Как добывают цемент: Как делают цемент. — Как это сделано, как это работает, как это устроено — LiveJournal

Содержание

Как делают цемент. — Как это сделано, как это работает, как это устроено — LiveJournal


Цементная промышленность является одной из важнейших отраслей материального производства. Значение этой отрасли в народном хозяйстве определяется прежде всего ее неразрывной связью с ходом капитального строительства. Цемент — один из главнейших строительных материалов, предназначенных для изготовления бетонов, железобетонных изделий, а так же для скрепления отдельных деталей строительных конструкций, гидроизоляции и многих других целей.

Я провёл съемку на заводе Lafarge («Уралцемент») расположенном в поселке Первомайский, Челябинской области. Завод производит цемент по мокрому способу с 1957 года и по объемам производства находится в десятке крупнейших цементных заводов России. Для производства цемента используют глину и известняк. В качестве топлива выступает природный газ.


История портландцемента начинается 21 октября 1824 года, когда английский каменщик Джозеф Аспдин получил патент на вещество, которое назвал «портландцемент», поскольку его цвет напоминал серый цвет скал, находившихся вокруг города Портланд.

Портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера, гипса и специальных добавок. Свойства портландцемента зависят от состава клинкера и степени его измельчения. Важнейшее свойство портландцемента — способность твердеть при взаимодействии с водой. Оно характеризуется маркой портландцемента, определяемой по прочности на сжатие и изгиб стандартных образцов цементно-песчаного раствора после 28 суток твердения во влажных условиях.

2. Производство цемента складывается из двух основных технологических процессов: получение клинкера (наиболее трудоемкий и энергозатратный этап) и его помол с соответствующими добавками.

3. Для изготовления цемента сначала добывают известняк и глину из карьера.

4.

5.

6. Пройдя предварительную обработку, исходные материалы поступают в мельницу мокрого самоизмельчения «Гидрофол», где перерабатываются в шлам. Затем шлам домалывается в сырьевых мельницах и усредняется в шламбассейнах.

7. На заводе находится специальная лаборатория, в которой производят постоянный контроль качества и дозировку сырьевых материалов и добавок. И в том числе проводят тестирование конечного продукта на прочность.

8.

9.

10.

11. Затем тонкомолотый сырьевой шлам вводится во вращающуюся печь (длиной около 200 м и диаметром 4 м) и обжигается при температуре 1450 градусов Цельсия.

12. При обжиге частички сырья сплавляются между собой, образуя клинкер.

13. Печь для обжига представляет собой вращающийся металлический цилиндр, который наклонен к горизонтальной плоскости под углом 3-4 градуса, чтобы обеспечить возможность движения материала вдоль печи.

14. Полученный клинкер охлаждается в холодильниках, дробится и подается транспортерами в бункеры цементных мельниц для помола.

15. Электрофильтры на вращающихся печах позволяют сократить выбросы пыли в атмосферу в 10-30 раз.

16.

17.

18. Остывший клинкер подается в мельницу.

19.

20. Это самый шумный участок производства. Находится в цеху без наушников просто невозможно.

21. Цемент получают путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера, минеральных добавок (10-15%) и гипса (3-7%), который служит для регулирования сроков схватывания. Размер зерен цемента лежит в пределах от 1 до 100 мкм.

22.

23.

24. Процедура LOTOTO (LockOut / TagOut / TryOut). Комплекс действий для повышения безопасности на производстве.

25. Различные минеральные добавки служат для придания бетонам, растворам и др. изделиям на основе цемента специальных свойств (скорость затвердевания, устойчивость в природных водах, морозостойкость).

26.

27.

28. Полученный портландцемент транспортируется из мельниц в силосы для хранения.

29. Из силосов цемент отгружают железнодорожными вагонами и автомобильным транспортом в следующем виде: навалом, специальными контейнерами МКР весом до 1 тонны, бумажными мешками весом 50 кг.

30.

31.

32.

33.

Оригинал взят у victorborisov в Как делают цемент

Процесс производства

Сегодня компания CRH Ukraine производит цемент новейшим энергосберегающим и экологически безопасным сухим способом

Этап 1: добыча сырья

Сырье для производства цемента (карбонат кальция, кремнезем, глинозем и железную руду) в основном добывают из известковой породы, мела, глинистой породы или глины. Это сырье получают из карьеров путем добычи или при помощи взрывных работ. После этого вещества измельчают и к ним добавляют минералы, чтобы получить правильный химический состав для производства цемента. Эти минералы могут быть отходами производства других отраслей (например зола). После измельчения так называемую сырьевую смесь транспортируют на завод, где ее хранят.

Этап 2: измельчение и обжиг сырья

Вследствие измельчения получают порошок, известный как сырьевая смесь, который разогревают и переправляют в обжиговую печь. Именно эта печь является центром всего процесса производства. В ней сырьевая смесь разогревается до около 1500°C, примерно до температуры раскаленной лавы. При такой температуре проходят химические реакции, которые образуют цементный клинкер, содержащий гидравлические силикаты кальция.

Чтобы разогреть сырье до такой температуры, нужно нагреть печь до 2000°C. При этом используется органическое топливо. Печь находится под наклоном 3°, чтобы дать сырью возможность пройти через нее в течение 20–30 минут. После выемки клинкер охлаждают и хранят готовым к измельчению и производству цемента. 

Этап 3: измельчение и транспортировка цемента

К клинкеру добавляют небольшое количество гипса (3–5%), чтобы регулировать твердение цемента. После этого смесь уже достаточно размолота, чтобы получить из нее «чистый цемент». В этой фазе кроме гипса могут добавляться различные минералы, которые называются «добавками». При использовании в различных пропорциях эти добавки естественного и промышленного происхождения могут придавать цементу специфические свойства, такие как пониженная проницаемость, повышенная устойчивость к действию сульфатов и агрессивной среды, улучшенные технологические свойства или более качественная конечная обработка.
Наконец, цемент хранят в бункерах («силосах»), прежде чем отправить его цементовозами или в мешках клиенту.

Как сделать цемент? — своими руками, видео, фото

Как сделать цемент (бетон) своими руками?

При любых строительных работах, вы можете столкнуться с вопросом, как сделать цемент своими руками, чтобы он в конечном итоге получился качественным и нужной консистенции. Хотя на самом деле, данный процесс не такой уж и сложный, как может показаться на первый взгляд. Главное – это соблюсти пропорции и просто хорошенько его перемешать. А как самому сделать цемент, мы расскажем ниже.

Цемент: как сделать раствор, особенности процесса

Сам по себе, цемент – это вещество искусственного происхождения, у которого есть вяжущие свойства. Добывают его при измельчении клинкера, гипса и прочих добавок.

Для того, чтобы приготовить раствор, вам понадобится:

цемент. Он выступает в роли основного вяжущего вещества. Приобрести его можно и в компании Росцемент;

песок. Лучше использовать намывной или речной;

вода. Она нужна, чтобы залить сухую смесь;

щебень. Его применяют в качестве наполнителя, если нужен раствор для фундамента.

При этом могут использоваться различные присадки, в частности пластификаторы и отвердители.

Также можно посмотреть видео как сделать цемент, для лучшего понимания самого процесса.


В начале, в емкость заливается вода с необходимыми добавками. Согласно требованиям купленной марки (м400 или м500), в необходимых количествах смешивается песок с самим веществом, и вливается вода. Затем все это перемешивается лопатой или строительным миксером.

Если менять пропорции раствора и добавки веществ, то можно сделать для сада множество интересных фигур. Они станут идеальным дополнением, как для маленького участка, так и больших загородных коттеджей. Например, вы сможете сделать вазу из цемента, которая будет стоять у порога. Или же сделать клумбу, которая не потребует постоянного поддержания формы, в отличие от обычных.


Что можно сделать из цемента: варианты для дома и сада

Помимо привычного использования в качестве заливки фундамента, цементный раствор может использоваться для изготовления предметов декора и украшения дач и загородных домов. Например, можно сделать декоративный камень из цемента. Он используется сегодня очень широко в строительстве и отличается приятной фактурой.

Чтобы его изготовить, вам понадобится само вещество, песок и вода, которые необходимо будет развести в пропорции 3:1:1. Далее его заливают в форму и дают застыть.

Наверняка хозяйкам будет интересно, как сделать кашпо из цемента, ведь оно получается не просто красивым, но и долговечным, в отличие от аналоговых. Приготовьте раствор, подберите нужную форму, которая вам по душе и подождите, пока он засохнет. В качестве формы подойдет даже обычная пластиковая бутылка или ведро. Вовнутрь также кладется объект, который бы создал в кашпо емкость. Для этого подойдет обычная жестяная коробка.


Придерживайтесь того же принципа, если вам интересно, как сделать вазон из цемента. Следите, чтобы сама смесь была вязкая как сметана, но не слишком жидкая или густая. По надобности добавьте ингредиентов и снова хорошенько перемешайте.

Чтобы сделать горшок, следуйте вышеуказанным последовательностям. Его можно украсить подручными средствами, разместив на нем аппликацию, или же пошив под него специальный чехол из текстиля. Неплохо смотрится и вязаные украшения.

Если вы хотите просто добавить декорации в сад, то можно сделать шар из цемента. Он выглядит очень эффектно, и часто используется в ландшафтном дизайне. После приготовления смеси, залейте ее в форму. Причем в данном случае, наилучшим решением будет простой резиновый мяч, так как по мере затвердевания бетона, он не порвется.


Так, узнав как сделать цементный раствор своими руками, вы можете не только сэкономить на найме работников, но и сделать свой участок и немного уютнее и оригинальней.

Как делают цемент » BigPicture.ru

Пишет фотоблоггер victorprofessor: «Цементная промышленность является одной из важнейших отраслей материального производства. Значение этой отрасли в народном хозяйстве определяется прежде всего ее неразрывной связью с ходом капитального строительства.

Цемент — один из главнейших строительных материалов, предназначенных для изготовления бетонов, железобетонных изделий, а так же для скрепления отдельных деталей строительных конструкций, гидроизоляции и многих других целей.

Летом прошлого года я провёл съемку на заводе Lafarge («Уралцемент»), находящийся в поселке Первомайский, Челябинской области. Завод производит цемент по мокрому способу с 1957 года и по объемам производства находится в десятке крупнейших цементных заводов России. Для производства цемента используют глину и известняк. В качестве топлива выступает природный газ.»

Спонсор поста: Строительные выставки — это шанс для фирмы заявить о себе, представить новую продукцию, узнать о положении вещей у конкурентов, о состоянии рынка отрасли, расширить круг клиентов и партнеров.

История портландцемента начинается 21 октября 1824 года, когда английский каменщик Джозеф Аспдин получил патент на вещество, которое назвал «портландцемент», поскольку его цвет напоминал серый цвет скал, находившихся вокруг города Портланд.

Портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера, гипса и специальных добавок. Свойства портландцемента зависят от состава клинкера и степени его измельчения. Важнейшее свойство портландцемента — способность твердеть при взаимодействии с водой. Оно характеризуется маркой портландцемента, определяемой по прочности на сжатие и изгиб стандартных образцов цементно-песчаного раствора после 28 суток твердения во влажных условиях.

1.2. Производство цемента складывается из двух основных технологических процессов: получение клинкера (наиболее трудоемкий и энергозатратный этап) и его помол с соответствующими добавками.3. Для изготовления цемента сначала добывают известняк и глину из карьера. 4. 5. 6. Пройдя предварительную обработку, исходные материалы поступают в мельницу мокрого самоизмельчения «Гидрофол», где перерабатываются в шлам. Затем шлам домалывается в сырьевых мельницах и усредняется в шламбассейнах.

7. На заводе находится специальная лаборатория, в которой производят постоянный контроль качества и дозировку сырьевых материалов и добавок. И в том числе проводят тестирование конечного продукта на прочность.8. 9. 10. 11. Затем тонкомолотый сырьевой шлам вводится во вращающуюся печь (длиной около 200 м и диаметром 4 м) и обжигается при температуре 1450 градусов Цельсия.12. При обжиге частички сырья сплавляются между собой, образуя клинкер. 13. Печь для обжига представляет собой вращающийся металлический цилиндр, который наклонен к горизонтальной плоскости под углом 3-4 градуса, чтобы обеспечить возможность движения материала вдоль печи. 14. Полученный клинкер охлаждается в холодильниках, дробится и подается транспортерами в бункеры цементных мельниц для помола.15. Электрофильтры на вращающихся печах позволяют сократить выбросы пыли в атмосферу в 10-30 раз.16. 17. 18. Остывший клинкер подается в мельницу.19. 20. Это самый шумный участок производства. Находится в цеху без наушников просто невозможно. 21. Цемент получают путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера, минеральных добавок (10-15%) и гипса (3-7%), который служит для регулирования сроков схватывания. Размер зерен цемента лежит в пределах от 1 до 100 мкм.22. 23. 24. Процедура LOTOTO (LockOut / TagOut / TryOut). Комплекс действий для повышения безопасности на производстве.25. Различные минеральные добавки служат для придания бетонам, растворам и др. изделиям на основе цемента специальных свойств (скорость затвердевания, устойчивость в природных водах, морозостойкость).26. 27. 28. Полученный портландцемент транспортируется из мельниц в силосы для хранения. 29. Из силосов цемент отгружают железнодорожными вагонами и автомобильным транспортом в следующем виде: навалом, специальными контейнерами МКР весом до 1 тонны, бумажными мешками весом 50 кг.30. 31. 32. 33.

А вы знали, что у нас есть Instagram и Telegram?

Подписывайтесь, если вы ценитель красивых фото и интересных историй!

Цементный завод в Сирии работает круглосуточно из-за повышенного спроса

https://ria. ru/20181117/1532990709.html

Цементный завод в Сирии работает круглосуточно из-за повышенного спроса

Цементный завод в Сирии работает круглосуточно из-за повышенного спроса — РИА Новости, 17.11.2018

Цементный завод в Сирии работает круглосуточно из-за повышенного спроса

РИА Новости, 17.11.2018

2018-11-17T05:10

2018-11-17T05:10

2018-11-17T05:10

война в сирии

сирия

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/sharing/article/1532990709.jpg?15113336021542420633

ДАМАСК, 17 ноя — РИА Новости. Крупнейший в Сирии цементный завод в городе Тартус перешел после войны на круглосуточный режим работы, чтобы удовлетворить растущий внутренний спрос на цемент, сообщил журналистам генеральный директор предприятия Али Сулейман.»Цемент нужен для строительства и восстановления разрушенной войной страны. Сейчас здесь работает четыре производственные линии, каждая из которых производит примерно 1250 тонн цемента в день. В год наше предприятие выдает около трех миллионов тонн (цемента – ред.)», — заявил гендиректор.По его словам, сейчас на предприятии трудится 2,2 тысячи рабочих, которые «выполняют свои обязанности круглосуточно, в четыре смены». Али Сулейман уточнил, что многие рабочие — бывшие военные, осваивающие мирные профессии.Основным материалом для производства цемента в Тартусе служит базальт, который добывают в карьерах поблизости от завода.»Из-за войны мы не производили капитальный ремонт предприятия. Но как только боевые действия закончились, на заводе началась модернизация», — добавил собеседник агентства.

https://ria.ru/20181008/1530169556.html

сирия

РИА Новости

[email protected] ru

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2018

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

война в сирии, сирия

ДАМАСК, 17 ноя — РИА Новости. Крупнейший в Сирии цементный завод в городе Тартус перешел после войны на круглосуточный режим работы, чтобы удовлетворить растущий внутренний спрос на цемент, сообщил журналистам генеральный директор предприятия Али Сулейман.

8 октября 2018, 10:21

В Сирии предположили, сколько лет уйдет на восстановление нефтяного сектора

«Цемент нужен для строительства и восстановления разрушенной войной страны. Сейчас здесь работает четыре производственные линии, каждая из которых производит примерно 1250 тонн цемента в день. В год наше предприятие выдает около трех миллионов тонн (цемента – ред.)», — заявил гендиректор.

По его словам, сейчас на предприятии трудится 2,2 тысячи рабочих, которые «выполняют свои обязанности круглосуточно, в четыре смены». Али Сулейман уточнил, что многие рабочие — бывшие военные, осваивающие мирные профессии.

Основным материалом для производства цемента в Тартусе служит базальт, который добывают в карьерах поблизости от завода.

«Из-за войны мы не производили капитальный ремонт предприятия. Но как только боевые действия закончились, на заводе началась модернизация», — добавил собеседник агентства.

PROMFOTO из ЖЖ: ОАО «Лафарж Цемент» (ранее ОАО «Уралцемент») / Как делают цемент — ZAVODFOTO.RU


Цементная промышленность является одной из важнейших отраслей материального производства. Значение этой отрасли в народном хозяйстве определяется прежде всего ее неразрывной связью с ходом капитального строительства. Цемент — один из главнейших строительных материалов, предназначенных для изготовления бетонов, железобетонных изделий, а так же для скрепления отдельных деталей строительных конструкций, гидроизоляции и многих других целей.

Летом прошлого года я провёл съемку на заводе Lafarge («Уралцемент») расположенном в поселке Первомайский, Челябинской области. Завод производит цемент по мокрому способу с 1957 года и по объемам производства находится в десятке крупнейших цементных заводов России. Для производства цемента используют глину и известняк. В качестве топлива выступает природный газ.


История портландцемента начинается 21 октября 1824 года, когда английский каменщик Джозеф Аспдин получил патент на вещество, которое назвал «портландцемент», поскольку его цвет напоминал серый цвет скал, находившихся вокруг города Портланд.

Портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера, гипса и специальных добавок. Свойства портландцемента зависят от состава клинкера и степени его измельчения. Важнейшее свойство портландцемента — способность твердеть при взаимодействии с водой. Оно характеризуется маркой портландцемента, определяемой по прочности на сжатие и изгиб стандартных образцов цементно-песчаного раствора после 28 суток твердения во влажных условиях.

2. Производство цемента складывается из двух основных технологических процессов: получение клинкера (наиболее трудоемкий и энергозатратный этап) и его помол с соответствующими добавками.

3. Для изготовления цемента сначала добывают известняк и глину из карьера.

4.

5.

6. Пройдя предварительную обработку, исходные материалы поступают в мельницу мокрого самоизмельчения «Гидрофол», где перерабатываются в шлам. Затем шлам домалывается в сырьевых мельницах и усредняется в шламбассейнах.

7. На заводе находится специальная лаборатория, в которой производят постоянный контроль качества и дозировку сырьевых материалов и добавок. И в том числе проводят тестирование конечного продукта на прочность.

8.

9.

10.

11. Затем тонкомолотый сырьевой шлам вводится во вращающуюся печь (длиной около 200 м и диаметром 4 м) и обжигается при температуре 1450 градусов Цельсия.

12. При обжиге частички сырья сплавляются между собой, образуя клинкер.

13. Печь для обжига представляет собой вращающийся металлический цилиндр, который наклонен к горизонтальной плоскости под углом 3-4 градуса, чтобы обеспечить возможность движения материала вдоль печи.

14. Полученный клинкер охлаждается в холодильниках, дробится и подается транспортерами в бункеры цементных мельниц для помола.

15. Электрофильтры на вращающихся печах позволяют сократить выбросы пыли в атмосферу в 10-30 раз.

16.

17.

18. Остывший клинкер подается в мельницу.

19.

20. Это самый шумный участок производства. Находится в цеху без наушников просто невозможно.

21. Цемент получают путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера, минеральных добавок (10-15%) и гипса (3-7%), который служит для регулирования сроков схватывания. Размер зерен цемента лежит в пределах от 1 до 100 мкм.

22.

23.

24. Процедура LOTOTO (LockOut / TagOut / TryOut). Комплекс действий для повышения безопасности на производстве.

25. Различные минеральные добавки служат для придания бетонам, растворам и др. изделиям на основе цемента специальных свойств (скорость затвердевания, устойчивость в природных водах, морозостойкость).

26.

27.

28. Полученный портландцемент транспортируется из мельниц в силосы для хранения.

29. Из силосов цемент отгружают железнодорожными вагонами и автомобильным транспортом в следующем виде: навалом, специальными контейнерами МКР весом до 1 тонны, бумажными мешками весом 50 кг.

30.

31.

32.

33.

(Видео) Как производится цемент — CEMEX USA

 

1. Добыча сырья

Известняк и глина извлекаются из каменоломен путем бурения горных пород и подрыва взрывчатых веществ с незначительным воздействием на окружающую среду благодаря используемой современной технологии.


2. Транспортировка сырья

После того, как огромные камни были раздроблены, их транспортируют на завод самосвалами или ленточным конвейером.


3. Дробление

Бутовый камень доставляется по желобам в дробилки, где он измельчается путем дробления или измельчения до кусков размером примерно 1 ½ дюйма.


4. Предварительная гомогенизация

Предварительная гомогенизация – это пропорциональная смесь различных видов глины, известняка или любого другого необходимого материала.


5. Склад сырья

Каждое сырье транспортируется отдельно в силосы, где оно позже будет добавлено в определенных количествах в соответствии с конкретным типом производимого цемента.


6. Сырьевая мельница

Это происходит в вертикальной сталелитейной мельнице, которая измельчает материал за счет давления, создаваемого тремя коническими валками. Которые перекатываются по токарно-фрезерному столу. На этом этапе также используются горизонтальные мельницы, внутри которых материал измельчается с помощью стальных шаров.


7. Гомогенизация сырьевой муки

Этот процесс происходит в силосах, оборудованных для получения однородной смеси материала.


8.Прокаливание

Прокаливание является основной частью процесса, в котором задействованы огромные вращающиеся печи. Внутри при 1400°С сырье превращается в клинкер: мелкие темно-серые желваки диаметром 3-4 сантиметра.


9. Помол цемента

Клинкер измельчается стальными шарами разного размера, пока он проходит через две камеры мельницы, с добавлением гипса для увеличения времени схватывания цемента.


10. Упаковка и транспортировка цемента

Затем цемент размещается в бункерах для хранения, откуда он извлекается гидравлическим или механическим способом и транспортируется на объекты, где он будет расфасован в мешки или поставлен навалом. В любом случае он может быть доставлен железнодорожным вагоном, грузовым автомобилем или кораблем.

Как цементная промышленность пытается сократить свои выбросы

Жарким июльским утром на испытательном полигоне под Парижем группа ученых, инженеров и архитекторов в касках и защитных очках наблюдала через защитное стекло, как машина формирует густую, серую смесь на блоки размером с кирпич. Дальше по линии оператор вилочного погрузчика осторожно загружал блоки в сушильную камеру, как буханки хлеба в пекарне.

Они были свидетелями пробного запуска нового процесса производства бетона, разработанного Solidia Technologies, который, как надеется компания из Нью-Джерси, коренным образом изменит способ производства этого строительного материала. Изменив химический состав одного из основных ингредиентов бетона — цемента — и изменив процесс его отверждения, компания заявляет, что может сделать бетон дешевле, чем традиционный процесс, и в то же время резко сократить выбросы углерода, связанные с производством цемента.

Цементная промышленность является одной из самых загрязняющих окружающую среду отраслей мировой экономики. На долю цементной промышленности, ответственной за около 8 % глобальных выбросов двуокиси углерода (CO2) в 2015 году, если ее поставить в ряд с отдельными странами, цементная промышленность была бы третьим по величине источником выбросов парниковых газов в мире после Китая и США. И этот и без того огромный след, по прогнозам, будет только расти в ближайшие десятилетия по мере продолжения экономического развития и быстрой урбанизации в Юго-Восточной Азии и странах Африки к югу от Сахары.По данным Международного энергетического агентства и Cement Sustainability Initiative, к 2050 году производство цемента может увеличиться на целых 23%.

Это создает серьезную проблему для борьбы с изменением климата. Одно исследование 2018 года показало, что выбросы, связанные с цементом, должны сократиться как минимум на 16% к 2030 году, а затем еще больше, если страны хотят достичь цели Парижского соглашения по климату 2015 года и оставаться ниже двух градусов по Цельсию потепления в этом столетии.

По мнению отраслевых экспертов, сокращение в таком масштабе потребует широкого внедрения менее углеродоемких альтернатив цементу, которые в настоящее время разрабатываются в лабораториях по всему миру.Но на рынке, которым правит горстка крупных производителей, опасающихся внесения изменений в свои существующие бизнес-модели, отсутствия сильной политики, стимулирующей более экологичные технологии, и строительной отрасли, достаточно осторожно относящейся к новым строительным материалам, перспективы такого радикального изменения далеки. от определенного.

Три тонны бетона на человека

Ошеломляющий углеродный след бетонной промышленности в основном связан с масштабами использования материала. Приземленная комбинация песка и гравия, склеенных цементом, этот искусственный камень настолько вездесущ, что является частью почти каждой конструкции нашей современной застройки.

«Современное общество было бы невозможно без бетона», — говорит Роберт Курланд, автор книги Concrete Planet . Это самый распространенный из существующих синтетических материалов, и, по данным Федерации цементной промышленности, австралийской торговой группы, если разделить весь бетон, который ежегодно используется во всем мире, на каждого человека на планете приходится по три тонны бетона. что делает его вторым наиболее потребляемым ресурсом в мире после воды.

Бетон в изобилии наносит огромный ущерб окружающей среде.Например, процесс изготовления портландцемента, наиболее распространенной формы, используемой для производства бетона, является одним из самых углеродоемких существующих производственных процессов; производство всего одной тонны дает более 1000 фунтов углекислого газа.

Процесс начинается с дробленого известняка, который смешивают с другим сырьем и затем подают в большую вращающуюся цилиндрическую печь, нагретую до более чем 2600 градусов по Фаренгейту. Печь наклонена под небольшим углом, и материалы засыпаются в приподнятый конец.Когда они движутся к ревущему взрыву пламени в нижней части печи, некоторые компоненты сгорают в виде газов, а оставшиеся элементы объединяются, образуя серые шарики, известные как клинкер. Куски материала размером с шарик охлаждают, а затем измельчают в мелкий порошок, чтобы сформировать ключевой связующий элемент, который позволяет бетону затвердевать при отверждении водой.

[Изображение с источника: rpsonic/Blendswap]

Этот процесс, который почти не изменился с тех пор, как был изобретен почти два столетия назад, приводит к выбросам углерода двумя способами.Во-первых, ископаемое топливо обычно сжигают, чтобы нагреть печь до высоких температур, необходимых для разрушения материалов, при этом выделяется углерод. Кроме того, сам процесс термического разложения приводит к выбросам, поскольку углерод, захваченный известняком, соединяется с кислородом воздуха, образуя двуокись углерода в качестве побочного продукта.

До двух третей выбросов углерода, связанных с цементом, возникают в результате этой реакции, поэтому производство цемента считается таким особенно сложным процессом для обезуглероживания, говорит Гаурав Сант, профессор гражданской и экологической инженерии Калифорнийского университета. , Лос-Анджелес (UCLA).Поскольку выбросы углекислого газа являются частью самого химического процесса, говорит он, даже полный переход на низкоуглеродные или нулевые источники энергии для обогрева печей решит только часть проблемы.

Производители цемента уже предприняли шаги по сокращению выбросов. Благодаря повышению энергоэффективности и усовершенствованию бетонных смесей средняя интенсивность выбросов углекислого газа при производстве цемента за последние 20 лет во всем мире снизилась на 18%. Некоторые компании также установили технологии, предотвращающие попадание выбросов углекислого газа в атмосферу, хотя такие системы могут улавливать только ограниченное количество и могут оказаться неосуществимыми в масштабах, необходимых для оказания значительного воздействия.

В то время как лидеры отрасли недавно пообещали еще больше сократить выбросы, Сант предупреждает, что существующие технологии могут обеспечить лишь часть экономии углекислого газа, необходимого для достижения парижских целей. «Что действительно нужно сделать отрасли, так это вложить деньги и усилия в производство новых или альтернативных типов цемента, которые требуют меньше клинкера или вообще не требуют его», — говорит он. «Это единственный способ решить проблему выбросов CO2 при производстве цемента».

Достаточно ли технологий?

Компании пробуют различные методы уменьшения или устранения количества клинкера, необходимого для производства бетона.Компания bioMASON из Северной Каролины, например, использует встречающиеся в природе бактерии в качестве связующего вещества для изготовления бетонных блоков, а компания CO2Concrete, дочерняя компания Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, разработала технологию, которая извлекает углекислый газ непосредственно из дымоходов электростанций для производства твердых минералов. карбонаты, которые затем можно использовать для замены традиционного портландцемента. Другие, такие как Banah в Соединенном Королевстве и Zeobond в Австралии, сосредоточены на использовании побочных продуктов других промышленных процессов для создания так называемых «геополимеров» для замены клинкера при производстве цемента.

По мнению экспертов, Solidia, компания из Нью-Джерси, которая летом прошла испытания во Франции, является одной из самых многообещающих. Его процесс, который был впервые разработан в 2008 году в Университете Рутгерса, включает в себя манипулирование химией цемента для значительного снижения температуры печи, необходимой для производства клинкера, а затем отверждение бетона, изготовленного из их цемента, отработанным углекислым газом вместо воды.

«Эти технологии в совокупности обеспечивают сокращение углеродного следа до 70% по сравнению с обычным бетоном на основе портландцемента — и при более низкой стоимости», — говорит Том Шулер, президент и главный исполнительный директор Solidia, получившей финансовую поддержку от известных венчурные компании Kleiner Perkins и Bright Capital, нефтяной гигант BP и швейцарская LafargeHolcim, крупнейший производитель цемента в мире.

Другая компания, работающая над альтернативными цементными растворами, — CarbonCure со штаб-квартирой в Галифаксе, Новая Шотландия. Детище инженера-строителя Роба Нивена, CarbonCure, разработало систему, в которой сжиженный углекислый газ закачивается во влажный бетон по мере его смешивания. По мере затвердевания бетона углерод из углекислого газа вступает в реакцию с бетоном, превращаясь в минерал, эффективно снижая потребность в цементе без ущерба для прочности или цены бетона.

«В любом отдельно взятом строительном или инфраструктурном проекте этот процесс минерализации CO2 уменьшает столько углерода, сколько сотни, если не тысячи акров деревьев поглотили бы в течение года», — говорит Кристи Гэмбл, директор по устойчивому развитию CarbonCure.По ее словам, развертывание по всему миру может сократить выбросы углекислого газа примерно на 550 миллионов тонн в год, что эквивалентно снятию с дорог 150 миллионов автомобилей.

На данный момент технология CarbonCure, требующая небольшой модернизации, состоящей из компьютерной системы, резервуара для хранения углекислого газа и трубы для его подачи в бетонную смесь, установлена ​​почти на 150 бетонных заводах по всей Северной Америке. Компания заявляет, что также расширяется в Юго-Восточную Азию и Европу.

Реальная демонстрация их продукта проходит в Джорджии в строящемся многоэтажном коммерческом офисном здании в одном из самых модных районов Атланты.Это здание, которое должно быть завершено к концу года, станет первым крупномасштабным проектом, в котором во всей конструкции будет использоваться бетон, изготовленный с помощью CarbonCure. По словам Гэмбла, только этот проект предотвратит выброс в атмосферу более 750 тонн углекислого газа, что эквивалентно 800 акрам лесных угодий, поглощающих углекислый газ в течение года.

Хотя такие компании, как Solidia и CarbonCure, начинают добиваться успехов, им еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем захватить хотя бы небольшую долю рынка.Шулер говорит, что основным препятствием является широко распространенный консерватизм в строительном секторе. «Общая позиция индустрии состоит в том, чтобы увидеть, чтобы поверить в это», — говорит Шулер. Компания потратила около 100 миллионов долларов на исследования, разработки и испытания, подобные тем, которые проводились во Франции, чтобы убедить коммерческих клиентов.

Нежелание внедрять новые технологии понятно. «Когда дело доходит до обеспечения безопасности жизни в конструкциях, вы должны быть уверены, что то, что вы делаете, сработает», — говорит Сант. Но он также утверждал, что сегодняшние правила техники безопасности не способны оценить новые процессы производства бетона, которые потребуются для значительного сокращения выбросов углерода в отрасли.

«Проблема в том, что мы слишком долго полагались на предписывающие кодексы и стандарты, которые говорят нам делать бетон определенным образом, вместо того, чтобы использовать критерии, основанные на производительности, которые стимулировали бы отраслевые инновации», — говорит он.

Другим важным вопросом является стоимость. «Хотя новые решения не всегда стоят дороже, чем традиционные решения, в тех случаях, когда они стоят, готовность платить за дополнительные расходы ограничена», — говорит Джереми Грегори, исполнительный директор исследовательской группы Concrete Sustainability Hub Массачусетского технологического института, специализирующейся на экологически безопасном бетоне. производство и использование.Исследование 2015 года показало, что, например, цементы на основе геополимеров могут стоить в три раза дороже, чем традиционные.

Политика, направленная на компенсацию этих более высоких затрат и поощрение инвестиций в экологически безопасные цементы, также отсутствует, говорит Гэмбл, предполагая, что «технический прогресс не может сам по себе снизить выбросы цемента». По ее словам, необходимы «такие меры, как ограничение выбросов и штрафы, чтобы посылать рыночные сигналы и поощрять широкое внедрение более экологичных технологий».

В конце концов, она признала, что низкоуглеродистый цемент все еще далек от широкого применения.И все же она остается позитивной: «Может быть, это займет 20, 30 лет, может быть, больше. Но мы начинаем видеть первые проблески этого пути».

Учитывая монументальный масштаб своего углеродного следа, один только цемент может помочь или сломать усилия по замедлению глобального потепления. Для Грегори единственный путь вперед — продолжать подталкивать всю отрасль к ускорению ее усилий.

«Откладывать или избегать этого вызова, — говорит он, — на самом деле не вариант».


Марчелло Росси — независимый журналист, работающий в сфере науки и окружающей среды, живет в Милане, Италия.Его работы были опубликованы Al Jazeera, Smithsonian, Reuters, Wired, и Outside , а также другими изданиями.

Эта статья была первоначально опубликована на Undark. Прочитать исходную статью.

• США: производство цемента, 2020 г.

• США: производство цемента, 2020 г. | Статистика

Пожалуйста, создайте учетную запись сотрудника, чтобы иметь возможность отмечать статистику как избранную. Затем вы можете получить доступ к своей любимой статистике через звездочку в шапке.

Зарегистрируйтесь сейчас

Пожалуйста, авторизируйтесь, перейдя в «Мой аккаунт» → «Администрирование». Затем вы сможете пометить статистику как избранную и использовать оповещения о личной статистике.

Аутентификация

Сохранить статистику в формате .XLS

Вы можете скачать эту статистику только как Премиум пользователь.

Сохранить статистику в формате .PNG

Вы можете скачать эту статистику только как Премиум пользователь.

Сохранить статистику в формате .PDF

Вы можете скачать эту статистику только как Премиум пользователь.

Показать ссылки на источники

Как пользователь Premium вы получаете доступ к подробным ссылкам на источники и справочной информации об этой статистике.

Показать подробности об этой статистике

Как пользователь Premium вы получаете доступ к справочной информации и подробностям о выпуске этой статистики.

Статистика закладок

Как только эта статистика обновится, вы немедленно получите уведомление по электронной почте.

Да, сохранить как избранное!

…и облегчить мою исследовательскую жизнь.

Изменить параметры статистики

Для использования этой функции требуется как минимум одиночная учетная запись .

Базовая учетная запись

Знакомство с платформой

У вас есть доступ только к базовой статистике.
Эта статистика не включает в ваш аккаунт.

Однозначный аккаунт

Идеальная учетная запись входа для отдельных пользователей

  • мгновенный доступ до 1 м. Статистика
  • до 1 м. *

    в первые 12 месяцев

    Корпоративный счет

    Полный доступ

    Корпоративное решение со всеми функциями.

    * Цены не включают налог с продаж.

    Самая важная статистика

    Самая важная статистика

    Самая важная статистика

    самая важная статистика

    Самая важная статистика

    Самая важная статистика

    Дополнительная связанная статистика

    Узнайте больше о том, как Statista может поддержать ваш бизнес.

    Геологическая служба США. (5 февраля 2021 г.). Производство цемента в США с 2010 по 2020 год (в миллионах метрических тонн) [График]. В Статистике. Получено 28 февраля 2022 г. с https://www.statista.com/statistics/219343/cement-production-worldwide/

    Геологическая служба США. «Производство цемента в США с 2010 по 2020 год (в миллионах метрических тонн)». Диаграмма. 5 февраля 2021 г. Статистика. По состоянию на 28 февраля 2022 г. https://www.statista.com/statistics/219343/cement-production-worldwide/

    Геологическая служба США.(2021). Производство цемента в США с 2010 по 2020 год (в миллионах метрических тонн). Статистика. Statista Inc.. Дата обращения: 28 февраля 2022 г. https://www.statista.com/statistics/219343/cement-production-worldwide/

    Геологическая служба США. «Производство цемента в США с 2010 по 2020 год (в миллионах метрических тонн)». Statista, Statista Inc., 5 февраля 2021 г., https://www.statista.com/statistics/219343/cement-production-worldwide/

    Геологическая служба США, Производство цемента в США с 2010 по 2020 г. (в миллионах метрических тонн) Statista, https://www.statista.com/statistics/219343/cement-production-worldwide/ (последнее посещение 28 февраля 2022 г.)

    К электрохимическому синтезу цемента — основанный на электролизе процесс декарбонизации CaCO3 с получением полезных газовых потоков

    Резюме

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

    Как обсуждалось на коллоквиуме Саклера 2018 г. «Состояние и проблемы в науке по обезуглероживанию нашего энергетического ландшафта» и в других недавних исследованиях (1⇓⇓–4), глубокая декарбонизация сегодняшней энергетической системы потребует решения не только вопросов производства энергии (24% глобальных выбросов парниковых газов) и транспорт (14% глобальных выбросов парниковых газов), но также и такие трудно поддающиеся обезуглероживанию отрасли, как крупная промышленность, на долю которой сегодня приходится около 21% глобальных выбросов парниковых газов (5).Промышленность использует ископаемое топливо для получения тепла и для запуска химических и термохимических реакций, но может стать менее зависимой от ископаемого топлива, если 1) станут доступными электрические альтернативы и 2) стоимость и надежность возобновляемой электроэнергии будут продолжать улучшаться (6, 7). Рост очень дешевой возобновляемой электроэнергии уже мотивировал поиск электрохимических методов для инноваций промышленных процессов (1, 8, 9). Среди них электрохимические способы производства цемента до сих пор были ограничены; 1 предыдущий пример представляет собой высокотемпературную электрохимическую декарбонизацию с использованием расплавленных солей, работающих в том же диапазоне температур, что и термические кальцинаторы (10, 11).Здесь мы предлагаем и демонстрируем доказательство концепции электрохимического процесса при температуре окружающей среды, который декарбонатирует CaCO 3 , осаждает твердый Ca(OH) 2 , из которого синтезируются желаемые силикаты кальция, и производит потоки концентрированного газа H 2 и O 2 + CO 2 , которые поддаются улавливанию и секвестрации CO 2 и/или используются в других процессах с добавленной стоимостью (рис. 1).

    Рис. 1.

    Схема электрохимического цементного завода с низким уровнем выбросов.Реактор электрохимической декарбонизации, работающий от возобновляемого электричества, преобразует CaCO 3 в Ca(OH) 2 для использования в синтезе цемента. Ячейка декарбонизации (рис. 2) использует градиент pH, полученный электролизом в нейтральной воде, для растворения CaCO 3 на кислом аноде и осаждения Ca(OH) 2 , где pH ≥ 12,5. Одновременно на катоде образуется H 2 , а на аноде O 2 /CO 2 . Эти газовые потоки могут выполнять несколько альтернативных ролей в устойчивой производственной системе.CO 2 может быть уловлен непосредственно из изначально концентрированного потока (CCS). Электроэнергия или тепло могут быть получены от H 2 и O 2 с помощью топливных элементов или камер сгорания. Кислородное топливо O 2 /CO 2 можно рециркулировать в печь для более чистого сжигания в цикле спекания цемента. Можно использовать концепции повторного использования и утилизации CO 2 (CO 2 U), такие как использование в EOR или производстве жидкого топлива.

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

    Текущие усилия по сокращению углеродного следа цемента включают улавливание углерода из дымовых газов, использование альтернативных видов топлива или разработку дополнительных вяжущих материалов (14, 18⇓⇓–21).В настоящее время дымовые газы цементных заводов слишком загрязнены для экономичного улавливания углерода с помощью аминовой очистки; использование альтернативных видов топлива (таких как использованные шины) не уменьшает первичные выбросы CaCO 3 ; а использование дополнительных материалов в бетоне оказывает ограниченное влияние на выбросы углерода из портландцемента и одновременно может ухудшить физические свойства (14, 19⇓–21). В другом семействе подходов используется цемент для улавливания и связывания большего количества CO 2 , в результате чего получается обогащенный карбонатами цемент или бетонный продукт (22⇓⇓–25).В отличие от вышеупомянутых подходов, мы были заинтересованы в поиске основанных на электрохимии подходов, которые потенциально могут производить наиболее широко распространенные и используемые цементы, тем самым сводя к минимуму риск внедрения, и в то же время используя преимущества появляющейся очень дешевой возобновляемой электроэнергии для облегчения как химического и термальные источники CO 2 . Как мы показываем, наш процесс может работать синергетически с другими научными и технологическими инструментами устойчивой энергетической системы, обсуждаемыми на коллоквиуме Саклера, включая ветровую и солнечную электроэнергию, расщепление воды и создание топлива, а также хранение химической и электрической энергии.

    В нашем реакторе используются градиенты pH, присущие электролизной ячейке, для декарбонизации CaCO 3 , осаждения и сбора Ca(OH) 2 (рис. 2). Мы показываем, что Ca(OH) 2 , полученный таким образом, который требует меньше энергии для дегидратации до CaO, чем требуется для прокаливания CaCO 3 , легко реагирует с SiO 2 с образованием алита, основной активной фазы. (от 50 до 70% по весу) в портландцементе (12). Практически стехиометрическая работа, при которой каждые 2 протона, электролитически произведенных на аноде, генерирующем кислород, декарбонатируют формульную единицу 1 CaCO 3 , демонстрируется в лабораторных масштабах. Мы предлагаем несколько способов интеграции этого реактора электрохимической декарбонизации в цементный завод с низким или нулевым выбросом углерода (рис. 1), включая питание от возобновляемой электроэнергии и использование образующихся газов в любой из нескольких альтернативных функций, таких как 1 ) прямое улавливание и секвестрация изначально концентрированного потока CO 2 , 2) производство электроэнергии или тепла из H 2 (и опционально O 2 ) с помощью топливных элементов или камер сгорания, 3) обеспечение газокислородного топлива для более чистое горение в цикле спекания цемента и 4) производство жидкого топлива.Представлен технико-экономический анализ первого порядка энергопотребления и стоимости топлива такого процесса в зависимости от стоимости возобновляемой электроэнергии.

    Рис. 2.

    Схема ячейки декарбонизации на основе электролизера. Реакции 1 и 2 представляют собой полуэлементные реакции выделения кислорода и выделения водорода соответственно при близком к нейтральному рН. Реакция 3 – образование воды из составляющих ее ионов. Реакции 4 и 5 представляют собой разложение карбоната кальция с выделением CO 2 ; промежуточные шаги см. в тексте.В реакции 6 гидроксид-ионы в реакции 3 вместо этого идут на образование гидроксида кальция, а протоны протонируют карбонат-ионы (реакция 5). Общая реакция, в которой CaCO 3 превращается в Ca(OH) 2 с сопутствующим высвобождением H 2 , O 2 и CO 2 , показана внизу.

    Результаты

    Наша ячейка для декарбонизации одновременно функционирует как электролизер и как химический реактор для преобразования твердого CaCO 3 в твердый Ca(OH) 2 , что схематично показано на рис.2 и продемонстрировано экспериментально на рис. 3 и SI Приложение , рис. С2 и С3. Электролизер, работающий с водой, близкой к нейтральной, имеет следующие анодные и катодные полуэлементные реакции: 2h3O→O2+4H++4e-[1]2h3O+2e-→h3+2OH-.[2] В установившемся режиме электролизер создает градиент pH, который легко визуализируется при добавлении универсального индикатора pH к работающей H-ячейке, как показано на рис. 3 и в фильмах S1 и S2. В таком электролизере H + и OH обычно рекомбинируют с образованием воды: H++OH-→h3O.[3] В нашем реакторе эта реакция заменена реакцией декарбонизации. При добавлении CaCO 3 к кислому раствору, образующемуся вблизи анода во время электролиза, происходит химическое обезуглероживание посредством следующей последовательности реакций (26): (K=6×10-9)  CaCO3(s)⇌Ca( водн.)2++CO3(водн.)2-[4](K=2,1×1010)  CO32-+H+⇌HCO3-[5a](K=2,2×106)  HCO3-+H+⇌h3CO3[5b](K= 5,9×102)  h3CO3(водн.) ⇌CO2(г)+h3O.[5c]Растворенный Ca 2+ (уравнение 4 ) направляется к аноду и затем осаждается из раствора в виде Ca(OH) 2 при реакции с ОН ; эта реакция предпочтительна при pH выше 12.5:Ca2++2OH-→Ca(OH)2.[6]Сумма электрохимических и химических реакций, протекающих в клетке: 2CaCO3(s)+4h3O(l)→2Ca(OH)2(s)+2h3( g)+O2(g)+2CO2(g).[7] Мы определяем стехиометрическую работу этого реактора как условие, при котором каждые 2 моля протонов, образующихся во время электролиза (уравнение 1 ), превращают 1 моль CaCO 3 на 1 моль Ca(OH) 2 , как показано в уравнении. 7 ; это представляет собой максимально возможный выход и кулоновскую эффективность. При стехиометрическом режиме соотношение образующихся газов также определяется уравнением. 7 : каждый моль Ca(OH) 2 давал результаты в виде образования 1 моль H 2 на катоде и 1 моль O 2 и 2 моль CO 2 на аноде.

    Рис. 3.

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

    Ранее Рау вместе с другими (27⇓⇓–30) предлагал использовать электролитическую декарбонизацию, работающую на возобновляемом электричестве, в качестве средства смягчения закисления океана. Их концепция, в свою очередь, аналогична работе кальциевого реактора, используемого для поддержания щелочности в рифовых аквариумах: CaCO 3 реагирует с кислотой (в случае Рау кислота получается в результате окисления морской воды) с образованием растворенного Ca(HCO). 3 ) 2 и Ca(OH) 2 на катоде. Полученный раствор Ca(HCO 3 ) 2 и Ca(OH) 2 является щелочным и улавливает CO 2 из атмосферы для преобразования CaCO 3 и может быть возвращен в морской водоем для смягчения подкисления. . Здесь, вместо использования электролитической декарбонизации для улавливания CO 2 , мы высвобождаем CO 2 в виде газообразного продукта для улавливания и связывания или использования в других процессах, а также осаждаем Ca(OH) 2 для использования в производство цемента.Обратите внимание, что помимо производства цемента Ca(OH) 2 является важным компонентом в производстве сахара-рафинада, целлюлозы и бумаги, щелочных карбонатов, для очистки сточных вод и в качестве флюса при рафинировании стали (31). Обычно Ca(OH) 2 получают путем гашения CaO, полученного прокаливанием CaCO 3 ; Используя наш реактор декарбонизации, Ca(OH) 2 может быть произведен непосредственно для этих применений, позволяя при этом напрямую улавливать произведенный CO 2 .

    Для проверки предложенной схемы была построена серия лабораторных реакторов с Н-элементами. На рис. 3 A E показаны цейтраферные изображения реактора, собранного с платиновыми электродами и использующего электролит, состоящий из 1 M NaNO 3 в дистиллированной воде, к которому добавлено несколько капель универсального индикатора pH. . Цветовая шкала, соотносящая цвет с рН, показана внизу рисунка. Анодная камера содержит порошок CaCO 3 и, в отличие от ячейки на рис.3 F J пористый разделитель между камерами не используется. Первоначально на рис. 3 A желтый оттенок показывает, что pH электролита ∼6 везде, кроме непосредственно над слоем порошка CaCO 3 , где фиолетовый оттенок показывает, что частичное растворение карбоната повысило pH до >10. На рис. 3 B E показана ячейка в разное время после начала электролиза в потенциостатических условиях (напряжение ячейки 2,5 В, ток ~6 мА). Цветовые градиенты показывают, что с течением времени развивается более крутой градиент рН, достигая более экстремальных значений рН в каждой камере, что согласуется с реакциями полуклеток (уравнения 1 и 2 ). Однако внимательное изучение раствора в поперечной трубке показывает четкое расслоение с кислым (розовым) раствором вверху и щелочным (фиолетовым) раствором внизу, что мы приписываем разнице в плотности между двумя растворами. Видео S1 показывает развитие градиента pH и слоистых слоев жидкости в этой ячейке с течением времени.В этой конфигурации ячейки наблюдалось осаждение Ca(OH) 2 по всей длине ячейки, в том числе непосредственно на катоде из платиновой проволоки, который он в конечном итоге пассивирует. Как показано в приложении SI , рис. S1, пассивация приводит к резкому падению тока ячейки после нескольких часов работы.

    Рис. 3 F I показана камера той же конструкции, но с разделителем из пористой бумаги, расположенным на пересечении каждой камеры с поперечной трубкой для ограничения конвекции. Кроме того, источник порошка CaCO 3 в этой ячейке содержится в съемной чашке, чтобы можно было измерить растворение CaCO 3 в зависимости от времени путем извлечения и взвешивания оставшегося порошка (после сушки). Обратите внимание на отсутствие стратификации; при отсутствии конвективного перемешивания ячейки могли работать более 12 ч без пассивации катода Ca(OH) 2 ( SI Приложение , рис. S1). В этой ячейке щелочной раствор диффундирует единым фронтом по всей ячейке, и при стационарной работе pH внутри поперечной трубки достаточно высок, чтобы осаждение Ca(OH) 2 происходило преимущественно между сепараторами, где он легко собраны для анализа.Также обратите внимание, что в этой конфигурации pH вокруг анода гораздо менее кислый (т. е. нет розового оттенка), и фактически желтый цвет указывает на pH ~ 6. Это важно, потому что 6 приблизительно соответствует pH, при котором HCO 3 и CO 2 (водн.) находятся в равновесии. Наблюдение предполагает, что практически все протоны, образующиеся в реакции выделения кислорода (уравнение 1 ), расходуются в результате реакции с ионом карбоната (уравнение 5 ). Мы подтверждаем это с помощью независимых измерений, обсуждаемых позже.Кроме того, состав выходящих газов был подтвержден методом газовой хроматографии.

    Используя конструкцию ячейки на рис. 3 F I , мы собрали значительное количество белого осадка на пористом бумажном сепараторе непосредственно перед катодом, как показано на рис. 3 J . После высушивания с помощью порошковой рентгеновской дифракции (XRD) было подтверждено, что осадок состоит преимущественно из Ca(OH) 2 с небольшим количеством CaCO 3 (6%, на основе уточнения Ритвельда) (рис.4 А ). Анализ Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ) показал, что осадок имеет удельную поверхность 0,8 м 2 /г. Примесь CaCO 3 могла образоваться при воздействии Ca(OH) 2 на воздух при подготовке образцов для XRD или когда часть растворимого HCO 3 депротонирует при контакте с OH до реформа CaCO 3 . Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) показывает, что частицы Ca(OH) 2 кристаллизуются с 3 различными характерными масштабами длины.Наиболее крупные изолированные кристаллиты (рис. 4 B ) имеют размеры в десятки микрометров и имеют морфологию гексагональной призмы, характерную для Ca(OH) 2 (32). Следующими по шкале размеров являются агрегаты гораздо более мелких кристаллитов размером в несколько микрометров (рис. 4 C и D ), но схожей морфологии гексагональной призмы. Наконец, существуют преципитаты с округлой морфологией конкреций, которые при большем увеличении обнаруживают кристаллиты субмикронного размера (рис.4 E и F ). Появление 3 различных морфологий осадков Ca(OH) 2 свидетельствует о том, что условия зародышеобразования и роста в реакторе сильно различаются. Происхождение этих вариаций является темой для будущих исследований. Однако практически все полученные частицы имеют размеры менее 90 мкм, типичные для сырьевых смесей при производстве цемента (12). Анализ состава с помощью энергодисперсионного рентгеновского анализа ( SI, Приложение , рис. S2) не показал примесей выше фонового уровня в Ca(OH) 2 , за исключением следовых количеств Na, вероятно, в результате использования соли Na, используемой в электролит реактора.Таким образом, настоящий подход, по-видимому, способен производить мелкие частицы Ca(OH) 2 высокой чистоты.

    Рис. 4.

    Ca(OH) 2 порошок, полученный в реакторе декарбонизации. ( A ) Порошковая дифрактограмма типичного образца; Уточнение Ритвельда показывает 94% Ca(OH) 2 и 6% CaCO 3 . ( B F ) СЭМ-изображение показывает кристаллиты Ca(OH) 2 трех масштабов длины. ( B ) Крупнейшие кристаллиты Ca(OH) 2 имеют размеры в десятки микрометров и характерную форму гексагональной призмы.( C ) Агрегаты более мелких кристаллитов Ca(OH) 2 , показанные при большем увеличении в D , имеют сходную морфологию гексагональной призмы, но имеют микрометровые размеры. ( E ) Ca(OH) 2 с округлой морфологией конкреций, которые при большем увеличении ( F ) показывают кристаллиты субмикрометрового размера.

    Была проведена серия экспериментов для определения кулоновской эффективности реактора по сравнению со стехиометрическим пределом.В каждом эксперименте реактор с H-ячейкой собирали со свежим электролитом, используя 1 М соли NaClO 4 или NaNO 3 и такое же начальное количество порошка CaCO 3 . Реактор работал в потенциостатическом режиме (3,5 В) в течение времени от 1 до 14 ч, после чего из реактора вынимали чашку, содержащую CaCO 3 , высушивали и взвешивали для получения количества CaCO 3 , потерянного для химическое растворение. Результаты 13 экспериментов представлены на рис.5 в виде количества молей растворенного CaCO 3 , прошедших через кулоны (верхняя абсцисса), полученного путем интегрирования тока за время эксперимента, и газового эквивалента H 2 (нижняя абсцисса), рассчитанного в предположении, что скорость электролиз равен току ячейки (т. е. отсутствуют побочные реакции). Красная пунктирная линия на рис. 5 представляет стехиометрическую реакцию, в которой каждые 2 протона, образующихся на аноде в реакции с выделением кислорода, протонируют 1 ион карбоната.Планки ошибок для каждой точки данных соответствуют совокупной ошибке взвешивания, основанной на точности весов. Метод наименьших квадратов по всем точкам данных дает отношение скорости химической реакции к скорости электролиза 0,85 по сравнению с максимальным значением 1. Это демонстрирует, что высокая кулоновская эффективность возможна даже при использовании неоптимизированного реактора лабораторного масштаба. . Для обоих электролитов самые длительные данные (крайние правые точки данных) показывают падение эффективности, которое другие эксперименты ( SI Приложение , рис.S1) предполагает пассивацию катода Ca(OH) 2 при длительном времени работы реактора. Обратите внимание, что некоторые точки данных лежат выше линии максимальной теоретической эффективности. Мы связываем это отклонение с некоторой непреднамеренной потерей CaCO 3 во время извлечения чашки, содержащей CaCO 3 , из реактора. Мы также попытались непосредственно измерить количество Ca(OH) 2 , произведенного в этих экспериментах, но не смогли восстановить весь Ca(OH) 2 , осажденный в клетках (например,г., со стенок клеток) или для эффективного удаления всего осадка на бумажном сепараторе. Ясно, что можно спроектировать более совершенные реакторы, в которых лучше контролируются конвекция и химические градиенты и в которых осажденный Ca(OH) 2 собирается более эффективно, в том числе непрерывно. Такие усовершенствования конструкции реактора выходят за рамки данной статьи. Даже в этом случае нынешняя эффективность близка к термической эффективности обычной установки для предварительного обжига цемента, которая декарбонизирует около 90% поступающего CaCO 3 .

    Рис. 5.

    Кулоновский КПД реактора декарбонизации, измеренный по результатам 13 экспериментов, каждый из которых начинался со свежесобранной Н-элементной ячейки типа, показанного на рис. 2. График зависимости потери массы CaCO 3 из-за растворения в зависимости от общей пропущенной загрузки через систему (верхняя абсцисса) и эквивалентные моли водорода, произведенного на катоде (нижняя абсцисса), рассчитанные в предположении, что весь ток идет на электролиз. Красная пунктирная линия представляет собой стехиометрическую реакцию, дающую максимальную эффективность преобразования на основе заряда, а черная пунктирная линия представляет собой аппроксимацию данных методом наименьших квадратов, наклон которой соответствует ~85% кулоновской эффективности.

    Продемонстрировав эффективность предлагаемого реактора декарбонизации, мы обратили внимание на оценку пригодности его твердого продукта Ca(OH) 2 в качестве предшественника портландцемента. Наиболее распространенным минералом в портландцементе, составляющим от 50 до 70% по весу, является алит, 3CaO·SiO 2 . Были приготовлены смеси порошков Ca(OH) 2 и мелкодисперсного порошка SiO 2 , а также контрольный образец из покупного порошка CaCO 3 , смешанного с тем же SiO 2 , в молярном соотношении 3:1 алит. соотношение.Смешанные порошки подвергались термообработке в широком диапазоне температур. На рис. 6 A и B показаны рентгенограмма и СЭМ-изображение смеси Ca(OH) 2 + SiO 2 после нагревания до 600 °C в течение 2 ч на воздухе. В отличие от CaCO 3 , который не разлагается до 898 °C (при 1 атм. здесь уже разложился до CaO при обжиге при 600 ° C, хотя CaO еще не прореагировал с SiO 2 с образованием алита.После нагревания в течение 2 часов при температуре 1500 °C, типичной для цементной печи, и охлаждения путем отключения питания печи смесь прореагировала с образованием низкотемпературного полиморфа алита T1 (ICSD:4331), как показано рентгенографией. образец на рис. 6 C . Известно, что полиморфизм алита зависит от природы и количества примесей в сырье, а также от скорости охлаждения от температуры печи (33). В то время как высокотемпературные полиморфы M1 и M2 чаще получают в коммерческих процессах, полиморф T1, полученный нами в медленно охлажденных образцах, считается именно цементирующим (33⇓–35). На рис. 6 D показано, что частицы алита, полученные из наших предшественников, имеют размер менее 30 мкм, что соответствует диапазону, требуемому для коммерческих портландцементов (12). На рис. 6 E и F показаны карты состава кальция и кремния, из которых очевидна однородность состава алита. На рис. 7 A и B показаны рентгенограмма и СЭМ-изображение соответствующей смеси CaCO 3 и SiO 2 после нагревания до 600 °C в течение 2 ч на воздухе, а на рис.7 C и D показывают результаты после нагревания до 800 °C в течение 2 часов на воздухе. При 600 °C значительного разложения не произошло, тогда как при 800 °C CaCO 3 разложился до CaO, но реакция на алит не началась. После нагревания до 1500 °C в течение 2 ч (рис. 7 E и F ) рентгенограмма показывает, что образовалась фаза алита. Однако остается некоторое количество непрореагировавшего СаО, 6% согласно уточнению Ритвельда спектров XRD. СЭМ-изображение на рис.7 F при сравнении с фиг. 6 D показывает, что алиты, производные от Ca(OH) 2 — и CaCO 3 , в конечном итоге достигают сходной морфологии частиц и размеров. Эти результаты показывают, что Ca(OH) 2 , полученный электрохимическим путем в нашем реакторе декарбонизации, является подходящим предшественником для синтеза основной гидратирующей фазы силиката кальция в портландцементе. Более того, из-за тонкой морфологии осадка (по сравнению, например, с молотым известняком) и его более низкой температуры разложения > 300 °C, он, по-видимому, обладает улучшенной реакционной способностью по сравнению с CaCO 3 , что может привести к сокращению времени обжига и/ или температуры, которые снижают потребление энергии на стадии высокотемпературной реакции.

    Рис. 6.

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

    Рис. 7.

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

    Обсуждение

    В дополнение к производству реактивного Ca(OH) 2 , подходящего для синтеза цемента, наш реактор декарбонизации на основе электролиза производит концентрированные газовые потоки H 2 на катоде и O 2 и CO 2 (в молярном соотношении 1:2 при работе с высокой кулоновской эффективностью) на аноде.Эти газы являются важными компонентами широкого спектра устойчивых технологий, которые в настоящее время используются во всем мире и открывают несколько возможных синергий между производством цемента и этими технологиями, которые мы сейчас обсудим.

    Улавливание и секвестрация углерода (CCS) на уровне цементного завода до настоящего времени было сосредоточено на улавливании CO после сжигания 2 в сочетании с использованием кислородно-топливного сжигания. Поток O 2 /CO 2 из нашего реактора декарбонизации может сделать эти процессы проще и эффективнее.Улавливание после сжигания относится к технологиям, которые улавливают CO 2 из выхлопных газов печи, таким как кальциевая петля, аминовая очистка и мембранная фильтрация (36⇓–38). Кислородно-топливное сжигание, или сжигание с повышенным содержанием кислорода, относится к сжиганию ископаемого топлива (здесь, прежде всего, угля) с кислородом вместо воздуха (37, 39). Кислородное сжигание сначала приводит к повышению эффективности использования топлива, поскольку азот, содержащийся в воздухе, не нужно нагревать. Во-вторых, отсутствие азота обеспечивает более высокие температуры пламени без выделения оксидов азота (NO x ), которые имеют потенциал глобального потепления в 298 раз больше, чем CO 2 в пересчете на массу (40), а также способствуют образованию смога. кислотные дожди и разрушение озонового слоя.В-третьих, дымовой газ от кислородно-топливного сжигания имеет более высокую концентрацию CO 2 и меньше примесей NO x (37, 41), что делает улавливание углерода более эффективным. Таким образом, на цементном заводе, использующем наш реактор декарбонизации, газовая смесь O 2 /CO 2 может использоваться в качестве кислородного топлива в высокотемпературной печи для снижения энергопотребления и выбросов NO x . Среди других преимуществ обогащения кислородом, 1 эксперимент коммерческого масштаба с использованием обогащения кислородом от 30 до 35% привел к увеличению производства цемента в печи на 25-50% (42).Кроме того, кислородно-топливное сжигание оказывает незначительное, если не положительное, влияние на качество портландцементного клинкера (39, 43⇓⇓⇓–47).

    Концентрация CO 2 в дымовых газах обычных цементных печей составляет ~25% (48). Для химической абсорбции с аминами, наиболее технологически зрелого метода улавливания дожигания для комбинированного потока (37, 38), было показано, что увеличение концентрации CO 2 до 60% снижает потребность в тепле, энергию регенерации растворителя и затраты на пар. захвата (49⇓⇓⇓–53).Поток газа из нашей камеры декарбонизации еще выше (67%), что должно сделать аминовую скрубберную очистку более эффективной. Однако большим преимуществом может быть возможность полностью отказаться от дорогостоящих процессов УХУ, таких как аминовая очистка. Поскольку здесь CO 2 поставляется в высококонцентрированной форме, смешанной только с парами O 2 (и некоторым количеством паров H 2 O), прямое улавливание с использованием тех же простых процессов сжатия (54, 55), которые сейчас используются для очищенных и можно использовать концентрированный CO 2 .

    Газообразный водород, образующийся на катоде в нашей камере декарбонизации, имеет ценность в качестве сырья для основных отраслей промышленности, таких как производство аммиака и удобрений, переработка нефти и газа и перерабатывающая металлургия, и считается ключевым компонентом разработки технологий, которые могли бы декарбонизировать тяжелые углеводороды. служебный транспорт, авиация и отопление (56, 57). Объединенные газовые потоки также могут быть использованы в процессах утилизации CO 2 , в которых производится жидкое топливо, таких как те, в которых также используется водород и производятся спирты.

    Водород также может быть возвращен в цикл для поддержки процесса цементирования (рис. 1). Его можно сжигать напрямую, чтобы обеспечить тепло или электроэнергию для производства цемента, или газовые потоки H 2 и O 2 /CO 2 могут снабжать топливный элемент, который вырабатывает электроэнергию на месте для питания электрохимической установки. реактор или другие операции на заводе, такие как измельчение, смешивание и обработка. При использовании твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) (58), который имеет самый высокий электрический КПД среди всех типов топливных элементов (от 60 до 80%) (59), пагубное воздействие CO 2 на топливные элементы с протонообменной мембраной (60, 61) предотвращается, а типичные рабочие температуры ТОТЭ от 500 до 1000 °C могут легко поддерживаться за счет тепла цементной печи (которая обычно работает при температуре от 1450 до 1500 °C). Одновременно кислород будет удален из газового потока O 2 /CO 2 , дополнительно очистив CO 2 и упростив секвестрацию. Обратите внимание, что эта комбинация электрохимического реактора и ТОТЭ создает регенеративный топливный элемент (62), который имеет возможность накапливать энергию, если предусмотрено хранение реагентов, и, таким образом, может сгладить перебои в возобновляемой электроэнергии, используемой для питания цементного завода.

    Поток CO 2 , полученный из камеры декарбонизации, также может иметь значение в приложениях, в которых улавливается CO 2 .CO 2 уже используется для повышения нефтеотдачи (МУН) (63, 64) и для производства химикатов, таких как мочевина, салициловая кислота, метанол, карбонаты (65), синтетическое топливо (через процесс Фишера-Тропша) (66) , и синтетический природный газ (через реакцию Сабатье) (67). Растет интерес к поиску способов электрохимической или фотохимической реакции CO 2 для создания химических веществ и топлива из уловленного CO 2 с использованием возобновляемой электроэнергии (68). Например, была продемонстрирована образцовая установка, использующая уловленный CO 2 для производства синтетического топлива (69).

    Мы также рассмотрели возможность использования электрохимического процесса производства цемента исключительно с использованием возобновляемой электроэнергии. Возможно, наименее капиталоемким способом использования отходящих газов реактора декарбонизации является сжигание для нагрева цементной печи. Мы проанализировали потоки энергии в этой конфигурации; подробности приведены в Приложение SI . Предположим, что реактор декарбонизации работает с кулоновским КПД 85%, электролизер работает с КПД от 60 до 75% и сжигание образующихся H 2 и O 2 для нагрева печи для спекания с КПД от 60 до 80%, входная электрическая мощность энергия, необходимая для производства 1 кг цемента, равна 5.от 2 до 7,1 МДж. Это предполагает отсутствие энергетической выгоды от замены Ca(OH) 2 на CaCO 3 в процессе высокотемпературного спекания или других потенциальных выгод, таких как снижение капитальных и энергетических затрат на измельчение известняка (учитывая, что эта функция заменена путем химического растворения). При 80% эффективности сжигания H 2 и O 2 , полученных в ячейке декарбонизации, вырабатываемая тепловая энергия немного превышает необходимую для спекания.Если сжигание имеет эффективность только 60%, 90% тепловой энергии, необходимой для спекания, может быть получено из электролизерных газов (т. е. требуется около 0,5 МДж/кг дополнительной энергии). Этот дефицит энергии, а также электроэнергии для вспомогательных операций можно было бы восполнить за счет превышения мощности электролизера над стехиометрически необходимой для декарбонизации. Этот анализ показывает, что электрохимический процесс производства цемента с использованием возобновляемых источников энергии не потребует большого количества дополнительной энергии, если таковая потребуется.

    Важным связанным с этим вопросом, конечно же, является стоимость электрохимического процесса. Учитывая многочисленные возможные конфигурации, рассмотренные выше, полный технико-экономический анализ выходит за рамки данной статьи. Стоимость жизненного цикла и экономическая отдача для полной системы или любого из ее компонентов зависят от капитальных затрат, эффективности и долговечности, а также от стоимости цемента и газообразных побочных продуктов. Многие факторы стоимости в настоящее время неизвестны; например, стоимость жизненного цикла реактора декарбонизации будет зависеть от его конкретной конструкции и производительности, ни один из которых еще не оптимизирован.Поэтому мы ограничиваем наш технико-экономический анализ сравнением стоимости энергии электрохимического процесса с его угольным аналогом. По оценкам, для электрохимического процесса от 5,2 до 7,1 МДж/кг цемента превышает энергию, необходимую для обычного процесса цементирования в средней печи США, которая составляет 4,6 МДж/кг (70). При цене угля 61 доллар США за тонну (битуминозный уголь) (71) стоимость энергии для традиционного процесса составляет ∼28 долларов США за тонну цемента, что составляет 25% от средней продажной цены цемента в США, составляющей 113 долларов США за метрическую тонну (13). ).Соответствующая стоимость электрохимического процесса, естественно, зависит от цены на электроэнергию и может в некоторых случаях быть нулевой или даже отрицательной, если она получена из возобновляемых источников. Однако при затратах на электроэнергию 0,02, 0,04 и 0,06 долл. США за кВт⋅ч и предположении, что потребность в энергии для электрохимического процесса составляет 6 МДж/кг, что находится в середине нашего расчетного диапазона, стоимость энергии составляет 35, 60 долл. США, и 100 долларов за тонну цемента соответственно. Это говорит о том, что при отсутствии других соображений электрохимический процесс будет конкурентоспособен по стоимости с традиционными заводами (~ 28 долларов США за тонну цемента), если электричество доступно по цене <0 долларов США.02 за кВт⋅ч. Обратите внимание, что оптовая стоимость ветровой электроэнергии в настоящее время составляет 0,02 доллара США за кВт⋅ч или немного ниже на большей части внутренней территории Соединенных Штатов (72). Мы предполагаем, что ветровая электроэнергия будет доступна по этой цене для предлагаемых цементных заводов, например, от расположенной рядом ветряной электростанции.

    Однако в этом сравнении затрат не учитываются затраты на улавливание и улавливание углерода, которые для аминовой очистки обычных дымовых газов с цементом оцениваются примерно в 91 доллар США за тонну (50).В смоделированной выше электрохимической последовательности, где электролит H 2 сжигается для нагрева печи, стоимость прямого улавливания CO 2 из потока O 2 /CO 2 , содержащего реактор декарбонизации, должна быть менее 40 долларов США. за тонну (50). Это изменит чистые затраты на энергию в пользу электрохимического процесса в среде, где политика требует восстановления углерода, и где доступна недорогая возобновляемая электроэнергия.

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

    Выводы

    Мы предлагаем и демонстрируем электрохимический процесс синтеза цемента, в котором CaCO 3 декарбонизируется, а Ca(OH) 2 осаждается в градиенте pH, создаваемом электролизером с нейтральной водой, в то время как концентрированные газовые потоки H 2 и O 2 /CO 2 производятся одновременно.Мелкий порошок Ca(OH) 2 используется для синтеза фазово-чистого алита, основной вяжущей фазы в обычном портландцементе. Концентрированные газовые потоки этого процесса могут синергетически использоваться с другими разрабатываемыми процессами для устойчивых промышленных технологий. Среди нескольких альтернатив CO 2 может быть непосредственно захвачен и изолирован; H 2 и/или O 2 могут использоваться для выработки электроэнергии с помощью топливных элементов или камер сгорания; O 2 может использоваться в качестве компонента кислородного топлива для дальнейшего снижения выбросов CO 2 и NO x из цементной печи; или выходящие газы могут быть использованы для синтеза продуктов с добавленной стоимостью, таких как жидкое топливо. Показано, что наши лабораторные прототипы реакторов декарбонизации способны работать с почти теоретической кулоновской эффективностью, при этом каждые 2 протона, образующихся на аноде во время электролиза, растворяют 1 формульную единицу CaCO 3 . В таких условиях полученный электролитический водород при сгорании может обеспечить большую часть или всю тепловую энергию, необходимую для высокотемпературного спекания цемента. Эти результаты указывают на путь к конкурентоспособному безэмиссионному производству цемента, при котором вся энергия будет поставляться за счет возобновляемой электроэнергии.

    Материалы и методы

    Декарбонизаторы.

    Специально разработанные Н-элементы были изготовлены компанией James Glass, Inc. Электролит представлял собой 1 М NaClO 4 или NaNO 3 (Sigma-Aldrich, ≥98%), растворенный в деионизированной воде. Эти электролиты были выбраны потому, что их кальциевые соли растворимы и не разлагаются при высоком напряжении. Оба электрода были изготовлены из платины: стержень на катоде и проволока на аноде (MW-1032, BASi). Платина была выбрана потому, что она обладает высокой каталитической активностью в отношении выделения водорода и кислорода как в кислоте, так и в щелочи.Альтернативные недорогие материалы для электродов могут включать Ni, Cu или нержавеющую сталь для катода (pH 12,5) и Al, Sn или Pb для анода (pH 6). В анодное отделение добавляли порошок CaCO 3 (Sigma-Aldrich, ≥99%). В качестве пористого сепаратора использовали фильтровальную бумагу (28310-015, задержание частиц 5 мкм; VWR). Потенциостатические эксперименты проводили с использованием потенциостата VMP3 компании Bio-Logic Science Instruments. Все тесты проводились при комнатной температуре.

    XRD-характеристика.

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

    Характеристика РЭМ.

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

    БЕТ Характеристика.

    A Quantachrome Instruments NOVA 4000E (Anton Paar QuantaTech) использовали для выполнения многоточечного БЭТ-анализа удельной поверхности порошка.

    Синтез алита.

    Электрохимически осажденный Ca(OH) 2 или CaCO 3 (Sigma-Aldrich, ≥99%) смешивали с SiO 2 (99,5%, 2 мкм; Alfa Aesar) в молярном соотношении 3:1. Порошки смешивали в суспензию с этанолом, затем сушили. Полученные хорошо перемешанные порошки прессовали в гранулы.Гранулы помещали в платиновые тигли и нагревали со скоростью 2°С в минуту до 1500°С в муфельной печи (Thermolyne F46120-CM). Температуру поддерживали на уровне 1500 °С в течение 2 ч, затем окатыши охлаждали в печи при отключении питания. Рентгенофазовым анализом было подтверждено, что полученные порошки являются алитами.

    Благодарности

    Настоящая публикация основана на работе, финансируемой Сколковским институтом науки и технологий (Сколтех), программа «Центр исследований, образования и инноваций для электрохимического хранения энергии» по контракту 186-MRA.Л.Д.Э. выражает признательность за поддержку программы Banting Postdoctoral Fellowships, находящейся в ведении правительства Канады. Мы благодарим Исаака Меткалфа, Натана Корбина, Киндла Уильямса и Картиша Мантирама (Массачусетский технологический институт) за экспериментальную помощь; Мухаммаду Адилу и 24 M Technologies, Inc. за проведение измерений методом БЭТ; и Form Energy, Inc. за предоставление доступа к Phenom XL SEM. В этой работе использовались общие экспериментальные объекты, частично поддерживаемые Программой материаловедения и инженерных центров Национального научного фонда в рамках награды DMR-1419807.

    Сноски

    • Вклад авторов: L.D.E. и Ю.-М.К. проектное исследование; L.D.E., A.F.B., M.L.C. и R.J.-Y.P. проведенное исследование; L.D.E., A.F.B. и Y.-M.C. проанализированные данные; и L.D.E., A.F.B. и Y.-M.C. написал бумагу.

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

    • Этот документ является результатом публикации Артура М.Саклеровский коллоквиум Национальной академии наук «Состояние и проблемы декарбонизации нашего энергетического ландшафта», состоявшийся 10–12 октября 2018 г. в Центре Арнольда и Мейбл Бекман Национальной академии наук и инженерии в Ирвине, Калифорния. Коллоквиумы NAS начались в 1991 г. и публикуются в PNAS с 1995 г. С февраля 2001 г. по май 2019 г. коллоквиумы поддерживались щедрым подарком от Дамы Джиллиан и Фонда искусств, наук и гуманитарных наук доктора Артура М. Саклера в память мужа дамы Саклер, Артура М.Саклер. Полная программа и видеозаписи большинства презентаций доступны на веб-сайте НАН по адресу: http://www.nasonline.org/decarbonizing.

    • Эта статья является прямой отправкой PNAS.

    • См. в Интернете связанный контент, например комментарии.

    • Эта статья содержит вспомогательную информацию в Интернете по адресу https://www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1821673116/-/DCSupplemental.

    Ученые Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе подтверждают: новая технология может сделать производство цемента углеродно-нейтральным

    Бетон окружает нас в наших городах и простирается по всей земле в виде обширной сети автомагистралей.Он настолько распространен, что большинство из нас воспринимает это как должное, но многие не знают, что ключевой ингредиент бетона, обычный портландцемент, является основным источником парниковых газов.

    Каждый год производители производят около 5 миллиардов тонн портландцемента — серого порошка, который смешивается с водой и образует «клей», скрепляющий бетон. Это почти три четверти тонны на каждого человека на Земле. На каждую тонну произведенного цемента в процессе образуется примерно тонна углекислого газа, на долю которого приходится примерно 7 процентов мировых выбросов углекислого газа.

    Спрос растет с каждым годом — особенно в развивающихся странах, где используется гораздо больше портландцемента, чем в США — ученые полны решимости уменьшить растущее воздействие производства портландцемента на окружающую среду.

    Одним из таких ученых является Гаурав Сант из Калифорнийского института наносистем Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, который недавно завершил исследования, которые в конечном итоге могут привести к методам производства цемента, не выделяющим углекислого газа, газа, который составляет 82 процента парниковых газов.

    Сант, адъюнкт-профессор гражданской и экологической инженерии и профессор материаловедения Эдварда К. и Линды Л. Райс Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, обнаружил, что углекислый газ, выделяющийся при производстве цемента, можно улавливать и использовать повторно. Исследование опубликовано в журнале Industrial and Engineering Chemistry Research.

    Тунде Акинлойе/CNSI

    Гаурав Сант

    «Причина, по которой мы смогли поддерживать глобальное развитие, заключается в нашей способности производить портландцемент в тех объемах, которые у нас есть, и нам нужно будет продолжать это делать», — сказал Сант.«Но углекислый газ, выбрасываемый в атмосферу, создает значительный экологический стресс. Поэтому возникает вопрос, можем ли мы повторно использовать этот углекислый газ для производства строительного материала».

    При производстве цемента выделяют два этапа, ответственных за выбросы углерода. Одним из них является кальцинирование, при котором известняк, сырье, наиболее часто используемое для производства цемента, нагревается примерно до 750 градусов по Цельсию. Этот процесс разделяет известняк на агрессивное, нестабильное твердое вещество — оксид кальция или известь — и углекислый газ.Когда известь смешивается с водой, процесс, называемый гашением, образует более стабильное соединение, называемое гидроксидом кальция.

    Основным компонентом портландцемента является силикат трикальция, который затвердевает, как камень, при соединении с водой. Трехкальциевый силикат получают путем соединения извести с кремнистым песком и нагревания смеси до 1500 градусов по Цельсию.

    Из общего количества двуокиси углерода, выбрасываемого при производстве цемента, 65 процентов выделяется при кальцинировании известняка, а 35 процентов выделяется при сжигании топлива для нагрева соединения силиката трикальция.

    Но Сант и его команда показали, что углекислый газ, выделяющийся во время прокаливания, можно улавливать и рекомбинировать с гидроксидом кальция для воссоздания известняка, создавая цикл, при котором углекислый газ не выбрасывается в воздух. Кроме того, на протяжении всего производственного цикла требуется примерно на 50 процентов меньше тепла, так как не требуется дополнительного тепла для обеспечения образования трехкальциевого силиката.

    Сант сказал, что этот метод аналогичен тому, как цементация известняка происходит в природе, когда известняк образует прочный экзоскелет кораллов, моллюсков и морских раковин, а когда микробы образуют известняк, который склеивает песчинки вместе.

    Хотя ученые рассматривали эту идею ранее, Сант сказал, что она никогда ранее не демонстрировалась с точки зрения производства цемента, нейтрального по отношению к углекислому газу, и что на самом деле она работала быстрее, чем он и его коллеги ожидали. Цикл занял всего три часа, по сравнению с более чем 28 днями, необходимыми для того, чтобы портландцемент почти полностью прореагировал с водой и достиг своей окончательной твердой консистенции.

    Успешный образец был очень маленьким, как того требовали лабораторные условия.Но Сант сказал, что теперь, когда процесс был доказан, его можно было бы со временем масштабировать до уровня производства.

    Если производители цемента продолжат работать, как сейчас, и если в конечном итоге будут приняты предлагаемые налоги на выбросы углерода в США и других странах, производство цемента будет намного дороже, чем сейчас. Если бы это произошло, новый метод производства цемента с минимальным воздействием на окружающую среду или без него представлял бы еще больший интерес, сказал Сант.

    Исследование способствует достижению целей инициативы UCLA Sustainable LA Grand Challenge, общеуниверситетской инициативы по переходу региона Лос-Анджелеса на 100 процентное использование возобновляемых источников энергии для местной воды и улучшению состояния экосистемы к 2050 году.Сант также помогает разработать план работы по устойчивому развитию Лос-Анджелеса.

    Соавторами исследования были Матье Боши, доцент кафедры гражданской и экологической инженерии, Магдалена Балонис, научный сотрудник, докторанты Кирк Вэнс и Изабелла Пиньятелли, а также докторант Габриэль Фальзоне, все из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

    Исследование проводилось при поддержке Национального научного фонда в Лаборатории химии строительных материалов Школы инженерии и прикладных наук им. Генри Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Центре электронной визуализации для наномашин Калифорнийского института наносистем и Молекулярного Центр кафедры химии и биохимии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

    Как производится цемент? Любопытные факты, которые должны знать все дети

    Цемент является неотъемлемой частью производственного процесса во всем мире.

    Цемент является наиболее распространенным типом вяжущего, используемого для скрепления всего на строительной площадке. Он производится путем измельчения различных богатых минералами пород и смешивания их с такими веществами, как песок, гравий и раствор для производства бетона.

    Цемент представляет собой химическую комбинацию нескольких минералов, таких как кальций, алюминий, кремний и железная руда.Цементная промышленность велика, она производит миллионы тонн цемента стоимостью в миллиарды. Цемент из известняка, также известный как портландцемент, является наиболее распространенным типом цемента в мире. Этот тип цемента производится в результате сложного процесса добычи богатого минералами сырья из карьера и его измельчения в мелкий порошок. Процесс их обжига во вращающихся печах помогает разрушить химическую связь материалов. При этом получается порошкообразный горячий клинкер, который затем охлаждают и добавляют к другим веществам для производства цемента.

    В древние времена римляне начали производить цемент, смешивая вулканические породы с известью. Этот тип цемента известен как римский цемент. С тех пор многие разные цивилизации использовали цемент. Цемент не только помогает в строительстве, но также используется в качестве клея. Например, резиновый клей производится путем соединения полимеров с растворителями. Это разновидность жевательной резинки.

    Читайте дальше, чтобы узнать больше. Если вам нравится то, что вы читаете, посмотрите, как делается картон и как делается медь.

    Как производят цемент из известняка?

    Несколько типов полезных ископаемых используются для производства цемента, включая известняк, глину и гипс.

    Их измельчают в порошкообразную форму, называемую сырой мукой. Твердые породы, такие как известняк, извлекаются с помощью процесса, называемого взрывными работами. Сырьевая смесь нагревается в цементной печи при очень высокой температуре, в среднем около 2642 F (1450 C). Достаточно высокой температуры в печи, чтобы разорвать химические связи между молекулами сырья.В результате получается твердое вещество, называемое клинкером. Клинкер измельчают на мельнице и смешивают с гипсом для получения цемента. Качество производимого клинкера зависит от качества сырья. Если сырье будет некачественным, это скажется на прочности постройки.

    Как производится цементный порошок?

    Цемент представляет собой мелкий порошок, который производится путем смешивания нескольких природных материалов в печи. Компоненты, добытые в карьерах и измельченные на цементных заводах, определяют качество бетона, используемого в строительстве.

    Цемент производится путем смешивания сырьевых материалов, таких как известняк, глина и песок, во вращающейся печи и нагревания их при очень высокой температуре. В результате получается клинкер, который затем вынимают из вращающейся печи и охлаждают. После этого его измельчают в цементной мельнице для получения цементного порошка. Горящее топливо вместе с выбросами природного газа от горячего сырья нагревает печь. Измельченный цемент смешивают с водой, камнями и песком, чтобы сформировать бетонный материал.

    Как производится портландцемент

    Портландцемент является наиболее распространенным типом цемента в строительстве.Он был разработан из гидравлической извести в начале 19 века. Основным компонентом, используемым при производстве портландцемента, является известняк, который добывается взрывными работами в карьерах.

    Сырье, используемое в этом процессе, называется сырьевой мукой. Конечный продукт, получаемый путем измельчения сырьевой муки в цементной печи и нагревания ее при высокой температуре, известен как клинкер. Это сырье составляет 90% производства портландцемента. Клинкеры определяют качество цемента. Современный бетон производится путем смешивания клинкера с водой и другими заполнителями на цементных заводах или в промышленности. Основными компонентами, используемыми для производства портландцементного клинкера, являются известняк и алюмосиликат. Некоторые другие вторичные материалы, используемые в производстве цемента, включают железную руду, песок, глину и летучую золу. Портландцемент также производится мокрым способом, известным как фиброцемент. В этом процессе суспензия получается путем добавления воды к материалам, полученным из карьера, и измельчения их до состояния пасты. Цемент бывает разного качества, каждый из них транспортируется отдельно в силосах на складе.

    Как делают асфальтовый цемент

    Асфальтовый цемент — один из старейших видов цемента, который использовался при строительстве стен цивилизации Мохенджо-Даро. Основное сырье, используемое для производства асфальтового вяжущего, получают путем перегонки нефти. Поскольку ресурсы нефти сократились, производство этого цемента также сократилось.

    Асфальт представляет собой полужидкое вещество черного цвета, получаемое как остаток в процессе перегонки нефти. Эластичный и вязкий характер асфальта полезен для производства цемента. Добавление асфальта к бетону — отличный метод для возведения основания конструкций. Асфальт также можно смешивать с цементом и бетоном, чтобы получить качественную смолу для строительства дорог.

    Здесь, в Kidadl, мы тщательно подготовили множество интересных семейных фактов, которые понравятся всем! Если вам понравились наши предложения для любопытных детских фактов о том, как делается цемент, то почему бы не взглянуть на то, почему кошек тошнит, или мурлыкать факты о оборванных котах, которые понравятся детям.

    Beyond Steel: Архив промышленности и культуры долины Лихай — Бизнес и технологии

    Железо и сталь | Уголь и каналы | Железные дороги | Цемент | Фабрики

    Эссе | Предметы

    Страница: 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8

    Цементная промышленность долины Лихай.

    Дэвид Прентис

    Это трудно представить мир без бетона. Бетон позволяет больше строительство в большем масштабе, чем было бы возможно из камня, кирпича или лайм.Портландцемент представляет собой порошок, который в сочетании с песком образует заполнитель и вода, создает бетон. Он был изобретен в Англии в первой половине девятнадцатый век. Но в долине Лихай между 1871 и 1899 годами три произошли события, которые изменили американскую, а затем и международную Портлендскую цементная промышленность. Сначала в Коплее, в нескольких милях к северо-западу от Аллентауна, в 1871 г. Дэвид О. Сейлор впервые в истории успешно произвел портландцемент. Соединенные Штаты.Второе событие произошло в 1889 году в Coplay, когда Хосе Де Navarro успешно коммерциализировала вращающуюся печь. За этим последовало около 1900 г., когда вращающаяся печь была приспособлена для использования пылевидного угля, а не более дорогой мазут. Поскольку цены на цемент упали, а спрос вырос, частично благодаря успешному развитию железобетона как строительного материала начался цементный бум, который затем распространился по США. Потребление цемента увеличилось почти в десять раз с 1890 по 1913 год.Название одним торговым журналом был «Цементный век». До 1907 г. более половины Портландцемент, производимый в США, поступал из долины Лихай. Даже после того, как бум утих, долина Лихай оставалась крупнейшим производственный район в США до 1970 года и остается в первой пятерке производственных районов в 2004 году. Вращающаяся печь стала стандартной технологией для производство цемента на международном уровне и остается таковым в 2008 году.

    До Цемент 1890-х годов в основном использовался в качестве раствора в кирпичном или каменном строительстве.Большинство строительных растворов изготавливали из извести или природного цемента. Натуральный цемент изготавливается путем обжига природной смеси известняка и глины в печи. Продукция печи измельчается, а полученный цемент прочнее извести и может затвердевать под водой, что делает его очень полезным для строительство каналов, доков и любых других сооружений, которые соприкасаются с водой. Секрет изготовления натурального цемента был открыт в конце восемнадцатого века в Англии, производство началось в 1796 году.Естественный Производство цемента началось в Соединенных Штатах в 1818 году, когда подходящие материалы были обнаружены недалеко от Сиракуз, штат Нью-Йорк, при строительстве канала Эри. Конечно, большинство центров производства природного цемента были первоначально обнаружены в то время, когда строительство каналов. Каналы обеспечили первоначальный спрос, а затем дешевые средства транспортировка негабаритного продукта по завершении. Долина Лихай не стала исключением, поскольку подходящие материалы были обнаружены в ущелье Лихай во время строительства. Канал Лихай в 1826 году.В 1830 году производство цемента для канала было перенесено из от Лихай-Гэп до Зигфрида, графство Нортгемптон, всего в нескольких милях к северо-западу от Аллентауна, когда там было найдено более подходящее сырье. Промышленность продолжала небольшой масштаб после завершения строительства канала для центра природного производство цемента находилось в долине Гудзона в Розендейле, штат Нью-Йорк.

LEAVE A REPLY

Ваш адрес email не будет опубликован.