Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Combustion of sludge in Fortum’s plants with possible phosphorus recycling
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology, Heat and Power Technology.
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology, Heat and Power Technology.
2014 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

The management of waste is by all means a great challenge to any society. In Sweden, the past decades has seen legislation progressing in congruence with concerns over environmental stress from inefficient waste management. The legislative changes aim primarily to promote waste reduction and better waste utilization. Sludge is a waste-type from different industrial processes and is unfortunately of limited reuse and recycling-value, but sludge combustion for energy recovery appears promising. Also, the oftentimes high phosphorus content in sludge strengthens the potential of extracting phosphorus from combustion ashes.

The heat and power industry has shown great interest in sludge combustion. Fortum has a set of different sludge types to choose from as well as many different options available based on where and how the sludge can be incinerated. Yet there are many inherent problems, but also operational benefits, of combusting sludge. These factors combined make the venture multifaceted and therefore not straightforward. Based on this, this thesis is a preliminary study aiming to assess the possibility of combusting sludge in Fortum’s existing or future facilities, along with possible phosphorus recovery from the combustion ashes.

The study was based on applying either sludge mono- or co-combustion. The scenarios evaluated were; firing 70000 tonnes of digested sewage sludge, 50000 tonnes of fibrous sludge and 26400 tonnes of digestate which all are pertinent sludge amounts in this study. Co-combustion involved firing these together with the base fuels fired in Fortum’s grate furnace and fluidized bed boilers in Brista and Högdalen CHP plants. The mixing yielded new characteristics of the combustion input, such as a lower heating value, which were vetted against the boilers’ capability to handle these. Mono-combustion was compared economically with co-combustion to assess investment profitability. The phosphorus concentration in the ashes from the mixes was determined as well in order to assess the possibility for viable extraction. In addition, proper sludge pretreatment methods were examined.

The results showed that co-incineration of 70000 tonnes digested sewage sludge was possible in boiler P6 in Högdalen and B2 in Brista. These generated an economic gain with an internal rate of return of 96,3 % and 96,4 % respectively. It was possible to co-incinerate 50000 tonnes of fibrous sludge in boilers B1 and B2 in Brista as well as P6 although economic gains were only seen in B1, where the internal rate was 87,5 %. Co‑incinerating 26400 tonnes of digestate was possible in all boilers except P3 assuming that the similar boilers P1 and P2 in Högdalen can incinerate the sludge in tandem. The incineration of digestate yielded an economic gain for these boilers with an internal rate ranging from 25,7 % for P1 and P2 in tandem to 102,6 % for B1. Although mono-combustion is a practical solution it was found not to be an economically feasible alternative under prevailing economic conditions.

The results also indicated that NOx and SOx formation increased in the raw flue gaseswhen co‑firing sludge, as also was the case with flue gas volume flow and flue gas water vapor. Fossil CO2 emissionsdecreased for all waste fired boilers when co-combusting sludge. Digested sewage sludge and digestate increased combustion ash amounts in all cases, whereas fibrous sludge only did this in B1. All sludge types were found to be beneficial for reducing the risk of corrosion and agglomeration, but digested sewage sludge was remarkably more so than digestate and fibrous sludge. The phosphorus concentration in the co-combustion ashes was deemed insufficient for viable phosphorus extraction, but was promising when firing digested sewage sludge in B1. The concentration was sufficient in a mono-combustion application when firing digested sewage sludge and digestate. Overall environmental impacts are however dubious. There needs to be further investigation in order to properly assess these.

Abstract [sv]

Hanteringen av avfall är en stor utmaning i alla samhällen. I Sverige har lagstiftningen de senaste decennierna utvecklats i takt med ökad oro över miljöbelastningen från ineffektiv avfallshantering. I första hand syftar lagändringarna till att främja avfallsminimering och bättre avfallsutnyttjande. Slam är en typ av avfall från olika industriprocesser och har dessvärre begränsat värde för återanvändning och återvinning, men slamförbränning för energiutvinning verkar lovande. Även den i många fall höga fosforhalten i slam ger en potential att utvinna fosfor ur förbränningsaskorna.

Kraft- och värmeindustrin har visat stort intresse för slamförbränning. Fortum har olika slamtyper att tillgå och många olika alternativ gällande var och hur slammet ska förbrännas. Det finns också problem, men även förbränningstekniska fördelar, kopplat till slamförbränning. Tillsammans gör dessa faktorer satsningen mångfacetterad och därför inte helt självklar. Detta examensarbete är en förstudie som syftar till att bedöma möjligheten att förbränna slam i Fortums befintliga eller framtida anläggningar, tillsammans med eventuell återvinning av fosfor från förbränningsaskorna.

I studien undersöktes slamförbränning, antingen monoförbränning eller förbränning tillsammans med andra bränslen. Scenarierna som utvärderats innefattar förbränning av 70000 ton rötslam, 50000 ton fiberslam och 26400 ton rötrest vilka är relevanta mängder för denna studie. Samförbränning innebär att dessa blandas och eldas tillsammans med basbränslena i Fortums rosterpannor och fluidiserade bäddar i kraftvärmeverken i Brista och Högdalen. Slamblandningen ger upphov till nya egenskaper hos det inmatade bränslet, till exempel ett lägre värmevärde, vilka jämförs mot pannornas kapacitet att hantera dessa. Monoförbränning jämfördes med samförbränning för att bedöma dess ekonomiska konkurrenskraft. Fosforhalten i askan från blandningarna bestämdes även för att bedöma fosforutvinningspotentialen. Dessutom har lämpliga förbehandlingsmetoder för slam undersökts.

Resultaten visar att samförbränning av 70000 ton rötslam var möjlig i panna P6 i Högdalen och B2 i Brista. Dessa gav en ekonomisk vinst med en internränta på 96,3 % respektive 96,4 %. Det var möjligt att samförbränna 50000 ton fiberslam i panna B1 och B2 i Brista samt panna P6 även om ekonomiska vinster bara visades i B1, där internräntan blev 87,5 %. Samförbränning av 26400 ton rötrest var möjligt i alla pannor förutom P3 förutsatt att pannorna P1 och P2 i Högdalen kan förbränna slammet i tandem. Förbränning av rötrest gav en ekonomisk vinst i dessa pannor med internräntor mellan 25,7 % för P1 och P2 tillsammans och 102,6 % för B1. Även om monoförbränning kan vara en praktisk lösning är det inte ett ekonomiskt försvarbart alternativ under rådande ekonomiska förhållanden.

I studien gavs det även indikationer på att uppkomsten NOx och SOx i rågaserna ökade vid samförbränning med slam, samt att även rökgasvolymflöde och mängden vattenånga i rökgaserna ökade. Fossila CO2 utsläpp minskade för de avfallseldade pannorna vid samförbränning. Rötslam och rötrest gav en ökning av mängden aska i alla pannor, medan fiberslam endast ökade denna i B1. Alla slamtyper var fördelaktiga att förbränna för att minska risken för korrosion och agglomerering men rötslam var anmärkningsvärt bättre i det avseendet jämfört med rötrest och fiberslam. Fosforhalten i samförbränningsaskorna bedömdes vara för låg för lönsam fosforutvinning, men var lovande vid rötslamsförbränning i panna B1. Koncentrationen var tillräckligt hög vid monoförbränning av rötslam och rötrest. Det är dock oklart vad den totala miljöpåverkan blir vilket skulle behövas utredas vidare.

Place, publisher, year, edition, pages
2014.
Keyword [en]
Sludge combustion, phosphorus
National Category
Energy Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-146974OAI: oai:DiVA.org:kth-146974DiVA: diva2:726940
External cooperation
Fortum Värme
Subject / course
Energy Technology
Educational program
Master of Science in Engineering - Mechanical Engineering
Supervisors
Examiners
Available from: 2014-07-22 Created: 2014-06-19 Last updated: 2014-07-22Bibliographically approved

Open Access in DiVA

Master of science thesis - Marmsjö, Hoffman(2910 kB)775 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 2910 kBChecksum SHA-512
b22984b02b0e8751657e3be117eb37caecb6eecee880797793623bfcebcf36345b6c0e4f6c255fb567c177f9c8d279e0563c75e2e9ef60c03bad15c7f646194b
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Heat and Power Technology
Energy Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 775 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 309 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf