SiNoCO2 - Silicon production with no CO2 emissions

Prosjektnavnet SiNoCO2 forteller egentlig målet med prosjektet. Vi skal forske på metoder for å produsere silisiumlegeringet UTEN direkte CO2 utslipp fra smelteovnene som produserer silisium. Veldig enkelt sagt betyr dette at vi skal «lukke silisiumovnen». Vi vil da få en avgass fra ovnene som i hovedsak inneholder CO, som så videre kan utnyttes til energiproduksjon eller som råvare til kjemisk industri. De største utfordringene med å «lukke ovnen» er å finne ut hvordan vi skal kunne styre materialflyt, energifordeling og de kjemiske reaksjoner i selve ovnen. Vi må utvikle en «stakefri» prosess, alternativt en form for automatisk staking av ovnen, og i tillegg må vi operere ovnen uten å se inn på selve ovnsoverflaten. Vi vil også undersøke om det er mulig å operere en smelteovn med 100% silisiumutbytte. Med dette mener vi at alt silisium som finnes i de tilførte kvartsråvarene, tappes som silisium, og at vi ikke har noe utslipp av SiO gass fra ovnstoppen. Hva er det som forhindrer at en slik drift kan være mulig? Og kan vi modifisere ovnsdesignet på en måte som gjør dette mulig? SiNoCO2 prosjektet går over fem år og avsluttes i desember 2021. Elkem Technology er prosjekteier og prosjektleder. SINTEF Industri, NTNU og NORCE (tidligere Teknova) er forskningspartnere i prosjektet, og det vil bli utdannet en PhD kandidat og flere MSc kandidater. Elkem Silicon Products, er industripartner i prosjektet. SINTEF har studert hva som skjer med SiO gassen som forlater ovnen når det ikke er tilgjengelig oksygen for å forbrenne SiO til SiO2. Nåværende forsøksapparatur har vist seg å ikke være hensiktsmessig til dette. Forsøkene vil bli gjennomført når ny to-sone ovn er installert hos SINTEF. To-sone ovnen er imidlertid blitt forsinket flere ganger. Det var tidligere estimert at den vil være tilgjengelig for prosjektet mot slutten av 2020. Imidlertid, så er ovnen ytterligere forsinket, slik at vi ikke kan få kjørt tester i den i dette prosjektet. Utsettelsen av laboratorieforsøkene gjorde det mulig å gjennomføre en større målekampanje på en industriell smelteovn for ferrosilisium i Elkem i november 2018. Gass- og temperaturforholdene er forskjellig på en silisiumovn, så en tilsvarende måling ble gjort på silisiumovn i oktober 2019. Det ble målt temperatur og kjemisk sammensetning av gasser i reaksjonsmaterialene i øvre del av ovnen og i avgassystemet ut fra ovnskammeret. Måleresultatene gav nå kunnskap om hvordan avgassforholdene varierer i en smelteovn. De gav også nødvendig informasjon for å tilpasse prosessmodellene som er utviklet i prosjektet. En tredje målekampanje blir gjennomført i november 2020. Gassen i Elkems smelteovner er en blanding av SiO og CO. Gassen kondenserer på vei opp mot toppen og danner fast stoffer, kalt SiO kondensater. PhD kandidaten ved NTNU begynte sitt arbeid i juli 2017, og han har gjort forsøk i laboratorieskala for å se på dannelse av ulike SiO kondensater. De forskjellige kondensatene ble analysert med hensyn på både sammensetning og struktur. Dette er viktig for å forstå mekanismene som forhindrer synk av materialene i ovnen. PhD studenten avsluttet sitt arbeid i desember 2020 og disputerte i mars 2021. Det er også blitt gjennomført atomistisk modellering ved Sintef av de ulike kjemiske reaksjoner mellom de ulike gasskomponentene i ovnen. NORCE har utarbeidet en foreløpig modell for dannelse av kruster i ovnen (hardt lag i ovnen med SiO kondensat). Analyser av data fra målekampanjen som ble gjennomført på smelteovnen i november 2018, viste at det er nødvendig med en bedre forståelse av hva som skjer i den øvre del av «chargen» i ovnen, og at de ulike reaksjonene bør modelleres. Prosjektet har derfor prioritert at det bør utvikles en modell for denne delen av ovnen, og at den blir tilpasset målinger av temperatur og gasser i ovnen. Det er gjort målinger på sammensetningen av avgassen, spesielt med fokus på CO2 konsentrasjon, på flere at Elkems ovner. Dette er gjort for å verifisere modeller og derav potensialet for bruk av avgassen. Dette arbeidet har også pågått i 2020. Resultatet av dette arbeidet har blitt overført til et mulighetsstudie Elkem gjennomfører, med støtte fra Gassnova, for å se på mulige teknologier og tilhørende investerings- og driftskostnader for CO2 fangst på Elkems smelteverk. Prosjektet delfinansierte sammen med Gassnova, FME HighEFF og SFI Metal production et større pilotforsøk ved NTNU med resirkulering av avgass fra en silisium smelteovn i 2021. NORCE og Elkem har ferdigstilt en teknisk-økonomisk beregningsmodell for å studere ulike muligheter for å anvende avgassen fra smelteovnen. Vi benytter nå modellen til å evaluere ulike case for utnyttelse av avgassen.

Prosjektet konkluderte med at det ikke vil være mulig å lukke silisiumprosessen med dagens prosessteknologi og anbefalte at avgassen resirkuleres slik at CO2 konsentrasjonen økes i avgassen med påfølgende karbonfangst. Prosjektet målte avgass-sammensetning på alle Elkems smelteovner og dokumenterte nivåer og variasjoner i CO2. Elkem har tatt dette videre i et prosjekt, støttet av Gassnova CLIMIT, i 2020-21 med mulighetsstudie av karbonfangst og lagring på Elkems smelteverk. Dette prosjektet videreføres med pilottesting av karbonfangst på en av Elkems smelteovner. Målekampanjene for temperatur og gass-sammensetning som er gjennomført ved industrielle ovner har gitt helt ny kunnskap om hvordan temperaturforholdene er i øvre deler av silisium og ferrosilisiumovner. Prosjekt har bidratt i å etablere ny kunnskap som muliggjør at Elkem raskere kan implementere karbonfangst på sine smelteovner, noe som er viktig for Norges reduksjon i CO2 utslipp.

The SiNoCO2 project will develop a new concept for Si alloy production by "closing" the furnace hood, ensuring that no air comes into the process. This will enable direct use of CO from the process off gas, no oxidation of carbon raw materials at the furnace top, and more efficient energy recovery due to the reduced flow rate of off gas. Moreover, the SiNoCO2 project will also exploit the possibility of operating Si alloy furnaces at 100% Si yield, and evaluate alternative methods for production of Si alloys. The projects is divided into three work packages: - [H1] Fundamental study of how the present furnace technology can be closed by solving process obstacles in the production process and controlling the novel off gas conditions. - [H2] Fundamental study of how 100% Si yield can be achieved with the present production concept by application of engineered raw materials and minor process modifications. A PhD study will be part of this work. - [H3] Industrial verification of closed Si alloy furnace concept utilizing the CO gas, maximizing the overall energy and material efficiency and reducing the off gas emissions. The SiNoCO2 project is a collaborative project where Elkem AS, Technology is the project owner, and Elkem AS divisions Silicon Materials and Foundry Products are industry partners. The research-performing partners are NTNU - Department of Material Science and Engineering, Sintef Materials and Chemistry and Teknova. One PhD study and one or more MSc work will be conducted as part of the project. NTNU - Department of Material Science and Engineering will be responsible for completion of PhD studies.