Analisi e confronto di tecnologie innovative per la cattura della CO2 in cementifici

This work is part of the process analysis of innovative technologies for the reduction of CO2 emissions in plants for the production of cement. The cement plant considered as a reference for the analysis carried out is a plant with a modern layout. With regard to the highly innovative processes that are the focus of this thesis, are specifically a first system with electrically powered calciner and a second system with calciner heated externally by a combustion gas stream. In order to have a complete comparison of these new plant configurations, it was decided to compare these systems with a cement plant operating entirely in oxyfuel. The three types of plant have been described accurately, highlighting their strengths and weaknesses with respect to the reference configuration; after which the results obtained from the modelling with the GS program have been reported and then passed to the calculation and analysis of the KPI (Key Performance Indicator). These indicators were then used to make a further comparison with the results presented by the European partner VDZ GmbH. The objective was to observe in different cases the increases in energy consumption necessary to make innovative solutions competitive with respect to the reference oxyfuel case.The results obtained confirm the potential of innovative plants for the capture of CO2 in the production of cement. At the same time, however, the additional energy costs involved in the new arrangements were highlighted. In the case of oxyfuel combustion, the air separation units (ASU) have a more than significant weight to ensure the supply of oxygen and the unit of compression and purification of CO2 (CPU) have not negligible energy consumption. In the case of an electric calciner, heating the calciner to ensure that the calcination reaction is triggered (strongly endothermic) corresponds to almost all energy consumption. On the other hand, in the case of an externally heated calciner, energy consumption is not high, but despite this there is a rate of CO2 capture that is not adequate for today's demand, which is around 90%. Clearly, since technologies are not yet available on a commercial scale, it is not yet possible to have real test results that would result from the implementation of a pilot plant.

Il presente lavoro si colloca nell’ambito dell’analisi di processo di tecnologie innovative per l’abbattimento delle emissioni di CO2 in impianti per la produzione di cemento. Il cementificio considerato come riferimento per l’analisi svolta è un impianto con assetto moderno. Per quanto riguarda i processi altamente innovativi che costituiscono il focus di questa tesi, sono nello specifico un primo impianto con calcinatore alimentato elettricamente ed un secondo impianto con calcinatore riscaldato esternamente da una corrente di gas combusti. Nell’ottica di avere un confronto completo di queste nuove configurazioni impiantistiche, si è scelto di paragonare tali sistemi con un cementificio operante completamente in ossicombustione. Sono state descritte in maniera accurata le tre tipologie di impianto evidenziandone i punti di forza e punti di debolezza rispetto alla configurazione di riferimento; dopodiché sono stati riportati i risultati ottenuti dalla modellizzazione con il programma GS per poi passare al calcolo e all’analisi dei KPI (Key Performance Indicator). Tali indicatori sono stati in seguito utilizzati per effettuare un ulteriore confronto coi risultati presentati dal partner europeo VDZ GmbH. L’obiettivo è stato quello di osservare nei diversi casi gli aumenti dei consumi energetici necessari a rendere competitive le soluzioni innovative rispetto al caso ossicombustione di riferimento. I risultati ottenuti confermano le potenzialità dei suddetti impianti innovativi per la cattura della CO2 nell’ambito della produzione di cemento. Allo stesso tempo però sono state messe in evidenza le spese energetiche aggiuntive che i nuovi assetti comportano. Nel caso ad ossicobustione hanno un peso più che rilevante le unità di separazione dell’aria (ASU) per garantire l’apporto di ossigeno e l’unità di compressione e purificazione della CO2 (CPU) comportano consumi energetici non trascurabili. Per quanto riguarda il caso con calcinatore elettrico, il riscaldamento dello stesso per garantire che si inneschi la reazione di calcinazione (fortemente endotermica), corrisponde alla quasi totalità dei consumi energetici. Invece nel caso con calcinatore riscaldato esternamente i consumi energetici non risultano elevati ma nonostante ciò si ha un tasso di cattura della CO2 non adeguato alla richiesta di oggi che si aggira intorno al 90%. Chiaramente essendo tecnologie non ancora disponibili su scala commerciale, non è ancora possibile avere dei veri e propri risultati di test che deriverebbero dalla messa in opera di un impianto pilota.