1.2. Werkingsprincipe

Cement wordt geproduceerd door menging van gemalen klinker met, al naar gelang de cementsoort, verschillende toeslagstoffen, zoals hoogovenslak, vliegas en gips (Figuur 1). 

Figuur 1. Principe van productie van cement (FEBELCEM, 2006)

De klinker zelf wordt in een cementoven gevormd, door thermische behandeling van een aantal basisbestanddelen, waaronder kalk, siliciumoxide, aluminiumoxide en ijzeroxide (uit natuurlijke en alternatieve grondstoffen). De mineralogische omvorming van de grondstoffen tot klinker gebeurt in een draaitrommeloven, in de volgende temperatuurfasen (Figuur 1):

• Tot 550°C: voorwarming, droging en dehydratatie;
• 550 - 900°C: decarbonisatie van CaCO3 tot CaO en CO2;
• 900 - 1.300°C: eerste omkristallisatiereacties of calcinatiereacties;
• 1.300 - 1.450°C: sintering en vorming van klinker.

Figuur 2. Werkingsprincipe van een cementoven – productie van klinker (verbrandingsfase) (FEBELCEM, 2006).

Om deze materiaaltemperaturen te kunnen bereiken, moet de temperatuur van de rookgassen die het materiaal opwarmen, 200 - 600°C hoger zijn dan de aangegeven temperaturen. Een cementoven is bijgevolg erg energie-intensief. De theoretische energiebehoefte van de chemische reacties is 1.700 – 1.800 MJ/ton klinker (EIPPCB, 2013). In de praktijk is de energiebehoefte minimaal 3.000 MJ/ton. Energie staat dan ook in voor 30 – 40% van de productiekosten. 

Omwille van de energie-efficiëntie is het nuttig om energie toe te voegen aan het proces, op die plaatsen waar de meest endotherme reacties plaatsvinden. De sintering vereist de hoogste vlamtemperatuur (≤ 2 000 °C). Daarom is de hoofdbrander aan het einde van de cementoven aangebracht. De rookgassen bewegen zich in tegenstroom met het materiaal door de oven.

Als brandstof wordt hoofdzakelijk gebruik gemaakt van vermalen cokes en steenkool en in mindere mate ook van stookolie en aardgas. Gezien de robuustheid van het proces, de hoge temperaturen en de lange verblijftijd, is het mogelijk om een aanzienlijk deel van de brandstof te vervangen door niet-gevaarlijk en gevaarlijk afval met voldoende hoge calorische waarde. Hiervoor worden verschillende branders voor vaste, visceuze, vloeibare en gasvormige brandstoffen toegepast. Behalve als alternatief voor brandstof kunnen afvalstoffen, met een hoge asrest, ook grondstoffen leveren die essentieel zijn voor de productie van klinker, bv. waterzuiveringsslib (kalk, silicaten, Fe, Al, Mg) of autobanden (ijzer).

Afhankelijk van het watergehalte van het grondstofmengsel wordt een ander proces en een daaraan gekoppeld ovenconcept gebruikt:

• Nat proces: wordt toegepast wanneer grondstof van goede kwaliteit uit een waterrijke delving gewonnen wordt (vochtgehalte 30%). Als oventype wordt de lange draaitrommeloven gebruikt.
• Semi-nat of semi-droog proces.
• Droog proces : wordt gebruikt wanneer de grondstoffen in droge toestand gedolven worden.

Het nat proces wordt uitgevoerd in één lange draaitrommeloven, waarin alle fasen van voorverwarming tot sintering doorlopen worden. De lengte van de draaitrommeloven kan tot 200 m bedragen. Bij het droge proces kunnen de voorverwarming en de decarbonisatie ook gebeuren in een installatie met opeenvolgende cyclonen. Het droge grondstofmengsel wordt bovenaan in de eerste cycloon toegevoegd en valt via de cascade van cyclonen in tegenstroom met de hete rookgassen uiteindelijk in de draaitrommeloven. De draaitrommeloven is aanzienlijk korter, wat de warmteoverdracht en het energetisch rendement ten goede komt.

De hoofdbrander bevindt zich aan het uiteinde van de draaitrommeloven. Verschillende branders voor vaste, visceuze, vloeibare en gasvormige brandstoffen worden toegepast. De korrelgrootte van de vaste brandstoffen dient kleiner te zijn dan enkele millimeter. De capaciteit van de hoofdbrander moet voldoende zijn om de energiebehoefte van het volledige proces, en vooral van de sintering en de decarbonisatie te dekken. Sommige ovens beschikken over de mogelijkheid om vaste brandstoffen via kleppen in de decarbonisatiezone te brengen (Midkiln brandstoftoevoer). Verkleining is hierbij niet nodig. Hoeveelheden van 50 tot 100 kg kunnen in zijn geheel ingebracht worden.

Een klinkeroven kan door hoge verwerkingstemperatuur, de lange verblijftijden en de verschillende mogelijkheden voor brandstoftoevoer een breed gamma aan gevaarlijke en niet-gevaarlijke afvalstoffen verwerken. De energie-inhoud van de gebruikte afvalstoffen varieert van 3 - 40 MJ/kg (EIPPCB, 2013). Enkele voorbeelden van de calorische waarde van afvalstoffen gebruikt in de Europese cementindustrie zijn weergegeven in .

Tabel 2. Voorbeelden van calorische waarde van afvalstoffen gebruikt in de Europese cementindustrie (EIPPCB, 2013)

Papier/karton is met een calorische waarde van 3 - 16 MJ/kg een geschikte brandstof. Papierafval kan op drie manieren in de oven gebracht worden:

Via de hoofdbrander voor vaste stoffen;
In de branders van de precalcinator in het droge proces;
Via de materiaalingang van het droge proces of de midkiln van het nat proces.

Hout heeft een calorische waarde van 15 - 17 MJ/kg, bij 10 tot 15% vochtgehalte. Versnipperd hout kan ingebracht worden via de hoofdbrander. Controle op zware metalen (As, Cr, Cu) en chloorverbindingen is noodzakelijk.

Kunststofafval is omwille van de zeer hoge stookwaarde (17 - 40 MJ/kg) een uitstekende brandstof voor voeding aan de hoofdbrander. Kunststoffen kunnen op deze manier hoogwaardige primaire brandstoffen vervangen. Dit vereist een relatief dure voorbehandeling, onder de vorm van pelletisering (< 10 mm). De belangrijkste beperkende factor is het chloorgehalte, hoofdzakelijk afkomstig van PVC.

Allerlei vormen van afvalolie, zowel van minerale als van plantaardig of dierlijke oorsprong, kunnen via de hoofdbrander geïnjecteerd worden. Het vlampunt dient hoger te liggen dan –10 °C en de viscositeit bij kamertemperatuur lager dan 700 Cps.