CO2 Capture by mineral carbonation to obtain a usable material of industrial waste

Abstract

Carbon dioxide capture and utilization (CCU) technologies are being developed to reduce carbon dioxide emissions from the cement sector and to obtain by-products with high added value. The cement sector is the second-largest industrial emitter of carbon dioxide (CO2), contributing to 5-8 % of anthropogenic global emissions in 2015-217. Cement production consists of raw material preparation, clinker production, blending/grinding, and packaging. A major emission source of CO2 is the de-carbonation of limestone during the calcination process, which constitutes 60 % of the total clinker kiln CO2 emissions and the remaining 40 % comes from the combustion of fuels (liquid fuels, gas, coal, wastes, and biomass). The CO2 emissions from limestone calcination are inherent to chemical reactions of the raw material and cannot be avoided unless other sources of CaO would be used. Mineral carbonation (MCAP-CO2) is one of the CCU technologies that recover CO2 contained in flue gases coming from clinker kiln to obtain synthetic carbonate from the reaction between CO2 and industrial wastes rich in calcium oxide, and using these synthetic carbonates either as a final product or as an input to the cement industry. Prior studies have noted the importance of combined economic and environmental aspects to evaluate the performance of CCU technologies applied to the cement sector. In this research, it was addressed this need using technological, economic, and environmental criteria for an initial assessment (at pre-feasibility level) of implementing the MCAP-CO2 within a conventional cement plant from a net-zero emissions perspective. The analysis goes from extractive processes to blended cement production including the capture process. It is considered that flue gas (rich in CO2) and CKD streams from clinker production are directed to the MCAP-CO2 process as main inputs.

This thesis provides a better understanding of the capture technologies focused on the mitigation of CO2 emissions in the cement Colombian sector. This novel approach, integrating technological, economic and environmental criteria following LCA standardized metrics, allows to establish the cost–benefit relation of implementing CCU within the cement industry. In addition, hotspots were identified and evaluated at prefeasibility level in the assessment of CCU from a sustainability perspective such as: energy costs, CO2 abatement costs and plant capacity. Furthermore, we can extend these methods to others CCU technologies if we align the goal, scope, boundaries, inventory and indicators, so they must fit to the research question.

El sector del cemento es el segundo mayor emisor industrial de dióxido de carbono (CO2), contribuyendo al 5-8 % de las emisiones globales de origen antrópico entre 2015-2017. La producción de cemento consiste en la preparación de materia prima (explotación, trituración y transporte), la producción de Clinker, y la mezcla, molienda y empaque final. Una fuente importante de emisión de CO2 es la descarbonatación de la piedra caliza o calcita durante el proceso de calcinación, que constituye el 60 % de las emisiones totales de CO2 en el horno de Clinker; el 40 % restante proviene de la combustión de combustibles (combustibles líquidos, gas, carbón, desechos ordinarios e industriales y biomasa). Las emisiones de CO2 de la calcinación de la piedra caliza son inherentes a las reacciones químicas de la materia prima y no se pueden evitar a menos que se utilicen otras fuentes de CaO. El estudio de tecnologías de captura y utilización de dióxido de carbono (CCU) permite reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) del sector cementero y obtener subproductos con alto valor agregado. La carbonatación mineral en fase acuosa (MCAP-CO2) es una de las tecnologías CCU que utiliza el CO2 proveniente los gases de combustión del horno de Clinker para obtener carbonatos sintéticos productos de la reacción entre CO2 y compuestos de óxido de calcio o magnesio, presentes en los desechos industriales, y utilizando estos carbonatos como producto final o como insumo para la industria del cemento. Investigaciones previas han señalado la importancia de la integración de los aspectos económicos y ambientales para evaluar el desempeño de las tecnologías CCU aplicadas al sector industrial en general. En esta investigación, se ha abordado esta necesidad eligiendo criterios tecnológicos, económicos y ambientales para una evaluación inicial (a nivel de pre-factibilidad) de la implementación del proceso de MCAP-CO2 en una planta de cemento bajo una perspectiva de cero emisiones de CO2. El alcance del análisis abarca desde los procesos de extracción hasta la producción de cemento teniendo en cuenta el proceso de captura de CO2 por carbonatación mineral de CKD (MCAP-CO2). Esta tesis brinda una mejor comprensión de las tecnologías de captura enfocadas a la mitigación de las emisiones de CO2 en el sector cementero colombiano. Este enfoque, que integra criterios tecnológicos, económicos y ambientales siguiendo las métricas estandarizadas del análisis de ciclo de vida -ACV-, permite establecer la relación costo-beneficio de implementar la captura y utilización dentro de la industria cementera. Además, se identificaron y evaluaron hotspots a nivel de prefactibilidad en la evaluación de CCU desde una perspectiva de sostenibilidad, tales como: costos de energía, costos de reducción de CO2 y capacidad de la planta. Asì mismo, este enfoque pueden extenderse a otras tecnologías de CCU si se alinea el objetivo, el alcance, los límites del sistema, el inventario y los indicadores, para que se ajusten a la pregunta epecìfica de investigación a resolver.