A jövő építőiparának egyik forradalmi alapanyaga lehet a hőkezelés nélküli cement, amely új perspektívákat nyithat meg a fenntartható építkezés terén.
Nagy technológiai kihívás az elektromos fűtésre alkalmatlan anyagok szuszcepcióval való felmelegítése
Az ECem projekt célja a cementgyártás forradalmasítása. Ez tényleg meg is történik, ha a fosszilis tüzelőanyagok égetése helyett elektromos fűtéssel érik el a kalcináláshoz szükséges magas hőmérsékletet. Ezzel amellett, hogy jeléentősen csökkenthetnék a CO2-kibocsátást, a hatékonyságot is növelhjetnék. Az eljárást az energetikai kutatásairól ismert tudományos központ, a Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) tudósainak részvételével zajló nemzetközi együttműködés fejlesztette ki. A 2024 őszén elindult projekt három és fél évig tart majd - írja a SciTechDaily beszámolója.
A kalcinálás a cementgyártás egyik kulcsfontosságú lépése. Ebben a mészkövet egy nagy kemencében körülbelül 1450 °C-ra hevítik, és hőbontással klinkerré - a cement fő összetevőjévé - alakítják át. Ez a reakció a cementiparban a CO2-kibocsátás egyik fő forrása. A CO2 körülbelül kétharmada közvetlenül a mészkő kémiai lebontásából származik. Ez a széntelenítésnek nevezett folyamat elkerülhetetlen. A fennmaradó egyharmad a kalcináláshoz elengedhetetlen magas hőmérséklet eléréséhez szükséges energiából származik, amelyet jellemzően fosszilis tüzelőanyagok, például szén vagy gáz elégetésével termelnek meg.
Az ECem projekt (Electric Calciner Technologies for Cement Plants of the Future - Elektromos kalcináló technológiák a jövő cementgyárai számára) egy innovatív és környezetbarát megoldás kidolgozásán fáradozik. Célja, hogy a hagyományos fosszilis tüzelőanyagokra alapozott fűtési rendszereket két különböző elektromos fűtési technológia alkalmazásával helyettesítse, ezzel hozzájárulva a cementgyártás fenntarthatóságának növeléséhez.
Míg a projektben részt vevő dán partnerek – mint például az FLSmidth cementgyártó vállalat, a Dán Technológiai Intézet, az Aalborgi Egyetem, az European Energy és a Cementos Argos – az infravörös sugárzó fűtési rendszerek kifejlesztésén fáradoznak, addig a HZDR áramlástani intézetének kutatói egy innovatív induktív fűtési megoldást dolgoznak ki. A csapat elsődleges célja egy laboratóriumi kísérlet létrehozása, amelyben az indukciós tekercsek nagyfrekvenciás elektromágneses mezőt generálnak, ezzel felmelegítve a tartályban található anyagot. A projekt következő szakaszában egy forgó kemence modelljét kívánják kidolgozni, amely a valós ipari környezethez hasonló kulcsparamétereket figyelembe vesz. Az igazi kihívás abban rejlik, hogy az olyan anyagok, mint a mészkő, amelyek alapvetően kalcium-karbonátból állnak, a gyenge elektromos vezetőképességük miatt nem igazán alkalmasak az indukciós felfűtésre.
A csapat a kihívás leküzdése érdekében szuszcepciós anyagokat kíván bevezetni a felmelegítendő nyersanyagokba. Ezek az anyagok kifejezetten arra lettek kifejlesztve, hogy az elektromos energiát hatékonyan hővé alakítsák, így biztosítva annak átadását az alapanyagoknak. A szuszcepcorok, mint például fémgolyók formájában történő alkalmazása lehetőséget ad arra, hogy a kalcinálás és az őrlés folyamatait egyetlen lépésben végezzük el. Az ipari folyamatok villamosításába történő befektetések nemcsak a CO2-kibocsátás csökkentését célozzák, hanem más előnyökkel is járhatnak, mint például a hatékonyság fokozása és a termékminőség javítása. Ezek a fejlesztések versenyelőnyt biztosíthatnak az érintett vállalatok számára a globális piacon.
Első ránézésre talán meglepő, hogy ennek a projektnek mennyi köze van a folyadékmechanikához, amely a szokásos kutatási területünk az intézetben. Azonban itt nem csupán egy fűtőberendezés telepítéséről van szó egy reaktorban. A cementégető kemencék általában hatalmas mennyiségű anyagot dolgoznak fel, ezért a kihívás abban rejlik, hogy a kemencében egyenletes hőmérsékleti eloszlást érjünk el. Egy induktív fűtőberendezés pedig tovább bonyolíthatja a helyzetet, ha nem biztosít megfelelő hőátadást, amely nemcsak a felszíni rétegeket, hanem a nagy térfogat belső részeit is eléri. Éppen ezért elengedhetetlen, hogy alaposan megvizsgáljuk a folyamat elméleti aspektusait, beleértve a kemencében zajló konvektív gázáramlás optimalizálását, amely kulcsszerepet játszik a hatékony hőszállítás biztosításában – mondja Dr. Sven Eckert, a HZDR mérnöke és a Magnetohidrodinamikai Osztály vezetője.
A kutatók a HZDR-ben olyan egyedülálló mérési technikákhoz is hozzáférnek, mint a mágneses mező tomográfia, amely kiválóan alkalmas a villamosított ipari folyamatok megfigyelésére. A csapat a HZDR által koordinált, már folyamatban lévő CITADEL uniós projektben szerzett tapasztalatokból is hasznot kíván húzni.
Az ECem projekt célja, hogy a technológia laboratóriumi szintű validálását elvégezze. A tudósok azt kívánják megérteni, hogy a laboratóriumi körülmények között végzett kísérletek sikeresen alkalmazhatók-e a valós ipari szektorban is. Amennyiben a kísérletek eredményei kedvezőek, a partnerek a projekt 2028-as befejezését követően megkezdhetik egy ipari változatot előkészítő kísérleti üzem kiépítését. A kutatási eredmények alapján ez az üzem indukciós fűtést, sugárzásos fűtést, vagy akár e két megoldás kombinációját is alkalmazhatja, hiszen mindkét technológia párhuzamos fejlesztés alatt áll.
