Studies on ash behavior during co-combustion of paper sludge in fluidized bed boilers

Abstract

The present work analysis the ash behaviour and the environmental impact with respect to the toxic trace metals (e.g. Cu, Pb, Zn, Cd, Mn, Cr, Ni) upon co-combustion of paper sludge, a waste deriving from the treatment of recovered paper, with coal and coal/biomass blends in fluidised bed combustors designed for energy production or steam generation. The study, conducted in the framework of a European research project aiming at widening the spectrum of fuels utilised by coal-fired and coal-straw fired fluidised bed boilers, is based on a large extent on experiments performed at a fludised bed combustion test-scale facility. Information on ash behaviour and toxic trace metal partitioning was obtained mainly by performing accurate mass balances on bottom bed ash, fly ash and flue gas. In addition, equilibrium calculations (performed at Åbo Akademi University, Combustion Research Department) predicting the behaviour of inorganic matter and the melting behaviour of the fuel blends have been interpreted and compared against experimental values. Finally, experimental results have been compared with those performed by a large-scale facility on the basis of a scale-up analysis. The results of the study indicate that co-combustion of paper sludge with coal could be performed without significant ash-related operational problems in blends covering low-to-medium shares of paper sludge. On reverse, upon combustion of paper sludge with a high-alkali, high-chlorine content biomass such as straw, the share of paper sludge may be more limited. For all the investigated fuel blends containing paper sludge, the capture of toxic trace metals on fine fly ash particles will be enhanced, and many of the toxic trace metals will be scarcely released in the flue gas, with emissions below the limits prevailing in the EU.

Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf der Untersuchung des Anreicherungs- und Emissionsverhaltens von toxischen Schwermetallen bei der Mitverbrennung von Papierschlamm mit Kohle und Biomasse in der Wirbelschichtverbrennungsanlage zur Strom- und Warmerzeugung. Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen eines europäischen Forschungsprojekts, welches das Ziel hatte, das Spektrum möglicher Brennstoffe die in einer Kohle und Kohle/Stroh Wirbelschichtfeuerungsanlage verbrannt werden können zu erweitern. Es sollten die Umweltauswirkungen und potentielle Betriebsproblemen dieser Abfallmitverbrennung bewertet werden. Der experimentelle Teil der Arbeit wurde in zwei Bereiche geteilt: 1) Verbrennungsuntersuchungen mit Papierschlamm als Einzel-Brennstoff; 2) Mitverbrennungsuntersuchungen (Mischungen von Kohle/Papierschlamme und Kohle/Stroh/Papierschlamme). Diese Versuche wurden an einer Versuchsanlage durchgeführt. Das Asche-Verhalten wurde mit Hilfe von Massenbilanzen und Berechnungsanalysen characterisiert. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit Gleichgewichtsberechnungen verglichen, die spezifisch für die ausgewählten Brennstoffe von der Åbo Akademi Combustion Research Department durchgeführt wurden. Die Ergebnisse von der Versuchsanlage wurde mit denen einer Untersuchungskampagne an einer großen Zirkulierendewirbelschicht Feuerungsanlage (80 MWth) verglichen. Dabei wurden die gleichen Brennstoffe und Brennstoffmischungen unter ähnlichen Verbrennungsverhältnissen eingesetzt. Vergleich wurde die chemische Zusammensetzung der verschiedenen Ascheströme charakterisiert. Die Ergebnisse der Kohle/Papierschlamme Mitverbrennung zeigten, dass die Mitverbrennung die Bildung von Alkali-Sulfaten und Alkali-Aluminium-Silikaten in der Flugasche erhöht. Dies geschieht wegen Interaktionen zwischen Alkali und Kaolin-Mineralien. Diese Art von Mitverbrennung kann ohne spezifischen betriebsproblemen durchgefhurt werden. Die Interaktionen zwischen Alkali aus Stroh (insbesondere Kalium) und Asche-Elementen aus Papierschlammen erwiesen sich als besonderes wichtig bei der Untersuchung der Kohle/Stroh/Papierschlamm Mischungen; diese Interaktionene koennen die Papierschlamme Antein in der Brennstoffmischung begrenzen. Die Bildung von Feinstäuben bei der Mitverbrennung von Papierschlämmen hat allgemein einen positiven Effekt auf die Emissionen von toxische Spurenelementen, da die große Oberfläche der kleinen Partikel die Abscheidung durch chemische Reaktionen oder Kondensation erhöhte.