Кратко и по существу — разбор химии, энергетики и путей сокращения CO2 при производстве цемента $обжигизвестняка/производствоклинкера$.

1) Основная химия $стехиометрия$

Ключевая реакция кальцинации:
CaCO3 $известняк$ → CaO $обжёг$ + CO2
Мол. масса CaCO3 ≈ 100.09 г·моль⁻¹, CO2 ≈ 44.01 г·моль⁻¹ → при разложении 1 моля CaCO3 выделяется 44.01/100.09 ≈ 0.44 по массе $т.е.\approx 0.44тCO2на1тCaCO3$.В клинкере типичное содержание CaO ≈ 0.60–0.70 $примерно65$. Для 1 т клинкера:
масса CaO ≈ 0.65 т → необходимая масса CaCO3 ≈ 0.65 · $100.09/56.08$ ≈ 1.16 т CaCO3 → CO2 от кальцинации ≈ 1.16·0.44 ≈ 0.51 т CO2/т клинкера.
$Итого:процессные/стехиометрическиевыбросы\approx 0.50–0.55тCO2/тклинкера.$

2) Теплотворность и энергетические затраты

Энтальпия разложения CaCO3: ΔH° ≈ +178 kJ·mol⁻¹ → ≈1.78 GJ на 1 т CaCO3. Для 1 т клинкера $\approx 1.16тCaCO3$ теоретическая энергия кальцинации ≈ 2.06 GJ.Практическая потребность тепла $сучётомнагревасырьядо1450°C,потерь,теплоёмкостиматериалов$ обычно ≈ 3.0–4.5 GJ/т клинкера. Современные лучшие заводы ≈ 3.0–3.4 GJ/т; старые — до 5 GJ/т.Электроэнергия: на производство цемента $измельчениесырья,мельницыклинкера,вентиляторы,дробилкиит.д.$ ≈ 60–130 kWh/т цемента $впересчётенаклинкерчутьбольше$. Среднее по миру ≈ 80–110 kWh/т цемента.

3) Бюджет выбросов CO2 $типичныеоценки$

Процессные $стехиометрические$ выбросы от кальцинации: ≈ 0.50–0.55 т CO2/т клинкера $\approx 50–60$.Выбросы от сжигания топлива $уголь,газ,мазут,ТБО,биомасса$: зависят от удельного энергопотребления и типа топлива. Пример: при теплопотреблении 3.4 GJ/т клинкера и эмиссионном факторе для угля ≈ 94 kg CO2/GJ → ≈0.32 т CO2/т клинкера. Для газа — ≈0.19 tCO2/т $притомжетеплопотреблении$.Электрические выбросы $включаясетевуюэлектроэнергию$: обычно ≈ 0.02–0.05 т CO2/т клинкера $зависитотэнергокарьбоновойинтенсивностисети$.Итого типичные полные выбросы клинкера: ≈ 0.8–1.0 т CO2/т клинкера $всреднем\approx 0.85–0.9$.Для цемента: умножить на фактор клинкера $clinkerfactor$. При clinker factor = 0.7–0.8: эмиссии цемента ≈ 0.6–0.8 т CO2/т цемента. Глобальное среднее ≈ 0.7 т CO2/т цемента $вариациипорегионамитехнологиивелики$.

4) Пути сокращения CO2 и их потенциал $краткосоценкойэффективностииограничений$

A. Снижение фактора клинкера $заменаклинкераминеральнымидобавками$

SCM $flyash,гранулированныйдоменныйшлак—GGBS,микрокремнезём,кальцинированнаяглина—calcinedclay,т.н.LC3$: может снизить долю клинкера в цементе на 20–50% в зависимости от доступности и стандартов.Потенциал сокращения: прямо пропорционален уменьшению клинкера; при замене 30 % — снижение ≈ 20–25 % от эмиссий цемента.Ограничения: доступность SCM, стандарты качества, длина схватывания, долговечность.

B. Энергоэффективность и технологические улучшения

Современные печи $предварительныйнагревательикалцинирующаяпечь,оптимизациятеплообмена$, рекуперация тепла, оптимизация сырьевого помола.Потенциал: 10–20 % сокращения теплового потребления $=сокращениетопливаиCO2$.Низкие капзатраты по сравнению с CCS; быстрый эффект.

C. Замена и декарбонизация топлива

Частичная замена угля/мазута побочными топливами, биомассой, РТВ $твердыекоммунальныеипромышленныеотходы$.Потенциал: при больших долях биомассы $учтённойкакбиогенноеCO2$ — существенное сокращение выбросов топливной составляющей $до30–50$, но биомасса должна быть устойчивой и сертифицированной.Ограничения: логистика, подготовка топлива, влияние на процесс и качество клинкера.

D. Электрификация нагрева / использование низкоуглеродной электроэнергии

Прямое электрическое нагревание или индукционные/электрические печи, при условии доступности возобновимой электроэнергии.Потенциал: снижается доля сжигания ископаемого топлива; однако процессная $стехиометрическая$ эмиссия от кальцинации остаётся.Ограничения: мощные электрические установки и доступ дешевой «зелёной» электроэнергии; технологии ещё в развитии.

E. Улавливание и хранение CO2 $CCS$

Технологии post-combustion, oxyfuel, pre-combustion; интеграция улавливания с тепловыми цепями.Потенциал: теоретически позволяют улавливать до ≈90 % суммарных выбросов $ипочтиполностьюустранитьстехиометрические+топливныеприoxyfuel+хранении$.Ограничения: высокая стоимость $CAPEX/OPEX$, инфраструктура для транспортировки и хранения, энергоёмкость самого процесса улавливания $увеличиваетпотреблениеэнергии$.

F. Новые цементные составы и технологии $альтернативныеклинкеры$

Белитный цемент, кальцийсульфоалюминатные цементы $CSA$, геополимеры, минерализующие цементы.Потенциал: сильное сокращение CO2 $до30–70$, особенно у CSA и у геополимеров.Ограничения: сырьевые ограничения, стандартизация, долгосрочная прочность и масштабирование.

G. Улавливание CO2 в продукции и карбонизация бетона

Бэтон поглощает CO2 в процессе твердения и эксплуатации $карбонизация$ — обычно возмещает 5–20 % выбросов, при ускоренной карбонизации $CO2‑лечение$ можно фиксировать больше.Потенциал: технологические решения позволяют дополнительное поглощение CO2, но не полностью компенсируют эмиссии производства.

5) Пример числового сценария $иллюстрация$ Базовый случай: 1 т цемента, clinker factor = 0.75, эмиссии клинкера = 0.85 т CO2/т клинкера → эмиссии цемента ≈ 0.75·0.85 = 0.64 т CO2/т цемента.
Варианты сокращения:

Замена 30 % клинкера SCM → clinker factor = 0.525 → эмиссии ≈ 0.525·0.85 = 0.45 т $снижение\approx 0.19тCO2/тцемента,\approx 30$.энергоэффективность −15 % тепла → дополнительно ≈0.05–0.08 т сокращения.частичная замена угля биомассой 40 % → ещё ≈0.05–0.1 т.
Итог: комбинированные меры могут снизить эмиссии цемента на 40–60 % без CCS. Для выхода на «нулевые» эмиссии потребуется CCS/альтернативная химия + возобновимая энергия.

6) Практические рекомендации и приоритеты $дляпроизводителя/политики$

Краткосрочные $до3лет$: увеличить долю SCM $GGBS,flyash,calcinedclay$, внедрять меру энергоэффективности, расширять использование биотоплива/отходов.Среднесрочные $3–7лет$: модернизация печей, внедрение электрических решений там, где возможно, подготовка к интеграции CCS $инфраструктура,пилоты$, стандартизация альтернативных цементов.Долгосрочные (>7 лет): масштабирование CCS и/или переход на новые цементные химии $CSA,геополимеры$, переход к почти полностью низкоуглеродной энергии для нагрева.

7) Ограничения и риски

Доступность и качество SCM и «зелёной» биомассы.Стоимость и капитальные инвестиции $особенноCCS$.Регуляторные и стандартные барьеры $сертификацияновыхсоставов$.Комплексный жизненный цикл: важно смотреть на LCA $жизненныйцикл$ — сокращения у «пунктовых» мер могут быть нивелированы при поставках, логистике и пр.

8) Вывод $коротко$

Приблизительно половина CO2 при производстве клинкера — неотвратимая $кальцинацияизвестняка$; остальную часть дают сжигание топлива и электроэнергия.Существенное $30–60$ снижение выбросов возможно комбинированием снижения фактора клинкера $SCM$, повышения энергоэффективности и замены топлива на низкоуглеродное/биотопливо.Полный «нулевой» уровень возможен только при масштабном внедрении CCS и/или радикально новой цементной химии + дешёвая возобновляемая энергия.

Если хотите, могу:

сделать точный расчёт для конкретного завода $введитеclinkerfactor,теплопотребление,типтоплива,электропотребление$;подобрать набор мер по приоритезации с оценкой CAPEX/OPEX и сокращения CO2;смоделировать сценарии с CCS и с разной долей SCM.