Elektrifieringsalternativ av cementproduktion: Modellering av plasmavärmning och motståndsvärmning i försöksugn

Abstract

I det här projektet undersöks möjliga alternativ för elektrifiering av produktionsprocessen av cement. Cementindustrin är ett av Sveriges största punktutsläpp av koldioxid vilket gör det önskvärt att minska processens klimatavtryck för att uppnå Sveriges miljömål om nettonollutsläpp till 2045. I cementprocessen bildas koldioxid både vid uppvärmning med fossila bränslen och i kalcineringsreaktionen. Koldioxidutsläppen kan minska mycket om uppvärmningen i processen elektrifieras och två möjliga alternativ som undersöks i den här studien är plasmavärmning samt elektrisk motståndsvärmning. Syftet med detta arbete är att ställa upp mass- och energibalanser för processen samt undersöka hur värmeöverföringen förändras i processens kalcineringssteg när den nuvarande fossila bränsleflamman ersätts med plasmavärmning alternativt elektrisk motståndsvärmning. Modellering för den nuvarande processen och processalternativen har gjorts i Matlab för en försöksugn som finns på Cementas anläggning i Slite på Gotland. Beräkningar har först gjorts utifrån en blackboxmodell och därefter har värmeöveröverföringen inne i ugnen modellerats. Projektet består även av en litteraturstudie där bland annat information om dagens cementproduktionsprocess samt de alternativa värmekällorna har tagits fram. Resultatet visar att det är möjligt att ersätta den fossila bränsleflamman med både plasmavärmning samt elektrisk motståndsvärmning för kalcineringen i försöksugnen. Enligt både blackboxmodellen och beräkningarna för värmeöverföringen inne i ugnen är elektriskt motståndsvärmning det mest energieffektiva alternativet. Däremot finns det praktiska hinder för att implementera ett elektriskt motstånd. Det kan vara svårt att uppnå tillräckligt höga temperaturer som krävs för klinkersbildning, steget efter kalcineringen. Plasmavärmning kan utifrån denna aspekt ses som fördelaktig. I resultaten som har tagits fram finns en stor osäkerhet då många parametrar är okända och många antagande har gjorts, vilket gör det svårt att med säkerhet säga att det är möjligt att genomföra kalcineringssteget med de undersökta alternativen.