Die entscheidende Rolle von XRD bei der Verwirklichung von Grünem Zement
Turning Cement Green With XRD,69,World Cement (2022) in einem Artikel veröffentlicht.
Verwandte Produkte
Desktop-Röntgendiffraktometer Aeris
Malvern Panalyticals Matteo Pernechele und Murielle Goubard stellen die wesentliche Rolle vor, die die Röntgendiffraktionstechnologie bei der Verwirklichung von Grünem Zement spielt.
In der Zementindustrie wird Nachhaltigkeit zu einem immer wichtigeren Thema. Initiativen zur Nachhaltigkeit beziehen sich auf steigende Brennstoffpreise, Mangel an Zementersatzstoffen (SCM) und Wasser- und Stromregulierungen.
Zum Beispiel hat das Emissionshandelssystem der Europäischen Union dazu beigetragen, die Ressourcenk knappheit zu mindern und den Kohlenstoffausstoß zu verringern. Zudem haben das Verbrennen alternativer Brennstoffe und das Verständnis für ihre Effizienz die Tür zu neuen Prozessen und Materialien geöffnet.
Um grünen Zement herzustellen und kurz- bis mittelfristig die Entkohlung der Zementindustrie zu erreichen, stellt die Coprozessierung von alternativen Brennstoffen und die Verminderung des Klinkeranteils im Zement mit neuen SCMs die Lösung dar.
Dazu gehören die Auswahl der geeigneten Rohstoffe und SCMs, die Optimierung der Pyroverarbeitung und ihrer Zwischenprodukte, die Kontrolle von Mischungen sowie die Maximierung des SCM-Anteils im endgültigen grünen Zement. Mineralogische Analysen durch Röntgendiffraktion sind dabei unverzichtbar.
Die Herstellung von Zement ist ein komplexer Prozess.
Normalerweise beginnt die Herstellung von Portlandzement mit dem Abbau von Rohstoffen wie Kalkstein und Ton und ihrem feinen Zermahlen zu einem Pulver namens Rohmehl. Dieses Rohmehl wird im Zementofen bei Temperaturen um 1450°C gesintert, dann zu feinem Pulver gemahlen und mit Gips gemischt, um Zement herzustellen.
Durch Mischen des pulverförmigen Zements mit Wasser und Zuschlagstoffen wird Beton für den Bau hergestellt.
Dieser Prozess verbraucht enorme Mengen an Energie und Ressourcen. Je nach Qualitätsmanagement könnte nur Material aus der besten Schicht des Kalksteinbruchs in den Ofen gelangen und nur fossile Brennstoffe könnten verwendet werden.
In der letzten Zeit wird in der Zementindustrie Nachhaltigkeit jedoch immer wichtiger. Neue SCMs wie gebrannter Ton und neue alternative Brennstoffe (AF) wie Biomasse, Ersatzbrennstoffe, Hausmüll, Reifen, Sägespäne und viele mehr werden eingesetzt.
Mithilfe der mineralogischen Analyse trägt die Zementindustrie zu einer kohlenstoffarmen, kreislauforientierten Wirtschaft bei.
Um Lösungen für umweltfreundlichen Zement zu finden, ermöglicht die schnelle und automatisierte vollständige mineralogische Analyse durch Röntgendiffraktion (XRD) die einfache Auswahl der für die Mischung geeigneten Rohstoffe.
Die Kontrolle und Optimierung von Dekarbonisierungs- und Klinkerbildungsprozessen kann ebenfalls unterstützt werden. XRD ist die einzige zuverlässige, bewährte Industrie technologie, die den amorphen Anteil von SCMs quantifizieren und sicherstellen kann, dass die Zusammensetzung von Misch zementen den erforderlichen Normen entspricht.
XRD zur Förderung des mineralogischen Verständnisses
Röntgendiffraktometer (XRD) wie sie heute eingesetzt werden, traten in den 1970er Jahren auf.
Heute sind sie führende Technologien zum vollständigen automatisierten Identifizieren und Quantifizieren von Mineralien und kristallinen Phasen. Tatsächlich ist XRD die einzige industrielle Technik, die amorphe Materialien (einschließlich einiger SCMs) quantifizieren kann und somit zum Abbau von Klinker im Zement beiträgt.
Das modernste industrielle XRD maximiert seine Fähigkeiten. Anstatt sich auf ein bestimmtes Mineral zu konzentrieren, kann die mineralogische Zusammensetzung eines Materials in nur wenigen Minuten vollständig bestimmmt werden. Ein vertieftes mineralogisches Verständnis kann die Klinkerqualität, die Herstellung neuer grüner Zemente und das Wissen des gesamten Werks verbessern.
Der Einsatz von XRD-Systemen in Zementwerken konzentriert sich derzeit auf die Aufrechterhaltung der Produktqualität und den reibungslosen Betrieb und sorgt gleichzeitig für eine Verringerung der CO2-Emissionen und Umweltbelastungen in der Zementproduktion.
Alternative Brennstoffe (AF)
Klinkeröfen sind aus mehreren Gründen sehr attraktiv für alternative Brennstoffe.
Die durch das AF-Verbrennungsverfahren emittierten Abgase werden als CO2-neutral betrachtet und unterstützen somit die CO2-Neutralität. Zugleich helfen sie bei der Entsorgung von allgemeinen Abfällen und industriellen Nebenprodukten. Beim AF-Brennprozess entstehende anorganische Asche wird zusammen mit einer geringen Menge festen Abfalls (zum Beispiel Zementofensstaub) in den Klinker eingebaut.
AF und Schwankungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses können dem Betrieb von Vorwärmern, dem Ofenbetrieb und der Klinkerqualität schaden.
Luft-Kraftstoff-Verhältnisse mit hohem Schwefel- und Chloridgehalt können zu Belägen in der zyklonischen Vorwärmeinheit und letztendlich zur kompletten Blockierung führen. XRD-Systeme können helfen, solche Belägen durch Analysieren der mineralogischen Zusammensetzung von heißen Mahlgütern zu entdecken.
Die Nutzung von AF kann den thermischen Gradienten in Öfen und somit die Klinkerqualität beeinflussen. Die Reaktion von Belit und Kalk zur Bildung von Alit erfordert zwingend hohe Temperaturen.
XRD-Systeme können die Reaktionsausbeute dieses Prozesses leicht überwachen und den freien Kalk reproduzierbar mit einer Genauigkeit von 0,1 Wt% messen.
Die Mengen an Kalkstein und Periklas müssen jeweils unter Grenzwerten von 2 Wt%, 5 Wt% gehalten werden, um unvorhergesehene Volumisierung bei der Hydratation und somit Verlust der dimensionsstabilität von Zement zu vermeiden.
Der im Klinker enthaltene Belit und Alit sind keine reinen Phasen, sondern enthalten Verunreinigungen, die stabilisiert werden können, indem der Klinker schnell abgekühlt wird, was dessen Hydratationsrate verbessert.
Wenn etwa das schnelle Abkühlen des Klinkers ungenügend ist, kann ein Phasenübergang von Beta-Belit zu Gamma-Belit auftreten, wobei letzterer keine zementartigen Eigenschaften hat.
Alit kommt im Klinker in zwei Formen vor, Alit M1 und Alit M3, die monokline Kristallstrukturen haben. Die meisten Klinker enthalten diese beiden Formen, können jedoch Alit M1 durch Erhöhen des SO3- und Magnesiumoxid-Gehalts priorisieren. Alit M1 zeigt nach der Hydratation eine hohe Druckfestigkeit. Röntgendiffraktometer können zwischen Alit M1 und Alit M3 unterscheiden.
Der Einsatz von XRD in der Mahlzeitproduktion
Da mehr Klinker in Integralanlagen produziert wird, steigt gleichzeitig die Anzahl der Mahlwerke, die Klinker importieren.
Die mineralogische Analyse importierter Klinker ist essentiell, um Qualitätssicherung zu gewährleisten und mögliche Performance-Probleme bei zement zu verhindern. XRD wird häufig zur Beurteilung der Qualität von Zementzusätzen und deren geeigneten Dosierung eingesetzt.
Um Erhärtungszeiten, die Entwicklung der Festigkeit und dimensionsstabilität zu optimieren, müssen die mineralogischen Eigenschaften und Mengen von Calcium-Sulfat in Zusammenhang mit dem Aluminatgehalt und -typ angepasst werden.
Die Ergebnisse der XRD-Analyse können mit den Schwefeltrioxid-Gehalten der Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF) kombiniert werden, die dabei hilft, die verschiedenen Sulfate wie Dihydratgips, Halbhydratgips und Anhydrit-Gips zu unterscheiden.
Eine der vielversprechendsten Methoden zur Reduzierung des Kohlendioxidausstoßes von Zement ist die Verringerung der Klinkerabhängigkeit, zum Beispiel durch Ersatz von Klinker durch natürliche oder synthetische Puzzolane.
Puzzolane sind Stoffe, die mit Calciumhydroxid, das beim Aushärten des Zements entsteht, reagieren und dadurch die Festigkeit und Langlebigkeit des Zements verbessern. Die Qualität von Puzzolanen wird durch ihre mineralogischen Eigenschaften definiert, da es Phasen gibt, die hochreaktiv oder schädlich bzw. inaktiv sein können.
Feurige Materialien, die reich an Quarz, Feldspat, Pyroxen oder Magnetit sind, sind für den Einsatz als natürliche Puzzolane ungeeignet.
Puzzolane mit hohem Anteil an Smektit und Kaolinit müssen vor ihrem Einsatz als SCMs durch Brennen aktiviert werden. Zeolith-Mineralien wie Analcim, Leucit, Chabasite, Philipsite und Klinoptilolith eignen sich als Puzzolane.
Die Qualität von hoch recyclierten Hochofenschlacken (GGBS) und Flugasche hängt stark von ihren mineralogischen Eigenschaften und den amorphen Phasen ab, die durch XRD deutlich quantifiziert werden können.
Unzureichend abgekühlte Schlacke weist viele kristalline Phasen wie Melilit und Merwinit auf und ist weniger reaktiv. Hochtemperatur-Flugasche kann viel Mullit enthalten, der keine puzzolanischen Eigenschaften besitzt.
Amorphe Bestimmung von SCMs durch XRD-Analyse kann deren Eignung schneller zeigen als andere Methoden und ist zudem vollautomatisierbar.
Die in Normen festgelegten Mengen an mit SCMs austauschbarem Klinker müssen strikt eingehalten werden.
So definiert die Norm EN-197-1 die Bereiche für Klinker, Kalkstein, Schlacke, Flugasche, Puzzolane, kalzinierte Schiefer, Kieselsäuregelenk, andere Zusätze für 27 verschiedene Zementsorten.
Die neueste Version der EN-197-5 umfasst die neuen Zementarten CEM II/C-M und CEM VI für nachhaltigeres Mischen von Beton, Mörtel und Verpressung.
XRD wird weitverbreitet eingesetzt, um die ordnungsgemäße Mischung und Homogenität eines Produkts zu gewährleisten. In der Mahlfabrik müssen SCMs so nahe wie möglich an ihre Obergrenzen herangeführt werden, um die Klinkermengen und die gesamten Herstellungskosten von Zement zu minimieren.
Fehlerhafte Quantifizierungen von SCMs erzwingen, dass Qualitätsmanager umfangreiche Sicherheitsmargen einplanen, um die Profitabilität der Produkte nicht zu gefährden. Die mit XRD-Systemen erreichbare präzise Quantifizierung von SCMs macht es möglich, dass die Investitionsrendite beim Herstellen von Mischzementen in Mahlwerken äußerst attraktiv wird.
Gebrannter Ton und neue Zemente
Die kürzlich entdeckte Synergie zwischen gebranntem Ton und Kalksteinbeton hat die Aufmerksamkeit von Regulierungsgremien und Zementherstellern erregt.
In Europa hat die neue Norm EN 197-5 die Grenze für Klinkerersatz von 35% in CEM II/B-M(Q-LL) auf 50% in CEM II/C-M(Q-LL) erhöht.
Neue Zemente wie LC3 können potenziell Kohlenstoffemissionen um bis zu 40 % reduzieren, ohne die Zementfestigkeit zu beeinträchtigen. Eine präzise mineralogische Analyse ist entscheidend für die Identifikation und Erschließung geeigneter Tonvorkommen, das Brennen von Tonrohstoffen sowie die Kontrolle der optimalen Mischung von Klinker und anderen Zusätzen.
Die Verwendung falscher Tone kann die Leistung von Zement erheblich beeinträchtigen. Kaolinit und Smektit sind gängige Tonminerale, die durch Brennen puzzolanische Eigenschaften zeigen.
Tone, die für das Brennen oder die Klinkermischung geeignet sind, müssen eine Konzentration von 30-40 Wt% oder höher aufweisen. Andere Bestandteile wie Quarz, Hämatit, Kalzit, Feldspat sowie Tonminerale wie Glimmer und Illite wirken als Füllstoffe.
XRD-Messungen zeigen, dass das Gitter der Tone während des Brennprozesses deposthänden katalytisch reagiert und ihre kristalline Eigenschaften verlieren.
Solche Veränderungen sind notwendig, um den Materialien puzzolanische Eigenschaften zu verleihen.
Unzureichende niedrige Temperaturen oder unzureichende Verweilzeiten führen zu verbleibenden Kaoliniten oder Smektiten, die zur Zementfestigkeit nicht beitragen und die Verarbeitung beeinflussen. Entwässerungstemperaturen beginnen bei etwa 550°C für Kaolinit und 700°C für Smektit.
Optimale Brennbedingungen hängen stark von den mineralogischen Eigenschaften der Tone ab.
Hohe Temperaturen oder längere Verweilzeiten führen zur Kristallisation unreaktiver Phasen wie Mullit, Cristobalit, Anorthit, Wollastonit, Diopsid und Gehlenit.
Die optimale Temperaturbandbreite ist eng, und XRD liefert die für die optimale Herstellung gebrannter Tone erforderlichen Daten.
Eine geringe Konzentration an Kalsit oder das Fehlen von Kalsit zusammen mit niedrigen Ofentemperaturen verringert dramatisch die Kohlenstoffemissionen im Vergleich zur Klinkerproduktion. Gebrannter Ton wird dann in geeigneten Verhältnissen mit Klinker, Gips und Kalkstein gemischt, die durch XRD genauer quantifiziert und an lokale Standards angepasst werden können.
Viele andere Arten von Klinker und Zement können ebenfalls von der XRD-Analyse profitieren.
Das gilt beispielsweise für Geopolymere, Calciumaluminatzemente, Ciment Fondu, Calciumsulfoaluminatzemente, Belit-Ye’elimite-Ferrit-Zemente, karbonatbasierte Calcium-Silikat-Klinker auf Wollastonitbasis und alkaliaktivierte Materialien, supersulfatierten Zement aus Schlacke und Gips, Magnesiumzemente und Phosphat-zemente (aber nicht darauf beschränkt).
Die Anwendungen dieser Zemente sind vielfältig, darunter kohlenstoffarme Zemente, schnellhärtende Zemente, Feuerfestzemente und Zemente zur Einschließung radioaktiver oder gefährlicher Substanzen.
XRD für eine nachhaltige Zukunft
Die Röntgendiffraktion ist eine wichtige Analysemethode, um die Qualität von Klinker und Zement zu kontrollieren, insbesondere da die Netto-Null-Ziele eine dringende Priorität darstellen.
Daher wird die Herstellung von neuem grünem Zement durch die Verwendung verschiedener alternativer Brennstoffe und SCMs und die Adaption des bestmöglichen kreislauforientierten Ansatzes unterstützt.
XRD ist die einzige Technik, die die mineralogische Zusammensetzung dieser verschiedenen Verbindungen schnell, genau und automatisch quantifizieren kann, was Herstellern ermöglicht, die Zementproduktion vollständig zu kontrollieren und so umweltfreundlich wie möglich sowie rentabel zu gestalten.
Am wichtigsten ist, dass XRD eine Methode ist, die es der Zementindustrie ermöglicht, Qualität, Nachhaltigkeit und Rentabilität gleichzeitig zu verfolgen, während sie nach der Herstellung von grünem Zement strebt.
Über die Autoren
Dr. Matteo Pernechele promovierte an der University of British Columbia in Kanada in Materialtechnik und erwarb seinen Master-Abschluss in Materialwissenschaften an der Universität Padua in Italien.
Führende wissenschaftliche Forschung, die von allgemeiner Festkörperchemie bis hin zu Industrieprojekten im Bau- und Bergbau reicht.
Seit 2018 ist Dr. Pernechele in der Anwendung von XRD als Applicationsspezialist bei Malvern Panalytical tätig mit 14-jähriger Erfahrung im Bereich Röntgenanalyse und Rietveld-Verfahren.
Am Kompetenzzentrum in Almelo, Niederlande, angesiedelt.
Dr. Murielle Goubard ist Global Segment Manager bei Malvern Panalytical mit Verantwortung für den Bereich Building Material. Ihre weitreichende Erfahrung in Materialchemie sammelte sie während ihrer 15 Jahre bei Solvay Research Center. Besonders interessiert an Zementherstellung, zielt sie darauf ab, Effizienz und Produktqualität zu verbessern und hat an der Entwicklung von Anwendungen und Lösungen für Werke in Frankreich und große europäische Zementunternehmen mitgewirkt. Seit 15 Jahren bei Malvern Panalytical, ist sie nun tief in Lösungen für grüne Zementwerke, die Schaffung einer kreislauforientierten Gesellschaft und das Erreichen von Netto-Null-Zielen involviert.
Quellen
Dieser Artikel wurde möglicherweise automatisch übersetzt
{{ product.product_name }}
{{ product.product_strapline }}
{{ product.product_lede }}
