eCPI
э л е к т р о н н а я   в е р с и я   ж у р н а л а

Vanessa   Paolo  

Потенциал и перспективы поглощения цементом выбросов углекислого газа

Не­пре­рыв­ное раз­ви­тие стро­и­тель­ной от­рас­ли со­пря­же­но с по­сто­ян­ным рос­том рас­хо­да ма­те­ри­а­лов. Про­из­водст­во порт­ланд­це­мен­та ха­рак­те­ри­зу­ет­ся вы­со­ки­ми уров­ня­ми энер­го­по­треб­ле­ния и вы­бро­сов пар­ни­ко­вых га­зов, и в на­сто­я­щее вре­мя пред­при­ни­ма­ют­ся раз­лич­ные ме­ры по ми­ни­ми­за­ции со­от­вет­ст­ву­ю­ще­го вре­да, на­но­си­мо­го окру­жа­ю­щей сре­де. Меж­ду­на­род­ные со­гла­ше­ния о со­кра­ще­нии вы­бро­сов пар­ни­ко­вых га­зов на­кла­ды­ва­ют опре­де­лен­ные обя­за­тельст­ва на от­расль, в част­нос­ти, пред­при­я­тия долж­ны сни­зить объ­ем вы­бро­сов CO2 на 80% к 2050 го­ду, что, со­глас­но про­гно­зам, од­нов­ре­мен­но бу­дет со­про­вож­дать­ся удво­е­ни­ем объ­емов про­из­водст­ва и воз­рас­та­ни­ем чис­лен­нос­ти на­се­ле­ния в ми­ре до 9 мл­рд. че­ло­век. По­доб­ная эко­но­ми­чес­ки-со­ци­аль­ная ди­на­ми­ка обу­с­лав­ли­ва­ет вы­со­кую по­треб­ность в ин­фра­струк­ту­ре и раз­ви­тии го­ро­дов, что, как следст­вие, при­ве­дет к рез­ко­му скач­ку спро­са на це­мент. На до­лю ми­ро­во­го це­мент­но­го про­из­водст­ва при­хо­дит­ся при­мер­но 2,4% ми­ро­вых вы­бро­сов CO2 про­мыш­лен­ных и энер­ге­ти­чес­ких ис­точ­ни­ков. Это озна­ча­ет, что для ре­а­ли­за­ции пред­пи­сан­но­го со­кра­ще­ния вы­бро­сов не­об­хо­ди­мо кар­ди­наль­ным об­ра­зом из­ме­нить как про­цесс, так и ха­рак­те­рис­ти­ки ма­те­ри­а­ла.
Це­мент­но-бе­тон­ная про­мыш­лен­ность при­ла­га­ет мно­жест­во уси­лий, что­бы най­ти ре­ше­ния не толь­ко по умень­ше­нию вы­бро­сов CO2, но и по раз­ра­бот­ке ма­те­ри­а­лов, ко­то­рые спо­соб­ны улав­ли­вать уг­ле­кис­лый газ из ат­мо­сфе­ры во вре­мя про­из­водст­ва и сро­ка служ­бы. Речь идет о ма­те­ри­а­лах с ну­ле­вым или от­ри­ца­тель­ным вы­бро­сом пар­ни­ко­вых га­зов. Раз­ра­ба­ты­ва­е­мые тех­но­ло­гии охва­ты­ва­ют ши­ро­кий спек­тр пред­ло­же­ний, на­чи­ная с тра­ди­ци­он­ных клин­кер­ных ма­те­ри­а­лов и за­кан­чи­вая аль­тер­на­тив­ны­ми це­мен­та­ми и вя­жу­щи­ми, что и ста­нет глав­ной те­мой об­суж­де­ния в дан­ной статье. На­сто­я­щая статья бы­ла опуб­ли­ко­ва­на в сбор­ни­ке ма­те­ри­а­лов Вто­рой меж­ду­на­род­ной кон­фе­рен­ции по во­про­сам эко­ло­гич­нос­ти бе­то­на (ICCS), ко­то­рая про­шла в Мад­ри­де (Ис­па­ния) в 2016 го­ду.

1/2

Технология послойного синтеза строительных материалов

Не­пре­рыв­ное раз­ви­тие стро­и­тель­ной от­рас­ли со­пря­же­но с по­сто­ян­ным рос­том рас­хо­да ма­те­ри­а­лов. Про­из­водст­во порт­ланд­це­мен­та ха­рак­те­ри­зу­ет­ся вы­со­ки­ми уров­ня­ми энер­го­по­треб­ле­ния и вы­бро­сов пар­ни­ко­вых га­зов, и в на­сто­я­щее вре­мя пред­при­ни­ма­ют­ся раз­лич­ные ме­ры по ми­ни­ми­за­ции со­от­вет­ст­ву­ю­ще­го вре­да, на­но­си­мо­го окру­жа­ю­щей сре­де. Меж­ду­на­род­ные со­гла­ше­ния о со­кра­ще­нии вы­бро­сов пар­ни­ко­вых га­зов на­кла­ды­ва­ют опре­де­лен­ные обя­за­тельст­ва на от­расль, в част­нос­ти, пред­при­я­тия долж­ны сни­зить объ­ем вы­бро­сов CO2 на 80% к 2050 го­ду, что, со­глас­но про­гно­зам, од­нов­ре­мен­но бу­дет со­про­вож­дать­ся удво­е­ни­ем объ­емов про­из­водст­ва и воз­рас­та­ни­ем чис­лен­нос­ти на­се­ле­ния в ми­ре до 9 мл­рд. че­ло­век. По­доб­ная эко­но­ми­чес­ки-со­ци­аль­ная ди­на­ми­ка обу­с­лав­ли­ва­ет вы­со­кую по­треб­ность в ин­фра­струк­ту­ре и раз­ви­тии го­ро­дов, что, как следст­вие, при­ве­дет к рез­ко­му скач­ку спро­са на це­мент. На до­лю ми­ро­во­го це­мент­но­го про­из­водст­ва при­хо­дит­ся при­мер­но 2,4% ми­ро­вых вы­бро­сов CO2 про­мыш­лен­ных и энер­ге­ти­чес­ких ис­точ­ни­ков. Это озна­ча­ет, что для ре­а­ли­за­ции пред­пи­сан­но­го со­кра­ще­ния вы­бро­сов не­об­хо­ди­мо кар­ди­наль­ным об­ра­зом из­ме­нить как про­цесс, так и ха­рак­те­рис­ти­ки ма­те­ри­а­ла.

Це­мент­но-бе­тон­ная про­мыш­лен­ность при­ла­га­ет мно­жест­во уси­лий, что­бы най­ти ре­ше­ния не толь­ко по умень­ше­нию вы­бро­сов CO2, но и по раз­ра­бот­ке ма­те­ри­а­лов, ко­то­рые спо­соб­ны улав­ли­вать уг­ле­кис­лый газ из ат­мо­сфе­ры во вре­мя про­из­водст­ва и сро­ка служ­бы. Речь идет о ма­те­ри­а­лах с ну­ле­вым или от­ри­ца­тель­ным вы­бро­сом пар­ни­ко­вых га­зов. Раз­ра­ба­ты­ва­е­мые тех­но­ло­гии охва­ты­ва­ют ши­ро­кий спек­тр пред­ло­же­ний, на­чи­ная с тра­ди­ци­он­ных клин­кер­ных ма­те­ри­а­лов и за­кан­чи­вая аль­тер­на­тив­ны­ми це­мен­та­ми и вя­жу­щи­ми, что и ста­нет глав­ной те­мой об­суж­де­ния в дан­ной статье.

На­сто­я­щая статья бы­ла опуб­ли­ко­ва­на в сбор­ни­ке ма­те­ри­а­лов Вто­рой меж­ду­на­род­ной кон­фе­рен­ции по во­про­сам эко­ло­гич­нос­ти бе­то­на (ICCS), ко­то­рая про­шла в Мад­ри­де (Ис­па­ния) в 2016 го­ду.


diagramm
Рис. 1: Типы цементов, выпускаемые корпорацией Holcim в период 1995–2009 гг. [8]

Подробнее


Сокращение выбросов CO2

Ве­дут­ся об­шир­ные ис­сле­до­ва­ния по со­кра­ще­нию до­ли клин­ке­ра в це­мен­тах пу­тем за­ме­ще­ния его ак­тив­ны­ми ми­не­раль­ны­ми до­бав­ка­ми (АМД), ис­поль­зо­ва­ния аль­тер­на­тив­ных ис­точ­ни­ков энер­гии (при­ме­не­ние элек­тро­э­нер­гии су­щест­вен­но со­кра­ща­ет вы­бро­сы CO2) и по­вы­ше­ния энер­ге­ти­чес­кой эф­фек­тив­нос­ти теп­ло­во­го про­цес­са, ха­рак­тер­но­го для це­мент­но­го про­из­водст­ва. Бо­лее то­го, вы­со­коп­роч­ный бе­тон по­зво­ля­ет сни­зить вес бе­тон­ных эле­мен­тов, что, в со­че­та­нии с бе­то­на­ми с низ­ким со­дер­жа­ни­ем це­мен­та и во­ды, ве­дет к со­кра­ще­нию по­треб­ле­ния це­мен­та и, как следст­вие, умень­ше­нию вы­бро­сов пар­ни­ко­вых га­зов [4].

Од­на­ко эти уси­лия по­мо­гут со­кра­тить объ­емы вы­бро­сов к 2050 го­ду лишь на 20% (око­ло 540 - 590 кг CO2/т це­мен­та по срав­не­нию с 730 кг CO2/т це­мен­та в 2009) [5]. В ка­чест­ве дру­го­го под­хо­да к ре­ше­нию про­бле­мы пред­ла­га­ет­ся ис­поль­зо­вать це­мен­ты, ко­то­рые в про­цес­се про­из­водст­ва вы­сво­бож­да­ют мень­ше CO2, чем ПЦ. Од­на­ко эф­фек­тив­ность и этой ме­то­ди­ки не­до­ста­точ­на, что­бы до­бить­ся це­ле­вых по­ка­за­те­лей по со­кра­ще­нию вред­ных вы­бро­сов в ат­мо­сфе­ру [6].

Хо­ро­шей аль­тер­на­ти­вой вы­сту­па­ет ис­поль­зо­ва­ние топ­ли­ва с кис­ло­род­ным вос­ста­нов­ле­ни­ем, по­сколь­ку это по­зво­лит от­ка­зать­ся от про­цес­са се­па­ра­ции га­за, ли­бо тер­мо­ядер­ной плаз­мы с при­ме­не­ни­ем не­иско­па­е­мых ис­точ­ни­ков элек­тро­э­нер­гии и па­рал­лель­ной об­ра­бот­кой CO2 для про­из­водст­ва ба­зо­вой хи­ми­чес­кой про­дук­ции [7].

В све­те все­об­щих уси­лий по сни­же­нию вы­бро­сов уг­ле­кис­ло­го га­за за счет умень­ше­ния до­ли клин­ке­ра в по­след­ние де­ся­ти­ле­тия вы­рос­ли объ­емы по­треб­ле­ния АМД, ко­то­рые на­шли от­ра­же­ние как в нор­ма­тив­ной ба­зе, так и в об­щест­вен­ном при­зна­нии. Про­цесс оп­ти­ми­за­ции со­ста­ва вя­жу­щих ве­ществ не толь­ко ра­ди улуч­ше­ния экс­плу­а­та­ци­он­ных ха­рак­те­рис­тик и проч­нос­ти, но и с целью ми­ни­ми­за­ции вы­бро­сов да­ле­ко не за­вер­шен. Бо­лее то­го, ис­поль­зо­ва­ние ПЦ с вы­со­кой до­лей за­ме­ще­ния АМД или мно­го­ком­по­нент­ных це­мен­тов так­же ве­дет к со­кра­ще­нию рас­хо­да клин­ке­ра. Про­пор­ции клин­ке­ра и АМД за­ви­сят от ре­гио­наль­ной до­ступ­нос­ти ма­те­ри­а­лов, нор­ма­тив­ных пред­пи­са­ний и рын­ка и пре­тер­пе­ва­ют по­сто­ян­ные из­ме­не­ния. В сред­нем в ми­ре ко­эф­фи­ци­ент ис­поль­зо­ва­ния клин­ке­ра (CF – про­пор­ция клин­ке­ра в це­мен­те) со­став­лял 0,77 в 2010 го­ду, и со­глас­но До­рож­ной кар­те це­мент­ных тех­но­ло­гий 2009, в дол­гос­роч­ной пер­спек­ти­ве этот по­ка­за­тель умень­шит­ся до 0,71 [8]. С каж­дым го­дом до­ля АМД в це­мен­те рас­тет, как это вид­но из Рис. 1.


Про­во­дят­ся ак­тив­ные ис­сле­до­ва­ния с целью со­зда­ния аль­тер­на­тив­ных це­мен­тов на за­ме­ну ПЦ. Гео­по­ли­ме­ры тре­бу­ют ак­ти­ва­ци­он­но­го аген­та, ко­то­рый вы­зы­ва­ет их твер­де­ние в вы­со­ко­ще­лоч­ной сре­де. Их мож­но по­лу­чать из на­ту­раль­ных ис­точ­ни­ков или от­хо­дов (напр., ка­о­лин или зо­ла-унос, со­от­вет­ст­вен­но). Свойст­ва, экс­плу­а­та­ци­он­ные по­ка­за­те­ли и дол­го­веч­нос­ти ко­неч­но­го про­дук­та опре­де­ля­ют­ся сетью аморф­ных не­ор­га­ни­чес­ких алю­мо­си­ли­ка­тов, ко­то­рые об­ра­зу­ют­ся в хо­де ре­ак­ций по­ли­кон­ден­са­ции [8]. Од­ним из ос­нов­ных гео­по­ли­ме­ров яв­ля­ет­ся из­мель­чен­ный гра­ну­ли­ро­ван­ный до­мен­ный шлак (GBFS), вы­бро­сы CO2 ко­то­ро­го за­ви­сят от его ис­точ­ни­ка. Его до­ступ­ность огра­ни­че­на про­из­водст­вом же­ле­за, в си­лу че­го не­из­бе­жен риск пе­ре­бо­ев со снаб­же­ни­ем этим ма­те­ри­а­лом [6]. По дан­ным Damineli и др. [9], об­щая до­ля GBFS со­став­ля­ет по­ряд­ка 13% ми­ро­во­го це­мент­но­го про­из­водст­ва. Для ис­поль­зо­ва­ния GBFS не­об­хо­дим ак­ти­ва­тор гид­ра­та­ции (это мо­жет быть CH-, CS- или силь­ные ще­ло­чи) [2].

Це­мен­ты на ос­но­ве суль­фо­алю­ми­на­та каль­ция (CSA), со­сто­я­щие из ком­плек­са Клей­на, бе­ли­та, фер­ри­та и гип­са в раз­лич­ных про­пор­ци­ях, твер­де­ют и на­би­ра­ют проч­ность пу­тем об­ра­зо­ва­ния эт­трин­ги­та и фаз C-S-H (гид­ро­си­ли­ка­тов каль­ция, отве­ча­ю­щих за проч­ность в за­твер­дев­шем со­сто­я­нии). Вы­бро­сы CO2 в этом слу­чае при­мер­но на 20 - 30% ни­же, чем в слу­чае с клин­ке­ром ПЦ, по­сколь­ку тем­пе­ра­ту­ра спе­ка­ния на 100-1500C ни­же тем­пе­ра­ту­ры, не­об­хо­ди­мой для по­лу­че­ния клин­ке­ра ПЦ. Глав­ным пре­иму­щест­вом та­ких це­мен­тов яв­ля­ет­ся воз­мож­ность их из­го­тов­ле­ния на тра­ди­ци­он­ных це­мент­ных за­во­дах из бо­га­тых алю­ми­ни­ем глин или уголь­ной пы­ли в ка­чест­ве глав­но­го ис­точ­ни­ка алю­ми­ния и вы­со­ко­сер­нис­то­го топ­ли­ва в ка­чест­ве ис­точ­ни­ка се­ры для клин­ке­ра, ко­то­рый так­же мо­жет быть сме­шан с пуц­цо­ла­на­ми [4]. Не­смот­ря на это, алю­ми­ний и се­ра не вез­де на­хо­дят­ся в ши­ро­кой до­ступ­нос­ти, а огра­ни­чен­ные ис­точ­ни­ки так­же на­ла­га­ют ли­ми­ты на про­из­водст­во це­мен­тов CSA, не по­зво­ляя им пол­ностью вы­тес­нить ПЦ [8].


Применение CO2

Улав­ли­ва­ние и хра­не­ние (CCS) – это аль­тер­на­тив­ный ме­тод даль­ней­ше­го со­кра­ще­ния вы­бро­сов для до­сти­же­ния за­яв­лен­ных по­ка­за­те­лей к 2050 го­ду. В на­сто­я­щее вре­мя ис­сле­ду­ет­ся не­сколь­ко тех­но­ло­гий эф­фек­тив­но­го улав­ли­ва­ния уг­ле­кис­ло­го га­за на це­мент­ных за­во­дах, вклю­чая, сре­ди про­че­го, ами­но­вую очист­ку, об­ра­зо­ва­ние каль­ци­е­во­го цик­ла, пол­ное кис­ло­род­но-топ­лив­ное сжи­га­ние, час­тич­ное кис­ло­род­но-топ­лив­ное сжи­га­ние и пря­мое улав­ли­ва­ние [5].

Наибо­лее под­хо­дя­щей тех­но­ло­ги­ей для до­ос­на­ще­ния це­мент­ных за­во­дов яв­ля­ет­ся улав­ли­ва­ние CO2 из про­дук­тов сжи­га­ния, по­сколь­ку этот ме­тод не тре­бу­ет серь­ез­ной мо­ди­фи­ка­ции про­цес­са об­жи­га в пе­чах. Эту тех­но­ло­гию мож­но ре­а­ли­зо­вать не­сколь­ки­ми спо­со­ба­ми, на­при­мер пу­тем ами­но­вой, ка­ли­е­вой и пр. хи­ми­чес­кой аб­сорб­ции. По дан­ным Меж­ду­на­род­но­го энер­ге­ти­чес­ко­го агент­ст­ва (IEA) [10], ме­то­ди­ка улав­ли­ва­ния га­зов из про­дук­тов сжи­га­ния спо­соб­на нейтра­ли­зо­вать до 77% от­ра­бо­тав­ше­го CO2 на це­мент­ных пред­при­я­ти­ях. Од­на­ко под­чер­ки­ва­ет­ся, что се­бес­то­и­мость стро­и­тельст­ва но­во­го це­мент­но­го за­во­да по этой тех­но­ло­гии в два ра­за пре­вы­ша­ет сто­и­мость стро­и­тельст­ва обыч­но­го за­во­да, не го­во­ря уже о до­пол­ни­тель­ных за­тра­тах энер­гии для улав­ли­ва­ния, об­ра­бот­ки и хра­не­ния CO2 во вре­мя про­цес­са.

Дру­гой бо­лее вы­год­ной воз­мож­ностью яв­ля­ет­ся сжи­га­ние топ­ли­ва в кис­ло­род­ной (а не воз­душ­ной) сре­де в пе­чах, в ре­зуль­та­те че­го на вы­хо­де об­ра­зу­ет­ся чи­с­тый CO2. Од­на­ко из­ме­не­ние усло­вий внут­ри пе­чи мо­гут вы­звать из­ме­не­ние свойств клин­ке­ра, что по­тре­бу­ет даль­ней­ших про­ве­рок и кон­тро­ля. Эта тех­но­ло­гия при­ве­дет к удо­ро­жа­нию стро­и­тельст­ва но­во­го за­во­да на 25% и по­вы­ше­нию экс­плу­а­та­ци­он­ных из­дер­жек на про­тя­же­нии сро­ка служ­бы так­же на 25%, од­на­ко ее не­льзя ис­поль­зо­вать для до­обо­ру­до­ва­ния су­щест­ву­ю­щих це­мент­ных за­во­дов и до­пус­ка­ет­ся при­ме­нять толь­ко на но­вых про­из­водст­вах [10].

Так­же ве­дет­ся раз­ра­бот­ка мем­бран и твер­дых по­гло­ща­ю­щих ма­те­ри­а­лов для улав­ли­ва­ния уг­ле­кис­ло­го га­за на це­мент­ных за­во­дах, на­при­мер каль­ци­е­вый цикл, ко­то­рый пре­дус­мат­ри­ва­ет улав­ли­ва­ние CO2 из от­ра­бо­тав­ших га­зов при по­мо­щи твер­дых сор­бен­тов на ба­зе CaO. В ос­но­ве это­го про­цес­са ле­жит ре­вер­сив­ность ре­ак­ции меж­ду CO2 и CaO с об­ра­зо­ва­ни­ем кар­бо­на­та каль­ция CaCO3, что при­во­дит к фор­ми­ро­ва­нию кон­цент­ри­ро­ван­но­го по­то­ка CO2, при­год­но­го для хра­не­ния [11]. По дан­ным Dean и др. [11], CaO, по­лу­ча­е­мый (глав­ным об­ра­зом) в хо­де про­цес­са про­дув­ки (с час­ти­ца­ми зо­лы и суль­фа­та каль­ция), мог бы за­ме­нить кар­бо­нат каль­ция в це­мен­те, в то вре­мя как об­ра­зу­ю­ща­я­ся зо­ла мог­ла по­слу­жить до­пол­ни­тель­ным ис­точ­ни­ком алю­мо­си­ли­ка­тов, не­об­хо­ди­мых для син­те­за це­мен­та (обыч­но они по­сту­па­ют из гли­ны или до­ба­вок).

Улав­ли­ва­ние уг­ле­кис­ло­го га­за в це­мент­ной про­мыш­лен­нос­ти со­пря­же­но с боль­ши­ми слож­нос­тя­ми не толь­ко с тех­ни­чес­кой точ­ки зре­ния, но и по эко­но­ми­чес­ким со­о­бра­же­ни­ям: се­год­ня сто­и­мость толь­ко улав­ли­ва­ния CO2 оце­ни­ва­ет­ся на уров­не 20-50 €/т без уче­та рас­хо­дов на транс­пор­ти­ров­ку, хра­не­ние и до­ос­на­ще­ние це­мент­но­го за­во­да [8].