Integrated Calcium Looping CO2 capture for cement production: from pilot design and testing to full-scale feasibility

The target of this work is the evaluation of the integrated Calcium Looping (CaL) process for CO2 capture in the cement industry. This research is pursued in the framework of the Cleanker H2020 project, within which a pilot plant has been designed, built, installed, and operated in Buzzi Unicem Vernasca (Piacenza, Italy) cement plant and which eventually demonstrated the technology at Technology Readiness Level 7. The pilot plant is designed to treat up to around 2’000 Nm3/h of gas in the carbonator (approximately 1.5% of the gas stream produced by the cement kiln), operating with to 4-5 t/h of fresh raw meal (around 3% of kiln capacity). The experimental activity included 5 short test campaigns, with the target of testing many operational conditions, and 4 long test campaigns, with the target of testing for longer periods the most attractive operational windows identified. The experiments showed that the CO2 capture efficiency in the carbonator is clearly linked to the temperature measured at the carbonator inlet, which is in turn mainly affected by the solid to gas ratio in the system. The purity of the CO2 produced is mainly driven by the solid to gas ratio in the system as well, and it is heavily affected by false air leakage. The CO2 Purification Unit (CPU) to be applied downstream the CO2 capture system has been modeled targeting two different outlet CO2 specifications and optimized to minimize the incremental clinker production cost. Results show that moderate purity can be achieved with an increased cost of clinker of 16.3 €/t_clk (CO2 recovery 99.3%), while the high purity configuration leads to a 19.3 €/t_clk increase (CO2 recovery 96.1%). Off-design analyses aimed at assessing the impact of air infiltration changing over time highlight the relevance of designing the CPU for the scenario with air infiltrations. For the base case CPU, the cost of clinker increases by 3 €/t_clk when moving from zero to 10% air infiltration. The CPU model has eventually been exploited as one of the simulation bricks to perform the Techno-Economic Assessment of the full-scale application of the integrated Calcium Looping technology to an existing or to a new cement plant (retrofit/greenfield). The direct fuel consumption is increased by 69%/49%, with the greenfield configuration favored by the lower amount of inert recycle gas: however, the direct CO2 emission reduction is similar, 94 – 95%. On the other hand, the electricity consumption is increased by 30%/52%, leading to Specific Primary Energy Consumption per CO2 Avoided (SPECCA) of 3.09/2.68 MJ/kg_(CO_2 ). In both cases, more than 90% of the Total Plant Cost is linked to 5 equipment units only: the Waste Heat Recovery, the Air Separation Unit, the CPU, the coal mill and the supporting structures. The greenfield case exhibits only slightly lower values compared to the retrofit one in terms of cost of clinker (98.8 vs 102.2 €/t_clk) and cost of avoided CO2 (42.4 vs 45.7 €/t_(CO_2 )), mainly due to the lower thermal energy demand.

L'obiettivo di questo lavoro è la valutazione del processo Calcium Looping integrato (CaL) per la cattura di CO2 nell'industria del cemento. La ricerca si è svolta nell'ambito del progetto H2020 Cleanker, all'interno del quale è stato progettato, costruito, installato ed esercito un impianto pilota presso lo stabilimento Buzzi Unicem di Vernasca (Piacenza, Italia), che ha dimostrato la tecnologia a Technology Readiness Level 7. L'impianto pilota è progettato per trattare fino a circa 2’000 Nm3/h di gas nel carbonatore (circa l'1,5% del flusso di gas prodotto dal forno del cemento), operando con 4-5 t/h di farina fresca (circa il 3% della capacità del forno). L'attività sperimentale si è articolata in 5 campagne di test brevi, con l'obiettivo di testare diverse condizioni operative, e 4 campagne di test lunghe, con l'obiettivo di testare per periodi più lunghi le condizioni operative più interessanti. Gli esperimenti hanno dimostrato che l'efficienza di cattura della CO2 nel carbonatore è chiaramente legata alla temperatura misurata all'ingresso del carbonatore, che a sua volta è principalmente influenzata dal rapporto solido/gas nel sistema. Anche la purezza della CO2 prodotta è principalmente influenzata dal rapporto solido/gas nel sistema, e pesantemente influenzata dalle infiltrazioni di aria falsa. L'unità di purificazione della CO2 (CO2 Purification Unit, CPU) da applicare a valle del sistema di cattura della CO2 è stata modellata per due diverse specifiche di CO2 in uscita e ottimizzata per ridurre al minimo l'incremento del costo di produzione del clinker. I risultati mostrano che è possibile ottenere una purezza moderata con un aumento del costo del clinker di 16,3 €/t_clk (recupero di CO2 99,3%), mentre la configurazione ad alta purezza porta a un aumento di 19,3 €/t_clk (recupero di CO2 96,1%). Le analisi off-design volte a valutare l'impatto delle infiltrazioni di aria variabili nel tempo mettono in luce l'importanza di progettare la CPU per questo scenario. Per il caso base di CPU, il costo del clinker aumenta di 3 €/t_clk passando da zero al 10% di infiltrazioni d'aria. Il modello della CPU è stato infine utilizzato per eseguire la valutazione tecno-economica dell'applicazione su scala industriale della tecnologia del Calcium Looping integrato a una cementeria esistente o nuova (retrofit/greenfield). Il consumo diretto di combustibile aumenta del 69%/49%, con la configurazione greenfield favorita dalla minore quantità di gas di ricircolo (inerte): tuttavia, la riduzione diretta delle emissioni di CO2 è simile, 94 - 95%. D'altra parte, il consumo di elettricità aumenta del 30%/52%, portando a un consumo specifico di energia primaria per unità di CO2 evitata (SPECCA) di 3,09/2,68 MJ/kg(CO_2). In entrambi i casi, oltre il 90% del costo totale dell'impianto è legato a sole 5 voci di costo: il sistema di recupero del calore (Waste Heat Recovery, WHR), l'unità di frazionamento dell'aria (Air Separation Unit, ASU), la CPU, il mulino del carbone e le strutture di supporto. Il caso greenfield presenta valori solo leggermente inferiori rispetto a quello retrofit per il costo del clinker (98,8 contro 102,2 €/t_clk) e il costo della CO2 evitata (42,4 contro 45,7 €/t_(CO_2)), principalmente a causa del minore fabbisogno di energia termica.