水泥行業是最大的二氧化碳排放源之一，佔全球人為二氧化碳排放量的 8%，幾乎是整個航空業的三倍。 為了減少碳足跡並實現氣候中和，航空業正在轉向技術創新。透過用電加熱取代化石燃料驅動的煅燒，ECem 專案旨在徹底改變水泥生產，減少二氧化碳排放，同時提高效率。
水泥生產中迴轉窯反應器感應加熱的功能示意圖：新增所謂的感應器是為了彌補生料導電性差的缺陷。 這些部件在圖片中的形狀為金屬球，它們能有效地將感應傳遞的能量轉化為熱量，並均勻地分佈在整個容器中。 圖片來源：B. Schröder/HZDR
ECem專案正在探索一種前景廣闊的解決方案，該專案是一項國際合作專案，包括來自Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)的科學家。 該專案的重點是利用電加熱技術為能源密集型的煅燒過程提供動力，旨在大幅減少水泥生產過程中的二氧化碳排放量。
該專案於 2024 年秋季啟動，為期三年半。 該專案得到丹麥創新基金的支援，該基金已撥款 2100 萬丹麥克朗（約合 290 萬美元）。
煅燒是水泥生產的關鍵步驟。 在這一過程中，石灰石在大型熔爐中被加熱到約 1450°C，透過熱分解分解成熟料（水泥的主要成分）。 這一反應是水泥行業二氧化碳 排放的主要來源。 大約三分之二的 CO2 直接來自石灰石的化學分解，這一過程被稱為脫碳，是不可避免的。 剩下的三分之一則來自達到高溫所需的大量能源，通常由燃燒煤或天然氣等化石燃料提供。
ECem 專案（未來水泥廠的電煅燒技術）正致力於開發一種更清潔的替代技術。 在丹麥水泥公司 FLSmidth 的領導下，該專案彙集了丹麥技術研究所、奧爾堡大學、歐洲能源公司、Cementos Argos 和 HZDR 等合作伙伴。 他們的目標是用兩種不同的電加熱技術取代化石燃料加熱，使水泥生產更具可持續性。
該專案的丹麥合作伙伴正在開發一種紅外線輻射加熱系統，而 HZDR 流體動力學研究所的科學家們則在研究一種基於感應加熱的電氣解決方案。 研究小組首先希望建立一個實驗室實驗，讓感應線圈產生一個高頻場來加熱容器中的材料。 在稍後階段，將在進一步的實驗裝置中對旋轉窯進行建模，其關鍵資料將接近工業條件。 面臨的挑戰是，石灰石等主要由碳酸鈣組成的材料由於導電性差，實際上並不適合感應加熱。
為了克服這一障礙，研究小組希望在要加熱的原材料中混入所謂的感應元件。 這些元件旨在有效地將電能轉化為熱能並傳遞給材料。 一項重要的任務是找到合適的材料，使其能夠在高溫和惡劣的工業條件下堅固地發揮感熱體的作用。 可能的候選材料必須具有較高的熔點，不會與石灰石發生反應，並具有耐磨性。 將可疑物質製成某種形狀，例如金屬球，這樣做的好處是可以將煅燒和研磨過程合併為一個步驟。 對工業流程電氣化的投資，除了避免產生二氧化碳外，還能產生更多積極影響，如提高效率或改善產品質量，從而使相關公司在全球市場上獲得競爭優勢。
"乍一看，這個專案與我們研究所通常處理的流體力學關係不大，"HZDR 磁流體力學部門負責人、工程師 Sven Eckert 博士解釋道。"然而，這不僅僅是在反應器中安裝一個加熱器的問題。 水泥窯通常要處理很多噸的材料，因此在整個窯內形成均勻的溫度場非常困難。 如果感應式加熱器不能保證足夠的熱傳導，不僅到達表層，而且到達巨大體積的內部，那麼它甚至會加劇這一問題。 因此，我們必須從原理上研究工藝，包括最佳化爐內的對流氣流，這必須確保有效的熱傳輸。"
這也是斯文-埃克特周圍的研究人員能夠運用其專業知識的地方。 在 HZDR，他們還可以使用磁場斷層掃描等獨特的測量技術，這些技術非常適合監測電氣化工業流程。 該團隊還希望從歐盟 CITADEL 專案中汲取經驗，該專案由 HZDR 負責協調，目前已在進行中。
ECem 專案的目的是在實驗室規模上驗證該技術。 計劃實驗中獲得的資料將成為計算機模擬和數字雙胞胎開發的重要輸入，數字雙胞胎將繪製包括能量流和質量流在內的整個過程。 在此基礎上，科學家們希望弄清實驗室實驗是否可以擴大到實際的工業條件。 如果答案是肯定的，那麼在專案於 2028 年結束後，合作伙伴就可以開始建設一個類似於工業版本的試驗工廠。 根據研究結果，該工廠既可以採用感應加熱，也可以採用輻射加熱（這兩種加熱方法正在同步開發中），或者將這兩種方法結合起來。
編譯自/ScitechDaily
