Umeå University's logo

The research presented in this thesis investigated cement clinker production, and involved replicating the conditions of electrified kilns using plasma heating and emerging technologies such as oxy-fuel combustion and calcium looping. These technologies aim to address key challenges in sustainable cement manufacturing by enabling carbon capture and improving process efficiency, and involve the use of high-CO2 atmospheres.

Reliable experimental and analytical methods, including high-temperature X-ray diffraction with controlled atmospheres, were developed in order to study the calcination behaviour, burnability, and phase evolution of raw meals. The key findings were that high-CO2 conditions shift the calcination temperature, decomposition, and modification of intermediate phases, and enhance the reactivity of key phases such as C2S. Accelerated C2S formation and spurrite decomposition play a critical role in improving burnability and C3S formation, reducing reliance on free lime as an intermediate.

Optimised raw meals with improved fineness and tailored chemical compositions demonstrated superior burnability and enhanced clinker reactivity as compared to conventional industrial samples. These results indicate the potential for improving raw meal formulations in order to meet the demands of conventional and emerging processes.

However, challenges persist in managing sulphur volatilisation, and alkali dynamics under high-CO2 conditions. This study emphasises the importance of addressing process factors such as material flow, heat transfer, and kiln volatilisation for ensuring industrial scalability. 

The findings of the simulation of calcium looping conditions highlight that carbonation efficiency and clinker phase formation depend on factors beyond C2S reactivity, including particle sintering and temperature dynamics.

This work provides critical insights into the implications of high-CO2 atmospheres for clinker production, offering valuable guidance for developing electrified and decarbonised cement processes. The research lays the foundation for producing durable cement in a sustainable way, with a view to reaching global climate goals by bridging the gap between laboratory-scale studies and industrial applications.

Cementindustrin, står inför stora utmaningar i strävan efter hållbar produktion eftersom den bidrar till cirka 8 % av världens totala koldioxidutsläpp. Majoriteten av utsläppen kommer från de kemiska reaktionerna vid upphettning av kalksten samt från de fossila bränslen som används i tillverkningsprocessen av cementklinker. Trots framsteg med användning av alternativa bränslen, alternativa råmaterial och cement-ersättningsmaterial är det oundvikligt att framtidens lösning måste innefatta infångning och lagring koldioxid (CCS) direkt vid fabrikerna.

Denna forskning syftar till att skapa en djupare förståelse för hur nya CCS teknologier så som elektrifierad plasmauppvärmning, oxy-fuel-förbränning och kalciumlooping påverkar klinkerbildningen under cementtillverkning. De höga koldioxidnivåerna som dessa teknologier genererar skapar dock nya processförhållanden vars påverkan på klinkerbildningen måste förstås för att teknikerna ska kunna utvecklas effektivt och säkert.

För att undersöka effekterna har avancerade experimentella metoder utvecklats, inklusive högtemperaturröntgen, som används för att studera hur råmaterial reagerar vid upphettning och vilka mineraler som bildas i cementklinkern. Resultaten visar att höga koldioxidhalter påverkar kalkstenens nedbrytning, förändrar mineralutvecklingen och ökar reaktiviteten hos nyckelmineraler som C2S (dikalciumsilikat). Detta leder till effektivare processer, där faser i råmaterial och mellanprodukter vid hög temperatur reagerar snabbare och bryts ner mer effektivt.

Avhandlingen betonar även vikten av att optimera råmaterial för att anpassa sig till de förändrade förhållandena. Genom att justera sammansättningen och partikelstorleken har studien visat att brännbarheten hos råmaterialen och reaktiviteten hos cementet kan förbättras. Detta innebär att cementet kräver mindre energi att tillverka samtidigt som det får bättre egenskaper för användning i kombination med tillsattsmaterial. 

Vid simulering av kalciumlooping-processen framkom att karbonatiseringens effektivitet och klinkermineralbildning påverkas av flera faktorer, såsom partikelsintring och temperaturdynamik. 

Denna forskning ger värdefulla insikter i hur framtida tillverkningstekniker påverkar klinkerbildningen. Resultaten bidrar till att möjliggöra en säker och effektiv utveckling av nya teknologier som kombinerar elektrifiering och koldioxidinfångning. Detta kan minska cementindustrins klimatpåverkan och bana väg för en cementproduktion som strävar mot världens klimatmål.