CO2-emission og -reduktion fra fremstilling af cement Seniorrådgiver Jytte Boll Illerup Lektor Weigang Lin PhD-studerende Sharat Kumar Pathi Professor Kim Dam-Johansen

New Cement Production Technology En forskningsplatform finasieret af Højteknologifonden, FLSmidth A/S og DTU Kemiteknik 2007-2012: 50 mio. dkk (7 mio Euro) Samarbejde mellem DTU Kemiteknik og FLSmidth A/S CHEC Annual Day 2010, October 5

Forskningsindhold Fokus på fire hovedområder Energieffektivitet Alternative brændsler Klinkerdannelse Reduktion af emissioner CHEC Annual Day 2010, October 5

Klinkerbrænding Faststoftemperatur  1450°C Fremstilling af cement Brændsel Gips (CaSO4) Kalksten (CaCO3) Cement Formaling af Klinker Formaling af råmel Lermineraler (SiO2, Al2O3, Fe2O3) Klinkerbrænding Faststoftemperatur  1450°C

Fremstilling af færdig cementprodukt Meget energikrævende og udledning af CO2 Varme del Fremstilling af råmel Kalcinering CaCO3  CaO + CO2 Fremstilling af færdig cementprodukt 5 5

CO2 emissionskilder Råmel (50%) Brændsel og elektricitet (50%) 1 ton cement  1 ton CO2 Air Clinker 100°C Tertiary air 850-1100°C 290°C 480°C 650°C 800°C 890°C Kalcineringsbrændsel 60% brændsel Roterovn Brændsel (40%) Raw meal inlet Rotary kiln Calciner Preheater CHEC Annual Day 2010, October 5 6 6

Reduktion af CO2 Øget energieffektivitet Anvendelse af alternative brændsler (biomasse, affald etc.) Rensning af røggassen Dvs. udskillelse og opkoncentrering af CO2 og forbrænding i ren ilt CHEC Annual Day 2010, October 5

Carbonate looping process – anvendelse af kalksten Kalcinering (endoterm) Karbonering (eksoterm) Ligevægtspartialtryk Karbonering In carbonate looping process CO2 is captured and released by carbnation and calcination reaction. The curve here shows the thermodynaic equilibrium of CO2 partial pressure governing these reactions. At 900 oC equilibirum particla pressure is aroung 1 bar so calcination of limestone in pure co2 atmosphere is possible at temperatures above 900 oC. In this process there are two fluidized bed reactor one for carbonation where CO2 from flue is captured by calcined limestone at 600-650 oC and flue gas free from co2 is released. The carbonated limestone is send to the calciner maintained at 900-950 oC for release of captured CO2. the almost pure co2 is ready for compression and sequestration. However energy for calcination is supplied be oxy-fuel combustion. Kalcinering

Princip for ‘Carbonate looping’ Ref.: C. Abanades et al.

’CO2 Capture’ på cementfabrikker Vigtige design -parameter: Energi optimering – integrering af energistrømme Ref.: European Cement Research Academy

Dimensionering af looping-systemet CO2 kapacitet af CaO afhænger af Temperaturer og opholdstider Kalkstenstype (porøsitet, overfladeareal) Partikeldiameter Gassammensætning (CO2, SO2, H2O…) Antal af recirkulationer CHEC Annual Day 2010, October 5

Eksperimentel opstilling – TGA TGA = Thermogravimetric Analyzer Opvarmningshastighed 1000°C/min Afkøling 300°C/min Modstandsdygtig overfor korrosive gasser (e.g. SO2 and HCl) Dvs., vi kan opnå realistiske forsøgsbetingelser Ref.: Jon Christensen

Foreløbige resultater Kalcineringsbetingelser har stor betydning Øget sintring ses ved Højere temperatur Hurtigere opvarmning Kalcinering i CO2 Kapacitet lavere end generelt fundet i litteraturen

Andre forhold Strømningsforhold i reaktorerne – fluidisering ved høje temperaturer Aflejring af CaO/CaCO3 partikler på overflad af reaktor og systemer – blokering af systemet Nedslidning af CaO/CaCO3 partiklerne CHEC Annual Day 2010, October 5

Pilot-skala reaktor Reaktor Højde: 2,5 m Diameter: 6 cm Temperatur: 0-850 oC Gas: Luft (0-200 Nl/min) og CO2 (0- 100 Nl/min) Faststof: 0-250 g/min In order understand the carbonate looping process a single riser reactor is built for studying carbonation reaction along with determining important parameters like solid circulation rate useful desing second fluidized bed reactor for calcination reaction. The height of reactor is 2.5 m and diameter 60 mm. CHEC Annual Day 2010, October 5

Fremtidigt arbejde Parameterstudier – undersøge vigtige sintringsparametre Lavere kalcineringstemperatur og kortere tid Karakterisering af CaO/CaCO3 (porositet, porestørrelse, overfladeareal) Indflydelse af SO2 i røggas Udbygge looping-reaktor systemet Udføre kontinuerte forsøg Studere partikelflow ved kalcinerende og karbonerende betingelser Viden om opskalering fra pilot til fuldskala CHEC Annual Day 2010, October 5

Tak for opmærksomheden! Kontakt: Jytte Boll Illerup, jbi@kt.dtu.dk