Углеродный след производства цемента и как снизить его при выпуске бетона и блоков

Углеродный след производства цемента огромен: по оценке Chatham House (2018), около 8% мировых выбросов углекислого газа приходится на производство цемента. Примерно половина этих выбросов возникает при разложении известняка в печи, около 40% — при сжигании топлива для печи. Снизить их можно, заменив часть клинкера, перейдя на более чистое топливо и энергию, а на производственных площадках — точнее дозируя цемент и сокращая брак.

Это не только экологический вопрос. Для того, кто выпускает блоки, бордюрный камень или тротуарную плитку, цемент обычно самый дорогой расходный материал. Каждый килограмм цемента, без нужды добавленный в смесь или выброшенный вместе с разбитым блоком, — это и деньги, и углерод. Поэтому последняя часть этого руководства посвящена практическим мерам на производстве.

Почему цемент — один из крупнейших источников углерода в мире?

Цемент — это вяжущее вещество бетона, а бетон присутствует повсюду в зданиях и инфраструктуре: фундаменты, перекрытия, дороги, мосты, каналы, стеновые блоки и уличный бордюр. По данным Глобальной ассоциации цемента и бетона (GCCA), бетон — второй по объёму потребления материал на Земле после воды. Когда материал расходуется в таких масштабах, даже умеренный углеродный след каждой тонны в сумме даёт огромную величину.

По оценке Международного энергетического агентства (IEA), мировое производство цемента в последние годы составляло около 4 млрд тонн в год. Большая часть этого объёма потребляется в развивающихся странах, где ещё строят жильё, дороги, водопровод и канализацию. Значит, спрос в ближайшее время не снизится, и решение должно идти через сокращение углерода в каждой тонне цемента и каждом кубометре бетона, а не через отказ от бетона.

Важно понимать: сам по себе бетон не является высокоуглеродным материалом. Основной объём бетона составляет заполнитель — песок и щебень, а его углеродный след невелик. Главная доля углерода в бетоне приходится на цемент, который в него входит; поэтому любое решение, уменьшающее расход цемента на изделие, напрямую снижает углеродный след этого изделия.

Как производят цемент и на каком этапе выделяется углерод?

Производство портландцемента включает несколько основных этапов:

1. Добыча и подготовка сырья: известняк и глину (или аналогичные материалы) добывают, дробят и смешивают в заданной пропорции.
2. Помол и гомогенизация: сырьё измельчают в тонкий порошок, чтобы в печи оно реагировало равномерно.
3. Подогреватель и вращающаяся печь: порошок опускается по башне подогревателя и поступает во вращающуюся печь. Температура в зоне спекания обычно около 1450 °C. На этом этапе известняк разлагается, а материал превращается в твёрдые гранулы — клинкер.
4. Охлаждение клинкера: горячий клинкер быстро охлаждают.
5. Финальный помол: клинкер вместе с небольшим количеством гипса (а в смешанных цементах — и с другими добавками) размалывают, получая цемент.

Углерод выделяется почти на каждом звене этой цепочки, но основная его масса приходится на этап обжига в печи. Именно этот этап отличает цементную отрасль от большинства других.

Основные источники выбросов углекислого газа при производстве цемента

Согласно докладу Chatham House (2018) «Making Concrete Change» и обзору Carbon Brief (2018), выбросы углерода при производстве цемента можно разделить на три основные доли. Приведённые ниже цифры приблизительные, это средние мировые значения, и от завода к заводу они различаются.

1. Кальцинация известняка (около половины выбросов)

Известняк состоит из карбоната кальция. При нагреве в печи он разлагается на оксид кальция (известь) и углекислый газ. Эту реакцию называют кальцинацией. Такой углерод выделяется из самой породы, а не из топлива, то есть даже если печь будет работать на 100% чистом электричестве, он всё равно попадёт в атмосферу. Эта доля — самая трудная часть задачи и главная причина того, что решения в основном нацелены на сокращение клинкера.

2. Топливо для печи (около 40%)

Чтобы разогреть печь примерно до 1450 °C, нужно много тепловой энергии. В зависимости от страны печь топят углём, нефтяным коксом, мазутом или природным газом. Вид топлива и тепловой КПД печи напрямую влияют на эту долю: старые печи и мокрый способ производства расходуют больше энергии, чем современные печи с многоступенчатым подогревателем.

3. Добыча, транспорт и электроэнергия (остаток, около 10%)

Добыча и перевозка сырья и цемента требуют топлива, а мельницы, вентиляторы и ленточные конвейеры потребляют много электроэнергии. Доля этой части меньше, но она зависит от источника электроэнергии в сети.

Как углеродный след производства цемента влияет на климат?

Углекислый газ — важнейший парниковый газ, образующийся в результате деятельности человека, и он долго сохраняется в атмосфере. Цементная отрасль занимает заметное место в климатической повестке потому, что она и крупная, и её выбросы относятся к «трудносокращаемым»: долю кальцинации не убрать сменой топлива. Поэтому дорожные карты, опубликованные IEA и GCCA для этой отрасли, предлагают сочетание нескольких инструментов и не делают ставку на одну технологию.

Есть и менее известный факт: за время службы бетон медленно поглощает часть углекислого газа из воздуха (явление карбонизации). Это поглощение реально, но оно компенсирует лишь часть выбросов от производства и не заменяет их сокращения на этапе выпуска.

Мировые способы снижения углеродного следа цемента и бетона

Снижение доли клинкера в цементе (смешанные цементы)

Самый эффективный и доступный путь — заменить часть клинкера другими материалами: доменным шлаком, золой-уносом ТЭС, природными пуццоланами, известняковой мукой и кальцинированной глиной. Цементы с такими компонентами называют «смешанными»; знакомые примеры — пуццолановый и шлакопортландцемент. Такие цементы обычно медленнее набирают конечную прочность и требуют более тщательного твердения, поэтому перед применением в производстве их нужно проверить на нескольких пробных образцах.

Энергоэффективность и альтернативное топливо

Более эффективные печи, утилизация отходящего тепла и альтернативное топливо (например, промышленные отходы и биомасса) уменьшают топливную долю. Это задача цементных заводов, и производитель бетонных изделий прямого влияния на неё не имеет.

Улавливание и хранение углерода (CCUS)

При этом способе углекислый газ улавливают из дымовой трубы завода и затем хранят или используют. Поскольку долю кальцинации иначе не устранить, эта технология занимает важное место в долгосрочных дорожных картах; однако она пока дорогая и применяется в ограниченном масштабе.

Введение углерода в бетон: CarbonCure

Канадская компания CarbonCure предлагает технологию, при которой небольшое количество уловленного углекислого газа вводят в свежий бетон во время перемешивания. Газ реагирует с компонентами цемента и превращается в мельчайшие частицы карбоната кальция, которые остаются связанными в бетоне. По словам производителя, это позволяет немного сократить расход цемента без потери прочности. Система рассчитана на заводы товарного бетона и сборного железобетона и требует поставок газа и специального оборудования.

Твердение в среде углекислого газа: Solidia

Подход компании Solidia иной: цемент с меньшим содержанием извести обжигают при более низкой температуре, а изделия из него твердеют не в воде, а в камере с углекислым газом. Этот метод в основном предлагают для заводских сборных изделий, таких как блоки и тротуарная плитка, поскольку он требует контролируемой камеры твердения.

Обе технологии интересны, но для небольшого цеха в Иране сегодня они не являются практичным вариантом. Реальная работа цеха лежит в другой плоскости.

Что может сделать владелец производства блоков, бордюров и тротуарной плитки?

Производитель бетонных изделий не управляет печью и топливом цементного завода, но полностью контролирует, сколько цемента уходит в каждый блок и какая доля продукции доходит до заказчика целой. К счастью, большинство мер, сокращающих расход цемента, — это те же меры, которые повышают качество и снижают брак.

1. Сделайте рецептуру смеси весовой и постоянной

На многих производствах цемент засыпают с запасом — «ещё один мешок для надёжности», потому что оператор не уверен в прочности продукции. Этот лишний цемент обычно маскирует недостатки перемешивания, уплотнения или твердения. Лучше иметь чёткую рецептуру, дозировать материалы по весу (а не на глаз) и с помощью нескольких пробных образцов найти минимальное количество цемента, дающее нужную прочность. Весы для дозирования цемента обеспечивают такую точность в каждом замесе. Базовые пропорции и роль каждого материала мы описали в статье о приготовлении смеси для цементных блоков.

2. Контролируйте воду, а не только цемент

Водоцементное отношение — один из главных факторов прочности. В статье о смеси для блоков на сайте Tarahan Machinery для блочной смеси указан диапазон примерно 0,4–0,5. Лишняя вода после высыхания испаряется и оставляет мелкие поры; в итоге блок получается слабее, и у производителя появляется соблазн в следующий раз добавить больше цемента. При контролируемом количестве воды то же количество цемента даёт большую прочность. Пористый заполнитель, например пемзу, перед перемешиванием слегка увлажните, чтобы он не вытягивал воду из смеси.

3. Равномерное перемешивание

Если цемент не обволакивает все зёрна, часть его фактически пропадает впустую, а часть блока остаётся с недостатком цемента. Подходящий смеситель для жёсткой блочной смеси — условие эффективного использования каждого килограмма цемента. Критерии выбора смотрите в руководстве по выбору смесителя для производства блоков.

4. Мощная вибрация и прессование: выше плотность при меньшем расходе цемента

Смесь для производства блоков жёсткая, и её прочность больше всего зависит от уплотнения. Когда станок с достаточной вибрацией и прессованием хорошо сцепляет зёрна между собой, остаётся меньше пустот и для той же прочности нужно меньше цемента. И наоборот, слабый станок или плохо настроенная вибрация вынуждают цех компенсировать недостаток уплотнения цементом. Например, стационарный станок для блоков TM-104, по заявленным характеристикам Tarahan Machinery, развивает гидравлическое давление 120 бар и оснащён двойной вибрацией. Если станок у вас уже есть, правильную настройку смотрите в статье о настройке вибрации блок-формовочного станка, а для сравнения моделей откройте страницу станок для производства блоков.

5. Природный лёгкий заполнитель для ненесущих стен

Пемза — природная вулканическая порода, которую используют как заполнитель без обжига в печи. Блок из пемзы легче и даёт меньшую постоянную нагрузку на каркас здания; в масштабе всего здания это означает более лёгкий каркас и фундамент. Однако пемза чувствительнее к влажности и уплотнению, и при неправильном производстве брак растёт. Правильный порядок работы мы описали в руководстве по производству пемзоблоков.

6. Пенобетон и блоки CLC для неконструкционных работ

В пенобетоне значительную часть объёма занимают пузырьки воздуха, а щебень не используется; поэтому на каждый кубометр расходуется меньше материалов. Пенобетон не заменяет конструкционный бетон, но это лёгкий вариант для создания уклона кровли, устройства пола, теплоизоляционного слоя и заполнения пустот. Машина для пенобетона Tarahan Machinery выпускается в шести моделях от FM 20 до FM 50 производительностью от 20 до 50 м³ за 8-часовую смену и монтируется на пикап Nissan или грузовик. Если вы хотите выпускать лёгкие стеновые блоки в своём цехе, для этого предназначена линия по производству лёгких блоков CLC. Чем пенобетон отличается от обычного бетона и где он применяется, читайте в статье что такое пенобетон.

7. Правильное твердение

Цементу для схватывания и набора прочности нужны влага и время. Если блок быстро высыхает на солнце и ветру, часть цемента так и не вступает в реакцию полностью; то есть вы заплатили за этот цемент, но не получили его прочность. Согласно техническим статьям Tarahan Machinery, твердение с поливом водой обычно занимает около недели, а в пропарочной камере — около суток. Методы и стандарты этого этапа описаны в статье об основах производства цементных блоков.

8. Сведите брак к минимуму: разбитый блок — это выброшенный цемент

Каждый блок, у которого при сборе, складировании или погрузке откалывается край или который ломается, сводит на нет весь цемент, энергию и труд, затраченные на его изготовление. Сокращение брака — пожалуй, самый простой способ снизить углеродный след цеха, ведь оно не требует никаких изменений в материалах. Типичные причины разрушения блоков и способы повысить плотность мы разобрали в статье о том, почему крошатся пемзоблоки.

Сравнение способов снижения углеродного следа: что подходит небольшому цеху?

Трудности декарбонизации цементной отрасли

• Химия кальцинации: пока клинкер производят из известняка, часть углерода неизбежно выделяется.
• Затраты и капиталовложения: такие технологии, как CCUS, дороги, а их окупаемость зависит от государственной политики и цены на углерод.
• Доступность заменителей: шлака и золы-уноса достаточно далеко не везде.
• Стандарты и доверие рынка: строители доверяют привычному цементу и бетону, а смена спецификаций требует времени.
• Качество исполнения: низкоуглеродный цемент в цехе со слабой вибрацией и плохим твердением не даст хорошего результата; качество производства — условие любого решения.

Будущее низкоуглеродного цемента и бетона

Путь, который рисуют международные дорожные карты, — это не волшебная таблетка, а сочетание мер: меньше клинкера в цементе, меньше цемента в бетоне, меньше бетона в конструкции за счёт лучшего проектирования, более чистая энергия и, в итоге, улавливание углерода. Звено «меньше цемента в бетоне» — именно то место, где свой вклад вносит производитель бетонных изделий. Цех, у которого уже сегодня точная рецептура, хорошее уплотнение и мало брака, имеет более низкую себестоимость и лучше готов к любым будущим требованиям рынка.

Часто задаваемые вопросы

Какая доля мировых выбросов углерода приходится на производство цемента?

По оценке Chatham House (2018), около 8% мировых выбросов углекислого газа приходится на производство цемента.

Откуда берётся основная часть углерода при производстве цемента?

Около половины — от разложения известняка в печи (кальцинации) и около 40% — от топлива, которым нагревают печь. Остальное приходится на добычу, транспорт и электроэнергию.

Всегда ли больше цемента в смеси для блоков означает более высокую прочность?

Не обязательно. Если главная проблема — избыток воды, плохое перемешивание, слабая вибрация или неправильное твердение, лишний цемент лишь повышает затраты. Сначала устраните эти причины, а затем подберите минимально необходимое количество цемента по пробным образцам.

Меньше ли углеродный след у пемзобетонных блоков и пенобетона?

Эти материалы лёгкие и дают меньшую постоянную нагрузку на конструкцию. Пемза — природный камень, который используется без обжига в печи. Точное количество углерода зависит от рецептуры смеси и расхода цемента в каждом изделии, поэтому общей цифры здесь не назовёшь.

Можно ли возводить каркас здания из пенобетона?

Нет. Пенобетон применяется для ненесущих слоёв — уклонообразующей стяжки кровли, подготовки пола и теплоизоляции. Колонны, балки, перекрытия и фундаменты выполняются из обычного и армированного бетона.

Можно ли применять CarbonCure и Solidia в малых цехах?

Пока нет. Обе технологии рассчитаны на заводы товарного бетона или сборных изделий со специальным оборудованием. Для малого цеха более быстрый эффект дают контроль рецептуры, уплотнения, твердения и брака.

Итоги

Углеродный след производства цемента реален и велик, а его корни — в химии известняка и энергии печи. Цементные заводы сокращают эту долю за счёт меньшего количества клинкера, лучшего топлива, а в будущем — улавливания углерода. Вклад цеха по производству блоков, бордюрного камня и тротуарной плитки проще и ближе: дозируйте цемент по весу, контролируйте воду, добивайтесь уплотнения на исправном станке, для ненесущих элементов используйте пемзу и пенобетон, обеспечьте правильное твердение и не допускайте боя блоков. Если вам нужна консультация по выбору станка для производства блоков, установки для пенобетона или линии CLC, свяжитесь со специалистами Tarahan Machinery по телефону +98 914 584 1914.