صنعت جهانی تولید سیمان یکی از بزرگترین گسیل کننده های دی اکسید کربن( CO2 )است. همچنین مسئول %۸ از انتشار گازهای گلخانه ای در سراسر جهان است. یعنی چهار برابر بیشتر از بخش هواپیمایی.
تولید سالانه جهانی سیمان در سال( ۲۰۱۹ )، ۴٫۲ گیگاتن بود که %۵۵ آن در چین تولید شده است. انتظار می رود بازار سیمان در سراسر جهان تا سال ۲۰۵۰ تا %۲۵ رشد کند.
این بخش به عنوان “بخش فرسایش سخت” در نظر گرفته می شود. زیرا بسیاری از آلاینده های کربن دی اکسید ذاتاً با شیمی تولید سیمان مرتبط هستند و نمی توان آن را با استفاده از الکتریسیته با قدرت تجدید پذیر کاهش داد. در دمای ۹۰۰ درجه سانتیگراد سنگ آهک به آهک و CO تجزیه می شود.
علاوه بر انتشار دی اکسید کربن ناشی از فرایند، انتشاراتی مرتبط با مشعل در کوره سیمان سازی وجود دارد. که در آن گاز طبیعی، زغال سنگ، ضایعات یا پت کوک سوزانده می شود تا گرما و دمای بالا که برای تحریک( یا به حرکت در آوردن )واکنش های شیمیایی لازم است،ایجاد شود.
با توجه به مخلوط شدن دی اکسید کربن آزاد شده از فرآوری مواد معدنی و احتراق، غلظت CO2 معمول در گاز دودکش تا ۱۵ درصد است. گرچه ۳۷۵ برابر بیشتر از فشار جزئی CO2 در اتمسفر است، اما جذب CO2 از گاز دودکش با چنین غلظت رقیقی از CO2 چالش برانگیز است.
فرآیندهای معدنی سازی برای کاهش آلاینده های دی اکسید کربن در ساخت سیمان
استفاده از احتراق غنی شده با اکسیژن
برای افزایش غلظت دی اکسید کربن در گاز دودکش، می توان از احتراق غنی شده با اکسیژن استفاده کرد. بسیاری از کارخانه های موجود سیمان می توانند به این فناوری مجهز شوند. یک مزیت دیگر این روش این استکه تولید سیمان به دلیل تشدید فرآیند ۵ تا ۱۰ درصد افزایش می یابد. این می تواند برخی از هزینه های اکسیژن رسانی و تغییرات تجهیزات را جبران کند.
افزایش غلظت CO2 در گازهای دودکش در نهایت باعث می شود جذب کربن بسیار مقرون به صرفه باشد. علاوه بر این، کاهش انتشار آلاینده ها مانندNOx ، SOx و ذرات را می توان با استفاده از احتراق با هوای غنی شده با اکسیژن ساده کرد زیرا می توان تجهیزات تصفیه گاز دودکش را کوچک کرد.
جداسازی جریانهای کربن دی اکسید از گازهای خروجی فرایند و احتراق
یک روش جایگزین استفاده از هوا برای تأمین اکسیژن فرآیند احتراق و جدا کردن جریان گاز فرایند از جریان گاز خروجی احتراق است. سپس جذب کربن می تواند بر روی جریان گاز فرایند متمرکز شود که غلظت کربن دی اکسید بیشتری دارد.
حدود ۶۵٪ از انتشار CO2 در ساخت سیمان با جریان گاز فرآیند مرتبط است بنابراین پتانسیل خوبی برای ایجاد تأثیر قابل توجهی در کربن زدایی وجود دارد.
در داخل پروژه اروپایی آهک و سیمان با شدت انتشارکم( LEILAC )
یک کارخانه آزمایشی در محله هایدلبرگ سیمان در Lixhe، بلژیک ساخته شده است. کارخانه آزمایشی ۶۰ متری و دارای ظرفیت جذب حدود ۱۸۰۰۰ تن کربن دی اکسید در سال است که از ۲۴۰ تن وعده در روز خوراک خام برای تولید سیمان یا ۱۹۰ تن در روز از مواد اولیه سنگ آهک زمینی حاصل می شود.
هسته اصلی فرایند راکتور جدا کننده مستقیم( DSR )است که توسط Calix ساخته شده است. این به عنوان یک مبدل حرارتی بزرگ برای گرم کردن غیرمستقیم سنگ آهک عمل می کند، در نتیجه امکان جداسازی جریان های انتشار گاز احتراق و فرایند را فراهم می کند. اگزوز لوله حرارتی فرایند عمدتاً از کربن دی اکسید تشکیل شده است که می تواند برای استفاده بیشتر جذب و مایع شود.
یک فناوری مشابه نیز توسط مهندسی کربن در فرایند ضبط مستقیم هوا( DAC )خود استفاده شده است.
پروژه پیشرفته LEILAC2 در سال ۲۰۲۰ آغاز شد. در نظر گرفته شده است این پروژه تا سال ۲۰۲۳ در کارخانه هایدولبرگ سیمان به بهره برداری برسد، برای جذب ۱۰۰۰۰۰ تن CO2 در سال اگر از گاز طبیعی به عنوان سوخت گرمایش سنگ آهک استفاده شود، می توان از فن آوری های متداول جذب کربن برای جداسازی دی اکسید کربن از بقیه گازهای دودکش استفاده کرد.
در طول پروژه LEIL AC2، سوخت های جایگزین مبتنی بر زیست توده و استفاده از گرمایش الکتریکی با استفاده از انرژی تجدید پذیر برای گرم کردن دستگاه آهک پزی ظاهر می شود. علاوه بر این، ترکیب انعطاف پذیر برق تجدید پذیر متناوب و سوخت باید در پروژه نمایش تأیید شود، به طوری که مصرف برق قابل تفکیک اضافی می تواند به عنوان یک سرویس به شبکه برق ارائه شود.
یک سوال مهم همچنان باقی است. حتی اگر تمام انتشارات دی اکسید کربن انسانی از کارخانه های تولید سیمان گرفته شود، سرانجام با این CO2 چه می شود.
استفاده از CO2 با تقویت هوازدگی
هواشناسی یک فرایند طبیعی است که در آن سنگ ها و مواد معدنی به همان شکلی که در معرض آب و گازهای جوی قرار دارند تجزیه می شوند. وقتی دی اکسید کربن جو در باران یا آب رودخانه حل می شود، اسید کربنیک تشکیل می شود.
این محلول آبی باعث “هوازدگی” مواد معدنی اولیه به مواد معدنی کربنات ثانویه در فرایندی می شود که به عنوان “کربناسیون” شناخته می شود.
سرعت کلی فرایند بسیار کند است و به درجه حرارت محلی، فشار، نفوذ پذیری و مقاومت نسبی تشکیل سنگ اصلی بستگی دارد. برخی از مواد معدنی اولیه مانند الیوین، سنگ بازالت ضعیف با فرمول شیمیای( Mg , Fe ) 2SiO4
در شرایط مناسب محیطی به سرعت “هوا” می گیرند. از درس های این فرایند هوازدگی طبیعی می توان برای گرفتن آلاینده دی اکسید کربن از طریق تکنیک های مختلف معدنی سازی استفاده کرد.
برای ذخیره سازی کربن دی اکسید به شکل کربنات، ماده اولیه با اکسیدفلز بالا یا هیدروکسید فلز مورد نیاز است. یک مثال شامل سیمان پرتلند اصلاح شده است که دارای یک بخش مشخص هیدروکسید کلسیم است. سایر مواد اولیه شامل خاکستر بادی( CaO 10-40٪ ، MgO 0-10٪ )و خاکستر فولادی( CaO 40-50٪ ، MgO 5-10٪ )است. این مواد همچنین حاوی غلظت بالای اکسیدهای فلزی دیگر هستند. به عنوان مثال، می توان از MgO برای جداسازی CO2 با تشکیل کربنات های منیزیم(MgO + CO2 MgCO3)استفاده کرد.
سنگ های زیرزمینی در حال رشد با CO2
برای اجرای این فرایند جذب کربن کانی ساز، دو گزینه در دسترس است. یا مواد اولیه را به منبع نقطه ای انتشار کربن دی اکسید منتقل کنید، یا CO2 را به سازه های سنگی مناسب منتقل کنید تا گاز را به طور ایمن ذخیره کند.
رویکرد اخیر توسط CarbFix در ایسلند از سال ۲۰۰۷ توسعه یافته است. کربن دی اکسید جذب شده از گازهای دودکش یا مستقیماً از هوا، با آب مخلوط می شود و محلول آبی از اسید کربنیک تشکیل می شود.
این محلول در مکانی گرم می شود و به زیر زمین پمپ می شود که در تشکیلات زمین شناسی، گرم زیرزمینی گرم می شود. از آنجا که آب گرم می تواند کربن دی اکسید کمتری نسبت به آب سرد نگه دارد، CO2 در زیر زمین آزاد می شود و کربناسیون سنگ های بازالت در محل انجام می شود.
پخت سیمان با CO2
شرکت Carbon Cure مستقر در کانادا با تزریق ۱٫۵ کیلوگرم کربن دی اکسید اضافی به ازای هر تن سیمان در حین آماده سازی بتن، از قابلیت ترسیب بتن استفاده می کند.
این به دلیل تشکیل کربنات کلسیم اضافی در اثر واکنش CO2 با کسری از سیمان بتن، مقاومت بتن را افزایش می دهد. نتیجه این است که ۵٪ سیمان کمتر برای ساخت بتن مورد نیاز است و مقدار کمتری از سیمان به معنی کاهش انتشار کربن دی اکسید ناشی از ساخت سیمان مورد نیاز است.
این فناوری برای کاهش انتشار کربن دی اکسید بتن به راحتی در دسترس است و می تواند بلافاصله مقیاس بندی شود، زیرا تغییرات کمی در رفرایند تولید بتن لازم است. چندین پروژه مرجع با بزرگترین آمازون HQ2 در ایالات متحده وجود دارد.
پروژه تا به امروز، دستیابی به صرفه جویی خالص ۱،۱۴۴ تن CO2
بتن پیش ساخته ساخته شده از CO2
شرکت مستقر در ایالات متحده Solidia Technologies یک گام فراتر رفته و روند تولید سیمان را تغییر می دهد.
به جای نسبت ۳:۱ کربنات کلسیم به سیلیس درون سیمان پرتلند، این نسبت به ۱:۱ تنظیم شده و دمای سوختن به جای ۱۴۵۰ درجه سانتیگراد به ۱۲۵۰ درجه سانتیگراد کاهش یافته است.
این به جای سیلیکات تری کلسیم، سیلیکات کلسیم مصنوعی( ولاستونیت )ایجاد می کند.
با استفاده از کربن دی اکسید اضافی که از فرآیند دیگری جذب شده است، بتن Solidia در ۶۰ درجه سانتیگراد و فشار محیط فقط با مقدار کمی آب، به جای نیاز به بیشتر از ۵۰٪ آب برای بتن با پایه سیمان پرتلند، پخت می شود. CO2 اضافی که در طی فرآیند اعمال می شود با سیلیکات کلسیم واکنش داده و کربنات های کلسیم تشکیل می دهد.
با توجه به این واقعیت که می توان حدود ۵۰٪ از انتشار دی اکسید کربن را کاهش داد، این فرایند برای تولیدکنندگان بتن پیش ساخته مطلوب است. این فناوری در حال حاضر توسط Lafarge Holcim در ایالات متحده ارائه می شود.
سنگدانه های جداسازی شده دی اکسید کربن
برای تعیین میزان آلاینده دی اکسید کربن انسانی، Blue Planet یک فرایند جدید کانی سازی ایجاد کرده است. از بتن بازیافتی به عنوان ماده پایه استفاده می کند.
بتن خرد شده شامل سنگدانه و کسری از سیمان قدیمی است. در طول فرایند، سنگدانه بازیافت می شود و می توان از آن به عنوان سنگدانه در بتن جدید استفاده کرد.
در حالی که بخش های سیمان قدیمی با استفاده از کربن دی اکسید معدنی شده و لایه جدیدی از کربنات کلسیم در اطراف قسمت های سیمان قدیمی تشکیل می شود که به عنوان دانه های جوجه کشی برای فرایند کانی سازی عمل می کنند.
از سنگدانه های جداسازی شده دی اکسید کربن علاوه بر سنگدانه های بازیافتی در بتن تازه مخلوط شده استفاده می شود. در یک پروژه مرجع در سال ۲۰۱۶، از مصالح در فرودگاه بین المللی سانفرانسیسکو در منطقه شبانه روزی موقت استفاده شد.
جوش شیرین با درجه غذایی از گازهای دودکش
شرکت Carbon Free فرایند جدیدی به نام Sky Mine را توسعه داده است، جایی که می توان از طریق جذب و تجزیه ی کربن دی اکسید به کوره های سیمان استاندارد متصل شد.
گاز دودکش به داخل یک ستون جاذب هدایت می شود که در آن کربن دی اکسید با استفاده از محلول آب سدیم هیدروکسید گرفته می شود.
در مرحله دوم هیدروکسید سدیم با گاز دودکش اضافی واکنش نشان می دهد برای تولید هیدروژن کربنات سدیم، معروف به جوش شیرین.
در اولین نمایش فرایند معدن اسکای، ۹۰٪ دی اکسید کربن حاصل از جریان مایع در کارخانه تولید سیمان در سان آنتونیو در حال جذب شدن است. از سال ۲۰۱۶ فعالیت خود را آغاز کرده و سالانه ۷۵۰۰۰ تن کربن دی اکسید جذب می کند. جوش شیرین با درجه مواد غذایی از فرآیند، به بازار مصرف عرضه می شود. سرانجام، CO2 جذب شده در حین پخت در کوره ها آزاد می شود.
ترجمه دایان
