Carbon Capture and Utilization from Limestone Calcination

Abstract

Dette masterprosjektet studerer bruken av CO2-utslipp fra sementproduksjon og fornybar hydrogen til å produsere metanol. Studien er basert på en Aspen Hysys V11-simulering. Ulike teknologier og termodynamiske modeller ble evaluert og diskutert i rapporten. Studien tar også opp katalysatormodeller og reaksjonskinetikk innenfor metanolsyntesen, da de er studert i flere tiår.

Prosjektet diskuterer en ny metanolsynteseprosess basert på karbondioksidutslipp fra elektrisk kalksteinsovningsforbrenning og fornybar hydrogen. Karbondioksid og hydrogen reagerer i en RWGS-reaktor for å produsere syntesegass, som deretter ble konvertert til metanol i en Lurgi-reaktor. RWGS-reaktoren ble simulert i Aspen Hysys V11 ved å benytte en Gibbs-reaktor tilnærming. Metanolproduksjonsprosessen er en sløyfeprosess, hvor utløpsstrømmen fra Lurgi-reaktoren blir separert og deretter resirkulert eller utrenset. To destillasjonskolonner ble implementert for å oppnå en metanolrenhet på 99.96%.

En livssyklusanalyse (LCA) fra produksjon til port ble utført basert på Hysyssimuleringen. Fem sensitivitetsanalyser ble utført for å validere antakelser gjort i grunnscenariet og finne forbedringspotensialet for å gjøre produksjonen mer bærekraftig. Det økologiske fotavtrykket av ulike energikilder og hydrogenproduksjonsmetoder ble sammenlignet. Hvordan det økologiske fotavtrykket ble påvirket av katalysatorlevetiden, implementering av resirkulert råstoff og betraktning av CO2 som biogenisk, ble også undersøkt i studien. Kostnader for råstoff ble presentert basert på nåværende økonometrisk litteratur. Kostnaden for elektrolyse-celleteknologien (SOEC) ble estimert til 4.95 $/kg hydrogen. Kostnaden for karbonfangst ble estimert til å være 50-55 €/tonn CO2 fanget, basert på data fra Norcem-anlegget i Brevik.

Studien konkluderte med at en RWGS-reaktor er optimalt og at det ikke er behov for ekstern energi, da råstoffet kommer inn med såpass høy temperatur naturlig fra kalksteinsovningsprosessen. Grunnet den drastiske temperaturnedgangen som oppstår fra den mildt eksotermiske RWGS-reaksjonen, er det fortsatt behov for en katalysator i RWGS-reaktoren for å fremprovosere den reverserte reaksjonen. Sensitivitetsanalysen i LCA-studien viste at katalysatorlevetiden ikke hadde stor innvirkning på det totale økologiske fotavtrykket. Det samme gjaldt å inkludere resirkulert råstoff til prosessen. Sammenligningen av energikilder viste at energi fra vannkraft (grunnscenario) og vindkraft hadde lavest miljøavtrykk i majoriteten av miljøkategoriene. Hydrogen produsert ved elektrolyse hadde lavest avtrykk.

This master project studies the methanol synthesis using captured carbon and renewable hydrogen as feedstock. Different technologies and thermodynamic models were studied in the literature review and discussed in the report. The catalyst and reaction kinetics are also discussed topics, as they have been investigated for decades.

The thesis discusses a new process designed for methanol synthesis from carbon dioxide originating from electric limestone calcination. Renewable hydrogen is also used as a feedstock. Carbon dioxide and hydrogen react in a reverse water-gas shift reactor to produce high quality syngas, which subsequently is converted to methanol in a Lurgi reactor. Two distillation columns are prescribed to purify the methanol. The reverse water-gas shift reactor was simulated in Aspen Hysys V11 using a Gibbs reactor approximation. The methanol production process was ascribed to be a loop process, as the outlet stream of the Lurgi reactor was separated and then recycled or purged. Two distillation columns were prescribed to achieve a methanol purity of 99.96%.

A grade-to-gate life cycle assessment was performed of the Hysys simulation. Five sensitivity analysis were conducted to validate assumptions made in the basecase, or to improve the basecase to make it more sustainable. The environmental impacts of cases using different electricity sources were compared, along with different hydrogen production methods. The environmental impact of the catalyst lifespan, the impact of comprehending recycled feedstock streams and considering the CO2 to be biogenic were also investigated in the LCA study. Feed costing was introduced based on current econometric literature. The current SOEC costing is 4.95$/kg of hydrogen. The carbon capture cost was estimated to be 50-55€/tonne CO2-captured based on data from the Norcem plant in Brevik.

The study concluded that a single RWGS reactor is optimal and that there is no need for external energy as the feed came in at such high temperatures naturally from the limestone calcination process. However, because of the drastic temperature drop occurring from the mildly exothermic reverse water-gas shift reaction, there remains a need for a catalyst in the RWGS reactor to enhance the reaction rate. The sensitivity analysis in the LCA study showed that the catalyst lifetime did not make a big impact on the total environmental footprint. The same goes for considering recycled feedstock. The electricity source comparison showed that energy from hydro power (basecase) and wind power had the least environmental footprint score in the majority of the environmental impact categories. The case using electrolysis to produce hydrogen (basecase) had the least environmental impact.