LEILAC technology for CO2 capture from cement plants : a techno-economic assessment

The present work is carried out in the framework of the European LEILAC2 project whose main objective is assessing the Direct Separation Reactor (DSR) technology, developed by the Australian technology company Calix Limited. The Direct Separation Reactor is based on the use of indirect heating which allows to keep the process CO2 produced by limestone calcination and combustion gases separated, resulting in the simple capture of high quality CO2. A model of a reference cement plant without CO2 capture was developed and validated with data available from the European CEMCAP project. Three alternative configurations of cement plant retrofitted with a DSR in place of a calciner have been developed: in two of them the DSR is fed by coal and natural gas, and the difference between the two lies in the control of the flue gas stream; in the third configuration, the DSR is electrically heated. The results obtained in this work establish the great potential of the DSR technology as a CO2 capture technology for cement plants. The employment of a fossil fuel fed-DSR allows to have a reduction of equivalent CO2 emissions of about 30%, while the use of an electrical DSR allows to have an even larger reduction, up to 55%. However, the use of a fossil fuel fed-DSR results in an increased direct fuel consumption, while the use of an electrical DSR results in a larger specific net electric demand with respect to a conventional cement plant: overall, the increase of equivalent fuel consumption is of about 40% for the plants employing the fossil fuel-fed DSR and about 70% for the one employing the electrical DSR. From economic assessments, it appeared that the DSR technology can compete with benchmark CO2 capture technologies for cement plants. In particular, combining low price of electricity with high carbon tax, the electrified DSR-based plant emerged as the best option among all DSR-based plants. Overall, carbon pricing policies are needed to ensure the economic competitiveness of the DSR technology. Finally, an analysis of the pilot plant of the LEILAC2 project has been conducted to study the synergies between the pilot plant exploiting the DSR technology and the base cement plant. The potentialities associated with DSR electrification have also been proven through a pilot plant study.

Il presente lavoro è svolto nell'ambito del progetto europeo LEILAC2, il cui obiettivo principale è la valutazione della tecnologia Direct Separation Reactor (DSR), sviluppata dalla società tecnologica australiana Calix Limited. Tale tecnologia si basa sull'utilizzo del riscaldamento indiretto grazie al quale è possibile mantenere separati il flusso di CO2 prodotto dalla calcinazione del CaCO3 e il flusso di gas prodotti dalla combustione, permettendo la cattura di un flusso di CO2 di alta qualità. Innanzitutto, è stato sviluppato un modello di un cementificio di riferimento senza cattura di CO2, successivamente convalidato con dati messi a disposizione dal progetto europeo CEMCAP. Sono state inoltre sviluppate tre configurazioni alternative di cementificio, basate sull'uso di DSR al posto del calcinatore: in due di esse il DSR è alimentato da carbone e gas naturale e la differenza tra le due risiede nel controllo del flusso di gas combusti; nella terza configurazione, il DSR è invece riscaldato elettricamente. I risultati ottenuti all'interno di questo lavoro evidenziano il grande potenziale della tecnologia DSR come tecnologia di cattura della CO2 nei cementifici. L'impiego di DSR alimentati a combustibili fossili permette di avere una riduzione delle emissioni di CO2 equivalenti circa pari al 30%, mentre l'utilizzo di un DSR elettrico permette di avere una riduzione ancora maggiore, fino al 55%. Tuttavia, l'utilizzo di un DSR alimentato a combustibili fossili determina un aumento del consumo diretto di combustibile, mentre l'utilizzo di un DSR elettrico determina un maggiore consumo elettrico netto rispetto ad un cementificio tradizionale: complessivamente, l'incremento del consumo di combustibile equivalente è di circa 40% per gli impianti che utilizzano il DSR alimentato a combustibili fossili e 70% per l'impianto con DSR elettrico. Dalle valutazioni economiche è emerso che la tecnologia DSR può competere con tecnologie di cattura di CO2 di riferimento per i cementifici. In particolare, combinando un basso prezzo dell'elettricità con un'elevata carbon tax, l'impianto con DSR elettrico risulta essere l'opzione migliore tra gli impianti con DSR. In conlusione, sono necessarie politiche di tassazione della CO2 per garantire la competitività economica della tecnologia DSR. Infine, è stata condotta un'analisi dell'impianto pilota del progetto LEILAC2, tramite la quale sono state studiate le sinergie tra l'impianto pilota dotato di DSR e il cementificio base. Le potenzialità associate all'elettrificazione del DSR sono state quindi evidenziate anche tramite lo studio di un impianto pilota.