創新項目現在能無火製造水泥革命性突破背後的科學原理
水泥業是最大的二氧化碳排放源之一,佔全球人為二氧化碳排放量的8%,幾乎是整個航空業的三倍。為了減少碳足跡並實現氣候中和,航空業正在轉向技術創新。透過用電加熱取代化石燃料驅動的煅燒,ECem 專案旨在徹底改變水泥生產,減少二氧化碳排放,同時提高效率。

水泥生產中迴轉窯反應器感應加熱的功能示意圖:添加所謂的感應器是為了彌補生料導電性差的缺陷。這些部件在圖片中的形狀為金屬球,它們能有效地將感應傳遞的能量轉化為熱量,並均勻地分佈在整個容器中。圖片來源:B. Schröder/HZDR
ECem計畫正在探索一種前景廣闊的解決方案,該項目是一項國際合作項目,包括來自Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)的科學家。該專案的重點是利用電加熱技術為能源密集的煅燒過程提供動力,旨在大幅減少水泥生產過程中的二氧化碳排放。
該計畫於2024 年秋季啟動,為期三年半。該計畫得到丹麥創新基金的支持,該基金已撥款2,100 萬丹麥克朗(約290 萬美元)。
煅燒是水泥生產的關鍵步驟。在這過程中,石灰石在大型熔爐中被加熱到約1450°C,透過熱分解分解成熟料(水泥的主要成分)。這項反應是水泥產業二氧化碳排放的主要來源。大約三分之二的CO2 直接來自石灰石的化學分解,這個過程被稱為脫碳,是不可避免的。剩下的三分之一則來自達到高溫所需的大量能源,通常由燃燒煤或天然氣等化石燃料提供。
ECem 專案(未來水泥廠的電煅燒技術)正致力於開發更清潔的替代技術。在丹麥水泥公司FLSmidth 的領導下,該計畫匯集了丹麥技術研究所、奧爾堡大學、歐洲能源公司、Cementos Argos 和HZDR 等合作夥伴。他們的目標是用兩種不同的電加熱技術取代化石燃料加熱,使水泥生產更具永續性。
該計畫的丹麥合作夥伴正在開發一種紅外線輻射加熱系統,而HZDR 流體動力學研究所的科學家則在研究一種基於感應加熱的電氣解決方案。研究團隊首先希望建立一個實驗室實驗,讓感應線圈產生一個高頻場來加熱容器中的材料。在稍後階段,將在進一步的實驗裝置中對旋轉窯進行建模,其關鍵數據將接近工業條件。面臨的挑戰是,石灰石等主要由碳酸鈣組成的材料由於導電性差,實際上並不適合感應加熱。
為了克服這一障礙,研究團隊希望在要加熱的原料中混入所謂的感應元件。這些元件旨在有效地將電能轉化為熱能並傳遞給材料。一項重要的任務是找到合適的材料,使其能夠在高溫和惡劣的工業條件下堅固地發揮感熱體的作用。可能的候選材料必須具有較高的熔點,不會與石灰石發生反應,並具有耐磨性。將可疑物質製成某種形狀,例如金屬球,這樣做的好處是可以將煅燒和研磨過程合併為一個步驟。工業流程電氣化的投資,除了避免產生二氧化碳外,還能產生更多正面影響,如提高效率或改善產品質量,使相關公司在全球市場上獲得競爭優勢。
“乍一看,這個計畫與我們研究所通常處理的流體力學關係不大,”HZDR 磁流體力學部門負責人、工程師Sven Eckert 博士解釋。 ” 然而,這不僅僅是在反應器中安裝一個加熱器的問題。水泥窯通常要處理很多噸的材料,因此在整個窯內形成均勻的溫度場非常困難。如果感應式加熱器不能保證足夠的熱傳導,不僅到達表層,而且到達巨大體積的內部,那麼它甚至會加劇這一問題。
這也是斯文-埃克特周圍的研究人員能夠運用其專業知識的地方。在HZDR,他們還可以使用磁場斷層掃描等獨特的測量技術,這些技術非常適合監測電氣化工業流程。該團隊還希望從歐盟CITADEL 專案中汲取經驗,該專案由HZDR 負責協調,目前已在進行中。
ECem 計畫的目的是在實驗室規模上驗證該技術。在計劃實驗中獲得的數據將成為電腦模擬和數位雙胞胎開發的重要輸入,數位雙胞胎將繪製包括能量流和質量流在內的整個過程。在此基礎上,科學家希望弄清楚實驗室實驗是否可以擴大到實際的工業條件。如果答案是肯定的,那麼在計畫於2028 年結束後,合作夥伴就可以開始建造一個類似工業版本的試驗工廠。根據研究結果,該工廠既可以採用感應加熱,也可以採用輻射加熱(這兩種加熱方法正在同步開發中),或將這兩種方法結合起來。
編譯自/ ScitechDaily