传统水泥熟料生产方法普遍存在高能耗和高碳排放特征，其中高硅酸三钙(C3S)熟料的制备通常需要更高的煅烧温度和更长的处理时间。本研究提出并验证了一种采用电热耦合方式快速煅烧高C3S水泥熟料的新方法。电热耦合快速煅烧(ETCRC)方法通过施加直流电场作用于样品，利用焦耳热效应在较低的炉温条件下实现快速煅烧。实验系统考察了煅烧温度、时间和电流密度对熟料易烧性的影响，并分析了电流对促进煅烧动力学的机理作用。结果表明，ETCRC方法可在1300 °C炉温、20 min煅烧时间及1.18 A/cm2电流密度条件下成功制备出游离氧化钙(f‑CaO)含量低于1.5 wt%的高C3S水泥熟料。与传统直接煅烧(TDC)相比，ETCRC制备的熟料活化能从154.32 kJ/mol显著降低至34.04 kJ/mol，仅在该实验室装置中即可实现约34.06%的能耗降低。该方法不仅提升了煅烧效率，也为水泥行业的节能降耗与碳减排提供了可行路径。
研究背景方面，全球硅酸盐水泥年产量已超过40亿吨，是基础设施建设的基石材料，但其生产过程尤其是熟料煅烧阶段消耗大量热能，并在化石燃料燃烧及石灰石分解过程中释放大量二氧化碳(CO2 )，占全球人为排放量的5%–7%。传统回转窑需在约1450 °C高温下长时间加热原料，能效低且温室气体排放高。现有改进措施如富氧燃烧与余热回收虽有一定成效，但未改变外部辐射加热的本质，仍受制于传热损失。替代技术如微波加热和太阳能煅烧因设备安全性、温控难度或成本高昂尚未大规模工业应用。与此同时，高性能水泥需求增长推动了高硅酸三钙(C3 S)熟料的研发，因其水硬性优异、强度高，可显著提升混合水泥中矿渣、粉煤灰等掺合料的替代比例，从全生命周期角度实现净减排。然而，高C3 S熟料在传统工艺中更难烧成，需要更高温度与更长保温时间，导致能耗与排放进一步增加。因此，亟需开发兼具高效、低碳、可工业化的新型煅烧技术。该论文发表于《Sustainable Chemistry and Pharmacy》。
研究人员采用的主要关键技术方法包括：电热耦合快速煅烧(ETCRC)技术，利用直流电场与焦耳热效应实现物料内部体积加热；与传统直接煅烧(TDC)进行对比实验，系统调控煅烧温度（炉温）、保温时间与电流密度三个变量；结合电学行为监测分阶段解析煅烧过程；利用动力学模型计算活化能变化；通过数值模拟获得样品实际温度分布。实验所用原料为分析纯化学试剂配制的生料，设备由直流电源与管式炉组成，电极采用耐高温铂片。
研究结果部分，首先在原料与实验装置 方面，研究人员使用分析纯CaO、SiO2 、Al2 O3 和Fe2 O3 配制目标矿物组成的生料，并在管式炉内结合直流电源实施ETCRC。铂电极确保高温及通电条件下的稳定性。其次，在电学行为随煅烧时间的变化 分析中，ETCRC过程分为三个阶段：初期电流逐步上升，中期因焦耳热导致电阻快速下降、电流激增，后期进入稳定煅烧阶段，样品内部温度显著高于炉温。再次，在煅烧条件优化 中，研究人员确定最佳参数为1300 °C炉温、20 min保温、1.18 A/cm2 电流密度，所得熟料游离氧化钙(f‑CaO)含量低于1.5 wt%，符合高C3 S熟料质量要求。与传统TDC相比，ETCRC显著缩短时间并降低炉温。第四，在煅烧动力学分析 中，活化能由154.32 kJ/mol降至34.04 kJ/mol，表明电流促进了固相反应进程，提高了反应速率。第五，在温度场模拟 中，数值计算显示样品内部温度因焦耳热而高于炉温，验证了体积加热的优势。
讨论部分指出，ETCRC通过物料内部直接产热避免了传统间接加热的传热阻力与外壳散热损失，且装置结构简单，易于与现有回转窑系统集成。相比微波加热，其电极配置更易工业化；相比等离子体加热，其对耐火材料要求更低。该技术还可灵活匹配间歇性可再生能源供电，参与电网需求响应，并可作为热能存储手段。研究人员提出两条工业集成路径：一是在现有生产线预热带引入ETCRC模块；二是开发专用电热回转窑段。结论部分总结认为，ETCRC能够在较低炉温和较短时间内制备优质高C3 S熟料，显著降低活化能与能耗，为水泥行业提供了一条可行的低碳高效生产路线。该研究得到宁夏自然科学基金项目(2024AAC03065)资助。
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