不用火也能製造水泥？一項革命性突破背後的科學

ECem計劃旨在透過以電熱取代化石燃料驅動的煅燒過程，徹底改變水泥生產方式，在提升效率的同時降低二氧化碳排放。

水泥產業是二氧化碳排放的主要源頭之一，佔全球人為二氧化碳排放量的高達8%——幾乎是整個航空業的三倍。為了降低碳足跡，邁向氣候中和，該產業正轉向技術創新。

一個頗具前景的解決方案正在ECem計劃中探索。這是一項國際合作計劃，參與的科學家來自德勒斯登羅森多夫亥姆霍茲中心（Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf，簡稱HZDR）等機構。此計劃聚焦於運用電熱技術為高耗能的煅燒過程供能，力圖大幅降低水泥生產中的二氧化碳排放。

該計劃於2024年秋季啟動，歷時三年半，由丹麥創新基金資助，已獲撥款2100萬丹麥克朗（約合290萬美元）。

煅燒是水泥生產的關鍵步驟。在此過程中，石灰石在大型爐中加熱至約1450°C，經由熱分解轉化為水泥的關鍵成分——熟料。此反應是水泥產業二氧化碳排放的主要源頭。大約三分之二的二氧化碳直接來自石灰石的化學分解，即脫碳過程，這一過程無法避免。其餘三分之一則源自達到如此高溫所需的大量能源，通常由燃燒煤炭或天然氣等化石燃料供應。

ECem計劃（全稱為Electric Calciner Technologies for Cement Plants of the Future）正致力於開發更清潔的替代方案。由丹麥水泥公司FLSmidth牽頭，聯合了丹麥技術研究所、阿爾堡大學、歐洲能源公司、Cementos Argos以及HZDR等合作夥伴。他們的目標是以兩種不同的電熱技術取代基於化石燃料的加熱方式，使水泥生產更具永續性。

計劃中的丹麥合作夥伴正研發紅外輻射加熱系統，而HZDR流體動力學研究所的科學家們則在研究基於感應加熱的電力解決方案。團隊首先希望搭建一個實驗室實驗，利用感應線圈產生高頻場，加熱容器中的材料。在後續階段，將在更接近工業條件的實驗裝置中模擬旋轉窯，獲取關鍵資料。然而，像石灰石這種主要由碳酸鈣組成的材料，因其導電性不佳，實際上並不適合感應加熱。

為克服此障礙，團隊打算在待加熱的原材料中摻入所謂的「受體」。這些部件旨在將電能高效轉化為熱能，並傳遞至材料。一項重要任務是找到能在高溫和惡劣工業條件下穩定發揮「受體」作用的材料。候選材料需具備高熔點、不與石灰石發生反應且耐磨損等特性。例如，將「受體」製成金屬球等形狀，可將煅燒和研磨過程合併為一步。對工業流程電氣化的投資，除了避免二氧化碳排放外，還可能帶來提高效率或提升產品品質等積極影響，使相關公司在全球市場上具備競爭優勢。

「乍看之下，這個專案與我們研究所通常處理的流體力學關係不大，」HZDR磁流體動力學部門負責人、工程師斯文·埃克特博士解釋道，「然而，這不只是在反應器中安裝一個加熱器那麼簡單。水泥窯通常要處理數噸材料，因此難點在於在整個窯內創造出均勻的溫度場。如果感應加熱器不能保證足夠的熱傳輸，不僅要到達表層，還要深入龐大體積的內部，問題甚至會更嚴重。所以，我們必須從原理上審視這個過程，包括最佳化爐內的對流氣流，以確保有效的熱傳輸。」

這正是斯文·埃克特周圍的研究人員可以發揮專業知識之處。在HZDR，他們還能使用獨特的測量技術，如磁場斷層掃描，這項技術非常適合監測電氣化工業流程。團隊還希望借鑒由HZDR協調、正在進行的歐盟專案CITADEL中積累的經驗。

ECem計劃的目標是在實驗室規模驗證這項技術。計劃中的實驗所獲得的資料，將為同步的電腦模擬以及建立能對映整個流程（包括能量和物質流動）的數字孿生模型提供重要依據。在此基礎上，科學家們希望釐清實驗室實驗能否擴大到真實的工業條件。如果答案是肯定的，合作夥伴們可能在2028年專案結束後，開始建造一個類似工業版的試驗工廠。根據研究結果，這個工廠可能採用正在並行開發的感應加熱或輻射加熱技術——或者很有可能，是兩種方案的結合。