SKOGSINDUSTRIELLA PROGRAMMET 1252. Teknisk förstudie. Biokol från bioslam. Fredrik Öhman och Kajsa Fougner

SKOGSINDUSTRIELLA PROGRAMMET 1252 Teknisk förstudie Biokol från bioslam Fredrik Öhman och Kajsa Fougner

Teknisk förstudie Biokol från bioslam Conceptual Study Bio-coal from biological sludge Fredrik Öhman och Kajsa Fougner Projektnummer S12-247 VÄRMEFORSK Serviceaktiebolag 101 53 STOCKHOLM Tel 08-677 25 80 September 2014 ISSN 1653-1248

Förord Föreliggande arbete har utförts av ÅF Industry. Medverkande: Fredrik Öhman Ragnar Stare Kajsa Fougner Anna von Schenck (uppdragsledare) Referensgruppen har bestått av följande personer: Anna-Karin Magnusson, BillerudKorsnäs, Skärblacka bruk Camilla Rydstrand, Holmen Paper, Hallsta bruk Nils Gilenstam, SCA, Obbola bruk. v

Abstract I föreliggande studie utvärderas potentialen i att med HTC-processen, hydrothermal carbonization, omvandla skogsindustriellt slam till ett energirikt kolpulver. Studiens slutsats är att HTC-processen har tekniska och ekonomiska förutsättningar för denna tillämpning och att HTC-tekniken är på väg att nå teknisk mognad. I studien beskrivs ett upplägg av vidare forsknings/utvecklingsarbete inkl pilotförsök samt en tidplan till en demonstrationsanläggning. vi

Sammanfattning Massa- och pappersindustrins avloppsvattenrening genererar stora mängder slam varje år. Slammet eldas ofta i brukens egna pannor. Slammet är svåravvattnat och innehåller därför i allmänhet så mycket vatten att det vid eldningen snarare är en belastning än ett bidrag till värmeproduktionen. I föreliggande arbete undersöks möjligheterna att med HTC (hydrothermal carbonization) vidareförädla slammet till ett användbart kolpulver. Uppdraget omfattar också att identifiera och rangordna tillgängliga HTC-leverantörer, framtagande av en konceptuell projektering av en tänkt anläggning integrerat vid ett massabruk inkluderande teknisk och grov ekonomisk utvärdering. Slutsatser från arbetet kan sammanfattas som: HTC-processen bedöms vara en intressant process för behandling av slam från massaindustrin som har tekniska och ekonomiska förutsättningar för industriell tillämpning. HTC-processen håller på att nå teknisk mognad och den första industriella anläggningen finns i drift. Processen bygger på välbeprövad utrustning och har principiellt verifierats i liknande applikationer. Skillnaden mellan leverantörer är dels batch kontra kontinuerliga processer och dels reaktorn och värmeåtervinningssystemets utformning. Leverantörerna bedöms vara i stort likvärdiga. Dock har AVA CO2 hunnit längst i uppskalningen och anses därför vara förstahandsval. En konceptuell projektering inklusive grova integrationseffekter har tagits fram för fallet 10 t TS/d bioslam respektive 20 t bio (50%-w)/fiberslam (50%-w). Tänkbara applikationer för biokol från massaindustrins slam är främst intern förbränning. Extern försäljning som bränsle eller jordförbättring är tänkbar, men volymerna är förhållandevis små. Mer värdefulla produkter är antagligen svårare att nå p.g.a. den höga askhalten. En grov ekonomisk bedömning har gjorts av två fall: o I fallet med en trång barkpanna som framtvingar oljeanvändning som marginalbränsle ger HTC-processen intäkter på ca 5.4 MSEK/år för bioslam och 3.6 MSEK/år för fiberslam. Återbetalningstiden blir 5 år för bioslam medan fiberslam är mindre intressant ekonomiskt (13 års återbetalningstid). o I fallet där bruket har en extern behandlingskostnad på 400 SEK/ton blött slam och säljer eller använder HTC-kolet internt fås intäkter på 9.6-13.4 MSEK/år för bioslam beroende på om biobränslepris eller oljepris erhålls. Motsvarande intäkt för bio/fiberslam är 13-21 MSEK. Detta ger attraktiva återbetalningstider motsvarande 2-4 år beroende på fall. En ansökan gällande fortsättningsförslag på demonstration av HTC-tekniken för massaindustrins slam samt en fördjupad integrationsstudie har lämnats in till Energimyndigheten/Värmeforsk inom ramen för Sebra-programmet. Att bygga en demonstrationsanläggning i Sverige bör kunna göras inom ramen på tre år förutsatt att inga oförutsedda tekniska hinder påträffas under vägen. vii

Executive Summary Introduction and background The pulp and paper industry generates significant amounts of sludge from the water treatment system every year (about 560 000 t/y as dry substance). The sludge is often incinerated on-site and has a significant energy potential corresponding to 2 TWh/y of which about half is currently used in mill boilers. The present handling of mainly bio sludge, but also other sludge types, is a field where existing technical solutions are not optimal. In most cases bio sludge is dewatered and incinerated either as it is or mixed with other sludge types. Bio sludge is difficult to dewater to higher dry solids contents than 20-30% and thus gives only a marginal or even a deficit of energy when it is combusted together with other types of fuel. The low dry solids content gives a lower flame temperature, high flue gas flows and sometimes demands for support fuel for the combustion. Some mills can t burn their sludge on-site and instead pays for external treatment of the sludge. One alternative option for treatment of sludge is hydrothermal carbonization (HTC). In this process the sludge is treated at high temperature (>200 C) and pressure (>20 bar) to obtain a biocoal slurry which can be effectively dewatered to a useful product. This technology was tested in pilot scale in several plants in Germany and since 2012 the first industrial size HTC-plant is operating in Relzow, Germany. Aims of the project This project includes a mapping of possible technical solutions to produce biocoal from pulp and paper sludge streams based on HTC-technology and an evaluation of these to conclude which alternative that is recommended for further evaluation at a pulp mill. The project contains: Identification and ranking of available HTC-suppliers. A conceptual design of a HTC-plant integrated with a pulp and paper mill. Technical and rough economic evaluation of the HTC plant. The project should be seen as a first step towards demonstration of biocoal from pulp and paper industry sludge. Hydrothermal carbonization (HTC) General Hydrothermal carbonization is a process where biomass (i.e. different types of sludge) is treated in water at high temperature (200-370 C), high pressure (>20 bar) and varying residence time (2-12 h) to form a coal-like product, biocoal. In addition to the coal product, some of the biomass is dissolved in the water stream (about 15% of incoming ix

organic substance) or forms gaseous products (mainly CO2, 5% of incoming organic substance). One attractive aspect of the HTC process is its energy efficiency. For application as a fuel more than 70% of the ingoing energy content in the biomass can be transformed to useful products (electricity, heat). This can be compared to e.g. production of biogas where the corresponding efficiency is about 46%. HTC product The biocoal can be roughly compared to torrefied biomass; it has higher heating value than the starting material, is hydrophobic, has good dewatering properties and can be mechanically dewatered up to 50-70 % DS. One important different to torrefied material is that easily dissoluble inorganics, e.g. Na, Cl, K, is dissolved and removed with the water phase. The biocoal can be used as fuel, as soil improvement (N and P in the starting material is enriched in the biocoal) or for other more advanced products (active carbon, designed carbon structures etc.). HTC technology The HTC process is similar to existing hydrothermal processes to improve dewatering properties of sludge. However, the conditions are generally milder (175 C instead of >200 C). These processes are often used to condition sludge before anaerobic digestion. The so called Porteous process for sludge treatment has been installed in a number of locations for process conditions very similar to HTC. Most of these plants were closed due to smell and corrosion problems (1960-). There are also similarities to super- and subcritical water oxidation for destruction of COD in sludge and handling of toxic materials. There is significant operational experience in pilot/smaller demonstration scale and at least one industrial plant is operating today (supplier: AVA CO2). None of the process steps demands advanced technical solutions and all technology used is industrially proven for other applications. A summary of available suppliers/development companies is given in Table 1. There are many similarities between the technical solutions. Differences between the suppliers are mainly in reactor design and heat recovery systems and if the process is designed for batch or continuous production. Which technology that will be most successful is not given. AVA CO2 is the only supplier marketing a batch process and has reached furthest in the upscaling with an operating industrial demonstration plant. Pilot trials using pulp mill sludge can probably be made by all of the suppliers. However, the AVA CO2-process is recommended as a first hand choice for upscaling due to the simplicity of their process and that it is proved in industrial scale. x

Tabell 1. Sammanställning av HTC-leverantörer och storlek på existerande anläggningar. Table 1. Compilation of HTC suppliers and size of existing plants. Type of Plants process (batch/ continuous) AVA-CO2 Batch Pilot/small demo plant: Karlsruhe (Germany) Capacity about 8000 t biomass/y Industrial demo: Relzow (Germany) CarbonSolutions Continuous Capacity about 40-50 000 t biomass/y Pilot plant: Berlin (Germany) Capacity about 10 000 t dry biomass/y SunCoal Continuous Pilot plant Ludwigsfelde (Germany) Capacity 200 kg biomass/h Ingelia Continuous Pilot plant Valencia (Spain) Capacity about 1100 t biomass/y. Integration of a HTC process for sludge treatment with the pulp mill Model sludge Two model sludges were defined for the evaluation, see Table 2. The first is a bio sludge produced at a rate of 10 t DS/day while the second is a 50/50-mix (by weight) of bio sludge and fiber sludge (20 t DS/day). The composition and properties of the sludges are based on an earlier Värmeforsk study by Gyllenhammar et al. (7). xi

Tabell 2. Sammansättning på modellslam använda i projektet. Table 2. Composition of model sludge used in the study. Bio sludge Bio/fiber sludge Data Sludge ton DS/d 10 20 Dry solids content % w 17 30 Heating value GJ/t DS 15.1 16.5 Ash content % w 28 20 Composition, dry ash free basis C % w 53 51.8 H % w 7.0 6.8 O % w 33.8 38.1 N % w 4.4 2.7 S % w 1.8 1.0 Cl % w 0.1 0.1 Description of HTC plant Conceptual designs of HTC plants for the treatment of both model sludges based on AVA CO2 process technology were suggested. The case 10 ton DS/d biosludge (2.2 m 3 /h at 17% DS) is used to exemplify the calculations. A rough mass and energy balance is given in Figure 1. Total: 0.02 t/h Organic: 0.02 t/h Heat integration/ recovery Flash steam Total: 2.5 t/h Organic: 0.3 t/h Ash: 0.12 t/h T 50 C Pre heating Total: 2.5 t/h Organic: 0.3 t/h Ash: 0.12 t/h T 95 C Reaction vessel(s) 220 C "Blow tank" Total: 2.4 t/h Organic: 0.28 t/h Ash: 0.12 t/h T 70 C 24 kw electricity 0.35 MW steam Filter press Total: 1.8 t/h Organic: 0.04 t/h Ash: 0.01 t/h T 70 C Bio coal: Total: 0.6 t/h Organic: 0.24 t/h Ash: 0.11 t/h T 70 C Figur 1. Figure 1. Översiktlig mass- och energibalans (10 ton TS/d bioslam, 2.2 m 3 /h vid 17% TS) Rough mass and energy balance (10 ton DS/d bio sludge, 2.2 m 3 /h at 17% DS) xii

Pre-heating is made in a tank with a volume of 9 m 3. The pre-heated sludge is pumped into one of two batch reaction vessels also with a volume of 9 m 3. The sludge is heated and kept at 220 C for a residence time of in total 8 h. After reaction the sludge is transferred to a blow tank where steam is produced and recovered for use in the next cycle. If necessary, the slurry is cooled before filtration on a chamber filter press where the product is obtained as a solid cake (0.35 t DS/h, 60% DS). The total footprint is estimated to maximum 10x20 m 2. About 80% of the organic material is found in the bio coal product. The remainder is distributed between the liquid (15%) and the gas stream (5%). Part of the inorganic material in the sludge is dissolved to the water stream (mainly Na, K, Cl and part of S). The plant needs steam at high pressure, directly from other boilers in the mill, or of lower pressure that is recompressed in a T/MVR or a dedicated small steam boiler. A small amount of e.g. sulfuric acid is needed for ph adjustment as well as an alkali source for ph adjustment of the filtrate going back to aerobic treatment is needed. Integration with weak gas system for the off-gas as well as access to cooling water is needed. Integration of HTC plant with pulp mill and economic assessment The conditions at each mill is more or less unique and have to be studied on a case by case basis to be able to determine if the HTC process would be interesting or not. However, two potentially interesting cases are discussed here for integration with theoretical reference mills: 1. The mill is incinerating sludge in the bark boiler. The bark boiler is capacity limited on the flue gas side which limits steam production capacity. This has to be compensated by firing oil, either in the bark boiler or the recovery boiler. By treatment of sludge with the HTC process a fuel with higher DS is achieved which unloads the bark boiler for additional biomass use. 2. The mill has no internal treatment options for the sludge and has to pay for external treatment to a cost of 400 SEK/ton (wet) sludge. The results are summarized in Table 3. xiii

Tabell 3. Kostnader och intäkter för HTC-anläggning integrerad med referensbruk. Table 3. Costs and income for a HTC plant integrated with reference mill. Case 1: Deloading bark boiler. Case 2: External sludge treatment Bio Bio/fiber Bio Bio/fiber Process data ton 10 20 Sludge DS/d 10 20 Dry solids content % 17 30 17 30 Heating value (HHV) GJ/t DS 15.1 16.5 15.1 16.5 Energy in the carbon product % 90 90 90 90 Operating days 355 355 355 355 Produced HTC coal GWh/y 13.4 29.3 13.4 29.3 Additional capacity in bark boiler GWh/y 20.2 17.3 Purchased additional bark GWh/y 15.5 15.9 TOC from HTC t/y 135 289 135 289 Income and costs Marginal fuel oil MSEK/y 9.1 7.8 6.0 13.2 Marginal fuel, bio fuel MSEK/y 2.6 2.7 2.3 5.0 External sludge treatment 8.4 9.5 costs MSEK/y Cost for TOC handling MSEK/y 0.3 0.7 0.3 0.7 Steam costs MSEK/y 0.7 0.8 0.7 0.8 Sum income costs Marginal fuel oil MSEK/y 5.4 3.6 13.4 21.2 Marginal fuel biofuel MSEK/y 9.6 13.0 Further assumptions are: 1. Two types of marginal fuel assumed (same price levels for external sales), oil to a price of 450 SEK/MWh and biomass (bark) to a price of 170 SEK/MWh. 2. 10% of the organic content is dissolved in the liquor phase and gives an additional amount of TOC that is recirculated and treated in the water treatment to a cost of 2440 SEK/ton TOC. 3. The cost for high pressure steam is 250 SEK/MWh. Economic assessment Investment Two investments for HTC processes are published by suppliers, see Table 4. These correlates well with each other. ÅF has made an own estimate of investment costs for installation of a HTC plant for treatment of bio sludge (somewhat simplified process), see Table 4. This is also well in line with the supplier figures. ÅF s estimate is used in the study. xiv

Tabell 4. Publicerade kostnader för installation av HTC-anläggning samt grov bedömning av ÅF. Table 4. Published costs for installation of a HTC plant and ÅF rough estimate. Source Bio sludge Bio/fiber sludge (MSEK) (MSEK) SunCoal 27 52 Ava CO2 23 46 Average 25.5 49 ÅF estimate 27.6 49.0 Straight payback times Estimated straight payback times for the different cases are shown in Table 5. The most interesting case is when the mill has costs for external treatment of sludge which gives income both due to avoided sludge treatment costs and sales/internal use of the HTCcoal as a fuel. This gives pay-back times between 2-4 y depending on the marginal fuel. The first case gives reasonable payback times only when bio sludge is treated and the marginal fuel is oil (payback time 5 y). Tabell 5. Raka återbetalningstider. Table 5. Straight payback times. Case 1: Deloading capacity limited bark boiler Case 2: External treatment of sludge Bio sludge Bio/fibersludge Bio sludge Bio/fiber sludge Investment MSEK 27.6 49 27.6 49 Sum income costs Marginal fuel oil MSEK/a 5.4 3.6 13.4 21.2 Marginal fuel bio fuel MSEK/a 9.6 13.0 Straight payback time Marginal fuel oil a 5.1 13.3 2.1 2.3 Marginal fuel biofuel a 2.9 3.8 xv

Conclusions The conclusions from the work can be summarized as: The HTC process is found to be an interesting option to treat sludge from the pulp and paper industry that has technical and economical potential to reach industrial application. The HTC process technology is reaching technical maturity and the first industrial plant is in operation. The process is built on well-tested equipment and its principles have been tested in similar applications. The difference between suppliers is mainly batch vs. continuous processes and the reactor and heat recovery system design. The suppliers are found to be more or less equal, but AVA CO2 is ahead in the upscaling and is therefore selected as the first hand choice. A conceptual design including rough integration effects was constructed for 10 t DS/d biosludge and 20 t TS/d bio (50%-w)/fiber-sludge (50%-w). The primary application for biocoal from pulp and paper industry sludge is probably internal use as a fuel. External sales as fuel or soil improvement can be an option, but the volumes are comparatively small. More valuable products are probably difficult to reach due to the high ash content. A rough economic evaluation was made for two different cases: o For a mill with a capacity-limited bark boiler with oil as marginal fuel, integration of a HTC process gives an income of about 5.4 MSEK/y for bio sludge and 3.6 MSEK/y for fiber sludge. The payback time was calculated to 5 years for the biosludge. o For a mill with external treatment costs of 400 SEK/ton (wet) sludge that uses the biocoal internally or for external sales, the income is 9.6-13.4 MSEK for treatment of biosludge depending if biomass or oil price is used. The corresponding income for bio/fiber sludge is 13-21 MSEK. This gives attractive pay back times between 2-4 y depending on case. An application for further grants to continue this work was sent in to Energimyndigheten/Värmeforsk within the frame of the Sebra program. To build a demonstration plant in Sweden should be possible within three years, if no unexpected technical obstacles are encountered during upscaling. xvi

Innehållsförteckning 1 INLEDNING... 1 1.1 BAKGRUND... 1 1.2 BESKRIVNING AV FORSKNINGSOMRÅDET... 1 1.3 FORSKNINGSUPPGIFTEN OCH DESS ROLL INOM FORSKNINGSOMRÅDET... 2 1.4 MÅL OCH MÅLGRUPP... 2 2 MODELLFABRIKER OCH MODELLSLAM... 3 2.1 MODELLFABRIK KRAFTLINER... 3 2.2 MODELLFABRIK MAGAZINE... 3 2.3 MODELLSLAM... 3 3 DAGENS HANTERING AV BIOSLAM... 4 3.1 MEKANISK AVVATTNING AV SLAM FÖLJT AV FÖRBRÄNNING I BIOPANNA... 4 3.2 TORKNING AV BIOSLAM FÖLJT AV ELDNING I BIOPANNA... 4 3.3 INBLANDNING AV BIOSLAM I SVARTLUT FÖLJT AV INDUNSTNING OCH FÖRBRÄNNING I SODAPANNA... 4 3.4 EXTERN MOTTAGARE AV SLAM FÖR JORDFÖRBÄTTRING... 5 4 HTC-TEKNOLOGIN... 6 4.1 ALLMÄN BESKRIVNING... 6 4.2 ALTERNATIVA HTC-PROCESSER... 9 4.3 JÄMFÖRELSE ALTERNATIVA HTC-PROCESSER... 16 4.4 BESKRIVNING AV PRODUKTEN BIOKOL OCH ANVÄNDNINGSOMRÅDEN... 17 5 ANVÄNDNING AV BIOKOL FRÅN MASSABRUKETS SLAM... 20 5.1 ANVÄNDNING AV BIOKOL INTERNT PÅ MASSABRUKET... 20 5.2 BIOKOL FRÅN MASSABRUKETS SLAM SOM EN EXTERN PRODUKT... 21 6 ANLÄGGNINGSBESKRIVNING... 22 6.1 ÖVERSIKTLIG MASS- OCH ENERGIBALANS FÖR BIOSLAM... 22 6.2 ÖVERSIKTLIG MASS- OCH ENERGIBALANS FÖR BIO/FIBERSLAM... 23 6.3 UTRUSTNINGSBEHOV... 23 6.4 BEHOV AV ANDRA KEMIKALIER SAMT UTILITIES... 24 7 INTEGRERING AV EN HTC-PROCESS VID ETT MASSABRUK... 25 7.1 BESKRIVNING AV MODELLBRUK KRAFTLINER... 25 7.2 BESKRIVNING AV MODELLBRUK MAGAZINE... 26 7.3 INTEGRERING AV HTCPROCESS... 27 7.4 FÖRBRÄNNING AV SLAM I BARKPANNA... 28 7.5 EKONOMISK BEDÖMNING AV INTERN ANVÄNDNING AV BIOKOL... 29 8 EKONOMISK UTVÄRDERING... 31 8.1 INVESTERING... 31 8.2 INTÄKTER OCH RÖRLIGA KOSTNADER... 31 8.3 BERÄKNING AV RAKA ÅTERBETALNINGSTIDER... 33 9 UTVECKLING AV INDUSTRIELL TEKNIK FÖR HTC-BEHANDLING AV SKOGSINDUSTRINS SLAM... 34 9.1 FORTSATT FORSKNINGS/UTVECKLINGSARBETE... 34 9.2 TIDSPLAN FÖR BYGGANDE AV DEMONSTRATIONSANLÄGGNING I SVERIGE... 35 10 SLUTSATSER... 37 11 LITTERATURREFERENSER... 38 xvii

xviii

1 Inledning 1.1 Bakgrund Pappers- och massaindustrin i Sverige producerar varje år stora mängder slam (ca 560 000 ton/år räknat som torrsubstans). Energipotentialen i detta motsvarar ca 2 TWh/år varav ungefär hälften utnyttjas i brukens egna pannor (7). Hanteringen av främst bioslam, men även andra slamtyper, är ett område där dagens tekniska lösningar inte är optimala. I de flesta fall avvattnas bioslam och förbränns sedan antingen blandat med andra typer av slam eller som det är. Bioslam är svårt att avvattna högre än till en torrhalt på 20-30% och ger därmed endast ett marginellt bidrag eller till och med ett underskott av energi när det förbränns tillsammans med andra bränslen. Detta leder till höga rökgasflöden och ibland krav på stödbränsle för att genomföra förbränningen. Vissa bruk har inte möjlighet att förbränna sitt slam och betalar istället externa företag för omhändertagandet. För att möjliggöra en förbättrad förbränning och skapa mer högvärdig energi finns det anledning att se på möjligheterna att vidareförädla bioslam till ett mer högvärdigt bränsle. I förfrågan från Värmeforsk inför föreliggande uppdrag nämns uttryckligen våt/lätt pyrolys (hydrotermisk karbonisering/hydrothermal carbonization/htc) som en möjlig metod. Hydrotermisk karbonisering är en naturlig process under vilken kolliknande substanser kan produceras av biomassa. Genom teknikutveckling har denna process accelererats från miljontals år till endast några timmar. I motsats till torrefiering eller pyrolys använder man i denna process upphettat vatten vid ca 200 C vid förhöjt tryck för att koka biomassan och på så sätt produceras en slurry som effektivt kan avvattnas och eventuellt torkas till en kolliknande substans ( biokol ). Teknologin för HTC är provad i pilotskala i ett antal anläggningar i Tyskland, Spanien och USA sedan ett antal år tillbaka och sedan 2012 drivs en anläggning i industriell skala i Tyskland (Relzow) som levererats av företaget AVA-CO 2 som är ett av de företag som driver teknikutvecklingen. 1.2 Beskrivning av forskningsområdet De första arbetena gällande hydrotermisk karbonisering gjordes redan tidigt på 1900- talet av nobelpristagaren Bergius. Hydrotermisk karbonisering återupptäcktes och vidareutvecklas under 2000-talet till en tekniskt tillämpbar process genom bl.a. tillämpning av katalysatorer och moderna kontrollmöjligheter (1). Detta arbete utfördes på Max Planck Institut i Potsdam, Berlin. Libra et al. har sammanställt kunskapen kring kemi, processbetingelser och möjliga produktapplikationer i en omfattande artikel med över 300 referenser (2). Flera arbeten där slam från reningsverk ( sewage sludge ) har behandlats med HTCteknik har gjorts, t.ex. Ramke et al. (3). Däremot finns endast två referenser till applikationer för massaindustrins slamströmmar (4,5) varav en är en artikel från en 1

HTC-leverantör som behandlar driftsekonomi och grova materialbalanser (4). Någon mer djupgående studie där integration av en HTC-process för behandling av slamströmmar med massabruket har, vad litteratursökningen har visat, inte gjorts. Inom forskningsområdet pågår stor aktivitet för närvarande och många publikationer är daterade de senaste fem åren. Förutom i Tyskland där HTC-processen verkar ha ett väldigt starkt fäste finns företag i England, Schweiz, Slovakien, m.fl. där HTC är en del av inriktningen. Forskningsverksamhet pågår över hela världen. Inom Värmeforsk har tidigare arbeten gjorts inom slamhantering där dagens hanteringsmetoder utvärderas i detalj (6,7). 1.3 Forskningsuppgiften och dess roll inom forskningsområdet Uppdraget omfattar en kartläggning av möjliga teknologier/tekniklösningar för produktion av biokol från bioslam baserat på HTC -teknologi i första hand samt en utvärdering av dessa för att dra slutsatser kring vilket alternativ som man bör gå vidare med för att i ett nästa steg (kommande forskningsprojekt) prövas i lämplig applikation på ett massabruk. Uppdraget omfattar följande delar: Identifiering och rangordning av tillgängliga HTC-leverantörer Framtagande av en konceptuell projektering av en tänkt anläggning på ett massabruk Teknisk och grov ekonomisk utvärdering av konceptuellt projekterad anläggning Ur ett beställarperspektiv är det givna syftet att detta uppdrag skall vara ett första steg på vägen till en demonstration av framtagning av biokol från massaindustrins slam. 1.4 Mål och målgrupp Det övergripande målet med uppdraget är att det skall vara ett första steg på vägen till en demonstration av biokol från massaindustrins bioslam. Uppdraget skall: Kartlägga och utvärdera tillgängliga HTC-processer. Utreda effekter av och möjligheter till integration av en HTC-process vid ett massabruk. Tekniskt och (grovt) ekonomiskt värdera HTC-teknikens tillämpbarhet och rimlighet för behandling av massaindustrins slamströmmar. Ta fram en plan för demonstration av framtagning av biokol från massaindustrins slam Målgruppen är svensk och utländsk massa- och pappersindustri. Vidare kan resultaten troligtvis även tillämpas för andra slamtyper från industriella och/eller kommunala reningsanläggningar. 2

2 Modellfabriker och modellslam För att åskådliggöra hur en HTC-anläggning kan integreras i en befintlig bruksstruktur används två olika typbruk ett bruk som tillverkar kraftliner och ett bruk som tillverkar magasinpapper. Bruken som används finns närmare beskrivna i Åforsk-rapporterna Energy consumption in the pulp and paper industry Model mills 2010: Kraftliner mill samt Energy consumption in the pulp and paper industry Model mills 2010: Magazine paper mill (15). 2.1 Modellfabrik Kraftliner Modellfabrik kraftliner representerar ett bruk som producerar brun och vit liner på två pappersmaskiner från egenproducerad oblekt sulfatmassa, returfiber samt inköpt blekt sulfatmassa. 2.2 Modellfabrik Magazine Modellfabrik magazine representerar ett bruk som producerar SC-papper på en pappersmaskin. Massorna som används är egenproducerad blekt TMP-massa och inköpt blekt sulfatmassa. 2.3 Modellslam Två olika modellslam har valts ut. Det ena modellslammet är ett slam från biologisk rening bioslam med en tillgång på 10 t TS/dygn. Det andra modellslammet består till hälften av bioslam och till hälften av fiberslam och med en tillgång på 20 t TS/dygn. Slammens sammansättning och egenskaper baseras på analyser i Gyllenhammar et al. (7), se Tabell 2.1. Dessa data används dels för beräkning av materialbalanserna i Kapitel 6 och dels för förbränningsberäkningarna i Kapitel 8. Tabell 6. Sammansättning på modellslam använda i studien. Table 6. Composition of model sludge used in the study. Bioslam Bio/fiberslam Data Slam ton TS/d 10 20 Torrhalt % w 17 30 Värmevärde slam GJ/t TS 15.1 16.5 Askhalt % w 28 20 Sammansättning, på torrt askfritt (taf) C % w, taf 53 51.8 H % w, taf 7.0 6.8 O % w, taf 33.8 38.1 N % w, taf 4.4 2.7 S % w, taf 1.8 1.0 Cl % w, taf 0.1 0.1 3

3 Dagens hantering av bioslam Bioslam från massa- och pappersindustrin används idag på olika sätt. Vanliga användningsområden är för förbränning internt bruket eller att ett externt företag mot en kostnad tar emot slammet och använder det för jordförbättring. Bioslam är, som tidigare nämnts, svårt att avvattna och energivärdet är därmed lågt. I många fall då bioslam används som bränsle internt ett bruk bidrar inte slammet positivt till ånggenerering utan försämrar snarare förbränningen. Nedan beskrivs de vanligaste sätten att använda slammet från avloppsvattenreningen. 3.1 Mekanisk avvattning av slam följt av förbränning i biopanna Ett vanligt sätt att använda slam från avloppsvattenreningen vid ett massa- och pappersbruk är att avvattna det mekaniskt och sedan elda det i brukets barkpanna. Bioslam kan avvattnas tillsammans med t ex ett fiberslam för att underlätta hanteringen och uppnå en högre torrhalt. Övriga bränslen (t ex bark, rejekt från sållhus, externt biobränsle) Slam (t ex bioslam, bioslam + fiberslam) Mekanisk avvattning Barkpanna Ånga Beroende på typ av panna, andel av bränslet som slammet utgör samt övriga processparametrar så är eldningen av det fuktiga slammet i olika grad problematiskt. Slammet tar pannkapacitet till låg eller obefintlig nyttig ångproduktion. Slammet bidrar till högre emissioner av NO x och SO 2, högre askflöden och högre kloridhalter (7). Problem med driften av pannan p.g.a. för hög fukthalt i bränsleblandningen är framför allt för äldre pannor inte ovanligt. 3.2 Torkning av bioslam följt av eldning i biopanna Vid vissa bruk torkas slammet innan det eldas i brukets barkpanna. Torkningen frigör pannkapacitet och det är energimässigt fördelaktigt att elda torkat slam i stället för endast avvattnat slam om lågvärdig torkenergi kan användas eller om torkenergin kan återvinnas i hög grad. 3.3 Inblandning av bioslam i svartlut följt av indunstning och förbränning i sodapanna Det förekommer att sulfatmassabruk blandar in slam i svartluten (7). Detta gör att cellmembranen i slammet bryts ner genom alkalisk hydrolys. Slam- och svartlutsblandningen indunstas sedan i indunstningen och bränns i sodapannan. 4

Energimässigt är detta ett fördelaktigt sätt att använda slammet. Det finns dock flera aspekter kring slammets innehåll som måste utredas innan ett bruk övergår till denna metod. 3.4 Extern mottagare av slam för jordförbättring Det finns företag som specialiserat sig på jordförbättring med hjälp av exempelvis skogsindustriella slam. Slammen sprids ut på preparerade markarealer så att en konstgjord torvmosse skapas. Sol och vind torkar materialet som sedan skördas som en torvliknande produkt. 5

4 HTC-teknologin 4.1 Allmän beskrivning Hydrotermisk karbonisering är en process där biomassa behandlas i vatten som reaktionsmedium under hög temperatur (200-370 C), högt tryck (>20 bar) och varierande uppehållstid (5 min till flera timmar). Beroende på vilka förhållanden som råder och vilka katalysatorer som används kan biomassan omvandlas till gas, vätska eller till en fast kolliknande form ( biokol ), se Figur 2. Omvandling till en fast produkt är enligt ramen för uppdraget i fokus här. Biokolet har goda avvattningsegenskaper och kan filtreras/mekaniskt avvattnas upp till 50-70 % TS. Figur 2. Exempel på hur en biokolprodukt kan se ut (13). Figure 2. Example of a bio coal product (13)- Utöver biokol erhålls också en vattenström innehållande utlösta organiska föreningar (storleksordningen 15% av ingående organisk substans) samt lättlösliga salter. De organiska föreningarna i vätskeströmmen har visat sig vara lätt nedbrytbara i både aeroba och anaeroba processer. Vidare fås en gasfas bestående av främst CO 2 men även en liten mängd andra föreningar såsom metan och högre kolväten (storleksordningen 5% av ingående organisk substans). Gasfasens sammansättning varierar med reaktionsförhållandena och startmaterialet och bör utredas för varje material. Någon form av behandling behövs troligtvis (svaggassystem eller separat rening). 6

4.1.1 Teknikens utvecklingsstatus HTC-processen har stora likheter med en del s.k. hydrotermiska processer för att förbättra avvattningsegenskaper hos slam. Här är förhållandena dock mildare (ca 175 C istället för över 200 C). Dessa används ofta för att konditionera slam inför anaerob jäsning. Erfarenheter från sådana processer visar att det är möjligt att hantera slam under trycksatta förhållanden. Tidigare försök med den s.k. Porteous-processen som arbetade vid högre temperaturer liknande HTC visade problem med lukt och korrosion (1960 och framåt). Det finns även processmässiga likheter med super- och subkritisk vattenoxidation som används för att destruera COD i slam samt för att ta hand om miljöfarligt avfall. Superkritisk vattenoxidation sker dock under betydligt mer extrema förhållanden och där finns större risk för utfällningsproblematik. Det finns en god erfarenhet från drift av anläggningar i pilot/mindre demoskala och minst en anläggning i industriell skala finns i drift idag (AVA CO2). Inget av processtegen kräver ny avancerad teknik och till stora delar är processlösningen industriellt beprövad för andra tillämpningar (se ovan). 4.1.2 Reaktionsmekanismer för lignocellulosamaterial Framställningen är i stora drag hämtad från Knecewic 2009 (10). Reaktionerna som sker är mycket komplexa men kan delas in i två huvudgrupper. Hydrolysreaktioner (katalyserade med syror eller baser, antingen tillsatta eller s.k. autokatalys med hjälp av sura nedbrytningsprodukter) bryter ned biomassans komponenter. Hemicellulosa är mest känslig för nedbrytning redan vid 120-180 C, följt av cellulosa vid temperaturer över 180 C och till sist ligninstrukturer som är mest värmetåliga. Endast partiell hydrolys av lignin uppnås utan tillsatt katalysator. Hydrolysreaktionerna sker tillsammans med pyrolysreaktioner (termiska nedbrytningsreaktioner, företrädesvis genom fria radikaler och utan syre närvarande). Även genom dessa reaktioner är hemicellulosan känsligast, följt av cellulosa och lignin. Polymeriserings- och kondenseringsreaktioner (också dessa sker företrädesvis genom fria radikaler) verkar åt andra hållet och leder till en ökande medelmolekylvikt. Genom dehydrerings-, dekarboxylerings- och dekarbonyleringsrekationer minskar andelen syre i HTC-produkten till i vissa fall så låga nivåer som 5-15%. Koldioxid och vatten bildas som restprodukt. Reaktionen är exoterm och för material bestående till större delen av cellulosa/hemicellulosa räcker reaktionsvärmet till för att driva processen. Detta är dock inte fallet för material med större andel lignin och större andel aska. 4.1.3 Energibalanser Vad som gör HTC-processen attraktiv jämfört med andra förädlingsmetoder är att den är mycket energieffektiv och en stor del av det ursprungliga värmevärdet återfinns i produkten. Detta illustreras i Figur 3 nedan där HTC-processen jämförs med rötning (11). Jämförelsen har gjorts för en biomassa med en torrhalt på 33%, 30% kvarvarande fukt i HTC-kolet, 4% askhalt och rökgaskondensering på pannan det förbränns i. Hälften av energin i det varma vatten (90 C) som går ut ur processen antas nyttiggöras. 7

Genom HTC-processen under dessa antaganden fås ca 71% av energivärdet i biomassan ut i en användbar produkt. Motsvarande siffra för rötning är maximalt 46%. Figur 3. Energieffektivitet i HTC-processen (11). Figure 3. Energy efficiency of the HTC process (11). 8

4.2 Alternativa HTC-processer Flera företag som marknadsför HTC-teknik finns varav de fyra till synes största redovisas mer i detalj gällande utvecklingsläge, processteknik samt existerande anläggningar. 4.2.1 AVA-CO2 AVA-CO2 är ett företag baserat i Zug i Schweiz och med ett dotterbolag i Karlsruhe i Tyskland. Sedan oktober 2010 har AVA-CO2 en HTC-pilotanläggning i Karlsruhe med kapacitet att omvandla drygt 8 000 ton biomassa per år till biokol. Sedan oktober 2012 finns även en större AVA-CO2 HTC-anläggning vid Technology Center of Eastern Pomerania i Relzow i Tyskland i drift (Figur 4). Denna anläggning kommer efter en uppstartsfas att kunna producera 8 000 ton biokol per år. Figur 4. Figure 4. AVA CO2:s industriella HTC-anläggning i Relzow, Tyskland AVA CO2 industrial HTC plant in Relzow, Germany AVA-CO2 är partner i BioBoost. BioBoost är ett forskningsprogram med finansiering inom Europeiska Unionens sjunde ramprogram med målet att bana väg för den decentraliserade omvandlingen av rest-biomassa till energibärare med hög energitäthet som kan användas i storskaliga applikationer för produktion av drivmedel eller kemikalier eller i småskaliga anläggningar för el- och värmeproduktion. 9

Den process AVA-CO2 använder för omvandling av biomassa till biokol är en s.k. multibatchprocess (Figur 5). Processen består av följande steg: 1. Inmatning av biomassa 2. Förvärmning 3. Trycksatta reaktionskärl som körs batchvis kopplade i ring så att den energi som frigörs i den exoterma reaktionen kan ledas framåt i systemet 4. Utflöde samt kylning 5. Mekanisk separation av produkt och vattenfas 6. Bufferttank processvatten 7. Förbehandling av processvatten 8. Bufferttank processvatten Figur 5. Figure 5. Schematisk bild av HTC-anläggning från AVA-CO2 Schematic picture of a HTC plant from AVA-CO2 10

4.2.2 CarbonSolutions CarbonSolutions är ett tyskt företag som grundades 2007. I slutet av 2010 startade CarbonSolutions en kontinuerlig HTC-pilotanläggning i Berlin, Tyskland (Figur 6). Anläggningen har kapacitet att omvandla 10 000 ton biomassa per år till biokol. Figur 6. Figure 6. Bild från CarbonSolutions pilotanläggning i Berlin, Tyskland Picture from CarbonSolutions pilot plant in Berlin, Germany CarbonSolutions process består av följande steg illustrerade i Figur 7: 1. Biomassa tas in, finfördelas och förvärms 2. Motströmsreaktor 3. Trycksatt HTC-reaktor 4. Separation av produkt och vattenfas i en filterpress 5. Torkning av biokol 6. CarbonPure behandling av processvatten 7. Ånggenerator 11

Figur 7. Figure 7. Schematisk bild av CarbonSolutions HTC-process. Schematic picture of CarbonSolutions HTC-process. 12

4.2.3 SunCoal SunCoal är likaså ett tyskt företag grundat 2007. SunCoal har under perioden 2008 till 2010 utvecklat sin HTC-teknik CarboRen i en pilotanläggning i Ludwigsfelde i Tyskland. 2011 byggdes pilotanläggningen om för att vara anpassad för försök med olika typer av biomassa. Processen är kontinuerlig och har stora likheter med CarbonSolutions HTC-process. En schematisk bild visas i Figur 8 och en tänkt stor anläggning i Figur 9. Figur 8. Figure 8. SunCoals HTC-process CarboRen. SunCoals HTC process CarboRen. CarboRen processen består av följande steg: 1. Biomassa tas in, finfördelas, renas från föroreningar och förvärms 2. HTC-reaktionen sker i en trycksatt reaktor 3. Mekanisk avvattning 4. Torkning 5. Lagring 6. Ånggenerering 13

Figur 9. Figure 9. Möjligt utseende storskalig CarboRen-anläggning. Possible design of a large scale CarbonRen plant. 4.2.4 Ingelia Sedan 2007 finns Ingelia, ett företag baserat i Valencia i Spanien, som utvecklat och patenterat en teknologi för att genomföra HTC-processen. Företaget har en anläggning där växtrester från närområdet processas. Försök görs även med andra typer av biomassor. Ingelias HTC-process består av följande steg (Figur 10): 1. Vattenlösning av finfördelad biomassa tas in och blandas med en katalysator 2. Förvärmning 3. Vertikal reaktor 4. Ånggenerator 5. Lager för produkt Notera att produkten här är den våta reaktionsprodukten, d.v.s. biokolslurryn. Efter HTC-processen beskriven i patentet följer en avvattning och eventuellt torkning och efterbearbetning för att få den produkt som önskas. Ingelia är partner i NEWAPP, ett forskningsprojekt som fokuserar på hydrotermisk karbonisering (HTC) av våta biomassor. NEWAPP har finansiering inom Europeiska Unionens sjunde ramprogram. 14

Figur 10. Schematisk bild av Ingelias HTC-process (14). Figure 10. Schematic illustration of Ingelias HTC process (14). 4.2.5 Övriga Det engelska företaget Antaco har blivit beviljade statligt bidrag för byggande av demonstrationsanläggning i England för behandling av slam. Antacos reaktion utförs kontinuerligt i en tubreaktor vilket är en skillnad från övriga aktörer. Uppehållstiden är 4-10 h vid ca 200 C. Det finns ytterligare ett antal företag aktiva inom området, varierande från enmansföretag till aktörer i större skala. 15

4.3 Jämförelse alternativa HTC-processer Tabell 7. Sammanställning av olika HTC-leverantörer och storlek på anläggningar. Table 7. Compilation of HTC suppliers and size of plants. Typ av process Anläggningar (batch/ kontinuerlig) AVA-CO2 Batch Pilotanläggning: Karlsruhe (Tyskland) Kapacitet ca 8000 ton biomassa/år Industriell demo: Relzow (Tyskland) Kapacitet ca 40-50 000 ton CarbonSolutions Kontinuerlig biomassa/år Pilotanläggning: Berlin (Tyskland) Kapacitet ca 10000 ton biomassa/år SunCoal Kontinuerlig Pilotanläggning Ludwigsfelde (Tyskland) Kapacitet 200 kg biomassa/h Ingelia Kontinuerlig Pilotanläggning Valencia (Spanien) Kapacitet ca 1100 ton biomassa/år En sammanställning av HTC-leverantörerna beskrivna ovan återfinns i Tabell 7. Kapaciteten anges oftast i ton fuktig biomassa utan att precisera torrhalten. Samtliga leverantörer ovan poängterar att en fördel med deras HTC-process är att ett brett spektrum av olika typer av våt biomassa kan användas som råvara. Erfarenheten av slam från massa- och pappersindustrin är dock mycket begränsad. Pilotförsök med slam från massa- och pappersindustrin behövs för att få bättre kännedom om HTC-processens funktion med slam från massa- och pappersindustrin samt kvaliteten hos biokol producerat från denna råvara. AVA-CO2 har en teknik där HTC-reaktionen genomförs i en multibatchprocess. CarbonSolutions, SunCoal och Ingelia utvecklar kontinuerliga HTC-processer. En kontinuerlig process kan ha fördelar i form av att anläggningen blir mindre komplex och att integrationen med brukets övriga, ofta kontinuerliga, processer blir enklare (gällande värmeintegration). Anläggningens footprint blir mindre då den totala reaktorvolymen samt antalet enheter blir färre Nackdelen är mer komplicerade och potentiellt känsliga inmatningssystem till trycksatta förhållanden. Det är svårt att säga vilket system som kostar mest att installera. Utvecklingen går fort och både AVA-CO2 och Ingelia är med i större forskningsprogram finansierade av Europeiska Unionens 16

sjunde ramprogram. Vilken teknologi som kommer att vara mest framgångsrik är inte given. Tekniklösningarna som sådana bedöms vara relativt likvärdiga och såväl batch- som kontinuerliga processer är rimliga. Det företag som har kommit längst i uppskalningen av respektive HTC-teknik är AVA-CO2 som är det enda företaget som levererat en anläggning i industriell skala. På grundval av att företaget hunnit längst med uppskalningen bedöms AVA-CO2 som förstahandsval idag. Pilotförsök för att producera biokol ur bioslam med HTC-processen kan göras vid samtliga ovanstående pilotanläggningar. 4.4 Beskrivning av produkten biokol och användningsområden Biokol som produceras med HTC får varierande egenskaper främst beroende på råvarans sammansättning, hur långt karboniseringsreaktionen drivs, vilken katalysator som används och hur tryck och temperatur är inställda. Till skillnad från den ursprungliga biomassan är biokolet hydrofobt och utan fibrös struktur. Kolet föreligger i form av partiklar i en vattenslurry som är mycket lätt att avvattna jämfört med det ursprungliga materialet. Skillnaden blir extra tydlig i fallet avloppsslam som håller mycket vatten. Värmevärdet är högre än den ursprungliga produkten och ligger i klass med kol av sämre kvalitet (se Figur 11-12). Ett bioslam från massa och pappersindustrin har placerats in på nedanstående grafer (se inringad röd triangel). 17

Figur 11. Förhållandet H/C mot förhållandet O/C jämförelse mellan HTC-kol från olika startmaterial och referensmaterial (3). Bioslam från massaindustrin har lagts in av författarna som jämförelse (inringad röd triangel). Figure 11. H/C vs. O/C ratio comparison between HTC-coal from different starting materials and reference materials (3). Bio sludge from the pulp and paper industry has been added by the authors as comparison (red triangle enclosed in circle). 18

Figur 12. Värmevärde mot kolinnehåll för olika HTC-kol (3). Bioslam från massaindustrin har lagts in av författarna som jämförelse (inringad röd triangel). Figure 12. Heating value vs. carbon content for different HTC-coals (3). Bio sludge from the pulp and paper industry has been added by the authors as comparison (red triangle enclosed in circle). I grova drag kan produkten jämställas med torrefierat material men det finns skillnader. Processen sker i vattenmiljö vilket gör att lättlösliga ämnen (typiskt K, Na, Cl) löses ut under processen. Även lättlösliga organiska substanser (exempelvis vissa fettsyror) som i en torrefierad produkt finns kvar i kolstrukturen kommer att anrikas i vattenfasen. Viktiga näringsämnen som t.ex. N och P bibehålls till stor del i det fasta materialet (2). Ett stort antal användningsområden nämns i litteraturen. De användningsområden som lyfts fram är framför allt biokol som ett fast bränsle, biokol som ett utgångsämne för förgasning och produktion av mer avancerade biobränslen samt som en möjlig avancerad jordförbättrare som är långvarigt stabil och därmed skulle kunna användas som en metod för CCS Carbon Capture and Storage. Det finns även andra applikationsområden med potential till högre värde såsom produktion av välkontrollerade kolstrukturer, aktivt kol samt andra designade kolprodukter (1,2,8). 19

5 Användning av biokol från massabrukets slam För biokol producerat från slam från massabruk torde främst användning som fast bränsle (internt på bruket eller externt) eller som jordförbättring vara rimlig. De begränsade volymer som produceras gör att förgasning och produktion av avancerade bränslen inte är rimlig annat än om en sådan anläggning som huvudsakligen drivs med annan råvara finns tillgänglig på nära håll. Mer avancerade tillämpningar är troligtvis mindre intressanta för biokol från slam då ingångsmaterialet inte är homogent och askhalterna är höga. Storskaliga förbränningsförsök med lyckade resultat har genomförts i Schweiz där fossila bränslen temporärt har ersatts till 100% med HTC-kol (9). 5.1 Användning av biokol internt på massabruket Biokolets egenskaper lättavvattnat till en torrhalt på 50 70% samt hydrofobt, gör att det kan användas som ett betydligt mer fördelaktigt bränsle på bruket än det slam det producerats av. 5.1.1 Användning av biokol i biopanna Den enklast tillämpbara användningen av biokol internt i bruket är att använda det som ett bränsle i brukets biopanna. De hydrofoba egenskaperna gör att biokolet kan lagras ute. Biokolet kan då doseras som ett fast bränsle måste då endast transporteras från HTC-processen till pannans bränsleinmatning. 5.1.2 Användning av biokol i sodapanna En möjlig intern användning av biokol för sulfatmassabruk skulle kunna vara som bränsle i sodapannan. Till stora delar kommer dock askan, metaller och många andra oorganiska ämnen som fanns i slammet att finnas som beståndsdelar i biokolet. Vid eldning av biokol i sodapannan kommer dessa beståndsdelar att hamna i sulfatprocessen och det måste utredas i respektive applikation på ett bruk hur detta skulle påverka bl. a drift och underhåll av sodapannan och halten av PFG i processen. 5.1.3 Användning av biokol i mesaugn En möjlig intern användning av biokol för sulfatmassabruk skulle kunna vara som bränsle i mesaugnen. Detta vore ett särskilt värdefullt användningsområde då många mesaugnar fortfarande eldas med olja. Även här gäller dock att aska, metaller och många andra oorganiska ämnen som fanns i slammet kommer att finnas som beståndsdelar i biokolet och att vid eldning av biokol i mesaugnen kommer dessa beståndsdelar att hamna i sulfatprocessen. Det måste utredas i respektive applikation på ett bruk hur detta skulle påverka bl. a driften av mesaugnen, underhåll och halter av PFG i processen. 20

5.2 Biokol från massabrukets slam som en extern produkt 5.2.1 Biokol som externt bränsle Även om volymen är relativt liten kan extern försäljning vara en möjlighet. Då askegenskaperna är goda samt energitätheten hög kan ersättning av förädlat bränsle (pellets) vara en möjlighet. Den oorganiska sammansättningen av askresten måste beaktas liksom omklassificeringen av slammet som avfall till en produkt (se diskussion nedan ang. biokol för jordförbättring). 5.2.2 Biokol för jordförbättring Huvuddelen av näringsämnena (P, N) behållas i den fasta produkten vilket tillsammans med biokolets positiva effekter på tillväxt (se t.ex. Libra et al. (2)) gör jordförbättring till ett tänkbart applikationsområde. I Norge (Hamar) finns en anläggning där kommunalt avloppsslam behandlas hydrotermiskt för att sedan rötas till biogas. Rötresten används som jordförbättringsmedel och har godkänts av norska myndigheter även för användning i t.ex. frukt- och grönsaksodling (13). En förutsättning för detta ändamål är att produkten inte klassas som avfall vilket måste utredas ytterligare. Slam från massaindustrin omfattas av EU s ramavtal för avfall (Waste Framework Directive). Där finns ett exitkriterium som definierar villkor för omklassificering från avfall till produkt. Nedanstående villkor måste allmänt vara uppfyllda: Ämnet används allmänt för specifika ändamål Det finns en existerande marknad för substansen; Användningen av substansen uppfyller tekniska krav och existerande lagstiftning och standarder Användningen får inte leda till negativa effekter på miljö och hälsa Mer specifika kriterier utarbetas för närvarande av EU för respektive produktström. Utöver den juridiska klassningen får givetvis inte heller sammansättningen av produkten innebära några hälso- eller miljömässiga risker. 21

6 Anläggningsbeskrivning För fallen 10 ton TS bioslam/dag samt 20 ton TS bio/fiberslam med sammansättning enligt Tabell 6 och fördelning av ämnen i gas-, vätske- och fast fas enligt publicerade siffror från leverantör (2, 4, 11) har förslag på möjliga anläggningar utformats baserats på AVA CO2 s processteknik. En översiktlig massbalans samt en uppskattning av utrustningsbehov och kemikalier/utilities visas nedan. 6.1 Översiktlig mass- och energibalans för bioslam En översiktlig mass- och energibalans visas i Figur 13 för fallet bioslam 10 ton TS/dag. Ungefär 80% av det organiska materialet återfinns i biokolet. Övrigt organiskt material fördelas i återförd vätska (ca 15%) samt i gasströmmen (ca 5%) där en stor del av materialet återfinns i form av CO 2. En del av det oorganiska materialet i ingående slam återfinns i vattenströmmen. Detta består främst av de mest lättlösliga komponenterna (Na, K, Cl och en del S). Figur 13. Översiktlig massbalans (10 ton TS bioslam/d). Figure 13. Schematic mass balance (10 ton TS biosludge/d). 22