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电化学工艺实现水泥生产节能减排

水泥生产是重要碳排放源。新研发的电化学工艺在约60摄氏度下驱动石灰石与二氧化硅反应,再经约650摄氏度烧结制成贝利特水泥。相比传统1400摄氏度以上高温煅烧,新工艺能耗降低70%,碳排放减少98%,并能利用废水泥粉末作原料。反应副产氢气可作为清洁燃料,助力形成低碳生产闭环。

来源:科技日报

科技日报记者 刘霞

提起碳排放,人们往往先想到汽车尾气或燃煤发电。然而,有一个“沉默”的排放大户常被忽视——水泥。全球约8%的碳排放量都来自它的生产。如今,这一局面有望被一项创新技术打破。

来自加拿大不列颠哥伦比亚大学的研究团队,最近开发出一种全新的电化学水泥制造工艺。与传统高温煅烧方法相比,新工艺的能源需求直降70%,而二氧化碳排放量更是锐减了惊人的98%。这项突破性研究已发表于《ACS能源快报》。

传统水泥生产依赖高温分解石灰石,这个过程能耗巨大且直接释放大量二氧化碳。为了从源头上“瘦身”碳排,研究团队选择了一条不同的路:用电来驱动化学反应。

他们利用电力,促使石灰石与二氧化硅在相对温和的60摄氏度条件下发生反应,生成水泥的前驱体。随后,将反应产物送入温度约为650摄氏度的窑中,最终合成出一种名为“贝利特”的水泥。要知道,富含贝利特的水泥正是浇筑大坝等大型建筑结构时的关键材料。

关键在于温度。传统工艺需要超过1400摄氏度的高温,而新工艺的核心反应步骤和最终烧结温度都显著降低,这使得热能消耗大幅减少了70%,碳排放也随之骤降。

但这还不是全部。为了进一步压低碳足迹,团队尝试用回收的废水泥粉末替代原始的石灰石作为原料,并再次测试了这条电化学路线。结果令人振奋:采用新方法,每生产一吨水泥仅排放约20公斤二氧化碳。相比之下,传统工艺每吨水泥的碳排放量高达800公斤。这意味着,排放量削减了98%。

此外,该工艺还有一个巧妙的“副产品”。电化学反应过程中会产生氢气,这些氢气可以被收集起来,作为清洁燃料为水泥生产的第二阶段供热,从而替代部分甚至全部的化石能源,形成更具可持续性的生产闭环。

这项研究为高碳排的水泥行业描绘了一个截然不同的未来图景。通过转向电化学驱动,并整合废料回收与副产物利用,水泥生产或许能真正走向低碳化。当然,从实验室走向大规模工业化应用,这条路还很长,但无疑,一个重要的方向已经清晰显现。

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