Kalsinering i en elektrisk varmet drop tube kalsineringsreaktor

Abstract

I et moderne sement ovn-anlegg er det kalsinering av CaCO3 som er hovedårsaken til CO2 utslipp. Omtrent 70 % av CO2 gassen blir skapt ved kalsinering, mens resten kommer fra forbrenning av drivstoff. Elektrifisering av reaktoren, ved å erstatte drivstoff forbrenning med elektrisk generert varme, vil fjerne gassene som blir til ved forbrenning av drivstoff. Gassen som blir til er da ren CO2, og da er det ikke lenger nødvendig med separate CO2 fangst anlegg for å prosessere gassen. Av denne grunnen har en elektrisk varmet drop-tube reaktor blitt designet, og anvendbarheten samt kostnader av reaktoren og omliggende enheter har blitt estimert.

Tre system design har blitt evaluert: 1) motstrøm flyt av gass og partikler, single partikkel teori, 2) motstrøm flyt av gass og partikler, med cluster formasjoner, 3) medstrøm av gass og partikler.

Python 3.8 ble brukt til å modellere og simulere designene. En modifisert shrinking core modell, likevekts trykk og partiell trykket til CO2 ble brukt til å bestemme kinetikken ved kalsinasjon av kalsium karbonat. Diameteren, høyden, og hvor mange rør nødvendig for å prosessere rå-melet ble simulert. Hastigheten til gassen, samt operasjonstemperaturen er nøkkelparametere som ble variert ved simuleringen for å se hvilken innvirkning disse har på designet til reaktoren.

Masse - og energibalanser ble utarbeidet for systemet for å finne ut hvor mye energi som kreves for å forvarme og kalsinere rå-melet. For å prosessere en føderate på 207 t/h, kreves det ca. 108 MW energi. For å generere varmen, samt overføre varmen er Superthal moduler fra Kanthal ® APM et godt valg.

Designene (2) og (3) ble begge funnet til å være realiserbare. Design (2) har en optimal løsning med en rørdiameter på 5.3 meter, rørhøyde på 23.2 meter, og fire rør kreves for å prosessere mel mengden. Design (3) har en optimal løsning med en rørdiameter på 3.52 meter, rørhøyde på 20.2 meter, og totalt åtte rør kreves.

Det nye systemet kan implementeres til et eksisterende system med minimale endringer. En syklon for av-støving av gassen, to varmevekslere, og en vifte er nødvendig. Dersom løsningen krever høye rør, kan en elevator være nødvendig.

Kost estimatene viser at CAPEX for begge designene blir omtrent 105 MNOK. Det er elektrisitet som bidrar til de største kostnadene, OPEX er estimert til omtrent 225 MNOK/year.

Kostnadene per fanget CO2 enhet (tonn) ble estimert for begge designene til omtrent 522 NOK/tCO2.

About 70 % of the CO₂ emissions are generated through calcination (decarbonization) in a modern cement kiln system. The CaCO₃ in the limestone is the primary source of CO₂, and the rest comes from fuel combustion. Electrification of the calciner, i.e., replacing fuel combustion with electrically generated heat, will eliminate the fuel combustion exhaust gases. The calciner exit gas will then be pure CO₂ and removes the need for a separate CO₂ capture plant. For this reason, an electrically heated drop tube reactor was designed, and the applicability and cost estimation of the reactor and adjacent units were estimated.

Three system designs were evaluated: 1) counter-current flow of gas and particles, not considering cluster formations, 2) counter-current flow of gas and particles, applying clustering effect, 3) co-current flow of gas and particles.

Python 3.8 was used for modeling and simulation of the three designs. A modified shrinking core model, equilibrium pressure, and the partial pressure of CO₂ were used to determine the kinetics of calcination of calcium carbonate. Diameter of tubes, height, and the number of tubes necessary to process the meal were simulated, varying the key parameters: 1) velocity of CO₂ gas, 2) operating temperature.

Mass and energy balances were implemented to determine the net energy transfer required to preheat and calcine the raw meal. A feed rate of 207 t/h raw meal requires an energy supply of about 108 MW. Supertahl modules from Kanthal® APM are chosen as a viable option for heat transfer.

Design (2) and (3) were both found to be feasible. To achieve 94% calcination, a diameter of 5.3 meters, height of 23.2 meters, and four processing tubes result in an optimum solution for the counter-current design. To achieve the same degree of calcination with the co-current design, a diameter of 3.52 meters, height of 20.2 meters, and eight processing tubes are necessary.

The new system can be implemented into an existing cement clinker process by minimal alterations to the existing system. A de-dusting cyclone, two heat exchangers, and a fan are required. An elevator to transport the raw meal may be implemented if the reactor tubes are long.

Cost estimations show that the CAPEX for the counter-current design becomes about 104 MNOK and for the co-current design 105 MNOK. Cost of electricity is the major contributor to costs, and the OPEX was calculated to 224.54 MNOK/year.

The cost per captured unit (ton) CO₂ for both designs was estimated to be about 522 NOK/tCO2.