روش مرسوم در جهان برای تولید سیمان، کلسینه کردن سنگ آهک است. سنگ آهک در معرض حرارت نزدیک به ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد به ترتیب زیر کلسینه میشود:
CaCO₃ → CaO + CO₂
حدود ۱۰ درصد CO₂ کره زمین توسط کارخانههای سیمان منتشر میشود. خروجی دودکش کارخانههای سیمان نیز عمدتاً شامل CO₂ و N₂ بسیار داغ است. CO₂ عامل اصلی گرمایش زمین و خسارتهای بسیار سنگین ناشی از آن به محیط زیست خشکی و اقیانوسهاست.
فیتوپلانکتونها در ناحیه نورانی اقیانوس زندگی میکنند؛ جایی که امکان فتوسنتز وجود دارد. در طول فتوسنتز، دیاکسید کربن را جذب کرده و اکسیژن آزاد میکنند. اگر تابش خورشیدی خیلی زیاد باشد، فیتوپلانکتونها قربانی تخریب نوری میشوند. از بین رفتن این ریزموجودات اقیانوسها تاکنون منجر به کاهش حدود ۴۰ درصد تولید اکسیژن در کره زمین شده است و ادامه این روند یکی از بزرگترین خطراتی است که ادامه حیات آیندگان در کره زمین را تهدید میکند.
با توجه به مراتب فوق، تنها چاره بشر کاهش تولید CO₂ است و هیچ راه گریزی وجود ندارد؛ بنابراین باید به هر طریق ممکن از انتشار CO₂ در جو کره زمین جلوگیری شود.
در جهان ذخایر عظیم گچ وجود دارد که میتواند نیاز بشر برای تولید سیمان و اسید سولفوریک را تأمین کند. آمریکا، چین، ایران و ترکیه بیشترین ذخایر گچ جهان را دارند. ذخایر گچ ایران از خلوص بالایی برخوردارند و تعدادی از معادن گچ نیز در حاشیه دریا قرار دارند.
ماده اولیه سیمان CaO است. فرمول سنگ آهک CaCO₃ و فرمول سنگ گچ CaSO₄ است که با گرما دادن، CaO از آنها جدا میشود؛ بنابراین هر دو ماده میتوانند بهعنوان ماده اولیه تولید سیمان مورد استفاده قرار گیرند. تفاوت گرما دادن به این دو سنگ و واکنش آنها به ترتیب زیر است:
CaCO₃ → CaO + CO₂
CaSO₄ → CaO + SO₂
در واکنش بعدی، SO₂ به H₂SO₄، یعنی اسید سولفوریک، تبدیل میشود.
همانگونه که در دو فرمول تبدیل محصول مشاهده میشود، تبدیل گچ به سیمان هیچگونه CO₂ منتشر نمیکند، اما در تبدیل آهک به سیمان، حدود ۷۵ درصد وزن سیمان تولیدی به صورت CO₂ در هوا منتشر میشود.
تبدیل SO₂ خروجی از کوره سیمان به H₂SO₄ یک واکنش گرمازا است. برای هر مول SO₂ که به H₂SO₄ تبدیل میشود، حدود ۲۲۷ کیلوژول گرما آزاد میشود که این انرژی میتواند در سایر بخشها مورد استفاده قرار گیرد.
به دلایل متعددی که در نوشتههای قبلی بیان کردم، مصرف و تولید نفت طی ۱۰ سال آینده کاهش قابل توجهی خواهد یافت و طی ۲۰ سال آینده تولید و مصرف نفت به حدود یکسوم خواهد رسید. سالانه حدود ۳۰۰ میلیون تن اسید سولفوریک در جهان تولید و مصرف میشود و این میزان طی ۲۰ سال آینده از ۴۰۰ میلیون تن فراتر خواهد رفت.
حدود ۹۰ درصد اسید سولفوریک تولیدی جهان از طریق سولفور موجود در نفت و گاز استخراجی حاصل میشود. بنابراین، با کاهش تولید نفت و گاز در آینده، میزان تولید اسید سولفوریک از این طریق نیز کاهش شدیدی خواهد یافت. برای مواجهه با شرایط پیشرو، مناسبترین و منطقیترین روش جایگزین برای تأمین نیاز بشر به اسید سولفوریک، تولید این ماده از طریق گچ است.
چنانچه معادن گچ نزدیک دریا به سیمان تبدیل شوند، چند مزیت بزرگ برای کشورهای اجراکننده این طرح و کل جهان به دنبال خواهد داشت که عبارتاند از:
- در کنار تولید سیمان، به میزان بیشتری اسید سولفوریک تولید خواهد شد و درآمد حاصل از تولید اسید سولفوریک بیش از درآمد حاصل از تولید سیمان خواهد بود.
- امکان صادرات سیمان و اسید سولفوریک تولیدی به اقصی نقاط جهان با قیمت رقابتی وجود خواهد داشت.
- از انتشار میلیاردها تن CO₂ در جهان جلوگیری خواهد شد.
- محل مناسبی برای مصرف فسفوژیپس، پسماند واحدهای اسید فسفریک، فراهم میشود.
از منظر توجیه اقتصادی، تولید سیمان از گچ، حجم سرمایهگذاری در تجهیزات بخش سیمان را ۱۵ درصد افزایش میدهد. این واحد سیمان که خوراک آن یک میلیون تن گچ در سال باشد، حدود ۵۵۰ هزار تن اسید سولفوریک و ۳۲۰ هزار تن سیمان تولید میکند.
برای احداث واحد اسید سولفوریک با این ظرفیت در ایران، نیاز به حدود ۳۰ میلیون دلار سرمایهگذاری است. سرمایهگذاری مورد نیاز برای کارخانه سیمان با این نوع تکنولوژی و ظرفیت نیز حدود ۵۰ میلیون دلار است؛ بنابراین، مجموع سرمایهگذاری مورد نیاز برای دو واحد حدود ۸۰ میلیون دلار خواهد بود.
با لحاظ قیمت سیمان ۵۰ دلار و قیمت اسید سولفوریک ۱۵۰ دلار، درآمد واحد فوق سالانه حدود ۹۵ میلیون دلار خواهد بود که با کسر هزینه مواد اولیه، انرژی،نیروی انسانی و سایر هزینهها، سود سالانه این واحد حدود ۴۰ میلیون دلار خواهد بود.
بنابراین، با در نظر گرفتن فرضیات فوق، این طرح حاشیه سود بسیار مناسبتری نسبت به کارخانه سیمان با خوراک آهک دارد. مزایای دیگر آن در حوزه محیط زیست جهانی، حل مشکل تأمین اسید سولفوریک مورد نیاز جهان، کاهش مصرف انرژی و... نیز این طرح را ارزشمند و جذاب میکند.
طرح فوق با طرح دیگری تکمیل میشود که میتواند جهان پیشرو را برای زیستن امیدبخشتر کند. این طرح عبارت است از خرید اکسیژن واحدهای الکترولیز آب که هدف آنها تولید هیدروژن است و تزریق اکسیژن به جای هوا در کورههای سیمان.
این اقدام ضمن اینکه مصرف انرژی کورهها را ۳۵ درصد کاهش میدهد، منجر به خروج CO₂ تقریباً خالص از دودکش کورهها میشود. این CO₂ خالص محصول بسیار ارزشمندی است که با استفاده از آن میتوان متانول تولید کرد و متانول را در واحدهای MTO به الفینها، شامل اتیلن و پروپیلن، تبدیل کرد. همچنین با ترکیب CO₂ و آمونیاک، کود اوره به دست میآید.
با تزریق CO₂ به چاههای نفت کربناته میتوان تولید نفت را ۵ تا ۱۰ درصد افزایش داد. بیشتر میادین نفت و گاز ایران نیز در نزدیکی دریا واقع شدهاند.
با یک تن هیدروژن و ۶ تن CO₂ میتوان ۵.۵ تن متانول تولید کرد. البته این روش برای تکنولوژی بدون کوره است؛ به این صورت که الکترولایزرها در طول روز با برق خورشیدی، هیدروژن و اکسیژن تولید کنند و اکسیژن را تحویل کارخانه سیمان دهند تا CO₂ خالص تولید شود و در طول روز با CO₂ و هیدروژن تولیدی، محصولاتی مانند متانول یا آمونیاک تولید شود.
در کوره، برای کاهش مصرف انرژی، مقداری کربن یا کک C به کوره اضافه میشود. در یک کارخانه سیمان یک میلیون تنی با خوراک گچ، حدود ۲۰۰ هزار تن CO تولید میشود که با ترکیب آن با هیدروژن (گاز سنتز) میتوان محصولات متعدد پتروشیمی و سوختی تولید کرد.
دنیای پیشرو، عصر برق، الکترولایزرها و مدیریت مصرف کربن در جهان با روشهای پُرسود خواهد بود.
