 N, в который не добавляли средство для снижения концентрации хроматов. Упаковка такого цемента крайне важна с точки зрения обеспечения стабильности его параметров и его эталонного состояния. По этой причине материал герметично заваривают в комбинированный вакуумный пакет отдельными порциями по 500 г, чтобы в каждой порции было достаточное для проведения испытания на нормированном строительном растворе в соответствии со стандартом DIN EN 196-10 количество материала.

  • прим. 6 пропромилле водорастворимого хромата по стандарту DIN EN 196-10
  • Упаковочная единица: 10 x 500 г (отдельные герметично заваренные порции)

Испытательный цемент «Хромат» VDZ430 (например, для проведения приемо-сдаточных испытаний средств для снижения концентрации хроматов)
В случае испытательного цемента VDZ430 («Хромат») речь идет о портландцементе марки CEM I 52,5 N, в который не было добавлено средство для снижения концентрации хроматов. Содержание водорастворимого хромата точно превышает 10 пропромилле, и этот цемент можно применять и для приемосдаточных испытаний средств для снижения концентрации хроматов.

  • Упаковочная единица: 1 x 5 кг (герметично заваренный комбинированный вакуумный пакет)

c) Эталонный материал для определения концентрации хлора и теплотворной способности

Характеристики эталонного материала для определения концентрации хлора и теплотворной способности определяют в ходе совместного с Ассоциацией по качеству вторичного топлива и повторно используемой древесины (Gütegemeinschaft Sekundärbrennstoffe und Recyclingholz e.V. (BGS)) кругового исследования, проводимого в 43 испытательных лабораториях. В случае данного материала речь идет о полимерном грануляте, в который путем целенаправленного добавления ПВХ равномерно и в определенных количествах введен хлор.

  • Содержание хлора составляет прим. 8.200 мг/кг в соответствии со стандартами DIN EN 14582, DIN EN 15408
  • Теплота сгорания: прим. 39.200 кДж/кг (в соответствии с DIN 51900, DIN EN 15400)
  • Упаковочная единица: прим. 180 г

d) Цемент для AKR-испытаний в соответствии с директивой по щелочам

Для определения щелочной реактивности зернистых заполнителей в соответствии с директивой Немецкого комитета по железобетонным конструкциям (Deutsche Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb)) по щелочам в испытательных лабораториях должен использоваться единый цемент для AKR-испытаний. Мы предоставляем в ваше распоряжение такой цемент с высоким содержанием щелочей и важную информацию по его характеристикам. Это позволяет уменьшить разброс результатов между различными лабораториями.

Получение ПЦ клинкера из отходов металлургического производства Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733

МЕТАЛУРГ1Я ЧАВУНУ

УДК 669.162.21

© Кравченко В.П.1, Таранина Е.В.2

ПОЛУЧЕНИЕ ПЦ КЛИНКЕРА ИЗ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО

ПРОИЗВОДСТВА

Путем обжига при разных температурных режимах двухкомпонентной сырьевой смеси, состоящей из отходов металлургического производства (отвальные доменные шлаки + «хвосты» известняка, взятых в соотношении 2:3, соответственно), получены пробы клинкера, химанализ которых показал соответствие их химсостава химсоставу стандартного клинкера. Лабораторными испытаниями установлены высокие прочностные показатели всех проб опытного клинкера. На основании полученных результатов исследований по получению портландцемента (ПЦ) клинкера из отходов металлургического производства была разработана технологическая схема (линия), в которой предусматривается производство ПЦ клинкера с высоким гидравлическим модулем (m = 2,37) из двухкомпонентной сырьевой смеси: 40% отвальные шлаки + 60% «хвосты» известняка со значительным эколого-экономическим эффектом.

Ключевые слова: доменные граншлаки, клинкер, известняк, химсостав, прочность, технология, отвальный шлак, «хвосты» известняка, ПЦ клинкер, механоактива-ция, дисперсное измельчение.

Кравченко В.П., Таранта О.В. Виготовлення ПЦ клткера з eidxodie металур-гшного виробництва. Шляхом обжигу при р1зних температурних умовах двохком-понентног сировинног сум1ш1, складеног з в1дход1в металургтного виробництва (в1двальт доменм шлаки + «хвости» вапняка, взят1 у ствв1дношент 2:3, в1дпов1д-но), отримам проби клткера, х1манал1з яких показав в1дпов1дтсть гх х1мсостава х1мсоставу стандартного клткера.: 40% в1двальний шлак + 60% «хвости» вапняку iз значним еколо-го-економгчним ефектом.

Ключовi слова: доменн граншлаки, клiнкер, вапняк, хiмсостав, мщшсть, техноло-гiя, вiдвальний шлак, «хвости» вапняку, ПЦ клткер, механоактиващя, дисперсне подрiбнення.

V.P. Kravchenko, О. V. Taranina. Receiving clincer from iron and steel production wasters. By means of burning at different temperature conditions of a two-component raw mix consisting of iron and steel production wastes: blast-furnace slags wastes — limestone wastes ratio of 2:3, correspondingly, clinker samples were obtained, chemical analysis of which showed correspondence of their chemical composition to the chemical composition of the standard clinker. Laboratory testing proved high strength values for all the clinker samples. Processing of metallurgical wastes that are accumulated in the dumps in large quantities and have harmful effects on the environment, is relevant now, especially for low-cost PC (Portland cement) clinker production, the production of which

1 канд. техн. наук, ЧП «Эра плюс», г. Мариуполь

2 ст. преподаватель, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, elvl01 @yandex. ru

Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733

by existing technologies is expensive and energy consuming, accompanied by a significant consumption of natural resources and energy, harmful emissions of dust and gas in the atmosphere. The aim is to develop the technological scheme of PC clinker production. The hydraulic module (m = 2,37) of 2-component mixtures of raw materials: 40% of slag waste + 60% of limestone waste has been defined. Mechanical activation of cement components has been found to promote the blast furnace slags activity. It has been stated that slags should be subjected to fine grinding(S > 0,6 m2/g) while PC clinker should be subjected to fine crushing (S = 0,3 m2/g). Jet grinding can reduce 4-5 times the content of expensive clinker in cement, and reduce 4-5 times СО2 emissions. The process for producing clinker from metallurgical wastes and cement production from blast furnace slag are protected by patents of Ukraine.

Keywords: blast-furnace, limestone, chemical analysis, strength, technology, waste slag, limestone waste, PC clinker, mechanical activation, dispersion grinding.

Постановка проблемы. Переработка отходов металлургического производства в виду их накопления в отвалах и вредного воздействия на экологию является востребованной для проведения исследований, например, в разработке технологии получения дешевого вяжущего материала. Учитывая, что на сегодняшний день производители вяжущих материалов (цемента) являются одними из наибольших потребителей природных ресурсов и энергии и наибольшими поставщиками пыли и газа в атмосферу, разработка технологии получения вяжущего материала на основе переработки вторичного сырья — отходов производства со сниженными при этом себестоимостью и вредными выбросами в атмосферу — является актуальной.

Доменные шлаки используются в цементной промышленности при получении шлако-портландцементов (ШПЦ), куда они входят как добавки к портландцементому клинкеру. В данной работе была поставлена задача использования доменных отвальных шлаков и «хвостов» известняка, являющихся отходами металлургического производства, в качестве исходного и дешевого сырья для получения непосредственно клинкера.

Анализ последних достижений и публикаций. В существующих технологических схемах изготовления вяжущего материала (цемента) используются природные материалы, добавляемые карьерным способом [1], что увеличивает себестоимость конечного продукта при высоких энергозатратах и высоких вредных выбросах в атмосферу CO2 (на 1 т цемента 1-1,2 т CO2) [2].

Известна технологическая схема получения цемента, где один из компонентов сырьевой смеси — глина — заменяется вторичным материалом — доменным шлаком [2] в шлакопортланд-цементах (ШПЦ). Это более экономичный вариант получения цемента, но энергозатраты и вредные выбросы в атмосферу остаются высокими.

Известна также технология получения из доменного шлака вяжущего материала (бесклинкерный цемент) путем тонкодисперсного измельчения граншлака [3]. Но в этой технологии используются не отвальные шлаки, а качественные граншлаки, т. е. не предусматривается переработка отвальных шлаков.

Целесообразность изготовления клинкера из отходов металлургического производства (отвальные шлаки + «хвосты» известняка) аналитически обоснована в источниках [4, 5].

Цель работы — получение дешевого вяжущего материала (ПЦ клинкера) путем переработки отвальных шлаков и снижение вредных выбросов CO2 в атмосферу.

Изложение основного материала. С целью проверки обоснований источников [1, 2] в ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет» в лаборатории кафедры ТМП была проведена экспериментальная работа по получению клинкера из отходов металлургического производства.

Тонко измельченная сырьевая смесь, состоящая из 2-х весовых частей отвального доменного шлака металлургического комбината ММК им. Ильича и 3-х весовых частей «хвостов» известняка Комсомольского рудоуправления, подвергалась обжигу в электрической печи Там-мана. Обжиг проводился при 3-х температурных режимах с плавлением смеси до тестообразного состояния. Графики температурных режимов обжига экспериментальной сырьевой смеси приведены на рис. 1.

Все пробы сырьевой двухкомпонентной смеси обжигались при следующих температурах (рис. 1): клинкер А — нагрев до 1540°С, охлаждение в воздушно-капельной среде; клинкер Б —

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2016р. Серiя: Техшчш науки Вип. 33

ISSN 2225-6733

нагрев до 1740°С, охлаждение с печью; клинкер В — нагрев до 1650°С, выдержка при t = 1650°С в течение 20 мин и последующее охлаждение на воздухе.

Рис. 1 — Температурные режимы обжига сырьевой клинкерной смеси: 1 — клинкер А; 2 — клинкер Б; 3 — клинкер В

После измельчения в лабораторной планетарной мельнице FRITSCH был проведен анализ химсостава всех 3-х проб полученного экспериментального клинкера в химической лаборатории металлургического комбината ММК им. Ильича. Результаты химических анализов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Химические составы клинкера расчетного, экспериментального (А, Б, В) и стандартного

№ п/п Наименование клинкера CaO S1O2 AI2O3 Fe2O3 Прочие

1 Расчетный 64,74 22,32 4,15 0,68 6,47

2 Экспериментальный А 64,0 27,0 4,0 0,66 4,34

3 Б 65,6 26,3 5,2 0,41 2,49

4 В 67,0 26,6 4,0 0,72 1,69

5 Стандартный 63-67 21-24 4-7 2-4 —

При сравнении химических составов клинкера, полученного путем расчета [4, 5], и клинкера, полученного в проведенном эксперименте, видно их соответствие химическому составу стандартного клинкера. Например, содержание основного в клинкере минералообразующего оксида СаО в расчетном и опытном (А, Б, В) клинкерах находится в пределах, установленных для стандартного клинкера: 63-67% [1].

Для установления степени дисперсности измельченного в планетарной лабораторной мельнице FRITSCH порошка опытного клинкера был проведен гранулометрический анализ на лазерном приборе MuШsizer 3 в лаборатории Запорожского абразивного комбината. Полученное при этом распределение микронизированных частиц по размерам в измельченной пробе опытного клинкера отображается гистограммой, приведенной на рис. 2.

Содержание фракций в порошке опытного клинкера приведено в табл. 2.

Как видно на рис. 2, весь порошок опытного клинкера находится в области мелких частиц, что подтверждается табл. 2, согласно которой измельченная проба опытного клинкера содержит 50% зерен более 5,44 мкм и 0,1% зерен более 26 мкм. Это свидетельствует о высокой степени дисперсности измельченного порошка опытного клинкера. На гистограмме рис. 2 вид-

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2016р. Серiя: Техшчш науки Вип. 33

ISSN 2225-6733

но, что в основном вся масса порошка клинкера стоит из частиц размером менее 25 мкм. Гранулометрический анализ показал, что зерновой ряд измельченного опытного клинкера находится в активном диапазоне частиц.

Рис. 2 — Гистограмма распределения частиц по размерам в порошке опытного клинкера

Таблица 2

Содержание фракций в порошке опытного клинкера

Наименование материала S, м2/г Содержание фракции, % мкм

>0,1 >3 >25 >50 >75 >95

Клинкер опытный 0,58 26,06 13,28 7,06 5,44 4,59 4,16

Исходя из гранулометрического анализа, был вычислен средний диаметр частиц порошка опытного клинкера, который составил d = 11.4 мкм. Величина удельной поверхности S = 0,58 м2/г (прибор Т-3) и величина среднего диаметра частиц d = 11,4 мкм свидетельствует о степени дисперсности измельченного порошка опытного клинкера. Можно предположить, что прочностные показатели измельченных проб опытного клинкера будут высокими, как у механоактивированных цементов — порядка 600 кг/см2 [4, 5].

Прочностные испытания образцов опытного клинкера (А, Б, В) были проведены в лаборатории Донецкого «ПромстроиНИИпроекта». Диаграммы сжатия из трех проб (А, Б, В) опытного клинкера приведены на рис. 3.

Результаты прочностных испытаний образцов из проб опытного клинкера представлены в табл. 3.

Из табл. 3 видно, что образцы (А, Б, В) опытного клинкера, полученного из отходов металлургического производства (отвальные шлаки + «хвосты» известняка, взятые в соотношении 2:3, соответственно), обладают высокими прочностными характеристиками: 500-651 кг/см2. = 0,58 м2/г), измельченных перед затворением проб клинкера в мельнице FRITSCH.

Это увеличило реакционную способность опытного клинкера. Разницу в прочностных показателях проб опытного клинкера можно объяснить разными температурными режимами обжига сырьевой клинкерной смеси. Клинкер В, показавший наибольшую прочность

Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733

(651 кг/см, табл. 2) после нагрева до t = 1650°С в отличие от проб А и Б, подвергался выдержке при этой температуре в течение 20 минут.

Рис. 3 — Диаграммы сжатия опытных образцов клинкера: а — клинкер А; б — клинкер Б; в — клинкер В

Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733

Таблица 3

Результаты прочностных испытаний образцов из опытного клинкера

№п/п Наименование проб Удельная поверхность, м2/г Водоцементное отношение Прочность после 28 суток, кг/см2

1 Клинкер А 0,58 0,4 500

2 Клинкер Б 0,58 0,4 572

3 Клинкер В 0,58 0,4 651

Это способствовало более полному протеканию реакций минералообразования, что вполне коррелирует с химическими анализами проб опытного клинкера (табл. = 0,25 — 0,3 м2/г) [5]. Это позволяет при одинаковых показателях активности (прочности) значительно (20-25% вместо 95%) сократить в цементе содержание дорогостоящего и энергоемкого при производстве клинкера [6]. Следовательно, введение в технологической линии дисперсного измельчения доменного шлака позволит снизить расход клинкера в 4-5 раз, не снижая марку получаемого цемента. Учитывая результаты проведенных исследований [5, 6] была разработана технологическая схема (линия) получения клинкера-цемента из отходов металлургического производства (см. рис. 4)

ШЛАК ОТВАЛЬНЫЙ

Рис. 4 — Технологическая линия получения клинкера-цемента

Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733

Технологическая линия имеет участок изготовления клинкера и участок изготовления цемента.

На участке получения клинкера установлен бункер 1 для исходных компонентов отвальных шлаков и отходов от подготовки известняка для аглодоменного производства, то есть «хвостов» — фракция менее 10 мм, дозатор 2, мельница 3, для получения сырьевой смеси, накопительный бункер 4, вращающаяся печь 5, бункер мелкого угля 6, мельница помола угля 7, элеватор 8, накопительный бункер пылевидного угля 9, охладитель 10.

На участке помола цемента расположено сушительное отделение граншлака, которое включает угольную топку 11 для генерации горячих газов для сушки граншлака, бункер гран-шлака 12, сушильный барабан 13, элеватор 14, бункер приемный 15 для компонентов цемента, дозатор компонентов цемента 16, бункер накопительный 17 для сырьевой цементной смеси, питатель 18, дробилка (например, двухроторная) 19, ковшовый элеватор 20, струйная мельница 21, компрессор 22, циклон 23, рукавный фильтр 24, питатель 25, элеватор 26, бункер цемента накопительный 27, бункер отгрузки цемента 28.

Изготовление цемента на предлагаемой линии из отходов металлургического производства осуществляется следующим образом: отвальные шлаки и отходы переработки известняка «хвосты» загружаются в бункер 1, откуда через дозатор 2 подаются в мельницу 3 для помола в сырьевую смесь (муку), которая через накопительный бункер 4 попадает во вращающуюся печь 5, где образуется минералы клинкера при соответствующей температуре, создаваемой горением, например, подающегося из бункера 9 пылевидного угля, получаемого помолом в мельнице 7 мелкого угля из бункера 6 и подаваемого после помола элеватором 8 в накопительный бункер 9. Из вращающейся печи 5 образовавшиеся минералы клинкера поступают в охладитель 10, откуда могут подаваться как на склад клинкера, так и на участок помола цемента.

На участке помола цемента граншлак из бункера 12 подается в сушильный барабан 13, в котором используется тепло газов, отходящих из угольной топки 11.

После сушки граншлак элеватором 14 подается в приемный бункер 15, куда также подается гипс и клинкер. Через дозатор 16 цементные компоненты подаются в накопительный бункер 17, откуда питателем 18 в дробилку 19 для предварительного измельчения компонентов цемента, что будет способствовать повышению производительности мельницы тонкодисперсного измельчения 21, которая загружается ковшовым элеватором 20 и работает на сжатом воздухе от компрессора 22.

Измельченный цемент проходит двухступенчатое осаждение в циклонах 23 и фильтре 24, после которых цемент питателем 25 и элеватором 26 подается в бункер накопительный 27 и в бункер для отгрузки 28.

Способ получения клинкера из отходов металлургического производства и технологическая линия изготовления цемента с использованием тонко дисперсного измельчения доменных шлаков защищены патентами Украины [5, 7].

Выводы

1. Экспериментом установлена целесообразность производства клинкера из отходов металлургического производства: отвальные доменные шлаки + «хвосты» известняка, взятые в соответствии 2:3, соответственно.

2. Установлено соответствие химсостава опытного клинкера химсоставу стандартного клинкера.

3. Образцы опытного клинкера имеют высокие прочностные характеристики.

4. Установлено влияние температурного режима обжига проб сырьевой смеси опытного клинкера на его прочностные показатели.

5. Установлено положительное влияние активации (высокой дисперсности) на гидравлическую активность образцов опытного клинкера.

6. Установлена возможность получения клинкера с высоким гидравлическим модулем из отходов металлургического производства — отвальных доменных шлаков и «хвостов» известняка, разработана технологическая линия получения дешевого вяжущего материала (цемента).

7. Использование струйного измельчения (механоактивации) компонентов цемента позволяет снизить содержание дорогостоящего клинкера в цементе в 4-5 раз.

8. Производство цемента по предлагаемой технологии снижает эмиссию СО2 в атмосферу в разы.

Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733

9. Предлагаемый вариант получения клинкера-цемента со значительным эколого-экономическим эффектом целесообразен для его практического внедрения в производство.

Список использованных источников:

1. Колокольников В.С. Производство цемента / В.С. Колокольников. — М. : Высшая школа, 1970. — 287 с.

2. Теория цемента // Всеукраинская техническая газета. — 2005. — № 50 (154). — С. 7.

3. Кравченко В.П. Гидравлическая активность доменных шлаков / В.П. Кравченко, В.А. Стру-тинский // Сталь. — 2007. — № 1. — С. 94-95.

4. Рациональный вариант получения клинкера (цемента) из доменных шлаков / В.П. Кравченко, П.И. Пилов, Л.Ж. Горобец, Н.С. Прядко // Обогащение полезных ископаемых. — Днепропетровск, 2010. — № 4. — С. 23-27.

5. Пат. 35038 Украша, МПК С 04 В 7/00. Споаб виготовлення клшкера / В.С. Бойко,

B.П. Кравченко, В.А. Струтинський, В.И. Трубшков, О.В. Савощенко. — № u200805234; за-явл. 22.04.08; опубл. 26.08.08, Бюл. № 16. — 4 с.

6. Кравченко В.П. Обгрунтування параметрiв струминного подрiбнення при переробщ i збага-ченш доменних шлаюв : автореф. дис. …канд. техн. наук : 05.15.08 / В.П. Кравченко; ДВНЗ «Нац. прн. ун-т». — Дншропетровськ, 2013. — 20 с.

7. Пат. 36800 Украша, МПК С 04 В 7/00. Технолопчна лшя для виготовлення цементу /

C.А. Матвieнков, В.П. Кравченко, В.А. Струтинський, В.И. Трубшков, О.В. Савощенко. -№ u200806294; заявл. 13.05.08; опубл. 10.11.08, Бюл. № 21. — 4 с.

References:

1. Kolokolnikov V.S. Proizvodstvo tsementa [Manufacture of cement]. Moscow, Higher school Publ., 1970. 287 р. (Rus.)

2. Teoriia tsementa [Cement theory]. Vseukrainskaia tekhnicheskaia gazeta — Ukrainian technical newspaper, 2005, no. 50, p. 7. (Rus.)

3. Kravchenko V.P., Strutinsky V.A. Gidravlicheskaia aktivnost’ domennykh shlakov [Hydraulic activity blast furnace slag]. Stal’- Steel, 2007, no. 1, pp. 94-95. (Rus.)

4. Kravchenko V.P., Pilov P.I., Gorobets L.J., Pryadko N.S. Ratsional’nyi variant polucheniia klinkera (tsementa) iz domennykh shlakov [Rational option for producing clinker (cement) from blast furnace slag]. Obogashchenie poleznykh iskopaemykh — Mineral enrichment, 2010, no. 4, pp. 23-27. (Rus.)

5. Boyko V.S., Kravchenko V.P., Strutinsky V.A., Trubnikov V.I., Savoshchenko A.V. Sposob izgo-tovleniia klinkera [Method of manufacture of the clinker]. Patent UA, no. 35038, 2008. (Ukr.)

6. Kravchenko V.P. Obosnovanie parametrov struinogo izmel’cheniia pri pererabotke i obogashchenii domennykh shlakov. Avtoref. diss. kand. techn. nauk [Substantiation of the parameters of jet milling in the processing and milling of blast furnace slag. Thesis of cand. tech. sci. diss.]. Dnepropetrovsk, 2013. 20 p. (Ukr.)

7. Matvienko S.A., Kravchenko V.P., Strutinsky V.A., Trubnikov V.I., Savoshchenko A.V. Tekhnologicheskaia liniia dlia izgotovleniia tsementa [Technological line for cement production]. Patent UA, no. 36800, 2008. (Ukr.)

Рецензент: В.А. Маслов

д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»

Статья поступила 03.10.2016

Строительная отрасль «зеленеет» благодаря цементу / +1

Фото: istockphoto.com

Ежегодно в мире выпускают более 4 млрд т самого распространенного строительного материала — цемента. На его производство приходится 8% мирового объема выбросов углекислого газа (CO2) — это больше, чем загрязнение атмосферы всеми существующими грузовыми автомобилями. По подсчетам экспертов британской аналитической организации Chatham House (Королевский институт международных отношений), для достижения целей Парижского соглашения по климату цементная промышленность к 2030 году должна сократить углеродные выбросы на 16% ежегодно.

Загрязнение атмосферы при производстве цемента происходит при обжиге известняка. Сырье нагревают в печах с температурой выше 1 400 °C, в результате содержащийся в породе углерод (C) соединяется с кислородом (О), образуя CO2. По данным Европейской ассоциации производителей цемента (European Cement Association), тонна строительного материала «ответственна» за 0,5 т выбросов углекислого газа.

Для сокращения воздействия на окружающую среду некоторые архитекторы, застройщики, девелоперы внедряют в строительной отрасли экологичные технологии и придерживаются принципов устойчивого развития. Как отмечает издание The New York Times, в последние десятилетия представители индустрии, стремившиеся снизить углеродный след зданий, сосредоточились на сокращении потребления энергии за счет повышения эффективности систем освещения, отопления и других. Затем они стали обращать внимание не только на выбросы, связанные с эксплуатацией, но и на углеродный след, образующийся при производстве и транспортировке строительных материалов.

«Люди все лучше понимают, как возникают последствия глобального потепления. Бетон отвечает за непропорционально большую их часть», — считает глава нью-йоркской консалтинговой фирмы Building Product Ecosystems Аманда Камински.

Цемент составляет около 15% бетонной смеси, выступая в ней в роли вяжущего вещества, которое скрепляет между собой остальные компоненты (песок, гравий, воду). Еще до того, как экологический фактор приобрел значимость, технологи экспериментировали с составом бетона и старались сократить количество цемента в нем. Как напоминает The New York Times, это было связано с высокой ценой компонента из-за энергоемкого производства. Во второй половине XX века часть цемента начали заменять летучей золой, образующейся при сжигании угля на угольных электростанциях, а также шлаками — отходами от производства стали. В последние годы этот состав начали позиционировать как более экологичный. Однако вывод из эксплуатации угольных электростанций и спад производства привели к дефициту летучей золы и шлака и повысили их стоимость. Производители бетона вновь столкнулись с необходимостью поиска альтернативных смесей.

Экологичные альтернативы

Попытку сделать производство бетона более экологичным предприняла канадская CarbonCure Technologies. Компания разработала технологию впрыскивания сжиженного углекислого газа в бетон во время смешивания. Метод не только позволяет удерживать парниковый газ, но и делает бетон более прочным, сокращая необходимость в большом количестве цемента. Технология уменьшает выбросы углерода на 5–7%, ее используют на 225 заводах в США.

Фото: Matt Artz / Unsplash.com

В 2019 году группа ученых из Массачусетского технологического института (MIT) изобрела технологию производства цемента, которая способна устранить проблему углеродных выбросов. Она основана на использовании электролиза. Измельченный известняк растворяют в кислоте, из раствора на одном электроде выделяется углекислый газ, а на другом — выпадает в осадок гидроксид кальция (гашеная известь). На следующей стадии вещество перерабатывают в цемент. По словам одного из изобретателей, профессора MIT Йет-Мин Чанга (Yet-Ming Chiang), способ экологичный и очень дешевый, он стоит около 13 центов за кг продукта — меньше, чем бутылка воды. При этом строительный материал не теряет в качестве.

«Ожидается, что к 2060 году количество зданий по всему миру удвоится, что эквивалентно строительству одного нового Нью-Йорка каждые 30 дней», — предупредил Йет-Мин Чанг.

Чтобы экологизировать производство цемента, в MIT также предлагают возобновляемые источники энергии заменять на «зеленое» электричество, а CO2 собирать и использовать в других областях. Например, для создания альтернативного топлива, газированных напитков или сухого льда.

По данным статистического агентства Statista, абсолютным мировым лидером по производству цемента за 2015–2019 годы был Китай. В 2019 году в стране произвели 2,2 млн тонн строительного материала. С 2000 по 2018 год парниковые выбросы от производства цемента в Китае выросли более чем в три раза — с 244 млн т до 782 млн т в год, в Индии — с 46 млн т до 125 млн т, в России — с 15 млн т до 21 млн т. Сократить выбросы от цементной промышленности удалось Японии, Германии и Испании.

Автор

Тамара Муллаходжаева

Оборудование Для Производства Цемента коды ТН ВЭД (2020): 8428202000, 8474200009, 8474310000

Оборудование для промышленности строительных материалов: система транспортировки цемента от силосов промышленных сооружений к точкам навальной отгрузки в автоцементовозы и ж/д вагоны 8428202000
Оборудование для производства строительных материалов: новая технологическая линия по производству цемента производственной мощностью 10000 (десять тысяч) тонн клинкера в сутки на ЗАО «Михайловцемент», марка SINOMA, в со 8474200009
Оборудование для промышленности строительных материалов: система пневматической навальной погрузки цемента в ж/д вагоны 8428202000
Оборудование для промышленности строительных материалов: система транспортировки и выгрузки цемента из силосов промышленных сооружений 8428202000
Оборудование для приготовления строительных смесей: растворо-бетонная установка терминального типа со встроенным силосом для хранения цемента 8474310000
Оборудование для автоматического производства изделий из цемента песка и других промышленных отходов. ПУТЕМ ФОРМОВКИ И АГЛОМЕРАЦИИ модель: QT4-15D: QT12-15; QT10-15; QT8-15; QT6-15C; QT6-15B; QT4-15C QT4-20C; QT4-25; QT4-2 8474809080
Оборудование газоочистное: фильтр цемента 8421392009
Оборудование и машины строительные: Оборудование для хранения и транспортировки цемента и других сыпучих материалов 8479820000
Оборудование газоочистное и пылеулавливающее для технологической линий по производству цемента, торговой марки Scheuch 8421398007
Оборудование для промышленности строительных материалов: Оборудование для выгрузки цемента типа BBE-100/25 8428202000
Оборудование промышленности строительных материалов: Установка помола цемента со следующими комплектующими (см. Приложение) 8474200009
Оборудование химическое, нефтегазоперерабатывающее: резервуары РВС, РГС, РЧВ, РГСН, РГСП, двустенные РГСД объемом от 5 до 5000 м3, емкости подземные, надземные ЕП, ЕПП, емкости для ГСМ, силосы для цемента и сыпучих материа 7309005100
Оборудование для промышленности строительных материалов и цемента: модуль системы вентилирования 8474
Оборудование для производства строительных материалов: силосы для загрузки, хранения, дозирования песка, цемента и строительных смесей 7309009000
Оборудования для приготовления строительных (цементных) смесей: линия для смешения и упаковки цемента 8474390009
Оборудование газоочистное и пылеулавливающее: фильтры воздушные для силоса цемента, 8421392009
Оборудование для промышленности строительных материалов: установка разгрузки с пневматической подачей цемента 8428909000
Оборудование для приготовления строительных смесей: технологическая линия по производству цемента, производительностью 8500 тонн клинкера в сутки 2710124110
Оборудование для промышленности строительных материалов: линия для производства цемента производительностью 1500 тонн/сутки 8474809080
Оборудование химическое: резервуары РВС, РГС, РЧВ, РГСН, РГСП, двустенные РГСД объемом от 25 до 3000 м3, емкости подземные, емкости для ГСМ, силосы для цемента и сыпучих материалов, баки-аккумуляторы для горячей воды верти 7309005100
Оборудование для промышленности строительных материалов: линия паллетирования и упаковки мешков с сыпучими продуктами (цемента) 8422400008
Оборудование нефтепромысловое: Бункер постоянного потока цемента 7309005900
Оборудование строительное: оборудование (линия) помола цемента, 8474200009
Оборудование лабораторное: консистометр модель Model 15-400 RP, анализатор цемента мoдель M2000 9027801700

2. Исследования, разработки и внедрение в цементно-бетонном секторе

Данные об использовании новых цементов даже более ограничены, чем о смешанных цементах. Однако существующие исследования показывают, что, хотя некоторые инновации в этой области обсуждались в исследовательском сообществе более десяти лет, ни одна из них не получила широкого распространения. Там, где они используются, обычно используются ниши:

  • Портлендские клинкеры с высоким содержанием белита в основном использовались при строительстве крупных бетонных дамб в Китае.
  • Белитовый клинкер, содержащий йеэлимит (CSA), используется в нише в Китае с конца 1970-х годов. По оценкам, ежегодно производится менее 2 миллионов тонн.
  • Геополимеры были объектом исследований с 1970-х годов. Они использовались в Австралии для строительства дорог, мощения и панелей мостов, а совсем недавно — в аэропортах. Несколько производителей также работают в Бразилии, Индии, Украине и США.

2.3 Барьеры на пути распространения

Технологии во многих секторах переходят из лаборатории на рынок очень долго.Тем не менее, низкоуглеродистые цементы, похоже, сталкиваются с особыми проблемами. Почему эти продукты и процессы не находят широкого применения? Ключевые барьеры для развертывания можно разделить на барьеры на стороне предложения и на стороне спроса в зависимости от того, где они встречаются в цепочке создания стоимости и на каких субъектов они влияют.

Технологии во многих секторах переходят из лаборатории на рынок очень долго. Тем не менее, низкоуглеродистые цементы, похоже, сталкиваются с особыми проблемами

Барьеры на стороне предложения

Основное беспокойство производителей цемента вызывает «скручивание» активов: i.е. что замещение клинкера и новые цементы, если их быстро масштабировать, могут значительно снизить спрос на портлендский клинкер, снизив стоимость тысяч установок по производству клинкера (и, следовательно, компаний, которые им владеют). Поэтому, чтобы защитить свое положение, производители цемента могут сопротивляться новаторским инновациям, которые позволили бы сократить количество необходимого портлендского клинкера.

В результате игроки, наиболее способные тестировать и использовать новые цементы, могут не иметь стимула для этого.Хотя несколько крупных цементных компаний инвестировали в НИОКР в этой области, некоторые из обсуждаемых малых и средних предприятий изо всех сил пытались привлечь более широкое участие отрасли и участие в разработке своих инноваций. У солидных фирм есть естественный стимул сохранять рынок таким, какой он есть, и / или сохранять любые инновации внутри компании.

Второй ключевой фактор со стороны предложения — это наличие сырья. Чтобы иметь возможность вытеснить большие объемы портлендского клинкера, альтернативные продукты должны производиться в больших количествах, что возможно только в том случае, если их сырье также доступно в достаточном объеме и качества.В то время как несколько крупных производителей цемента владеют собственными цепочками поставок клинкера, в других странах доступность и качество этих материалов часто находятся вне контроля производителей.

Кроме того, под вопросом находятся будущие поставки двух наиболее часто используемых заменителей клинкера. Летучая зола и доменный шлак являются побочными продуктами сгорания угля и производства чугуна и стали соответственно. В Европе доступность и качество летучей золы снижается по мере вывода из эксплуатации угольных электростанций.С доменным шлаком стоит несколько иная проблема. Прогнозируется, что производство стали будет расти вместе с производством цемента, но рост объемов переработки и внедрение электродуговых печей на основе лома в сталеплавильном секторе влияет на количество доступного доменного шлака. Геополимеры и связующие, активируемые щелочами, также зависят от запасов летучей золы и доменного шлака. Мало того, что эти поставки уменьшаются, но и те, которые существуют, уже широко используются в качестве заменителей клинкера.

Третий фактор — стоимость. В отсутствие политического давления альтернативный цементный продукт должен иметь такую ​​же экономическую ценность, что и портландцемент, чтобы привлекать компании-производители цемента. Однако переход на альтернативные продукты может привести к увеличению затрат на материалы и энергию или потребовать дополнительных инвестиций в складские мощности и техническое оборудование для обработки и обработки новых материалов. Этот фактор значительно варьируется в зависимости от материала, о котором идет речь, и его местной доступности.Использование микрокремнезема в качестве заменителя клинкера, например, ограничено его высокой стоимостью (см. Таблицу 4). Напротив, во многих случаях летучая зола, доменный шлак и известняк могут снизить затраты производителей цемента и бетона.

Точно так же потенциальные расходы на использование нового цемента в значительной степени зависят от местной доступности составляющих его материалов. В производстве клинкеров CSA часто используется боксит, относительно дефицитный металл, имеющий конкурентное применение в производстве алюминия. Клинкер CSA может стоить на 60% дороже портландцемента, если стоимость доставки бокситов высока.Однако наличие дешевых бокситовых отходов на месте может снизить затраты. Часто затраты, связанные с производством новых цементов, увеличиваются из-за отсутствия широкого распространения и, следовательно, экономии от масштаба.

Таблица 4: Затраты на сырье — затраты и наличие

Наполнитель известняковый

~ 3 (

300 (

Практически без ограничений (

Есть

Летучая зола (класс F)

~ 35–110 (

300

600–900 т / год, переменное качество и доступность (

Есть

Шлак (ГБФС)

<1–110 (

~ 290 (

480–560 т / год, переменное качество и доступность

Есть

Глина

13 (для глины обыкновенной) (

150 (для каолина) (

600–700 (для метакаолина) (

2–3 (

Глины широко доступны, но поставки кальцинированных глин, для которых требуется технологическое оборудование, позволяющее их кальцинировать, более ограничены

Есть

Пуццоланы природные, e.грамм. вулканический пепел

35–90 (

75 (

Обильные, но локализованные (

Дым кремнезема

300–1 100 (

> 1 (

1–2,5 (т / год

Бокситы

~ 29–180 (

100–150 (цифра для бокситовых отходов) (

55–75 BT (но большая часть уже идет на производство алюминия

Есть

Рисовая шелуха

Нет данных

Нет данных

22 т / год (

Есть

Источники: собственный анализ авторов.Источники см. В Приложении 4.

Примечание: mt = миллион тонн; bt = миллиард тонн; y = год.

* Будет сильно отличаться в зависимости от местоположения и транспортных потребностей.

** Использование в качестве заменителя клинкера может сильно различаться в зависимости от логистики, необходимой для добычи, и качества материала, доступного на месте.

Барьеры со стороны спроса

Даже в тех случаях, когда производители цемента могут легко поставлять цементы и бетоны с низким содержанием углерода, их не просят делать это.Покупатели считают новые продукты слишком рискованными, более дорогими и сложными в использовании.

Одним из основных барьеров на стороне спроса является влияние замены клинкера и новых цементов на характеристики бетона. Цементы с высоким содержанием смесей часто имеют более низкое раннее развитие прочности в бетоне и более длительное время схватывания, чем портландцемент. В нормальных условиях подрядчики обычно любят заливать бетон во второй половине дня и извлекать его из формы на следующее утро. Цемент с высокой степенью смешения может значительно замедлить этот процесс.

Еще одним препятствием является текущее непонимание технических характеристик бетонов с высоким содержанием смесей и новых бетонов с течением времени. Испытания обычно необходимы, чтобы установить влияние заменителей клинкера и новых цементов на поведение бетона. Однако текущие процедуры испытаний были разработаны с учетом портландцемента, что ограничивает их применимость альтернативами.

Время, необходимое для оценки долговечности бетона, — это особый вопрос. Большинство тестов заключается в воздействии на небольшие образцы экстремальных условий на короткие периоды времени.Затем производятся экстраполяции того, насколько хорошо этот бетон будет работать в нормальных условиях в течение десятилетий. Однако эти испытания носят лишь ориентировочный характер, и обычно считается необходимым подождать два-три десятилетия, прежде чем можно будет полностью оценить долговечность бетона. Большинство обсуждаемых продуктов не существует достаточно долго, чтобы накопить данные испытаний в течение десятилетий, необходимые для «доказательства» их долговечности. В отсутствие уверенности клиенты, как правило, не желают экспериментировать с новыми цементами и заменителями клинкера, кроме как в нишевых приложениях или приложениях с низким уровнем риска.

Обеспокоенность по поводу воздействия новых материалов на бетон, особенно в отношении начального развития прочности и требований к долговечности, является одной из причин, почему стандарты цемента и бетона имеют тенденцию быть предписывающими, то есть они определяют состав, необходимый для цемента или бетона, чтобы соответствовать критериям для конкретные приложения. В большинстве международных стандартов замена портлендского клинкера ограничена 35%, за исключением цементов, смешанных со шлаками, где может быть заменено 65% портлендского клинкера.Новые подходы и особенно новые отраслевые стандарты требуют большого обсуждения и тестирования. Например, для утверждения и внедрения нового стандарта в ЕС могут потребоваться десятилетия.

Инженеры, подрядчики, строители и архитекторы по понятным причинам опасаются изменений в продукте, который должен обеспечивать безопасность на протяжении десятилетий

Стандарты усиливают и отражают текущее отсутствие спроса на инновационные продукты. Инженеры, подрядчики, строители и архитекторы по понятным причинам опасаются изменений в продукте, который должен обеспечивать безопасность людей, занимающих здания и объекты инфраструктуры, часто на протяжении десятилетий.Китай недавно отменил стандарт на цемент самого низкого качества в качестве средства предотвращения небезопасных методов строительства. Более того, существует сильное предпочтение стабильному и предсказуемому продукту: бетон, который можно использовать в большинстве областей применения, легко заливать и укладывать и не требует дополнительного обучения. Игроки отрасли также сталкиваются с финансовыми и правовыми ограничениями, которые определяют, насколько они могут быть новаторскими в выборе строительных материалов.

Обсуждение

Эти барьеры на стороне предложения и спроса взаимосвязаны и усиливаются.Ограниченный рыночный спрос на альтернативные цементные продукты укрепляет существующие бизнес-модели и усиливает опасения производителей по поводу увеличения затрат на разработку новых продуктов. Между тем производители цемента играют важную роль в формировании спроса на новые технологии и установлении ожиданий от них.

Концентрация мирового рынка цемента означает, что горстка крупных производителей имеет особые полномочия по определению повестки дня. Они хорошо представлены в отраслевых ассоциациях, которые помогают наметить технологические дорожные карты для отрасли.У этих фирм есть ресурсы для взаимодействия с комитетами по стандартам и другими учреждениями, которые устанавливают руководящие принципы; поэтому они могут помочь в создании и соблюдении норм и правил. Это приводит к своего рода мягкому закреплению статус-кво, при котором технические знания передаются через учреждения, политические лобби и крупных производителей, которые определяют курс для сектора, исходя из своих интересов.

Обратной стороной этой концентрации является то, что инновации, принятые этой горсткой фирм, могут быстрее внедряться по всей цепочке поставок.Точно так же радикальные меры по обеспечению устойчивости со стороны этих игроков, если они действительно появятся, могут существенно изменить ситуацию за короткое время.

Сквозным фактором, сдерживающим внедрение низкоуглеродистого цемента, является отсутствие сотрудничества по всей цепочке создания стоимости. Фрагментированный характер цепочки создания стоимости означает, что в типичном строительном проекте разные группы участников вносят свой вклад на разных этапах, а не все участвуют в процессе проектирования и планирования в самом начале. Поставщики цемента и бетона обычно взаимодействуют с подрядчиками или субподрядчиками только на этапе, когда спецификации материалов уже определены.В идеале производители цемента и бетона могли бы напрямую общаться с клиентами, архитекторами, инженерами и подрядчиками в начале проекта, чтобы обсудить ассортимент доступных бетонов.

Еще одним фактором является то, что не все описанные выше препятствия влияют на все технологии одинаково (см. Таблицу 5). Геополимеры, например, обычно описываются как конкурентоспособные с портландцементом по стоимости и характеристикам, но они сталкиваются с ограничениями в поставках сырья, сопротивлением потребителей и проблемами, привлекающими поддержку со стороны промышленности.Напротив, поставка сырья и стандарты не являются проблемой для богатого белитом портландцемента, в котором используются в основном те же материалы, что и портландцемент, но бетон, содержащий эти продукты, набирает прочность медленнее, чем бетон на основе портландцемента.

Такие барьеры не обязательно применяются во всех местах. Поставка сырья сильно зависит от местных факторов. В то время как некоторые части Европы уже ощущают последствия сокращения поставок летучей золы, Индия в настоящее время производит ее в огромных количествах.Хотя большинство мировых стандартов являются предписывающими, и хотя европейские и североамериканские стандарты преобладают, они не всегда строго соблюдаются за пределами этих двух рынков. Более того, некоторые новые цементы принимаются режимами стандартов в одних странах, а в других — нет. В Китае, например, есть стандарты для клинкера CSA. Аналогичным образом, приемлемость, использование и подходы к замене клинкера и новым цементам варьируются в зависимости от региона.

Вместо того, чтобы указывать на один преобразующий фактор или «серебряную пулю», патентный анализ выделяет ряд инноваций, которые имеют разные перспективы при различных обстоятельствах.Ключевым шагом будет поиск правильного сочетания технологических, практических и политических решений для данного местоположения. В следующей главе предпринимается первая попытка сделать это: рассматривается, как можно преодолеть описанные выше барьеры и при каких условиях.

Ученые разрабатывают альтернативный цемент с lo

Исследователи из Университета Мартина Лютера в Галле-Виттенберге (MLU) в Германии и Бразильского университета Пара разработали экологически безопасную альтернативу обычному цементу.Выбросы углекислого газа (CO2) могут быть сокращены во время производства до двух третей, если в качестве сырья используется ранее неиспользованная вскрыша от добычи бокситов. Альтернатива оказалась столь же стабильной, как и традиционный портландцемент. Результаты были опубликованы в журнале Sustainable Materials and Technologies .

Дома, фабрики, лестницы, мосты, плотины — ни одно из этих сооружений не может быть построено без цемента. По оценкам, в 2020 году в мире было произведено почти шесть миллиардов тонн цемента.Цемент — это не только важный строительный материал, он также является источником около восьми процентов антропогенных выбросов CO2. «Портландцемент традиционно производится с использованием различного сырья, включая известняк, который обжигают для образования так называемого клинкера», — объясняет профессор Герберт Пёлльманн из Института геонаук и географии MLU. «В процессе карбонат кальция превращается в оксид кальция, выделяя большое количество диоксида углерода». Поскольку CO2 является парниковым газом, исследователи уже несколько лет ищут альтернативу портландцементу.

Одним из многообещающих решений является цемент на основе сульфоалюмината кальция, в котором большая часть известняка заменена бокситом. Однако бокситы являются востребованным сырьем для производства алюминия и доступны не в неограниченных количествах. Вместе с бразильскими минералогами команда MLU теперь нашла альтернативу, так сказать, альтернативу: они не используют чистый боксит, а, скорее, покрывающую породу: глину Belterra. «Этот слой глины может иметь толщину до 30 метров и покрывает месторождения бокситов в тропических регионах земли, например, в бассейне Амазонки», — объясняет Пёлльманн.«Он содержит достаточно минералов с содержанием алюминия, чтобы обеспечить хорошее качество цемента. Он также доступен в больших количествах и может обрабатываться без дополнительной обработки». Еще одно преимущество: глина Belterra в любом случае должна быть удалена, поэтому ее не нужно извлекать только для производства цемента.

Несмотря на то, что цемент не может быть полностью произведен без карбоната кальция, по крайней мере, от 50 до 60 процентов известняка можно заменить глиной Belterra. Этот процесс имеет еще одно экологически важное преимущество: процесс обжига требует всего 1250 градусов по Цельсию (2282 ° по Фаренгейту) — на 200 градусов (392 ° по Фаренгейту) меньше, чем для портландцемента.«Наш метод не только выделяет меньше CO2 во время химического преобразования, но и при нагревании вращающихся печей», — говорит Пёлльманн. Объединяя эти эффекты, выбросы CO2 могут быть сокращены до двух третей при производстве цемента.

В ходе обширных лабораторных испытаний минералоги смогли доказать, что их альтернативный цемент отвечает всем требованиям качества, предъявляемым к традиционному портландцементу. В рамках дальнейших исследовательских проектов теперь будет выяснено, есть ли в Германии источники вскрыши, пригодные для производства цемента.«Сырье, содержащее глинистые минералы с более низким содержанием алюминия, может быть использовано, в частности, в строительных проектах, где достаточно бетона более низкого качества», — объясняет Пёлльманн. «Здесь все еще есть огромный потенциал для дальнейшего сокращения выбросов углекислого газа».

Исследование: Negrão L.B.A., Pöllmann H., da Costa M. L., Производство цемента с низким содержанием CO2 с использованием обильной бокситовой покрывающей породы «Belterra Clay». Устойчивые материалы и технологии (2021 г.).DOI: 10.1016 / j.susmat.2021.e00299



Журнал

Экологичные материалы и технологии

Метод исследования

Экспериментальное исследование

Предмет исследования

Не применимо

Название статьи

Производство цемента с низким содержанием CO2 с использованием обильной бокситовой вскрыши «Belterra Clay»

Дата публикации статьи

26 мая 2021

Заявление
COI

Авторы заявляют, что у них нет известных конкурирующих финансовых интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, описанную в этой статье.

Заявление об ограничении ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за точность выпусков новостей, размещенных на EurekAlert! участвующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

Цемент | 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,грамм. Китай) 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 (Европейская комиссия, 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 СО2 составляют 6.7 гигатонн (Гт), около 25% общих мировых выбросов, из которых 30% приходится на металлургическую промышленность, 27% — на неметаллические полезные ископаемые (в основном цемент) и 16% — на производство химикатов и нефтехимии (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 цементной / 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, является 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 потребностей в энергии пиропроцессинга, 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 потребил 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 открывают 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 рыночный потенциал в будущем

Основной потенциал в сокращении 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. Обычно 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 пламени и температуры горелки
    • увеличить или увеличить мощность подогревателя
  • Более низкие возможности поглощения влаги для сырьевой муки и топлива: устранение необходимости испарения адсорбированной воды
  • Снижение содержания пыли в выхлопных газах за счет сведения к минимуму турбулентности газа: пыль уносит энергию от 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
    • рециркуляция избытка охлаждающего воздуха
    • регенерировать более холодный воздух, используя его для сушки сырья и топлива или подогрева топлива или воздуха
  • Снижение потерь на излучение 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 с целью 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 цемента сухим способом 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 тонн / 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, так что они, вероятно, будут рассматриваться 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 можно было бы использовать 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, экономика и энергетические эффекты таких альтернативных цементов остаются спекулятивными.
  • Смешанные цементы предлагают большие возможности для энергосбережения и сокращения выбросов, но их использование во многих случаях потребует пересмотра строительных стандартов, кодексов и практик. 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 состава смеси в производстве цемента, методологии сокращения выбросов парниковых газов за счет рекуперации отходящего тепла и использования для выработки электроэнергии на цементных заводах, перехода на ископаемое топливо, мер по энергоэффективности и смене вида топлива для промышленных объектов, сокращение выбросов за счет частичной замены ископаемого 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 появляющихся 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 энергопотребление (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 вальцовые мельницы могут как сушить, так и измельчать материалы, поэтому они наиболее подходят для сырьевых материалов с более высоким содержанием влаги, в то время как вальцовые прессы и горизонтальные вальцовые 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 — найти для отрасли новые способы уменьшения воздействия на окружающую среду, понимания потенциала ее социального вклада и расширения взаимодействия с заинтересованными сторонами.

Список литературы

  • Американская ассоциация угольной золы (ACAA), 2001. Обзор продуктов сжигания угля.
  • Чоат, У., 2003. Энергия и возможности сокращения 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.
  • Карстенсен, К.Х. (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, К., 2004. Новые энергоэффективные технологии в промышленности: тематические исследования избранных технологий, Nr. LBNL-54828: Департамент энергетического анализа, Отдел экологических энергетических технологий, Национальная лаборатория Эрнеста Орландо Лоуренса в Беркли, Калифорнийский университет, Беркли, Калифорния 94720.
  • Йейтс, Дж. Р., Перкинс, Д. и Шанкаранараян, Р., 2004. Процесс и технология Cemstar для снижения парниковых газов и других выбросов при увеличении производства цемента, Хэтч, Канада.

Материалы и технологии для низкоуглеродистого бетона

Производство цемента и бетона относится к числу наиболее загрязняющих отраслей. Производство цемента трудно обезуглерожить, поскольку более половины его выбросов CO2 связаны с технологическими процессами, но на его долю приходится 5-8% общих антропогенных выбросов CO2.Однако новые материалы и технологии исследуются до …

Производство цемента и бетона относится к числу наиболее загрязняющих отраслей. Производство цемента трудно обезуглерожить, поскольку более половины его выбросов CO2 связаны с технологическими процессами, но на его долю приходится 5-8% общих антропогенных выбросов CO2. Тем не менее, новые материалы и технологии исследуются, чтобы уменьшить выброс CO2 в этой отрасли.Это включает использование переработанных материалов, альтернативных цементов, строительных растворов и бетонов с более низким уровнем выбросов CO2, а также технологий и материалов для связывания углерода. Тем не менее, все еще предполагается, что обычные портландские цементы будут доминировать в строительстве в ближайшие годы и десятилетия.

Эта тема исследования посвящена недавним разработкам в области материалов и технологий, которые приводят к производству цемента, строительного раствора и бетона с уменьшенными выбросами парниковых газов по сравнению с обычным смешанным портландцементным бетоном.С этой точки зрения Тема исследования направлена ​​на внесение вклада в раздел «Устойчивое проектирование и строительство границ в искусственной среде и конструкционных материалах» журнала «Границы в материалах», представляя соответствующие достижения в этих областях исследований.

Потенциальные темы, которые входят в объем темы исследования, включают, помимо прочего, следующее:

• Заменители портландцементного вяжущего в растворах и бетоне, например щелочно-активированные материалы / геополимеры
• Дополнительные вяжущие материалы как частичные заменители портландцемента в растворах и бетонах, а также гибридные щелочно-активированные материалы
• Технологии повторного использования и переработки бетонных материалов и конструкций
• Производство заполнителей, строительного раствора и бетона с использованием вторичных материалов
• Технологии связывания углерода в производстве клинкера, цемента и вяжущих (например,g., отверждение CO2)
• Технологии и материалы для связывания углерода в строительном растворе и бетоне (например, biochar)

Тематический редактор доктор Брант Уолкли получил финансовую поддержку от Sumitomo Mitsui Construction Co Ltd и Lubrizol Ltd. Остальные тематические редакторы заявляют об отсутствии конкурентов интересы по теме Тема исследования.

Ключевые слова : Вторичные материалы, Устойчивое развитие, Бетон, Геополимер, Улавливание углерода

Важное примечание : Все материалы по данной теме исследования должны находиться в рамках того раздела и журнала, в который они были отправлены, как это определено в их заявлениях о миссии.Frontiers оставляет за собой право направить рукопись за пределами области охвата в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.

Производство цемента — обзор

6.5 Использование дополнительных вяжущих материалов для сокращения выбросов CO

2 и связывание

Производство цемента является одним из крупнейших источников выбросов CO 2 . SCM частично или полностью использовались в качестве замены цемента или мелких заполнителей в строительстве, чтобы снизить потребность в цементе и соответствующие выбросы CO 2 (Al-Harthy et al., 2003; Бабу и Кумар, 2000; Бондарь и Коукли, 2014; Cheng et al., 2005; Цзя, 2012; Хан и Сиддик, 2011 г .; Кунал и др., 2012; Лимбахия и Робертс, 2004; Lothenbach et al., 2011; Маслехуддин и др., 2009; Наджим и др., 2014; Ночая и др., 2010; Сиддик, 2011; Сиддик и Беннасер, 2012; Toutanji et al., 2004). Некоторыми из установленных SCM являются летучая зола, микрокремнезем, доменный шлак, стальной шлак и т. Д. Пуццолановые материалы, такие как летучая зола, стальной шлак и цементная пыль (CKD), при использовании в качестве замены цемента, улучшают долговечность Срок действия бетона, так как пуццолановая реакция требует времени.Но прочность SCM в раннем возрасте вызывает беспокойство, поскольку уменьшение содержания цемента вызывает меньшую гидратацию и, как следствие, меньшее образование геля CSH (Lothenbach et al., 2011). Проблема низкой ранней прочности SCM может быть решена путем отверждения карбонизацией в раннем возрасте.

Помимо секвестрации CO 2 , карбонизирующее отверждение также действует как механизм активации SCM (Monkman et al., 2018). Многие исследования пытались оценить влияние ACC на использование SCM (Monkman and Shao, 2006; Sharma and Goyal, 2018; Zhan et al., 2016; Zhang et al., 2016; Чжан и Шао, 2018). ACC не только увеличивает степень гидратации альтернативных вяжущих материалов, но также улучшает характеристики бетона в раннем возрасте. Монкман и Шао (2006) оценили карбонизацию доменного шлака, летучей золы, шлака электродуговой печи (ЭДП) и извести. Все четыре материала реагировали по-разному при отверждении карбонизацией в течение 2 часов. Летучая зола и известь показали самую высокую степень карбонизации, за ней следовали шлак из ДСП, тогда как измельченный гранулированный доменный шлак (GGBS) показал наименьшую реакционную способность по отношению к CO 2 .Кальцит был основным продуктом реакции летучей золы, извести и шлака EAF, тогда как арагонит был получен карбонизацией GGBS. Sharma и Goyal (2018) изучали влияние ACC на цементные растворы, изготовленные с использованием CKD в качестве замены цемента. Было обнаружено, что ACC улучшает прочность цементных растворов в раннем возрасте на 20%, даже для растворов с более высоким содержанием CKD. В нескольких исследованиях была предпринята попытка оценить способность стальных вяжущих для шлака улавливать CO 2 (Bonenfant et al., 2008; He et al., 2013; Huijgen et al., 2005; Huijgen and Comans, 2006; Ukwattage et al., 2017). Присутствие компонента C 2 S в стальном шлаке делает его потенциальным вяжущим материалом, который может действовать как поглотитель углерода для связывания CO 2 (Johnson et al., 2003).

Zhang et al. (2016) в своем исследовании обнаружили, что бетон из летучей золы более реактивен к CO 2 по сравнению с бетоном из OPC. С уменьшением содержания ОРС образовалась пористая микроструктура из-за недостаточной реакции гидратации.Увеличенное расстояние между зернами цемента способствовало более высокой вероятности реакции с CO 2 и, следовательно, более высокой степени связывания CO 2 . Характеристики SCM, подвергнутых отверждению карбонизацией, в значительной степени зависят от тонкости материала и посткарбонизации от содержания воды. Более мелкий размер частиц SCM обеспечивает более высокую удельную площадь для эффективной реакции карбонизации. В связи с этим во многих исследованиях было замечено, что бетон, изготовленный с использованием SCM, имел лучшую реактивность по отношению к CO 2 , чем OPC (Monkman and Shao, 2006).Посткарбонизация содержания воды также играет доминирующую роль в определении производительности SCM. Посткарбонизация с достаточным содержанием воды необходима для полной гидратации и пуццолановой реакции SCM (Monkman and Shao, 2006).

(PDF) Последние достижения в технологии зеленого цемента с использованием топлива и сырья с низким уровнем выбросов углерода: обзор

Sustainability 2019,11, 537 16 из 18

59.

Habert, G .; Choupay, N .; Escadeillas, G .; Guillaume, D .; Монтель, Дж.M. Содержание глины в аргиллитах: влияние на растворы на цементной основе

. Прил. Clay Sci. 2009, 43, 322–330. [CrossRef]

60.

Donatello, S .; Tyrer, M .; Cheeseman, C.R. Сравнение методов испытаний для оценки пуццолановой активности.

Cem. Concr. Compos. 2010, 32, 121–127. [CrossRef]

61.

Scrivener, K.L .; John, V.M .; Gartner, E.M. Эко-эффективные цементы: потенциальные экономически жизнеспособные решения для производства материалов на основе цемента с низким содержанием CO2

.Джем. Concr. Res. 2018. [CrossRef]

62. Хатиб, Дж. М. Устойчивость строительных материалов; Woodhead Publishing Limited: Кембридж, Великобритания, 2009.

63.

Sánchez Berriel, S .; Favier, A .; Rosa Domínguez, E .; Sánchez MacHado, I.R .; Heierli, U .; Scrivener, K .;

Martirena Hernández, F .; Хаберт, Г. Оценка экологического и экономического потенциала известняка

цемента из кальцинированной глины на Кубе. J. Clean. Prod. 2016, 124, 361–369. [CrossRef]

64.

Scrivener, K .; Martirena, F .; Бишной, С .; Maity, S. Цементы из кальцинированного глинистого известняка (LC3). Джем. Concr. Res.

2017,114, 49–56. [CrossRef]

65.

Scrivener, K.L. 202 Спецвыпуск — Варианты будущего цемента. Indian Concr. J.

2014

, 88, 11–21. [CrossRef]

66.

Scrivener, K.L .; Авет, Ф .; Maraghechi, H .; Зунино, Ф .; Ston, J .; Favier, A .; Hanpongpun, W. Воздействующие факторы

и свойства известняковых кальцинированных глиняных цементов (LC3).В зеленых материалах; ICE Publishing: Лондон, Великобритания,

2018.

67.

Antoni, M .; Rossen, J .; Martirena, F .; Скривенер, К. Замена цемента комбинацией метакаолина и известняка

. Джем. Concr. Res. 2012,42, 1579–1589. [CrossRef]

68.

Shi, C .; Jiménez, A.F .; Паломо, А. Новые цементы 21 века: поиск альтернативы портландцементу

. Джем. Concr. Res. 2011,41, 750–763. [CrossRef]

69.

Shi, C .; Кривенко, П.В .; Рой, Д. Щелочно-активированные цементы и бетон; Тейлор и Фрэнсис: Нью-Йорк, Нью-Йорк, США,

2006; ISBN 978-0-415-70004-7.

70.

Provis, J.L. Геополимеры и другие активированные щелочью материалы: почему, как и что? Матер. Struct. Констр.

2014,47, 11–25. [CrossRef]

71.

Khale, D .; Чаудхари, Р. Механизм геополимеризации и факторы, влияющие на его развитие: обзор.

J. Mater.Sci. 2007, 42, 729–746. [CrossRef]

72.

De Silva, P .; Sagoe-Crenstil, K .; Сирививатнанон В. Кинетика геополимеризации: роль Al

2

O

3

и SiO

2

.

Cem. Concr. Res. 2007 г., 37, 512–518. [CrossRef]

73.

Somna, K .; Jaturapitakkul, C .; Кадзитвичянукул, П .; Chindaprasirt, P. Активированная NaOH измельченная зола

геополимер, отверждаемый при температуре окружающей среды. Топливо 2011,90, 2118–2124.[CrossRef]

74.

Ковальчук, Г .; Фернандес-Хименес, А .; Паломо, А. Активированная щелочью зола: Влияние условий термического отверждения

на механическое и микроструктурное развитие — Часть II. Топливо 2007,86, 315–322. [CrossRef]

75.

Ровнаник П. Влияние температуры отверждения на формирование твердой структуры геополимера

на основе метакаолина. Констр. Строить. Матер. 2010, 24, 1176–1183. [CrossRef]

76.

Jang, J.G.; Ahn, Y.B .; Souri, H .; Ли, Х.К. Новый экологически чистый пористый бетон, изготовленный из угольной золы и геополимерного связующего

: характеристики выщелачивания тяжелых металлов и прочность на сжатие. Констр. Строить. Матер.

2015,79, 173–181. [CrossRef]

77.

Barbosa, V.F.F .; Маккензи, К.Дж. Термическое поведение неорганических геополимеров и композитов

, полученных из полисиалата натрия. Матер. Res. Бык. 2003, 38, 319–331. [CrossRef]

78.

Weil, M.; Домбровский, К .; Бухвальд А. Анализ жизненного цикла геополимеров. В геополимерах; Woodhead

Publishing Limited: Кембридж, Великобритания, 2009 г .; С. 194–210.

79.

Habert, G .; Espinose, J.B .; Lacaillerie, D .; Руссель, Н. Экологическая оценка производства бетона на основе геополимеров

: Обзор текущих направлений исследований. J. Clean. Prod. 2011,19, 1229–1238. [CrossRef]

80.

Jang, J.G .; Lee, N.K .; Ли, Х.К. Свежие и затвердевшие свойства активированных щелочами зольных / шлаковых паст с суперпластификаторами

.Констр. Строить. Матер. 2014,50, 169–176. [CrossRef]

81.

Park, S.M .; Jang, J.G .; Ли, Х.К. Раскрытие роли MgO в карбонизации активированного щелочами шлакового цемента.

Неорг. Chem. Передний. 2018,5, 1661–1670. [CrossRef]

82.

Xie, Z .; Xiang, W .; Xi, Y. Возможности ASR агрегатов стекла в летучей золе, активированной жидким стеклом, и цементных растворах Portland

. J. Mater. Civ. Англ. 2003,15. [CrossRef]

83.

Ферна, А.Щелочно-кремнеземная реакция в щелочно-активированных гранулированных шлаковых растворах с химически активным заполнителем.

Cem. Concr. Res. 2002, 32, 1019–1024.

84. Gartner, E .; Суи Т. Альтернативные цементные клинкеры. Джем. Concr. Res. 2018, 114, 27–39. [CrossRef]

Индекс

— Альтернативные цементные материалы на транспорте, август 2018 г.


Фото: 1: © Инженерный колледж Технологического института Джорджии. Это испытание на осадку проводится на бетоне, сделанном из цемента на основе сульфоалюмината кальция, одного из цементов, которые исследователи тестировали в качестве потенциальной альтернативы портландцементу.

Будучи вторым по популярности материалом в мире после воды, бетон является основным компонентом американской инфраструктуры, в том числе его используют для строительства дорог и мостов в Национальной системе автомобильных дорог. Бетон, благодаря долгому сроку службы, имеет низкую экологическую стоимость; однако его основной компонент, обычный портландцемент (OPC), в процессе производства выделяет большое количество диоксида углерода; а уменьшение или замена OPC приведет к значительному повышению устойчивости.Чтобы использовать меньше энергии при производстве цемента, Программа перспективных исследований (EAR) Федерального управления шоссейных дорог (FHWA) поддерживает исследования, направленные на расширение доступа к потенциальным заменителям или альтернативам портландцементу. Эти альтернативные вяжущие материалы (ACM) являются основной темой проекта под названием «Новые альтернативные вяжущие материалы для развития следующего поколения устойчивой транспортной инфраструктуры». Основная цель — облегчить строительство и восстановление инфраструктуры с использованием бетона, изготовленного из ACM.Технологический институт Джорджии возглавляет исследования в партнерстве с Государственным университетом Оклахомы, Tourney Consulting и Инженерным корпусом армии США. Трехэтапный проект начался в 2014 году.

Процесс производства цемента

Портландцемент создается путем объединения кальция, кремния, алюминия и железа в контролируемом химическом процессе, который включает нагревание сырья в цементной печи. Сырье состоит из известняка, глины и других веществ.

Исследователи изучают потенциальные заменители портландцемента, чтобы предоставить дизайнерам, владельцам и подрядчикам более широкий выбор материалов. ACM в настоящее время используются в основном для специализированных приложений, в том числе для ремонта небольших дорожных покрытий и мостов, а также для соединения сборных элементов. Сырье отличается от портландцемента, в первую очередь, с точки зрения пониженного содержания кальция, а химические процессы, которые создают ACM, требуют меньше энергии и выделяют меньше углекислого газа.ACM также могут быть более устойчивыми к нагреву, огню, сульфатному воздействию, усадке и растрескиванию.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

[an error occurred while processing the directive]