النهج المستدام في صناعة الأسمنت

النهج المستدام في صناعة الأسمنت

صناعة الأسمنت والبيئة:

كثيرًا ما تتردَّد أنباء عالمية حول التغيُّر المناخي، ولكن ما سبب ذلك؟ هل هي الثورة الصناعية التي أحدثت طفرةً يعيشها الأفراد والمجتمعات في كل مجالات الحياة؟ أجاب البحث العلمي عن هذا السؤال، وأكَّد أنَّ المسؤول الأول عن حوالي ثُلث انبعاثات ثاني أكسيد الكربون على مستوى العالم هو القطاع الصناعي -بما في ذلك صناعة الأسمنت- وكما نعلم أنَّ الأسمنت مادة لا غنى عنها في أعمال البناء والإنشاءات الهندسيَّة المختلفة، بالإضافة إلى أنَّ إنتاجه واستهلاكه يرتبط ارتباطًا وثيقًا بما نعيشه الآن من تنميةٍ وتوسُّعٍ عمراني وصناعي وبِنية تحتية، وبالتالي بالنشاط الاقتصادي العالمي.

صناعة الأسمنت والطاقة:

وإذا كان البحث العلمي هو المُحرِّك الأساسي لما نعيشه الآن من أحداث، فقد وضع بين يدي القارئ الكثيرَ من المعلومات عن مختلف الصناعات ومنها صناعة الأسمنت، وتدور الكيمياء الأساسية لعملية تصنيع الأسمنت حول تحلُّل كربونات الكالسيوم (CaCO3) عند حوالي 900 درجةٍ مئويةٍ لإنتاج أكسيد الكالسيوم (CaO) والجير وتحرير ثاني أكسيد الكربون (CO2)، وتُعرَف هذه العملية باسم «التكليس»، وتُعرَف الوحدة الإنتاجية باسم «المُكلسن».

بعد ذلك تبدأ عملية تكوين المركبات الرئيسة داخل الفرن، وذلك عن طريق تفاعل أكسيد الكالسيوم عند درجة حرارة عالية (عادةً 1400-1500 درجةٍ مئوية) مع السيليكا والألومينا وأكسيد الحديدوز؛ لتكوين السيليكات والألومينات وحديد الكالسيوم، ويُطلَق على الخليط الناتج اسم «الكلنكر»، والذي يتم بعد ذلك طحنه مع الجبس والمواد المُضافة الأخرى؛ لإنتاج الأسمنت.

نستنتج ممَّا سبق أنَّ الوصول إلى ما نُحقِّقه من إنجازات في مجال البناء والتشييد تضمَّن الجور على البيئة؛ وذلك لأنَّ صناعة الأسمنت تستلزم الوصول إلى درجات حرارة عالية جدًّا، كما ينبغي المحافظة عليها طوال أوقات التشغيل؛ لذلك تُعدُّ صناعة الأسمنت واحدةً من كُبرى الصناعات المستهلِكة للطاقة؛ إذ يُستخدَم الوقود لزيادة درجة الحرارة عند المستويات المطلوبة؛ من أجل تسريع التفاعلات الكيميائيَّة.

صناعة الأسمنت والاحتباس الحراري:

بالرغم من أنَّ صناعة الأسمنت واحدة من أكبر الصناعات الرئيسة التي تُسهِم في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، فيُنتَجُ ما يقرُب من 4.4 مليار طن متري من الأسمنت حاليًّا على مستوى العالم، وهذا ما ينتج عنه حوالي 9% من انبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون، ومستقبلًا يتوقَّع الباحثون في هذه الصناعة أن تستمر كميات إنتاج الأسمنت في ازدياد مُطَّرِد، وهو ما سيُضيف بدوره المزيد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي، لكنها ليست الوحيدة المسؤولة عن انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، بل يُشاركها في ذلك الكثير من الصناعات؛ كالحديد والصلب وغيرها من الصناعات.

صناعة الأسمنت والاستدامة:

تجوب الأبحاث جميع أنحاء العالم بحثًا عن كيفية الوصول إلى تطبيق ممارسات بيئية مُستدامة في مختلف أنشطة صناعة الأسمنت الرئيسة التي لاقت بالفعل اهتمامًا كبيرًا من العلماء والباحثين في هذا المجال، ولكن لا يمكن إغفال حقيقة أنَّ المراحل الأساسية المُكوِّنة لعملية تصنيع الأسمنت تعدُّ غير مُستدامة إلى حدٍّ كبير، بالإضافة إلى كونها من أكثر الصناعات استهلاكًا للطاقة وتوليدًا للمُلوِّثات البيئية.

وفي العقود الأخيرة، خضعت صناعة الأسمنت البورتلاندي لمزيدٍ من البحث والتطوير من قِبَل العديد من الهيئات والمراكز البحثية، كما أصبحت تخضع لبعض القوانين واللوائح المحلية التي تضع حدودًا لانبعاثاتها، وتُنظِّم عملية التخلُّص من المُخلَّفات الناتجة عنها؛ نظرًا لكونها العامل الأكثر أهميةً في تطوير البِنية التحتية والمُستهلِك الرئيس للطاقة والموارد الطبيعية.

لحُسن الحظ، يمكن لصناعة الأسمنت أن تكون نواة الانطلاق نحو تحقيق الاستدامة البيئيَّة، وذلك عن طريق تبنِّي بعض التقنيات الجديدة في مجال كفاءة الطاقة، وبدائل الوقود التقليدي لخفض البصمة الكربونيَّة، بالإضافة إلى الإدارة السليمة للمُخلَّفات الناتجة عن هذه الصناعة، وتحويلها إلى منتجات أو إعادة استخدامها مرة أخرى في مراحل عمليات التصنيع المختلفة، والتقليل من استخدام مواد خامٍ جديدة؛ لذلك يعدُّ كل ما سبق بمنزلة حجر الأساس الذي سيقوم عليه تصنيع الخرسانة الخضراء أو ما تُسمَّى ب «الخرسانة المُستدامة».

صناعة الأسمنت والوقود:

ولكن كيف يتحقَّق ذلك؟ يُجيب عن هذا السؤال البحثُ في أولويات الصناعات الكبيرة مثل (صناعة الأسمنت)، التي أكَّدت الأوساط العلمية أنَّها لا تألو جُهدًا في محاولة الحفاظ على الطاقة، عن طريق تقليل الاعتماد على الوقود التقليدي، واللجوء إلى إيجاد بدائل له، مثل: استخدام بعض أنواع النفايات كوقود ومواد بديلة في عملية تصنيع الأسمنت، وتكمُن ميزة هذا الخيار في تحقيق غايتين أساسيتين، وهما: تقليل الاعتماد على الوقود الأُحفوري؛ مثل: الفحم، والغاز الطبيعي، والنفط من ناحية، بالإضافة إلى إدارة النفايات بشكلٍ سليمٍ من ناحية أخرى.

يعدُّ استخدام الوقود البديل الحل الأكثر استدامةً بيئيًّا، ومن أمثلته الوقود المُشتَق من المُخلَّفات المرفوضة (RDF)، والمُخلَّفات الزراعية، ومُخلَّفات الكاوتش، والبلاستيك وغيرها، بالإضافة إلى المُخلَّفات السائلة كالمخلفات الكيمائية، والزيوت والشحوم… إلخ، وتعدُّ جميع هذه الخيارات موادَّ غنيةً بالطاقة يمكن استخدامها لتحلَّ محل الفحم أو الغاز في عملية صناعة الأسمنت.

أفسَحَ الاعتماد على استخدام الوقود البديل الطريق أمام مُصنِّعي الأسمنت؛ للحفاظ على الموارد غير المُتجدِّدة وتقليل مُتطلِّبات التخلُّص من النفايات، كما أنَّه مكَّنهم من تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار 0.1 إلى 0.5 كجم/ كجم من الأسمنت المُنتَج، مُقارنةً بتقنيَّات الإنتاج المُستخدَمة حاليًّا باستخدام الوقود الأُحفوري، ولكن العقبة الرئيسة في استخدام هذه التقنية أنَّه لا يمكن الاعتماد عليها بنسبة 100% كمصدرٍ للطاقة، إذ إنَّ معظم خطوط التصنيع الحالية يمكنها استخدام الوقود البديل بنسبة 40% بحدٍّ أقصى، وتركِّز الأبحاث حاليًّا على رفع هذه النسبة، كما أنَّه لا يُعدُّ خيارًا مناسبًا في صناعة الأسمنت الأبيض؛ نظرًا لتأثُّر نصاعة اللون ببدائل الوقود المُشار إليها.

الأسمنت المخلوط نموذج حي لتحقيق الاستدامة:

يعدُّ تقليل نسبة «الكلنكر» المُستخدَمة في إنتاج الأسمنت محورًا أساسيًّا لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون؛ لذا فليس من الغريب أن تتوجَّه الأبحاث لمعرفة كيفية تعويض نِسب معينة من «الكلنكر» في خليط الأسمنت، وكما أشرنا من قبل أنَّ إنتاج «الكلنكر» هو أكثر الخطوات استهلاكًا للطاقة في عملية تصنيع الأسمنت، فضلًا عن أنَّه يُسبِّب انبعاثاتٍ كبيرةً من ثاني أكسيد الكربون، كما أنَّ هذا التوجُّه يُمثِّل خيارًا اقتصاديًّا جذابًا لمُصنِّعي الأسمنت؛ نظرًا لأنَّ المواد المُكلسة تكون مرتفعة الثمن مقارنةً مع البدائل.

ويُعدُّ الأسمنت المخلوط مثالًا حيًّا على ذلك؛ حيثُ يتم استبدال نسبة من «الكلنكر» بمنتجات ثانوية تكميلية (SCMs) ناتجة عن صناعات أخرى؛ مثل: رماد الفحم المتطاير (بقايا من محطات توليد الطاقة)، أو خَبَث أفران الصهر (بقايا من صناعة الحديد)، أو مواد بوزولانية أخرى (مثل المواد البُركانية) وغيرها، ثم تُخلَط هذه المنتجات الثانوية مع «الكلنكر» المطحون لإنتاج مزيج متجانس.

ولأنَّ التطبيق العملي يرتكز على أمثلة حيَّة فإنَّ العلم يُثبِت مدى إمكانية وصلاحية تطبيقها على أرض الواقع، وحين تمَّ حساب إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لكل طن من الأسمنت البورتلاندي الذي نتج عنه وُجِد أنَّه 970 كجم تقريبًا، بينما أُنتج 70 كجم فقط من ثاني أكسيد الكربون لكل طن من خَبَث الأفران العالية الحُبيبيَّة.

وتجدُر الإشارة هُنا إلى أنَّه على الرغم من إمكانية استخدام بدائل «الكلنكر» هذه بنسبٍ قد تزيد عن 33%، إلا أنَّ ذلك قد يأتي مع بعض الخصائص غير المطلوبة في المنتج النهائي، وهو ما يتطلَّب عمل بحث بشكلٍ كافٍ قبل تحديد نوع ونسبة المادة التكميلية المُستخدَمة.

نوع جديد من الأسمنت المُستدام:

كما أنَّ لدينا مثال آخر هو: الأسمنت الطيني «المُكلَّس» بالحجر الجيري أو Limestone Calcined Clay Cement ويُعرَف اختصارًا ب«LC3».

يعدُّ هذا النوع من الأسمنت طفرةً جديدةً وفَّرها البحث العلمي في مجال الاستدامة البيئية، وهو نوع جديد من الأسمنت يعتمد على عمل مزيج من الحجر الجيري والطَّفلة المُكَلسة، ويمكن لهذا المزيج أن يُقلِّل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة تصل إلى 40٪، ويمكن تصنيعه باستخدام الحجر الجيري والطَّفلة منخفضة الجودة المتوفرة بكمياتٍ وفيرة، بالإضافة إلى كونه خيارًا فعَّالًا من جهة التكلفة.

وتكمُن ميزة هذا المزيج الجديد «LC3».  في أنَّه يحتاج إلى كميات «كلنكر» أقل لإنتاج الأسمنت تصل إلى 50%، وهو ما يعني بالتبعيَّة التقليل بشكلٍ كبيرٍ من استخدام الوقود، وبالتالي خفض الانبعاثات المختلفة وعلى رأسها ثاني أكسيد الكربون، كما يتميَّز هذا النوع المُبتكَر من الأسمنت باحتوائه على خصائص ميكانيكية مُقارِبة للأسمنت التقليدي، وهو ما يجعله خيارًا مُستدامًا صديقًا للبيئة.

صناعة الأسمنت وتقنيات مستدامة:

تأكَّد لنا بعد عرض الأمثلة السابقة أنَّ مجال الاستدامة البيئية أضاف الكثير إلى صناعة الأسمنت، ويتَّضح ذلك من استخدام التقنيات التكنولوجية المختلفة التي من شأنها تطوير تلك الصناعة، ولكن بشكلٍ يحافظ على الموارد البيئية للأجيال القادمة؛ لذلك يجب التنويه هُنا على تمكُّن البحث العلمي من استبدال نسبة من «الكلنكر» بمواد ثانوية تكميليَّة، بالإضافة إلى إمكانية استخدام كربونات الكالسيوم النانوية كمادة تكميليَّة أيضًا لإنتاج الأسمنت المخلوط؛ إذ يمكنها موازنة الخصائص غير المرغوب فيها التي قد تنتج عن استخدام SCMs؛ ممَّا يسمح بزيادة نسبة الاستبدال في الأسمنت المُستخدَم، كما يفتح المجال لاستخدام تكنولوجيا النانو في صناعة الأسمنت، وهو ما يعني إنتاج جيل جديد من مواد البناء المُستدامة والصديقة للبيئة.

المُلفت هنا هو إمكانية إنتاج كربونات الكالسيوم النانوية عن طريق غاز ثاني أكسيد الكربون المنبعث من عملية صناعة الأسمنت نفسها؛ تحقيقًا لمبدأ إعادة تدوير المُخلَّفات، وذلك عن طريق التقاط ثاني أكسيد الكربون من غاز المداخن الخارج من وحدة إنتاج «الكلنكر» (المُكلسن والفرن)، ثم تمرير ثاني أكسيد الكربون المُلتقَط بعد تنقيته عبر وحدة التصنيع؛ حيثُ يتم إنتاج ترسُّبات كربونات الكالسيوم النانوية عبر عملية التخليق الكيميائي.

يمكن أن يكون مصدر الكالسيوم لهذه العملية النفايات الصناعية (بما في ذلك خَبَث الصلب وغبار أفران الأسمنت)، وذلك عن طريق إضافة كربونات الكالسيوم النانوية (بالكمية المطلوبة) إلى «الكلنكر»؛ ليتم طحن الخليط بالإضافة إلى الحجر الجيري الخام؛ لإنتاج الأسمنت البورتلاندي المخلوط، كما يمكن بيع كربونات الكالسيوم النانوية الزائدة عن الحاجة إلى بعض الصناعات الأخرى، وبالتالي توليد عائد اقتصادي جديد لمصانع الأسمنت.

وتتفرَّد تلك التقنية ليس فقط بتقليلها لكمية الوقود المُستخدَم، وبالتالي تقليل انبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون، بل أيضًا بتحويل هذا الغاز إلى مُدخَل في العملية الإنتاجية؛ تحقيقًا لمبدأ الاقتصاد الدائري الأخضر.

كما أشاد البحث العلمي بمدى تفرُّدها في إنتاج كربونات الكالسيوم النانوية باستخدام ثاني أكسيد الكربون المُلتقَط من مداخن مصنع الأسمنت، واستبدال «الكلنكر البورتلاندي» بنسبة 2٪ تقريبًا من الوزن؛ ممَّا ينتج عنه انخفاض في انبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون من 0.96 كجم مكافئ/ كجم أسمنت إلى 0.3 كجم مكافئ/ كجم أسمنت، وهو ما يُمثِّل انخفاضًا بنسبة 70٪ تقريبًا.

صناعة الأسمنت وإعادة التدوير:

عملية التخلُّص من تراب الممرات الجانبية تمثل عبئًا زمانيًّا وماديًّا دون تحقيق أي فائدة، على الرغم من الجهود الحثيثة التي تبذلها مصانع الأسمنت لإعادة استخدامه، وهو ما جذب انتباه العديد من الباحثين لإيجاد بدائل لاستخدام هذا التراب بدلًا من التخلُّص منه.

ولكن ما تراب الممرات الجانبية؟ تراب الممرات الجانبية أو bypass هو منتج ثانوي يتولَّد أثناء عملية إنتاج الأسمنت البورتلاندي، عندما يتم تسخين المواد الخام في الفرن، تنشأ جزيئات الغبار (تراب) تُحْمَل بواسطة غازات العادم في الطرف العلوي للفرن.

وتعدُّ الاستعانة بتراب الممرات الجانبية كمادة خام رئيسة (45%-50%) جنبًا إلى جنب مع السيليكا والحجر الرملي لصناعة زجاج ذي لون أخضر داكن مع متانة عالية – واحدةً من أهم الابتكارات التي قدَّمها مجال الاستدامة البيئية؛ وذلك بسبب المحتوى العالي من أكسيد الكالسيوم (CaO) الذي يمكن استخدامه لإنتاج أوعية المواد الكيميائيَّة، كما يمكن إنتاج ما يُعرَف ب»الزجاج الخزفي»، إذا تم  تصنيعه بعد عمليات المعالجة على المنتج السابق، ويتمتَّع الزجاج الخزفي بقوة عالية جدًّا، ويبدو مثل الرخام.

تشمل الاستخدامات المفيدة لتراب الممرات الجانبية الاستفادة منه كمادة مالئة في تشييد الطرق السريعة وصيانتها، كما يمكن الاستعانة به في صناعة الطوب؛ لاستخدامه في الإنشاءات الصناعيَّة، حيثُ وُجِد أنَّ احتواء الطوب على تراب الممرات الجانبية له خصائص مقبولة وتكلفة أقل بكثير من أنواع الطوب الأخرى.

صناعة الأسمنت بين الواقع والمأمول:

وختامًا، تجدُر الإشارة إلى توقُّع نمو الطلب على الخرسانة والأسمنت في جميع أنحاء العالم جنبًا إلى جنب مع ضرورة ترشيد استخدام الطاقة، وتخفيض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، فعلى مدى العقود القليلة الماضية، زاد تبنِّي مصنعي الأسمنت لبعض التقنيَّات والابتكارات المُستدامة بيئيًّا التي أحدثت بالفعل تغييرًا تدريجيًّا للنهوض بتلك الصناعة المُستدامة، إلا أنَّ ذلك ربما لن يكون كافيًا للمُضيِّ قُدمًا!

لذلك؛ يتوجَّب علينا الإشادة بفضل البحث العلمي ودوره في تحقيق أهداف الاستدامة البيئيَّة في القطاع الصناعي خاصةً صناعة الأسمنت؛ لأنَّها من الصناعات الرائدة ليس فقط في تنمية وازدهار حضارتنا الإنسانية، ولكن أيضًا في تعزيز الاستدامة في بعض القطاعات الأخرى؛ سعيًا للوصول إلى المباني الخضراء والبِنية التحتية المستدامة.