چکیده
تولید آهک کلسینه یکی از فرآیندهای صنعتی انرژیبر است که به دلیل نیاز به دماهای بالا و همچنین انتشار مستقیم دیاکسیدکربن در واکنش کلسیناسیون سنگ آهک، از جمله صنایع دشوار برای کربنزدایی به شمار میرود. بخش قابل توجهی از انتشار CO₂ در این صنعت صرفاً ناشی از مصرف سوخت نیست، بلکه مستقیماً از تجزیه حرارتی کربنات کلسیم و تبدیل آن به اکسید کلسیم ناشی میشود.
در پژوهش حاضر، مسیرهای مختلف گذار انرژی در صنعت آهک از دیدگاه فنی، زیستمحیطی و اقتصادی مورد بررسی قرار گرفتهاند. گزینههایی شامل جایگزینی سوختهای فسیلی با زیستسوختها، بیومتان و هیدروژن، برقیسازی کوره، احتراق با اکسیژن و فناوریهای جذب، ذخیرهسازی و استفاده از CO₂ مورد مقایسه قرار گرفتهاند. پژوهشگران با استفاده از یک مدل یکپارچه موسوم به Superstructure و تحلیل سناریوهای مختلف قیمت انرژی و کربن، تلاش کردهاند مشخص کنند که تحت شرایط اقتصادی متفاوت، کدام مسیر میتواند گزینه مناسبتری برای آینده صنعت آهک باشد.
نتایج نشان میدهد که تغییر سوخت بهتنهایی برای دستیابی به کربنزدایی عمیق کافی نیست؛ زیرا بخش عمدهای از انتشار CO₂ از خود واکنش کلسیناسیون ناشی میشود. در مطالعه، جایگزینی سوخت بهتنهایی حداکثر حدود 18 درصد کاهش انتشار CO₂ ایجاد کرد. در مقابل، ترکیب جذب CO₂ با مسیرهای مناسب تولید میتواند کاهش انتشار بسیار بیشتری ایجاد کند و در برخی مسیرهای مبتنی بر زیستانرژی، حتی انتشار خالص منفی حاصل شود. همچنین، در میان گزینههای بررسیشده، احتراق با اکسیژن (Oxycombustion) همراه با جذب CO₂ بهعنوان یکی از امیدوارکنندهترین مسیرها از نظر توازن میان مصرف انرژی، میزان انتشار، هزینه و پایداری اقتصادی معرفی شده است.
1. مقدمه
آهک کلسینه یا Quicklime یکی از مواد معدنی مهم در زنجیرههای مختلف صنعتی است. این ماده در صنایع فولاد، ساختمان، تصفیه آب، صنایع شیمیایی، کشاورزی و همچنین فرآیندهای مختلف تصفیه و پالایش مورد استفاده قرار میگیرد.
در صنعت فولاد، آهک نقش مهمی در فرآیندهایی مانند تصفیه مذاب، حذف ناخالصیها، تنظیم سرباره و برخی مراحل فرآوری مواد اولیه دارد. بنابراین، کیفیت و دسترسی پایدار به آهک کلسینه میتواند بر عملکرد بسیاری از صنایع پاییندستی تأثیرگذار باشد.
با وجود اهمیت بالای آهک، تولید آن با یک چالش اساسی همراه است: مصرف انرژی بالا و انتشار قابل توجه دیاکسیدکربن.
در فرآیند تولید آهک، سنگ آهک عمدتاً از کربنات کلسیم تشکیل شده است. این ماده در دمای بالا تجزیه شده و اکسید کلسیم تولید میکند:
CaCO₃ → CaO + CO₂
این واکنش در کنار نیاز به تأمین انرژی حرارتی برای رساندن سنگ آهک به دمای مناسب، باعث میشود تولید آهک از جمله فرآیندهای صنعتی دشوار برای کربنزدایی باشد.
پژوهش جدید Mitraki و همکاران در سال 2026 تلاش کرده است به جای بررسی یک فناوری خاص، مجموعهای از مسیرهای احتمالی آینده تولید آهک را بهصورت یکپارچه از نظر انرژی، انتشار کربن و هزینه مقایسه کند.
2.فرآیند تولید آهک کلسینه
ماده اولیه تولید آهک، سنگ آهک است که عمدتاً از کربنات کلسیم (CaCO₃) تشکیل شده است.
در فرآیند کلسیناسیون، سنگ آهک در کوره حرارت داده میشود و در اثر تجزیه حرارتی، آهک زنده یا CaO تولید میشود.
واکنش اصلی به صورت زیر است:
CaCO₃ + Heat ⇌ CaO + CO₂
بر اساس مقاله مورد بررسی، کلسیناسیون معمولاً در محدوده دمایی حدود 900 تا 1100 درجه سانتیگراد انجام میشود. خود واکنش کلسیناسیون به ازای تولید یک تن آهک حدود 0.786 تن CO₂ آزاد میکند. نیاز انرژی کل نیز بسته به فناوری کوره میتواند حدود 3200 تا 9200 مگاژول به ازای هر تن آهک باشد.
بنابراین باید میان دو منبع اصلی انتشار CO₂ تفاوت قائل شد:
- CO₂ ناشی از واکنش کلسیناسیون
- CO₂ ناشی از سوخت مورد استفاده برای تأمین حرارت کوره
3.چرا تولید آهک یک صنعت دشوار برای کربنزدایی است؟
در بسیاری از صنایع، کاهش انتشار CO₂ میتواند با تغییر سوخت فسیلی به برق یا انرژی تجدیدپذیر انجام شود.
اما وضعیت در صنعت آهک متفاوت است.
حتی اگر سوخت مورد استفاده در کوره کاملاً بدون کربن باشد، واکنش:
CaCO₃ → CaO + CO₂
همچنان CO₂ تولید میکند.
بر اساس مقاله، بیش از 90 درصد تقاضای انرژی صنعت آهک با فرآیند کلسیناسیون مرتبط است و خود واکنش کلسیناسیون حدود 0.8 تن CO₂ به ازای هر تن آهک تولید میکند. به همین دلیل، صرفاً تغییر سوخت نمیتواند صنعت آهک را به انتشار نزدیک به صفر برساند.
این مسئله یک پیام مهم برای آینده صنعت دارد:
کاهش مصرف سوخت ضروری است، اما برای کربنزدایی عمیق کافی نیست؛ زیرا باید برای CO₂ حاصل از خود فرآیند کلسیناسیون نیز راهکار داشت.
4.فناوریهای مختلف کوره آهک
فناوری کوره تأثیر قابل توجهی بر مصرف انرژی و انتشار دارد.
از انواع کورههای مورد اشاره در مقاله میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- کورههای شفت با جریان موازی و احیایی یا PFRK
- کورههای شفت حلقوی
- کورههای شفت با خوراک مخلوط
- کورههای دوار بلند
- کورههای دوار مجهز به پیشگرمکن
بر اساس دادههای مقاله، در اروپا کورههای شفت سهم قابل توجهی از تجهیزات تولید آهک را تشکیل میدهند و Parallel Flow Regenerative Kiln یا PFRK بهعنوان یکی از فناوریهای با راندمان بالای حرارتی معرفی شده است.
شماتیک فرآیند کلسیناسیون سنگ آهک در کوره جریان موازی باززایشی؛ بازطراحیشده بر اساس Mitraki et al., 2026.
5.مسیرهای اصلی کاهش انتشار CO₂ در تولید آهک
مطالعه مورد بررسی چند مسیر اصلی را با یکدیگر مقایسه کرده است:
5-1. جایگزینی سوختهای فسیلی
یکی از سادهترین راهکارها، جایگزینی گاز طبیعی یا سایر سوختهای فسیلی با سوختهای کمکربن است.
گزینههایی که در مقاله بررسی شدهاند عبارتاند از:
- بیومتان
- زیستتوده جامد
- هیدروژن
- سوختهای جایگزین
- برق
بیومتان از این جهت جذاب است که میتواند در برخی کورهها با تغییرات فنی محدود جایگزین گاز طبیعی شود. در مقابل، استفاده از زیستتوده جامد میتواند به تغییراتی در سیستم سوخترسانی و عملکرد کوره منجر شود.
مسیرهای اصلی گذار انرژی و کربنزدایی در صنعت تولید آهک
6.آیا تغییر سوخت بهتنهایی کافی است؟
پاسخ پژوهش خیر است.
این یکی از مهمترین یافتههای مقاله است.
مطالعه نشان میدهد که تغییر سوخت بهتنهایی حداکثر حدود 18 درصد کاهش انتشار CO₂ ایجاد میکند. دلیل آن نیز کاملاً مشخص است: بخش بزرگی از انتشار CO₂ از واکنش کلسیناسیون ناشی میشود، نه از سوخت.
بنابراین، برای دستیابی به کاهش عمیق انتشار، باید فناوریهای جذب CO₂ نیز وارد فرآیند شوند.
این نتیجه از نظر فنی اهمیت زیادی دارد، زیرا نشان میدهد آینده صنعت آهک صرفاً به سمت «سوخت پاکتر» حرکت نمیکند، بلکه احتمالاً به سمت ترکیب کوره بهینه + انرژی کمکربن + جذب CO₂ خواهد رفت.
7.برقیسازی کورههای آهک
گزینه دیگر، استفاده از انرژی الکتریکی به جای احتراق مستقیم سوخت است.
در این مطالعه، یک کوره الکتریکی مبتنی بر پلاسما نیز بررسی شده است.
بر اساس مدل پژوهش، نیاز انرژی حرارتی کوره الکتریکی حدود 1151 kWh به ازای هر تن آهک در نظر گرفته شده که معادل حدود 4.14 GJ/t آهک است. دلیل نیاز نسبتاً بالای انرژی در این مسیر، راندمان تبدیل برق به حرارت در مدل مورد استفاده است که حدود 80 درصد در نظر گرفته شده است.
بنابراین برقیسازی لزوماً به معنای کاهش خودکار هزینه یا انتشار نیست.
اگر برق مورد استفاده از منابع فسیلی تولید شده باشد، بخشی از انتشار CO₂ فقط از کوره به نیروگاه منتقل میشود.
در نتیجه:
برقیسازی زمانی بیشترین مزیت زیستمحیطی را خواهد داشت که برق مورد استفاده کمکربن و با هزینه رقابتی تأمین شود.
8.هیدروژن در تولید آهک
هیدروژن نیز یکی از گزینههای مورد بررسی است.
استفاده از هیدروژن به جای گاز طبیعی میتواند انتشار CO₂ ناشی از احتراق سوخت را کاهش دهد؛ با این حال، CO₂ حاصل از واکنش کلسیناسیون همچنان باقی میماند.
از سوی دیگر، هزینه تولید هیدروژن و میزان انتشار مربوط به زنجیره تأمین آن اهمیت زیادی دارد.
نتایج مقاله نشان میدهد که هیدروژن و برق کمکربن زمانی میتوانند از نظر اقتصادی با مسیرهای متداول رقابت کنند که انرژی کمکربن با قیمت بسیار پایینتری در دسترس باشد. در مدل این پژوهش، برای رقابتی شدن برخی مسیرهای برقی و هیدروژنی، قیمت انرژی کمکربن باید حدود 62 یورو بر مگاواتساعت یا کمتر باشد.
9.جذب CO₂؛ بخش کلیدی کربنزدایی صنعت آهک
یکی از مهمترین بخشهای مطالعه به فناوریهای Carbon Capture یا CC اختصاص دارد.
در حالت کلی، CO₂ میتواند پس از تولید:
- جذب شود؛
- فشرده شود؛
- به محل ذخیرهسازی منتقل شود؛
- در سازندهای زمینشناسی ذخیره شود؛
- یا در برخی فرآیندها مورد استفاده مجدد قرار گیرد.
در مدل مقاله، دو مسیر اصلی جذب CO₂ بیشتر مورد توجه قرار گرفتهاند:
جذب شیمیایی با آمینها
در این روش گاز خروجی با یک حلال شیمیایی تماس داده میشود و CO₂ جذب میشود. سپس حلال احیا شده و CO₂ جدا میشود.
در مدل مطالعه، راندمان جذب حدود 90 درصد در نظر گرفته شده است. با این حال، این فرآیند نیازمند انرژی قابل توجهی برای احیای حلال است.
جذب کرایوجنیک یا Cryogenic CO₂ Purification Unit
این روش برای جریانهایی که غلظت CO₂ بالایی دارند، جذابتر است.
یکی از مزیتهای مهم آن این است که در فرآیند احتراق با اکسیژن، گاز خروجی میتواند بیش از 80 درصد حجمی CO₂ داشته باشد و بنابراین جداسازی CO₂ آسانتر میشود.
10. احتراق با اکسیژن؛ یکی از امیدوارکنندهترین مسیرها
در کورههای معمولی، سوخت با هوا میسوزد. هوای ورودی حاوی مقدار زیادی نیتروژن است و این نیتروژن باعث رقیق شدن گاز خروجی میشود.
در Oxycombustion، اکسیژن بهجای هوا برای احتراق استفاده میشود.
نتیجه این است که گاز خروجی از کوره، غلظت بسیار بالاتری از CO₂ دارد.
بر اساس مقاله، غلظت CO₂ در گاز خروجی کورههای اکسیفایر میتواند به بیش از 80 درصد حجمی برسد و همین مسئله، فرآیند جداسازی و جذب CO₂ را سادهتر میکند.
البته تولید اکسیژن نیز انرژی مصرف میکند. پژوهش برای واحد جداسازی هوا، مصرف برق حدود 226 kWh به ازای هر تن اکسیژن را در نظر گرفته است.
با وجود این، در مجموع مقاله Oxycombustion همراه با جذب CO₂ را یکی از امیدوارکنندهترین گزینهها معرفی میکند
11.تأثیر فناوری جذب بر مصرف انرژی
جذب CO₂ بدون هزینه انرژی نیست.
در روش جذب شیمیایی با آمین، افزایش قابل توجهی در مصرف انرژی مشاهده شده است. طبق نتایج مدل، اضافه شدن جذب مبتنی بر MEA میتواند حدود 4.89 تا 5.89 GJ به ازای هر تن آهک به نیاز انرژی اضافه کند.
در مقابل، سیستم جذب کرایوجنیک در مسیرهای دارای غلظت بالای CO₂، جریمه انرژی پایینتری نشان داده است.
انرژی اضافی مورد نیاز این روش در مدل حدود 303 تا 437 kWh به ازای هر تن آهک گزارش شده است.
پژوهشگران انرژی مورد نیاز این مسیر را به ازای CO₂ جذبشده حدود 1.48 تا 1.54 GJ/tCO₂ برآورد کردهاند که با مقادیر گزارششده در مطالعات قبلی همخوانی دارد.
12.مقایسه مصرف انرژی مسیرهای مختلف
در مقاله، مجموع نیاز انرژی مسیرهای مختلف از حدود 3.6 GJ/t آهک برای برخی مسیرهای پایه تا 12.2 GJ/t آهک برای مسیر CCU متغیر بوده است.
مسیر CCU انرژی زیادی نیاز دارد، زیرا CO₂ جذبشده با هیدروژن تولیدشده از الکترولیز آب ترکیب میشود تا e-methane تولید شود.
در این مسیر، الکترولایزر بهتنهایی حدود 2033 kWh برق به ازای هر تن آهک مصرف میکند که معادل تقریباً 7.3 GJ/t آهک است.
13.اثر شرایط اقتصادی بر انتخاب فناوری
یکی از نقاط قوت این پژوهش، بررسی فناوریها فقط از دیدگاه فنی نیست؛ بلکه قیمت انرژی و قیمت انتشار CO₂ نیز وارد مدل شده است.
پژوهشگران سه وضعیت اقتصادی را بررسی کردهاند:
- شرایط اقتصادی 2025
- سناریوی ایدهآل
- سناریوی رقابتی
در شرایط اقتصادی سال 2025، تولید آهک بدون جذب CO₂ یا مسیرهای مبتنی بر زیستانرژی از نظر هزینه مزیت بیشتری داشتند.
هزینه کل تولید در مسیرهای بدون جذب حدود 147 تا 176 یورو به ازای هر تن آهک و در مسیرهای دارای جذب حدود 257 تا 380 یورو به ازای هر تن آهک گزارش شده است.
اما اگر قیمت انتشار CO₂ افزایش یابد، شرایط تغییر میکند.
در سناریوی ایدهآل مقاله، قیمت CO₂ حدود 300 یورو به ازای هر تن CO₂ فرض شده است. در چنین شرایطی، فناوریهای جذب CO₂ از نظر اقتصادی جذابتر میشوند.
14.نقش قیمت CO₂ در آینده تولید آهک
این یافته برای آینده صنعت بسیار مهم است.
ممکن است یک فناوری امروز اقتصادی نباشد، اما با افزایش هزینه انتشار CO₂ در آینده، همان فناوری بتواند به گزینه اقتصادی تبدیل شود.
برای مثال، مقاله نشان میدهد که در سناریوی ایدهآل، مسیر BiomassOxy-CC با هزینه حدود 214 یورو به ازای هر تن آهک حدود 45 درصد ارزانتر از مسیر پایه همان سناریو بوده است.
مسیر BioCH₄Oxy-CC نیز حدود 215 یورو بر تن و مسیر NGOxy-CC حدود 245 یورو بر تن برآورد شدهاند. i
این نتایج نشان میدهد که مقایسه فناوریها بدون در نظر گرفتن آینده قیمت انرژی و کربن میتواند گمراهکننده باشد.
15.آیا جذب CO₂ میتواند به انتشار منفی منجر شود؟
یکی از جالبترین نتایج مطالعه مربوط به استفاده همزمان از زیستانرژی و جذب و ذخیره CO₂ است.
اگر سوخت زیستی از منابع پایدار استفاده شود، کربن موجود در آن در اصل بخشی از چرخه زیستی کربن محسوب میشود. اگر CO₂ حاصل از این سوخت بهجای ورود به اتمسفر جذب و بهصورت دائمی ذخیره شود، امکان ایجاد انتشار خالص منفی وجود دارد.
طبق نتایج پژوهش، برخی پیکربندیهای زیستانرژی همراه با جذب CO₂ میتوانند به انتشار خالص حدود:
−0.22 tCO₂/t آهک
برسند.
این مفهوم را میتوان یکی از مسیرهای بلندمدت برای دستیابی به صنعت آهک با انتشار خالص صفر یا حتی منفی دانست.
16.مقایسه مسیرهای مختلف از دیدگاه اقتصادی و زیستمحیطی
در شرایط مختلف بازار، یک فناوری واحد همیشه بهترین گزینه نیست.
برای مثال، در سناریوی رقابتی مقاله، مسیرهای NGOxy-CC و BiomassOxy-CC در صورت وجود زیرساخت انتقال و ذخیره CO₂، از اقتصادیترین گزینهها بودند.
هزینه این مسیرها حدود 242 تا 266 یورو به ازای هر تن آهک گزارش شد؛ در حالی که هزینه مسیر پایه گاز طبیعی حدود 298 یورو به ازای هر تن آهک بود.
این موضوع نشان میدهد که توسعه زیرساختهای CO₂، قیمت انرژی و قیمت سوخت، همگی میتوانند در تصمیمگیری نهایی تولیدکنندگان نقش داشته باشند.
17.چرا Oxycombustion در این مطالعه اهمیت ویژهای دارد؟
در جمعبندی پژوهش، احتراق با اکسیژن و جذب CO₂ بهعنوان یکی از امیدوارکنندهترین مسیرهای کربنزدایی صنعت آهک معرفی شده است.
علت این موضوع را میتوان در چند عامل خلاصه کرد:
اول: افزایش غلظت CO₂ در گاز خروجی.
دوم: سادهتر شدن فرآیند جداسازی CO₂.
سوم: امکان استفاده از واحدهای جداسازی کرایوجنیک.
چهارم: کاهش هزینه و انرژی مورد نیاز جذب نسبت به برخی مسیرهای جذب شیمیایی.
پنجم: عملکرد مناسب در سناریوهای مختلف قیمت انرژی و CO₂.
پژوهشگران نتیجه گرفتهاند که Oxycombustion از نظر توازن میان مصرف انرژی، انتشار CO₂، هزینه کل و مقاومت در برابر نوسانات بازار عملکرد بسیار مناسبی دارد.
18.آینده تولید آهک کلسینه
بر اساس نتایج این مطالعه، آینده صنعت تولید آهک را نمیتوان به یک فناوری منفرد محدود کرد.
مسیر آینده احتمالاً ترکیبی از چند فناوری خواهد بود:
بهینهسازی کوره → کاهش مصرف انرژی → انتخاب سوخت مناسب → استفاده از انرژی کمکربن → افزایش غلظت CO₂ خروجی → جذب CO₂ → انتقال و ذخیره یا استفاده مجدد از CO₂
در کوتاهمدت، افزایش راندمان کوره و استفاده از سوختهای مناسب میتواند نقش مهمی داشته باشد.
در میانمدت، استفاده از سوختهای زیستی، بیومتان، هیدروژن و فناوریهای برقی میتواند گسترش پیدا کند.
در بلندمدت، برای دستیابی به کاهش عمیق انتشار، جذب CO₂ احتمالاً به یکی از اجزای اصلی کارخانههای تولید آهک تبدیل خواهد شد.
19.اهمیت این موضوع برای تولیدکنندگان آهک کلسینه
نتایج این پژوهش یک پیام مهم برای تولیدکنندگان آهک دارد:
کیفیت محصول و بهرهوری انرژی از یکدیگر جدا نیستند.
بهینهسازی شرایط کوره میتواند هم مصرف انرژی را کاهش دهد و هم به کنترل کیفیت محصول کمک کند. عواملی مانند دمای کلسیناسیون، زمان ماند، نوع کوره، نحوه انتقال حرارت و شرایط احتراق بر عملکرد فرآیند تأثیرگذار هستند.
از طرف دیگر، حرکت جهانی صنعت به سمت کاهش انتشار CO₂ باعث میشود در آینده، شاخصهایی فراتر از خلوص CaO و کیفیت فیزیکی محصول نیز اهمیت بیشتری پیدا کنند؛ از جمله:
- مصرف انرژی ویژه
- شدت انتشار CO₂
- راندمان حرارتی کوره
- نوع سوخت
- امکان استفاده از انرژی کمکربن
- قابلیت اتصال کارخانه به سیستم جذب و ذخیره CO₂
بنابراین، بهینهسازی فرآیند کلسیناسیون نهتنها یک موضوع زیستمحیطی، بلکه یک موضوع اقتصادی و رقابتی برای صنعت آهک خواهد بود.
20.جمعبندی
تولید آهک کلسینه به دلیل نیاز به حرارت بالا و انتشار CO₂ ناشی از واکنش کلسیناسیون، یکی از صنایع دشوار برای کربنزدایی است.
پژوهش Mitraki و همکاران نشان میدهد که جایگزینی سوخت فسیلی بهتنهایی نمیتواند کاهش عمیق انتشار را محقق کند؛ زیرا بخش بزرگی از CO₂ مستقیماً از تجزیه کربنات کلسیم حاصل میشود.
بر اساس نتایج مطالعه، ترکیب تغییر سوخت، بهینهسازی فرآیند، برقیسازی، احتراق با اکسیژن و جذب CO₂ میتواند مسیرهای مؤثرتری برای آینده صنعت آهک ایجاد کند.
در میان گزینههای بررسیشده، Oxycombustion همراه با جذب CO₂ به دلیل ایجاد گاز خروجی با غلظت بالای CO₂ و عملکرد مناسب از نظر انرژی، هزینه و انتشار، یکی از امیدوارکنندهترین مسیرها معرفی شده است.
همچنین، در صورت ترکیب زیستانرژی پایدار با جذب و ذخیره CO₂، امکان دستیابی به انتشار خالص منفی نیز وجود دارد.
در نهایت، انتخاب فناوری آینده به یک عامل واحد وابسته نیست و باید بر اساس مجموعهای از عوامل شامل قیمت انرژی، قیمت CO₂، فناوری کوره، دسترسی به سوختهای کمکربن، زیرساخت انتقال و ذخیره CO₂ و هزینه سرمایهگذاری انجام شود.
منبع اصلی مقاله
منبع اصلی این مقاله:
Mitraki, R., Salman, M., Flórez-Orrego, D., Maréchal, F., & Léonard, G. (2026). Optimization of Energy Transition Pathways in the Lime Industry: A Superstructure Approach. Journal of Cleaner Production, 575, 149173. DOI: 10.1016/j.jclepro.2026.149173. ORBi
مشاهده صفحه رسمی مقاله در ScienceDirect
FA
EN
AR 


