Techno-economic assessment of sorption enhanced water gas shift (SEWGS) in steel works

Increase in global CO2 anthropogenic emissions and consequences of the higher global average temperature are rising concerns about the risks connected to climate change. The steel industry is responsible for a considerable share of these emissions (~6%), mostly generated by the power generation unit. The fuel supplied is made of flue gases with energetic value (LHV~2-4 MJ/kg) produced by the other units of the steelmaking process. This work is part of a project called Stepwise and provides a techno-economic assessment of a CO2 capture technology called Sorption Enhanced Water Gas Shift (SEWGS). The system is implemented within the power unit of a reference steel mill provided by the International Energy Agency (IEA). For the power plant two base cases with no capture and one reference case with post-combustion capture (MEA) are presented. Then, several new layouts are investigated to find the best possible integration of the SEWGS within the power plant, as pre-combustion and post-combustion capture system. In particular, the post-combustion layout suggests a way to reach higher capture ratios on the overall steel mill (>80%). Results show that a significant efficiency penalty affects the power plant when the capture system is implemented, mainly due to the high capture ratio (90%). The low net electric efficiency and the high cost of the SEWGS unit also have a strong impact on the Levelized Cost of Electricity (+80-90%) and the cost of the Hot Rolled Coil (+4-5%) with respect to base cases. The Specific Primary Energy Consumption for CO2 avoided (1.9-2.5 MJ/kgCO2) is lower than that obtained for the reference case with MEA (5 MJ/kg), showing the significant improvements achieved by the new sorbent.

L’aumento delle concentrazioni di CO2 è ormai riconosciute come principale causa del cambiamento climatico ed il conseguente innalzamento della temperatura media terrestre. L’industria dell’acciaio è responsabile per una significativa quota di emissioni di gas a effetto serra a livello globale (~6%), per buona parte prodotte dall’impianto di potenza. Il combustibile usato è una miscela di gas con potere calorifico (2-4 MJ/kg) che viene generato dai vari processi coinvolti nella produzione dell’acciaio. Questa tesi fa parte di un progetto chiamato Stepwise ed ha l’obiettivo di analizzare l’impatto tecno-economico che un sistema di cattura della CO2, chiamato Sorption Enhanced Water Gas Shift (SEWGS), avrebbe se implementato nell’impianto di potenza di quest’ultima. L’acciaieria è riprodotta usando un modello di riferimento realizzato dalla International Energy Agency (IEA). Per l’impianto di potenza sono presentati due casi base senza cattura e uno di riferimento con cattura in post-combustione (MEA). Poi, sono stati studiati nuovi layout per individuare la migliore integrazione del SEWGS nell’impianto di potenza, come sistema di cattura in pre e post-combustione. In particolare, il caso con SEWGS in post-combustione mostra un modo per raggiungere rapporti di cattura maggiori sull’intera acciaieria (~80%). I risultati mostrano una notevole riduzione del rendimento dell’impianto quando il SEWGS viene aggiunto, principalmente dovuto all’elevato indice di cattura (90%). Il basso rendimento e l’elevato costo del SEWGS hanno un forte impatto sul costo dell’elettricità (+80-90%) e sul costo dell’acciaio (+4-5%) rispetto ai casi base. Il consumo di energia primaria per CO2 caturata, in inglese SPECCA, è considerevolmente ridotto (1.9-2.5 MJ/kgCO2) rispetto al caso di riferimento (5 MJ/kgCO2), indice delle migliorie apportate dal nuovo sorbente usato per Stepwise.