مقاله کامل توليد سيمان و بتن از ديدگاه حفظ منابع طبيعي و محيط زيست

توليد سيمان وبتن از ديدگاه حفظ منابع طبيعي و محيط زيست
چكيده :
كمبود شديد سيمان دركشور تا دوسال پيش سبب گرديد كه كوشش بر ازدياد ميزان توليد متمركز شود ودراين ميان بهكيفيت سيمان ومحيط زيست توجه كافي مبذول نگرديد وخسارات زيادي را بوجود آورد. هم اكنون توليد ساليانه سيمان به ۲۴ ميليون تن رسيده است وبزودي اين ميزان به ۳۲ ميليون تن خواهد رسيد. ميزان توليد فعلي همراه با كند شدن آهنگ ساخت وساز جوابگوي ميزان مصرف كنوني مي باشد وليكن برای توسعه ورشد كشور و نزديك تر شدن به سطح زندگي كشورهای پيشرفته صنعتي لازم است مصرف سرانه سيمان كشور از ساليانه ۴۰۰ كيلوگرم فعلي به ۱۰۰۰ كيلوگرم برسد كه اين رشد نياز به افزايشتوليد دو برابر خواهد داشت .
مطالعات نشان داده است (۱) توليد سيمان پرتلند علاوه بر آنكه مقادير معتنابهي از منابع طبيعي مانند سنك آهك وسوخت های فسيلي وغيره را از بين مي برد بازاء هر تن سيمان توليد شده حدود يك تن گاز دي اكسيد كربن كه يكي از گازهای گلخانه ای آلاينده محيط زيست مي باشد نيز ايجاد مي شود. در قطعنامه سال ۱۹۹۷ Kyoto سازمان ملل، كليه كشورهای جهان متعهد شده اندكه سطح توليد گازهای كلخانه ای درجهان را به شدت كاهش دهند وبه كمتر از ميزان توليد شده در سال ۱۹۹۰ برسانند. باتوجه به اينكه تخمين زده مي شود حدود ۷ درصد از گازCO2 توليد شده درجهان توسط صنعت سيمان باشد لذا لازم است توليد كنندگانسيمان در اين رابطه اقدام جدي صورت دهند.
بنابراين امروزه توليد كنندگان سيمان با مسئله دو گانه ای مواجه اند. از طرفي لازمست ميزان توليد خود را به حدي افزايش دهندتا ساخت وساز كشور به سطح كشورهای پيشرفته
نزديك شود وازطرف ديگر بايد منابع طبيعي را بي رويه هدر ندهند واز آلوده شدنمحيط زيست وايجاد گازهائي كه به شدت موجوديت آينده بشر درسطح كره زمين را تهديد مي كنند جلوگيري نمايند.
مسئله جدي ديگري كه برسرراه صنعت سيمان وبتن قرار دارد آنستكه سيمان پرتلند با آنهمه مشكلات ياد شده توليد مي گرددوليكن درنهايت بتن حاوي آن از دوام كافي برخوردارنبوده و خود باعث تشديد مسائل فوق مي گردد. سيمان های امروزي گو اينكه نسبت به سيمان های پنجاه سال گذشته مقاومتي چندين برابر دارند وليكن اين بهبود در مقاومت همراه با اصلاح مشابهي در دوام بتننبوده است. بنابراين در قرن حاضر بايد سيمانهای با تركيبات تكميل شده توسعه يابند كه بتوانند نه تنها با محيط زيست سازگار باشند بلكه مسائل كمتري دررابطه با دوام بتن ايجاد نمايند .
دراين مقاله پيشنهاداتي برای نيل به اين اهداف ارائه گرديده اند تا باشد كه صنعت سيمان وبتن بتواند از توسعه ای پايداربرخوردارگردند.
كلمات کليدی: سيمان پرتلند – سيمان آميخته – گازهای گلخانه ای– دوده سيليسي – پوزولان طبيعي – سرباره كوره آهن گدازي دانه وآسياب شده (سكادا) – واكنش قليائي سنگدانه ها
١- روشهای كاهش گاز CO2 درصنعت سيمان
امكانات شناخته شده كاهش مقدار گازCO2ايجاد شده درفعاليت های مربوط به توليد سيمان را مي توان به شرح زير برشمرد :
١- ۱ – بكارگرفتن توليدات جانبي صنعتي به عنوان جزيي از مواد خام مخلوط دركوره سيمان
به منظور كاهش روند ايجاد گازCO2به ازاء هر واحد كلينكر توليد شده مي توان از برخي از محصولات صنعتي كه بهصورت جزيي يا كلي كلسينه شده اند و يا از ضايعات حاوي آهك وساير معدني هايي كه مي توانند بخشي از آهك موجود در موادخام برای توليد كلينكر سيمان را جايگزين نمايند استفاده نمود. نمونه ای از اين روش، استفاده موفقيت آميز از خاكستربادي بهعنوان جزيي از مواد خام دركوره سيمان بوده است . ساير محصولات صنعتي جانبي كه مي توانند برای اين منظور بكارگرفته شوند شامل سرباره كوره آهن گدازي، سرباره كوره مس وغيره مي باشند از اين مواد دركشور ژاپن استفاده شده است .
۱-۲- توليد كلينكر با درصد C3S كمتر
با توليد كلينكر حاوي درصدC3S كمتر كه به سنگ آهك كمتري نياز دارد مي توان گازCO2ايجاد شده را كاهش داد.
امتياز ديگر اين كار، كاهش درمصرف سوخت كوره به دليل نياز به دمای كمتر توليد كلينكر مي باشد كه درنهايت منجربه كاهشگازCO2حاصل از سوخت كوره وهمچنين توليد كلينكر با هزينه كمتر مي باشد. استفاده از سيمانهای با C3S كمتر دركاهش توسعه ترك درسازه های بتني نيز كمك مي نمايد كه ميتواند منجر به دوام بيشتر سازه شود. وليكن رويهمرفته ميزان كاهشCO2از اين طريق قابل توجه نمي باشد
۱-۳-اصلاح محصولات سيماني
يكي از روشهای مهم كاهش ايجاد گازCO2 درتوليد سيمان، استفاده از خاكستربادي پوزولانهای طبيعي، سرباره كوره آهنگدازي وساير مواد مشابه برای توليد سيمانهای آميخته مي باشد. تحقيقات گسترده ای درزمينه توليد وكاربرد سيمانهای آميختهصورت گرفته وادامه دارد. امروزه به اين نتيجه رسيده اند كه خواص مهندسي سيمانهای آميخته از بسياري جهات نسبت به سيمان پرتلند معمولي ارجحيت دارد.
سيمانهای آميخته با توام آسياب نمودن كلينكر سيمان پرتلند با برخي مواد جامدي كه دارای خواصهيدروليكي باشند مانند خاك رس كلسينه شده، خاكستر بادي، پوزولان طبيعي وسرباره كوره آهن گدازي دانه وآسباب شده ( سكادا )توليد مي شوند. بسته به كيفيت كلينكر وخاكستربادي، حد مجاز افزايش خاكستر بادي درسيمانهای آميخته ۱۰ تا ۲۵ درصد مي باشد. براساس استانداردهای بين المللي مقدار سكادا درسيمانهای آميخته مي تواند تا ۷۰% باشد. طبق استاندارد ملي ايران ميزانپوزولان طبيعي درسيمان پرتلند پوزولاني تا ۱۵ درصد تعيين گرديده ولي در استاندارد جديدي كه بزودي منتشر خواهد شد تا ۵۰ درصد پوزولان طبيعي مجاز دانسته شده است. بسته به مقدار انرژي الكتريكي يا حرارتي مصرف شده دركارخانجات سيمان، به ازاء هرتن از مواد پوزولاني يا هرگونه مواد ريز دانه و آسياب شده همراه با كلينكر سيمان پرتلند معمولي حدود يك تن گاز خروجيCO2 در توليدسيمان آميخته كاهش مي يابد. درسال ۱۹۹۲ ميلادي حدود ۳۹ ميليون تن خاكستربادي درصنايع سيمان وبتن درسطح جهان مصرف شد كه منجر به همين مقدار كاهش درمقدار گازCO2 آزاد شده به اتمسفر گرديد. تحقيقات نشان داده است (۲) كه خواص سيمانهای آميخته تقريبا كليه الزامات صنايع ساختماني بتني را برآورد مي نمايد. بنابراين افزايش ميزان توليد و كاربرد اين نوعسيمان هم به حفظ محيط زيست كمك مي كند وهم به توسعه پايدار فعاليتهای مربوط به صنعت سيمان منجر خواهد شد. خاكستر بادي عمدتا در نيروگاه‌های حرارتي با سوخت ذغال سنگ ايجاد مي شود، ولي در كشور مابه دليل استفاده از سوختهای نفتيدرنيروگاه‌ها، خاكستربادي توليد نمي گردد. نشان داده شده است (۳) كه مقادير معتنا بهي از پوزولان طبيعي به صورت تراس يا خاك دياتومه در ايران وجود دارند
كه منابع بالقوه ای برای استفاده درصنعت سيمان محسوب مي گردند. از آنجا كه پوزولانهای طبيعي موجود از كيفيت متغيري برخوردارند لازم است با بكارگيري فرآيندهای صنعتي مناسب اين مواد برای مصرف دربتن آماده شوند. برای توليد يك ميليارد تن سيمان آميخته به حدود ۳۵۰ ميليون تن خاكستربادي يا پوزولان طبيعي نياز مي باشد. كه منجر به همين مقدار (۳۵۰ ميليون تن) كاهش گازCO2 درسطح جهان مي گردد . بنابراين افزايش مقدار مصرف پوزولانهای طبيعي و سكادا به منظور توليد سيمان های آميخته بايد بعنوان يكي ازا هداف اساسي درصنعت توليد سيمان درنظرگرفته شود تا توسعهصنعت سيمان بصورت توسعه ای پايدار درقرن بيست ويكم درآيد .
دراين رابطه همكاري نزديك بين شركتهای خدماتي وكارخانجات سيمان به منظور توسعه تجهيزات زيربنايي كافي ومناسب برای گرد آوري ومصرف ضايعات صنعتي به صورت همساز با اكوسيستم عامل مهمي دربهره گيري از مقادير زيادي از محصولاتسيماني آميخته مي باشد.
گسترش تحقيقات در زمينه فعال كننده ها يا برخي از مواد فوق روان كننده برای توسعه مصرف مواد پوزولاني وسرباره كورهآهن گدازي برای توليد سيمانهای آميخته با كيفيت عالي كه نسبت به سيمان پرتلند معمولي ارجحيت دارند ومنجر به كاهشCO2 درسطح جهان مي گردند ضرورتي اجتناب ناپذير مي نمايد.
۱-۴- بالا بردن راندمان مصرف انرژي درصنعت سيمان
رابطه نزديكي بين انرژي مصرف شده برای توليد يك محصول مانند سيمان پرتلند وآلودگي محيط زيست وجود دارد. انرژي مصرف شده در كارخانه سيمان به هردوصورت الكتريكي وحرارتي از سوختهای فسيلي حاوي مقادير زيادي كربن بدست مي آيد. سوختهای مايع حاصل از نفت حاوي حدود ۸۴ درصد
كربن مي باشند و سوختهای گازي حدود ۷۵ درصد كربن دارند.بنابراين با احتراق سوختهای فسيلي به منظور توليد كلينكر دركوره يا در مراحل خشك كردن ويا توليد برق دركارخانه سيمان مقادير زياديدي اكسيد كربن ايجاد خواهد شد. هركوششي به منظور بهبود راندمان انرژي مصرف شده مستقيما به كاهش گازهای آلاينده بويژه دي اكسيد كربن منجر مي گردد وهمزمان باعث بالا رفتن بهره دهي كارخانه مي شود . با تغيير روش توليد سيمان از روش تر به روش خشك وبكارگرفتن تجهيزات مدرن پيش گرم كن، پيش كلسينه كن وسردكننده های جديد راندمان كوره های سيمان به ميزان قابل توجهي افزايش يافته ومصرف انرژي برای توليد هر كيلوگرم سيمان به كمتراز نصف كاهش يافته است .
۱-۵- سوزاندن ضايعات قابل احتراق دركوره سيمان
كوره های سيمان به عنوان يكي از مناسبترين محلها برای سوزاندن ضايعات قابل احتراق به شمار مي آيند و امروزه دركشورهای اروپايي وامريكا به عنوان روشي موثر برای از بين بردن ضايعات صنعتي خطرناك به شمار مي آيند. ساير كشورها نيز به تدريج ازاين روش بهره مي گيرند . با سوزاندن ضايعات صنعتي انرژي آنها با زيافت مي شود واز اين طريق صرفه جويي قابلملاحظه ای درسوختهای فسيلي ايجاد مي گردد. ودرنتيجه كاهش قابل ملاحظه ای درميزان گاز CO2 ايجاد شده بوجود مي آيد.
۱-۶- تعبيه دستگاه‌های بازيافت حرارت تلف شده
امروزه در كوره های مدرن توليد سيمان حدود ۴۰ تا ۵۰ درصد حرارت ايجاد شده همراه گازهای خروجي از دستگاه‌های پيش گرم كن و توسط كلينكر داغ دردستگاه‌های سردكننده كلينكر به خارج راه مي يابد وتلف مي شود. دمای گاز های خروجي ازپيش گرم كن ها بين ۳۰۰ تا ۴۰۰ درجه سانتيگراد ودمای گازهای خروجي از سرد كننده های كلينكر بين ۲۰۰ تا
۳۰۰ درجه سانتيگراد است كه حرارت قابل توجهي بهمراه دارد. علاوه بر اتلاف حرارت فوق مقادير قابل توجهي گاز CO2 دراثرسوخت مواد قابل احتراق ايجاد مي گردد كه بدون آنكه هيچ گونه بهره دهي داشته باشد باعث آلودگي محيط زيست مي شود.
ملاحظه مي شود كه گازهای خروجي از پيش گرم كن ها وسرد كنند ه ها، منابع سوختي را از بين مي برند گازهای كلخانهای زيادي به اتمسفر انتقال مي دهند بدون آنكه هيچ كارمفيدي در كارخانه سيمان صورت گرفته باشد. به منظور جلوگيري از اينضايعات دستگاه‌های بازيافت حرارت تلف شده دركارخانه های سيمان تعبيه مي شوند كه بخشي ازاين حرارت را به منظور توليد الكتريستيه بكار مي برند . درحال حاضر هيچكدام از كارخانه های سيمان ايران از اين دستگاه‌ها بهره نگرفته اند وجای دارد كهمطالعاتي دراين زمينه صورت گيرد.
۱-۷ – بالابردن راندمان وسايط نقليه حمل سيمان
توزيع سيمان از محل توليد به مصرف وهمچنين انتقال مواد مورد نياز مانند مواد سوختي وسنگ گچ به كارخانه نياز به مقاديرزيادي سوخت مايع دارد. مطالعات نشان داده است (۴) كه به ازاء يك ميليون تن سيمان به حدود ۸۰۰۰ تن سوخت مايع برای جابه جايي های يادشده درسال نياز خواهد بود. كه باعث ايجاد ۲۵۰۰۰ تن گازCO2مي گردد . بديهي است با بكارگرفتن سياستهای صحيح حمل ونقل از طريق بالابردن راندمان مصرف انرژي در و وسايط نقليه حمل سيمان و برنامه ريزي بهتر برای توزيع سيمان ميتوان از ميزانCO2ايجاد شده كاست .نشان داده اند كه با بكارگيري اين نوع سياستها ۲۴۰۰ تن گازCO2 ناشي از فعا ليتهای مربوط به حمل ونقل يك ميليون تن سيمان درسال كاهش مي يابد.
۱- ۸- كاربرد انرژي خورشيدي برای كلسينه نمودن سنگ آهك
مطالعات انجام شده دركشور سوئيس (۵) نشان داده است كه مي توان از انرژي خورشيدي درمرحله كلسينه نمودن سنگ آهك ( كه پرمصرف ترين مرحله ازنقطه نظر مصرف انرژي مي باشد) بهره گرفت وليكن با توجه به آنكه انرژي خورشيد فقط درروز وجود دارد وكارخانه های سيمان بطور مستمر در ۲۴ ساعت بايد فعاليت نمايند لذا لازم است دركنار تجهيزات كلسينه كن خورشيدي تجهيزات سوخت معمولي نيز وجود داشته باشد. برآوردهای انجام شده نشان مي دهد كه با بهره گيري از انرژيخورشيدي دريك كارخانه سيمان با ظرفيت ۳۰۰۰ تن در روز كه مي تواند ساليانه ۹۹۰۰۰ تن كلينكر ايجاد كند، ميزان كاهش گازCO2 ايجاد شده به ۵۰۰۰۰ تنCO2 در سال مي رسد. گو اينكه بكارگيري تجهيزات انرژي خورشيدي مستلزم سرمايه گذاري قابل توجه مي باشد اما اين سرمايه گذاريها مي توانند در دراز مدت مستهلك شوند. باتوجه به اينكه تعداد زيادي از كارخانجات سيمان ايران درمناطقي قرار گرفته اند كه ميزان خورشيد ساليانه آنها بسيار زياد است لذا توسعه تحقيقات درزمينه كاربردانرژي خورشيدي درصنعت سيمان ايران بسيارمفيدخواهد بود.
۱-۹- برخوردهای آينده نگرانه و ابتكاري
با توجه به اينكه ميزان گازهای گلخانه ای بويژهCO2درسطح جهان به حد خطرناكي رسيده وباعث تغييرات آب وهوا گرديده كه مي توانند به حيات موجودات زنده شامل انسان صدمات جدي وارد آورند، امروزه تحقيقات دامنه داري توسطدانشمندان و تكنولوژليست ها درشته های مختلف درجهان برای تبديل گا زCO2به محصولات مفيد صورت گرفته وادامه دارد.
توسعه درزمينه بيوآنزيمها وعلوم بيو تكنولوژي مي تواند ابزار مفيدي را برای حل اين معزل و ايجاد توسعه پايدار درصنعت سيمان وبتن درقرن حاضر ايجاد نمايد .
۲- روشهای پيشنهادي برای بهبود دوام بتن
بتن بعنوان مصالح ساختماني پرقدرت وبادوام شناخته شده است .در ۱۷۵ سالي كه از عمرسيمان پرتلند ميگذرد مقاومت آن بهبيش از ده برابر افزايش يافته وامسال دركشور ايران مقاومت فشاري بيش از ۲۰۰۰ كيلوگرم بر سانتيمترمربع اندازه گيري شد،دركشور فرانسه مقاومتهای تا حد ۵۰۰۰ كيلوگرم بر سانتيمترمربع نيز گزارش شده اند. اين جهش درمقاومت همراه با جهشي مشابه در دوام وعمر سرويس دهي بتن نبوده وبسياري از بتن ها، بويژه آنهائيكه با شرايط محيطي شديد، مانند شرايط خليج فارس،مواجه مي شوند،دركمتراز يكسال آثار تخريب درآنها ديده مي شود. درمواردي قبل از آنكه بتن به بهره برداري برسد اجبارا تخريب شده ودوباره سازي شده است .
عليرغم اينكه درچند سال اخير دربرنامه های گسترده سد سازي دركشور بتن بعنوان يكي از مصالح ساختماني عمدهدرنظرگرفته شده ودرچندين سد ازآن در سازه اصلي ويا درسازه های جانبي با حجم گسترده ای مصرف شده است، وليكن بحث دوام بتن وبويژه واكنش زائي سنگدانه ها به ميزان كافي مورد توجه قرار نگرفته ودر برخي از موارد ملاحظات ناصحيح اقتصادي سبب شده است كه از سنگدانه هائي كه وضعيت مشخصي نداشته اند استفاده به عمل آيد. بديهي است بروز واكنش های قليايي سنگدانه‌ها مي تواند خسارات سنگيني را از نقطه نظر از بين بردن منابع طبيعي وآلوده نمودن محيط زيست ايجاد نمايد. مشكل عمده دراين رابطه آنستكه اولا انجام آزمايشهای واكنش زايي سنگدانه ها وقت گير بوده وحداقل يكسال قبل از بهره برداري از هرمعدن
بايدخواص سنگدانه های آن مورد ارزيابي وتائيد قرار گيرند و ثانيا با وجود بيش از شصت آزمايش گوناگون واكنش زائي سنگدانه ها، به جرات مي توان كفت كه هيچكدام از آنها نمي توانند با قاطعيت مشخص نمايند كه سنگدانه ای معين درشرايط بهره برداري خاص از خود واكنش زائي نشان خواهد داد يا خير. با توجه به شرايط فوق اولا لازم است درتفسيرنتايج آزمايشگاهي دقت ويژه ای معمول گردد و ثانيا حتي الامكان از سابقه عملكرد سنگدانه ها در شرايط محيطي مورد نظر بهره گرفته شود.
باتوجه به اينكه تركيبات شيميائي سيمان نقش عمده ای در ايجاد واكنش زائي سنگدانه ها دارد لازم است به اين نكته نيز اشاره شود. در سيمانهای با قليايي زياد احتمال خطر ايجاد واكنش زائي با سنگدانه های سيليسي وكربناتي بسيارزياد است. از طرفي قليائي ها با سولفاتها تركيب مي شوند وتعدادي معدني قليايي سولفاتي بوجود مي آوردند وباتوجه به اينكه اين مواد اكثرا از درجه حلاليتزيادي برخوردارند منبع اصلي يون سولفات برای ايجاد حمله از داخل به بتن بشمار مي آيند. بنابراين چالش كاستن ويا از بين بردن واكنش های قليايي سنگدانه ها تا حد زيادي بعهده توليد كنندگان سيمان قراردارد. تحقيقات اخير نشانگر آن استكه افزودن تركيبات ليتيم به سيمان مي تواند واكنشهای قليايي سيليسي سنگدانه ها در بتن را به تاخير اندازد ويا كاهش دهد. توليدات آزمايشي سيمان حاوي ليتيم دركوره مداربسته نشان داده اند كه ژل واكنش زای كمتري ايجاد مي گردد. در اين رابطه نيز لازم است تحقيقات گسترده ای صورت پذيرد تا از طريق افزايش دوام بتن، از دوباره سازي ها وهد ر رفتن منابع طبيعي وآلودگي محيط زيستجلوگيري بعمل آيد.
نتيجه گيري :

فایل : 12 صفحه

فرمت : Word