Techno-economic evaluation of indirect carbonation for CO2 emissions capture in cement industry: A system dynamics approach

Abstract

CO2 emissions in the cement industry account for about 8% of the total CO2 emissions worldwide. They mainly originate from limestone calcination and fossil fuel combustion in clinker production. To avoid the 2 °C increase in global temperature compared with the pre-industrial global temperature, which was proposed in the COP21 agreement in 2015, the cement industry should reduce CO2 emissions by 24%. Thus, this study evaluates an indirect carbonation CO2 capture and utilization technology for CO2 emissions abatement in the clinker production. The indirect carbonation process was assessed using different hydroxides (Na, Ba, and Ca) as absorbent precursors. Technical evaluation shows that the carbonation process using Na and Ba hydroxides was feasible between 50 and 70 °C, with CO2 capture efficiencies of 98% and 65%, respectively. On the contrary, the Ca-based process only obtained an efficiency of 0.5% due to the low solubility of Ca(OH)2 in water, resulting in technical impracticality. The estimated costs of CO2 capture for Na and Ba processes were assessed at 65 and 140 USD/t CO2, respectively. Moreover, the economic impact of implementing the CO2 capture carbonation technology in a cement plant and the effect of market and governmental conditions on the overall cement plant cashflow were analyzed by integrating technical results and economic evaluation in a system dynamics model. This model was developed to appraise the overall economic impact of CO2 capture on a referential cement plant profits under different market scenarios and a CO2 tax economic policy. System dynamics results showed that market factors, such as the carbonate demand, limit the CO2 capture potential of the indirect carbonation technology. Moreover, it was noticed that the implementation of the NaOH and Ba(OH)2 carbonation technologies reduces cement plant profits by 55% and 5%, respectively, when CO2 emissions were reduced by 65% in both scenarios. Furthermore, the application of a CO2 tax between 20 and 80 USD/t CO2 emitted will encourage the implementation of CO2 capture technologies, with the aim to reduce its emissions by 24% via cement plants.

Las emisiones de CO2 en la industria del cemento representan alrededor del 8% de las emisiones totales de CO2 en todo el mundo. Se originan principalmente de la calcinación de piedra caliza y la combustión de combustibles fósiles en la producción de clinker. Para evitar el aumento de 2 °C de la temperatura global en comparación con la temperatura global preindustrial, que se propuso en el acuerdo COP21 de 2015, la industria del cemento debería reducir las emisiones de CO2 en un 24 %. Por lo tanto, este estudio evalúa una tecnología de captura y utilización de CO2 por carbonatación indirecta para la reducción de emisiones de CO2 en la producción de clinker. El proceso de carbonatación indirecta se evaluó utilizando diferentes hidróxidos (Na, Ba y Ca) como precursores absorbentes. La evaluación técnica muestra que el proceso de carbonatación utilizando hidróxidos de Na y Ba fue factible entre 50 y 70 °C, con eficiencias de captura de CO2 del 98% y 65%, respectivamente. Por el contrario, el proceso a base de Ca solo obtuvo una eficiencia del 0,5% debido a la baja solubilidad del Ca(OH)2 en agua, lo que resulta en una impracticabilidad técnica. Los costos estimados de captura de CO2 para los procesos de Na y Ba se evaluaron en 65 y 140 USD/t CO2, respectivamente. Además, se analizó el impacto económico de implementar la tecnología de carbonatación de captura de CO2 en una planta de cemento y el efecto del mercado y las condiciones gubernamentales en el flujo de caja general de la planta de cemento integrando los resultados técnicos y la evaluación económica en un modelo de dinámica del sistema. Este modelo fue desarrollado para evaluar el impacto económico general de la captura de CO2 en las ganancias de una planta de cemento de referencia bajo diferentes escenarios de mercado y una política económica de impuesto al CO2. Los resultados de la dinámica del sistema mostraron que los factores del mercado, como la demanda de carbonato, limitan el potencial de captura de CO2 de la tecnología de carbonatación indirecta. Además, se observó que la implementación de las tecnologías de carbonatación de NaOH y Ba(OH)2 reduce las ganancias de la planta de cemento en un 55% y un 5%, respectivamente, cuando las emisiones de CO2 se redujeron en un 65% en ambos escenarios. Además, la aplicación de un impuesto al CO2 de entre 20 y 80 USD/t CO2 emitido incentivará la implementación de tecnologías de captura de CO2, con el objetivo de reducir en un 24% sus emisiones a través de las plantas cementeras.