As the world population keeps increasing, ammonia-based fertilizers like urea are essential to provide food security. However, the current fertilizer industry is based on fossil fuel feedstock (mainly natural gas), making the production process CO2 emission-intensive. More specifically, besides the CO2 emitted during the process, the CO2 captured in urea is also released into the atmosphere after the fertilizer is applied to agricultural soils. Thus, positioning the fertilizer industry among the top four industrial emitters globally. Hence, in order to meet the target of limiting global warming to 1.5 ºC and achieve net-zero emissions by 2050, it is necessary to strengthen the carbon mitigation efforts in the current fertilizer industry. This can be achieved in different ways, such as using renewable biofuels and implementing technologies that can lead to zero/negative CO2 emissions. For that reason, the present study presents pathways to achieve a more environmentally friendly fertilizer production process. An overall analysis is performed if negative emissions can be achieved by replacing different fractions of natural gas (used as both feedstock and fuel) with biogas and biomethane and by capturing and storing the CO2 emitted from the process using chemical solvents as activated MDEA and MEA. The results obtained from the study revealed that negative emissions in fertilizer plant can be achieved by retrofitting an existing ammonia plant with a MEA based CO2 capture system (with a carbon capture rate of 90%) for the SMR burner flue gas, and by introducing 50% of biogas in the feedstock (alongside Natural gas), and 75% of biogas in the SMR burner fuel (alongside Natural gas). This initial approach would result in net negative emissions from urea's production and application and require approximately 0.5 kg of biogas per kg of urea produced in this case. Furthermore, the equivalent energy intensity for the negative emission urea plant would be 0.32% and 3.37% lower compared to the fossil fuel-based case without/with CCS, respectively. Ultimately, it is even possible to produce approximately 6% more urea product by replacing a particular fraction of natural gas with biogas. The reason for this increased production is due to the surplus of carbon dioxide by the introduction of biogas. It can be used along with the ammonia product going to storage in the fossil fuel-based case, where there was not enough CO2 to keep the feedstock molar ratio at the urea plant's inlet.

År 2022 stod järn- och stålindustrin för ca 12,5% av Sveriges totala CO2-utsläpp, där den främsta utsläppskällan är reduktion av järnmalm i masugn. En attraktiv väg för att minska utsläppen från masugnen är att ersätta denna med direktreduktion med vätgas för att producera järnsvamp, som sedan kan smältas i en ljusbågsugn. Denna teknik har potentialen att minska CO2-utsläppen med upp till 98% jämfört med masugnsprocessen. För att minska utsläppen ytterligare kan tekniker för CO2-avskiljning implementeras.  Syftet med detta arbete är att undersöka hur CO2-avskiljning kan implementeras i ett system som använder direktreduktion med vätgas, samt smältning av järnsvamp i ljusbågsugn. Målen med arbetet har varit att formulera ett processkoncept för detta system, för att sedan modellera denna process och utföra en tekno-ekonomisk analys. Arbetets frågeställningar har varit ifall det var mer fördelaktigt med hög eller låg CO2-halt i rökgaserna, ifall ett uppkolningssteg är mer fördelaktigt än uppkolning i ljusbågsugnen, samt ifall den avskilda koldioxiden bör lagras eller återanvändas i processen. En ytterligare frågeställning var även hur lönsamheten av CO2-avskiljning påverkas med avseende på kostnad för utsläppsrättigheter för CO2.  Systemets omfattning sträckte sig från direktreduktionsschaktet till uppvärmningsugnen innan valsning. De CO2-innehållande rökgaserna från de olika processtegen skickades in i en kalciumloopingenhet, som var den valda tekniken för CO2-avskiljning. Ett basfall utan CO2-avskiljning samt åtta scenarion med CO2-avskiljning ställdes upp baserat på frågeställningarna, där dessa sedan modellerades i Microsoft Excel. Resultaten från modellen utvärderades utifrån energirelaterade och ekonomiska prestandaindikatorer där alla scenarion jämfördes mot varandra, samt mot basfallet. Resultaten från arbetet visade att CO2-avskiljning med kalciumlooping kan minska CO2-utsläppen från detta system med 90-91%. Energianvändningen ökade för alla fall som använder CO2-avskiljning, där den lägsta ökningen jämfört med referensfallet var med 4% och den högsta med 40%. Alla scenarion medförde ökade kostnader för systemet jämfört med basfallet. Det scenario där endast koldioxidavskiljning adderades hade lägst kostnad av dessa fall. Detta scenario medförde en ökad produktionskostnad på 240 SEK/ton stål och det skulle krävas en kostnad för utsläppsrätter på 2200 SEK/ton CO2 för att investeringen ska uppnå en återbetalningstid på 25 år.  Utifrån analysen av arbetets olika scenarion, är det mest fördelaktigt att endast addera kalciumloopingtekniken på den befintliga processen. Att stänga ugnarna är fördelaktigt ur ett energiperspektiv, men blir kostsamt ekonomiskt. Därför kan detta vara ett bra alternativ om en ny anläggning ska byggas att då bygga ugnarna stängda. Ett separat uppkolningssteg kan vara ett alternativ för att uppkolning i ljusbågsugnen, men medför både ökad energianvändning samt ökade kostnader. Metanisering visade sig inte vara fördelaktigt utifrån ett ekonomiskt och energiperspektiv på grund av det stora elbehovet som detta medför, dock ger återanvändning av CO2 stora möjligheter till recirkulering av kol i processen vilket gör att upp till 92% av kolbehovet kan täckas av återanvänt kol. / In 2022, the iron and steel industry accounted for approximately 12.5% of Sweden's total CO2 emissions, with the primary source of emissions being the reduction of iron ore in a blast furnace. An attractive way to reduce emissions from the blast furnace is to replace it with direct reduction using hydrogen to produce direct reduced iron, which can then be melted in an electric arc furnace. This technology has the potential to reduce CO2 emissions by up to 98% compared to the blast furnace process. To further reduce emissions, carbon capture technologies can be implemented. The purpose of this work is to investigate how carbon capture can be implemented in a system that uses hydrogen direct reduction and melting of direct reduced iron in an electric arc furnace. The objectives of this work were to formulate a process concept for this system, then model this process and perform a techno-economic analysis. The research questions addressed whether it was more advantageous to have a high or low CO2 concentration in the flue gases, whether a separate carburizing step was more advantageous than carburizing the steel in the electric arc furnace, and whether the captured CO2 should be stored or reused in the process. An additional research question was how the profitability of carbon capture is affected by the cost of CO2 emission allowances. The scope of the system extended from the direct reduction shaft to the reheating furnace before rolling. The CO2 containing flue gases from the various process steps were fed into a calcium looping unit, which was the chosen technology for carbon capture. One base case without carbon capture and eight scenarios with carbon capture were set up based on the research questions, and these were then modeled in Microsoft Excel. The results from the model were evaluated based on energy-related and economic performance indicators, with all scenarios compared against each other and against the base case. The results of this work showed that carbon capture with calcium looping can reduce CO2 emissions from this system by 90-91%. Energy demand increased for all cases using carbon capture, with the lowest increase compared to the reference case being 4% and the highest 40%. All scenarios resulted in increased costs for the system compared to the base case. The scenario where only carbon capture was added had the lowest cost among these cases. This scenario resulted in an increased production cost of 240 SEK/ton of steel, and a CO2 emission allowance cost of 2200 SEK/ton CO2 would be required for the investment to achieve a payback time of 25 years. Based on the analysis of the various scenarios, it is most advantageous to only add the calcium looping technology to the existing process. Closing the furnaces is advantageous from an energy perspective but becomes costly economically. Therefore, this could be a good option if a new plant is to be built, as the furnaces could then be built closed. A separate carburizing step could be an alternative to carburizing in the electric arc furnace, but it entails both increased energy demand and higher costs. Methanation proved not to be advantageous from an economic and energy perspective due to the large electricity demand it entails, but the reuse of CO2 offers great possibilities for carbon recycling in the process, which means that up to 92% of the carbon demand can be covered by reused carbon.

In recent years, membrane gas absorption technology has been considered as one of the promising alternatives to conventional techniques for CO2 capture due to its favorable mass transfer performance. As a hybrid approach of chemical absorption and membrane separation, it exhibits a number of advantages, such as operational flexibility, compact structure, high surface-area-to-volume ratio, linear scale up, modularity and predictable performance. One of the main challenges of membrane gas absorption technology is the membrane wetting by absorbent over prolonged operating time, which may significantly decrease the mass transfer coefficients of the membrane module. In this thesis, the experimental was set up to investigate the dependency of CO2 removal efficiency and mass transfer rate on various operating parameters, such as the gas and liquid flow rates, absorbent type and concentration and volume fraction CO2 at the feed gas inlet. In addition, the simultaneous removal of SO2 and CO2 was investigated to evaluate the feasibility of simultaneous desulphurization and decarbonization in the same membrane contactor. During 14 days of continuous operation, it was observed that the CO2 mass transfer rate decreased significantly following the operating time, which was attributed to partial membrane wetting. To better understand the wetting mechanism of membrane pores during their prolonged contact with absorbents, immersion experiments for up to 90 days were carried out. Various membrane characterization methods were used to illustrate the wetting process before and after the membrane fibers were exposed to the absorbents. The characterization results showed that the absorbent molecules diffused into the polypropylene polymer during the contact with the membrane, resulting in the swelling of the membrane. In addition, the effects of operating parameters such as immersion time and absorbent type on the membrane wetting were investigated in detail. Finally, based on the analysis results, methods to smooth the membrane wetting were discussed. It was suggested that improving the hydrophobicity of polypropylene membrane by surface modification may be an effective way to improve the long-term operating performance of membrane contactors. Therefore, the polypropylene hollow fibers were modified by depositing a thin superhydrophobic coating on the membrane surface to improve their hydrophobicity. The mixture of cyclohexanone and methylethyl ketone was considered as the best non-solvent to achieve the fiber surface with good homogeneity and acceptably high hydrophobicity. In the long-period operation, the modified membrane contactor exhibited more stable and efficient performance than the untreated one. Hence, surface treatment provides a feasibility of improving the system stability for CO2 capture from the view of long-term operation. / En av de tekniker som under senare framhållits som ett lovande alternativ till konventionell CO2-avskiljning är membran-gas-absorptionstekniken på grund av god prestanda vad gäller masstransport. Det blandade angreppssättet med både kemisk absorption och membranseparation har en rad fördelar, såsom driftflexibilitet, kompakt konstruktion, högt yt-volymsförhållande, linjär uppskalning, modularitet och förutsägbar prestanda. En av de viktigaste utmaningarna för membran-gas-absorptionstekniken är vätningen av membranet med absorbenten under långa drifttider, vilket väsentligt kan minska membranmodulens masstransportkoefficienter.  I avhandlingen har en rad olika driftparametrars påverkan på CO2-reningsgraden och massöverföringshastigheten undersökts. Driftparametrar inkluderar gas- och vätskeflöden, typ av absorbent och koncentration och volymfraktion av CO2 vid gasinloppet. Avskiljning av SO2 och CO2 har dessutom undersökts för att utvärdera möjligheten att samtidigt, i samma membranenhet, avlägsna svavel och kol. Under 14 dagars kontinuerlig drift konstaterades det att massöverföringshastigheten för CO2 minskade avsevärt med drifttiden, vilket hänfördes till partiell vätning av membranet.   För att bättre förstå mekanismerna för vätning av membranporer under långvarig kontakt med absorbenter genomfördes doppningsexperiment i upp till 90 dagar. Olika metoder för karakterisering av membran användes för att illustrera vätningsprocessen före och efter det att membranfibrerna exponerades för absorbenterna. Resultaten av karakteriseringen visade att absorbentmolekylerna spreds in i polypropenpolymeren under kontakten med membranet, vilket ledde till att membranet svällde. Dessutom undersöktes effekterna av driftsparametrar såsom nedsänkningstid och typ av absorbent i detalj. Slutligen, på grundval av analysresultaten, diskuterades metoder för att underlätta vätningen av membran. Att förbättra polypropylenmembranets hydrofobicitet genom modifiering av ytan föreslogs kunna vara ett effektivt sätt att förbättra den långsiktiga driftprestandan för membranenheter. Därför modifierades de ihåliga fibrerna av polyproylen med ett tunt lager av en superhydrofob beläggning på membranets yta för att förbättra hydrofobiciteten. En blandning av cyklohexanon och metyletylketon ansågs vara det bästa icke-lösningsmedlet för att få en fiber yta med god homogenitet och acceptabelt hög hydrofobicitet. Under lång driftperiod, uppvisade den modifierade membranenheten stabilare och effektivare prestanda än den obehandlade. Därför erbjuder ytbehandling en möjlighet till att förbättra systemets stabilitet för CO2-avskiljning när det gäller långsiktig drift. / VR-SIDA Swedish Research Links Programme