Design and techno-economic optimization of the CO2 purification unit of a cement plant with carbon capture

Cement making is responsible for about 8% of global anthropogenic CO2 emissions and the specific emissions of CO2 are about 0.6-0.7 kg of CO2 per kg of cement produced. The International Energy Agency (IEA) has identified Carbon Capture Utilization and Storage (CCUS) as one of the key technologies for cutting the direct CO2 emissions from cement production by 2050. “Calcium Looping” (CaL) is one of the most promising CO2 capture technologies which may be applied to cement plants. The CaL is a solid looping process that, after the calcination step, releases a CO2 mixture which must be purified, conditioned and compressed in a dedicated system, called CO2 Purification Unit (CPU), in order to produce a CO2-rich stream suitable for subsequent transportation, utilisation or permanent storage. In this thesis, two CPU configurations have been techno-economically optimized for different carbon tax values. The optimization goal is to find the set of process design variables (key pressures, temperatures, heat duties, split fractions, etc.) that minimizes the overall cost of CO2 purification (COCP), while accounting both for capital and operating costs (including the carbon tax) of the CPU, and producing a CO2 stream meeting the quality specifications for transport and storage (e.g. oxygen content below 10 ppmv). The optimization is carried out in Matlab using the genetic algorithm (GA) implemented in the Global Optimization toolbox and by interfacing the CPU process modelled in Aspen Plus v.10 with Matlab. Optimization results show that the best configuration is the CPU with auto-refrigeration, without expanders and with a vapor-liquid low temperature phase separator ahead of the CO2 distillation column. The optimal COCP cost ranges between 16 and 19 €/t of CO2 purified for CO2 tax spanning between 0 and 100€/t. The energy consumption of the optimal CPU varies between 494 and 505 kJ/kg of CO2 purified.

La produzione del cemento è responsabile circa dell’ 8% delle emissioni antropogeniche globali di CO2 e le emissioni specifiche di CO2 sono circa 0.6-0.7 kg per ogni kg di cemento prodotto. L’ Agenzia Internazionale per l’Energia (IEA) ha identificato la Cattura l’Utilizzo e lo Stoccaggio di CO2 (CCUS) come una tra le tecnologie chiave per ridurre le emissioni dirette di CO2 causate dalla produzione di cemento entro il 2050. Il “Calcium looping” (CaL) è una delle più promettenti tecnologie di cattura di CO2 che potrebbe essere applicata ad un impianto di cemento. Il CaL è un processo che, dopo uno step di calcinazione, produce una miscela di CO2 che deve essere purificata, trattata e compressa in un sistema dedicato, chiamato Unità di Purificazione della CO2 (CPU), in maniera tale da produrre CO2 purificata in specifica per i successivi steps di trasporto, utilizzo o stoccaggio permanente. In questa tesi è stata fatta l’ottimizzazione tecno-economica di due configurazioni di CPU per valori differenti della tassa sul carbonio. Lo scopo dell’ ottimizzazione è di trovare l’ insieme di variabili di design (pressioni, temperature, potenze termiche, split fractions, etc.) che minimizzano il costo complessivo della purificazione della CO2 (COCP), tenendo conto sia del costo del capitale che dei costi di esercizio (tassa sul carbonio inclusa) della CPU, e di produrre CO2 purificata in linea con le specifiche per il trasporto e lo stoccaggio (tra cui una concentrazione di ossigeno al di sotto di 10 ppmv). L’ ottimizzazione è stata svolta in Matlab usando l’ algoritmo genetico (GA) implementato nel toolbox Global Optimization e interfacciando il processo della CPU modellato in Aspen Plus v.10 con Matlab. I risultati dell’ ottimizzazione mostrano che la migliore configurazione è la CPU con auto-refrigerazione, senza espansori e con un separatore a bassa temperatura di vapore e liquido a monte della colonna di distillazione della CO2. L’ ottimo COCP varia tra 16 e 19 €/t di CO2 purificata per una tassa sul carbonio che varia tra 0 e 100€/t. I consumi energetici specifici della CPU migliore variano tra 494 e 505 kJ/kg di CO2 purificata.