Flash calcinatie voor de productie van Belgische cementvervangers
Cement en beton vormen de ruggengraat van infrastructuur wereldwijd. De keerzijde is de klimaatimpact die deze producten met zich meebrengen. Een deel van de oplossing voor de klimaatuitdaging van cement ligt in het gebruik van cementvervangers. Een veelbelovende en lokale bron van cementvervangers is kleihoudende baggerspecie. VITO bouwt een Flash-Calciner pilootinstallatie om deze en andere kleihoudende stromen om te zetten tot functionele cementvervangers. De cement- en betonindustrie zullen dankzij deze nieuwe infrastructuur kunnen experimenteren met deze nieuwe grondstoffen voor cement.
Naar een CO₂-negatieve cementindustrie
Bruggen, tunnels, wegen en flatgebouwen: allemaal zijn ze opgebouwd uit beton. Van alle door mensen gemaakte materialen is beton veruit het meest gebruikte en geproduceerde materiaal. De productie van cement voor dat beton is echter gekoppeld aan een grote uitstoot van CO₂, met een Europese gemiddelde van bijna 700 kg per ton cement. Hoewel de ingebedde CO₂ per ton ruim lager ligt dan die voor de productie van staal en enkele ordegroottes lager dan kunststof, draagt de productie van cement bijna evenveel bij aan de totale CO₂-emissies als de staalindustrie en vele malen meer dan de chemiesector. Dit is louter door de gigantische schaal van het gebruik van cement en beton.
Om de klimaatopwarming te helpen stoppen, heeft de cementindustrie een roadmap uitgewerkt waarbij de sector tegen 2050 CO₂-negatief wil worden. Een van de actiepunten van die roadmap focust op wijziging van de cementsamenstelling. Door de cementsamenstelling te wijzigen met cementvervangers zou de CO₂-impact van cement met 10% per ton kunnen dalen op EU-niveau. Hierdoor is het een van de meest impactvolle technologieën.
Behoefte aan een nieuw soort cementvervanger
Cementvervangers zijn stoffen die Portlandcement kunnen vervangen zonder negatieve impact op de betoneigenschappen. Hoogovenslakken en vliegas worden al jaren ingezet als cementvervanger voor de productie van CEM II en CEM III. De productie van deze stromen staat echter onder druk door de klimaatambities van zowel de staalindustrie als de energieproductie. De staalindustrie zet in op nieuwe types ovens en technieken (elektrische boogoven en rechtstreeks gereduceerd ijzer), wat leidt tot andere samenstellingen van slakken in vergelijking met de hoogovenslakken. Door het uitfaseren van steenkoolcentrales in Europa zal ook een einde komen aan de vliegas die momenteel wordt ingezet als cementvervanger. In België is de laatste steenkoolcentrale ondertussen al gesloten. Daarnaast zijn er ook natuurlijke grondstoffen die als cementvervanger kunnen dienen, zoals volkanische assen of natuurlijke zeolieten, of natuurlijke materialen die reactieve eigenschappen als cementvervanger verkrijgen na verhitting bij 700-900 °C, zoals kaolinitische klei. Echter, dergelijke grondstoffen komen in België nauwelijks voor in volumes die relevant zijn voor cement. Er is dus behoefte aan nieuwe types cementvervangers, bij voorkeur van eigen bodem.
In 2020 deed VITO, in opdracht van OVAM, een screening naar potentiële Vlaamse afvalstromen die kunnen worden ingezet als cementvervanger. Naast de hoeveelheden beschikbaar materiaal werd ook gekeken naar de mogelijke risico’s die kunnen ontstaan bij de inzet van het materiaal. De aanwezigheid van zware metalen in bijvoorbeeld non-ferro slakken en bodemassen van huisvuilverbranding zorgt ervoor dat deze stromen een lager potentieel hebben. De KSP (keramiek, steen en porselein fractie) die vrijkomt uit de opwaardering van glas heeft technisch gezien potentieel, maar de hoeveelheid die jaarlijks vrijkomt is te klein om relevant te zijn. De fijne fractie die vrijkomt bij het breken van betonpuin heeft wel een hoog potentieel en deze werd al in de nieuwe standaard EN 197-6 opgenomen, hoewel verschillende onderzoekspistes nog bewandeld worden om de reactiviteit van het materiaal te verhogen.
Het potentieel van kleirijke baggerspecie
Een grote beloftevolle stroom die overblijft, is de kleirijke fractie van baggerspecie die jaarlijks gestort wordt. De afgelopen jaren heeft VITO intensief onderzoek uitgevoerd in opdracht van de Vlaamse overheid om deze stroom te activeren tot een geschikte cementvervanger. Baggerspecie van de haven van Antwerpen wordt door de Afdeling Maritieme Toegang behandeld op de AMORAS-site. Het zand wordt verwijderd en ter beschikking gesteld als bouwzand, terwijl de kleirijke fractie wordt geperst tot filterkoeken die worden opgeslagen op een aanpalende site. De filterkoeken hebben een vrij constante samenstelling, die uitermate geschikt is om door verhitting om te vormen tot een cementvervanger. Uit onderzoek blijkt dat flash-calcinatie, waarbij de filterkoeken gedroogd en verpulverd worden, en daarna kortstondig (~2 seconden) verhit worden tot 850°C, leidt tot een cementvervanger waarvan de reactiviteit vergelijkbaar is met die van de betere vliegas. De relatie tussen de fasetransformaties en reactiviteit wordt onderzocht in projecten zoals HEU ROTATE en CLEI.
Testen op mortelniveau tonen aan dat vervangingspercentages van 30 gew% op basis van CEM I resulteren in een relatieve sterkteontwikkeling van 90% t.o.v. het 100 gew% CEM I referentiemengsel na 28 dagen. Dit leent de mogelijkheid om 42.5-52.5 N cementen te ontwikkelen met een klinkergehalte van < 70 gew%.
In navolging van dit onderzoek biedt de Afdeling Maritieme Toegang geïnteresseerde partijen volledige inzage in de onderzoeksresultaten, en in 2025 zal er een open oproep gelanceerd worden voor de afname en mogelijk de bouw van een eerste full-scale calcinatie-installatie in Vlaanderen voor de valorisatie van baggerspecie.
Unieke onderzoeksinfrastructuur voor industrie: de Flash-Calciner
VITO breidt ondertussen met de steun van EFRO zijn onderzoeksinfrastructuur uit met een flash-calciner. Deze open pilootinstallatie zal
- de cement- en betonindustrie de kans bieden om te experimenteren met verschillende gecalcineerde stromen
- houders van kleihoudende afvalstromen de optie bieden om eenvoudig na te gaan of hun stroom kan worden opgewaardeerd tot een cementvervanger
- onderzoekers toelaten het flash-calcinatieproces te optimaliseren en objectief te evalueren.
De installatie wordt uitgerust met een voorverwarming en calcinerloop van ruim 20 meter, gemaakt van refractair materiaal. Hierdoor kan een verblijftijd van 2 seconden worden gegarandeerd bij een constant temperatuursverloop, met een voedingsdebiet van 25 kg/h. De installatie wordt ook voorzien van een colourcontrol-systeem. Met deze optie kunnen we de temperatuur tijdens de koelfase bijsturen, waardoor we de kleur van het gecalcineerde materiaal kunnen aanpassen. Zonder deze optie zal de klei vaak rood kleuren; met behulp van de colourcontrol kunnen we de materialen ook een grijze kleur geven, die dichter bij die van cement ligt. Hiermee beschikt de pilootinstallatie over alle componenten die ook in een full-scale installatie aanwezig zijn, zodat materialen onder reële omstandigheden kunnen worden getest.
Daarnaast wordt de installatie uitgerust voor emissiemetingen, zodat we ook een inschatting kunnen maken van eventuele emissiecontrolemaatregelen die nodig zijn bij een full-scale installatie. Uiteraard is de installatie voorzien van een filtersysteem, zodat we ook tijdens kleinschalige tests geen negatieve impact op het milieu hebben.
De opdracht voor de bouw van de Flash-Calciner is in augustus gegund aan Equans en zijn onderaannemer FCT International. Momenteel worden de detailplannen uitgewerkt. In het voorjaar van 2025 begint de opbouw van de installatie op de site van Equans in Zwijndrecht. In het najaar van 2025 zal de installatie naar VITO in Mol worden gebracht en naast het nieuwe VITO Earth-gebouw worden opgebouwd. De opening van de installatie is gepland voor het voorjaar van 2026.
Contacteer ons
Expert Circulaire Cementvervangers
Projectcoördinator
