Teräskuonan mineraalinen karbonointi : Kokeellinen tutkimus ja teknistaloudellinen tarkastelu

Abstract

The objective of this thesis was to determine the experimental carbon dioxide sequestration capacity of steel slag under mild conditions and to evaluate the effect of critical process parameters on reaction kinetics. In addition, the study assessed the effect of carbonation on slag quality and cementitious properties and modeled the techno-economic feasibility of the process at an industrial scale.

In mineral carbonation, calcium-rich side streams from the steel industry react with carbon dioxide to form thermodynamically stable carbonates. Carbonation under controlled process conditions refines steel slag into a stable construction material that may be suitable as a supplementary cementitious material. Carbonation consumes free lime and portlandite from the slag, mitigating the risk of volumetric expansion that is critical for cement applications. As a technological carbon dioxide removal method, carbonation provides a foundation for credit revenues in voluntary carbon markets. However, due to high capital and energy costs, the commercial feasibility of an industrial process requires generating added value from the refined end-product as well.

In the experimental part of the work, carbonation of BOF slag was conducted in a batch reactor under mild conditions (30-50 °C) at atmospheric pressure by varying particle size, moisture content, and reaction time. Based on the results, carbon uptake was very rapid during the first 30 minutes of the process, after which the reaction slowed down significantly. The highest sequestration yield, 10.9 g CO2/100 g slag, was achieved with the second slag batch after 1 hour at a temperature of 30 °C using fine-grained BOF slag (d≤0.18 mm) at 25% moisture content (L/S=0.33). With the first slag batch, an uptake of 9.4% was reached in just 30 minutes at 15% moisture content and 50 °C. Mineralogical analyses confirmed that free calcium phases decreased by more than 95%, which eliminates the material’s risk of expansion and supports its utilization as a supplementary cementitious material.

Based on a techno-economic model incorporating neural network-based cost optimization, the optimized specific cost of the process is approximately 369 €/t CO2. The largest expense items are equipment capital expenditure and the operational costs of mechanical grinding and electricity consumption. Given the high unit cost, profitable operation requires, beyond carbon credit revenue from voluntary carbon markets, substantial added value from selling the processed end-product to the cement industry.

Tämän työn tavoitteena oli määrittää teräskuonan kokeellinen hiilidioksidin sidontakapasiteetti miedoissa olosuhteissa ja selvittää kriittisten prosessiparametrien vaikutus reaktiokinetiikkaan. Lisäksi työssä arvioitiin karbonoinnin vaikutusta kuonan laatuun ja sementtiteknisiin ominaisuuksiin sekä mallinnettiin prosessin teknistaloudellista kannattavuutta teollisessa mittakaavassa.

Mineraalisessa karbonoinnissa terästeollisuuden kalsiumpitoiset sivuvirrat reagoivat hiilidioksidin kanssa muodostaen termodynaamisesti pysyviä karbonaatteja. Karbonointi hallituissa prosessiolosuhteissa jalostaa teräskuonan vakaaksi rakennusmateriaaliksi, joka voi soveltua sementin seosaineeksi. Karbonointi kuluttaa kuonasta vapaata kalkkia ja portlandiittia vähentäen sementtikäytölle kriittistä tilavuuspaisuntariskiä. Teknologisena hiilenpoistomenetelmänä karbonointi luo pohjan vapaaehtoisten hiilimarkkinoiden krediittituloille, mutta korkeiden laite- ja energiakustannusten vuoksi teollisen prosessin kaupallinen kannattavuus edellyttää lisäarvon saamista myös jalostetusta lopputuotteesta.

Työn kokeellisessa osuudessa suoritettiin BOF-kuonan karbonointia panosreaktorissa miedoissa olosuhteissa (30–50 °C) normaalipaineessa vaihtelemalla hiukkaskokoa, kosteuspitoisuutta ja reaktioaikaa. Tulosten perusteella hiilensidonta oli erittäin nopeaa prosessin ensimmäisen 30 minuutin aikana, minkä jälkeen reaktio hidastui merkittävästi. Korkein sidontatulos, 10,9 g CO2/100 g kuonaa, saavutettiin toisella kuonaerällä 1 tunnin aikana 30 °C lämpötilassa hienojakoisella BOF-kuonalla (d≤0,18 mm) 25 %:n kosteudessa (L/S=0,33). Ensimmäisellä kuonaerällä 15 %:n kosteudessa ja 50 °C lämpötilassa jo 30 minuutin aikana saavutettiin 9,4 %:n sidonta. Mineralogisissa analyyseissä vahvistettiin vapaiden kalsiumfaasien vähentyneen jopa yli 95 %, mikä poistaa materiaalin paisuntariskin ja puoltaa sen hyödyntämistä sementin seosaineena.

Neuroverkkopohjaiseen kustannusoptimointimalliin perustuvan teknistaloudellisen mallinnuksen perusteella prosessin optimoitu ominaiskustannus on noin 369 €/t CO2. Suurimmat kuluerät muodostuvat laitteiston pääomakustannuksista sekä mekaanisen jauhatuksen ja sähköenergian käyttökustannuksista. Korkean yksikkökustannuksen vuoksi kannattava liiketoiminta edellyttää vapaaehtoisten hiilimarkkinoiden krediittitulojen lisäksi merkittävää lisäarvoa jalostetun lopputuotteen myynnistä sementtiteollisuudelle.