Flash Calciner: energiezuinig cement vanuit reststromen

De productie van Portlandcement gebeurt bij hoge temperaturen (1200°C) en tijdens het proces komt ook veel chemisch gebonden CO2 uit de kalksteen vrij. Hierdoor én door de grote geproduceerde volumes wereldwijd hebben bouwwerken op basis van beton een hoge klimaatimpact. Samen met de staalindustrie en de chemiesector is cement verantwoordelijk voor de meeste industriële CO2-emissies. De productie van traditioneel cement is goed voor 5 tot 8% van de wereldwijde CO2-uitstoot. De CO2-uitstoot bij de productie van traditioneel Portlandcement bedraagt bijna 800 kg per ton cement. Dat maakt het procedé erg milieubelastend. De cementsector heeft wel een roadmap opgesteld om tegen 2050 klimaatneutraal te worden. 

Kleirijke reststromen 

Een van de elementen in deze roadmap is het overstappen van traditioneel cement naar nieuw cement met cementvervangers met een lagere CO2-impact. Met de Flash Calciner komt VITO hieraan tegemoet. De pilootinstallatie kan kleirijke reststromen kortstondig verhitten tot een temperatuur tussen 600 en 900°C. Dit proces heet calcinatie: de verhitting zet in het materiaal – zoals ertsen of andere vaste stoffen – gebonden metalen om in poedervorm en verwijdert onder meer het aanwezige water. Wat uit de VITO-installatie komt, is gecalcineerde klei. Deze klei kan tot 30% (en mogelijk meer) van de Portlandcement vervangen zonder dat deze sterkte verliest. 

Deze aanpak is op meerdere manieren voordelig: de calcinatie vermindert niet alleen drastisch de CO2-uitstoot bij productie, ze biedt ook een gebruiksmogelijkheid voor kleirijke reststromen die anders verloren zouden gaan. Bij baggerwerken, grondoverschotten of grondsaneringen worden vaak zeer kleirijke reststromen opgehaald of opgegraven. Tot nu toe werden die amper benut. 

PFAS-vervuiling verwijderen 

Het calcinatieproces kan ook worden gebruikt om PFAS te verwijderen uit ermee vervuild bodemmateriaal. "Het bodemmateriaal uit de haven van Antwerpen kent een historische vervuiling met PFAS. Naast meetpunten voor standaardemissies hebben we onze installatie uitgerust met meetpunten voor PFAS. In onze testen met PFAS-houdende baggerspecie bleek dat de PFAS er na calcinatie uit verwijderd was”, aldus projectcoördinator Liesbet Van den Abeele. "De verhitting breekt het grootste deel ervan af. De rest komt in de rookgassen terecht, maar die vangen we af met actieve koolfilters. De actievekoolfilters laten we elders verwerken, zodat de PFAS volledig wordt afgebroken. We doen dit niet zelf, want daarvoor is een temperatuur nodig van 1.200 à 1.300 graden. Dat is veel meer dan nodig voor de productie van gecalcineerde klei." 

Infrastructuur voor gezamenlijk onderzoek 

Vliegas en hoogovenslakken worden al langer als cementvervangers ingezet, maar net door de klimaatambities van de staalindustrie en de energieproducerende bedrijven vermindert ook het aanbod van deze alternatieven. De staalindustrie zet in op nieuwe types ovens en technieken zoals elektrische boogovens en rechtstreeks gereduceerd ijzer. Dit leidt tot andere samenstellingen van slakken in vergelijking met de slakken van de hoogovens. "Bovendien zal er, door het uitfaseren van elektriciteitscentrales op steenkool in Europa, ook een einde komen aan de leveringen van vliegas, die nu nog wordt ingezet als cementvervanger”, zegt Van den Abeele. 

"Daarom vormt de calcinatie van kleirijke reststromen een zeer interessant alternatief, maar tot nu toe ontbrak het de sector aan de mogelijkheid om reststromen te onderzoeken of om uit te testen wat de eigenschappen zijn van calcinatie op reststromen. In onze Flash Calciner kan dat wel. We kunnen deze nieuwe infrastructuur zowel inzetten voor gezamenlijk onderzoek als voor onderzoek in het kader van een project voor een specifiek bedrijf. De cementsector kan hier niet alleen calcinatietesten laten uitvoeren, maar ook de eigenschappen van de verschillende materialen laten onderzoeken en zelfs alternatieve cementen laten testen op mortel- en betonniveau." 

Nieuwe producten 

"Met de Flash Calciner-pilootinstallatie kunnen bedrijven op basis van kleirijke reststromen nieuwe low-carbon cementen ontwikkelen. Zo kunnen ze de milieu-impact van de gebouwde omgeving verkleinen." 

De installatie van VITO kan ongeveer 25 kilogram materiaal per uur verwerken. "Het is niet noodzakelijk dat de pilootinstallatie volcontinu draait. We willen hier geen commerciële cementvolumes produceren. We streven ernaar hier per dag batches van 250 kilogram te verwerken. Op enkele dagen na elkaar is dat goed voor een ton. Dat moet voldoende zijn om de ideale temperatuur en andere parameters te leren kennen van de aangeboden fracties." 

Amoras 

"Voorlopig werkten we alleen met baggermateriaal van de Amoras-site, waar de Afdeling Maritieme Toegang van de Vlaamse overheidsdienst MOW het baggermateriaal uit de haven van - en de maritieme toegang naar - Antwerpen ontwatert. Daar wordt het zand al uit het slib verwijderd en wordt het afgevoerd voor nuttig gebruik in de bouwsector. Maar de resterende, tot koeken samengeperste, kleirijke droge specie wordt er lokaal gestockeerd en de opslagcapaciteit is er niet onbeperkt. Per jaar komt er ongeveer 300.000 ton extra kleirijk materiaal bij. De opslagcapaciteit is er op die basis goed voor vijftien jaar, maar is al gedeeltelijk ingevuld. De koeken hebben een vrij constante samenstelling, die erg geschikt is om ze door verhitting om te zetten in een cementvervanger.” 

Gezocht: investeerders 

Daarom zoekt de Afdeling Maritieme Toegang samen met de haven van Antwerpen een investeerder die bereid is een grootschalige, commerciële installatie te bouwen, in of nabij het Antwerpse havengebied. Om de bouw van dergelijke installaties te ondersteunen, is met financiële steun van de Helios Foundation De-Risk BE SCM opgestart. Dit project moet de risico’s en hindernissen die samenhangen met de bouw van nieuwe installaties, wegnemen of beperken. Ook recyclagebedrijf Hublet (Floreffe), onderzoekscentrum Buildwise en het Havenbedrijf Antwerpen-Brugge nemen eraan deel." 

Andere fracties welkom 

Sinds kort zijn ook fracties kleiig materiaal met andere samenstellingen welkom. "Zoals licht verontreinigde bodems, rioolkolkslib en gebaggerd materiaal. We denken ook aan de toplagen van kleigroeven. Die worden nu steevast afgegraven, want door de mengeling met ander bodemmateriaal is die klei niet rechtstreeks geschikt voor de productie van baksteen." 

De installatie is uitgerust met een voorverwarming en een ruim 20 meter lange calcinerloop. "Een traditionele roterende buisoven is gemaakt voor de behandeling van steekvaste klei. Met ons type klei zouden we daarin het risico lopen op overcalcinatie. In de Flash Calciner is de buis dubbel geplooid. Ze bestaat ook uit refractair materiaal, zodat we probleemloos een hoge temperatuur kunnen bereiken en de verblijfstijd van het materiaal tot 2 seconden kunnen beperken." 

Dankzij het ingebouwde colourcontrol-systeem kan de temperatuur van de oven tijdens de koelfase worden bijgestuurd worden. Hierdoor kan de kleur van het gecalcineerde materiaal worden aangepast en grijs materiaal worden geproduceerd. Zonder deze colour control zouden we eerder rood materiaal maken. "De pilootinstallatie is uitgerust met alle componenten die ook in een commerciële full-scale installatie nodig zijn." 

Meten is weten 

In de testinstallatie kunnen cementproducenten en andere geïnteresseerde bedrijven laten nagaan welke de ideale afstellingen zijn voor welke aangeboden fracties, zonder voor die test hun eigen installaties tijdelijk te moeten stilleggen en de afstelling ervan te veranderen. "Per fractie zoeken we de optimale calcinatietemperatuur tussen 650 en 900 graden." De Flash Calciner is uitgerust met verschillende meters en sensoren, die op elke plaats procesparameters en emissies kunnen monitoren. Dit levert niet alleen informatie op voor een efficiënte productie, maar ook gegevens die bruikbaar zijn bij de aanvraag voor een omgevingsvergunning.  

VITO heeft hierin ongeveer 900.000 euro geïnvesteerd. 238.200 euro daarvan is afkomstig van het Europese ontwikkelingsfonds Epro. De bouwers van de installatie werden geselecteerd via openbare aanbesteding. "Daarvoor schreven twee consortia zich in. Bedrijven die vertrouwd zijn met dit soort opdrachten liggen niet dik gezaaid. De keuze viel op de combinatie van Equans en FCT International, dat al ervaring had met vergelijkbare installaties in Australië en Brazilië." 

"Op korte termijn willen we cement kunnen maken dat geschikt is voor de aanleg van wegen”, geeft Van den Abeele nog mee. 

Geen absolute nieuwigheid 

"Onze oven transformeert de gewone klei in de gedroogde baggerspecie in een geactiveerd cementpoeder”, legt Liesbet Van den Abeele uit. “Onbewerkte klei zou een betonmengsel doen verbrokkelen, maar onze versie versterkt het materiaal en kan een aanzienlijk deel van het klassieke cement vervangen. In Frankrijk en Denemarken vindt ook al calcinatie plaats en worden er al beperkte volumes op de markt gebracht. Maar die spelers gebruiken steekvaste, natuurlijke natte klei als grondstof. Uit tests bij het bedrijf ResourceFull in Nazareth-De Pinte bleek alvast dat ons product beter presteert op het vlak van uitharding, vriesdooi en krimp. We zijn nog aan het uitzoeken wat hiervan de oorzaak is.” 

Calcinatie van klei vindt ook al langer plaats in onder meer Cuba en Brazilië. "Kalksteen, die nodig is voor de productie van cement, is niet aanwezig in tropische regio's. Daarom zijn er alternatieven gezocht. In deze regio’s zijn wel kleisoorten aanwezig die via eenvoudige processen kunnen worden gecalcineerd. Ze worden er al lang ingezet als cementvervanger. In onze regio’s is er voldoende kalksteen beschikbaar, maar geen makkelijk calcineerbare klei. Daarom was er in het verleden geen belangstelling voor cementproductie via calcinatie. De druk om de CO2-voetafdruk van cement te verlagen én de beschikbaarheid van de Flash-calcinatietechnologie, maken dit nu wel mogelijk."