cement- och kalkindustrin Pågående Avslutat Tidplan, förväntade delrapporter Årsrapport 2007, 2008, 2009 slutrapport

Transkript

1 Forskningsprogram Industriforskning Dnr Total kostnad Universitet/Högskola/Företag Proj koord.-medelsmottagare MinFo Projekt Projekt nr Energieffektiv oxyförbränningsteknik och CO2 avskiljning i cement- och kalkindustrin Pågående Avslutat Tidplan, förväntade delrapporter Årsrapport 2007, 2008, 2009 slutrapport Avdelning/Institution Utförare UmUmeå universitet, Tillämpad fysik och elektronik Adress MinFo: Drottning Kristinas väg 26, Stockholm UmU: Umeå Universitet, Tillämpad fysik o Elektronik, ETPC, Umeå Fullständigt namn och E-post till forskningsledare/kontaktperson MinFo: Jan Bida, jan.bida@minfo.se UmU: Rainer Backman, rainer.backman@cem.umu.se Slutrapport, namn och förlag Sammanfattning Uppnådda huvudresultat Under projekt perioden 2009 genomförda arbeten och uppnådda resultat: Utvecklingen av simuleringsmodellerna har varit att påbörja utvärdering av den utökade termodynamiska databasen med fler systemkomponenter och tillhörande föreningar, att utveckla definitionen av bränsle och att förändra beräkningarna av kylning av produkterna. Utvärdering av befintliga termodynamiska data för ytterligare systemkomponenter applicerbara för cement- och kalktillverkning har precis startat. Energiflöden och temperaturer från mätningar har jämförts med simulerade resultat. Problem med energiflödesberäkningar i simuleringsmodellerna har identifierats men inte kunnat lösas. Fullskalemätningar vid normal drift vid anläggningen i Pargas har simulerats i modellen och noga utvärderats. Försök med syrgasanrikad förbränning vid cementtillverkning har simulerats. Resultaten finns summerade i två manuskript vilka ska publiceras. Anläggningsförsök med ett biobränsle som del i bränslemixen har utförts vid kalkugnen i Pargas. Simuleringsverktygen användes framgångsrikt vid planering av försöket då olika bränsleblandningar och fukthalter undersöktes. Försöket utföll väl och utfallet kommer att rapporteras som en CLOCK-rapport. Projektet presenterades vid Sveriges Energiting i mars av doktoranderna.

2 I april mötte doktoranderna och representant från Minfo Rune Hardell, Energia för halvtidsutvärdering av projektet. Matias Eriksson presenterade projektet vid MinBas-dagen Licentiatuppsatserna Post combustion CO 2 capture in the Swedish lime and cement industries och Use of predictive chemical models in cement and lime kiln applications av doktoranderna presenterades och godkändes vid Umeå Universitet den 18 december. Fullskaleförsök vid kalkugnen i Pargas utfördes under föregående rapporteringsperiod. Resultatet har nu granskats och referensfallet har utvärderats. Kalkmodellen har validerats mot försöket och resultaten har publicerats vid NAFEMS konferens i Helsingfors (CLOCK 02/09). Resultat från modellen visar att massbalansen predikteras relativt bra. Energibalansen behöver vidareutvecklas. En simuleringsrapport på avskiljning av CO 2 genom partiell syrgasförbränning vid Slite fabriken har färdigställts (CLOCK 01/09). En pre-feasibility studie på detta avskiljningskoncept har också färdigställts (CLOCK 07/09). Omvärldsbevakning har utförts genom att bland annat delta vid seminarier behandlande aktuella frågeställningar. Under rapportperioden har följande seminarier bevistats (notat från seminarierna har delgivits projektet som CLOCK-rapporter): CLEAN COAL IN THE FUTURE? technology status and implications to Finland, March 4h, 2009 (CLOCK 03/09) Göteborg-Oslo Klimatgaskonferens, Göteborg (CLOCK 04/09) IFRF: TOTeM 33 Challenges in Rotary Kiln Combustion Processes, , Pisa, Italy, (CLOCK 06/09) Climbus slutseminarium, Helsingfors (CLOCK 08/09) Under projekt perioden 2008 genomförda arbeten och uppnådda resultat: Omfattande anläggningsförsök med syrgasanrikning och fullskalemätning har planerats och genomförts på anläggningen i Pargas. Fullskaleförsöken omfattade en vecka i oktober Försöken visade att syrgasanrikning är tekniskt genomförbart på en kalk-roterugn. Sammanställning av resultat och fullständig utvärdering sker inom Syftet är att resultat från försöket skall godkännas för publicering i välrenommerad tidskrift under Fysikaliska parametrar hos simuleringsmodellerna har utvecklats för att ge korrekta energiflöden, - förluster och -överföringar. Den kemiska delen av modellen har utökats och numera ingår två blandsmältor (oxid- och saltsmältor) förutom de rena smältorna, fasta och gasformiga komponenter i den termodynamiska databasen. Resultat från modellering av cementmodellen har publicerats i en artikel A Predictive Cement Model for Cement Process i ZKG International 07/2008. Som stöd för modellutvecklingen har utrednings arbete kring Damning i roterugnar och Non equilibrium vid kalkbränning inletts. Arbetet syftar till att utveckla processmodellen och skapa större förståelse kring skeenden i roterugnen. En teknisk sammanställning som beskriver olika typer av metoder för s.k. Post Combustion avskiljning av CO 2 är under arbete. Syftet är att review papperet Post combustion CO 2 capture in cement and lime processes skall godkännas för publicering i välrenommerad tidskrift under Förberedande arbete för CO 2 avskiljningsförök genom ammoniak skrubbning vid Slite fabriken visade att det inte är tekniskt rimligt under rådande processbetingelser. Försöken har således nedprioriterats.

3 Kartläggning av bränsleanvändning inom cementproduktion i Sverige har utförts. På basen av denna har CO 2 -neutrala andelar av bränsle relaterad CO 2 beräknats för olika bränsleblandningar. Ett presumtivt CO 2 -neutralt bränsle är rapsrester eller återstoden efter att rapsolja utvunnits ur rapsfrön. Dock innehåller rapskakorna störelement för cement- och kalkprocesser. Laboratorieförsök har utförts för att se om störelementen kan lakas ut (CLOCK 02/08). Industridoktoranderna har deltagit i Energimyndighetens doktorandkurs: Perspectives on Energy Systems i september, oktober och november. Som del av kursen utfördes individuella projekt som resulterade i rapporterna Energieffektivisering och koldioxidreducering vid cementtillverkning (CLOCK /08) och The energy system lime-cement-co 2 in Sweden. Sistnämnda har accepterats för publikation i Industrial Minerals. Omvärldsbevakning har utförts genom att bland annat delta vid seminarier behandlande aktuella frågeställningar. Seminar and workshop on biofuels in lime kilns arrangerades av STFI-Packfors och Seminarium avancerad förbränningsteknik arrangerades av Elforsk. Seminarierna är summerade i CLOCK 03/08 och CLOCK 04/08. Under projekt perioden 2007 genomförda arbeten och uppnådda resultat: Inom ramen för projektet har utförts anläggningskartläggning inom cement och kalkproduktion. En cement- och en kalkproduktionsanläggning har valts ut för utförlig processkartläggning och modellering. Med kalkanläggningen har en omfattande provkörning gjorts (rapport CLOCK 01/07). Ytterligare kartläggning av kalkanläggningen har gjorts, en 24-timmars prov- och mättagning vid normala driftsförhållanden samt ett syrgasanrikningsförsök med tre olika nivåer av tillsatt mängd syrgas. Två processmodeller har byggts. Modelleringsverktyget har utvecklats så att huvudelementens reaktioner vid cementtillverkning kan predikteras och energiberäkningar för traditionella och CO 2 - neutrala bränslen kan utföras. Resultat från cementmodellen har verifierats med processdata och ger bra överensstämmelse vad gäller gas- och materialflöden samt slutproduktens kemiska föreningar. Processdata är uppmätta och beräknade från en 24-timmars mätning inkluderande bl.a. värme- och kloridbalans. Resultat från provkörning vid normala driftsförhållanden samt resultat från syrgasanrikningsförsök kommer att användas för att validera kalkmodellen. På basen av ovanstående kartläggningar har i samråd med produktionspersonalen olika modelleringsscenarion ställts upp. För att understöda forskningsarbetet har stödgrupper upprättats, en kalkstödgrupp och en cementstödgrupp. Dessa utgörs av deltagande företags personal och deras uppgift är att knyta forskningen till produktionen och att fungera som sakkunnigt stöd i frågor gällande bl.a. anläggnings- och processteknik. Utkomna projektinterna konfidentiella rapporter CLOCK 01/07 Provbränning av kalksten 2 i roterugnen i Pargas, Matias Eriksson, Synnöve Hollsten, Nordkalk, CLOCK 02/ CLOCK 01/08 CLOCK 02/08 Sammanfattning av försök med syrgasanrikning U8 Slite, Erik Viggh, Cementa, FoU, Bodil Wilhelmsson-Hökfors, Simulering av syrgasanrikning och oxyförbränning vid cementtillverkning och förbättrad beräkning av energiförluster, Bodil Wilhelmsson Hökfors, Möjlighet att laka ut fosfor, alkali, klor och svavel ur rapsrester, Bodil Wilhelmsson Hökfors

4 CLOCK 03/08 Seminar and workshop on biofuels in lime kilns, STFI Packforsk, Bodil Hökfors CLOCK 04/08 Sammanfattning av Elforsk-seminarium Ny avancerad förbränningsteknik - ett sätt att avskilja CO 2 25 November 2008, Norra Latin, Stockholm, Bodil Hökfors CLOCK 01/09 Simulering av partiell oxy-förbränning i Slite Ugn 8, Bodil Hökfors, CLOCK 03/09 CLOCK 04/09 CLEAN COAL IN THE FUTURE? technology status and implications to Finland, March 4h, 2009, Venue: Fortum Corporation, Espoo, Finland, sammanfattning Matias Eriksson, Nordkalk Abp Oyj Oslo-Göteborg Klimatgaskonferens, Göteborg , sammanfattning Matias Eriksson, Nordkalk Abp Oyj CLOCK 06/09 IFRF: TOTeM 33 Challenges in Rotary Kiln Combustion Processes, , Pisa, Italy, sammanfattning och poster: Coupled Fluent-KilnSimu simulation of a rotary lime kiln, Matias Eriksson, Nordkalk Abp Oyj CLOCK 08/09 Doktorandrapporter CLOCK 5/08 CLOCK 6/08 Tekn lic avhandling 2009 Climbus Päätösseminaari Vähähiilinen talous tulee, otammeko sen uhkana vai mahdollisuutena? Helsingfors , sammanfattning av seminariet Matias Eriksson och Markus Fagervik, Nordkalk Abp Oyj Individuell uppsats i kursen Perspectives on Energy Systems Energieffektivisering och CO 2 -reducering vid Cementtillverkning, Bodil Wilhelmsson Hökfors, Energiteknik och termisk processkemi, Umeå universitet Individuell uppsats i kursen Perspectives on Energy Systems The energy system lime-cement-co 2 in Sweden, Matias Eriksson, Energy Technology and Thermal Process Chemistry, Umeå University, Nordkalk Abp Oyj Post combustion CO2 capture in the Swedish lime and cement industries, Energy Technology and Thermal Process Chemistry, Umeå University, Licentiate thesis 2009, Matias Eriksson, Nordkalk Abp Oyj, ISBN Tekn lic avhandling 2009 Use of predictive chemical models in cement and lime kiln applications, Energy Technology and Thermal Process Chemistry, Umeå University, Licentiate thesis 2009, Bodil Hökfors, ISBN Publicerade artiklar och konferensbidrag CLOCK 03/07 MinBaS-dagen 2007, 11 december 2007, SGU, Uppsala Energieffektiv oxyförbränningsteknik och CO 2 -avskiljning i cement- och kalkindustrin MinFo , Matias Eriksson, Nordkalk AB, Rainer Backman, Energy Technology and Thermal Process Chemistry,Umeå University, Bodil Wilhelmsson Hökfors, Energy Technology and Thermal Process Chemistry, UmeåUniversity CLOCK 04/07 Konferens i Mineralteknik, 5-6 februari 2008, Luleå A Predictive Chemistry Model for Cement Process, Bodil Wilhelmsson Hökfors, Energy Technology and Thermal Process Chemistry, Umeå University,, Erik O. Viggh, Cementa AB,, Rainer Backman,, Energy Technology and Thermal Process Chemistry, Umeå University CLOCK 05/07 ZKG Zement, Kalk und Gips International, nr 07/2008 A Predictive Cement Model for the Cement Process, Bodil Wilhelmsson Hökfors, Energy Technology and Thermal Process Chemistry, Umeå University,, Erik O. Viggh, Cementa AB,, Rainer Backman, Energy Technology and Thermal Process Chemistry, Umeå University CLOCK 07/08 MinBaS-dagen 2008, 11 december 2008, Bergsskolan, Filipstad Energieffektiv oxyförbränningsteknik och CO 2 -avskiljning i cement- och kalkindustrin, Bodil Wilhelmsson Hökfors

5 CLOCK 05/09 CLOCK 02/09 Energitinget 2009, 11 mars 2009, Älvsjö Energieffektiv oxy-förbränningsteknikoch CO 2 -avskiljning i cement- och kalkindustrin Matias Eriksson, Nordkalk AB, Rainer Backman, Energy Technology and Thermal Process Chemistry,Umeå University, Bodil Hökfors, Energy Technology and Thermal Process Chemistry, UmeåUniversity An industrial perspective on modelling of a rotary kiln for lump lime production, 9 NAFEMS NORDIC Seminar, Multi-Disciplinary Simulation in Engineering Analysis April 21-22, 2009 Helsinki, Finland. Matias Eriksson, Nordkalk Abp Oyj Tolkning av dessa i förhållande till forskningens syfte/mål Utveckling av simuleringsmodellerna sker i den riktning som angetts, dock har tekniska problem med mjukvaror gjort att det tagit längre tid än beräknat. Problem med energiflödesberäkningar kvarstår. Att problemet är identifierat möjliggör resultattolkning och användning med begränsningar. Process- och anläggningskartläggningen stöder modelleringsarbete. Processkartläggning och provkörning förser modelleringsarbetet med processdata. Det utvecklade modelleringsverktyget kommer att ge möjlighet att undersöka process och produktpåverkan beroende på förbränningsteknik och typ av bränsle som används. Erhållna processdata används vid validering av modelleringsarbetet. Syrgasanrikning är ett första steg till att införa oxyförbränningsteknik. Försöket med syrgasanrikning vid kalktillverkningsenheten kommer därför att utvärderas noggrant och speciellt kommer produktkvalitet, miljö, process och energiförbrukning att studeras. Definierade modellerings-scenarier innehåller nyckelparametrar för produktionen och skall användas bl.a. vid simulering av oxyförbränningsteknikens inverkan på processerna. Resultat från tidigare driftsförsök i cementprocessen har använts och cementstödgruppen har arbetat vidare med processvärden. Försökens upplägg och utförande med syrgasanrikning är innovativa och driftsdata har visat sig vara användbart i modelleringsarbetet (rapport CLCK 02/07). Ett huvudsyfte med projektet är att införa oxyförbränningsteknik på ett energieffektivt sätt. För att kunna utvärdera energieffektivitet har en generell utveckling av modellernas energimekanismer utförts. Genom att använda processdata från syrgasanrikningsförsök vid cementtillverkning har den utvecklade energimodellen kunnat verifieras. Förfaringssätt för beräkning och uppskattning av energiflöden och resultat har beskrivits i rapport CLOCK 01/08. Kartläggning och beräkning av CO 2 i rökgaser för de två anläggningar ligger som grund för CO 2 - avskiljningsarbetet. Lakningstester visar att det är möjligt att laka ut störelement från rapsresterna, varför preliminärt kemiskt sett kan vara ett möjligt CO 2 -neutralt bränsle för cement- och kalktillverkning. En partiell substitution med CO 2 -neutrala bränslen är ett första steg i övergången till låg koldioxidemitterande produktion av cement och kalk. Under anläggningsförsöket i Pargas uppnåddes en 10-% substitution av tillförd energi. Försökt utföll väl och arbetet fortsätter. För projektet finns en projektarbetsgrupp. Arbetsgruppen utgörs av representanter för deltagande företag, Umeå universitet och MinFo. Projektarbetsgruppen har sammanträtt fyra gånger år Forskningsarbetet har redovisats för projektarbetsgruppen senast i oktober 2009 och arbetet har konstaterats ligga inom tidsplan dock med några förändringar i arbetsordningen. Tidsspannet för några arbetsmoments har förlängts dock hålls de ursprungliga totala tidsramarna. Vid detta möte har också arbetsplan för år 2010 godkänts. Projektarbetsgruppen sammanträder för uppföljning och utvärdering av arbete i enlighet med plan tre gånger år 2010.

6 Projektpresentation Problemställning För cementframställningen förbrukas ca 3,5 TWh och i produktionen av malda och brända kalkprodukter förbrukas 1,3 TWh, vilket motsvar ca 3,1 % av industrins totala förbrukning. De dominerande energislagen är eldningsoljor, kol och koks vid bränning av kalksten till cementklinker och bränd kalk. Framställning av cementklinker och kalk sker genom energikrävande brännprocesser vid höga temperaturer under samtidig emission av CO 2 från två olika källor; från bränslet(fossila bränslen dominerar idag) och från råmaterialet kalciumkarbonat (kalksten). Under de senaste tio åren har cementindustrin i Norden gjort omfattande forskningsinsatser för att ersätta en del av sin användning av fossila bränslen med CO 2 -neutrala bränslen. Satsningar har skett på flera områden bl.a. livscykelanalys, produktutveckling, förbränningsteknik, modellutveckling och bränslelogistik. Resulten från de tidigare arbetena kommer att nyttjas i detta projekt. Den sk oxy fueltekniken har studerats för kolpulverbaserade applikationer sedan De flesta studier och utvärderingar av tekniken har gjorts inom kraftindustrin och på senare år i Sverige inom stålindustrin. Det finns idag inga kända applikationer inom cement- och kalkindustrin. Motiven för att studera oxy- fuel-förbränningen idag drivs främst av a) möjligheterna till att producera en CO2 gas som är lämplig för avskiljning b) potentialen att kunna reducera kostnaderna för utläppskontrollen med speciellt fokus på NOx. Försök med att introducera biobränslen och avfallsbaserade bränslen har redan startat i cementindustrin; till en mindre del i kalkproduktionen. Det krävs dock en kombination av processförändringar och ny teknik för att kunna öka andelen alternativa bränslen i processerna. Skillnaderna i att använda biobränslen i jämförelse med fossila bränslen är inte klart utredda. Inom cement- och kalkproduktionen är inverkan på produkternas kvalitet en viktig del. Nya modellverktyg måste utvecklas som inkluderar nya förbränningstekniker som oxy-förbränning, där syret i förbränningsluften ökas. Avancerade analysmetoder för bränslen behöver introduceras, liksom kunskap om stoftemissioner och spårelementens uppträdande. Vissa nyckelreaktioner som involverar spårelement och fosfor (ökar med biobränslen) i klinkerprodukterna är inte kända. I ett långsiktigt perspektiv måste också beaktas att recirkulation av betong från gamla konstruktioner kan införas i cementprocessen. De nya teknikerna för avskiljning av CO 2 från rökgaserna måste utvecklas och testas. De idag bäst tillgängliga teknikerna för CO 2 separation från rökgaser, som kemisk absorption med aminer, kräver mycket stora energiinsatser per ton borttaget CO 2. Den industriella implementeringen är låg idag, men införandet av denna typ av installationer kan bli en nödvändighet för att kunna möta framtida miljökrav, vilket skulle medföra ett kraftigt ökat energibehov. Syfte och mål Syftet med detta projekt är att introducera oxy- förbränningstekniken, som inte tidigare utvärderats i nordisk cement- och kalkindustri, för att ytterligare energieffektivisera produktionen och motverka framtida ökande energibehov. Potentialen ligger i att andelen CO 2 - neutrala bränslen kan ökas (biobränslen mfl), ett reducerat energibehov i processen och att avskiljningen av CO 2 underlättas samt NOx emissionen reduceras. Applikationen inom cement- och kalkindustrin, skiljer sig från andra applikationer där oxy-tekniken introducerats, genom att slutprodukternas kvalitet starkt påverkas av bränslekvalité och CO 2 -balansen. Projektet är indelat i två delprojekt med olika delmål Delprojekt 1 CO2-avskiljningsmetoder ur rökgaser i cement- och kalkproduktion Delprojektet har som mål att utveckla energieffektivare koncept för CO2-separation i cement- och kalkproduktionen. Detta skall uppnås genom att a) Utvärdera oxy-förbränningsteknikens potential

7 för att öka koncentrationen av CO2 i rökgaserna, b) Utveckla strategier för val av lämpliga bränsleoch förbränningstekniker, c) En teknisk ekonomisk utvärdering av oxy-fuel tekniken för cementoch kalkproduktion. Delprojekt 2 Modellering av kemin i cement- och kalkprocessen Delprojektet har som mål att utvärdera oxyförbränningstekniken och de CO 2 neutrala bränslenas inverkan på klinker och kalkprodukternas kvalitet. Detta skall uppnås genom att a) Utveckla prediktiva modeller för massbalanser, huvudreaktioner och spårelementreaktioner i cement- och kalkprocesserna vid användning av oxy-förbränning, b) Validera en processmodell för cement- och kalkprocessen som inkluderar oxy-förbrännings effekt på produkt kvalitet, termisk verkningsgrad och drift av mineralbränningsprocesser i två driftsanläggningar, c) Etablera beslutsunderlag för branschen för förestående investeringar och processutveckling. Vid projektet slut (4 år) kommer det att finnas utvecklat ett modellverktyg som ger ett bra underlag för att bedöma möjligheterna att nå besparingsmålet i form av minskad CO 2 emission och reducerad energiförbrukning samt strategier och metoder utvecklade som medger möjligheter att bedöma energibesparingpotentialen i nya CO 2- avskiljningsmetoder. Förväntad nytta med forskningen i relation till Energimyndighetens uppdrag att ställa om energisystemet. Målet är att reducera energiförbrukningen vid tillverkning av cement- och kalk med totalt 562 GWh/år genom att introducera en ny förbränningsteknik, oxy-fuel förbränning, som medger processeffektivisering och minskad CO2-emission. Det förväntade ökande energibehovet för efterföljande processteg, där CO2 separeras ur rökgaserna, reduceras med totalt 550 GWh/år som bränsle (Dagens BAT, absorbtion med aminer, kräver 4 GJ/ton borttagen CO2. Idag är inte klarlagt vilken typ av bränsle som kommer att brukas, men här har antagits att CO 2 neutrala dito används). Detta nås genom att tekniken förväntas medge en 50 % ig ökad användning av CO 2 neutrala bränslen i jämförelse med dagens förbränningsteknik, vilket minskar den fossila CO 2 emissionen med 38 kton/år i cementproduktionen. Ett betydligt energieffektivare system, jämfört med dagens standardteknik, skall utvecklas för att avskilja CO 2 ur rökgaserna. Detta beräknas reducera CO 2 utsläppen i rökgaserna med 20%, vilket ger en årlig reduktion av cement- och kalkindustrins CO 2 med 550 kton. En indirekt energieffektivisering åstadkoms i cementprocessen genom en 10 %ig minskning av elförbrukningen som en följd av minskade rökgasvolymer motsvarande 12 GWh el/år. Besparingen beräknat på ersättningen av fossila bränslen med alternativa dito förväntas uppnås 5 år efter projekets slut, den totala potentialen till 100% efter 15 år. Effektivare metoder torde ha utvecklats inom 10 år,b som kräver mindre än 4 GJ/t borttagen CO2, men fortfarande förblir energibehovet mycket högt. Förutom samhällsvinsten i form av en mer hållbar produktion finns det en affärsmässig lönsamhet. Genom en minskad CO 2 -emisson och energieffektivare produktionslösningar i brännprocessen och för CO 2 avskiljningen stärks producenternas konkurrensförmåga. Besparingen beräknas bli totalt 133 kwh/ton cement och 214 kwh/ton kalk. Till detta kommer en potentiell besparing i kontroll och avskiljning av NOx ur rökgaserna, då en introduktion av oxyförbränning i andra applikationer givit detta positiva bidrag.