Проект CLEANKER: улавливание CO₂ в цементной промышленности

РЕФЕРАТ. Проект CLEANKER, предусматривающий производство «чистого» в отношении выбросов CO₂ клинкера (CLEAN clinKER) при помощи технологии кальциево-карбонатного цикла (Calcium Looping, CaL), получил поддержку Еврокомиссии на период с октября 2017 до сентября 2021 года в рамках заявки LCE29—2017 по программе Horizon 2020. Цель проекта — ​продемонстрировать возможности технологии CaL, интегрированной в технологию производства цемента.

Сегодня не существует экономически целесообразных способов производства клинкера и, следовательно, цемента, при которых не происходило бы выделение значительных обьемов CO₂ из CaCO₃. Вместе с тем, учитывая срок эксплуатации цементного завода (порядка 50 лет), применяемые на нем технологии должны предполагать возможность модернизации. До недавнего времени исследования проводились в основном в области технологий сжигания топлива в кислороде и улавливания сор­бентами образовавшегося при горении CO₂, однако сегодня метод CaL также признан весьма перспективной технологией улавливания CO₂ на цементных заводах.

Задачи проекта CLEANKER — ​прежде всего проектирование, строительство и эксплуатация демонстрационной системы CaL, включающей в себя реакторы с потоком запыленных газов: карбонизатор (абсорбер CO₂) и декарбонизатор со сжиганием топ­лива в кислороде (регенератор сорбента). Эта система пос­ле подключения к печи цементного завода Vernasca (Италия), принадлежащего компании Buzzi Unicem, будет улавливать CO₂ из отходящих печных газов, используя в качестве сорбента сырьевую муку, подготовленную для производства клинкера.

План реализации проекта рассчитан на четыре года — ​с октября 2017 года по сентябрь 2021 года. После ввода демонстрационной установки в эксплуатацию начнутся ее краткосрочные и длительные испытания.

Ключевые слова: улавливание и утилизация CO₂, CCSU, кальциево-карбонатный цикл, цемент, клинкер, реактор с потоком запыленных газов, демонстрационная установка.

Keywords: CO₂ capture, CCSU, Calcium Looping, cement, clinker, entrained flow reactor, demonstrator.

Проект CLEANKER

CLEANKER (производство «чистого» в отношении выбросов CO₂ клинкера (CLEAN clinKER) при помощи технологии (Calcium Looping, CaL)) — ​это четырехлетний европейский исследовательский проект в области улавливания и хранения/утилизации CO₂ (Carbon Capture and Storage/Use, CCSU). Проект финанси­руется в рамках программы Horizon 2020, его общий бюджет — ​около EUR 9237 тыс., из которых средства, выделенные ЕС, составляют около EUR 8972 тыс. В международном проекте CLEANKER участвуют 13 организаций: Laboratorio Energia e Ambiente Piacenza (LEAP, Италия) — ​координатор проекта, Buzzi Unicem (Италия), CSIC (Испания), Italcementi (Италия) (входит в состав HeidelbergCement Group), IKN (Германия), POLIMI (Италия), QUANTIS (Швейцария), VDZ (Германия), Таллиннский технический университет (Эстония), Университет Лаппенранта (Финляндия), Университет Цинхуа (Китай), Университет Штутгарта (Германия) и Amici della Terra (Италия). Офи­циально реализация проекта началась 1 октября 2017 года в отделении Миланского политехнического университета в г. Пьяченца (Италия).

Проект CLEANKER — ​амбициозная инициатива. Если его ожидаемая успешность подтвердится, это позволит предоставить цементной отрасли важную инновацию, способствующую повышению экологичности производственного процесса. Исследования проводятся с целью проверить возможности улавливания CO₂, образующегося в ходе производства цемента, и сокращения его выбросов в атмосферу. Конечная цель — ​способствовать сдерживанию роста парникового эффекта. Улавливание и последующее хранение CO₂ — ​ключевые процессы в рамках стратегии ЕС в отношении выбросов парниковых газов. После улавливания CO₂ на предприятиях и его отвода в виде отдельного потока он может храниться на предназначенных для этого геологических объектах или использоваться в качестве сырья для синтеза основных продуктов химической индустрии или топлива.

Метод CaL признан одной из наиболее перспективных новых технологий улавливания CO₂ на цементных заводах. Технология CaL глубоко интегрируется в процесс производства, при этом она обладает высокой энергоэффективностью, а целевой коэффициент улавливания CO₂ превышает 90 %. Низкое общее потребление энергии достигается за счет грамотной интеграции с оборудованием для предварительного нагрева сырьевой муки, а также за счет рекуперации тепла отходящих печных газов. Для конфигурации CaL очень хорошо подходят реакторы с потоком взвеси твердых частиц в газах, поскольку в таких реак­торах одно и то же тонкодисперсное сырье можно использовать без дополнительного измельчения и для производства клинкера (CaO), и для поглощения CO₂. Кроме того, реакторы с потоком запыленных газов уже широко используются на цементных заводах.

Цель проекта — ​продемонстрировать концепцию CaL, реализованную с использованием реакторов с потоком взвеси и интегрированную в процесс производства цемента, на уровне технологической готовности TRL7 (демонстрация прототипа системы в условиях эксплуатации)*.

Реализация проекта

Первоочередные задачи проекта CLEAN­KER — ​проектирование, строительство и экс­плуатация демонстрационной системы CaL, включающей в себя реакторы с потоком запыленных газов: карбонизатор (абсорбер CO₂) и декарбонизатор со сжиганием топлива в кис­ло­роде — ​регенератор сорбента (декарбонизатор CaL). После подключения к существующей печи производительностью 1,3 млн т клинкера в год на цементном заводе Vernasca (Италия), принадлежащем компании Buzzi Unicem, эта система будет улавливать CO₂ из дымовых газов печи, используя в качестве сорбента CO₂ сырьевую муку, подготовленную для производства клинкера.

Одна из основных целей при эксплуатации демонстрационной установки CLEANKER — ​достичь эффективности улавливания CO₂ более 90 %, обеспечив при этом рост потребления электроэнергии не более чем на 20 % по сравнению с аналогичной установкой без улавливания CO₂ и увеличение затрат на производство цемента не более чем на 25 EUR/т.

План реализации проекта CLEANKER рассчитан на 4 года — ​с октября 2017 по сентябрь 2021 года. Первые два года работа велась по следующим направлениям:

⋅ моделирование, 

⋅ детальное проектирование демонстра­ционной системы CaL,

⋅ исследование различных типов сырьевой муки с целью определить возможности их использования в качестве сорбентов CO₂,

⋅ возведение демонстрационной установки,

⋅ эксперименты по карбонизации минеральных отходов производства,

⋅ разработка методологии моделирования сценариев CCSU,

⋅ нормативно-правовое регулирование.

На ранней стадии проектирования технологическая схема имела достаточно простую структуру. На его завершающем этапе были выполнены 693 чертежа и разработана финальная версия технологической схемы. В текущем, третьем году реализации проекта (начавшемся 1 октября 2019 года) смонтированы оборудование общей массой 110 т (плюс 40 т огне­упоров), 38 крупных трубопроводов, 78 расширительных соединений для компенсации деформаций при нагреве и 189 измерительных приборов в соответствии со схемой демонстрационной системы (рис. 1).

Рис. 1. Упрощенная схема демонстрационной системы CaL (контур слева) и существующей печи (контур справа) на заводе Vernasca

Предусмотрена глубокая интеграция работы опытной установки и печи (см. рис. 1): в декарбонизатор CaL подается тот же вид сырьевой муки, что и в печь обжига клинкера, а в карбонизаторе обрабатывается около  1 % газообразных продуктов горения топлива и декарбонизации CaCO₃, образующихся во вращающейся печи и декарбонизаторе печной системы. Из декарбонизатора CaL материал с высоким содержанием CaO (продукта разложения CaCO₃) отводится в карбонизатор для использования в каче­стве сорбента и частично — ​в печь, а богатые CO₂ газы — ​на хранение и/или утилизацию. Основная часть CO₂, содержащегося в печных газах, улавливается сорбентом в карбонизаторе с образованием CaCO₃, после чего газы с низкой остаточной концентрацией CO₂ поступают в дымовую трубу вместе с отходящими газами циклонного теплообменника. Отработанный сорбент из карбонизатора подается в декарбонизатор CaL для регенерации.

Декарбонизатор CaL работает в режиме сжигания топлива (мазута) в кислороде с рециркуляцией части обогащенных CO₂ продуктов горения, которая позволяет контролировать окислительно-восстановительные условия в реакторе. Перед повторной подачей на вход декарбонизатора CaL поток газов с высоким содержанием CO₂ охлаждается до необходимой температуры в системе рекуперации, состоящей из вертикального газохода и циклона. В этой системе свежий сорбент на основе сырьевой муки предварительно нагревается до подачи в опытную установку, что позволяет минимизировать расход сжигаемого для работы последней дополнительного топлива. Количество сорбента в карбонизаторе регулируется либо путем изменения расхода декарбонизированной сырьевой муки, подаваемой в него из декарбонизатора CaL, либо путем внутренней рециркуляции (возврата части сорбента от выхода карбонизатора к его входу).

Строительство опытной установки (рис. 2) началось летом 2019 года, Планируется ввести ее в эксплуатацию в 2020 году, после чего провести краткосрочные и длительные испытания в установившемся режиме, чтобы оптимизировать эксплуатационные параметры, влияющие на улавливание CO₂, и довести технологию CaL, интегрированную в процесс производства клинкера, до уровня технологической готовности TRL7.

Рис. 2. Декарбонизатор CaL во время монтажа

Первые короткие испытания будут проводить специалисты компании Buzzi Unicem при содействии Миланского политехнического университета, LEAP, Штутгартского университета и VDZ. Они проверят технологические показатели при использовании различных типов сырья, а также изменении количества сорбента (соотношения твердых частиц к газу в карбонизаторе) и температур карбонизации/декарбонизации.

Опытная эксплуатация установки предполагает работу в течение нескольких сотен часов в оптимальной опытной конфигурации, обеспечивающей постоянный коэффициент улавливания углерода выше 90 %. Это позволит доказать стабильность и эффективность разработанного процесса. Помимо непрерывного мониторинга технологических температур, расхода и состава газов, в ходе испытаний будет проводиться анализ отработанного сорбента для оценки улавливающей способности сырьевой муки и протекания побочных реакций (т. е. образования белита). В течение последнего года реализации проекта (после 1 октября 2020 года) на основе результатов испытаний предстоит оценить правильность имитацион­ных моделей, усовершенствовать модели масштабирования системы и спроектировать промышленную установку CaL.

Торжественное открытие демонстрационной установки состоится на заводе Vernasca в 2020 году с участием местных властей. В этом же году запланировано провести специальное мероприятие, пригласив в его рамках представителей заинтересованных сторон на европейском уровне, связанных с производством цемента, а также представителей местных сообществ ознакомиться с демонстрационной системой.

Дата завершения проекта — ​30 сентября 2021 года — ​в настоящее время не изменилась. Однако поскольку из-за пандемии COVID‑19 строительство демонстрационной системы приостановлено примерно на 3 месяца, не менее чем на столько же задержится начало испытаний. Участники проекта разработали план, позволяющий сократить сроки проведения испытаний, не снижая их качества. При его успешной реализации продлевать срок окончания проекта не потребуется.

Благодарность

Данный проект получил финансирование по соглашению о субсидировании № 764816 (CLEANKER) в рамках программы исследований и инноваций Европейского Союза Horizon 2020.

*  Соответствует УТГ 7 по ГОСТ Р 56861—2016 — Прим. ред.