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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:ltu-107734 |
| Date | January 2024 |
| Creators | Göransson, Alyssa |
| Publisher | Luleå tekniska universitet, Institutionen för teknikvetenskap och matematik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | Swedish |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0031 seconds