Çimento Fabrikalarında Alternatif Yakıt & Hammadde Kullanımı

Çimento üretimi, emisyonlar açısından çok fazla kirlilik üretir. Kireç taşını çimentonun ana maddesi olan klinkere dönüştüren kimyasal süreç, bu emisyonların yaklaşık yarısından sorumludur. Yanan yakıt %40 oranında paya sahip iken, kalan %10’luk kısım güç ve ulaşım arasında paylaştırılır. Fosil yakıtlar arasında en yoğun karbon içerenlerden ikisi olan kömür ve petrokok, 1400°C’yi aşan sıcaklıklarda gerçekleşen kimyasal reaksiyon için gerekli enerjiyi sağlar. Termal ve elektrik enerjisi verimliliğinin artırılması, değişik mineral maddeleriyle harmanlanarak klinker-çimento oranının düşürülmesi ve fırını yakmak için daha düşük karbonlu alternatif yakıtların kullanılması, yakın vadede çimento üretiminden kaynaklanan emisyonları azaltmak için üç ana yöntemi oluşturmaktadır.

 

Çimento Üretiminde Kullanılabilen Alternatif Yakıtlar ve ortalama ısıl değerleri aşağıda tabloda gösterilmektedir.

Tablo 1: Alternatif Yakıtların Ortalama Isıl Değeri

Alternatif Yakıt	Ortalama Isıl Değeri (kcal/kg) (Petrokok ~ 7500)
Kullanılmış/Atık Araç Lastikleri	5500
Endüstriyel Plastikler	5000
Atık Yağ	9000
Çözücüler	7500
Kesilmiş Kağıt	3400
Yağlı ve Kirlenmiş Atıklar	3500
Bitki Kabukları	4760
Atıktan Türetilmiş Yakıt (RDF)	2800
Arıtma Çamuru	3000
Kontamine Atık (Ambalaj-Giyim)	3000

 

Birçok çimento fabrikası tarafından halihazırda kullanımda olan alternatif yakıtlar şu şekildedir:

• Kullanılmış/Atık Araç Lastikleri
• Odun Atıkları
• Tekstil Atıkları
• Plastik Atıklar
• Kağıt/Karton Atığı
• Atık Yağlar
• Kirlenmiş Atıklar
• Arıtma Çamuru

Kullanılması Muhtemel Olan Alternatif Yakıtlar

• Spent Pot Lining (SPL)

Alüminyum eritme işleminin ilk aşamalarında SPL adı verilen karbonlu bir madde üretilir. SPL tehlikeli bir atık olmasına rağmen, yüksek enerji yoğunluğu (zengin karbon içermesi) ve olumlu çevresel etkileri (siyanür gibi toksik maddeler 1000°C’nin çok üzerindeki sıcaklıklarda elimine edilir), bu maddeyi çimentoda yakıt besleme stoklarının üretilmesi ve çelik endüstrileri için yararlı bir kaynak haline getirir.

SPL malzemeleri, çimento üretmek için çimento endüstrisindeki diğer hammaddelerle etkili bir şekilde beraber kullanılabilir. SPL maddesi, çimento üretiminden kaynaklanan NO_x emisyonlarının azaltılmasını sağlamaktadır. Buna göre SPL malzemeleri, fırın sıcaklığını veya çimento ham karışımının erime noktasını düşürmeye yardımcı olur, böylece sıcaklığa bağlı olan NO_x emisyonlarını azaltır. Ayrıca, SPL’nin siyanür içeriği nitrojen ve karbon dioksiti serbest bırakmak için NO_x ile reaksiyona girebilir ^[1].

• Kurutulmuş Pirina (DOP)

Zeytinin çekirdek ve etli kısmının kurutulup yağlanmış haline verilen isimdir. Kül miktarı çok azdır ve cüruf oluşturmaz. Diğer katı yakıtlar gibi karıştırılıp kül olması gerekmez. Endüstriyel kazanlarda çok yüksek verim verir.

Tsakiridis, Samouhos ve Perraki tarafından yapılan araştırmaya göre, kurutulmuş pirina (DOP), araştırmada kullanılan bitümlü kömürden (5525 kcal/kg) daha yüksek bir kalorifik değere (6375 kcal/kg) sahipti. Bununla birlikte, DOP’nin yakılması sırasında oluşan kül (ağırlıkça %4.28), bitümlü kömürünkinden (ağırlıkça %6.15) kabaca %45 daha düşüktü. Bu çalışmaların sonucu olarak, üretilen çimento klinkerleri olumsuz etkilenmedi. Üretilen çimentonun fiziksel nitelikleri, sertleşme süreleri, su tüketimi ve genleşmesi biraz değişmiştir ancak her zaman tutarlı kalmıştır ^[2].

 

• Et ve Kemik Unu (MBM)

Yağı alınmış, kurutulmuş ve ince bir toz haline getirilmiş hayvan kemikleri, kemik unu yapmak için kullanılır. Bu ürün bol miktarda fosfor ve kalsiyum içerir.

Zieri ve Ismail’in belirttiği gibi, çimento üreticilerinin çoğu artık et ve kemik ununu önemli ölçüde kullanıyor. Fransa’da her yıl üretilen et ve kemik ununun (MBM) yaklaşık %45’i çimento fabrikalarında yakıldı. MBM, çimento fırınlarında kullanılan diğer alternatif yakıtların çoğundan daha kolay elde edilebilmektedir. MBM kullanmanın ana faydası, yanma sırasında üretilen SO_x‘in çoğunu tutabildiği için SO_x emisyonlarını azaltan yüksek kalsiyum içeriğine sahip olmasıdır ^[3].

 

• Halı

Realff’e göre, halının alternatif yakıt olarak kullanılması önündeki mali engeller çok büyük. Fırına giren kömürün maliyeti ile karşılaştırıldığında halı, çok sayıda malzeme taşıma prosesi ve ara işleyiciler nedeniyle aşırı pahalıdır ^[4]. Naylon halı, kömürdeki tipik %1 ile karşılaştırıldığında yaklaşık %4-5 nitrojen içeriğine sahip olduğundan NO_x emisyonlarının artmasına neden olur. Ancak SO₂ ve CO₂ emisyonları azaltılmasına yardımcı olabilmektedir.

Çimento üretiminde halihazırda birçok fabrika tarafından kullanımda olan alternatif hammaddelere mermer atıkları, döküm kumu, ve kumtaşı örnek verilebilir.

 

 Kullanılması Muhtemel Olan Alternatif Hammaddeler

• Geri Dönüştürülmüş Kirli Toprak

Atık sudaki metaller volkanik toprak kullanılarak çıkarılabilir. Bunlar, kullanıldıktan sonra düzenli depolama alanlarına atılır. Yaşam döngüsü değerlendirmesi (LCA) yaklaşımı kullanılarak, bu malzemenin çimento endüstrisinde alternatif bir hammadde olarak kullanımı değerlendirildi. Buna göre, kullanılan kireçtaşındaki CaCO₃ konsantrasyonunun daha yüksek olması nedeniyle, üretilen klinkerin tonu başına toplamda ihtiyaç duyulan kireçtaşı miktarını 110 kg azaltabilmiştir ^[5].

Ayrıca, diğer teknik sistemlerden arta kalan olma avantajına sahip olan alternatif volkanik toprağın kullanılması, çimento üretiminin daha sürdürülebilir bir şekilde büyümesini sağlayarak sürecin ekonomisini bir şekilde arttırmaktadır. Her bir ton klinker çıkışı için 0,23$’a varan tasarruf sağlayan atık su arıtma tesisi, kullanılmış volkanik toprağı bu şekilde ücretsiz olarak arıtabilir ^[5].

 

• Fıstık Kabuğu Külü

Grafen, alümina, kuvars ve kalsit esaslı yapılardan oluşan fıstık kabuğu külü, yüksek özgül yüzey alanına sahip bir atık tamamlayıcı çimentolu malzeme olarak tanımlanabilir. Karbon bazlı yapıların varlığı nedeniyle, kül, tutarlılık için gereken suyu büyük ölçüde yükseltti ve çimentonun priz sürelerini önemli ölçüde yavaşlattı ^[6].

Harçta %10’a kadar fıstığı kabuğu külü eklenmesi, modifiye edilmemiş çimento harcı ile karşılaştırıldığında daha erken sürede (2 gün) dayanım gelişimi sağlanmasına katkıda bulunmuştur. Fıstığı kabuğu külü (%10) ilavesi, sıradan çimento harçlarının basınç dayanımı değerlerini uzun fırınlanma sürelerinde %17’ye kadar yükseltebilir. %20 fıstık kabuğu külü içeren çimento harçları, 28 gün ve daha uzun fırınlama sürelerinde hala yeterli dayanım değerlerini koruyabilmektedir ^[6].

Ayrıca fıstık kabuğu külü sadece alternatif hammadde ihtiyacını karşılamak için kullanılmamakta, aynı zamanda çimento üretiminde alternatif yakıt olarak da görev yapabilmektedir.

Sonuç

Dünyada gelişmiş ülkelerde atık kullanımı giderek yaygınlaşmakta ve bu konuda iyileştirici uygulamalar hayata geçirilmektedir. Örneğin gelişmiş ülkelerin çimento sektöründe alternatif yakıt kullanım oranı %40-60 arasında değişmektedir. Gelişmekte olan ülkelerde bu oran %25-35 civarındadır. Ekolojik dengenin korunmasının her geçen gün daha fazla önem kazandığı günümüzde, ürün kalitesinden ödün vermeden yeşil çimento üretebilmek için kullanılan alternatif yakıt ve hammadde miktarını artırmak için hassasiyetle çalışmaya devam etmek gerekmektedir.

 

Kaynakça:

[1] Ghenai, C., Inayat, A., Shanableh, A., Al-Sarairah, E., & Janajreh, I. (2019). Combustion and emissions analysis of Spent Pot lining (SPL) as alternative fuel in cement industry. Science of The Total Environment, 684, 519-526.

[2] Tsakiridis, P. E., Samouhos, M., & Perraki, M. (2017). Valorization of Dried Olive Pomace as an alternative fuel resource in cement clinkerization. Construction and Building Materials, 153, 202-210.

[3] Zieri, W., & Ismail, I. (2018). Alternative fuels from waste products in cement industry. Handbook of ecomaterials, 1-24.

[4] Realff, M. J. (2007). Carpet as an alternative fuel in cement kilns (No. DOE/CH/11239-Final). Georgia Tech Research Corporation, Atlanta, GA.

[5] Navia, R., Rivela, B., Lorber, K. E., & Méndez, R. (2006). Recycling contaminated soil as alternative raw material in cement facilities: life cycle assessment. Resources, Conservation and Recycling, 48(4), 339-356.

[6] Tekin, I. L. K. E. R., Dirikolu, I., & Gökçe, H. S. (2021). A regional supplementary cementitious material for the cement industry: Pistachio shell ash. Journal of Cleaner Production, 285, 124810.