Elettricità e cemento da impianti integrati con cattura di CO2

The aim of this work is the analysis of a possible integration of a cement plant and a coal-fired power plant with post combustion capture of CO2 with a CaO-based sorbent. This solution is interesting because the power plant needs to purge a portion of the sorbent to prevent sorbent deactivation and accumulation of coal ash and gypsum. This flow of solids, with high content of lime, can be reused as a cement plant feedstock instead of limestone, reducing the fuel consumption and CO2 emissions due to calcination and combustion. After an introduction on technologies for the production of cement and its environmental impact (chapter 1), the mass balance of a hypothetical cement plant was described in detail (chapter 2). In chapter 3, modeling results of a reference cement plant, calculated on real data plant were reported. The mass and energy balance were calculated with the GS program, developed in the Department of Energy of Politecnico di Milano. This program was used in order to obtain a model that reproduces a reference plant. First it was necessary to identify the chemical species involved in the production of the cement and introduce the thermodynamic properties in GS database. Then the system was divided into three section identifying three stages of the clinker production: preheating and precalcining, clinker burning and clinker cooling. Each of these sections has been set up with GS components in order to reproduce the temperature profile provided by reference. Model validation was successfully made by comparing the heat balance calculated with reference plant. Once obtained a realistic model, the possibility of changing the raw meal was evaluated to study the effects of integration with a coal power plant with post combustion capture using CaO-based sorbents (chapter 4). Different feedstocks were considered: a case where all the limestone fed to the cement plant is replaced by lime and two cases with purge solids (with different composition of coal ash) from a coal power plant with post-combustion capture of CO2 with CaO-based sorbent. Finally, comparative economic analysis was performed to compare the differential costs, identifying the cost items and obtaining a lower cost of avoided CO2 then competing technologies.

Obiettivo del presente lavoro è l'analisi di una possibile integrazione tra un impianto di produzione del cemento e una centrale elettrica alimentata a carbone con cattura post combustione della CO2 tramite un sorbente a base CaO. Tale soluzione appare interessante poiché dalla centrale elettrica è necessario effettuare uno spurgo di una parte del sorbente circolante per evitare accumuli di ceneri del carbone e gesso. Questa portata di solidi, ad elevato contenuto di calce, è riutilizzabile come alimentazione di un cementificio al posto del calcare, risparmiando parte del combustibile necessario e abbattendo le emissioni di CO2 dovute alla calcinazione e alla combustione. Dopo un'introduzione sulle tecnologie per la produzione del cemento ed il relativo impatto ambientale (cap.1), è stato descritto nel dettaglio il bilancio di massa di un cementificio ipotetico (cap.2). Nel capitolo 3 sono stati riportati i risultati della modellizzazione di un cementificio di riferimento, calcolato su dati reali di impianto. Il bilancio di massa e di energia è stato calcolato con il programma GS, sviluppato al dipartimento di Energia del Politecnico di Milano, con il quale è stato realizzato il modello che riproduce un cementificio di riferimento; per prima cosa è stato necessario individuare le specie chimiche coinvolte nel processo di cottura del cemento. Successivamente l'impianto è stato suddiviso in tre componenti che individuano le diverse fasi della cottura del clinker: preriscaldatore e precalcinatore, dove avviene il riscaldamento dei reagenti e la calcinazione del calcare; il forno rotante, dove si completa la fase di cottura con la sinterizzazione delle fasi che compongono il clinker e infine il clinker cooler, dove avviene il raffreddamento dei prodotti. Ognuna di queste sezioni è stata schematizzata con componenti GS in modo tale da riprodurre il profilo di temperatura fornito dal riferimento. La validazione del modello è stata effettuata confrontando il bilancio termico calcolato con quello dell'impianto reale di riferimento. Una volta ottenuto un modello il più possibile realistico è stata valutata la possibilità di sostituire i reagenti alimentati per valutare gli effetti dell'integrazione con una centrale elettrica a carbone con cattura post combustione tramite sorbenti a base CaO (cap.4). Sono state valutate diverse possibili alimentazioni: un caso in cui tutto il calcare alimentato viene sostituito con calce e due casi con solidi di spurgo, con diversa composizione delle ceneri del carbone, provenienti da una centrale elettrica a carbone con cattura della CO2 post-combustione tramite sorbente a base CaO. Infine è stata effettuata un'analisi economica comparativa per confrontare i costi differenziali tra coppie di casi a pari taglia d'impianto, identificando le varie voci di costo e ottenuto un costo della CO2 evitata molto competitivo rispetto alle tecnologie concorrenti.