创新项目现在能无火制造水泥 革命性突破背后的科学原理

水泥行业是最大的二氧化碳排放源之一，占全球人为二氧化碳排放量的 8%，几乎是整个航空业的三倍。 为了减少碳足迹并实现气候中和，航空业正在转向技术创新。通过用电加热取代化石燃料驱动的煅烧，ECem 项目旨在彻底改变水泥生产，减少二氧化碳排放，同时提高效率。

水泥生产中回转窑反应器感应加热的功能示意图：添加所谓的感应器是为了弥补生料导电性差的缺陷。 这些部件在图片中的形状为金属球，它们能有效地将感应传递的能量转化为热量，并均匀地分布在整个容器中。 图片来源：B. Schröder/HZDR

ECem项目正在探索一种前景广阔的解决方案，该项目是一项国际合作项目，包括来自Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)的科学家。 该项目的重点是利用电加热技术为能源密集型的煅烧过程提供动力，旨在大幅减少水泥生产过程中的二氧化碳排放量。

该项目于 2024 年秋季启动，为期三年半。 该项目得到丹麦创新基金的支持，该基金已拨款 2100 万丹麦克朗（约合 290 万美元）。

煅烧是水泥生产的关键步骤。 在这一过程中，石灰石在大型熔炉中被加热到约 1450°C，通过热分解分解成熟料（水泥的主要成分）。 这一反应是水泥行业二氧化碳 排放的主要来源。 大约三分之二的 CO2 直接来自石灰石的化学分解，这一过程被称为脱碳，是不可避免的。 剩下的三分之一则来自达到高温所需的大量能源，通常由燃烧煤或天然气等化石燃料提供。

ECem 项目（未来水泥厂的电煅烧技术）正致力于开发一种更清洁的替代技术。 在丹麦水泥公司 FLSmidth 的领导下，该项目汇集了丹麦技术研究所、奥尔堡大学、欧洲能源公司、Cementos Argos 和 HZDR 等合作伙伴。 他们的目标是用两种不同的电加热技术取代化石燃料加热，使水泥生产更具可持续性。

该项目的丹麦合作伙伴正在开发一种红外线辐射加热系统，而 HZDR 流体动力学研究所的科学家们则在研究一种基于感应加热的电气解决方案。 研究小组首先希望建立一个实验室实验，让感应线圈产生一个高频场来加热容器中的材料。 在稍后阶段，将在进一步的实验装置中对旋转窑进行建模，其关键数据将接近工业条件。 面临的挑战是，石灰石等主要由碳酸钙组成的材料由于导电性差，实际上并不适合感应加热。

为了克服这一障碍，研究小组希望在要加热的原材料中混入所谓的感应元件。 这些元件旨在有效地将电能转化为热能并传递给材料。 一项重要的任务是找到合适的材料，使其能够在高温和恶劣的工业条件下坚固地发挥感热体的作用。 可能的候选材料必须具有较高的熔点，不会与石灰石发生反应，并具有耐磨性。 将可疑物质制成某种形状，例如金属球，这样做的好处是可以将煅烧和研磨过程合并为一个步骤。 对工业流程电气化的投资，除了避免产生二氧化碳外，还能产生更多积极影响，如提高效率或改善产品质量，从而使相关公司在全球市场上获得竞争优势。

"乍一看，这个项目与我们研究所通常处理的流体力学关系不大，"HZDR 磁流体力学部门负责人、工程师 Sven Eckert 博士解释道。"然而，这不仅仅是在反应器中安装一个加热器的问题。 水泥窑通常要处理很多吨的材料，因此在整个窑内形成均匀的温度场非常困难。 如果感应式加热器不能保证足够的热传导，不仅到达表层，而且到达巨大体积的内部，那么它甚至会加剧这一问题。 因此，我们必须从原理上研究工艺，包括优化炉内的对流气流，这必须确保有效的热传输。"

这也是斯文-埃克特周围的研究人员能够运用其专业知识的地方。 在 HZDR，他们还可以使用磁场断层扫描等独特的测量技术，这些技术非常适合监测电气化工业流程。 该团队还希望从欧盟 CITADEL 项目中汲取经验，该项目由 HZDR 负责协调，目前已在进行中。

ECem 项目的目的是在实验室规模上验证该技术。 计划实验中获得的数据将成为计算机模拟和数字双胞胎开发的重要输入，数字双胞胎将绘制包括能量流和质量流在内的整个过程。 在此基础上，科学家们希望弄清实验室实验是否可以扩大到实际的工业条件。 如果答案是肯定的，那么在项目于 2028 年结束后，合作伙伴就可以开始建设一个类似于工业版本的试验工厂。 根据研究结果，该工厂既可以采用感应加热，也可以采用辐射加热（这两种加热方法正在同步开发中），或者将这两种方法结合起来。

编译自/ScitechDaily