مهندسی عمران, مهندسی معماری

چگونه میتوانیم صنعت سیمان را کربن زدایی کنیم؟

چگونه صنعت سیمان را کربن زدایی کنیم؟

سیمان سنگ بنای زیرساخت ما است. این ماده ای است که برای ساخت و ساز استفاده می شود که مواد دیگر را سخت کرده و به یکدیگر متصل می کند. مخلوط با ماسه و شن، بتن تولید می کند. بتن پرمصرف ترین / پرمصرف ترین ماده در جهان است که فقط از آب عقب است.

اما آیا می دانستید که تولید سیمان منبع انتشار عظیم گازهای گلخانه ای در جو نیز می باشد؟

انتشار صنعت سیمان

سیمان یکی از آلاینده ترین بخش های کره زمین است. بر اساس گزارش سازمان زمین شناسی ایالات متحده، تولید جهانی سیمان در سال 2021 به 4.4 میلیارد تن می رسد. همانطور که ممکن است حدس بزنید، به طور تصاعدی رشد می کند، به دنبال رشد سریع اقتصادی و ساخت ساختمان های بعدی آن. در نتیجه، بخش سیمان به تنهایی 1.5 میلیارد تن دی‌اکسید کربن را در اتمسفر منتشر می‌کند (به داده‌های سال 2016 اشاره می‌کند، بسته به منبع متفاوت است، اما هنوز هم نمی‌توان بزرگی را نادیده گرفت)، بنابراین تقریباً 3 درصد از انتشار گازهای گلخانه‌ای جهانی (دنیای ما) را کاهش می‌دهد. در داده، 2016).

برای مقایسه، انتشار صنعت سیمان بسیار بیشتر از انتشار صنعت حمل و نقل هوایی یا کشتیرانی است که با حمل و نقل مردم و کالاها در سراسر جهان، جهانی شدن قرن بیست و یکم را شکل می دهد!

چرا چنین انتشار عظیمی؟

رشد اقتصادی قوی‌ترین عامل ردپای عظیم سیمان است. در هر مکانی که اقتصاد در حال رونق است، ساختمان ها و زیرساخت ها به سرعت توسعه می یابند. چین نمونه قابل توجهی است. شهر شنژن در سال 1980 با جمعیت 30000 نفر فقط یک شهر ماهیگیری بود (تالار جهانی فرهنگ شهرهای 2022). توسعه و شهرنشینی عظیمی را تجربه کرد که زمین دشتی را به یکی از بزرگترین کلانشهرها با جمعیتی بیشتر از شهر نیویورک تبدیل کرد. حال تصور کنید این الگو در تمام شهرهای بزرگ کشورهای در حال توسعه تکرار شود. برای اینکه دید بهتری در مورد مصرف سیمان حاصله داشته باشید، به نمودار زیر نگاهی بیندازید.
چین در 3 سال بیشتر از آمریکا در یک قرن سیمان مصرف کرد!

انتشار در هر اونس سیمان

قبل از پرداختن به محلول، ارزش این را دارد که نگاهی بیندازید که انتشار گازهای گلخانه ای در یک کارخانه تولید سیمان از کجا می آید. اجازه دهید به طور خلاصه روند ساخت سیمان را توضیح دهم:

مجری کده مجموعه مجری ذیصلاح , لیست مجریان نظام مهندسی اراک

مواد خام سیلیس، منیزیم، آلومینا و آهن است که معمولاً در سنگ آهک و خاک رس است که از معدن استخراج می شود. سنگ ها جمع آوری و حمل می شوند و سپس به قطعات کوچکتر خرد می شوند. سپس قطعات به اندازه پودر آسیاب می شوند. سپس وارد فرآیند گرمایش تا 1500 درجه سانتیگراد می شود که در آن واکنش اتفاق می افتد (تجزیه) و مقدار قابل توجهی انتشار آزاد می کند. محصول به دست آمده کلینکر نامیده می شود که سپس با گچ مخلوط می شود تا در نهایت به سیمان تبدیل شود.

انرژی مصرف شده و انتشار CO2 مربوط به هر فرآیند در نمودار زیر خلاصه شده است. در کل، فرآیند تولید تقریباً 1 کیلوگرم CO2 برای هر کیلوگرم سیمان آزاد می کند. برای دیدگاه خود، مورد ساخت یک خانه کوچک را در نظر بگیرید:

یک خانه بسیار کوچک 36 مترمربعی که یک خانواده چهار نفره می تواند در آن زندگی کند، به 5 تن سیمان نیاز دارد. انتشار CO2 حاصل 4.5 تن است تا یک سرپناه ساده برای آن خانواده فراهم کند.

انتشار گازهای گلخانه ای در هر مرحله از فرآیند تولید سیمان

چگونه می توانیم با آن مقابله کنیم؟

حالا بیایید در مورد راه حلی که می توانیم انجام دهیم صحبت کنیم. به جای سرزنش کارخانه های سیمان، من رویکردی جامع را ترجیح می دهم که همه فعالان بازار بتوانند در ترویج کربن زدایی صنعت سیمان (و به طور کلی بخش ساختمان) مشارکت داشته باشند. بنابراین، من مفهومی را پیشنهاد می کنم که در آن گنجانده شود

• 1) سمت عرضه که کارخانه های سیمان می توانند روند تولید خود را بهبود بخشند،
• 2) سمت تقاضا که در آن شرکت های ساختمانی به عنوان کاربران نقش مهمی برای “درخواست” محصول سیمانی دوستدار محیط زیست دارند،
• 3) همچنین در جامعه تحقیق کنید که نوآوری از کجا می آید و در نهایت
• 4) محیط صنعت که باید به گونه ای شکل گیرد که انگیزه و تعهدی را برای هر یک از فعالان بازار فراهم کند تا در کاهش انتشار صنعت مشارکت داشته باشد.

همه فعالان بازار می توانند به کربن زدایی صنعت سیمان کمک کنند

کاهش انتشار در تولید سیمان

استراتژی شماره 1 بهره وری انرژی

تولید سیمان یک فرآیند انرژی بر است. اقدامات بهره وری انرژی یک رویکرد آشکار برای کاهش انتشار مرتبط با تولید سیمان است. علاوه بر کاهش انتشار گازهای گلخانه ای، بهره وری انرژی مزایای بیشتری را برای تولیدکنندگان به ارمغان می آورد که باعث رقابتی شدن محصول آنها در هزینه می شود.

دانش و مرجع امروزه به راحتی قابل دسترسی است. بهترین شیوه های بهره وری انرژی برای کارخانه سیمان و هزینه سرمایه گذاری مرتبط توسط چندین موسسه منتشر شده است (کمیسیون اروپایی JRC، 2010؛ کمیسیون اروپا JRC، 2013؛ US EPA، 2014؛ IFC، 2017a). اقدامات را می توان در طول خط تولید، از سنگ شکن، آسیاب (به عنوان مثال، آسیاب غلتکی فشار بالا)، بازیابی حرارت (یعنی توربین ORC)، پیش گرم کردن (به عنوان مثال، برج پیش گرمکن سیکلون) و کوره (به عنوان مثال، خودکار) اعمال کرد.

سیستم هدایت آتیک) (کانتینی، 2021).

در حال حاضر میانگین جهانی مصرف انرژی سیمان 3.5 GJ/ton کلینکر و 109 کیلووات ساعت بر تن سیمان است. تولیدکنندگان می‌توانند بهترین فناوری موجود (BAT) را که انرژی حرارتی و مصرف برق کمتری را ارائه می‌دهد، به ترتیب 2.9 GJ/ton و 56 kWh/ton استفاده کنند (UNIDO، 2014). متأسفانه سیمان یک صنعت بالغ است. هیچ فناوری پیشرفتی وجود ندارد که انتظار می رود مصرف انرژی حرارتی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.
مصرف انرژی حرارتی ویژه توسط نوع کوره دوار

استراتژی شماره 2 کاهش کلینکر و جایگزین ها

تولید کلینکر پر انرژی ترین فرآیند است، بنابراین بیشترین انتشار CO2 در ساخت سیمان است. به طور متوسط، 81 درصد سیمان را کلینکر تشکیل می دهد، در حالی که بقیه ترکیبی از گچ و مواد افزودنی است. بنابراین، یکی از راه‌های کاهش انرژی و انتشار، مخلوط کردن سیمان با افزایش مقدار مواد جایگزین (غیر کلینکر) است. گزینه ها عبارتند از خاکستر آتشفشانی، سرباره کوره بلند دانه بندی شده از تولید آهن، یا خاکستر بادی از تولید برق با سوخت زغال سنگ (UN CTCN، 2022a). با این حال، عرضه چنین موادی ممکن است محدود باشد و منطقه به منطقه متفاوت باشد. علاوه بر این، در آینده کمتر در دسترس خواهد بود زیرا صنعت فولاد و زغال سنگ نیز در حال کربن زدایی هستند.

در بلندمدت، توسعه فناوری‌های کلینکر جایگزین (ACTs) که انتشار کمتری نسبت به سیمان پرتلند معمولی (OPC) دارد، می‌تواند رویکرد استراتژیک‌تری باشد. ACTها باید عملکردی مشابه با OPC ارائه دهند. حیاتی ترین خواص عبارتند از عملکرد مکانیکی، عملکرد رئولوژیکی، کاهش انقباض شیمیایی و پایداری شیمیایی (Antunes، 2021). چندین ACT و کاهش بالقوه انتشار در نمودار زیر ارائه شده است.
انتشار CO2 از فن آوری های مختلف کلینکر جایگزین (ACTs)

استراتژی شماره 3 تعویض سوخت

استفاده از سوخت های جایگزین در حال حاضر در صنعت سیمان رایج است و پتانسیل کاهش انتشار را دارد. در گذشته، هدف اولیه رقابت پذیری اقتصادی بود زیرا سوخت یک سوم هزینه تولید کلینکر را تشکیل می داد، در حالی که منافع زیست محیطی به عنوان یک مزیت جانبی در نظر گرفته می شد. علاوه بر این، سوخت جایگزین از مواد ضایعاتی حاوی مواد معدنی و فلز اضافی است که استفاده از مواد خام بکر را جبران می‌کند، بنابراین سود مشترک بازیافت دارد.

تولید سیمان در مورد نوع سوخت حساس نیست. طیف گسترده ای از سوخت های کم عیار و مشتق از ضایعات را می توان همانطور که در جدول زیر نشان داده شده است استفاده کرد. شرایط مطلوب در داخل سیستم کوره امکان استفاده از سوخت های جایگزین را فراهم می کند. شرایط کوره با درجه حرارت بالا، زمان ماندن طولانی، اتمسفر اکسید کننده، محیط قلیایی، نگهداری خاکستر در کلینکر و اینرسی حرارتی بالا، از تخریب مواد آلی و به دام افتادن مواد معدنی (به عنوان مثال، فلزات سنگین) در محصول اطمینان می دهد (Chinyama, 2011). .

ممکن است محدودیت های فنی وجود داشته باشد که استفاده از سوخت های جایگزین را محدود می کند. اینها شامل تغییر شکل‌گیری شعله، تغییر شیمی سیمان و انسداد است که ممکن است نیاز به مقاوم‌سازی تجهیزات اصلی داشته باشد (Pnumat.com، 2021). علاوه بر ملاحظات فنی، سوخت های جایگزین شامل زنجیره تامین جدیدی است که در آن پایداری و کیفیت عرضه می تواند نامشخص باشد. یک مدل کسب و کار جامد یکی از معیارهای موفقیت در چنین پروژه ای است (IFC, 2017b).

زیست توده سوخت جذابی است که انتشار خالص کربن صفر را ارائه می دهد. با این حال، تولیدکنندگان باید موضوع کلیدی زیست توده را در مورد تامین تامین طولانی مدت پایدار در نظر بگیرند. افزایش استفاده از زیست توده ممکن است نیاز به استفاده از زیست توده بکر داشته باشد که در آن پایداری منابع باید به طور کامل بررسی شود (انجمن محصولات معدنی، 2019).

علاوه بر استفاده از مواد زائد به عنوان سوخت جایگزین، رویکردهای دیگری نیز در حال تحقیق هستند. مشعل پلاسما حرارتی (برق) امکان استفاده از برق تجدید پذیر را فراهم می کند. علاوه بر این، هیدروژن نیز به عنوان سوخت برای تولید سیمان پیشنهاد می شود.
گزینه های سوخت جایگزین برای صنعت سیمان

استراتژی شماره 4 جذب و ذخیره کربن (CCS)

استراتژی شماره 1 تا 3 سیمان را به صفر نمی رساند. مهم نیست که این گیاه چقدر کارآمد باشد یا سوخت آن چقدر سبز باشد، تا زمانی که واکنش شیمیایی ماده خام CO2 تولید می کند (به عنوان مثال، CaCO3 — > CaO + CO2)، باز هم سیمانی با انتشار صفر نیست. این واقعیت ما را به آخرین استراتژی سوق می دهد، یعنی گرفتن CO2 و تزریق آن به زیر زمین برای همیشه، که به نام CCS شناخته می شود. تحقیقات نشان می دهد که CCS یکی از کلیدهای دستیابی به تولید خالص سیمان صفر است (رازیانه، 2021؛ مک کینزی، 2020).

به طور کلی، دو خانواده از فناوری جذب کربن وجود دارد که می تواند برای کارخانه سیمان اعمال شود، احتراق پس از احتراق و احتراق اکسی-سوخت (ECRA، 2012؛ IEAGHG، 2013). جذب CO2 پس از احتراق شامل نصب تجهیزات اضافی برای جداسازی CO2 از گاز دودکش است. از سوی دیگر، احتراق سوخت اکسیژن، همانطور که از نام آن پیداست، به جای هوا، بر تامین اکسیژن برای حفظ احتراق سوخت متکی است. این منجر به گاز دودکش غنی از CO2 می شود که نیاز به جداسازی مرحله پایانی ندارد. CCS یک تحقیق فعال است. برای نام بردن چند مورد، مطالعاتی در مورد آمادگی فناوری (هیلز، 2015)، حذف کربن شامل

انرژی زیستی با CCS (IEA، 2021)، و تجزیه و تحلیل فنی-اقتصادی زنجیره CO2 (Jakobsen، 2016).

از آنجایی که CCS شامل حمل و نقل CO2 و ذخیره سازی زیرزمینی می شود، قابل دوام کردن آن نیازمند حمایت قوی دولت است. این شامل زیرساخت های حمل و نقل CO2، دسترسی به محل ذخیره سازی مناسب، چارچوب قانونی، نظارت و تأیید و رویه های صدور مجوز است (UN CTCN, 2022b). با در نظر گرفتن سرمایه گذاری بزرگ اولیه لازم، افزایش مقیاس پروژه و همکاری با سایر صنایع منتشر کننده CO2 برای ایجاد صرفه جویی در مقیاس ضروری است. تولیدکنندگان سیمان همچنین باید با متخصصان نفت و گاز که در زمینه تزریق CO2 زیرزمینی تخصص دارند، همکاری کنند.
جذب کربن پس از احتراق در مقابل اکسی سوخت

فراتر از تولیدکنندگان سیمان

همانطور که در ابتدا به طور خلاصه توضیح دادم، تلاش های تولیدکنندگان سیمان به تنهایی نمی تواند مشکل را حل کند. فقط یک مورد را تصور کنید: یک محصول سیمانی جدید با آلایندگی صفر اختراع شده است، اما این پروژه رها شده است زیرا هیچ شرکت ساختمانی حاضر به پرداخت قیمت حق بیمه برای آن محصول نیست. همانطور که می بینید، سیگنال قیمت از طرف تقاضا به همان اندازه مهم است. بدون اهداف واقعی و تلاش های واقعی از سوی سازندگان و توسعه دهندگان ساختمان به سمت انتشار خالص صفر، کربن زدایی صنعت سیمان اتفاق نخواهد افتاد.

دولت، انجمن ها و موسسات مالی نیز نقش اساسی در شکل دادن به محیط صنعت سیمان دارند. با حمایت از کربن‌زدایی، دولت می‌تواند مالیات کربن بالاتری را تعیین کند، استاندارد ساختمان سبز را الزامی کند، ذخیره‌سازی CO2 MRV را تنظیم کند، یا حتی یک مناقصه ساخت‌وساز برگزار کند که استفاده از سیمان کم انتشار را به عنوان معیار تعیین کند. در حالی که انجمن ها می توانند به انتشار بهترین شیوه ها در سراسر جهان به بازیکنان محلی و ایجاد پل ارتباطی با دانشگاه کمک کنند. در نهایت، مؤسسه مالی می تواند به سادگی تأمین مالی پروژه های ساختمانی را که از سیمان با انتشار بالا استفاده می کند، متوقف کند.

در مورد شرکت های سیمان اندونزی چطور؟

به عنوان آخرین بخش، می‌خواهم عملکرد تولیدکنندگان سیمان اندونزی را از نظر کاهش ردپای CO2 محصولاتشان بررسی کنم.

تولیدکنندگان اندونزیایی در حال حاضر در تلاش هستند تا سوخت جایگزین برای گیاهان خود تهیه کنند، از زباله های کشاورزی از کشاورزان (republika.co.id، 2020) تا RDF از زباله های جامد شهری (sindonews.com، 2021). علاوه بر این، به عنوان بخشی برای تقویت تصویر خود در بازار، تولیدکنندگان نیز به دنبال صدور گواهینامه “برچسب سبز” هستند (solopos.com، 2020).
علیرغم تلاش‌های کربن‌زدایی، در آینده نزدیک انتشار کمی از تولیدکنندگان سیمان اندونزی کاهش خواهد یافت.

نوآوری در سراسر جهان

تولیدکنندگان سیمان اندونزیایی ممکن است در آینده نزدیک کاهش قابل توجهی در انتشار گازهای گلخانه ای نداشته باشند، اما من هنوز خوشبین هستم، به خصوص وقتی به بررسی آنچه که بازیگران بین المللی در حال حاضر روی آن کار می کنند، خوشبین هستم.

مجله سیمان جهانی نوآوری های صنعت سیمان را در سراسر جهان فهرست کرده است. من خوانندگان را تشویق می کنم که نگاهی نیز بیندازند. در اینجا تعدادی از موارد مورد علاقه من وجود دارد:
1) Cemex در حال تحقیق بر روی بتن Vertua® است و ادعا می کند که 70٪ ردپای CO2 را کاهش می دهد.
2) هلیوژن در حال توسعه کوره با دمای بالا از گرمای خورشیدی است.
3) DB Groups شروع به بازاریابی CemFree کرده است، ادعا می کند که انتشار را تا 80٪ کاهش می دهد. و
4) CarbonCure که در حال ساخت بتن است که قادر به جذب CO2 است.

بیایید با هم برای کربن زدایی صنعت سیمان همکاری کنیم!