Resirkulering av avgass i silisiumproduksjon

Medforfattere: Ragnhild Jensen (Elkem) og Ingeborg Solheim

Et ledd i tilrettelegging for karbonfangst

Produksjon av silisium innebærer utslipp av CO₂, i størrelsesorden 5 tonn CO₂ for hvert tonn silisium. Karbonfangst kan være en mulig løsning for å fjerne dette utslippet, men CO₂-konsentrasjonen i avgassen fra ovnene er ofte for lav for kostnadseffektiv CO₂ fangst. En mulig løsning for å redusere fangstkostnaden er å øke CO₂-konsentrasjonen ved å resirkulere avgassen. Dette har silisiumsprodusenten Elkem testet i et pilotprosjekt sammen med NTNU og SINTEF.

Ambisjoner om karbonnøytral produksjon

Produksjon av silisium er en viktig industri for Norge. Silisium brukes i elektronikk, solceller, silikon og som legeringselement i støperilegeringer. Produksjon av silisium skjer gjennom karbotermisk reduksjon av kvarts og innebærer er relativt stort utslipp av CO₂.

Elkem jobber for å oppnå karbonnøytral metallproduksjon og er i gang med flere initiativ for å redusere det klimamessige fotavtrykket. Energigjenvinning, økt bruk av biokarbon-materialer og forbedret materialutbytte inngår i dette arbeidet.

I tillegg til disse tiltakene er det nødvendig å finne løsninger knyttet til fangst av CO₂ fra smelteovnene. Elkem har gjennomført en innledende karbonfangststudie støttet av CLIMIT-programmet. Det er studert to ulike fangstteknologier, i samarbeid med henholdsvis Aker Carbon Capture og Saipem, og hvor Norsk Energi har bidratt til å vurdere optimale løsninger for energitilførsel og -gjenvinning. En av utfordringene ved karbonfangst fra smelteovner er at CO₂-konsentrasjon i avgassen er lav, typisk et par prosent, noe som gjør etablering av et integrert karbonfangstanlegg mer kostbart og teknisk utfordrende.

Som et mulig tiltak for å øke CO₂ konsentrasjon i avgassen undersøker Elkem –sammen med fagmiljøet ved NTNU og SINTEF –resirkulering av avgass som en mulig prosessforbedring . Ved å erstatte deler av friskluften som normalt tilføres ovn med resirkulert avgass, renset for støv og kjølt ned, vil man øke CO₂ konsentrasjonen i avgassen. Dette er en kjent teknologi for NOx reduksjon i forbrenningsanlegg, men metoden har ikke vært testet i praksis for silisiumsmelteovner.

Pilotforsøket

For å kartlegge effektene på ovnsprosessen av en slik resirkulering ble det gjennomført et Pilot-skala forsøk med resirkulering av avgass ved NTNU og SINTEFs pilotlaboratorier på Gløshaugen i Trondheim. Her ble det bygd opp et unikt resirkuleringsanlegg rundt en eksisterende 160 kW en-fase smelteovn. For å få mest mulig informasjon om effekten av resirkuleringsforsøket ble ovnen satt opp med en rekke instrumenter og analyseutstyr, for blant annet å hente ut kunnskap knyttet påvirkning på andre produkter og utslipp fra ovnen.

Pilotforsøket lot seg gjennomføre gjennom et bredt og meget godt samarbeid mellom Elkem prosjektene Elkem CCS, Elkem Sinoco2, samt FME HighEff, og SFI metal Production. Gjennom en 80 timer lang forsøkskjøring ble forskjellige resirkuleringsgrader testet og kartlagt. Elkem stilte med dyktige driftsoperatører fra Elkem Thamshavn samt råmaterialer, og SINTEF og NTNU med styring av ovn og måling av avgasser. Ved økende andel resirkulering ble det oppnådd CO₂-konsentrasjoner over 20 %. Det ble også observert en lavere NOx produksjon ved økende andel resirkulering.

Mye dataanalyse gjenstår for å tolke resultatene, men forsøkene viser at resirkulering er et tiltak med stort potensiale for å redusere NOx-utslipp og gjøre CO₂-fangst lettere for Si-prosessen. Den unike infrastrukturen som er bygget opp i Trondheim vil være verdifull også for kommende forsøk og prosjekter som har til hensikt å bidra til bærekraftig metallproduksjon i Norge og globalt.

Dette blogginnlegget er tidligere publisert på #SINTEFblogg: Resirkulering av avgass i silisiumproduksjon

Vegar Andersen

Vegar Andersen er stipendiat ved Institutt for materialteknologi ved NTNU