Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The Cement industry is one of the biggest centralized emitters of CO2. While fossil carbon-based fuels have been substantially reduced over the past decade, novel approaches are needed to further reduce the industry’s CO2 emission by replacing fossil fuels. Following a strategy to use recuperated electric power from the cement plant and replace fossil fuels in the process, this project evaluates the application of plasma technology to synthesize a CO-based fuel from exhaust emissions and reuse it in the clinker production.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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In dieser Machbarkeitsstudie wurde eine neue Technologie zur Erzeugung erneuerbarer Brennstoffe für ein Zementwerk entwickelt. Sie basiert auf einem plasmagestützten Upcycling von CO2 und kann direkt auf einen CO2-reichen Abgasstrom eines Zementwerks angewendet werden, um ein CO-reiches Brennstoffgemisch zu erzeugen. Die Reoxidation versorgt die Anlage mit der notwendigen thermischen Energie für den Kalzinierungsprozess und somit kann ein geschlossener Brennstoffkreislauf aus dem Abgas erzeugt werden. Im Rahmen des Projekts wurde ein völlig neuer Plasmaaufbau auf der Grundlage einer dielektrischen Barriereentladung (DBD) aufgebaut und betrieben. Die Entwicklungen umfassen die Konstruktion neuer Hardware wie mehrere Plasmareaktoren (Rohr- und Plattenreaktor) und eine LabVIEW-basierte Betriebssoftware. Darüber hinaus wurde eine erfolgreiche Industriekooperation mit Materiallieferanten und Plasmaanlagenherstellern aufgebaut, um die industrielle Implementierung zu gewährleisten. Das Ergebnis ist eine optimierte, voll funktionsfähige, hocheffiziente Plasmaeinheit, die auf einem skalierbaren Industriedesign für die spätere Industrialisierung basiert. Im experimentellen Teil werden die höchsten CO2-Umwandlungen (~20%) bei hoher Leistung oder geringen Durchflüssen erreicht und können durch Verdünnung des CO2 (~25%) weiter gesteigert werden, was typischen Industrieabgaskonzentrationen entspricht. Die energieeffizienteste CO2 Umwandlung erreicht man bei einer CO2 Umwandlung von 10% mit einem Energieeintrag von nur 17 W. Dies wird durch die modernisierte und verbesserte industrielle Konfiguration erreicht. Zusätzlich wurde die Bildung unerwünschter Nebenprodukte per Massenspektrometer untersucht, wobei nur NOx in so vernachlässigbar geringen Mengen festgestellt werden konnte, dass diese keine umweltrechtliche Relevanz aufweisen. Der Einfluss von dielektrischen Materialien und Metallkatalysatoren auf die CO2-Umwandlung wurde ebenfalls untersucht. Der Wechsel von einer Quarzbarriere zu einer Al2O3-Barriere führte beispielsweise zu einer Steigerung der CO2-Umwandlung um mehr als 500%. Die größten Herausforderungen sind das Materialdesign und die anschließende Einführung der katalytischen Pulver in die Reaktionszone. Im Allgemeinen verbessert aber die Anwesenheit von Dielektrika und katalytischaktiven Metallen in der Plasmazone schon die CO2-Umwandlung Die Anwendbarkeit des Konzepts auf die Parameter eines Zementwerks wird positiv bewertet. Bei einem angenommenen Prozesswirkungsgrad von 62% (elektrische Leistung zu Reaktionsenthalpie) und einem derzeitigen Strompreis von 7 Rp/kWh (01/2022) beträgt der Beitrag der Stromkosten zum Preis der nutzbaren thermischen Energie ca. 114 CHF pro MWh Brennstoff. Aus unseren Ergebnissen lässt sich abschätzen, dass die am Anlagenstandort zurückgewonnene Elektrizität ausreicht, um 1.4% der benötigten Brennstoffmenge mit Hilfe des Plasmas bereitzustellen. Dies würde einer CO2-Einsparung von 554 kg/h entsprechen. Eine vollständige Elektrifizierung der evaluierten Anlage zu 100% ist technisch machbar und könnte CO2-Einsparungen von 40 t/h oder 350000 t/a erbringen.
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Schlussbericht
(Englisch)
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In this feasibility study a new technology was successfully evaluated to generate renewable fuel for a cement plant. It is based on a plasma-assisted upcycling of CO2 and can directly be applied to a CO2- rich exhaust gas stream of a cement plant to generate a CO-rich fuel mixture. Reoxidation of this fuel will supply the plant with the necessary heat energy for driving the calcination processes and can thereby generate a closed fuel cycle. Within the project a completely new plasma setup based on a dielectric barrier discharge (DBD) principle was established and operated. Developments include the design of new hardware such as several plasma reactors (tube, plate, etc.) and a LabVIEW based operating software (PlaTec) in addition. A successful industry cooperation was established with material and plasma plant suppliers. This resulted in an optimized, fully functional, high-efficiency plasma device that is based on an industrial design for the later scale up. In the experimental part, the highest CO2 conversions (~20%) are achieved at high power or low flows and can be further increased by diluting the CO2 (~25%) as it is typical for industrial exhaust gas. The most energy-efficient CO2 conversion is achieved at a CO2 conversion of 10% with an energy input of only 17 W. In addition, the formation of undesirable by-products was investigated, whereby only NOx could be detected in such negligible quantities that they have no relevance to environmental legislation. Influences of dielectric materials and metal catalysts on CO2 conversion was also investigated. The change from a quartz to an Al2O3 barrier resulted in an increase in conversion of >500%. Major challenges are the material design and the subsequent introduction of catalytic powders into the plasma zone but in general, the use of dielectrics and catalytic active metal nanoparticles in the plasma zone improves the CO2 conversion. The applicability of the concept is positively evaluated within the parameters of a cement plant. With an assumed process efficiency of 62% (power-to-reaction enthalpy) and an electricity price of 7 Rp per kWh, the contribution of electricity costs to the price of thermal energy is 114 CHF per MWh of fuel. From our results it can be estimated that recovered electricity at the plant site is sufficient to provide 1.4% of the required fuel quantity by means of the plasma. This would correspond to a CO2 saving of 554 kg/h. Complete electrification is technically feasible and could deliver CO2 savings of 40 t/h or 35000 t/a.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Italienisch)
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In questo studio di fattibilità è stata sviluppata una nuova tecnologia di produzione di combustibile rinnovabile per un cementificio. Si basa sull' «upcycling» di CO2 mediante plasma e può essere impiegata direttamente per produrre una miscela di combustibile ricca di CO da un flusso di gas di scarico ricco di CO2 proveniente dal cementificio. La riossidazione fornisce all'impianto l'energia termica necessaria per il processo di calcinazione permettendo così di ottenere un ciclo chiuso di combustibili dai gas di scarico. Nell'ambito del progetto, è stata costruita e messa in funzione una configurazione di plasma completamente nuova, basata su una scarica a barriera dielettrica (DBD). Gli sviluppi includono la costruzione di nuovo hardware, come diversi reattori al plasma (a tubo e a piastra) e un software operativo basato su LabVIEW. Inoltre, è stata avviata una fruttuosa collaborazione con i fornitori di materiali e i produttori di impianti al plasma per garantire l'implementazione industriale. Il risultato è un'unità al plasma ottimizzata, completamente funzionale e altamente efficiente, basata su un design scalabile per una successiva applicazione a livello industriale. Nella parte sperimentale, le conversioni più elevate di CO2 (~20%) si ottengono ad alta potenza o a bassi flussi e possono essere ulteriormente aumentate diluendo la CO2 (~25%), che corrisponde alle concentrazioni tipiche dei gas di scarico industriali. La conversione di CO2 più efficiente dal punto di vista energetico si ottiene con una conversione del 10% di CO2 con un consumo energetico di soli 17W. Questo risultato è stato raggiunto attraverso una moderna e ottimizzata configurazione industriale. Inoltre, la formazione di prodotti secondari indesiderati è stata analizzata tramite spettrometro di massa, che ha permesso di rilevare solo NOx in quantità trascurabili, tali da non avere alcuna rilevanza per la legislazione ambientale vigente. È stata inoltre analizzata l'influenza dei materiali dielettrici e dei catalizzatori metallici sulla conversione della CO2. Ad esempio, il passaggio da una barriera di quarzo a una barriera di Al2O3 ha portato a un aumento della conversione di CO2 di oltre il 500%. Le sfide principali sono la progettazione del materiale e la successiva introduzione delle polveri catalitiche nella zona di reazione. In generale, tuttavia, la presenza di dielettrici e metalli cataliticamente attivi nella zona del plasma migliora già la conversione della CO2. L'applicabilità del concetto ai parametri operativi di un cementificio è valutata favorevolmente. Ipotizzando un'efficienza di processo del 62% (energia elettrica/entalpia di reazione) e un prezzo attuale dell'elettricità di 7 Rp/kWh (01/2022), il contributo dei costi dell'elettricità al prezzo dell'energia termica utilizzabile è di circa 114 CHF per MWh di combustibile. Dai nostri risultati, possiamo stimare che l'elettricità recuperata nel sito del cementificio con l'uso del plasma è sufficiente a fornire 1.4% della quantità di combustibile richiesta dall'impianto. Ciò corrisponde a un risparmio di CO2 di 554 kg/h. Una completa elettrificazione del cementificio in esame è tecnicamente fattibile e permetterebbe un risparmio di CO2 di 40 t/h o 350000 t/a.
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