CO2 EMİSYONLARINI AZALTMADA ÇİMENTO KİMYASALLARININ ETKİSI

Riccardo Stoppa, Mike Sumner
GCP Uygulamalı Teknolojiler ve Yapı Kimyasalları
Çimento, yıllık 4 milyar tonu aşkın üretimiyle dünyadaki en yaygın insan yapımı malzemedir. Bu kadar büyük ölçekteki risklerle imalat yapmak çevreyi önemli ölçüde etkilemektedir ve fosil yakıtların ikamesi ve SOx, NOx toz vs. gibi emisyonların düşürülmesi gibi alanlarda özel bir titizlik ve başarı ile sektörün enerji verimliliği mükemmel bir sürekli gelişim kaydetmektedir.
Bu tür hacimler göze alındığında çimento imalatı, insan kaynaklı CO2 emisyonlarının önemli bir bölümünden sorumludur. Bu, öncelikli olarak klinker üretimi sırasın da kalsiyum karbonatın kalsinasyonundan, fosil yakıt yakılması ve elektrik tüketiminden (çoğunlukla öğütme için) dolayı ortaya çıkmaktadır. Portland çimento klinkerinin her bir tonu yaklaşık olarak 1,25 ton kalker gerektirir ki bu da kalsinasyon sırasında 0,5 ton CO2 salınımına tekabül eder. Çoğunlukla fosil yakıtlardan sağlandığında, birincil enerji, (yakıt, süreç tipi ve verimliliğe bağlı olarak) 0.2 ila 0.5 ton CO2 salar. Böylece klinkerin her bir tonunda buna bağlı 0,7 ila 1,0 ton CO2 bulunmaktadır. (CSI CO2 protokolü satın alınan klinkerin her bir tonunda 0,82 t CO2 değerini varsayılan olarak kabul etmektedir. Elektrik tüketimi buna bir 0,05 – 0,15 ton daha eklemektedir (elektrik üretimi için toplam kWh/ton ve yakıt kaynağına bağlı olarak).
İmalatçılar, net CO2 emisyonlarını önemli ölçüde düşürmek için, CO2 vergileri ve karbon emisyonları ticareti planı da dahil olmak üzere oluşturulan azaltma protokolleri ve dünya çapında mevcut yönetmelikle genel taahhütte bulunmuşlardır. Çimento için karbon ayak izini düşürmenin bir dizi yaklaşımı bulunmaktadır ve geliştirilmiş enerji verimliliği ve alternatif yakıtlardan faydalanma gibi bunlardan bazıları hâlihazırda ziyadesiyle uygulanmıştır. Çimentodaki klinker faktörünün daha fazla miktarlarda ek tutucu madde (SCM’ler) kullanılarak düşürülmesi ilave bir yaklaşımdır ve buna, çimento kimyasallarının uygun kullanımı ile önemli bir dereceye kadar olanak tanınabilir.
CO2 Emisyonunun Azaltımı
Enerji tüketiminin azaltılması, on yıllardır hem maliyet hem de çevresel etki faydalarına sahip sürekli bir iyileştirme odağı olmuştur. Klinker süreci optimizasyonu önemli ölçüde azaltılan GJ7t ile ve buna bağlı olarak azalan CO2 emisyonu ile sonuçlanmıştır. Sektör ayrıca sıfır karbon oranlı alternatif/atık yakıt kullanımını geniş çapta benimsemiştir. Bunda karbondan arındırılmış hammaddeler, mineralizasyon ve azaltılmış trikalsiyum silikat içeriği de ayrıca rol oynamıştır. Birçok girişim fırın ve yakıt ile ilgillenmiş iken, öğütme işleminin optimizasyonunun da CO2’nin azaltılmasında, her ne kadar daha az etkiye sahip olsa da, bir rolü olmuştur. Özel enerji tüketimi geliştirilmiş öğütücü sistemi tasarımı kullanılarak, mevcut ekipmanın optimizasyonuyla, çimento kalitesinin seçimiyle ve klinker öğütülebilirliğinin geliştirilmesi ile azaltılabilir. Ayrıca CO2’nin dengelenmesi (örn: orman dikimi/yönetimi) ve hatta CO2 yakalanması ve depolanması konusunda çalışmalar yapılmıştır.
Ancak, CO2 emisyonlarının azaltılmasındaki önemli bir araç çimento içerisinde artan miktarda ek tutucu madde (SCM) kullanmak suretiyle klinker faktörünün azaltılmasıdır.
Çimento Klinker Faktörünü Azaltma
Şaşırtıcı olmayan bir şekilde çimento klinkeri içeriği büyük oranda ton başına salınan CO2 ile bağlantılıdır. Klinker tonu başına 862 kg CO2 gibi bir taban CO2 faktörü kullanmak suretiyle, klinker faktöründeki her bir %1’lik kısım, salınan CO2’yi her bir ton çimento başına 8-9 kg düşürebilir.
Çimentodaki yüksek fırın cürufu, uçucu kül, puzzolan ve kalker gibi malzemelerin kullanımı, piyasa ihtiyaçları ve ekonomik çekicilik temelinde yıllardır uygulanmaktadır. CO2 emisyonunu azaltmak için bir ekonomik araç olarak SCM’lere olan ilgi daha da fazla artmaktadır.
Ancak, klinker faktörünü azaltmak için SCM seviyesinin arttırılması, genellikle bir dereceye kadar daha kötü çimento performansı ile sonuçlanır. Örneğin, daha yavaş erken mukavemet gelişimi en genel sınırlayıcı faktör olmasına rağmen, SCM’deki her bir %1’lik artış 28 günlük çimento mukavemetini 0,2 – 0,8 MPa düşürebilir (SCM türü, incelik, öğütücü sistemi, klinker karakteristiği vs. gibi birçok faktöre bağlı olarak).
Klinker ikamesinin seviyesinin arttırılması ve piyasa kabulü sürekliliğinin devam ettirilmesi, örneğin artan klinker kalitesi, artan çimento inceliği veya bir kimyasal katkı maddesinin uygun şekilde uygulanması yoluyla çimento performansındaki bir artış ile önemli ölçüde desteklenebilir.
Klinker kalitesinin arttırılması, kimyasal ve fiziksel özellikler ve proses operasyonu dahil olmak üzere tüm üretim faktörlerinin etkilerinin tamamen göz önüne alınmasını gerektirir. LSF’yi (böylece C3S’i) arttırmak sıklıkla uygulanır, ancak yakma rejimi ve mikro yapı üzerindeki etkilere karşı dengelenmelidir. Mineralizasyon bir miktar başarıyla artan C3S seviyelerine olanak sağlamıştır. 1 MPa’ lık mukavemet artışının, eşit performans için klinker faktöründeki % 1 ila 2’lik bir azalmaya yol açması beklenir ve böylece bir ton çimento başına 8-17 kg CO2 azalması sağlar. Klinker kalitesini değiştirmenin bir hazır alternatifi bir çimento performans kimyasalı kullanımıdır (veya Kalite İyileştirici).
Çimento Kimyasallarından Faydalanma
Bunlar, bir çimento imalat sürecine entegre edildiklerin de çimento üreticilerinin değirmen tonajı ve verimliliğini arttırmasına sebep olan ve performansı, kaliteyi ve bitmiş çimentonun işlemesini önemli ölçüde arttıran ve böylece çimento verimlilik ve karlılığını arttıran kimyasal bileşenlerdir. Bu tür katkı maddelerinin ana avantajı daha düşük çimento bileşimsel maliyetlerinden artan tonaj elde etmek ve her bir ton klinkerden elde edilen artan çimento hacminden ekonomik kazanç yaratmak iken, bu kimyasal katkı maddeleri ayrıca çimento tonu başına daha düşük CO2 emisyonu sağlamaktadırlar.
Bir “öğütme yardımcısı” olarak kullanıldığında, doğrudan değirmen tonajını arttırma, kWh/t tüketimini düşürme ve böylece CO2 emisyonunu azaltma kabiliyeti vardır, ancak CO2’ye daha önemli bir etkisi, daha düşük incelik yaratan veya daha önemlisi klinkerin SCM’ lerle daha fazla ikamesi için “kalite iyileştiricilerin” kullanımı yoluyla geliştirilmiş çimento hidrasyonu ve performansı sonucunda elde edilir.
Geniş anlamda Blain’deki 10m2/kg azalma (yani, alçı vs. SCM’lerin farklı farklı etkilerine izin veren, CEM I için Blaine eşdeğeri) 1-2 kWh/t kadar enerji tüketimini düşürür ve böylece çimento tonu başına CO2’yi 0,5 – 1 kg düşürür. Hedef 28 günlük mukavemetler üzerinde ortalama 2MPa geliştirme etkisi olan bir çimento kimyasalının kullanımı, Blaine’de 40m2/kg azalmaya izin verebilir ve böylece 4 -8 kWh/t enerji azalması ve çimento tonu başına 2- 4kg CO2 azalımı sağlanır.
Daha tipik olarak, çimento kimyasalları basitçe inceliği düşürülmesi yerine klinker faktörünün azaltılması için kullanılmıştır. Bu formüle edilmiş çimento kimyasalları 80 yıldan fazla zamandır kullanılmaktadır ve 2- 10 MPa aralığında mukavemet kazancı temini ortaya koymaktadır. Böylece çimento kimyasallarının klinker faktörünü % 3-10 gibi düşürebilmesi (SCM seviyelerini arttırarak) ve buna bağlı olarak çimentoda ton başına CO2 oranını düşürmesi oldukça yaygındır.
Uygun çimento kimyasalının seçimi, geniş ölçüde SCM’nin çimento performansını nasıl etkilediğine bağlıdır. Örneğin, cüruf ve uçucu külün en çok erken mukavemet ve priz alma zamanına etkisi bulunur, bu nedenle priz alma zamanını kısaltabilen ve erken dayanımı arttıran çimento kimyasalı formülasyonları kullanılır. Bazı SCM’ler su gereksinimi azaltan bir kimyasal katkı maddesi gerektirirken, kalkerli çimentolar 28 günlük mukavemet arttıran bir katkı maddesi gerektirir
Daha düşük klinker faktöründen ortaya çıkan ekonomik fayda burada tartışılmamaktadır, ancak genelde SCM ve klinker arasındaki maliyet farklılığına bağlıdır. Ancak, klinker faktörünün azaltılması Çimento tonu başına CO2 emisyonunda 25-90 kg arasında doğrudan bir azalış sağlar.
Böylece çimento kimyasallarının kalite arttırıcı etkisi ve klinker faktörünü azaltma yeteneği, çimento tonu başına CO2 emisyonunu azaltmada daha önemli bir vasıtadır.
Çimento Kimyasalları ve CO2: Genel Prensipler
CO2’nin düşürülmesinde çimento kimyasallarının faydalarını değerlendirmek için genel prensipler Tablo 1’de bildirilmiştir. Spesifik sistemlerin durumu ve ayarlanmasının hesaplanması için geçici düzenlemeler yapılmalıdır.
Durum Çalışması
İtalyan CEM II / A-LL 42,5 R çimentosu ile bir durum çalışması tablo 2 ve 5 ‘de verilmiştir. Bir işlenmemiş çimentonun (bundan sonra “referans”), aynı çimentonun GCP Uygulamalı Teknolojiler tarafından özelleştirilmiş kalite geliştiricisi (“Çimento kimyasalı”) ile işlenmiş hali ile karşılaştırılması için 2 günlük sürede yapılan bir saha deneyi tamamlanmıştır. İşlem optimizasyonunun birleşik etkisi ve çimento kimyasalları yolu ile mukavemet artışı sayesinde, sabit çimento performansında (mukavemet, priz alma süresi, reoloji) %5’lik klinker değişimi ile kalker içeren bir çimento üretmek mümkün olmuştur. Çimento kimyasalının öğütmeye olan katkısı sayesinde, değirmen tonajı da ayrıca spesifik enerji tüketiminde bir azalma sağlayacak şekilde artmıştır. Endüstriyel denemelerin sonuçları Tablo 2’de verilmektedir.
Klinker oranının değişimi ve belirli enerji tüketiminin CO2 emisyonlarına etkisi Tablo 1’deki genel prensiplere göre hesaplanabilir ve Tablo 3’de belirtilmiştir. Öğütme sisteminden gelenler yaklaşık %15 oranında azaltılabilirken (veya çimento tonu başına 3 kg), klinkerizasyon işlemi ile CO2 emisyonları kabaca %6 oranında azaltılabilir (veya çimento tonu başına 43 kg CO2). Çimento tonu başına toplam CO2 emisyonları GCP Uygulamalı Teknolojilerince özelleştirilmiş kalite geliştiricisinin kullanımı yoluyla takriben %6 oranında azaltılır.
Saha deneyi sonuçlarının bir özeti Tablo 5’te verilmektedir. Unutulmamalıdır ki, toplam üretim kapasitesi arttırılarak (+%17), çimentonun imalat maliyeti düşürülerek (-%5) ve son olarak fakat en azı değil çimento tonu başına CO2 emisyonu önemli ölçüde düşürülerek (-%6), eşit (veya daha fazla) mukavemete sahip bir çimento, çimento kimyasalının kullanımıyla üretilmiştir.
Sonuçlar
Çimento üretimi, insan kaynaklı CO2 emisyonunun %5’ in den sorumludur ve CO2 emisyonlarını azaltmanın önemli bir yolu çimentodaki klinker faktörünün azaltılmasıdır (SCM’ leri artırarak). Ancak artan SCM seviyesi genellik- le biraz daha zayıf çimento performansı ile sonuçlanır. Kimyasal katkı maddelerinin özel enerji tüketiminin düşürülmesine yardımcı olmasına ek olarak bunlar ayrıca azaltılmış klinker faktörünün istenmeyen etkilerini kısmen dengeleyebilir, bu sebeple çimento tonu başına CO2 emisyonlarının düşürülmesine izin verir.
Tipik işletme koşullarında özelleştirilmiş bir çimento kimyasalının nasıl CO2 emisyonlarını düşürdüğünü gösteren bir dizi genel prensipler verilmiştir (Tablo -1). Yüzde azalma, SCM tipi ve çimento kimyasalı kabiliyeti ile alakalı münferit durumlardaki özgünlüğün fonksiyonudur.
GCP özelleştirilmiş çimento kimyasalının Portland Kalkerli çimentoya uygulanmasındaki tatbiki faydaları gösteren bir örnek de ayrıca verilmiştir (Tablo 2 ve 5). Hatırı sayılır ekonomik tasarrufa ek olarak (değişken maliyetlerde % 4-5), klinker faktörünün azaltılmasından ve o kadar olmasa da öğütme sistemi optimizasyonundan (özel enerji kullanımında -%15) % 6,3’lük CO2 emisyon azalımı da ayrıca elde edilmiştir.
GCP Uygulamalı Teknolojilerin özel çözümleri de dâhil olmak üzere çimento kimyasalları bu nedenle çimento üretiminde CO2 emisyonlarının düşürülmesine yardımcı olan, tutarlı ve hazır uygulanan araçlardır.
Referanslar [1] Cement Sustainability Initiative, www.wbcsdcement.org [2] C.A. Hendriks, E Worrell, D. de Jager, K. Blok, ve P. Riemer. Emission Reduction of Greenhouse Gases from the Cement Industry Vancouver, Canada (2004). [3] G. K. Moir. Improvement in the early strength properties of Portland Cement Phil. Trans. Roy. Soc. London vA310, -138 (1983) sf. 127. [4] Reducing CO2 emissions through cement grinding optimization. ICR Cement Plant Environmental Handbook, 2nd Edition, November 2014 [5] M. Sumner. Ensuring Additive Rewards. ICR, no. 9, pp. 71- 74 2010.