Feasibility of CO2 capture in a mini-mill plant: a case study from the iron and steel industry

José Maria Azevedo Rego Morais Pires

Key information

Authors:

José Maria Azevedo Rego Morais Pires (José Maria Azevedo Rego Morais Pires)

Supervisors:

Henrique Aníbal Santos de Matos (Henrique Aníbal Santos de Matos); Laura Annamaria Pellegrini

Published in

02/03/2023

Abstract

Atualmente, é amplamente reconhecida a responsabilidade dos gases com efeito de estufa (GEE), como o dióxido de carbono (CO2), no aquecimento global. Em termos de CO2 emitido, os setores da energia e industrial são dos mais poluentes, destacando-se, no setor industrial, a indústria do aço. A presente dissertação investigou, por simulação em Aspen Plus® V11, a performance de um sistema de captura de CO2 por absorção química com monoetanolamina (MEA), aplicado ao processo descontínuo de produção de aço pela fornalha de arco elétrico (EAF). Com efeito, o modelo rigoroso desenvolvido permitiu identificar, através de um estudo paramétrico, as melhores condições operatórias para este sistema, atendendo as suas necessidades processuais de utilidades e matérias-primas, que, em parte, são representativas da sua performance. Em particular, foram observados os efeitos da carga do solvente pobre em CO2, αLEAN, da altura de enchimento no absorvedor, Habs, da pressão operatória do stripper, Pstp, e da altura de enchimento no stripper, Hstp, em indicadores de performance (KPI), p. ex., os requisitos térmicos no re-ebulidor (TER), para inferir as melhores condições operatórias. Priorizou-se a minimização dos TER em detrimento dos restantes KPIs, tendo-se identificado o caso ótimo como sendo aquele em que αLEAN = 0.19, Habs = 32 m, Hstp = 10 m e Pstp = 2 bara, culminando em reduções ˜ de 36% nos TER, quando comparado com o cenário base. Obtidos os parâmetros ótimos para o processo em estado estacionário, concebeu-se e simulou-se um modo flexível de operação, por forma a atender a natureza batch da EAF. Por fim, estudou-se a viabilidade económica do processo sugerido. Confrontaram-se os custos de remoc¸ao de CO2 de dois cenários (91$/t CO ´ 2 vs. 110$/t CO2) com o imposto de carbono em vigor em Portugal e o preço dos t´títulos de emissão de GEE, pelo que se propôs o cenário de utilização de CO2 para um estudo subsequente mais detalhado. Ate onde o autor conseguiu apurar, a simulação de tal sistema acoplado ao processo EAF nunca foi descrita na literatura. Greenhouse gases, as carbon dioxide (CO2), are one of the main drivers for global warming. Apart from the energy sector, the industrial sector, to which the iron and steel industry belongs, is one of the greatest anthropogenic CO2 emitting sectors. This dissertation assessed the technical and economic performance of a monoethanolamine (MEA)-based post-combustion CO2 capture system implemented in the electric arc furnace (EAF) steel production pathway, which operates batchwise. In virtue of the developed rate-based Aspen Plus®V11 model, the best operating conditions meeting the process specifications were determined via a parametric study. In particular, it was examined the effect of the lean solvent loading, αLEAN, the absorber packing height, Habs, the stripper operating pressure, Pstp, and the stripper packing height, Hstp, on user-defined key performance indicators (KPI), such as the reboiler energy requirements (TER). From all KPIs, TER was the one sought to be reduced the greatest. The optimal operating conditions were found to be equal to αLEAN=0.19, Habs=32m, Hstp=10m and Pstp=2bara, which resulted in TER of 3.45 GJ/t of removed CO2, an energy saving of 36% when compared with the baseline scenario. Only after the best case scenario was identified, was a flexible operation mode conceived to deal with the particularities of the EAF. Following the process economic evaluation, the CO2 capture costs for two scenarios (91$/tCO2 vs. 110$/tCO2) were compared with the current carbon tax in Portugal and the ETS permit cost. As a result, it was suggested that the CO2 utilisation scenario is to be further analysed.