Proveldning av rötat avloppsslam uppblandat med stamvedsflis

Transkript

1 uppblandat med stamvedsflis Fältförsök i samarbete med Ragn-Sells och Uddevalla Energi AB Hösten 2012 Uddevalla Energi AB, Affärsutveckling & Projekt, Jenny Andersson Ragn-Sells Miljökonsult AB, Energi- och Processteknik, Johan Fahlström

2 Innehållsförteckning Innehåll Sammanfattning Inledning Syfte och mål Metod och avgränsningar Resultat fältförsök Bränsleblandning och lagerhållning Inmatning bränsleficka Förbränning Riskbedömning Askhantering Provtagningar Bränsle Luft och vatten Aska Fosforanrikning EasyMinings process för fosforåtervinning Slutsats

3 Sammanfattning Under 2012 genomförde Uddevalla Energi och Ragn-Sells ett gemensamt fältprojekt. I projektet undersöktes förutsättningarna för att förbränna stamvedsflis uppblandat med rötat reningsverksslam med efterföljande fosforåtervinning ur bottenaskan. Projektet pågick under sommaren med bränsleblandningar och under senhösten genomfördes förbränningsförsöket. Under våren 2013 kommer fosforn att återvinnas ur askan. Vissa svårigheter visade sig i fältförsöket. På grund av ohomogen blandning av slam och flis erhölls partiellt höga temperaturer i rosterpannan varför utsläpp till luft överskreds markant gränsvärden för NO x, vilket i kommersiell drift inte är möjligt utan någon form av NO x -reducering. Vid extern periodisk mätning uppmättes förhöjda dioxinhalter vilka kan misstänkas bero på fältförsöket. Utsläpp till vattenrecipient klarade riktvärden men med liten marginal för vissa av metallerna. Askanalyser visade höga halter av fosfor, både i bottenaska och flygaska vilket var en förutsättning och mål för fältförsöket. 1 Inledning I Sverige produceras årligen cirka 1 miljon ton reningsverksslam. Cirka 60 % av slammet används till sluttäckning av deponier. I takt med att allt fler deponier blir täckta, ökar andelen slam som måste avsättas på andra sätt. Opinionen mot slamspridning på jordbruksmark är i vissa delar av landet hård. En del reningsverk har av den anledningen valt att certifiera sitt slam inom REVAQ för att underlätta slamspridning. Som ett komplement till dagens slamhantering utreds möjligheten för slamförbränning i befintliga förbränningsanläggningar med efterföljande fosforutvinning ur askan. Fosfor är en ändlig resurs och genom att återföra fosforn till kretsloppet ur ett hållbarhetsperspektiv kan stora miljövinster erhållas. 1.1 Syfte och mål Syftet med fältprojektet är att undersöka förutsättningarna för att elda stamvedsflis uppblandat med rötat avloppsslam med efterföljande fosforutvinning ur bottenaskan. Målet är att i framtiden hitta en alternativ hantering till spridning av avloppsslam på åkermark och återvinna en ändlig resurs En stor utmaning i framtiden kommer ligga i att få bränsleblandningen klassad som ett biobränsle. 1.2 Metod och avgränsningar Fältprojektet har bedrivits i projektform med representanter från Ragn-Sells och Uddevalla Energi. Slam valdes att blandas med skogsflis som är ett känt bränsle för Uddevalla Energi. Därigenom kunde slutsatser dras varifrån uppkomna effekter hade sitt ursprung då rent skogsflis utgjorde referens. Förbränningen valdes att ske i en mindre rosterpanna för att mängden bränsle skulle bli hanterbar under en provblandning, hantering och förbränning. Provet genomfördes under cirka två dygn. 2 Resultat fältförsök 2.1 Bränsleblandning och lagerhållning Rötat avloppsslam från reningsverk fällt med aluminiumsulfat blandades med hjälp av en hjullastare och en allu-skopa i början av juli Slammet hade vid blandningstillfället en fukthalt på ca 75 % och stamvedsflisen en fukthalt på ca %. Förhoppningen var att bränsleblandningen genom naturlig kompostering skulle torka upp innan förbränningsförsöket. Det är tveksamt ifall så blev fallet, sommaren och hösten 2012 var onormalt regnig. Tyvärr kontrollerades inte temperaturen i 3

4 bränsleblandningen i den utsträckningen så att några slutsatser kan dras. Vid de tillfällen temperaturen mättes låg den kring C. På grund att driftstörningar i förbränningsanläggningen blev även lagringstiden förlängd. Den totala lagringstiden blev cirka 5 månader. Till förbränningsförsöket blandades cirka 60 ton rötat slam med 153 ton stamvedsflis vilket gav en totalvikt på 213 ton. Till en början topptäcktes blandningen med papp, samma material som skogindustrin använder för att skydda GROT från nederbörd i skogen, se bild 1 nedan. Bild 1 Lagring av bränsleblandning i stack På grund av den mycket fuktiga väderleken märktes att lagring i stack med papptäckning inte var gynnsamt. Det som förmodligen hände var att vattnet kondenserade ut och lokala zoner med högre fukthalt under pappen alstrades. Bilderna 2a och 2b illustrerar hur det såg ut under papptäckningen. Bild 2a Ånga tränger upp när täckningspappen lyfts upp. Bild 2b Illustration av fuktigare bränsle än täckningsmaterial. I ett försök att torka upp stacken bestämdes att hela blandningen skulle täckas på nytt med vattentät papp och att dräneringsrör i egenskap av skorstensverkan skulle sättas in för att avleda vattenångan och underlätta upptorkning. Se bild 3 nedan. I bilaga 1 finns en bränsleanalys. 4

5 Bild 3 Modifiering av täckning av stacken innebar att skorstenar, markerade med röda cirklar, monterades för avledning av vattenånga. Av den totala vikten på 213 ton som blandades återstod bara 148 ton. Det innebär att 65 ton brutits ned. Det vill säga cirka 30 vikt%. Det är inte osannolikt att viktförlusten är direkt kopplad till komposteringen. Komposteringsförsök med gödsel visar på en viktminskning av 50 vikt%. Slutsatsen är att vid ett nytt förbränningsförsök bör rötat reningsverkslam och stamvedsflis blandas precis innan leverans och utvärderas på nytt. 2.2 Inmatning bränsleficka För att minimera risk för lukt till omgivning beställdes bränsletransporter så sent som möjligt inför provstart. Resultatet som följde var inga luktproblem. Bränslemixen hade en låg egendoft. Vid leverans av bränsleblandningen tippade lastbilen bakåt direkt i, eller i omedelbar närhet till bränslefickan. Bild 4. Därefter hanterades bränslet med hjullastare för att packa in det i fickan. Det var hanteringsmässigt ok men inte optimalt då det blev slirigt och halt. Slutsats är att annat däckmönster behövs på hjullastare, anpassat för halare underlag än normalt, samt att hantering bör ske under tak för att förhindra att regnvatten ska göra bränslet mera halt. Bild 4 Leverans av bränslemix och tippning i bränsleficka. 5

6 2.3 Förbränning Vid inmatning sjönk förbränningstemperaturen markant. Dock var driftpersonalen beredd på detta och höjde kapaciteten på förbränningsluften till eldstaden. Bränslet hade en varierande fukthalt och energiinnehåll, vilket gjorde att manuell justering av luft fick ske. På grund av fukthalten erhölls inte maximal effekt, 8 MW, ur pannan, utan erhållen effekt låg mellan 6-7 MW. För att få ut mer effekt var inmatningen tvungen att öka till pannan. Den klarar inte av alltför tjock bädd, varför en lägre nivå blev resultatet. Bränslet innehöll även klumpar av slam vilket störde förbränningen till att gå aningen ojämnt, vilket dock var hanterbart. Bränslet måste i ett kommersiellt bruk säkras med en jämnare fukthalt och energiinnehåll samt blandas mer homogent Riskbedömning Under fältförsöket gjordes riskbedömning om hur bränslet ska hanteras ur arbetsmiljösynpunkt. Eftersom det är ett nytt bränsle för Uddevalla Energi bedömdes situationen till att utesluta risker för inandningsbesvär. Andningsskydd mot damm beordrades under all hantering av bränsle och aska samt i pannhus. Eftersom bränslet innehöll mycket järn och aluminium, som ofta fungerar som katalysator för bildande av dioxiner, diskuterades om rökgaskondenseringen skulle vara igång eller frånkopplad. Rökgaskondernseringen valdes att vara i drift för att ett bättre fullskaletest skulle kunna genomföras. Vid extern periodisk mätning på Uddevalla Energi strax efter fältförsöket erhölls förhöjda värden av dioxiner. De minneseffekter av dioxiner som dröjde sig kvar i anläggningsmaterialet i rökgaskondenseringen kan misstänkas härledas till fältförsöket då inga andra främmande bränslen hade används. 2.4 Askhantering Askan innehöll klumpar men förväntan inför testet var att de skulle vara större och hårdare, varför resultatet var positivt. Askklumparna innehöll oförbränt material. I stort kan askan delas in i tre fraktioner, Stora klumpar, Mindre klumpar och Pulver. Bilderna 5 a, b, c illustrerar de tre fraktionerna. Bild 5,a, b och c Askfraktioner 2.5 Provtagningar Bränsle Innan förbränning togs ett prov som analyserades av ackrediterat laboratorium. Notering gjordes att bränslet hade en fukthalt på 46% och att bränslet innehöll höga halter av fosfor, kväve, aluminium och järn Luft och vatten Under förbränning uppmättes höga NO x -utsläpp. Det var värden långt över gränsvärde och tillstånd. Enligt NFS 2002:28 ligger gränsvärdet på 300 mg/m 3 n tg och nivån låg runt 450 mg/m 3 n tg vid 6% 6

7 O 2. Slutsats är att rosterpannan inte är lämplig för en kommersiell eldning med bränslet och att rökgasrening krävs. Prov på vatten ut till recipient togs både före och under drift. Resultat från ackrediterat laboratorium finns i Bilaga Aska Efter att förbränning avtagit kontrollerades okulärt påslag i eldstaden. Vid kontrollen kunde det inte bedömas vara annorlunda mot andra bränslen. Askan har analyserats, resultaten finns i sin helhet i bilaga 2. Inför förbränningen beräknades det teoretiska fosforinnehållet i askan till 5 % i verkligheten blev fosforinnehållet 4,5 % i askan. I beräkningarna tog ingen hänsyn till ifall fosforn hamnar i bottenaskan eller i flygaskan. I bilaga 2 finns analysresultat för både flyg- och bottenaskan. 2.6 Fosforanrikning Aska från förbränningsförsöket ska användas för utvärdering av utvinning av fosfor. Bolaget EasyMining Sweden AB har en innovativ process för produktion av ammoniumfosfat. Teknologin kallas CleanMap. Med denna teknologi som bas har bolaget utvecklat processer för fosforutvinning ur nya råvaror, däribland aska från förbränt avloppsslam. I ett första skede siktas och krossas askan från proveldningen. Därefter analyseras askan och en optimering av processen till den aktuella askan sker i laboratorium hos EasyMining Sweden. Därefter ska utvinning ur en större mängd aska genomföras och utvärderas. Analyser och optimeringsarbetet har redan inletts, medan det större utvinningsförsöket är planerat att påbörjas i april Målet är att i slutet av våren 2013 kunna visa upp det utvunna ammoniumfosfatet och övriga produkter. Rapporten kommer att kompletteras med resultat från den storskaliga utvinningen EasyMinings process för fosforåtervinning CleanMAP teknologin innebär upplösning av askan med syra varefter flera kemtekniska steg appliceras. Processens delsteg är separation av olöst fraktion, utfällning av gips och utvinning av fosfor. Därefter sker en utvinning av upplöst järn och aluminium med hjälp av fällningskemikalier och slutligen separeras tungmetaller ut för vidare deponering. Figur 1 ger en schematisk bild av processen. Den utvalda extraktionen av fosfor möjliggör en produktion av kemisk ren och vattenlöslig ammoniumfosfat, oberoende av råvarans innehåll av tungmetaller. Processens ingående kemikalier som används blir del av slutprodukterna och minimerar restprodukterna, varför den klassas som resurseffektiv. 7

8 Figur 1. Processchema fosforutvinning. 3 Slutsats Vissa svårigheter visade sig i fältförsöket. På grund av ohomogen blandning av slam och flis erhölls partiellt höga temperaturer i rosterpannan under förbränningen trots den generellt låga förbränningstemperaturen. Den extra mängd luft som tillsattes förbränningen är troligtvis orsaken till höga halter av NO x -utsläpp till luft på grund av kväveinnehåll bundet i slamblandningen. Bränslet måste i ett kommersiellt bruk säkras med en jämnare fukthalt och energiinnehåll samt blandas mer homogent. I fältförsöket överskreds markant gränsvärden för NO x, vilket i kommersiell drift inte är möjligt utan någon form av NO x -reducering. Vid extern periodisk mätning uppmättes förhöjda dioxinhalter. Det finns en misstanke om att de höga metallhalterna i slamblandningen påverkat bildandet av dioxiner. På grund av bränslets låga energiinnehåll är det inte troligt att bränslet hade klarat att nå upp till pannans maxeffekt på 8 MW. Utsläpp till vattenrecipient klarade riktvärden men med liten marginal för vissa av metallerna. Askanalyser visade höga halter av fosfor, både i bottenaska som flygaska vilket är en förutsättning och mål för fältförsöket. Genom fältprojektet har bolagen fått erfarenhet av slamförbränning. Det som återstår i projektet är återvinningen av fosforn ur askan. Vid en eventuell fortsättning på projektet kommer vissa förändringar att ske ut ifrån de lärdomar och erfarenheter som bolagen skaffat sig. 8

9 Bilagor Bilaga 1 Bränsleanalys 9

10 10

11 Bilaga 2 Askanalys Bottenaska Datum Ragn -Sells elemental composition of ash (fuel mixture: 30% sewage sludge, 70% wood chips) Element Replicate 1 Replicate 2 Mean Al 0,89 % 0,98 % 0,93 % Mn 0,26 % 0,24 % 0,25 % Fe 8,54 % 7,98 % 8,26 % Cu 0,08 % 0,08 % 0,08 % Zn 0,13 % 0,13 % 0,13 % Na 0,42 % 0,44 % 0,43 % Mg 1,07 % 1,03 % 1,05 % P 4,82 % 4,67 % 4,75 % S 045 % 0,47 % 0,46 % K 1,18 % 1,25 % 1,21 % Ca 6,42 % 6,42 % 6,42 % 11

12 Flygaska 12

13 13

14 Bilaga 3 Resultat av utsläpp till vattenrecipient PROJEKT SLAM Utan slam 1 dygn med slam 2 dygn med slam Riktvärden ph 7,5 8 8,2 Ammonium (mg/l) 0,988 1,82 1,08 50 mg/l P-tot (mg/l) <0,010 0,015 0,014 As (µg/l) <0,5 1,43 0, (µg/l) Cd (µg/l) <0,05 0,251 <0,05 1 (µg/l) Co (µg/l) <0,2 0,747 0,266 Cr (µg/l) 3,78 6,45 1,44 20 (µg/l) Cu (µg/l) 4, ,77 20 (µg/l) Mo (µg/l) 0,858 1,03 0,535 Ni (µg/l) 1,25 3,11 2,3 20 (µg/l) Pb (µg/l) <0,5 1,92 0, (µg/l) Zn (µg/l) 4,35 26, (µg/l) V (µg/l) <0,2 <0,2 <0,2 Fe (mg/l) <0,01 0,0308 0,0118 Al (µg/l) 12,1 29,2 21,1 Tl (µg/l) <0,1 <0,1 <0,1 Hg (µg/l) 0,469 0,984 0,357 1 (µg/l) Noterbart är att kvicksilver ligger nära att överskrida riktvärde för anläggningens tillstånd samt att metaller, även tungmetaller, ökar ut till recipient. 14