Techno-economic analysis of CO2 emissions reduction systems in cement plants based on the calcium-looping process

The present work investigates, via process simulations, the integration of Calcium looping (CaL) process into a cement plant for post-combustion CO2 capture. CaL systems exploit the reversible carbonatation reaction (CaO + CO2 ⇄ CaCO3) to separate carbon dioxide from flue gas. The CaO sorbent is regenerated in a second reactor where the calcination reaction is sustained by oxy-combustion of coal. To better fulfill the granulometry requirements from cement plants, entrained flow (EF) reactors have been tested in place of the more standard circulating fluidized bed reactors (CFB) adopted for capture applications in power plants. The model of the reference cement plant, as well as technical data for the calibration of the simulated models, have been provided from the European CEMCAP project. Two alternative configurations were proposed for integrating the CaL system into a cement plant. In the first, the carbonator of the CaL process is installed as an end-of-pipe unit to capture the CO2 from the cement kiln gas. This solution represents the easiest retrofit for pre-existing cement plants. The second scheme instead tries to improve the energy performances by deep integration of the CaL system within the cement plant. Most notably, the calciner of the CaL process replaces the conventional pre-calciner and serves the dual purpose of feeding the rotary kiln and separating the captured CO2. More significant changes are needed in the original cement plant, namely an oxy-combustion calciner and different raw meal preheaters. The results obtained confirm the great potential of the CaL system as a CO2 capture technology for cement plants. For the first configuration, more than 75% of the CO2 equivalent emissions can be avoided; for the second scheme, the equivalent cut gets to the 80% mark. In both cases, a significant contribution to emissions reduction is offered by the enhanced heat recovery carried out by a subcritical steam cycle. On the other hand, the integration of the CaL process results in increased fuel consumptions. With respect to the benchmark cement plant without CO2 capture, the heat input almost doubles for the integrated scheme; for the tail end system, in which a double calcination reaction happens, the heat consumption can even triple. The energy and environmental performances achieved by the two configurations were compared to the tail end CaL process with CFB reactors already tested in the CEMCAP framework. Overall, the competitivity of the studied technologies increases with higher integration level. In particular, the fully integrated configuration achieves a satisfying cut of the equivalent emission (80%) with a very limited energy expense, around 3 MJ/kgCO2. Typical values for the CFB technology range in between 3.5-4.2 MJ/kgCO2 according to the power generation scenario.

Questo lavoro indaga, attraverso simulazioni di processo, l’integrazione del processo Calcium Looping (CaL) in cementifici per la cattura post-combustione della CO2. I sistemi CaL sfruttano la reazione reversibile di carbonatazione (CaO + CO2 ⇄ CaCO3) per separare l’anidride carbonica dai gas combusti. Il sorbente CaO viene rigenerato in un secondo reattore dove la reazione di calcinazione è sostenuta da un’ossicombustione di carbone. Per meglio soddisfare le necessità granulometriche dei cementifici, sono stati testati reattori a flusso trascinato (EF) al posto dei tradizionali reattori a letto fluido circolante (CFB) adottati nelle applicazioni di cattura in impianti di produzione di potenza. Il modello del cementificio di riferimento, così come i dati tecnici per la calibrazione delle simulazioni, sono stati forniti dal progetto europeo CEMCAP. Sono state proposte due configurazioni alternative per integrare il sistema CaL in un cementificio. Nella prima, il carbonatore del processo CaL è installato a valle del forno e ne purifica i fumi. Il secondo schema invece cerca di migliorare le prestazioni energetiche attraverso una integrazione più profonda del sistema CaL nel cementificio. Tra le modifiche più rilevanti, il calcinatore del processo CaL sostituisce il pre-calcinatore convenzionale e assolve il duplice compito di alimentare il forno rotante e separare la CO2 catturata. Gli interventi da effettuare sul cementificio originale sono più numerosi, tra cui la conversione del calcinatore in ossi-combustione e diversi sistemi di preriscaldo della raw meal. I risultati ottenuti confermano il grande potenziale del sistema CaL per la cattura della CO2 nei cementifici. Per la prima configurazione, più del 75% delle emissioni equivalenti di CO2 possono essere evitate; per il secondo layout, l’abbattimento raggiunge l’80%. In entrambi i casi, il recupero di calore con un ciclo a vapore subcritico offre un contributo significativo alla riduzione delle emissioni. Di contro, l’integrazione del processo CaL accresce i consumi di combustibile. Rispetto all’impianto cementiero di riferimento senza cattura della CO2, lo schema integrato richiede un input di calore quasi doppio; per il sistema tail end, la necessità di una doppia calcinazione porta il consumo di combustibile quasi a triplicare. Le prestazioni energetiche ed ambientali raggiunte dalle due configurazioni sono state paragonate al processo CaL con reattori CFB già testato nel progetto CEMCAP. In generale, la competitività dei sistemi studiati aumenta per i livelli di integrazione più alti. Nello specifico, la configurazione a piena integrazione raggiunge un taglio soddisfacente delle emissioni equivalenti (80%) con una spesa energetica contenuta, vicina ai 3 MJ/kgCO2. I valori tipici per le configurazioni CFB spaziano dai 3.5 ai 4.2 MJ/kgCO2 a seconda dello scenario per la generazione di potenza.