대체 재료를 함유한 생식의 비율을 최적화하기 위한 도구로서 시멘트 클링커링 공정의 열역학적 모델링

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 17589(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

포틀랜드 클링커 생산 시 폐기물이나 부산물의 가치 평가는 지속 가능한 시멘트 개발을 위한 유망한 대안입니다. 클링커 중 화학 반응의 복잡성으로 인해 클링커 반응성 요구 사항을 보장하면서 폐기물이나 부산물로 천연 자원을 대체할 수 있는 가능성을 최대화하기 위해 공급원료 불순물의 영향을 고려한 적절한 투입 방법이 필요합니다. 본 연구에서는 최적의 클링커 반응성을 촉진하는 동시에 필요한 천연 원료의 함량을 줄이기 위해 클링커 생산에서 천연 공급원료와 대체 원료의 공동 처리를 최적화하기 위한 생식 비율 조정 방법을 제안합니다. 원료 구성과 가열 온도의 가변성을 고려하여 열역학적 모델링 시퀀스가 개발되었습니다. 그런 다음 시뮬레이션 결과를 이전 연구에서 보고된 결과와 비교하여 모델을 검증했습니다. 클링커링 동안 대체 알루미나 공급원으로 석유 산업의 부산물인 SFCC(사용된 유체 촉매 분해 촉매)를 사용하여 제안된 방법의 검증을 위해 실험적 사례 연구가 수행되었습니다. 모델링 시뮬레이션에서는 천연 공급원료를 SFCC 15wt%로 대체하면 규산삼칼슘(C3S)이 54% 이상 함유된 반응성 클링커의 형성이 촉진되는 것으로 나타났습니다. 그런 다음 가장 높은 C3S를 형성할 가능성이 있는 혼합물을 생산하고, 클링커의 안정성을 평가하기 위해 가열 현미경 가용성 테스트를 적용했습니다. 클링커 상의 반응성과 안정성을 좌우하는 주요 요인은 용융상 함량, 알루미나 모듈러스, C3S 및 규산이칼슘(C2S)의 형성이었습니다. 냉각 중 클링커의 자체 분쇄는 선택된 혼합물에서 관찰되었으며 이는 잠재적으로 용융 단계의 높은 점도 및 낮은 Fe 함량과 관련이 있습니다. 제안된 프레임워크는 클링커 생산을 위한 대체 알루미나가 풍부한 공급원료를 포함하는 생식의 투여량을 최적화하고 제한된 경험적 데이터 세트를 더 깊이 해석할 수 있게 해줍니다.

세계 시멘트 생산량은 연간 약 43억 톤1이며, 제조된 시멘트 1톤당 평균 원자재 소비량은 약 1.6톤입니다2. 시멘트 가마의 원료로서 다양한 공정에서 발생하는 폐기물이나 부산물의 가치화는 천연 자원 추출, 생산 비용, 매립 폐기물의 양, 온실가스 배출과 관련된 환경 영향을 줄이기 위한 일반적인 관행입니다3 . 또한 대체 공급원료에 존재할 수 있는 오염 가능성이 있는 요소의 대부분이 클링커에 고정되거나 고형화되므로 이 접근 방식은 지속 가능한 이점을 제공합니다5. 반면, 미량 원소는 시멘트 특성을 크게 손상시킬 수 있으므로 이러한 산업 잔류물의 특수성을 고려한 적절한 투입 방법이 필요합니다.

보그 방정식은 포틀랜드 클링커의 이론적 또는 잠재적 구성을 추정합니다5,6. 화학적 계수(알루미나(AM), 실리카(SM) 및 석회 포화 인자(LSF))와 결합된 이 방법 또는 그 파생물은 연구 및 산업 응용 분야를 위한 생식 비율 조정에 가장 자주 사용됩니다. 계산에서는 평형 조건 하에서 원료가 클링커 화합물을 형성하는 완전한 반응을 가정하고 불순물로 인해 발생할 수 있는 영향도 무시합니다7. 그러나 방정식은 대략적인 클링커 조성만을 제공하며 산업용 클링커는 이론적 예측과 약간의 차이를 나타냅니다. 더욱이 불순물이 존재할 경우 클링커 상 안정성에 영향을 미쳐 시멘트의 최종 특성에 영향을 미치기 때문에 편차가 훨씬 더 커질 수 있습니다8. 온도 변화, 가마 분위기의 조성, 미량 원소의 존재, 냉각으로 인한 평형 조건의 부재 등이 모두 클링커 단계의 발달에 영향을 미칠 수 있으며, 따라서 Bogue의 계산으로 추정한 단계 구성의 정확성이 감소합니다9,10. 더욱이, 대체 원자재나 연료 내의 미량 원소는 클링킹 공정에 영향을 미칩니다11. 이러한 성분의 특성과 양은 클링커 단계의 형태와 비율12, 부단계의 형성13, 최적의 클링커화 온도14, 가마 체류 시간15, 용융 단계 점도16, 냉각 시 변형17, 주요 단계의 다형성18 및 클링커 반응성19. 이 시나리오에서 열역학 모델링은 이러한 모든 변수를 고려하고 사용 가능한 대체 재료의 범위를 확장하기 위한 대체 도구입니다.

27), and those with AM fixed at 1.6. The C3S content is slightly higher than in Tables 3 and 4, as the Scheil-Gulliver cooling simulation demonstrates that the lack of equilibrium promoted by rapid cooling allows for more C3S to be retained10. The successive steps of the cooling calculation consider exclusively the equilibrium between the remaining melt and the solids formed from its solidification, progressively modifying the melt phase composition until reaching a eutectic point10./p> 27) self-pulverised. This is desired for some types of cement to reduce costs and CO2 emissions associated with clinker grinding. This property is usually obtained by changing the volume of the phases during cooling, either by forming new compounds or stabilising higher-volume polymorphs71. The thermodynamic modelling did not reveal the formation of recognizably expansive phases (Table 5), such as γ-dicalcium silicate (γ-Ca2SiO4) or rankinite (Ca3Si2O7)102. These phases are commonly promoted for self-pulverisation and the software database covers their formation60. However, it should be considered that the high viscosity of the molten fraction interferes with the ionic mobility and the stabilisation of silicates during cooling./p>