Enerji tüketimi ve emisyonların düşürülmesi amacıyla çimento üretiminde mineral katkıların kullanımının optimizasyonu
Optimization of the use of mineral additives in cement production for reduce to energy comsumption and emissions
Yazar: MELİS TOKER
Danışman: PROF. DR. HASAN ERGİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Maden Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Dünya üzerindeki enerji tüketimi her geçen gün önemli ölçüde artmaktadır. Bunun
başlıca nedenleri Dünya nüfusundaki artış ve hızlı ekonomik gelişmelerdir. Günden
güne doğal kaynaklar azalmakta, hava ve çevre kirliliği sorun olmaktadır. İşte bu
noktada enerjinin yoğun olarak tüketildiği çimento sektöründe yapay ve endüstriyel
atıkların kullanılması önem kazanmaktadır. Atıkların kullanılması ile çimento
içindeki klinker kullanımı azalmakta ve bu sayede klinkerin pişmesi için harcanan
enerji ve üretim sırasında açığa çıkan emisyonların miktarı azalmaktadır.
Katkılı çimento üretiminde kullanılan mineral katkılargenellikle puzolanik
malzemelerdir.Çimento endüstrisinde katkı maddesi olarak kullanılmakta olan
puzolanik malzemelerden uçucu kül ve yüksek fırın cürufu ülkemizde çok miktarda
bulunmaktadır. Bunların yanında tras, silis dumanı, metakaolin, kalker gibi çeşitli
mineral malzemelerin kullanılması da söz konusudur. Tez kapsamında, yüksek fırın
cürufu, uçucu kül, kalker ve zeolit ile seramik fabrikalarında hatalı ürün olarak
oluşan granit, yer karosu ve duvar karosu kırıkları mineral katkı olarak kullanılarak
çimentodaki klinker miktarının azaltılması amaçlanmaktadır.
Deneysel çalışmalarda ilk önce, yer ve duvar karosu ile granit kırıkları çeneli kırıcıda
kırılmış ve elek analizi yapılmıştır. Elek analizinde seramik atıkları 5 boyut grubuna
(+5,6 mm, -5,6+2,0 mm, -2,0+1,0 mm, -1,0+0,5 mm, -0,5 mm) ayrılmıştır.Elek
analizinden yer ve duvar karosu ile granit kırıklarının en çok -5,6+2,0 mm tane boyut
aralığında bulunduğu gözlenmiştir. İkinci aşamada, yer ve duvar karosu ile granit
kırıklarının öğünebilirlikleri incelenmiştir. Duvar karosu diğer iki malzemeye göre
kolay öğütülen bir malzeme olduğundanbilyalı değirmende 30 dakika öğütüldüğünde
arzu edilen d50 boyutuna (ortalama tane boyutu)ulaşmakta, yer karosunu 50 dakika,
graniti 55 dakika öğütmek gerekmektedir.Üçüncü aşamada, literatür araştırması
yapılarak çimento numunelerine ilave edilebilecek maksimum katkı içerikleri tespit
edilmiştir. Buna göre ilk etapta hazırlanan 9 çimento numunesinin içeriği;klinker,
klinkerin % 5-10-15 oranında yer karosu, duvar karosu ve granit kırıkları ile % 5
alçıtaşı şeklinde olmuştur. Ayrıca ilave edilecek katkıların etkilerini belirlemek
amacıyla referans olarak, %95 klinker, % 5 alçıtaşı içeren Portland çimentosu (K)
hazırlanmıştır.Daha sonra bu çimentoların standartlarda belirtilen mekanik (erken ve
standart dayanım), fiziksel (priz süresi, genleşme, incelik) ve kimyasal
özelliklerinin(kimyasal analiz, kızdırma kaybı) incelenmesi amacıyla çeşitli deneyler
yapılmıştır. Deneyler sonucunda dokuz numunenin hepsinde priz sürelerininartış
gösterdiği, kimyasal analiz sonuçlarının standart değerler içinde olduğu, genleşme
sorunu yaşanmadığı gözlemlenmiştir.xviii
Duvar ve yer karosu ile granit kırıkları katkılı 9 adet çimento numunesinin erken ve
standart dayanım değerlerine bakıldığında K'ye göre artış gösteren tek numune % 5
yer karosu katkılı çimento (Y5) olmuştur. Bu nedenle çalışmanın bir sonraki
safhasında çimentoya yüksek fırın cürufu, uçucu kül ve kalkerin ilave edileceği
kombinasyonlarda% 5 yer karosu ilavesine karar verilmiştir. Daha önce yapılan
çalışmalar incelendiğinde en iyi basınç dayanımı veren oranlarınyüksek fırın cürufu
için %20, uçucu kül için % 20, kalker için % 5 olduğu görülmüştür. Bu değerlerden
yola çıkarak yer karosu kırığı ile bu üç maddenin birlikte dayanıma etkisini görmek
amacıyla değişik beş kombinasyon daha yapılmıştır. Yeni beş kombinasyonun
hepsinde yer karosu kırığı ile kalker klinkerin % 5'i olacak şekilde sabit tutulmuş ve
alçıtaşı yine % 5 olarak alınmıştır. İlk olarak yüksek fırın cürufu ve uçucu kül
klinkerin % 20'si olarak iki ayrı katkılı çimento (Y5C20, Y5U20) hazırlanmıştır.
Üçüncü çimentoda ise klinkerin % 20'si kadar yüksek fırın cürufu ve yine klinkerin
% 20'si kadar uçucu kül birlikte kullanılarak Y5C20U20 kodu verilen katkılı
çimento hazırlanmıştır. Bu üç çimento numunesinin erken ve standart dayanım
değerleri oldukça düşük olduğu saptanınca hazırlanacak diğer iki çimento
numunesinde (Y5C10U10, Y5C5U5) yüksek fırın cürufu ve uçucu kül miktarları
azaltılarak klinkerin %10 ve % 5'i oranında alınmıştır. Son iki katkılı çimento
numunesinin erken ve standart dayanım değerlerinin, yüksek fırın cürufu ve uçucu
külün miktarının azalmasıyla, artış gösterdiği fakat K'nin 2, 7 28 ve 90 günlük
dayanım değerine yine de ulaşamadığı belirlenmiştir.
Yüksek fırın cürufu ve uçucu külün yer karosu kırığı ile kombinasyonunun erken ve
geç dayanımda olumsuz sonuçlar verdiğinin anlaşılmasından sonra yeni bir malzeme
olarak yüksek miktarda SiO2 ve Al2O3 içeren zeolitin çimentoda kullanımı
araştırılmıştır. Yapılan araştırmalar sonucunda zeolitin çimento ağırlığının % 15'i
kadar ilavesinde geç dayanımda artış sağladığı tespit edilmiştir. Buradan yola çıkarak
deneylerde iri ve kırılmış taneler içeren iki tür zeolit kullanılarak, klinkerin % 10 ve
% 20'si oranında zeolit içeren katkılı çimentolar (Z1-10, Z1-20, Z2-10, Z2-20)
hazırlanmıştır. Bu dört çimento numunesinin basınç değerlerinin sonuçları zeolitin
geç dayanımda artış sağladığını göstermiştir. Sadece Z2-10 kodlu numunenin 28
günlük dayanımında bir artış olmuştur. Bu nedenle çalışmanın bir sonraki
aşamasında, yer karosu kırığı ile zeolitin kombinasyonu için Z2-10 kodlu numune
baz alınmıştır.
Son numune içeriği; klinker, klinkerin %5'i kadar yer karosu, % 10'u kadar
ufalanmış taneler içeren zeolit ve alçıtaşından oluşmuştur. Fakat yer karosunun
zeolitle de uyumlu bir malzeme olmadığı deney sonuçlarından anlaşılmıştır.

Abstract:
Due to the increase in world population and rapid economic development, energy
consumption is increasing significantly with each passing day. Natural resources are
decreasing day-by-day, air and environmental pollution is a major problem. At this
point, energy intensive cement industry is important to the use of artificial and
industrial waste.The use of waste is reduced using clinker in the cement.It is
generally that the production of cement clinker is expensive and has adverse
ecological effects. CO2, NOx and SOx are among the hazardous emissions generated
in relatively high volumes by the conventional Portland cement process. In contrary,
blended cements meet the challenges of modern society by incorporating different
industrial by-products and waste, thus partly replacing clinker and increasing
conserving energy. In this way, blended cements contribute to the reduction of
carbon dioxide and other emissions during clinker firing. From economical point of
view, used industrial by-products and waste materials would otherwise be
transported to landfill sites.
Portland cement clinker production consumes large amounts of energy (850 kcal per
kg of clinker) a considerable environmental impact. This involves massive quarriying
for raw materials (limestone, clay, etc.), as it takes 1,7 tonnes to produce 1 tonne of
clinker, as well as the emission of greenhouse and other gases (CO2, NOx and SOx)
into the atmosphere. Around 850 kg of CO2 are emitted per tonne of clinker
produced. Portland cement is the most widely produced cement worldwide, but in
recent years;production of blended cements is increased. The combination of mineral
admixtures has emerged to improve cement properties such as early strenght and
standard strength, durability. Mineral additives used in the production of blended
cement are generally pozzolanic materials. Pozzolanic materials used in the cement
industry as an additive, fly ash and blast furnace slag has a large amount of in
Turkey. In addition, tras, silica fume, limestone is used as an additive in blended
cements. The aim if this thesis is to reduce the amount of clinker in cement bu using
blast furnace slag, fly ash, limestone, zeolite, and floor and wall tiles, granite
fractures that are accepted as faulty products in ceramic plants as a mineral additive.
In experimental studies, at first, floor and wall tiles, granite fractures broken by jaw
crusher, and sieve analysis were performed. Sieve analysis of ceramic wastes are
divided into five size groups (+5,6 mm, -5,6+2,0 mm, -2,0+1,0 mm, -1,0+0,5 mm, -
0,5 mm). Sieve analysis of wall tile and floor tile, and granite fractures were
observed to be the most -5,6 + 2,0 mm particle size range.xx
In the second stage, average particle size of floor tile and wall tile, granite fractures
mill output close to the value how much time grinding neededin ball mill
investigated by trial and error.Wall tile is a material softer than the other two
materials, therefore, first milled in ball mill for 30 minutes. At the end of this time,
the average particle size (d50) of wall tile was 15,61 µm. Such as wall tile, floor tile
fracture initially for 30 minutes, but average particle size is found 22,40 µm, decided
grinding of an additional 20 minutes.Thus, average particle size at the end of a total
of 50 minutes grinding are obtained 17,49 µm. Granite fractureis a harder material,
instead of 30 minutes, 45 minutes ground. However, average particle size found to be
21,52 µm. grinded for 10 minutes, average particle size was 15,76 µm.
The third stage, literature search was conducted, and additive content of cement
samples were determined. At first, it was decided to prepare for nine cement
samples. This cement content was as follows: Clinker, floor and wall tiles, granite
fractures 5 – 10 - 15 % of clinker, and 5 % gypsum. In addition, in order to refer to
95 % clinker, 5 % gypsum containing Portland cement (K) was prepared. Then, these
nine cement mechanical (early and standard strength), physical (setting time,
expansion, and fineness) and chemical tests (chemical analysis, ignition loss,
insoluble residue) were made to determine the properties in accordance with
standards. Result of experiments, each of the nine samples increase the setting time,
the chemical analysis results in values that standard, expansion was observed not
experienced the problem.
Cement samples with ceramic wastes were analyzed as early strength and standard
strength values, and all day strength values increased according to K, whichwas only
5 % floor tile fracture cement (Y5).For this reason, a subsequent of study, the
preparation of blended cement combinations, together with blast furnace slag, fly ash
and limestone decided addition of Y5.
Previous studies that examined the rates of the best strength values were found to be
20 % for blast furnace slag, 20 % for fly ash, and 5 % for limestone in blended
cements. Based on these values, floor tiles in order to see the effect of the strength
these three materials together in different combinations were made five. In each of
the five new combination, floor tile fracture and limestone taken up to 5 % by weight
of klinker, gypsum is taken 5 %. First, two different blended cement (Y5C20,
Y5U20) were prepared to containing 20 % weight of clinker fly ash and blast furnace
slag.Y5C20U20 called third cement content were as follows: 45 % clinker, 20 %
blast furnace slag by weight of clinker, 20 % fly ash by weight of clinker, 5 % floor
tile fracture, 5 % limestone, 5 % gypsum. Early strength and standard strength values
of these three cement samples were too low. Floor tile fracture, limestone and
gypsum in cement ratio was kept constant, the percentages of blast furnace slag and
fly ash respectively 10 % and 5 % of two cement samples (Y5C10U10, Y5C5U5)
were prepared.Inversely proportionalto reduction the amount of blast furnace slag
and fly ashin Y5C10U10 and Y5C5U5, increased strength values, but stil cannot
reach the determined strength values of K.xxi
Floor tile fracture in combination with blast furnace slag and fly ash, the results of
strength after giving negative value, as a new material the zeolite, which contains
SiO2 and Al2O3 in high contentrations, was investigated at cement technology. As a -
result of literature research, increase in value of strength was realized that with
addition of zeolite 15 % by weight of clinker. Thus, four blended cements (Z1-10,
Z1-20, Z2-10, Z2-20) that contain zeolite 10 % and 20 % by weight of clinker were
prepared. According to the four cement samples of compressive strength values,
zeolite leads to increase in 90 days strength values. In addition, just in the value of
28-days strength of Z2-10 coded sample was increased. Therefore, the next phase of
the study, combination of zeolite with floor tile fracture is based on Z2-10 coded
samples.
When the evaluation of all experiments performed, was decided to make a final
mixture. The last sample to the contents were as follows: 80 % clinker, 5 % floor tile
fracture by weigh of clinker, 10 % zeolite by weigh of clinker, and 5 % gypsum.
However, the results of the experiment revealed that floor tile fracture is not a
material that compatible with zeolite.