Цемент из чего производят: Как делают цемент: технология производства цемента

Как делают цемент: технология производства цемента

Любое строительство или ремонтные работы невозможны без использования универсального строительного материала – цемента разных видов и марок. Мы настолько привыкли к этому продукту, что даже не задумываемся над проблемой, а как делают цемент.  Можно ли его можно изготовить в домашних условиях и не переплачивать?

СодержаниеСвернуть

Сразу ответим на вопрос – можно ли сделать цемент своими руками? Имея необходимое оборудование и исходные материалы – получить цемент в домашних условиях можно. На данный момент времени в Российской Федерации большим спросом пользуются мини-заводы по производству цемента, мощностью порядка 120 000 тонн цемента в год. Производить же цемент для единичной стройки экономически невыгодно. Проще и дешевле купить этот необходимый строительный материал на заводе или в магазине.

Состав цемента

Цемент получается при длительном дроблении клинкера и гипса. Клинкер — продукт равномерного обжига до спекания однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины определённого состава, обеспечивающего преобладание силикатов кальция.

При измельчении клинкера вводят добавки: гипс СaSO₄·2H₂O для регулирования сроков схватывания, до 15 % активных минеральных добавок (пиритные огарки, колошниковую пыль, бокситы, пески) для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости цемента.

Производство цемента на заводах

На данный момент времени производителями цемента используются три технологии производства связующего:

• Мокрый способ.
• Сухой способ.
• Комбинированный метод.

Стоит заметить что «сухую» технологию используют зарубежные производители цемента: Египет, Турция и Китай. «Мокрая» же технология традиционно используется отечественными цементными заводами.

циклы производства цемента

Сухой способ

Здесь нет необходимости использовать воду. Исходный материал (глину и известняк) дробят на специальном оборудовании. Сушат и перемалывают в мелкодисперсную муку, смешивают пневматическим способом и подают на обжиг.

Образовавшийся в результате обжига цементный клинкер измельчается до соответствующей степени фракции, фасуется в упаковку и отправляется на склад готовой продукции. Данный способ позволяет снизить затраты на производство, однако отличается «капризностью» к однородности исходных материалов и является экологически опасным вариантом.

Мокрый способ

Неоспоримые достоинства данного метода заключается в возможности точного подбора состава исходного сырья при высокой неоднородности исходных компонентов: порода, вид породы и пр. Исходный материал (шлам) представляет собой жидкую субстанцию, содержащую до сорока процентов влаги.

Перед тем как сделать цемент, состав шлама корректируется в специальных технологических бассейнах. После выдержки сырья в бассейне, производится отжиг в специальных вращающихся печах и последующее измельчение.

Мокрый способ требует большего расхода тепловой энергии расходуемой на высушивание исходного сырья. Это существенно увеличивает себестоимость производства цемента, однако качество конечной продукции не страдает от возможной неоднородности клинкера, как при мокром варианте.

Комбинированные способы

Данная технология опирается на мокрый вид получения связующего. Промежуточную субстанцию обезвоживают по специальной технологии. Клинкер гранулируют с добавлением воды, после чего производят отжиг и последующее измельчение до той или иной марки цемента.

В числе достоинств комбинированного способа производства цемента: высокий выход «годного», возможность использования отходов металлургической промышленности.

Как делают белый цемент

Технология производства белого цемента незначительно отличается от технологии производства обычного «серого» материала. Как и обычный «серый» материал, белый цемент выпускают сухим и мокрым способом. Основное отличие технологии – обжиг исходного сырья при высокой температуре и резкое охлаждение в воде.

Клинкер белого цемента характеризуется как «маложелезистый» и содержит в своем составе: минеральные добавки, известняк, гипс, соли и другие компоненты. В качестве исходного сырья для клинкера используются карбонатная и глинистая порода (известняк, каолиновая глина, отходы обогащения, кварцевый песок).

В Российской Федерации белый цемент производится только на одном предприятии – ООО «Холсим (Рус) СМ» (до 2012 года ОАО «Щуровский цемент»). Большинство белого цемента поставляется на рынок России из-за рубежа следующими компаниями: «Холсим» (Словакия), «Cimsa иAdana» (Турция), «AalborgWhite»(Дания) и «AalborgWhite» (Египет).

Основное достоинство белого цемента его уникальная характеристика – белоснежность, а основной недостаток в разы большая стоимость по сравнению с обычным «серым» материалом.

Заключение

Теперь вы знаете, как делают цемент на заводе в общем случае. Информацию как правильно делать цемент во всех подробностях, цифрах, схемах, таблицах и других тонкостях смотрите в специальной литературе.

Как делают цемент: victorborisov — 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.

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.

из чего делают и какие пропорции

Цемент выполняет функцию вяжущего вещества. От его качества зависит окончательная прочность бетонного изделия. Многих начинающих строителей интересует вопрос про цемент – из чего делают, и от чего зависят его качества? Материал получают в процессе разрушения клинкера, гипса и добавок. Клинкер – это основное вещество в составе цемента, получающееся после спекания сырья, основу которого составляют глина и известняк. В составе могут присутствовать мергель, шлак из доменных печей, нефелиновый шлам.

Состав цемента

В вопросе, из чего сделан цемент, принципиальных изменений не было уже давно, состав сохранился с прошлых столетий. Основу всегда составлял клинкер, также в состав входят минеральные добавки с оптимальным содержанием 15-20 %. В такой концентрации минералы оказывают малозначимое влияние на эксплуатационные и технические характеристики. Если концентрация добавок свыше 20 %, свойства сильно изменятся, состав называют пуццолановый цемент.

Химический состав цемента:

• алит (Са3SiO5) – увеличивает скорость взаимодействия с водой. Компонент важен на этапе приобретения прочности. В составе клинкера количество трёхкальциевого силита составляет 50–70 %;
• белит (Ca2SiO4) – обеспечивает набор прочности на поздних этапах застывания. Изначально слабо реагирует на воду, увеличение прочности за счёт двухкальциевого силиката вначале практически не происходит. В клинкере содержится 15–30 %;

Цемент – вяжущая субстанция, которая имеет свойство твердеть в воде и на открытом воздухе

• алюминатная фаза (Са3Al2O6) – при смешивании с водой провоцирует быструю реакцию, обеспечивает начальное схватывание. Для контроля за процессом застывания в состав добавляют гипс и подобные вещества. Трёхкальциевого алюмината содержится 5–10 %;
• ферритная фаза (Са3Al2O6). Вступает в активную фазу реакции между циклами алита и белита. Количество четырёхкальциевого алюмоферрита составляет 5–15 %;
• остальные компоненты – сульфаты щелочного типа, оксид кальция – до 3 %.

Пропорции химических веществ в цементном растворе могут отличаться, но обычно в пределах указанных значений.

Основные характеристики цемента

Технология изготовления предусматривает соблюдение нормативов ГОСТ 10178-76. Состав может включать добавки.

Если они присутствуют, изменяются характеристики цемента:

• прочность – возможность материала выдерживать определённые нагрузки до наступления разрушения. Прочностные показатели и способность к затвердеванию в процессе гидратации – это взаимосвязанные понятия, для приобретения прочности требуется длительное время, от 28 дней. Цемент разделяется на марки, обозначаются буквой М и индексом: 300, 400, 500, есть менее распространённые составы высокой прочности – М600, М700, М800;

Ингредиенты берут в определенном соотношении, что обеспечивает образование силикатов кальция, алюмоферритной и алюминатной фаз

• время застывания. На процесс гидратации и окончательного застывания материала влияет тонкость помола клинкера. По мере уменьшения зерна увеличивается прочность. При определении застывания растворов и бетонов учитывается нормальная густота состава. Продолжительность до схватывания зависит от водопотребности и количества минералов. При нормальной густоте схватывание заснимает от 45 минут до 10 часов. При увеличении температуры сроки сокращаются, в холодное время – увеличиваются;
• водопотребность – это потребление воды для гидратации вещества и приобретения достаточной пластичности. Обычно рекомендуется состав с 15–17 % жидкости. Для увеличения подвижности раствора можно закладывать воду в пропорции 30–35 %;
• плотность насыпи. Истинная плотность материала составляет 3000–3100 кг/см3. Плотность после высыпания 900–1100 кг/см3, после уплотнения показатель составляет 1400–1700 кг/см3;
• устойчивость к коррозии. На показатель влияет минеральный состав и плотность цемента. По мере снижения зернистости клинкера и увеличения пористости уменьшается устойчивость к коррозии;
• тепловыведение. В ходе застывания из цемента неизбежно выделяется тепло. Если скорость течения процесса относительно низкая, уменьшается риск появления трещин в процессе эксплуатации. Быстрое тепловыделение – это нежелательный процесс при строительстве многоэтажных и высоконагруженных зданий. Для регулировки тепловыделения в состав вносятся активные и инертные добавки;
• морозостойкость. Показатель отражает устойчивость к замерзанию и оттаиванию как в пресной, так и солёной воде.

Виды цемента

В зависимости от того, из чего сделан цемент, материал различается по группам. Каждый вид обладает особыми техническими характеристиками.

Сегодня производится множество видов цемента

На основании материала изготовления выделяют группы:

• известковый;
• мергелистый;
• глинистый. Рекомендуется внесение вспомогательных компонентов цемента, боксита и шлака для повышения водонепроницаемости, огне- и морозоустойчивости.

Преимущественно производство цемента включает соединения карбона и глины, но в отдельных видах выполняется внесение искусственных веществ (шлаков, отходов металлургии и химического производства) и естественных компонентов (глинозема).

Цемент делят на следующие виды:

• портландцемент. Отличается высокой скоростью затвердевания, включает 10–15 % минеральных веществ. В основу портландцемента закладывается гипс и клинкер, которые проходят обжиг при температуре 1500 °С. Его активно используют в современном строительстве благодаря способности создавать монолитные конструкции при смешивании с водой;
• шлакопортландцемент. В составе присутствуют те же компоненты, а также доменные шлаки;
• гидравлический;
• напрягающий – быстро схватывается и застывает;
• тампонажный. Применяется для создания бетонных конструкций в сфере газо- и нефтедобычи;
• декоративный, отличается белым цветом;
• сульфатостойкий. Главные отличия сводятся к низкой скорости застывания и высокой устойчивости к минусовым температурам.

Различают портландцемент и шлакопортландцемент

Сферы использования

Бетон применяют в строительстве повсеместно, его область применения практически не ограничена. С помощью цементного раствора создают железобетонные конструкции, заливают фундаменты, балки, основания и другие части сооружения. В последнее время популярно изготовление монолитных построек, где стены, основа и крыша выполнены полностью из бетона, не считая кровельных и отделочных материалов.

Что делают из цемента:

• несущие стены, колонны, перегородки;
• плиты перекрытий;
• фундамент, стяжка, цокольный этаж;
• различные плиты, стеновые блоки и т. д.

Состав

На практике процедура изготовления материала не слишком сложна, а химические вещества представляются в виде распространённых природных ресурсов. Правила, как делают цемент, приблизительно одинаковые для всех марок, в основе всегда известняк и глина.

Основные компоненты состава:

• клинкер. Чаще всего концентрация известняка в клинкере в 3 раза превосходит количество глины, что определяет показатели прочности. Вносится в форме гранул с размерами до 60 мм. Компонент подвергают термообработке при температуре 1500 °С. В процессе расплавления появляется масса с большим количеством кремнезёма и кальциевым диоксидом;

Прочность. Это параметр, который отвечает за разрушение материала под воздействием определенных условий

• гипс влияет на скорость гидратации цемента. Стандартно в состав добавляется до 6 % компонента;
• различные вспомогательные добавки. Присадки используются для увеличения пластичности состава, повышения устойчивости к холодам, ускорения застывания. Благодаря наличию добавок цемент можно применять в более широком спектре работ.

Процесс изготовления

Важно точно знать, как делают цемент и из чего, это поможет правильно понимать свойства материала и обеспечит высокое качество конструкции.

Рассмотрим поэтапно цемент как делают:

1. Перемешивание всех компонентов для создания клинкера. В его состав вводится 75 % известняка и 25 % глины.
2. Обжиг при воздействии высокой температуры, процедура помогает сформировать клинкер. Глина с известью соединяются при нагреве до температуры 1450 °С и выше.
3. Разрушение материала для создания пылеобразной фракции. Измельчение выполняется шаровыми мельницами – это барабаны с горизонтальным размещением, внутри их располагаются металлические шары, которые разрушают твёрдые, крупные частицы клинкера. По мере снижения фракции увеличиваются технические характеристики и марка состава.

Заключение

Отличительными чертами цемента являются долговечность, относительно быстрый процесс застывания, устойчивость к внешней среде, лёгкость приготовления и использования. После застывания получается высокопрочный материал, который способен удерживать многоэтажные здания с минимальным износом и низким риском деформаций.

Обзор цементной промышленности — FIRA.RU

Цементная промышленность является одной из старейших в России, первый завод по производству портландцемента был построен еще в 1839 году. В настоящее время цемент и изготовляемые из него бетон и железобетон являются основными строительными материалами, которые используются в самых разнообразных областях строительства. При этом цемент остается относительно простым, универсальным и дешевым материалом, для изготовления которого требуются довольно доступное сырье — известняк, мергель, глины, мел, гипс, а также вода.

В настоящее время существуют следующие основные способы производства цемента: мокрый, сухой, комбинированный, а также их вариации. Преимуществом сухого метода производства по сравнению с мокрым является более высокий съем клинкера с 1 кв. метра печного агрегата, а также более низкий расход топлива. Так, производство портландцементного клинкера сухим способом требует в два раза меньше расхода топлива, чем мокрым. Глобальными тенденциями в производственном процессе цементных заводов являются отказ от мокрого способа производства и постепенный переход на сухой.

Основными факторами размещения предприятий цементной промышленности являются потребительский и сырьевой. Первый выражается в концентрации производства вблизи потенциальных потребителей — крупнейших городов и промышленных центров. Второй обусловлен наличием доступной и недорогой сырьевой базы.

На сегодняшний день в России насчитывается 58 цементных заводов с суммарной производственной мощностью порядка 106 млн. тонн цемента в год (Для получения детального анализа отрасли производств цемента, можно обратиться к сотрудикам — fira. ru). Производителей цемента на российском рынке условно можно разделить на три группы: российские холдинги, объединяющие несколько заводов; российские заводы, не входящие в состав промышленных групп; зарубежные холдинги, осуществляющие свою деятельность на территории России.

К крупнейшим российским холдингам относятся «Евроцемент груп», «Сибирский цемент»; ведущие зарубежные производители представлены на российском рынке компаниями LafargeHolcim, Heidelberg. Российские заводы, не входящие в состав промышленных групп, выпускают, как правило, небольшие объемы цементной продукции.

Крупнейшим производителем цемента в России является АО «Евроцемент Груп», которое представляет собой международный вертикально интегрированный промышленный холдинг по производству строительных материалов и объединяет 19 цементных заводов, 16 из которых расположены  в России, остальные — в Украине и Узбекистане. Суммарная производственная мощность российских цементных заводов, входящих в состав АО «Евроцемент груп», составляет свыше 50 млн. тонн цемента в год. Также в состав холдинга входят заводы по производству бетона, ЖБИ, холдинг располагает богатейшей сырьевой базой — запасы нерудных материалов составляют более 5,5 млрд. тонн. По данным союза производителей цемента, на долю заводов АО «Евроцемент Груп» пришлось около 30% произведенного в 2016 году цемента.

Состав цемента: компоненты, пропорции и соотношение

Сложно найти более востребованный строительный материал, чем цемент. Он широко применяется практически во всех отраслях строительной индустрии, да и в обустройстве жилища и подворья тоже. Поэтому классическое соотношение, в котором цемент составляет одну часть, а песок три, знают все. Если в этот состав добавить еще и необходимую часть воды, то получится раствор, который применяется, например, для штукатурки.

Оглавление:

1. Типы цементов по химическому составу
2. Маркировка в соответствии с прочностью
3. Другие виды маркировки

В цемент обычно входит меленый клинкер, а также гипс, глина, известняк, уголь и другие минеральные вещества. Характеристики, которыми обладает эта смесь, определяют пропорции, в которых входят в нее те или иные компоненты.

Если дать краткое определение, то цемент — это общее название целой группы вяжущих веществ, которые твердеют после смешивания с водой, не теряя потом полученной твердости.

Химический состав различных видов

В зависимости от того, какой состав имеет та или иная смесь измельченных минералов, какие дополнительные компоненты и добавки в нее входят, каково их соотношение, цемент делят на следующие группы:

• портландцемент;
• пуццолановый;
• шлаковый;
• глиноземистый;
• романоцемент;
• смешанный с наполнителями;
• магнезиальный;
• специальный (кислотоупорный).

Некоторые виды имеют множество подвидов. Например, группа, которую объединяет название портландцемент, включает в себя алюмоферритный, алюминатный, ферритный, белитовый, алитовый.

Что входит в состав различных групп?

О том, из чего состоит цемент, можно написать не одну большую книгу. Как уже указывалось, цемент – лишь общее название огромной группы строительных материалов, которые объединяет не столько состав (входящие в них компоненты и их соотношение), сколько предназначение.

Химический состав некоторых групп цементов в общих чертах описан ниже.

1. Портландцемент – это смесь, в которую входят продукты тонкого размола клинкера и гипса. Именно гипс и является основным вяжущим веществом. С химической точки зрения – это смешанный в определенной пропорции сульфат кальция с разнообразными силикатами кальция. Доля последних может составлять до восьмидесяти процентов. Исходное сырье, из которого производится портландцемент, представляет собой субстанцию, состоящую из известняка (до 78 %) и глин (до 25 %).

2. Глиноземистый представляет собой смесь клинкера, бокситов и других минералов. Состав по массе: от трети до половины оксида алюминия, от 35 до 45 % оксида кальция, от 5 до 10 % оксида кремния и до 15 % оксидов железа. Пропорции этих компонентов определяют свойства глинозёмистого раствора. Применяется он как в качестве самостоятельного вяжущего вещества, так и в качестве добавки к другим видам.

3. Романоцемент. Это смесь, в состав которой, кроме клинкера, входят мергели, как известняковые, так и магнезиальные. Содержание в нем оксида алюминия и кремнезема не должно быть ниже четверти по весу.

4. Магнезиальный. В него обязательно входит оксид магния, а также хлорид магния и сульфат магния в качестве затворителей. Последний используется реже и, главным образом для того, чтобы достичь повышенной устойчивости к воздействию воды. Применение определяется повышенной прочностью, а также способностью быстро схватываться и твердеть. Из комбинации магнезиального цемента в определенной пропорции с другими веществами получаются очень прочные полы. Из него же делают облицовочные материалы, точильные камни, абразивные круги, жернова, лестничные ступени и другие изделия, которые обычно работают под большой нагрузкой.

К магнезиальным относится и так называемый цемент Сореля, состав которого был разработан еще в позапрошлом веке французским ученым Станиславом Сорелем.

5. Кислотоупорный состоит из жидкого стекла, которое представляет собой водный раствор силиката натрия. Наполнителями служат устойчивые к воздействию внешней среды минералы, в том числе кварциты и кварц. Использование кремнефтористого натрия способствует повышению скорости затвердевания, а также его стойкости к воздействию воды. Применяют для возведения сооружений, которые подвергаются активному воздействию агрессивных факторов. Например, башни, резервуары на предприятиях химической промышленности.

6. Цемент, смешанный с наполнителями, условно можно отнести к отдельной группе, поскольку по составу он сильно отличается от других видов.

Марки

Маркировка определяется прочностными характеристиками получившегося бетона. Для определения марок берут состав, смешанный в пропорции один к трем (одна часть материала и три части чистого кварцевого песка). Смесь в таком соотношении разбавляют водой и создают из нее небольшие блоки следующих размеров:

• длина: 16 см,
• ширина и высота: по 4 см.

После отвердения полученные изделия испытывают с различной периодичностью. Блоки сдавливают на специальном оборудовании и определяют их прочность. Максимальная прочность проявляется после четырех и более недель просушки испытательного блока. В зависимости от полученных результатов вещество относят к определенной марке.

Наименее устойчивая смесь получает маркировку М100. Это значит, что испытательный блок выдержал давление до 10 МПа, или до 100 килограмм на сантиметр квадратный. Слишком подробно не маркируют, в стандартах большинства стран мира прописан шаг в сто единиц. Но достаточно часто встречается и шаг в пятьдесят единиц.

Наиболее прочным считается вещество марки М600. Сфера его применения – особо прочные сооружения военного и промышленного назначения. Смесь М600 с различными добавками и наполнителями в определенном соотношении позволяет создавать объекты, способные выдержать прямое попадание очень мощной бомбы. Соответствует качеству и цена. Он намного дороже, чем довольно высокопрочный М500.

В гражданском строительстве и в производстве многих материалов используют в основном, пожалуй, марки М300-М500. Этого диапазона прочности хватает для того, чтобы можно было возводить сооружения и создавать изделия с нужными характеристиками.

Другие виды маркировки

Кроме марок по прочности существуют также и марки по составу. Так, аббревиатура ПЦ означает нахождение в таре портландцемента. Аббревиатура ШПЦ – это шлакопортландцемент. Латинские буквы и цифры указывают на состав такого материала. Речь идет о массовом количестве клинкера и шлака.

Отдельная маркировка указывает на то, какое количество различных добавок содержится в составе:

• к примеру, если на мешке с вяжущим материалом написано Д15, это значит, что в нем имеется 15 % определенных добавок.
• буквы ПЛ указывают на содержание пластификаторов, которые, значительно увеличивают срок его хранения. Быстротвердеющий обозначается буквой Б.
• для обозначения водонепроницаемого используют аббревиатуру ВРЦ.

Существует также множество других видов маркировки, указывающих на те или иные свойства, наличие в нем разнообразных добавок и наполнителей.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

К карбонатным породам относят следующие виды природного сырья:

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

Мел

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

Мергелистый известняк

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

Известняки – ракушечники

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

Доломит

Глинистые породы включают следующие виды ископаемых:

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

Глина

• суглинки, содержащие повышенную концентрацию частиц песка;

Суглинки

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

Сланцы

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

Лесс

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

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

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

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

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

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

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

Состав, из которого производят цемент

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

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

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

Глина

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

Известняк

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

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

Гипс

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

Пластификатор

Производство – как изготавливают цемент, процесс получения на заводе

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

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

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

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

Производство

Разработаны следующие методы:

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

Подробнее о производстве цемента смотрите на видео:

Классификация цементных смесей

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

Среди основных типов выделяют:

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

Портландцемент

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

Глиноземистый

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

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

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

Особенности производства, свойства и области применения белого цемента

Опубликовано 10 сентября 2019, вторник

Белый цемент от LafargeHolcim – это больше, чем просто строительный материал. Его универсальность, непревзойденный внешний вид и высокие эксплуатационные качества обеспечивают ему особое место среди других строительных материалов – это символ симбиоза эстетики и функциональности.

По своему вещественному составу белый цемент не содержит каких-либо минеральных добавок, он состоит только из клинкера и гипса. Белый цемент имеет марку прочности 500 (его прочность при сжатии в возрасте 28 суток достаточно высока и составляет 55-60 МПа), а по степени белизны он относится к первому сорту (его коэффициент отражения света составляет 83-85%). Благодаря высокой белизне и возможности окрашивания бетона цветными пигментами белый цемент предоставляет безграничные возможности для яркой и долговечной отделки улиц, фасадов и помещений.

Отличительной особенностью белого цемента является его высокая теплота гидратации (тепловыделение) на начальных этапах твердения, поэтому он обладает быстрой кинетикой набора прочности. Это позволяет сократить продолжительность производственного цикла при производстве изделий заводского изготовления, а также оптимизировать расход цемента на 1 куб. м бетонной или растворной смеси.

Важными характеристиками белого цемента, к которым потребители предъявляют требования, являются водопотребность, время потери подвижности, сроки схватывания. Преимуществом белого цемента LafargeHolcim является повышенная эффективность его работы в сочетании с суперпластификаторами, которые входят в состав практически любой бетонной или растворной смеси. Пластифицирующие добавки позволяют снизить водоцементное отношение и получить бетоны и строительные растворы с плотной структурой, обладающие низкой проницаемостью. Кроме того, бетонные смеси и строительные растворы на белом цементе обладают лучшей подвижностью, чем бетонные смеси и растворы на общестроительном сером цементе.

Области применения и конечные продукты на основе белого цемента

Области применения белого цемента аналогичны общестроительному серому цементу – это:

• готовые бетонные смеси и растворы
• сборные железобетонные элементы
• мелкоштучные бетонные изделия
• строительные смеси

Однако применение белого цемента позволяет получить широкий спектр форм, цветов и фактур, создавая яркий визуальный эффект, и обеспечив при этом заданную прочность, водонепроницаемость, морозостойкость, атмосферную и коррозионную стойкость конечных продуктов на его основе.

Для изготовления и укладки декоративной бетонной смеси на основе белого цемента необходимо строго контролировать стабильность качества и точность дозирования всех сырьевых компонентов, поддерживать чистоту технологического оборудования и автотранспорта для доставки свежеприготовленной бетонной смеси на объект строительства. Особого контроля требует подготовка опалубки, технология укладки готовой бетонной смеси и уход за твердеющим бетоном. Несмотря на то, что применение товарного бетона на основе белого цемента требует дополнительных затрат, он незаменим для достижения яркой архитектурной выразительности, что неоднократно подтверждено европейской и российской строительной практикой.

В отличие от товарного архитектурного бетона на основе белого цемента, элементы заводского изготовления все чаще пополняют продуктовый портфель заводов сборного железобетона. Белый цемент обеспечивает прекрасные реологические свойства свежеприготовленной бетонной смеси, что позволяет использовать фактурную оснастку для выразительного дизайна фасадных элементов. При этом быстрый набор прочности белого цемента способствует уменьшению времени выдерживания отформованных элементов для достижения заданной отпускной прочности и сокращению времени производственного цикла.

Мелкоштучные бетонные изделия заводского изготовления на основе белого цемента представлены в широком ассортименте – это плиты «терраццо» и искусственный камень для устройства полов, отделки фасадов и помещений, тротуарная плитка и стеновые блоки. При производстве мелкоштучных бетонных изделий применяется различное технологическое оборудование. Изготовление плит «терраццо» предусматривает вибровакуумирование с последующей шлифовкой и полировкой поверхности изделий, что в сочетании с окраской цементной матрицы в яркие цвета и возможностью подбора фракционного состава декоративных заполнителей позволяет имитировать натуральный гранит различной цветовой гаммы.

Отличительной особенностью искусственного камня является тонкая имитация цвета и фактуры различных горных пород, что достигается при помощи укладки литой мелкозерныстой бетонной смеси в текстурированные пластиковые формы. При производстве облицовочного кирпича и блока по технологии полусухого вибропрессования используют прием раскалывания изделий, что позволяет создать рельефную «рваную» поверхность. Основным преимуществом применения белого цемента для производства мелкоштучных бетонных изделий является его высокая прочность, что является надежной гарантией долговечности конечных продуктов. При этом высокий коэффициент отражения света белого цемента делает его идеальной основой для получения яркой и стабильной окраски изделий.

Производство сухих строительных смесей является одним из самых больших сегментов потребления белого цемента. Он широко применяется в производстве декоративных штукатурок для наружных и внутренних работ, шпатлевок для финишного выравнивания стен и потолков помещений с повышенной влажностью, плиточных клеев для укладки полупрозрачной плитки, белого мрамора, мозаики, а также затирок для швов и наливных полов.

Сухие смеси на основе белого цемента очень технологичны, легко наносятся и выравниваются, создавая при этом тонкие текстуры. Пластичность, связность и однородность смесей на основе белого цемента, позволяет выполнять отделочные работы любой сложности как внутри, так и снаружи помещений. А высокая прочность и стойкость затвердевшего раствора к попеременному замораживанию и оттаиванию гарантирует его долговечность даже в условиях интенсивных атмосферных воздействий.

Технологические особенности производства белого цемента

Для производства белого цемента используют наиболее чистые разновидности карбонатного и глинистого сырья с минимальным количеством окрашивающих примесей. Известняк (СаСО3) должен содержать не более 0,15% оксида железа (Fe2O3) и до 0,03% оксида марганца (MnO). Глинистым компонентом служит белая глина (каолин). Для повышения силикатного модуля применяют белый кварцевый песок. Содержание Fe2O3 в глинистом и кремнеземистом компонентах суммарно не должно превышать 1%, а оксида титана (TiO2) – 0,8%.

На заводе LafargeHolcim в Коломне производство белого цемента осуществляется по мокрому способу, который предусматривает обжиг сырьевого шлама с влажностью около 40%. Сырьевые компоненты – известняк, каолин и кварцевый песок тонко измельчают в сырьевой мельнице с добавлением воды, на выходе из которой получают сырьевой шлам. В процессе приготовления сырьевого шлама необходимо полностью исключить его загрязнение присадками металлического железа, которые могут увеличить содержание Fe2О3 в шламе и отрицательно повлиять на коэффициент отражения света (белизну) цемента. По этой причине для внутренней оснастки сырьевых мельниц используют бронефутеровку и мелющие тела, изготовленные из износостойкой высоколегированной стали.

Сырьевой шлам заданного химического состава подают на обжиг во вращающуюся печь диаметром 3,6 м и длинной 127 м, на выходе из которой получают белый клинкер. В качестве топлива для обжига белого клинкера используют природный газ, который, в отличие от угля или жидкого топлива, не содержит загрязняющих примесей. Образование клинкерных минералов в тугоплавкой сырьевой смеси, содержащей минимальное количество Fe2О3, происходит при температуре около 1700°С, тогда как для обычного серого клинкера она составляет 1450°С. Поэтому для снижения температуры обжига белого клинкера в сырьевую смесь вводят минерализаторы – плавиковый шпат или кремнефтористый натрий. Это позволяет снизить расход газа на обжиг белого клинкера.

С целью повышения белизны клинкер обжигают в бескислородной газовой среде для восстановления Fe2O3, что понижает красящую способность соединений железа и способствует повышению коэффициента отражения света (белизны) клинкера. На выходе из вращающейся печи клинкер резко охлаждают водой до 300°С. За счет этого образуется мелкокристаллическая структура клинкерных минералов, обладающих более высоким коэффициентом отражения света и большей гидравлической активностью, т.е. способностью взаимодействовать с водой и набирать высокую прочность при твердении.

Измельчение белого клинкера осуществляют в шаровой мельнице с добавкой белого гипса, который служит регулятором сроков схватывания цементного теста. Цементная мельница работает в замкнутом цикле с сепаратором, который отделяет тонкомолотые частицы цемента, а грубую фракцию возвращает в обратно в мельницу на домол. Для уменьшения агрегации (слипания) частиц белого цемента и достижения высокой тонкости помола в мельницу вводят интенсификатор помола – поверхностно-активное вещество на основе триэтаноламина в количестве до 0,05%. Удельная поверхность белого цемента находится в пределах 4500-5000 см2/г, что значительно превышает тонкость помола рядового серого цемента, которая составляет около 3500 см2/г. Применение мельницы с сепаратором позволяет производить белый цемент с полидисперсным гранулометрическим составом, что обеспечивает наиболее полное протекание процессов гидратации цемента и быструю кинетику набора прочности цементного камня.

Контроль показателей качества при производстве белого цемента осуществляется на всех технологических переделах – от разработки карьера и контроля химического состава сырьевых компонентов до замола цемента в силос и его отгрузки конечному потребителю. Каждая произведенная партия белого цемента проходит обязательные приемо-сдаточные испытания в заводской лаборатории с выдачей документа о качестве. При этом соответствие показателей белого цемента требованиям ГОСТ 965-89 к цементу марки ПЦБ 1-500-Д0 ежегодно подтверждается в независимой аккредитованной лаборатории с выдачей обязательного сертификата соответствия.

Понравилась статья?

Поделиться в соцсетях:

Производство цемента — обзор

6.5 Использование дополнительных вяжущих материалов для сокращения выбросов CO

₂

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

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

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

Производство цемента | Американское литейное общество

Что такое портландцемент?

Многие путают термины «цемент» и «бетон». Портландцемент — это промышленный продукт, который входит в состав различных бетонных изделий.Портландцемент продается в виде мелкодисперсного порошка, который смешивают с водой и заполнителями для изготовления бетона на портландцементе (PCC). Портландцемент состоит из силикатов кальция, алюминатов кальция, алюмоферритов кальция и, как правило, небольшого количества гипса. Когда в цемент добавляется вода, минералы кальция гидратируются и образуют гель. Этот гель скрепляет заполнитель в бетоне.

Существует восемь типов портландцементов, каждый из которых имеет особые свойства и химические требования. Однако производственный процесс по сути тот же и является продуктом работы печи.Производство цемента — это двухэтапный процесс. Такие материалы, как известняк, содержащий оксид кальция, смешиваются с кремнеземом и глиноземными материалами, такими как песок, сланец или глина. Сырье обычно сушится и измельчается, а затем смесь нагревается во вращающейся печи с образованием клинкера. Затем клинкер смешивают с гипсом и другими материалами и измельчают до мелкого порошка (сито 200 меш), известного как портландцемент.

Как литейный песок используется при производстве портландцемента?

Литейный песок считается «альтернативным материалом», который может заменить первичное сырье.Сырье, используемое при производстве портландцемента, должно содержать соответствующие пропорции оксида кальция, кремнезема, глинозема и оксида железа. Смеси портландцемента обычно содержат 10-12 мас.% Кремнезема и оксиды алюминия и железа (2-5 мас.%). Эти минеральные компоненты являются важными компонентами большинства формовочных песков, поэтому они могут заменять первичные минералы. Согласно исследованию, проведенному в 2008 году Портлендской цементной ассоциацией, 13 из цементных печей страны получали формовочный песок. Измельченный ваграночный шлак также может быть использован в качестве сырья для производства цемента.

Как портландцемент работает с литейным песком?

Портландцемент

, изготовленный из формовочного песка, соответствует всем требованиям к качеству и характеристикам портландцемента, изготовленного исключительно из первичных материалов. Исследование Американского литейного общества показало, что портландцемент, изготовленный из формовочного песка, может иметь более высокую прочность на сжатие, чем портландцемент, изготовленный из обычного сырья.

Литейный песок используется в качестве исходного сырья при производстве портландцемента.Различные типы портландцемента имеют разные химические и физические требования из-за различного использования цемента. Стандарт ASTM C-150, Стандартные спецификации для портландцемента, обозначает различные типы портландцемента.

Какие технические проблемы связаны с литейным песком при производстве портландцемента?

Химическая консистенция формовочных песков более важна, чем физические характеристики при определении пригодности для производства портландцемента.Содержание кремнезема в формовочном песке превышает минимальное 80% -ное содержание кремнезема, которое требуется для обжига портландцемента, и наличие других элементов, таких как железо и алюминий, является преимуществом. Содержание глины в формовочном песке может быть проблемой, если она создает проблемы с сыпучестью в цементных печах с процессами смешивания влажного сырья.

Хотя формовочный песок может быть отличным сырьем для производства портландцемента, расстояния транспортировки могут быть препятствием для поиска большего количества формовочного песка для печей портландцемента.В Соединенных Штатах всего 118 цементных печей, некоторые из которых владеют соседними карьерами, где известняк и другие первичные заполнители перерабатываются для производства цемента.

Существуют ли какие-либо конкретные проблемы обеспечения / контроля качества, о которых необходимо знать поставщикам и / или конечным пользователям?

Просеянный формовочный песок может быть желательным сырьем для производства цемента, если расстояния транспортировки не препятствуют его использованию. Системы подачи печи предназначены для работы с крупнозернистыми материалами, а просеянный формовочный песок уже является мелким заполнителем.Это означает, что использование формовочного песка позволяет избежать затрат и воздействия на окружающую среду, связанных с измельчением другого сырья.

Литейный песок, предназначенный для цементной печи, необходимо просеивать, чтобы на нем не было мусора, торцов керна, постороннего металла и посторонних материалов. В частности, посторонний металл может повредить системы подачи печи. Стыки керна можно измельчать и смешивать с другими песчаными потоками, если сохраняется химическая консистенция. Следует избегать использования формовочного песка из силиката натрия, поскольку этот конкретный тип связующего изменяет химический состав цемента.Самым большим препятствием для увеличения использования формовочного песка в производстве цемента является получение необходимого количества просеянного песка на постоянной основе.

Существуют ли какие-либо особые экологические проблемы, связанные с использованием литейного песка в портландцементе?

Ассоциация портландцемента разработала программу по повышению устойчивости производства и использования портландцемента. Использование формовочного песка в процессе производства портландцемента помогает создать более экологичный продукт.Для удовлетворения спроса на портландцемент требуется огромное количество сырья, содержащего известь, кремнезем, глинозем и оксид железа. Производство цемента — это очень энергоемкая промышленная деятельность. В дополнение к сокращению использования первичного материала, использование формовочного песка позволяет экономить энергию за счет исключения добычи, дробления и измельчения первичного сырья до размера зерна.

Щелкните по ссылкам ниже, чтобы получить дополнительные ресурсы и информацию о цементе.

Портлендская цементная ассоциация
http: // www.цемент.org/manufacture/

Цемент, как его производят

Цемент, или портландцемент, определяется как «гидравлический цемент, полученный путем обжига
смесь извести и глины, чтобы сформировать клинкер, затем измельчение клинкера в порошок.
Зеленовато-серый порошок состоит в основном из силикатов кальция, кальция
алюминаты и ферриты кальция. При смешивании с водой (гидратированной) он
затвердевает в искусственный камень, похожий на портлендский камень «. Портлендский камень
желтый известняк с острова Портленд в Великобритании.

Исторически сложилось так, что появление цемента восходит к ранней Римской империи, и
способствовал строительству великих сооружений Римской империи.
Варьируя количество и типы одних и тех же основных ингредиентов, цементируйте
могут быть получены различные свойства. Изменяя ингредиенты,
производится еще больше различных цементов.

* «Производство цемента — это основная переработка отобранного и подготовленного минерального сырья.
сырье для производства синтетической минеральной смеси (клинкера), которая может быть
измельчены до порошка, имеющего определенный химический состав и физический
свойства цемента.« Производство цемента, как и многие другие производственные
процессы, начинаются в шахте, где сырье, такое как известняк, кремнезем,
получают алюминаты, железистые минералы и др. Некоторые типичные материалы
для карбоната кальция при производстве цемента используются известняк, мел,
мрамор, мергель и устричные раковины. Некоторые типичные материалы, используемые для оксида алюминия
в производстве цемента используются сланец, глина, шлаки, летучая зола, бокситы, глинозем.
технологические отходы и гранит.Некоторые типичные материалы, используемые для кремнезема в цементе
производством являются песок, глина, аргиллиты, сланцы, шлаки и летучая зола. Некоторые
типичные материалы, используемые для производства железа при производстве цемента, — это железная руда,
пыль дымовых газов доменных печей, колчеданный клинкер, прокатная окалина и летучая зола.

Есть пять основных типов цемента.
Во-первых, цемент типа 1 — это цемент общего назначения, обычно используемый в строительстве. Цемент

Тип 2 по-прежнему является обычным цементом, но он обладает стойкостью к сульфатам и теплоте гидратации.

Цемент типа 3 обладает высокими прочностными свойствами на ранних стадиях
жизнь цемента. То есть сразу после отверждения.

Цемент типа 4 используется там, где
желательны очень низкие температуры гидратации.

И цемент типа 5 используется там, где
требуется очень высокая сульфатостойкость.

В США Американское общество испытаний материалов
Американская ассоциация государственных служащих автомобильных дорог, American Concrete
Институт, Инженерный корпус США, как правило, является основным двигателем
сила стандартов и технических условий на качество и технологию цемента.

Бетон представляет собой смесь гравия, песка и цемента. Бетон НЕ цемент,
но это сделано из цемента.

* — Промышленные минералы и камни, 4-е издание,

Вернуться на страницу информации о майнинге

История цемента — CEMEX USA

Знаете ли вы?

• Египтяне использовали цементоподобный материал (содержащий гипс), чтобы построить Великую пирамиду в 2600 году до нашей эры.С.
• Пять штатов производят почти 50% всего цемента, производимого в Америке. Это (по порядку): Калифорния, Техас, Мичиган, Пенсильвания и Миссури.
• Цемент каустик. Он может обжечь кожу и глаза, как кислота.

Данные предоставлены Институтом минеральной информации, © 2002 www.mii.org

История портландцемента

Цемент в том виде, в каком мы его знаем, впервые был разработан Джозефом Аспдином, предприимчивым британским каменщиком XIX века, который нагрел смесь измельченного известняка и глины в своей кухонной плите, а затем измельчил смесь в мелкий порошок.

Результатом стал первый в мире гидравлический цемент: затвердевающий при добавлении воды. Аспдин назвал свое творение портландцементом из-за его сходства с камнем, добываемым на острове Портленд, у британского побережья. В 1824 году этот блестящий мастер получил патент на самый распространенный в мире строительный материал, положивший начало сегодняшней мировой индустрии портландцемента.

Производственный процесс

Портландцемент — сочетание кальция, кремнезема, алюминия и железа — является основным ингредиентом бетона.

Производство силикатно-кальциевого портландцемента, соответствующего определенным химическим и физическим характеристикам, требует тщательного контроля производственного процесса.

Во-первых, сырье — известняк, ракушечник или мел, а также сланец, глина, песок или железная руда — добывается в карьере, который обычно находится недалеко от завода-изготовителя. Перед выходом из карьера эти материалы измельчаются двумя комплектами дробилок. Первичный комплект измельчает камень до диаметра около пяти дюймов (125 мм), а вторичный комплект измельчает его до размера всего 3/4 дюйма (19 мм).Затем сырье отправляется на завод-изготовитель, где оно распределяется для создания цементов с определенным химическим составом.

Портландцемент

производится двумя способами: мокрым и сухим.

При сухом методе сухое сырье перед измельчением в мелкий порошок смешивают, затем сушат и подают в печь.

При мокром способе суспензия создается путем добавления воды к правильно подобранным сырьевым материалам перед их измельчением, смешиванием и подачей в верхний конец наклонной и вращающейся цилиндрической печи, где скорость их прохождения регулируется наклоном печи. и скорость вращения.

Горящее топливо — обычно порошкообразный уголь или природный газ — затем нагнетается в нижний конец печи, нагревая сырье до 2600–3000 градусов F (1430–1650 градусов C). При температуре 2700 градусов по Фаренгейту (1480 градусов по Цельсию) сырье плавится в результате нескольких химических реакций, в результате чего образуется так называемый цементный клинкер: серовато-черные гранулы размером с мрамор.

Раскаленный клинкер выгружается из нижнего конца печи и переносится в различные типы охладителей, чтобы снизить их температуру и обеспечить безопасное обращение с ними.После охлаждения клинкеры соединяют с гипсом и измельчают в серый порошок, настолько мелкий, что он может проходить через сито с размером ячеек 75 микрон или 200 меш.

Этот мелкий серый порошок — портландцемент.

Типы портландцемента

Гибкость портландцемента проявляется в различных типах, которые производятся с учетом различных физических и химических требований.

Спецификация C-150 Американского общества испытаний и материалов (ASTM) предусматривает восемь отдельных типов портландцемента.

• Тип I — для использования, когда особые свойства, указанные для любого другого типа, не требуются.
• Тип IA — Цемент с воздухововлекающими добавками для тех же целей, что и тип I, где требуется воздухововлечение.
• Тип II — Для общего использования, особенно когда требуется умеренная сульфатостойкость.
• Тип IIA — Цемент с воздухововлекающими добавками для тех же целей, что и тип II, где требуется воздухововлечение.
• Тип II (MH) — Для общего использования, особенно когда желательны умеренная теплота гидратации и умеренная сульфатостойкость.
• Тип II (MH) A — Цемент с воздухововлекающими добавками для тех же целей, что и тип II (MH), где требуется воздухововлечение.
• Тип III — Для использования, когда требуется высокая ранняя прочность.
• Тип IIIA — Цемент с воздухововлекающими добавками для тех же целей, что и тип III, где требуется воздухововлечение.
• Тип IV — Для использования, когда требуется низкая теплота увлажнения.
• Тип V — Для использования, когда требуется высокая сульфатостойкость.

Белый портландцемент

Когда по архитектурным соображениям требуется белый или цветной бетон или строительный раствор, портландцемент можно адаптировать для производства белого портландцемента, который является лишь одним из множества доступных типов гидравлического цемента специального назначения.

Белый портландцемент по составу идентичен традиционному продукту серого цвета, за исключением цвета. Это стало возможным в процессе производства благодаря выбору сырья, содержащего лишь незначительные количества оксидов железа и магния, которые придают портландцементу его серый цвет.

Гидравлические цементы с добавками

Гидравлические цементы с добавками, разработанные в соответствии со специальными требованиями стандартов ASTM C595 или C1157, производятся путем смешивания портландцемента, измельченного и гранулированного доменного шлака, летучей золы, природных пуццоланов и микрокремнезема.Эти цементы также могут быть воздухововлекающими, умеренно сульфатостойкими или с умеренной или низкой теплотой гидратации, в зависимости от необходимости.

Цементы, соответствующие ASTM C1157, включают:

• Тип ГУ — смешанный гидравлический цемент общего назначения.
• Тип HE — цемент высокой ранней прочности.
• Тип МС — цемент средней сульфатостойкости.
• Тип HS — высокосульфатостойкий цемент.
• Тип МН — цемент средней теплоты гидратации.
• Тип LH — цемент с низкой теплотой гидратации.

Цементы, соответствующие стандарту ASTM C1157, также могут иметь низкую реакционную способность (вариант R) с заполнителями, реагирующими с щелочами. Ограничений по составу цементов С1157 нет. Производители могут оптимизировать ингредиенты, такие как пуццоланы и шлаки, для достижения определенного набора свойств бетона.

Из всех доступных в мире смешанных цементов наиболее распространены типы IP и IS.В то время как Европа и Азия в настоящее время используют больше цементов с добавками, чем США, экологические и энергетические соображения, в дополнение к потребительскому спросу на цементы с особыми свойствами, могут изменить эту ситуацию.

Портландцемент

Производство цемента — Интерактивное покрытие

Пример операции — Lafarge Seattle

Пример производства цемента взят из Лафарж Сиэтл.На рисунках 1 и 2 ниже показано отношение завода Лафарж к центру Сиэтла и трехмерные изображения завода Лафарж соответственно. Всего у Lafarge 20 заводов в Северной Америке, 16 из которых производят портландцементы, а четыре — шлаковые.

Lafarge управляет цементным заводом в Сиэтле, штат Вашингтон, расположенном на участке площадью 25 акров, граничащем с водным путем Дувамиш.Завод впервые произвел цемент в 1967 году под названием Ideal Cement. Сейчас завод производит несколько видов цементов, которые затем используются в производстве бетона. Кроме того, завод в Сиэтле производит около 600 тысяч тонн различных цементов в год. Продукция продается в основном в штатах Вашингтон и Орегон. Однако меньшие количества продаются на Аляске, Калифорнии, Гавайях, Айдахо, Монтане и Юте. Кроме того, большая часть цемента, производимого в Lafarge Seattle, продается производителям готовых смесей.

Производство

Производство цемента на заводе Lafarge в Сиэтле осуществляется по «мокрому способу».В результате сырье смешивается с 30-40% воды во время измельчения с образованием хорошо перемешанной суспензии. Этот мокрый процесс выгоден благодаря повышенной совместимости с влажным климатом и более равномерному смешиванию сырья перед обжигом, а также более низким выбросам пыли из печи. Однако недостатком мокрого процесса является то, что он требует больше энергии для производства клинкера. См. Также [http://www.epa.gov/epaoswer/other/ckd/rtc/chap-2.pdf] для получения дополнительной информации о мокром процессе согласно EPA.

Кроме того, цементный завод Лафарж в Сиэтле работает при различных температурах печи из-за различных химических реакций, протекающих в трех широких температурных зонах.

• Зона сушки
• Зона обжига
• Образование клинкера (зона обжига)

Ступени

• Шаг 1
  • Все сырье (например, известняк, сланец и загрязненная почва) смешивается, измельчается вместе с водой с образованием навозной жижи.
  • Известняк, сланец, сырье для почвы измельчают так, чтобы не менее 50% проходило через сито 45 мкм.
  • Химический анализ суспензии проводится каждые два часа, чтобы убедиться, что состав суспензии соответствует требованиям.
• Шаг 2
  • Суспензия со всеми сырьевыми ингредиентами подается непосредственно в печь, которая производит клинкер вместе с другими побочными продуктами, такими как цементная пыль (CKD).
• Шаг 3
  • Клинкер измельчают до частиц малого диаметра с добавлением гипса для контроля времени схватывания.

Более подробная картина производственного процесса представлена ​​ниже, предоставленная Lafarge Seattle.

Рисунок 5. Квитанция на портландцемент. Предоставлено Робом Шогреном, Лафарж Сиэтл.

Произведено цемента

ASTM C150 (AASHTO M85)

• Тип I-II: Спецификация типа II способствует устойчивости к умеренному воздействию сульфатов.
• Тип III: Бетон высокой ранней прочности.
• Тип II-V: Этот цемент время от времени производится для рынка Калифорнии — повышает устойчивость PCC к воздействию сульфатов.* Тип V обычно используется, когда требуется высокая сульфатостойкость.

ASTM C595 (AASHTO M240)

• Тип I (SM): Портландцемент с модифицированным шлаком для использования в обычных бетонных конструкциях — цемент содержит до 25% по массе доменного шлака. Лидерство в области энергетического и экологического дизайна (LEED) дается за использование этого цемента. Торговое название «MaxCem» используется для этого цемента компанией Lafarge.

ASTM C989 (AASHTO M320)

• Гранулированный доменный шлак (GGBFS), сорт 100: Lafarge продает эту продукцию под торговым наименованием «NewCem.«Этот продукт можно использовать в качестве добавки к портландцементу (аналогично тому, как летучая зола используется в качестве частичной замены портландцемента) или в качестве замены 1: 1 для типов I-II. Цена составляет около 90% от Типа I-II (или на 10% меньше, чем Типа I-II).

Общее сырье

• Известняк с острова Тексада (Канада)
• Сланец Британской Колумбии
• Гипс из Мексики
• Гранулированный доменный шлак из Японии (используется для производства цемента типа I (SM))
• Взрывной песок — в основном из Сиэтла.

Топливное сырье

Материалы, сжигаемые в печи для выработки энергии. При производстве цемента в Lafarge Seattle в качестве сырья для печи используется 30% альтернативных материалов. Около ½ топлива, используемого в печи, производится из переработанных материалов.

• Топливо из шин
• Уголь
• Почвы, загрязненные углеводородами
• нет. 6 Мазут
• Отработанные растворители
• Краски для печати
• Остатки краски
• Чистящие жидкости

Это сырье не только обеспечивает более высокую энергию для сжигания, чем уголь, который является преобладающим источником топлива, но и при сжигании «остатки золы от TDF могут содержать более низкое содержание тяжелых металлов, чем некоторые угли, и приводить к более низким выбросам NOx по сравнению с многим U.S. угли, особенно угли с высоким содержанием серы »(EPA). Кроме того, «альтернативный или, скорее, метод первичной утилизации, заключающийся в размещении этого опасного сырья на свалках, исследования показали, что он оказывает большое негативное воздействие на окружающую среду, такое как вымывание токсинов в грунтовые воды, изменение значения pH и накопление тяжелых металлов» ( EPA). По общей оценке (2001 г.) предприятия Lafarge Seattle потребляют от 600 000 до 1 200 000 цельных шин в год (WSDOE).

Контроль загрязнения на заводе Lafarge в Сиэтле

Рис. 10. Электростатические фильтры, удаляющие выбросы твердых частиц, образующихся в печи.

Как уже говорилось, цементный завод Lafarge Seattle Cement работает на различных альтернативных источниках топлива. Эти альтернативные источники топлива, такие как TDF и почвы, загрязненные углеводородами, являются основными загрязнителями. Поскольку завод расположен в Сиэтле, крупном столичном центре, многие из этих загрязнителей нуждаются в переработке, повторном использовании или утилизации.

Еще один пример контроля загрязнения завода Lafarge Seattle — он работает в условиях почти нулевого сброса воды.Это означает, что практически весь сток и сточные воды собираются, обрабатываются или используются иным образом. Ежегодно образуется около 25 миллионов галлонов ливневой воды.

На любом крупном промышленном предприятии важны вопросы контроля за загрязнением и безопасности, которые регулируются федеральным правительством, правительством штата и местными властями. Выбросы в атмосферу цементного завода Lafarge в Сиэтле регулируются агентством Puget Sound Clean Air Agency, и компания Lafarge должна соответствовать:

• Федеральный закон о безопасности и охране здоровья в шахтах
• Закон о чистом воздухе
• Закон о чистой воде
• Закон о сохранении и восстановлении ресурсов

Рисунок 11.Практически вся вода на заводе Lafarge улавливается, обрабатывается или иным образом используется для производства цемента.

Выбросы в атмосферу от печи состоят в основном из следующих соединений:

Из-за времени горения материала (или времени выдержки) и высоких температур печи цементные печи не выделяют высоких уровней органических загрязнителей. Кроме того, выбросы NOx, которые типичны для любого процесса сжигания ископаемого топлива (электростанции, автомобили и печи) на заводе Lafarge в Сиэтле, составляют 95% NO и 5% NO2.Кроме того, хотя образуется значительное количество пыли, она собирается в основном с помощью электрофильтров.

В результате путем создания инфраструктуры, развития наших сообществ, ремонта наших домов и вождения автомобилей мы производим огромное количество опасных отходов. Эти материалы загрязняют мир и производятся и используются с невообразимой скоростью. В результате существует огромная потребность найти способ утилизировать, повторно использовать или придумать новый способ утилизации всего этого опасного сырья.Цементные печи, такие как завод Lafarge Seattle, помогают утилизировать некоторые из этих опасных материалов способом, который EPA признает «лучшим использованием».

Источники

• Джо П. Махони. Профессор кафедры гражданской и экологической инженерии. Вашингтонский университет.
• Агентство по охране окружающей среды. Январь 2007 г. EPA. 24 марта 2007 ..
• WSDOE (2002), «Отчет об утилизации шин SHB 2308», публикация № 02-07-029, Департамент экологии штата Вашингтон, декабрь 2002 г.
• Авторы статей
  • Райлан Кнуттген
  • Стив Мюнч

На пути к электрохимическому синтезу цемента — процесс на основе электролизера для декарбонизации CaCO3 при производстве потоков полезных газов

Резюме

Производство цемента в настоящее время является крупнейшим промышленным источником выбросов CO ₂ , составляя ∼8% (2,8 Гт / y) глобальных выбросов CO ₂ . Глубокая декарбонизация производства цемента потребует устранения как выбросов CO ₂ из-за разложения CaCO ₃ до CaO, так и выбросов из-за сжигания ископаемого топлива (в основном угля) при прокаливании (~ 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. 2} / CO ₂ газовая смесь (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 вступает в реакцию с SiO ₂ с образованием алита, основной вяжущей фазы портландцемента.Электрохимическое прокаливание дает концентрированные газовые потоки, из которых можно легко отделить и изолировать CO ₂ , можно использовать H ₂ и / или O ₂ для выработки электроэнергии через топливные элементы или камеры сгорания, можно использовать O ₂ в качестве компонента кислородного топлива в цементной печи для повышения эффективности и снижения выбросов CO ₂ , или выходящие газы могут использоваться для других процессов с добавленной стоимостью, таких как производство жидкого топлива. Анализ показывает, что если бы водород, произведенный в реакторе, сжигался для нагрева высокотемпературной печи, процесс электрохимического цементирования мог бы работать исключительно за счет возобновляемой электроэнергии.

Как обсуждалось на коллоквиуме Саклера в 2018 г. «Состояние и проблемы науки для декарбонизации нашего энергетического ландшафта» и в других недавних анализах (1⇓⇓ – 4), глубокая декарбонизация сегодняшней энергетической системы потребует решения не только производства энергии (24% глобальных выбросов парниковых газов) и транспорта (14% глобальных выбросов парниковых газов), а также секторов, которые трудно декарбонизировать, таких как крупная промышленность, на которую сегодня приходится около 21% глобальных выбросов парниковых газов (5).Промышленность использует ископаемые виды топлива для обогрева и проведения химических и термохимических реакций, но может стать менее зависимой от ископаемого топлива, если 1) станут доступны электрические альтернативы и 2) стоимость и надежность возобновляемой электроэнергии продолжит расти (6, 7). Распространение очень дешевой возобновляемой электроэнергии уже стимулировало поиск электрохимических методов для обновления промышленных процессов (1, 8, 9). Среди них до сих пор были ограничены электрохимические пути производства цемента; 1 предыдущий пример представляет собой высокотемпературное электрохимическое декарбонирование с использованием расплавов солей, работающих в том же диапазоне температур, что и печи для термической обжига (10, 11).Здесь мы предлагаем и демонстрируем доказательство концепции электрохимического процесса при температуре окружающей среды, который декарбонизирует 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 улавливанию 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 на возобновляемых источниках энергии, преобразует CaCO ₃ в Ca (OH) ₂ для использования в синтезе цемента. В ячейке декарбонизации (рис. 2) используется градиент pH, полученный при электролизе в нейтральной воде, для растворения CaCO ₃ на кислотном аноде и осаждения Ca (OH) ₂ при pH ≥ 12,5. Одновременно на катоде образуется H ₂ , а на аноде — O ₂ / CO ₂ . Эти газовые потоки могут выполнять несколько альтернативных функций в устойчивой производственной системе.CO ₂ может улавливаться непосредственно из изначально сконцентрированного потока (CCS). Электричество или тепло можно вырабатывать из H ₂ и O ₂ через топливные элементы или камеры сгорания. Кислородное топливо O ₂ / CO ₂ можно рециркулировать в печь для более чистого сжигания в цикле спекания цемента. Могут применяться концепции повторного использования и утилизации CO ₂ (CO ₂ U), например, использование в EOR или производстве жидкого топлива.

Портландцемент (12) — наиболее широко производимый искусственный материал в мире, производимый 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 которое сегодня приходится 8% мировых выбросов парниковых газов (14). Около половины выбросов CO ₂ связано с использованием CaCO ₃ (как правило, известняк) в качестве ключевого компонента, а остальная часть приходится в основном на сжигание 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 построек на Земле удвоится; это эквивалентно строительству Нью-Йорка каждые 30 дней в течение следующих 40 лет (17). Поскольку каждый килограмм произведенного цемента выделяет около 1 кг CO ₂ (15), несколько гигатонн CO ₂ в год будут выбрасываться из новой инфраструктуры, что подчеркивает срочность декарбонизации 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 дымовой газ цементных заводов слишком загрязнен для экономичного улавливания углерода с помощью аминовой очистки; использование альтернативных видов топлива (например, изношенных шин) не снижает первичные выбросы CaCO ₃ ; а использование дополнительных материалов в бетоне имеет ограниченное влияние на выбросы углерода из портландцемента и может одновременно ухудшить его физические свойства (14, 19⇓ – 21). В другом семействе подходов используется цемент для улавливания и связывания большего количества CO ₂ с получением обогащенного карбонатом цемента или бетонного продукта (22⇓⇓ – 25).В отличие от вышеупомянутых подходов, мы были мотивированы искать подходы, основанные на электрохимии, которые имеют потенциал для производства наиболее широко распространенных и используемых цементов, тем самым сводя к минимуму риск внедрения, и в то же время используя преимущества появляющейся очень дешевой возобновляемой электроэнергии для уменьшения количества химических веществ. и тепловые 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 ветровое и солнечное электричество, разделение воды и создание топлива, а также хранение химической и электрической энергии.

Наш реактор использует преимущества присущих градиентам pH в электролизной ячейке для декарбонизации CaCO ₃ и 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). Работа, близкая к стехиометрической, когда каждые 2 протона электролитически образуются на кислородно-генерирующих анодных декарбонатах 1 формула CaCO ₃ , продемонстрирована в лабораторных условиях.Мы предлагаем несколько путей, с помощью которых этот реактор электрохимической декарбонизации может быть интегрирован в цементный завод с низким или нулевым выбросом углерода (рис. 1), включая питание от возобновляемой электроэнергии и использование газов, производимых в любой из нескольких альтернативных функций, таких как 1 ) прямой улавливание и связывание изначально сконцентрированного потока CO ₂ , 2) выработка электроэнергии или тепла из H ₂ (и, возможно, O ₂ ) через топливные элементы или камеры сгорания, 3) обеспечение кислородного 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 установки декарбонизации на базе электролизера. Реакции 1 и 2 представляют собой полуэлементные реакции выделения кислорода и выделения водорода соответственно при почти нейтральном pH. Реакция 3 — это образование воды из составляющих ее ионов. Реакции 4 и 5 представляют собой разложение карбоната кальция и выделение CO ₂ ; см. текст для промежуточных шагов.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, а также как химический реактор для преобразования твердого CaCO ₃ в твердый Ca (OH) ₂ , схематически показанный на рис.2 и продемонстрировано экспериментально на рис. 3 и SI Приложение , рис. S2 и S3. Электролизер, работающий с водой, близкой к нейтральной, имеет следующие реакции анодной и катодной полуэлементов: 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 видеороликах S1 и S2. В таком электролизере H ⁺ и OH ^— обычно рекомбинируют с образованием воды: H ++ OH- → h3O.[3] Наш реактор заменяет эту реакцию реакцией декарбонизации. Когда CaCO ₃ добавляется к кислому раствору, образующемуся вблизи анода во время электролиза, происходит химическое декарбонизация по следующей последовательности реакций (26): (K = 6 × 10-9) CaCO3 (s) ⇌Ca ( aq) 2 ++ CO3 (aq) 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 ) отводится 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 ячейке, равна 2CaCO3 (s) + 4h3O (l) → 2Ca (OH) 2 (s) + 2h3 ( г) + O2 (г) + 2CO2 (г). [7] Мы определяем стехиометрическую работу этого реактора как условие, при котором каждые 2 моль протонов, образующихся во время электролиза (уравнение 1 ), превращает 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 стехиометрической операции соотношение производимых газов также определяется формулой. 7 : каждый моль Ca (OH) ₂ дает в результате образование 1 моль H ₂ на катоде и 1 моль O ₂ и 2 моль CO ₂ на аноде.

Рис. 3.

Покадровые изображения декарбонизации H-клеток с использованием платиновых электродов и 1 M NaNO ₃ в деионизированной воде в качестве электролита. Каждая ячейка содержит несколько капель индикаторного красителя pH, цветовая шкала которых указана 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 кислотный раствор на аноде (слева) и щелочной раствор на катоде (справа). Внимательное изучение поперечной трубы показывает расслоение растворов, связанное с конвекцией, обусловленной плотностью. ( F — I ) Камера обезуглероживания, в которой в обеих камерах используются сепараторы пористого волокна для ограничения конвекции, а источник порошка CaCO ₃ находится внутри съемной чашки, что позволяет отслеживать потерю веса.Обратите внимание на отсутствие расслоения. ( Дж ) Ca (OH) ₂ осаждался в поперечной трубке после 12 ч электролиза при высоком напряжении ячейки 9 В для ускорения реакции.

Ранее Рау, наряду с другими (27⇓⇓ – 30), предлагал использовать электролитическое обезуглероживание, работающее от возобновляемых источников энергии, в качестве средства уменьшения 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 образуется 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 объект для уменьшения подкисления. . Здесь вместо использования электролитической декарбонизации для улавливания CO ₂ мы выделяем CO ₂ в виде газообразного продукта, который нужно улавливать и изолировать или использовать в других процессах, и осаждаем Ca (OH) ₂ для использования производство цемента.Обратите внимание, что помимо производства цемента, Ca (OH) ₂ является важным компонентом при производстве сахара-рафинада, целлюлозы и бумаги, карбонатов щелочных металлов, для очистки сточных вод и в качестве флюса при рафинировании стали (31). Обычно Ca (OH) ₂ получают гашением CaO, полученного прокаливанием CaCO ₃ ; Используя наш реактор декарбонизации, Ca (OH) ₂ может быть произведен непосредственно для этих применений, позволяя при этом непосредственно улавливать произведенный CO ₂ .

Для апробации предложенной схемы построена серия лабораторных реакторов с Н-ячейками. На рис. 3 A — E показаны покадровые изображения реактора, собранного с платиновыми электродами и использующего электролит, состоящий из 1 M NaNO ₃ в дистиллированной воде, к которому было добавлено несколько капель универсального индикатора pH. . Цветовая шкала, коррелирующая цвет с pH, показана внизу рисунка. В анодной камере находится порошок CaCO ₃ , и в отличие от ячейки на рис.3 F — J , между камерами не используется пористый сепаратор. Первоначально на рис. 3 A желтый оттенок показывает, что электролит имеет pH ∼6 везде, кроме непосредственно над слоем порошка CaCO ₃ , где фиолетовый оттенок показывает, что частичное растворение карбоната привело к повышению 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 со временем развивается более крутой градиент pH, достигающий более экстремальных значений pH в каждой камере, что согласуется с реакциями полуэлементов (уравнения 1 и 2 ). Однако при внимательном рассмотрении раствора в поперечной трубке видно отчетливое расслоение, с кислым (розовым) раствором вверху и щелочным (пурпурным) раствором внизу, что мы приписываем разнице в плотности между двумя растворами. Фильм S1 показывает развитие градиента pH и слоистых слоев жидкости в этой ячейке с течением времени.В этой конфигурации ячейки Ca (OH) ₂ наблюдалось осаждение по всей длине ячейки, включая непосредственно на катоде из платиновой проволоки, который в конечном итоге пассивируется. Как показано в приложении SI , рис. S1, пассивация приводит к резкому падению тока элемента через несколько часов работы.

Рис. 3 F — I показывает ту же конструкцию ячейки, но с пористым бумажным разделителем, размещенным на пересечении каждой камеры с поперечной трубкой для ограничения конвекции.Кроме того, источник порошка CaCO ₃ в этой ячейке содержится в съемной чашке, так что растворение CaCO ₃ как функция времени можно было измерить путем удаления и взвешивания оставшегося порошка (после сушки). Обратите внимание на отсутствие расслоения; при отсутствии конвективного перемешивания ячейки могут работать> 12 ч без пассивации катода Ca (OH) ₂ ( SI Приложение , рис. S1). В этой ячейке щелочной раствор диффундирует равномерным фронтом через ячейку, и при работе в установившемся режиме pH внутри поперечной трубки достаточно высок, чтобы осаждение Ca (OH) ₂ происходило преимущественно между сепараторами, где он легко выпадает. собраны для анализа.Также обратите внимание, что в этой конфигурации pH вокруг анода намного менее кислый (то есть без розового оттенка), и на самом деле 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 по существу все протоны, образующиеся в реакции выделения кислорода (уравнение 1 ), расходуются в реакции с карбонатным ионом (уравнение 5 ). Мы подтверждаем это независимыми измерениями, которые обсуждаются позже.Кроме того, состав выходящих газов подтвержден газовой хроматографией.

Используя конструкцию ячейки, показанную 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 высыхания с помощью порошковой дифракции рентгеновских лучей (XRD) было подтверждено, что осадок состоит преимущественно из Ca (OH) ₂ с небольшим количеством CaCO ₃ (6%, согласно уточнению 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 воздуха на Ca (OH) ₂ при подготовке образцов для XRD или когда часть растворимого HCO ₃ ^— депротонируется при контакте с OH ^— до реформирование CaCO ₃ . Сканирующая электронная микроскопия (SEM) показывает, что частицы Ca (OH) ₂ кристаллизованы 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, имеющих размеры несколько микрометров (рис. 4 C и D ), но аналогичную морфологию гексагональной призмы. Наконец, существуют выделения с округлой морфологией клубеньков, которые при большем увеличении выявляют кристаллиты субмикронного размера (рис.4 E и F ). Появление 3 различных морфологий преципитатов Ca (OH) ₂ предполагает, что условия зародышеобразования и роста в реакторе сильно различаются. Происхождение этих вариаций — тема будущего исследования. Однако практически все полученные частицы имеют размер менее 90 мкм, типичный для сырьевых смесей при производстве цемента (12). Анализ состава с помощью энергодисперсионного рентгеновского анализа ( SI Приложение , рис. S2) показал отсутствие примесей выше фоновых уровней в Ca (OH) ₂ , за исключением следовых количеств Na, вероятно, возникающих из-за соли Na, используемой в реакторный электролит.Таким образом, настоящий подход, по-видимому, позволяет производить мелкие частицы Ca (OH) ₂ высокой чистоты.

Рис. 4. Порошок

Ca (OH) ₂ , полученный в реакторе декарбонизации. ( A ) порошковая рентгенограмма типичного образца; Уточнение по Ритвельду показывает 94% Ca (OH) ₂ и 6% CaCO ₃ . ( B — F ) СЭМ-изображение показывает Ca (OH) ₂ кристаллитов трех шкал длины. ( B ) Крупнейшие кристаллиты Ca (OH) ₂ имеют размеры в десятки микрометров и характерную морфологию гексагональной призмы.( C ) Агрегаты более мелких кристаллитов Ca (OH) ₂ , показанные при большем увеличении на D , имеют аналогичную морфологию гексагональной призмы, но имеют микрометровые размеры. ( E ) Ca (OH) ₂ с округлой морфологией узелков, которые при большем увеличении ( F ) показывают кристаллиты субмикронного размера.

Была проведена серия экспериментов для определения кулоновской эффективности реактора по сравнению со стехиометрическим пределом.В каждом эксперименте реактор с Н-ячейкой собирали со свежим электролитом, используя 1 М соли NaClO ₄ или NaNO ₃ и такое же исходное количество порошка CaCO ₃ . Реактор работал в потенциостатических условиях (3,5 В) в течение времени от 1 до 14 ч, после чего чашку, содержащую CaCO ₃ , извлекали из реактора, сушили и взвешивали для получения количества CaCO ₃ , потерянного для химическое растворение. Результаты 13 экспериментов представлены на рис.5 как количество молей растворенного CaCO ₃ относительно пройденных кулонов (верхняя абсцисса), полученное интегрированием тока за время эксперимента, и газовый эквивалент H ₂ (нижняя абсцисса), рассчитанный в предположении, что скорость электролиз равен току ячейки (т. е. побочных реакций нет). Красная пунктирная линия на фиг. 5 представляет стехиометрическую реакцию, в которой каждые 2 протона, образующиеся на аноде в реакции с выделением кислорода, протонируют 1 ион карбоната.Планки погрешностей для каждой точки данных соответствуют накопленной ошибке взвешивания, основанной на точности весов. Аппроксимация методом 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 данные за самый долгий период времени (крайние правые точки данных) показывают снижение эффективности, что и в других экспериментах ( SI, приложение , рис.S1) связано с пассивацией катода Ca (OH) ₂ при длительной работе 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 удаления чашки, содержащей CaCO ₃ , из реактора. Мы также попытались напрямую измерить количество Ca (OH) ₂ , полученного в этих экспериментах, но не смогли восстановить весь Ca (OH) ₂ , осажденный в клетках (например,g., со стенок ячеек) или для эффективного удаления всего осадка на бумажном сепараторе. Очевидно, что могут быть спроектированы более совершенные реакторы, в которых имеется больший контроль над конвекцией и химическими градиентами, 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 нынешний КПД близок к термическому КПД обычного прекальцинатора цемента, который декарбонизирует около 90% поступающего CaCO ₃ .

Рис. 5.

Кулоновская эффективность реактора декарбонизации, измеренная по 13 экспериментам, каждый из которых, начиная со свежесобранной H-ячейки типа, показанного на рис. 2. Потеря массы CaCO ₃ из-за растворения отложена в зависимости от общего количества пройденного заряда через систему (верхняя абсцисса) и эквивалентные моли водорода, производимые на катоде (нижняя абсцисса), рассчитанные в предположении, что весь ток идет на электролиз. Красная пунктирная линия представляет 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 предложенного реактора декарбонизации, мы обратили наше внимание на оценку пригодности его твердого продукта Ca (OH) ₂ в качестве предшественника портландцемента. Самым распространенным минералом в портландцементе, составляющим от 50 до 70% по весу, является алит, 3CaO · SiO ₂ . Были приготовлены смеси Ca (OH) ₂ и мелкодисперсного порошка SiO ₂ , а также контрольный образец из покупного порошка CaCO ₃ , смешанного с тем же SiO ₂ , в алитовом молярном соотношении 3: 1. соотношение.Смешанные порошки подвергались термообработке в широком диапазоне температур. На рис. 6 A и B показаны рентгенограммы и СЭМ-изображение смеси Ca (OH) ₂ + SiO ₂ после нагревания до 600 ° C в течение 2 часов на воздухе. В отличие от CaCO ₃ , который не разлагается до 898 ° C (при 1 атм P _CO2 ), Ca (OH) ₂ имеет термодинамическую температуру разложения 512 ° C (при 1 атм P _h3O ) и 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 1500 ° C, типичной температуре цементной печи, и охлаждения путем отключения питания печи смесь прореагировала с образованием низкотемпературной полиморфной модификации алита T1 (ICSD: 4331), как показано рентгеновской дифрактометрией. Схема 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 всего получают в промышленных процессах, полиморф T1, который мы получили в медленно охлаждаемых образцах, считается столь же цементирующим (33–35).Рис. 6 D показывает, что частицы алита, полученные из наших прекурсоров, имеют размер менее 30 мкм, что находится в пределах диапазона, необходимого для коммерческих портландцементов (12). На рис. 6 E и F показаны карты состава кальция и кремния, из которых очевидна однородность состава алита. Фиг.7 A и B показывают рентгенограмму и изображение с помощью сканирующего электронного микроскопа соответствующей смеси CaCO ₃ и SiO ₂ после нагревания до 600 ° C в течение 2 часов 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 часов (рис. 7 E и F ) XRD показывает, что образовалась фаза алита. Однако остается некоторое количество непрореагировавшего CaO, 6% согласно уточнению Ритвельда спектров XRD. СЭМ-изображение на рис.7 F по сравнению с фиг. 6 D показывает, что алиты, производные из Са (ОН) ₂ — и СаСО ₃ , в конечном итоге достигают аналогичных морфологий и размеров частиц. Эти результаты показывают, что электрохимически полученный Ca (OH) ₂ из нашего реактора декарбонизации является подходящим предшественником для синтеза основной гидратирующей фазы силиката кальция в портландцементе. Более того, из-за мелкодисперсной морфологии осадка (по сравнению, например, с измельченным известняком) и его более низкой температуры разложения на> 300 ° C, по-видимому, он имеет улучшенную реакционную способность 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 ) XRD-диаграмма и ( B ) SEM-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 ) XRD-диаграмма показывает однофазный алит, морфология которого показана на SEM-изображении в 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 часов на воздухе рентгенограмма ( A ) и изображение ( B ) SEM 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 смеси порошков CaO и SiO ₂ . После обжига при 1500 ° C в течение 2 часов на воздухе рентгенограмма ( E ) показывает смесь алита с некоторым остаточным CaO. ( F ) СЭМ-изображение этой неполностью прореагировавшей смеси.

Обсуждение

Помимо получения 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 высоким кулоновским КПД) на аноде.Эти газы являются важными компонентами в широком спектре устойчивых технологий, которые в настоящее время используются во всем мире, и открывают несколько возможных синергий между производством цемента и этими технологиями, которые мы сейчас обсуждаем.

Улавливание и связывание углерода (CCS) на уровне цементного завода на сегодняшний день сосредоточено на улавливании CO ₂ после сжигания в сочетании с использованием кислородного сжигания. Поток O ₂ / CO ₂ из нашего реактора декарбонизации может сделать эти процессы более простыми и эффективными.Улавливание после сжигания относится к технологиям улавливания CO ₂ из выхлопных газов печи, таким как кальциевый цикл, очистка амином и мембранная фильтрация (36⇓ – 38). Кислородное топливо, или сжигание с повышенным содержанием кислорода, относится к сжиганию ископаемого топлива (здесь, в первую очередь, угля) с кислородом вместо воздуха (37, 39). Кислородное сжигание в первую очередь приводит к повышению эффективности использования топлива, поскольку азот, содержащийся в воздухе, не должен нагреваться. Во-вторых, отсутствие азота допускает 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 истощение озонового слоя.В-третьих, дымовой газ от сжигания кислородного топлива 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 в промышленном масштабе с использованием обогащения кислородом от 30 до 35% привел к увеличению производства цементных печей на 25-50% (42).Кроме того, кислородное 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). Что касается химической абсорбции с помощью аминов, наиболее технологически зрелый метод улавливания после сжигания для комбинированного потока (37, 38), увеличение концентрации CO ₂ до 60%, как было показано, снижает потребность в тепле, энергии регенерации растворителя и стоимости пара. захвата (49⇓⇓⇓ – 53).Газовый поток из нашей камеры декарбонизации еще выше (67%), что должно сделать очистку амином более эффективной. Однако большим преимуществом может быть возможность полностью избежать дорогостоящих процессов CCS, таких как очистка амином. Поскольку здесь CO ₂ доставляется в высококонцентрированной форме, смешанной только с O ₂ (и некоторыми парами H ₂ O), прямой улавливание с использованием тех же простых процессов сжатия (54, 55), которые сейчас используются для очищенных и концентрированный CO ₂ , может быть использован.

Газообразный водород, производимый на катоде в нашей ячейке декарбонизации, имеет ценность как сырье в основных отраслях промышленности, таких как производство аммиака и удобрений, переработка нефти и газа и перерабатывающая металлургия, и считается ключевым компонентом разработки технологий, которые могут декарбонизировать тяжелую дежурный транспорт, авиация и отопление (56, 57). Объединенные газовые потоки также могут быть использованы в процессах утилизации CO ₂ , которые производят жидкое топливо, такое как те, которые также используют водород и производят спирты.

Водород также может быть возвращен для поддержки цементного процесса (рис. 1). Его можно сжигать напрямую, чтобы обеспечить тепло или электроэнергию обратно на цементный завод, или потоки газа H ₂ и O ₂ / CO ₂ могут обеспечивать топливный элемент, который вырабатывает электричество на месте для питания электрохимической установки. реактор или другие производственные операции, такие как измельчение, перемешивание и транспортировка. При использовании твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) (58), который имеет самый высокий электрический КПД среди всех типов топливных элементов (от 60 до 80%) (59), вредное воздействие CO ₂ на топливные элементы с протонообменной мембраной (60, 61) предотвращается, и типичные рабочие температуры ТОТЭ от 500 до 1000 ° C можно легко поддерживать, используя тепло от цементной печи (которая обычно работает при 1450-1500 ° C).Одновременно кислород будет удален из газового потока O ₂ / CO ₂ , дополнительно очищая CO ₂ и упрощая секвестрацию. Обратите внимание, что эта комбинация электрохимического реактора и ТОТЭ создает регенеративный топливный элемент (62), который имеет способность накапливать энергию, если предусмотрено хранение реагентов, и тем самым может сглаживать прерывистость возобновляемой электроэнергии, используемой для питания цементного завода.

Поток CO ₂ , полученный из ячейки декарбонизации, также может иметь значение в приложениях, которые повышают цикл захвата CO ₂ .CO ₂ уже используется для увеличения нефтеотдачи (EOR) (63, 64) и для производства таких химикатов, как мочевина, салициловая кислота, метанол, карбонаты (65), синтетическое топливо (с помощью процесса Фишера-Тропша) (66) и синтетический природный газ (по реакции Сабатье) (67). Растет интерес к поиску способов электрохимической или фотохимической реакции на CO ₂ для создания химикатов и топлива из захваченного CO ₂ с использованием возобновляемой электроэнергии (68). Например, была продемонстрирована модельная установка, использующая захваченный CO ₂ для производства синтоплива (69).

Мы также рассмотрели возможность использования электрохимического процесса производства цемента исключительно с использованием возобновляемой электроэнергии. Возможно, наименее капиталоемкий способ использования выходных газов из реактора декарбонизации — это сжигание для нагрева цементной печи. Мы проанализировали потоки энергии в этой конфигурации; подробности приведены в приложении SI . Предполагая, что реактор декарбонизации работает с кулоновским КПД 85%, электролизер работает с КПД от 60 до 75% и сгорает образующиеся H ₂ и O ₂ для нагрева печи для спекания с КПД от 60 до 80%, входная электрическая энергия, необходимая для изготовления 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 преимуществ, таких как снижение капитальных и энергетических затрат на измельчение известняка (при условии, что эта функция заменена путем химического растворения). При 80% -ном эффективном сгорании H ₂ и O ₂ , полученных из ячейки декарбонизации, вырабатываемая тепловая энергия немного превышает необходимую для спекания.Если сгорание имеет эффективность только 60%, 90% тепловой энергии, необходимой для спекания, может быть получено из газов электролизера (т. Е. Требуется ~ 0,5 МДж / кг дополнительной энергии). Этот дефицит энергии, а также электроэнергии для поддержки операций может быть восполнен за счет превышения емкости электролизера над стехиометрически необходимой для декарбонизации. Этот анализ предполагает, что процесс электрохимического цементирования с использованием возобновляемых источников энергии не потребует больших объемов дополнительной энергии, если таковая имеется.

Важный связанный с этим вопрос — это, конечно, стоимость процесса, основанного на электрохимии. Учитывая многочисленные возможные конфигурации, описанные выше, полный технико-экономический анализ выходит за рамки данной статьи. Стоимость срока службы и экономическая отдача для всей системы или любого из ее компонентов зависит от капитальных затрат, эффективности и долговечности, а также от стоимости цемента и газообразных побочных продуктов. Многие факторы стоимости в настоящее время неизвестны; например, стоимость срока службы реактора декарбонизации будет зависеть от его конкретной конструкции и характеристик, ни одна из которых еще не была оптимизирована.Поэтому мы ограничиваем наш технико-экономический анализ сравнением стоимости энергии электрохимического процесса с его аналогом, работающим на угле. Расчетное значение от 5,2 до 7,1 МДж / кг цемента для электрохимического процесса действительно превышает энергию, требуемую для обычного цементного процесса в средней обжиговой печи США, которая составляет 4,6 МДж / кг (70). При цене угля 61 доллар за тонну (для битуминозного угля) (71) стоимость энергии для обычного процесса составляет около 28 долларов за тонну цемента, что составляет 25% от средней цены продажи цемента в США, равной 113 долларов за метрическую тонну (13 ).Соответствующие затраты на электрохимический процесс, естественно, зависят от цены на электроэнергию и в некоторых случаях могут быть нулевыми или даже отрицательными, если они получены из возобновляемых источников. Однако при затратах на электроэнергию 0,02, 0,04 и 0,06 доллара за кВт ,ч и при условии, что потребность в энергии для электрохимического процесса составляет 6 МДж / кг, что находится в середине нашего расчетного диапазона, стоимость энергии составляет 35-60 долларов, и 100 долларов за тонну цемента соответственно. Это говорит о том, что при отсутствии других соображений электрохимический процесс будет конкурентоспособным по стоимости с обычными заводами (~ 28 долларов за тонну цемента), если электричество доступно по цене <0 долларов.02 за кВт⋅ч. Обратите внимание, что оптовая стоимость ветровой электроэнергии в настоящее время составляет 0,02 доллара США за кВт orч или немного ниже на большей части 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 связывание углерода, которые для аминовой очистки обычного цементного дымового газа оцениваются примерно в 91 доллар за тонну (50).В смоделированной выше электрохимической последовательности, где электролитический H ₂ сжигается для нагрева печи, стоимость прямого улавливания CO ₂ из потока O ₂ / CO ₂ , показывающего реактор декарбонизации, должна составлять менее 40 долларов. за тонну (50). Это изменит чистые затраты на электроэнергию в пользу электрохимического процесса в среде, где политика требует удаления углерода и где доступна недорогая возобновляемая электроэнергия.

Наконец, следует учитывать водоемкость такого процесса на основе электролизера.На каждый килограмм цемента, изготовленного с использованием предлагаемой камеры обезуглероживания, потребуется 0,4 кг воды; это означает, что средняя обжиговая печь в США, производящая 1800 тонн цемента в день, потребует ~ 760 тонн воды в день. Однако половина этой воды будет извлечена при дегидратации Ca (OH) ₂ . Если 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 переработана.

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 потоки концентрированного газа H ₂ и O ₂ / CO ₂ производятся одновременно.Мелкодисперсный порошок Ca (OH) ₂ используется для синтеза фазово-чистого алита, основной вяжущей фазы в обычном портландцементе. Концентрированные газовые потоки из этого процесса могут использоваться синергетически с другими процессами, находящимися в стадии разработки 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 через топливные элементы или камеры сгорания; O ₂ может использоваться как компонент кислородного топлива для дальнейшего снижения выбросов CO ₂ и NO _x из цементной печи; или выходные газы могут использоваться для синтеза продуктов с добавленной стоимостью, таких как жидкое топливо.Показано, что наши лабораторные прототипы реакторов декарбонизации способны работать с кулоновской эффективностью, близкой к теоретической, когда каждые 2 протона, образующиеся на аноде во время электролиза, растворяют 1 формульную единицу CaCO ₃ . В таких условиях произведенный электролитический водород, если он сгорает, может обеспечить большую часть или всю тепловую энергию, необходимую для высокотемпературного спекания цемента. Эти результаты предлагают путь к рентабельному производству цемента без выбросов, при котором вся энергия вырабатывается из возобновляемых источников.

Материалы и методы

Ячейки декарбонизации.

Специально разработанные H-ячейки были изготовлены James Glass, Inc. Электролитом был 1 M NaClO ₄ или NaNO ₃ (Sigma-Aldrich, ≥98%), растворенный в деионизированной воде. Эти электролиты были выбраны потому, что их соли кальция растворимы и не разлагаются при высоком напряжении. Оба электрода были изготовлены из платины: стержень у катода и проволока у анода (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 основании.Альтернативные недорогие электродные материалы могут включать никель, медь или нержавеющую сталь для катода (pH 12,5) и Al, Sn или Pb для анода (pH 6). Порошок CaCO ₃ (Sigma-Aldrich, ≥99%) добавляли в анодное отделение. Фильтровальная бумага (28310-015, задержка частиц 5 мкм; VWR) использовалась в качестве пористого сепаратора. Потенциостатические эксперименты проводили с использованием потенциостата Bio-Logic Science Instruments VMP3. Все тесты проводились при комнатной температуре.

XRD-анализ.

Рентгенограмм получали с использованием XRPD PANalytical X’Pert PRO с использованием излучения Cu и тета: тета-гониометра с вертикальным кругом с радиусом 240 мм.Конфигурация этого прибора по умолчанию — геометрия Брэгга – Брентано с высокоскоростным позиционно-чувствительным детектором высокого разрешения X’Celerator, использующим столик для образцов Open Eulerian Cradle. Данные XRD анализировали с помощью Highscore, версия 4.7.

SEM Характеристика.

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

BET Характеристика.

Quantachrome Instruments NOVA 4000E (Anton Paar QuantaTech) использовали для выполнения многоточечного БЭТ-анализа удельных площадей 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 суспензии с этанолом, затем сушили. Полученные хорошо перемешанные порошки прессовали в таблетки.Гранулы помещали в платиновые тигли и нагревали со скоростью 2 ° C в минуту до 1500 ° C в муфельной печи (Thermolyne F46120-CM). Температуру поддерживали на уровне 1500 ° C в течение 2 ч, затем окатыши охлаждали в печи путем отключения питания. Рентгеноструктурный анализ подтвердил алитность полученных порошков.

Благодарности

Настоящая публикация основана на работе, финансируемой Сколковским институтом науки и технологий (Сколтех), программой «Центр исследований, образования и инноваций в области электрохимического хранения энергии» по контракту 186-MRA.L.D.E. выражает признательность за поддержку программы стипендий для докторантов Banting, осуществляемой правительством Канады. Мы благодарим Исаака Меткалфа, Натана Корбина, Киндл Уильямс и Картиша Мантирама (Массачусетский технологический институт) за экспериментальную помощь; Мухаммаду Адилу и 24 M Technologies, Inc. за выполнение измерений BET; и Form Energy, Inc. за предоставление доступа к Phenom XL SEM. В этой работе использовались общие экспериментальные установки, частично поддерживаемые Программой центров материаловедения и инженерных центров Национального научного фонда в рамках награды DMR-1419807.

Сноски

• Вклад авторов: L.D.E. и Y.-M.C. спланированное 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 газету.

• 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.

• Эта статья является результатом исследования Артура М.Коллоквиум Саклера Национальной академии наук «Состояние и проблемы декарбонизации нашего энергетического ландшафта» прошел 10–12 октября 2018 г. в Центре Арнольда и Мейбл Бекман Национальной академии наук и инженерии в Ирвине, Калифорния. Коллоквиумы НАН начались в 1991 г. и с 1995 г. публикуются в PNAS. С февраля 2001 г. по май 2019 г. коллоквиумы поддерживались щедрым подарком от Дамы Джиллиан и д-ра Артура М. Саклера Фонда искусств, наук и гуманитарных наук в память мужа дамы Саклер, Артура М.