CNMP - Carbon Neutral Metal Production

In production of silicon- and metal alloys, fossil carbon (coal coke) is predominantly used as the reductant. The carbon is converted to the greenhouse gas CO2 in the process. A well-documented method of reducing the global emissions of greenhouse gases, and reducing the climate impact from metal production, is to replace fossil carbon with carbon from biomass, labelled carbon neutral reductants. Elkem has strong ambitions to reduce its carbon footprint. This will be done by increasing the share of carbon neutral reductants and by increasing energy efficiency at the plants. Increasing the share of biomass is demanding, both technically and economically, and the transition must be taken in several steps. The concept carbon neutral metal production that is developed in this project, combines charcoal production (pyrolysis) with the production of silicon alloys, while chemical and thermal energy from all process steps are recovered. By utilizing all valuable bi-products in the integrated process, usage of biomass become economically favourable. The long-term ambition, to use only biomass as reductants in the process, allow for recovery of electrical energy corresponding to the consumption of the silicon furnace. Meanwhile, the global greenhouse gas emissions are reduced by almost 100%. The project has been a partnership between Elkem, SINTEF Energy and Teknova, with strong funding from the Norwegian Research Council. The concept is principally proven with thermodynamic and financial models together with a developed process design basis (PDB) for the integrated process. The main focus so far has been choice of, development of and optimization of pyrolysis integrated with existing furnace technology. The results are promising with charcoal quality and energy balance better than expected for concept generation 1. But it is still need for extensive engineering, research and optimization, before we can start construction of an industrial pilot. Technology choice and development of pyrolysis with better utilization of by products and development of furnace technology will be in focus on already defined spin-off projects.

Karbonnøytral metallproduksjon kombinerer trekullproduksjon (pyrolyse) med produksjon av Si og FeSi legeringer (i smelteovner), energigjenvinning fra begge prosesstrinn og uttak av verdifulle sidestrømsprodukter fra trekullproduksjonen. Ved karbonnøytral metallproduksjon gjenvinnes energien både i avgassene fra pyrolysen og fra ovnen. Ved bruk av 100% trekull i produksjonsprosessen, er det mulig å gjenvinne like mye elektrisk energi fra totalsystemet som smelteovnen benytter for silisiumproduksjonen. I tillegg vil økt bruk av biokarbon på bekostning av fossile reduksjonsmidler redusere CO2 utslippene opp mot 95%. Per i dag er konseptet på idestadiet, og det er behov for omfattende FoU innsats fram til industrialisering. Gjennom prosjektet vil det bli utviklet pålitelige og detaljerte modeller både for det overordnede prosessdesignet og alle enhetsoperasjonene som inngår. Gode modeller for å optimalisere pyrolyseprosessen er kritisk, og vil bli utviklet gjennom litteraturstudier, analyse av reaksjons og transportmekanismer og gjennom eksperimentell verifikasjon. Modellene vil anvendes for termodynamisk og økonomisk optimalisering av prosessen. Dagens ovnsmodeller vil bli videreutviklet og verifisert for høy trekullandel og økt energigjenvinning. Resultatene skal lede frem til prosessdesign og kostestimater både for storskala pilotering og for industriell utrulling. I tillegg vil det bli gjennomført analyser av konseptets bærekraft og samfunnsnytte, for å sikre at konseptet har sin plass i framtidens lavutslippssamfunn. Avslutningsvis i prosjektet vil det bli utarbeidet beslutningsunderlag for videreføring, inklusive detaljerte planer for realisering av konseptet i et fullskala industrielt anlegg.