CO2 capture in integrated steel mills with the innovative Ca-Cu capture process

This thesis work focuses on Carbon Capture and Sequestration technologies in integrated steel mills. Industrial sources account for a large portion of anthropogenic CO2 emissions and the Steel industry is one of the main emitters in the industrial sector. Even more than in the Power Generation sector, the deployment of CCS technologies is going to be crucial for the reduction of carbon emissions in the Industrial sector, as for many industrial processes there isn’t any short-term alternative to fossil fuels. The first chapter of this work presents an overview of the present state of CCS in the Industry to outline the scenario in which this work is positioned. The second chapter offers an impression of the Steel industry and the steel production processes currently adopted in the world. In the third chapter the main CO2 capture technologies for integrated steel plants proposed by other authors and currently being researched around the world are presented to serve as a benchmark for the innovative technology presented in this work. In the fourth chapter is introduced the model of an integrated steel mill and its validation. The model allows to compute compositions and mass flow rates of the steel mill off-gases, which are the main source of carbon dioxide emissions in the steel plant. In the fifth chapter the application of the innovative carbon capture technology with Ca-Cu loop in an integrated steel mill is investigated. The integration of the Ca-Cu capture technology in a steam cycle power plant that uses steel mill off-gases as fuel has been modeled to assess its potential in terms of CO2 emissions reduction and feasibility.

Questo elaborato di tesi si occupa di tecnologie per la cattura e il sequestro della CO2 in acciaierie integrate a ciclo integrale. Il settore industriale è responsabile per gran parte delle emissioni di CO2 antropogeniche e il settore siderurgico è uno dei principali emettitori del settore industriale. Ancora più che nel settore della generazione di potenza, l’utilizzo di tecnologie di cattura e sequestro dell’anidride carbonica sarà fondamentale per la riduzione delle emissioni di CO2 del settore industriale, in quanto per diversi processi non è disponibile alcuna alternativa ai combustibili fossili nel breve termine. Il primo capitolo di questo elaborato presenta una panoramica sullo state attuale delle tecnologie CCS nel settore industriale al fine di delineare lo scenario in cui questo lavoro si colloca. Il secondo capitolo offre un’introduzione al settore siderurgico e una descrizione dei processi di produzione dell’acciaio comunemente in uso al giorno d’oggi. Nel terzo capitolo vengono presentati i processi di cattura della CO2 in acciaierie integrate presentati da altri autori o correntemente oggetto di ricerca, per servire da riferimento per la tecnologia di cattura innovativa proposta in questo elaborato. Nel quarto capitolo viene introdotto un modello di una acciaieria integrata e la sua validazione. Il modello consente di calcolare le composizioni e le portate dei gas di processo prodotti nell’acciaieria, che sono la principale fonte di emissioni di carbonio dell’impianto. Nel quinto capitolo viene investigata l’applicazione del sistema di cattura della CO2 con processo Ca-Cu ad una acciaieria integrata. E’ stata modellata l’integrazione del processo di cattura Ca-Cu in un impianto di produzione di potenza a ciclo a vapore che utilizza i gas d’acciaieria come combustibile per valutarne il potenziale in termini di riduzioni di emissioni di CO2 e di fattibilità.