تولید سیمان در مقیاس عظیمی انجام می شود و محصولات جانبی حاصل از آن تأثیر زیادی بر محیط زیست دارند. سیمان برای ساخت پیاده روها، ساختمان ها، پل ها، سدها، لوله ها، جاده ها، کانال ها، زهکشی طوفان و محصولات متعدد دیگر استفاده می شود. سالانه برای هر فرد روی کره زمین تقریباً 1 تن سیمان تولید می شود. [1] تقریباً 5٪ از انتشار کربن جهانی در تولید سیمان تولید می شود.
تولید سیمان به مقادیر زیادی مواد خام و انرژی نیاز دارد. جزء اصلی سیمان کلینکر نام دارد. کلینکر از توده های خاکستر تشکیل شده است که از حرارت دادن سنگ آهک، بوکسیت و ماسه سنگ آهن تا 2770 درجه فارنهایت تشکیل شده است. تولید کلینکر دارای منابع بسیار زیادی است. تولید یک تن کلینکر به انرژی ورودی بین 3000 تا 6000 مگاژول و تقریباً 1.6 تن مواد خام نیاز دارد. [2]
Contents
فرآیند تولید سیمان
فرآیند تولید سیمان در نمودار جریان در شکل 1 نشان داده شده است. فرآیندهایی که نیاز به ورودی انرژی دارند با رنگ زرد و فرآیندهایی که نیاز به گرما دارند با رنگ قرمز مشخص شده اند. آلاینده های منتشر شده در طول تولید ذرات و گازهایی مانند CO 2 ، SO 2 و NO X هستند . ممکن است سرباره خاکستر بادی زغال سنگ یا پوزولان ها با مواد خام مخلوط شوند. افزودن این مواد اختیاری منجر به انتشار کمتر خواهد شد.
تولید سیمان سنتی
گرد و غبار کوره سیمان (CKD) محصول جانبی تولید سیمان است. CKD با استفاده از اقدامات کنترل ذرات مانند فیلتر کردن و تمیز کردن جمع آوری می شود. برای هر تن کلینکر تولید شده، تقریباً 300-400 پوند CKD دفن می شود. برخی از فرآیندهای جایگزین تولید سیمان از CKD برای جداسازی کربن یا بازیافت در جریان ورودی مواد خام استفاده می کنند. [1]
پرتلند در مقابل سیمان مخلوط
در بسیاری از کارخانه های مدرن تولید سیمان، ضایعات حاصل از سایر فرآیندهای صنعتی با مواد خام سیمان ترکیب می شود تا خواص سیمان تغییر کند. این عمل می تواند استفاده از مواد اولیه در تولید سیمان را کاهش دهد.
ترسیب کربن
ترسیب کربن، جذب و ذخیره دائمی و ایمن گاز گلخانه ای CO 2 است . بیشتر تلاش‌ها بر روی ذخیره‌سازی CO2 در اقیانوس‌ها، سازندهای زمین‌شناسی عمیق و زیست‌کره زمینی متمرکز شده‌اند . با این حال، ترسیب کربن را می توان در مقیاس کوچکتر در طول تولید سیمان به دست آورد. هنگامی که CKD با CO 2 ترکیب می شود ، CO 2 تثبیت می شود. مزیت اصلی کربناته معدنی، تشکیل کانی های کربناتی مانند کلسیت (CaCO 3 ) و منیزیت (MgCO 3 ) است، محصولات نهایی که در مقیاس های زمانی زمین شناسی پایدار هستند. [3]
ارزیابی چرخه زندگی
ارزیابی چرخه حیات (LCAs) اثرات زیست محیطی یک محصول یا یک فرآیند را ارزیابی می کند. اکثر LCAها اثرات زیست محیطی را در کل چرخه زندگی (از گهواره تا گور) یک محصول یا فرآیند ارزیابی می کنند.
محدوده
ارزیابی از گهواره تا گور پیچیده است. برای سیمان، ارزیابی از گهواره تا گور به ویژه دشوار است، زیرا سیمان کاربردهای نهایی زیادی دارد و هر استفاده دارای چرخه زندگی منحصر به فرد و اغلب پیچیده ای است. بنابراین، ارزیابی‌هایی که در اینجا بررسی می‌شوند، مطالعات «گهواره به دروازه» هستند. این ارزیابی‌های گهواره به دروازه، تأثیرات تولید سیمان را از فرآیند استخراج مواد خام تا فرآیند بسته‌بندی و حمل و نقل ارزیابی می‌کنند. بنابراین، استفاده نهایی و دفع سیمان در این ارزیابی ها لحاظ نمی شود. [1] [4]
روش شناسی
همه ارزیابی‌های چرخه عمر در هدف ارزیابی تأثیرات یک محصول یا فرآیند بر محیط زیست و شناسایی منابع مورد نیاز برای تولید، استفاده و بازنشستگی آن محصول یا فرآیند مشترک هستند. علی‌رغم این هدف مشترک، روش‌های متعددی برای دستیابی به این هدف مورد استفاده قرار می‌گیرد.
هانتزینگر و همکاران یک گهواره برای دروازه LCA سیمان انجام داد و فرآیندهای سنتی را با فرآیندهای تولید جایگزین مقایسه کرد. LCA از روش زیر استفاده کرد: [1]
- محدوده فرآیند تولید سیمان مورد ارزیابی (مرزهای کنترل) تعیین شد.
- موجودی خروجی ها و ورودی ها تعیین شد.
- داده های اثرات زیست محیطی یافت شده در ادبیات مورد ارزیابی قرار گرفت.
- نتایج تفسیر شد و پیشنهاداتی برای بهبود ارائه شد.
جوزا و همکاران یک تحلیل مقایسه ای از اثرات زیست محیطی ناشی از تولید 16 محصول سیمانی در اتحادیه اروپا انجام داد. روش CML 1992 در گهواره آنها برای ارزیابی دروازه استفاده شد. CML 1992 یک روش مسئله محور است که در انتشاراتی توسط مرکز مطالعات محیطی دانشگاه لیدن شرح داده شده است. مراحل این روش شناسی عبارت بودند از: [4]
- موجودی چرخه عمر (LCI) گردآوری شد. LCI مواد مورد استفاده، آلاینده های منتشر شده و انرژی مصرف شده در طول تولید یک محصول را کمیت می کند.
- ارزیابی تاثیر چرخه عمر (LCIA) برای هر محصول سیمان توسعه داده شد.
- LCIAها مقایسه و تجزیه و تحلیل شدند. [4]
نتایج
جدول 1 آلاینده های منتشر شده از تولید سیمان را نشان می دهد. باز هم، بخشی از چرخه عمر مورد بررسی از استخراج مواد خام تا بسته بندی و حمل و نقل است. نتایج برای 16 محصول سیمانی ارزیابی شده توسط نویسندگان متناقض در نظر گرفته شد. فرض بر این بود که این تناقضات نتیجه تغییر در تعاریف مرز کنترل برای هر محصول است. برای هدف این ویکی، 5 نتیجه سازگارترین محصول به طور میانگین محاسبه شد. این میانگین ها نشان دهنده 5 محصول سیمان نوع I از اتحادیه اروپا (EU) است. [4]
اجزای اصلی ساطع شده از تولید سیمان در جدول 1 نشان داده شده است . مجموع انتشار گازهای گلخانه ای در درجه اول CO 2 است . انتشار گازهای گلخانه ای که به اسیدی شدن کمک می کند در درجه اول از NO X است . انتشارات اوتروفیکاسیون بر حسب واحد گرم از ترکیب فسفاتیک معادل (PO 4 ) در هر کیلوگرم سیمان است. گرد و غبار و مه دود زمستانی واحدهای گرم ذرات معلق در هر کیلوگرم سیمان دارند.
| آلاینده های منتشر شده از گهواره تا دروازه برای 1 کیلوگرم سیمان | |
|---|---|
| CO 2 (گرم بر کیلوگرم سیمان) | 812 |
| SO 2 (گرم بر کیلوگرم سیمان) | 0.63 |
| NO X (گرم/کیلوگرم سیمان) | 2.5 |
| گرد و غبار (g-SPM/kg-سیمان) | 1.5 |
| کل اثر گلخانه ای (گرم بر کیلوگرم سیمان) | 817 ق |
| اسیدی شدن کل (گرم بر کیلوگرم سیمان) | 2.4 ب |
| اوتروفیکاسیون کل (g-PO 4 / کیلوگرم سیمان) | 0.33 c |
| کل دود زمستانی (g-SPM/kg-سیمان) | 2.1 د |
| a شامل کمک های جزئی از CH4، N2O یا HF است. |
| b شامل کمک‌های جزئی HCl و NH3 است. |
| c شامل کمک‌های جزئی NH3، N-tot و COD می‌شود. |
| d شامل کمک های جزئی از دوده می شود. |
نتایج هانتزینگر و همکاران. [1] در جدول 2 نشان داده شده است. جدول 2 نمرات اثرات زیست محیطی را برای چهار محصول سیمانی نشان می دهد. این امتیازات برای مقایسه فناوری های مختلف استفاده می شود. آنها شاخصی از عوامل محیطی تحت تأثیر تولید سیمان هستند. استفاده از پوزولان ها به عنوان جایگزین کلینکر (سیمان مخلوط) امتیاز گلخانه ای را از 088/0 به 069/0 کاهش می دهد. بازیافت گرد و غبار کوره سیمان (CKD) و استفاده از CKD برای جداسازی CO2 هر دو تأثیرات جزئی تری بر نمرات اثرات زیست محیطی داشتند.
| دسته بندی اثرات زیست محیطی | سنتی | مخلوط شده | CKD بازیافت شده | جداسازی CO2 |
|---|---|---|---|---|
| گلخانه | 0.088 | 0.069 | 0.088 | 0.084 |
| اسیدی شدن | 0.03 | 0.034 | 0.043 | 0.043 |
| اوتروفیکاسیون | 0.006 | 0.005 | 0.066 | 0.006 |
| فلزات سنگین | 0.204 | 0.161 | 0.204 | 0.204 |
| مواد سرطان زا | 0.003 | 0.003 | 0.002 | 0.003 |
| مه دود زمستانی | 0.039 | 0.031 | 0.039 | 0.039 |
| دود تابستانی | 0.009 | 0.007 | 0.009 | 0.009 |
| منابع انرژی | 0.05 | 0.04 | 0.05 | 0.05 |
فرصت ها برای ارزیابی چرخه زندگی آینده
این ارزیابی‌های چرخه حیات از گهواره به دروازه ممکن است در مطالعات اضافی مفید باشد. این نتایج را می توان در ارزیابی از گهواره تا گور استفاده نهایی خاص از سیمان، به عنوان مثال، LCA از روسازی های بتنی استفاده کرد. درک تأثیرات سیمان در هر مرحله از چرخه عمر آن برای قرار دادن تولید آتی محصولات سیمانی در چشم انداز جهانی مهم است. این مطالعات از گهواره تا دروازه امیدوار است به ارائه چنین درک کمک کند و ممکن است در تعیین مکانیسم های جدید برای کاهش اثرات زیست محیطی تولید سیمان مفید باشد.
منابع
- ↑پرش به بالا:1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Huntzinger، Deborah N. و Eatmon، Thomas D.، "ارزیابی چرخه عمر تولید سیمان پرتلند: مقایسه فرآیند سنتی با فناوری های جایگزین" Journal of Cleaner Productions 17 (2009) 668-775
- ↑ بوش، مایکل الیاس، و کوهلر، آنت، و هلویگ، استفانی، "مدلی برای ارزیابی چرخه زندگی گهواره به دروازه تولید کلینکر" فناوری علوم محیطی 43 (2009) 7578-7583
- ↑ Huntzinger، Deborah N. "Carbon Dioxide Sequestation in Cement Kiln Dust Through Mineral Carbonation" پایان نامه دانشگاه فناوری میشیگان (2006)
- ↑پرش به بالا:4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 Josa, Alejandro, and Aguadoa, Antonio, and Cardimb, Arnaldo, and Byars, Ewan, (2007) "تحلیل مقایسه ای ارزیابی تاثیر چرخه عمر موجودی های سیمان موجود در اتحادیه اروپا" سیمان و تحقیقات بتن جلد 37 ، شماره 5، 781-788