Цементная промышленность является одним из крупнейших источников выбросов углекислого газа, на ее долю приходится до восьми процентов глобальных антропогенных выбросов, что почти в три раза больше, чем от мировой авиации. Для снижения этой доли и достижения углеродной нейтральности отрасль делает ставку на технологические инновации.

Международный проект ECem, в котором участвуют ученые из Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), реализует перспективный подход. С помощью технологий электрического нагрева для энергоемкого процесса кальцинации партнеры из научных и промышленных кругов стремятся кардинально сократить выбросы CO2 при производстве цемента. Проект стартовал осенью 2024 года и рассчитан на три с половиной года. Он финансируется Датским инновационным фондом в размере 21 миллиона датских крон (около 2,8 миллиона евро).

Кальцинация – один из важнейших этапов производства цемента. Известняк нагревается примерно до 1450°C в большой печи и превращается в клинкер, основной компонент цемента, путем термического разложения. Этот химический процесс ответственен за значительную долю выбросов CO2, производимых цементной промышленностью в целом. Две трети CO2 образуются при разложении известняка, этот процесс известен как декарбонизация, и поэтому он неизбежен. Оставшаяся треть связана с огромным потреблением энергии, необходимой для достижения высоких температур. Обычно для этого используются ископаемые виды топлива, такие как уголь или газ.

Исследовательский проект ECem (электрические технологии кальцинации для цементных заводов будущего) направлен на решение проблемы, связанной с этим промышленным процессом нагрева. Цель проекта – разработать более экологичную альтернативу. Для этого партнеры проекта, возглавляемые датской цементной компанией FLSmidth, включая Датский технологический институт, Университет Ольборга, компании European Energy и Cementos Argos, а также HZDR, планируют разработать две различные технологии электрического нагрева.

В то время как датские партнеры по проекту работают над созданием системы инфракрасного лучистого отопления, ученые из Института гидродинамики HZDR исследуют электрическое решение, основанное на индукционном нагреве. Сначала команда планирует провести лабораторный эксперимент, в котором индукционные катушки будут генерировать высокочастотное поле для нагрева материала в контейнере. На более позднем этапе во вращающейся печи будет смоделирована установка, параметры которой будут максимально приближены к промышленным условиям. Сложность заключается в том, что такие материалы, как известняк, состоящий в основном из карбоната кальция, фактически непригодны для индукционного нагрева из-за их плохой электропроводности.

Чтобы преодолеть это препятствие, команда планирует добавлять в нагреваемое сырье так называемые сусцепторы. Это компоненты, предназначенные для эффективного преобразования электрической энергии в тепловую и передачи ее материалу. Важной задачей является поиск подходящего материала, который может надежно функционировать в качестве сусцептора при высоких температурах и в суровых промышленных условиях. Потенциальные кандидаты должны иметь высокую температуру плавления, не должны вступать в реакцию с известняком и должны быть устойчивы к истиранию. Формирование сусцепторов, например, в виде металлических шариков, имело бы преимущество, объединив процессы кальцинации и измельчения в один этап. Инвестиции в электрификацию промышленных процессов могут, помимо предотвращения выбросов CO2, иметь и другие положительные эффекты, такие как повышение эффективности или улучшение качества продукции, что дает соответствующим компаниям конкурентное преимущество на мировых рынках.

Свен Эккерт, инженер HZDR и руководитель отдела магнитной гидродинамики, поясняет, что на первый взгляд этот проект имеет мало общего с гидромеханикой, которой обычно занимаются в институте. Однако, по его словам, речь идет не просто об установке нагревателя в реактор. Цементные печи обычно перерабатывают много тонн материала, поэтому сложность заключается в создании однородного температурного поля по всему объему печи. Он отмечает, что индукционный нагреватель может даже усугубить эту проблему, если не будет гарантирован достаточный теплообмен, достигающий не только поверхностных слоев, но и внутренних областей огромного объема. Поэтому необходимо принципиально рассмотреть этот процесс, включая оптимизацию конвективных газовых потоков в печи, которые должны обеспечить эффективный теплообмен.

В этом вопросе исследователи, работающие под руководством Свена Эккерта, могут применить свой опыт. В HZDR у них также есть доступ к уникальным методам измерения, таким как томография магнитного поля, которая идеально подходит для мониторинга электрифицированных промышленных процессов. Команда также планирует использовать опыт, полученный в рамках проекта ЕС CITADEL, который координируется HZDR и уже находится в стадии реализации.

Цель проекта ECem – валидация технологии в лабораторном масштабе. Данные, полученные в ходе запланированных экспериментов, станут важным вкладом для сопутствующего компьютерного моделирования и разработки цифровых двойников, которые будут отображать весь процесс, включая потоки энергии и массы. На этой основе ученые хотят выяснить, можно ли масштабировать лабораторный эксперимент до реальных промышленных условий. Если ответ будет положительным, партнеры смогут приступить к строительству опытной установки, аналогичной промышленной версии, после завершения проекта в 2028 году. В зависимости от результатов исследований, эта установка может включать либо индукционный нагрев, либо лучистый нагрев, которые разрабатываются параллельно, – или, что не исключено, комбинацию обоих решений.