Anwendung des Calcium- Looping-Verfahrens zur CO 2 - Abscheidung bei der Zementherstellung

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1 Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik Prof. Dr. techn. G. Scheffknecht Anwendung des Calcium- Looping-Verfahrens zur CO 2 - Abscheidung bei der Zementherstellung Matthias Hornberger, Reinhold Spörl, Günter Scheffknecht Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Hochtemperaturverfahrenstechnik , Bremen

2 Notwendigkeit der CO 2 -Abscheidung aus der Zementindustrie CO 2 -Emissionen Zementindustrie verantwortlich für ca. 8 % der weltweiten anthropogenen CO 2 -Emissionen CO 2 -Emissionen sind der Zementproduktion inhärent 60 % aus Rohmehlkalzinierung 40 % aus Wärmebereitstellung 56 % der CO 2 -Emissionsminderung durch CCS- Technologien IEA Cement Technology Roadmap Carbon emissions reductions up to 2050 Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Dr. techn. Günter Scheffknecht 2

3 Notwendigkeit der CO 2 -Abscheidung aus der Zementindustrie Aktuelle Forschungsprojekte zur CO 2 -Abscheidung in der Zementindustrie CEMCAP CO 2 capture from cement production CO 2 -Abscheidung mittels oxy-fuel Technologie (Drehrohrofen, Kalzinator, Klinkerkühler) CO 2 -Abscheidung mittels Chilled Ammonia CO 2 -Abscheidung durch Kombination von Membranen mit kryogener Verflüssigung CO 2 -Abscheidung mittels Calcium Looping CLEANKER CLEAN clinker production by Calcium Looping process Demonstration der CO 2 -Abscheidung mittels Calcium-Looping im Zementwerk Vernasca (Italien) Charakterisierende Rohmehlstudie zur Übertragung der Ergebnisse auf weitere Zementwerke Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Dr. techn. Günter Scheffknecht 3

4 Calcium-Looping- CO 2 -Abscheidung

5 Calcium-Looping-CO 2 -Abscheidung Grundprinzip CO 2 -Abscheidung durch zyklische Kalzinierung/ Karbonatisierung CaCO 3 CaO + CO 2 ungiftiges, natürliches, günstiges Sorbens hohes Temperaturniveau ermöglicht/erfordert effiziente Energierückgewinnung Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Dr. techn. Günter Scheffknecht ASU: Air Separation Unit Luftzerlegung CPU: CO 2 Processing Unit CO 2 Aufbereitung 5

6 Integration des Calcium-Looping- Prozesses in die Zementproduktion

7 CaL-Integration in der Zementindustrie Klinkerproduktion Rohmehl gemischt aus: Kalkstein/ Kreide Ton Kalksteinmergel Klinkerreaktionen (Strukturänderung bei ~ 1450 C) Belit: 2 CaO + SiO 2 CaO 2 SiO 2 Alite: 3 CaO + SiO 2 CaO 3 SiO 2 Quelle: Verein Deutscher Zementwerke (VDZ) Klinkerzusammensetzung: CaO: % SiO 2 : % Al 2 O 3 : 2 6 % Fe 2 O 3 : 0 6 % Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Dr. techn. Günter Scheffknecht 7

8 Karbonator Kalzinator Zyklonvorwärmer CaL-Integration in der Zementindustrie Kopplung Kraftwerk incl. CaL mit Zementwerk Substitution des Rohmehlkalksteins mit CaL-Purge aus dem CO 2 -armes Rauchgas CO 2 zur CPU Rohmehl Kraftwerksprozess CaO CO 2 reduziertes Rauchgas Simultane Dekarbonatisierung von Kraftwerken und Zementwerken Transport des CaL-Purge über weite Entfernungen nicht rentabel Klinkerqualität muss gewährleistet werden Rauchgas Kraftwerkskessel O 2 Brennstoff Kalzinator Klinkerkühler Brennstoff Luft Klinker Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Dr. techn. Günter Scheffknecht 8

9 Kalzinator Karbonator CaL-Integration in der Zementindustrie Tail-end Konfiguration CO 2 zur CPU Teil des Rohmehls wird im CaL- CO 2 -armes Rauchgas Prozess zur CO 2 -Abscheidung verwendet CO 2 Konzentration im Rauchgas: % Einfache Integration/Nachrüstung CaCO 3 Rohmehl Geringere Energieeffizienz im Vergleich zur highly integrated Konfiguration O 2 Brennstoff CaO Rauchgas Zementwerk Klinker SPECCA: 3,26 MJ Hu /kg CO2 Specific energy consumption for CO 2 avoided: Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Dr. techn. Günter Scheffknecht 9

10 Kalzinator Karbonator CaL-Integration in der Zementindustrie Highly integrated Konfiguration Gesamtes Rohmehl wird im CaL Prozess zur CO 2 Abscheidung verwendet CO 2 zur CPU CO 2 -armes Rauchgas CO 2 Konzentration im Rauchgas: ~15 % Flugstromreaktoren oder Rohmehl Wirbelschichtreaktoren mit nachgeschaltetem Mahlschritt SPECCA: 2,32 MJ Hu /kg CO2 O 2 Brennstoff Klinkerkühler Klinker Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Dr. techn. Günter Scheffknecht 10

11 IFKs Calcium- Looping-Pilotanlage

12 IFKs 200 kw th Calcium-Looping-Pilotanlage Reaktorkonfigurationen: ZWS-ZWS, SWS-ZWS Ausgemauerte Reaktoren ohne elektrische Beheizung Stationäre Wirbelschicht (1x) Durchmesser: 330 mm; Höhe: 6 m Zirkulierende Wirbelschicht (2x) Durchmesser: 200 mm; Höhe: 10 m Heiße Rauchgasrezirkulation (oxy-fuel Betrieb) Gasanalyse (CO 2, O 2, SO 2, NO X, H 2, CO, CH 4 C x H y ) IFK s Calcium Looping Pilotanlage in SWS- ZWS-Konfiguration Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Dr. techn. Günter Scheffknecht IFK s Calcium Looping Pilotanlage in ZWS- ZWS-Konfiguration 12

13 Erkenntnisse aus Untersuchungen zur Calcium-Looping- CO 2 -Abscheidung in der Zementindustrie

14 Wichtigste Forschungsergebnisse Calcium-Looping-Betrieb Hohe spezifische Massenströme von neuem Sorbens möglich ( N CaO,CaL N CO 2,Karbonator,ein < 4 mol CaO /mol CO2 ) Kalzinator hoher Energiebedarf für Kalzinierung neuen Sorbens Kalzinierungsreaktion moderiert (Partikel)temperatur, hohe O 2 Gehalte (>50 Vol.-%) /geringe Rezirkulation (<30 %) werden ermöglicht Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Dr. techn. Günter Scheffknecht 14

15 Wichtigste Forschungsergebnisse Calcium-Looping-Betrieb Hohe spezifische Massenströme an Sorbens möglich ( Karbonator N CaO,CaL N CO 2,Karbonator,ein CO 2 -Abscheidung limitiert durch < 4 mol CaO /mol CO2 ) Kalzinierungs-/Karbonatisierungs- Gleichgewicht Hohe Sorbensaktivität durch Zugabe an frischen Sorbens (ermöglicht durch Wiederverwertung des CaL-Purge im Zementwerk) Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Dr. techn. Günter Scheffknecht 15

16 Wichtigste Forschungsergebnisse Calcium-Looping-Betrieb Hohe spezifische Massenströme an Sorbens möglich ( Karbonator N CaO,CaL N CO 2,Karbonator,ein CO 2 -Abscheidung limitiert durch < 4 mol CaO /mol CO2 ) Kalzinierungs-/Karbonatisierungs- Gleichgewicht Hohe Sorbensaktivität durch Zugabe an frischen Sorbens (ermöglicht durch Wiederverwertung des CaL-Purge im Zementwerk) Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Dr. techn. Günter Scheffknecht 16

17 Wichtigste Forschungsergebnisse Einfluss des Sorbens/Rohmehls Verlauf der CO 2 -Aufnahmevermögen verschiedener Sorbenzien über der Kalzinierungs-/ Karbonatisierungszyklen Hohe Make-up-Ströme Sorbensabrieb wird (über)kompensiert Hohe Sorbens CO 2 -Kapazität Rohmehl auf Mergelbasis neigt zur Bildung von Klinkerphasen während der Kalzinierung 2 CaO + SiO 2 (CaO) 2 SiO 2 Reduzierung der CO 2 -Aufnahmekapazität auf Residualniveau innerhalb weniger Zyklen durch Bindung von freiem CaO LS: Limestone RM1: Rohmehl auf mergelbasis RM2: Rohmehlmischung aus Kalkstein + Tonmineralien RM3: Rohmehlmischung aus Kalkstein + Tonmineralien Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Dr. techn. Günter Scheffknecht CO 2 Carrying Capacities of Cement Raw Meals in Calcium Looping Systems, Alonso, Mónica; Alvarez Criado, Yolanda; Fernandez, Jose; Abanades, Carlos. Energy and Fuels,

18 Wichtigste Forschungsergebnisse Vergleichende Energiebilanz Zementwerk ohne CO 2 Abscheidung tail-end CaL Konfiguration integrated CaL Konfiguration Integrationstiefe % Ṅ CaO,0 /Ṅ CO2 mol CaO /mol CO2 -- 0,16 4,1 Ṅ Ca,Carb /Ṅ CO2 mol CaO /mol CO2 -- 4,8 4,0 CO 2 -Gesamtabscheidegrad* % -- 94,2 97,7 CO 2 -Abscheidegrad im Karbonator % -- 88,8 80,0 Brennstoffbedarf gesamt MJ HU /t clk Brennstoffbedarf Drehrohrofen MJ HU /t clk Brennstoffbedarf Vorkalzinator MJ HU /t clk Brennstoffbedarf CaL Kalzinator MJ HU /t clk Strombilanz Brutto Stromproduktion kwh el / t clk ASU Strombedarf kwh el / t clk CO 2 Kompression kwh el / t clk Gebläseleistung CaL kwh el / t clk Hilfsaggregate Zementwerk kwh el / t clk Netto Stromproduktion/-bedarf kwh el / t clk Integration of Ca-Looping systems for CO 2 capture in cement plants, M. Spinelli, I. Martinez, E. De Lena, G. Cinti, M. Hornberger, R. Spörl, J.C. Abanades, S. Becker, R. Mathai, K. Fleiger, V. Hoenig, M. Gatti, R. Scaccabarozzi, S. Campanari, S. Consonni, M.C. Romano, Energy Procedia (GHGT-13 Special Edition) * berechnet auf Grundlage von Spinelli et al. Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Dr. techn. Günter Scheffknecht 18

19 Wichtigste Forschungsergebnisse Vergleichende Energiebilanz Zementwerk ohne CO 2 Abscheidung tail-end CaL Konfiguration integrated CaL Konfiguration Integrationstiefe % Ṅ CaO,0 /Ṅ CO2 mol CaO /mol CO2 -- 0,16 4,1 Ṅ Ca,Carb /Ṅ CO2 mol CaO /mol CO2 -- 4,8 4,0 CO 2 -Gesamtabscheidegrad* % -- 94,2 97,7 CO 2 -Abscheidegrad im Karbonator % -- 88,8 80,0 Brennstoffbedarf gesamt MW th 111,9 301,1 164,6 Brennstoffbedarf Drehrohrofen MW th 42,5 42,0 41,0 Brennstoffbedarf Vorkalzinator MW th 69,4 53,5 Brennstoffbedarf CaL Kalzinator MW th ,6 123,6 Strombilanz Brutto Stromproduktion MW el ,4 + 20,4 ASU Strombedarf MW el ,6-9,1 CO 2 Kompression MW el ,3-13,9 Gebläseleistung CaL MW el ,1-1,4 Hilfsaggregate Zementwerk MW el - 16,5-16,5-16,5 Netto Stromproduktion/-bedarf MW el - 16,5 + 19,9-20,5 Integration of Ca-Looping systems for CO 2 capture in cement plants, M. Spinelli, I. Martinez, E. De Lena, G. Cinti, M. Hornberger, R. Spörl, J.C. Abanades, S. Becker, R. Mathai, K. Fleiger, V. Hoenig, M. Gatti, R. Scaccabarozzi, S. Campanari, S. Consonni, M.C. Romano, Energy Procedia (GHGT-13 Special Edition) * berechnet auf Grundlage von Spinelli et al. Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Dr. techn. Günter Scheffknecht 19

20 Zusammenfassung und Ausblick

21 Zusammenfassung und Ausblick Wiederverwendung des CaL-Purge im Zementwerk ermöglicht äußerst günstige Betriebsbedingungen für die Calcium Looping Technologie Kalzinierungsreaktion wirkt moderierend Wirbelschicht Calcium Looping Technologie ist mit CO 2 -Abscheideraten bis zu 98 % im Pilotmaßstab (200 kw th ) demonstriert und kann zur CO 2 Abscheidung im Zementwerken eingesetzt werden Möglichkeit des Flugstrom Calcium Looping Konzepts im Labormaßstab demonstriert Demonstration des Flugstrom Calcium Looping Konzepts im CLEANKER Projekt Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Dr. techn. Günter Scheffknecht 21

22 Acknowledgement This project has received funding from the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement no This project has received funding from the European Union's Horizon 2020 Framework Programme under Grant Agreement no Disclaimer: The European Commission support for the production of this publication does not constitute endorsement of the contents which reflects the views only of the authors, and the Commission cannot be held responsible for any use which may be made of the information contained therein

23 Vielen Dank! Günter Scheffknecht Telefon +49 (0) Fax +49 (0) Universität Stuttgart Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik Pfaffenwaldring Stuttgart