Cementproductie: stap voor stap uitgelegd

Cement is een essentieel materiaal voor de bouw van gebouwen en grote constructies zoals dammen, bruggen, energiecentrales, enzovoort, omdat het de productie van beton mogelijk maakt wanneer het gemengd wordt met andere materialen zoals zand en grind. Het beheersen van cementproductie en -gebruik is een hoeksteen geweest in de ontwikkeling van de moderne beschaving. Het hebben van hoogwaardig cement is verplicht om complexere, efficiëntere en weerbaarere gebouwen te kunnen construeren. Het optimaliseren van het cementproductieproces is ook cruciaal voor onze toekomst, aangezien het proces zeer energie-intensief is en een groot deel van de wereldwijde CO₂-emissies genereert. Dit artikel richt zich op het fabricageproces van cement, de CO₂-voetafdruk ervan, en geeft een overzicht van het productieproces stap voor stap. Andere artikelen op de website gaan dieper in op eenheidsbewerkingen die binnen dit proces worden toegepast (mengen, malen, enz.), waaraan de lezer kan refereren voor meer informatie.

1. Overzicht van het cementproductieproces

Wat zijn de verschillende stappen voor het fabriceren van cement?

Het productieproces van cement is niet bijzonder complex, maar omvat vele stappen om van ruwe kalksteenrotsen tot hoogwaardig cement te komen. De stappen zijn als volgt [Britannica]:

• Winning van kalksteenrotsen in een groeve
• Verkleinen van de kalksteenrotsen tot fijn gemalen kalksteen
• Toevoeging van klei en zand
• Malen tot een fijn mengsel van kalksteen, klei en zand
• Pyroverwerking in een oven, wat leidt tot de productie van klinker
• Afkoeling en toevoeging van gips
• Malen van gips en klinker, die samen het cement vormen

Het blokschema van het cementproductieproces is hieronder weergegeven:

Figuur 1: Blokschema van het cementproductieproces

2. Cementproductie stap voor stap

2.1 Kalksteenrots vergruizen

Het vergruizen van kalksteenrotsen gebeurt doorgaans met een breker. Het type machine dat voor dit doel wordt gebruikt, kan variëren afhankelijk van de specifieke toepassing en de gewenste eindproductgrootte.

Een veelgebruikte machine voor het vergruizen van kalksteenrotsen is een kaakbreker. Dit type breker gebruikt een vaste en een beweegbare kaak om de rotsen te comprimeren en te breken in kleinere stukken. Een ander type machine dat kan worden gebruikt, is een slagbreker, die met hoogwaardige roterende hamers de rotsen verbrijzelt in kleinere fragmenten.

Beide machines zijn effectief voor het vergruizen van kalksteenrotsen, maar de keuze hangt af van factoren zoals de gewenste eindproductgrootte, de hoeveelheid te verwerken materiaal en de specifieke eigenschappen van de te vergruizen kalksteen.

2.2 Fijnmalen van kalksteen, klei en zand

De productie van cement omvat doorgaans het malen van gemalen kalksteen, klei en zand. De grondstoffen worden gemalen tot een fijn poeder, dat vervolgens wordt gemengd en verhit om cement te vormen.

Een type machine dat in dit proces wordt gebruikt, is een kogelmolen. Deze machine gebruikt roterende cilinders gevuld met stalen kogels om de grondstoffen tot een fijn poeder te malen. De cilinders draaien op een relatief lage snelheid, waardoor de kogels cascaderen en de grondstoffen malen. Het resulterende poeder wordt vervolgens door een classifier geleid om eventuele te grote deeltjes te scheiden voordat het wordt gemengd en verhit om cement te vormen. Het gebruik van een kogelmolen is gebruikelijk in het cementproductieproces, omdat het efficiënt, kosteneffectief is en een consistent product kan leveren.

2.3 Pyroverwerking in een oven voor klinkerproductie

De productie van klinker in een oven is een sleutelproces in de cementproductie. De grondstoffen die in dit proces worden gebruikt, omvatten doorgaans kalksteen, klei en zand, terwijl andere mineralen zoals ijzererts en schalie ook kunnen worden gebruikt. Zoals hierboven uitgelegd, moeten deze materialen eerst worden vergruisd en gemalen tot een fijn poeder voordat ze worden gemengd en in de oven worden gevoerd.

De oven is een grote, cilindrische verbrandingsoven die wordt verhit tot hoge temperaturen, meestal rond 1400-1500°C, met behulp van steenkool, aardgas of andere brandstoffen. Terwijl de grondstoffen in de oven worden gevoerd, worden ze geleidelijk verhit en omgezet in een gesmolten mengsel dat klinker wordt genoemd. Dit proces omvat een reeks chemische reacties, waaronder de afgifte van koolstofdioxide en de vorming van nieuwe mineralen. Deze processtap is zeer energie-intensief en is een van de hoofdredenen waarom cementproductie een groot aandeel heeft in de wereldwijde broeikasgasemissies.

Het doel van het gebruik van een oven bij de productie van klinker is het creëren van de nodige omstandigheden voor chemische reacties, wat uiteindelijk resulteert in de vorming van een hard, vast materiaal dat tot een fijn poeder kan worden gemalen en gebruikt om cement te maken. Klinker is een essentiële component in de cementproductie, omdat het de bindende eigenschappen levert die ervoor zorgen dat het eindproduct uithardt en verhardt.

2.4 Klinkermalen voor cementproductie

Zodra de klinker in de oven is geproduceerd, wordt deze afgekoeld en vervolgens gemalen tot een fijn poeder met behulp van een combinatie van kogelmolens en verticale walsmolens. Tijdens het maalproces wordt doorgaans gips toegevoegd aan het klinkerpoeder om de uithardingstijd van het resulterende cement te regelen. Andere additieven kunnen ook worden toegevoegd om de eigenschappen van het eindproduct te wijzigen, zoals slak, vliegas of pozzolaanhoudende materialen.

Het maalproces maakt gebruik van machines zoals kogelmolens en verticale walsmolens. Kogelmolens zijn cilindrische apparaten die om een horizontale as draaien en stalen kogels gebruiken om de klinker en additieven tot een fijn poeder te malen. Verticale walsmolens gebruiken daarentegen walsen om de klinker en additieven te malen, die aan de bovenkant van de molen worden gevoerd en vervolgens tussen de walsen en de onderliggende tafel worden gemalen. Beide typen molens worden veel gebruikt in de cementproductie.

Zodra de klinker en additieven tot fijn cementpoeder zijn gemalen, wordt het cement getransporteerd naar opslagsilo’s en vervolgens naar verpakkings- en distributiefaciliteiten voor verzending.

Het resulterende cement kan worden gebruikt voor een breed scala aan bouwtoepassingen, waaronder de productie van beton, mortel en andere bouwmaterialen.

3. Energiebehoefte en CO₂-emissies van cementproductie

3.1 Hoeveel CO₂ wordt er per ton geproduceerd cement uitgestoten?

Cementproductie is een energie-intensief proces door de hoge temperaturen die nodig zijn om klinker in een oven te produceren, maar ook door de chemische reacties die plaatsvinden tijdens pyroverwerking.

Het proces van klinkerproductie omvat het verhitten van een mengsel van grondstoffen tot extreem hoge temperaturen, meestal rond 1400-1500°C, wat aanzienlijke hoeveelheden energie vereist. Het gebruik van fossiele brandstoffen zoals steenkool, aardgas en olie is gebruikelijk in de cementproductie, zowel als brandstof voor de oven als warmtebron voor andere delen van het proces, wat leidt tot CO₂-emissies door verbranding. Chemische reacties in de oven (calcinatie) zijn echter ook verantwoordelijk voor tot 60% van de totale emissies van het cementproductieproces [PCA].

Bovendien vereisen malen en vergruizingsoperaties, zowel stroomopwaarts (kalksteen vergruizen en malen) als stroomafwaarts (malen van klinker tot cementpoeder), ook aanzienlijke hoeveelheden energie.

De hoeveelheid CO₂ die wordt geproduceerd voor 1 ton cement kan variëren, afhankelijk van verschillende factoren, waaronder het specifieke productieproces, het type oven dat wordt gebruikt en de bron van de gebruikte brandstof. Gemiddeld wordt echter geschat dat de productie van 1 ton cement resulteert in de uitstoot van ongeveer 900 kg CO₂ [PCA].

Het aandeel van cementproductie in de wereldwijde broeikasgasemissies varieert afhankelijk van de geraadpleegde bronnen. De Portland Cement Association schat de CO₂-emissies als gevolg van cementproductie op ongeveer 1,5% van het Amerikaanse totaal, terwijl andere bronnen [BBC] aangeven dat tot 8% van de wereldwijde CO₂-emissie toe te schrijven is aan cement. In elk geval gaat het om aanzienlijke hoeveelheden CO₂, waardoor er veel op het spel staat bij het optimaliseren van het cementproductieproces en het energie-efficiënter maken ervan.

3.2 Hoe de milieueffecten van cementproductie te verminderen?

De cementindustrie staat onder druk om oplossingen te vinden om het cementproductieproces te decarboniseren. Onder de oplossingen die worden geïmplementeerd of onderzocht, bevinden zich de volgende:

• Procesoptimalisatie / Energiebesparing: zoals bij elk proces kunnen verbeteringen worden bereikt door het proces beter te beheersen, bijvoorbeeld door betere automatisering en regeling van de oven, of door ervoor te zorgen dat warmte uit de oven kan worden teruggewonnen en gebruikt om materialen voor te verwarmen.

• Alternatieve brandstoffen: Een benadering om CO₂-emissies in de cementproductie te verminderen, is het vervangen van fossiele brandstoffen door alternatieve brandstoffen zoals biomassa, afvalmaterialen of hernieuwbare energiebronnen. Dit kan helpen om de totale CO₂-voetafdruk van het productieproces te verkleinen.

• CO₂-afvang en -hergebruik: Een andere benadering is het afvangen van de CO₂-emissies die tijdens het productieproces vrijkomen en deze vervolgens op te slaan of te gebruiken voor andere doeleinden, zoals de productie van andere materialen.

• Alternatieve cementachtige materialen: Onderzoekers verkennen ook het gebruik van alternatieve cementachtige materialen, zoals vliegas, slak of pozzolaanhoudende materialen, die gedeeltelijk als vervanging voor klinker in de cementproductie kunnen worden gebruikt (verlaging van de klinker-cementverhouding).Dit kan helpen om de hoeveelheid energie en emissies die gepaard gaan met de productie van klinker te verminderen.

• Innovatieve productieprocessen: Er worden verschillende innovatieve productieprocessen ontwikkeld om de cementproductie efficiënter en duurzamer te maken, zoals het gebruik van gecalcineerde klei, nieuwe ovensontwerpen en het gebruik van CO₂-neutrale brandstoffen zoals waterstof.

Bron

[Britannica] Cement, Encyclopedia Britannica online
[PCA] CO₂-voetafdruk, Portland Cement Association
[BBC] Klimaatverandering: De enorme CO₂-uitstoter die u misschien niet kent, BBC News online