Utilization and Treatment Feasibility of Ashes from Fluidized Bed Boilers

Abstract

Ash is a combustion residue from power plants which mainly consist of inorganic components as silicon, aluminum, and calcium. However, especially fly ashes are often enriched with hazardous trace elements as heavy metals and chlorides. These substances restrict the reuse and utilization of ashes which is an issue in view of circular economy. With different treatment methods, these harmful elements may be removed, or their leachability may be reduced. However, the treatment methods seem mainly to be economic unfeasible due to the low prices of bulk ash products. Sometimes, especially with fly ash from waste incineration, the treatment is essential even before the landfilling. The aim of this thesis was to investigate ash utilization possibilities, the regulation which limits the reuse of ash, and treatment methods for different ash types. This part of the research was mainly carried out as a literature survey of the scientific articles, technical reports, statistics and regulation. The major end-uses of ash were in concrete or cement industry, road or earth construction, as fertilizer, or direct disposal including the landfill construction and the filling of old mines. In this thesis, the European Union standard of fly ash for concrete, the Finnish regulation for the ash fertilizers, and the Finnish regulation for wastes in the road or earth construction use were under consideration as a limiting regulation. In case of landfilling, the council decision of the European Union establishing criteria and procedures for the acceptance of waste at landfills was considered. The major ash treatment technologies were divided into four classes in this research: carbonation and self-hardening, mechanical treatment, thermal treatment as well as chemical, electrochemical, and biological treatment. The variety of commercialization and techno-economic feasibility of the technologies were high. However, for the further investigation were selected acid leaching, carbonation, a commercial FLUWA process, and water washing. Cementation was considered as a dominant business as usual post-treatment method for waste incineration ashes. For the selected treatment processes, the mass and energy flows were determined with the help of technical reports. With these flows, the techno-economic analysis of the processes was executed. According to the calculations, the highest costs in the processes were input chemicals or water and effluent treatment due to the nature of the selected processes. Thus, the price of chemicals influences considerably the profitability of these processes. Within the non-process expenses, the waste tax for the landfilled ash was a significant part of the total cost. Due to this, it would be profitable to utilize as much ash as possible instead of landfilling. From the selected processes, carbonation and in some cases washing seemed to be economically feasible. Furthermore, the accelerated carbonation process could be attractive to study more due to its capability to work as a carbon capture technology. After the process and feasibility calculations, the techno-economic analysis tool for ash utilization and treatment was implemented in Microsoft Excel. The tool provides information for the user about the utilization and treatment possibilities of ashes from different fuels. It also calculates the economic feasibility of the investment compared to the business as usual situation. With this information, the user may consider the feasibility of the ash treatment methods. At the end of this thesis, the scenario and sensitivity analysis for the calculations were performed.

Tuhka on palamisjäännös, jota syntyy voimalaitoksilla. Se koostuu pääosin epäorgaanisista komponenteista kuten piistä, alumiinista ja kalsiumista. Kuitenkin erityisesti lentotuhkiin rikastuu usein myös haitallisia aineita kuten raskasmetalleja ja klorideja. Nämä aineet rajoittavat tuhkan uusiokäyttöä sekä hyödyntämistä, mikä on ongelmallista kiertotalouden näkökulmasta. Näitä haitallisia aineita voidaan kuitenkin poistaa erilaisilla käsittelymenetelmillä, tai niiden liukoisuutta voidaan pienentää. Usein tällaiset käsittelymenetelmät ovat kuitenkin taloudellisesti kannattamattomia tuhkatuotteiden alhaisen hinnan vuoksi. Joskus, erityisesti jätteenpolton lentotuhkien tapauksessa, käsittely on kuitenkin välttämätön jopa ennen kaatopaikkausta. Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia tuhkan hyödyntämismahdollisuuksia, tuhkan uudelleenkäyttöä rajoittavaa lainsäädäntöä sekä käsittelymenetelmiä erilaisille tuhkatyypeille. Näiden tutkiminen toteutettiin kirjallisuuskatsauksena hyödyntäen tieteellisiä artikkeleita, teknisiä raportteja, tilastoja sekä säädöksiä. Pääasialliset tuhkan loppukäytöt ovat betoni- ja sementtiteollisuudessa, maa- ja tierakentamisessa, lannoitteena sekä suorassa hävittämisessä, sisältäen kaatopaikkarakentamisen tai vanhojen kaivosten täyttämisen. Tässä työssä käyttöä rajoittavina säännöksinä tarkasteltiin Euroopan Unionin standardia betonissa käytettävälle lentotuhkalle, Suomen lannoitelainsäädäntöä tuhkan osalta sekä suomalaista asetusta jätteiden hyödyntämisestä maanrakentamisessa. Kaatopaikkaamisen tapauksessa tarkasteltiin Euroopan unionin neuvoston laatimia kriteerejä jätteen hyväksymisestä kaatopaikoille. Samat kriteerit pätevät myös Suomessa. Tärkeimmät tuhkan käsittelyvaihtoehdot jaettiin neljään luokkaan tässä tutkimuksessa: karbonointiin ja itsekovetukseen, mekaanisen käsittelyyn, termiseen käsittelyyn sekä kemialliseen, elektrokemialliseen ja biologiseen käsittelyyn. Näiden teknologioiden kaupallisuusasteessa sekä teknoekonomisessa toteutettavuudessa oli suurta vaihtelua. Happoliuotus, karbonointi, kaupallinen FLUWA-prosessi ja vesipesu valittiin lähempään tarkasteluun. Sementointi valittiin mukaan vertailuksi jätteenpolton tuhkien vallitsevana jälkikäsittelymenetelmänä. Tämän jälkeen valituille käsittelyprosesseille määriteltiin massa- ja energiataseet teknisiä raportteja apuna käyttäen. Näiden taseiden avulla voitiin suorittaa teknoekonominen analyysi. Analyysistä huomattiin, että suurimmat yksittäiset kustannukset valituissa prosesseissa niiden luonteen vuoksi olivatkin prosessiin syötettävät kemikaalit sekä veden tai jäteveden käsittely. Näin ollen kemikaalien hinta vaikuttaa voimakkaasti prosessien kannattavuuteen. Prosessikustannusten ulkopuolella jätevero kaatopaikattavalle tuhkalle oli merkittävä kuluerä. Tarkastelluista prosesseista karbonointi ja joissain tapauksissa tuhkan pesu olivat taloudellisesti kannattavia. Lisäksi kiihdytetty karbonointiprosessi voisi olla kiinnostava lisätutkimuksen kohde, sillä sitä voidaan käyttää myös hiilidioksidin talteenottomenetelmänä. Laskennan pohjalta luotiin tuhkan hyötykäytön ja käsittelyn teknoekonominen analyysityökalu Microsoft Exceliin. Työkalu tarjoaa käyttäjälle tietoa eri polttoaineiden tuhkien hyötykäyttö- ja käsittelymahdollisuuksista. Se laskee myös investoinnin taloudellisen kannattavuuden ja vertaa sitä tilanteeseen, jossa investointia ei tehdä. Näillä tiedoilla työkalun käyttäjä voi harkita tuhkankäsittelymenetelmän toteuttamiskelpoisuutta. Lopuksi laskennalle tehtiin vielä skenaario- ja herkkyystarkastelu.