Examensarbete, 30 hp
Civilingenjörsprogrammet i energiteknik, 300 hp Institutionen för tillämpad fysik och elektronik, Vt 2020
FÖRBRÄNNING AV AVLOPPSSLAM
Utredning av förutsättningar för en anläggning i Umeå
Combustion of sewage sludge,
investigation of the possibility of a plant in Umeå
Erik Silfver
II
Sammanfattning
Avloppsslam är en restprodukt som uppstår vid rening av avloppsvatten, det innehåller både energi och näringsämnen. Ett av dessa näringsämnen som är en viktig del i livsmedelsproduktion och riskerar att bli en bristvara i framtiden är fosfor. En utredning på uppdrag av regeringen presenterade nyligen ett förslag för slamhantering med begränsad slamspridning och krav på att minst 60 % av all fosfor i avloppsslam ska återvinnas.
Återvinning av fosfor ur förbränningsaska är ett alternativ som uppfyller kraven på återvinning.
I denna rapport utreds möjligheterna för en fjärrvärmeanläggning med slamförbränning i Umeå.
Detta med utgångspunkt från det slam som produceras vid Vakins avloppsreningsverk på Ön och de lokala förutsättningar som finns i Umeå. Utredningen har genomförts genom litteraturstudier, samtal med kunniga personer och termodynamiska jämviktsberäkningar.
Slamproduktionen i Umeå är i dagsläget 10 000 ton/år men bedöms öka till upp mot 15 000 ton/år fram till år 2050. Utifrån mängden slam och dess låga värmevärde anses samförbränning vara ett bättre val för en fjärrvärmeanläggning, monoförbränning kan snarare ses som ett alternativ för kvittblivning av slam.
Två bränslen som anses intressanta för samförbränning och därför utvärderas närmre i denna rapport är bark och rörflen. Termodynamiska beräkningar visar att en blandning av bark och slam kan förväntas ha en högre asksmältpunkt än en blandning med rörflen och slam. Jämfört med rörflen anses även tillgång och generella driftegenskaper för bark och andra trädbränslen vara mer fördelaktiga. En viss inblandning av rörflen kan däremot ge ett högre värmevärde samt att det kan förbättra växttillgängligheten för fosfor i askan.
Den föreslagna bränslemixen med 15 % ts slam innebär att anläggningen kommer att ha en effekt på 18 MW med kontinuerlig drift under tidsperioden september-maj. Bränslemixen riskerar dock att vara för fuktig för att uppnå de temperaturkrav som krävs vid avfallsförbränning, därmed kan torkning av slam eller bark bli nödvändigt. Den panna som föreslås i denna rapport är en rosterpanna med rörlig rost. Valet baseras delvis på att ett antagande om att en stor del av tungmetallerna hamnar i flygaskan vilket kan ge en bottenaska som kan spridas direkt på skogs- eller åkermark.
Ekonomin för en samförbränningsanläggning är väldigt beroende av förutsättningarna för fjärrvärmenätet. Baserat på antaganden i denna studie är det i dagsläget mer ekonomiskt lönsamt med en monoförbränningsanläggning. Vid ett ökat behov av fjärrvärmeproduktion kan en samförbränningsanläggning däremot vara ett bättre alternativ.
III
Abstract
Sewage sludge is a residue from cleaning of sewage, and it is a source of both energy and nutrition. One nutrient of extra importance is phosphorus which is a limited resource. An inquiry commissioned by the Swedish government recently presented a proposal for sludge management with limited sludge spreading and requirements for the recovery of at least 60%
of all phosphorus in sewage sludge. One way to meet these requirements is by combustion and recovery of phosphorus from the ashes.
The purpose of this study is to investigate the possibility for a combustion plant for sewage sludge in Umeå. This was done by a literature study, contact with knowledgeable people and thermodynamic equilibrium calculations.
The amount of sewage sludge produced in Umeå is 10 000 tonnes annually but is expected to increase to nearly 15 000 tonnes by year 2050. Based on the amount of sludge and its low heating value a co-combustion plant is expected to be a more suitable option than a mono- combustion plant.
In this study bark and reed canary grass has been investigated as a co combustion fuel with sewage sludge. The results show that bark is preferred both for its availability and operation characteristics. A minor share of reed canary grass in the fuel mix might be good to increase the heating value and make phosphorus in the ash more plant available.
With 9 months of annual operation and 15 % ds sludge in the fuel mix the output of the plant will be 18 MW. A grate boiler with movable grate is suggested for the plant. This suggestion assumes that the main part of heavy metals can be separated and that the bottom ash will be possible to use as a fertilizer in agriculture or forestry. The suggested fuel mix of bark, sludge and reed canary grass might be to moist and have a problem to meet the requirement of 850°C for 2 s. Therefore, drying or replacing bark with a fuel with higher heating value might be necessary.
The profitability of a co-combustion plant connected to district heating network largely depends of the specific conditions of the network. Based on the assumptions in this study a mono- combustion plant is probably the best choice today. However, with an increased need for heat production, co-combustion may be a better choice.
IV
Förord
Detta examensarbete omfattar 30 högskolepoäng och har genomförts som avslutning för mina studier på Civilingenjörsprogrammet i Energiteknik vid Umeå Universitet. Arbetet har utförts på uppdrag av Umeå Energi AB under perioden september 2019 till juni 2020.
Jag vill börja med att tacka min handledare vid Umeå Universitet, Nils Skoglund. Hans expertis inom området slamförbränning och handledning under arbetet har varit väldigt värdefull.
Jag vill också tacka min handledare vid Umeå Energi, Eva Weidemann för stöd och hjälp under arbetets gång.
Slutligen vill jag även rikta ett stort tack till samtliga personer som jag varit i kontakt med under arbetets gång, dessa har bidragit med information och hjälp som gjort detta arbete möjligt att genomföra.
Erik Silfver Umeå, maj 2020
V
Innehållsförteckning
1. Inledning ... 1
1.1. Syfte och mål ... 2
1.2. Tillvägagångssätt och avgränsningar ... 2
2. Teori ... 3
2.1. Slam som bränsle ... 3
2.2. Förbehandling av slam innan förbränning ... 3
2.3. Monoförbränning ... 4
2.4. Samförbränning ... 4
2.5. Förbränningstekniker ... 5
2.5.1. Fluidbäddspannor ... 5
2.5.2. Rosterpannor ... 6
2.5.3. Roterugnar ... 6
2.6. Rökgasrening ... 6
2.7. Regelverk ... 7
2.8. Fosforåtervinning ... 9
2.9. Investeringsberäkning ... 10
3. Projektspecifika förutsättningar ... 11
3.1. Slamproduktion i Umeå ... 11
3.2. Bränslen för samförbränning ... 11
3.3. Hantering av slam och aska ... 12
3.4. Fjärrvärmenätet ... 12
3.5. Anläggningar och tidigare försök ... 13
4. Metod ... 14
4.1. Mono- eller samförbränning ... 14
4.2. Sameldningsbränslen och inblandningsgrad ... 14
4.2.1. Termodynamiska jämviktsberäkningar ... 15
4.3. Dimensionering av anläggning ... 16
4.4. Val av teknik ... 17
4.5. Val av plats ... 17
4.6. Ekonomiska beräkningar ... 17
4.6.1. Scenario 1 ... 17
4.6.2. Scenario 2 ... 19
4.6.3. Scenario 3 ... 19
5. Resultat och diskussion ... 20
VI
5.1. Mono- eller samförbränning ... 20
5.2. Sameldningsbränslen och inblandningsgrad ... 20
5.3. Dimensionering av anläggning ... 24
5.4. Val av teknik ... 25
5.5. Val av plats ... 26
5.6. Ekonomiska beräkningar ... 27
5.6.1. Scenario 1 ... 27
5.6.2. Scenario 2 ... 28
5.6.3. Scenario 3 ... 29
6. Slutsatser ... 30
7. Framtida arbete ... 32
Referenser ... 33
Bilaga 1. Rörliga produktionskostnader, samförbränning scenario 1 ... 38
Bilaga 2. Investeringskalkyl, samförbränning scenario 1 ... 40
Bilaga 3. Investeringskalkyl samförbränning scenario 2. ... 41
Bilaga 4. Investeringskalkyl, integrerad monoförbränning ... 42
Bilaga 5. Investeringskalkyl, monoförbränning fluidbädd ... 43
1
1. Inledning
Hur vi människor lever och utnyttjar jordens resurser påverkar både klimat och miljö, i takt med att jordens befolkning ökar blir det också allt viktigare med en hållbar energi- och resursanvändning. Genom ett bättre utnyttjande av restprodukter kan den primära energi- och resursanvändningen minskas. Ett sätt att nyttja restprodukter är energiåtervinning genom förbränning och detta görs idag till exempel genom att använda avfall och skogsrester som bränsle i produktion av el och fjärrvärme.
Avloppsslam är en restprodukt vid rening av avloppsvatten som bildas kontinuerligt under hela året i Sverige. Avloppsslam innehåller energi men också en stor mängd näringsämnen. Ett av dessa näringsämnen är fosfor som är en viktig del i livsmedelsproduktionen, återvinning av fosfor anses viktigt då lättillgänglig fosfatmalm riskerar att ta slut samtidigt som behovet förväntas öka [1]. Genom att gödsla åkermark direkt med avloppsslam återförs fosfor till marken men ett problem är att det även följer med tungmetaller och andra skadliga ämnen, därför är användningen av avloppsslam inom jordbruk reglerad [2].
Ett alternativt sätt att ta tillvara på fosfor ur avloppsslam är att förbränna slammet och sedan utvinna fosfor ur askan. Genom att förbränna avloppsslammet i en fjärrvärmeanläggning kan därmed både fosfor och energi återvinnas samtidigt som potentiellt skadliga ämnen avskiljs. Ur ett hållbarhetsperspektiv kan en sådan anläggning bidra till att nå FN:s hållbarhetsmål genom ett effektivt utnyttjande av naturresurser, ett minskat utsläpp av kemikalier till mark och vatten, samt produktion av förnybar energi [3]. Tidigare studier visar även att förbränning av avloppsslam minskar den ekonomiska kostnaden sett ur ett livscykelperspektiv jämfört med andra vanliga metoder för hantering av avloppsslam [4].
Hanteringen av avloppsslam skiljer sig kraftigt mellan olika länder inom EU men slutförbränning blir allt vanligare, i Sverige är det dock fortfarande ovanligt [5]. På grund av att mekaniskt avvattnat slam har ett högt fuktinnehåll behöver slammet antingen torkas eller samförbrännas med ett annat bränsle med lägre fuktinnehåll för att erhålla en bra förbränning [6]. Förutom att torkning inte är nödvändigt vid samförbränning har slam också påvisats ha positiva effekter vid samförbränning, främst vid alkalirelaterade driftsproblem [7].
I Umeå rötas och avvattnas allt avloppsslam som produceras i avloppsreningsverket på Ön, reningsverket är det största i kommunen och drivs av det kommunala bolaget Vakin [8]. Det avvattnade slammet har tidigare använts som sluttäckning av deponi, men behovet av material för sluttäckning finns inte längre och därför behöver alternativa lösningar undersökas. En möjlig lösning kan vara en ny anläggning för förbränning av avloppsslam med produktion av värme till Umeås fjärrvärmenät och det finns därför anledning att utreda förutsättningarna för en sådan anläggning.
2
1.1. Syfte och mål
Syftet med projektet var att utreda möjligheterna för en slamförbränningsanläggning i Umeå.
Detta gjordes med utgångspunkt från det slam som produceras i avloppsreningsverket på Ön och de lokala förutsättningar som finns i Umeå.
Målet med projektet var att kunna ge förslag på följande frågeställningar:
• Bör det vara mono- eller samförbränning?
• Vilket biobränsle är lämpligt vid eventuell samförbränning?
• Hur stor bör anläggningen vara?
• Vilken typ av panna bör användas?
• Var är en lämplig placering av anläggningen?
• Kan anläggningen antas bli ekonomiskt lönsam?
1.2. Tillvägagångssätt och avgränsningar
För att ta fram ett underlag i frågan om en eventuell slamförbränningsanläggning har projektet till stor del bestått i att sammanställa det aktuella läget kring förbränning av avloppsslam. Detta har genomförts i form av en litteraturstudie samt personlig kontakt med ett flertal personer med kunskap inom området. Utöver detta har termodynamiska jämnviktberäkningar och beräkningar för dimensionering och ekonomi genomförts.
Följande avgränsningar har satts upp för projektet:
• Anläggningen som avses för slamförbränning ska vara en ny anläggning utan elproduktion som ska anslutas till fjärrvärmenätet.
• Det slam som anläggningen ska hantera är begränsat till det rötslam som produceras vid Öns reningsverk.
• Fosfor bör kunna återvinnas ur askan från förbränningen, men själva fosforåtervinningen ligger utanför projektets ramar.
3
2. Teori
I detta kapitel presenteras teori som är relevant för detta projekt. Det handlar främst om teori angående slam och förbränning, men även fosforåtervinning och viss ekonomisk teori presenteras.
2.1. Slam som bränsle
I Sverige renas normalt kommunalt avloppsvatten med en kombination av mekanisk, biologisk och kemisk rening och bildar då ett slam som i de flesta fall sedan stabiliseras i form av rötning.
Sammansättningen på det rötade slammet påverkas av de ingående vattenströmmarna samt de ingående reningsstegen. Den största enskilda skillnaden mellan innehållet i olika rötslam beror på vilka fällningskemikalier som används i den kemiska reningen [7]. Vid rötning av avloppsslam sker utvinning av biogas som kan användas för exempelvis uppvärmning. Rötning innebär en minskning av slammets organiska innehåll vilket därmed sänker värmevärdet [6].
Rötslam innehåller mycket askämnen, ca 40-55 % av torrsubstansen (ts), och har även en hög fukthalt, ca 70-80 % [7]. Det effektiva värmevärdet på torkat slam är 10-13 MJ/kg, fuktigt slam har däremot endast ett effektivt värmevärde på ca 0,6-1,8 MJ/kg [7]. Den brännbara substansen liknar biobränsle såsom trä och bark med undantag av ett högre svavel- och kväveinnehåll [7].
Slam innehåller även mycket fosfor, både svavel och fosfor har visat sig kunna reagera med alkali och minska risken för korrosiva beläggningar vid förbränning [7]. Slam kan antingen samförbrännas med ett annat bränsle eller monoförbrännas, vid monoförbränning krävs dock att slammet först torkas för att få ett tillräckligt högt värmevärde [6].
2.2. Förbehandling av slam innan förbränning
För att avloppsslam ska vara tillåtet att spridas på åkermark finns krav på hygienisering som bl.a. kan uppfyllas genom långtidslagring av slam under 6 månader [9]. Studier har visat att när slam används för gödsling på åkermark är lagring av slammet den del i hanteringen som ger de största utsläppen av växthusgaser, dessa utsläpp är som störst under sommaren och består i huvudsak av lustgas och metan [10]. Vid förbränning av avloppsslam är det därmed viktigt ur klimatsynpunkt att lagringstiden blir så kort som möjligt [10]. Att täcka slammet under lagringstiden kan förhindra att det torkar samt minska utsläppen av lustgas. Trots minskade utsläpp av lustgas kan täckning av slammet leda till att de totala klimatpåverkande utsläppen ökar, detta på grund av att utsläppen av metan ökar [10].
Avloppsslam kan innehålla bakterier, metaller, miljöfarliga organiska ämnen och smittsamma virus, därför bör den manuella hanteringen minimeras [7]. All lagring av slam leder dessutom till ökad bakterietillväxt [7]. Genom att torka slammet minskar den biologiska aktiviteten och vid 70 % torrhalt upphör i princip all den mikrobiella tillväxten [11]. Ofta torkas slam till ca 85-90 % för att ytterligare minska risken för biologiska reaktioner vid lagring, ett torrare slam ökar dock risken för självantändning och dammexplosioner [11]. Slamtorkning minskar även luktproblem som annars kan uppstå vid lagring och hantering av slam [12]. Torkning av slam är dock kostsamt och vid samförbränning kan det vara svårt att motivera denna ökade kostnad [13]. Slam är inte heller helt problemfritt att torka då det mellan 40-60 % genomgår en kladdig fas och tenderar då att fastna på värmeöverförande ytor vilket försvårar torkningen [11]. Detta problem brukar lösas genom att torkat slam blandas med fuktigt slam så att torrhalten överstiger 60 % och därmed underlättar torkningen [11].
4
Det finns många olika tekniker för slamtorkning som kan delas in i två huvudgrupper, direkt eller indirekt torkning. Direkt torkning innebär att slammet kommer i direkt kontakt med värmemediet, indirekt torkning innebär att värmen överförs via en värmeöverförande yta [11].
Vilken typ av torkteknik och värmemedium som används beror på de platsspecifika förutsättningarna [14]. För att torka avvattnat slam till minst 90 % torrhalt krävs ca 0,85-1,25 kWh/ liter avdrivet vatten, nettoenergibehovet kan dock bli lägre om delar av denna energi kan återvinnas [12]. Med avseende på nettoenergibehovet är ångtorkning det som ger högst effektivitet följt av eltorkar och därefter varmvattentorkar [15].
Slammets konsistens ändras med torrhalten, avvattnat slam har samma konsistens som jord, torkat slam är däremot dammigt [16]. Beroende av torrhalt används därför olika metoder för att föra in slammet i pannan vid förbränning, det finns tre olika metoder för detta:
• inblåsning av torkat slam över bädden
• spridare fördelar slammet över bädden
• blandning av slam och sameldningsbränsle före förbränning [16].
Vid blandning av slam med ett sameldningsbränsle är det viktigt att lyckas skapa en så homogen blandning som möjligt för att minska risken för ojämn förbränning i pannan [16].
Förbränningsförsök i fluidbädd med sampelletering av slam och vetehalm visade att det sampelleterade bränslet minskade risken för bäddagglomerering jämfört med då samma bränslemix användes med separata bränslepellets [17].
2.3. Monoförbränning
Monoförbränning innebär att slam är det enda bränslet och på grund av sitt höga fuktinnehåll måste det därför torkas innan förbränning [16]. För monoförbränning bör slammets värmevärde ökas till minst 7 MJ/kg vilket förutsätter torkning till minst 60 % torrhalt [6]. Anläggningar för monoförbränning är oftast små i förhållande till samförbränningsanläggningar och syftar i första hand till att hantera slamvolymerna även om energiåtervinning också görs [16]. Askan från en anläggning för monoförbränning innehåller en hög fosforhalt vilket är gynnsamt för efterföljande processer vid fosforåtervinning [18]. Monoförbränning av slam sker oftast i fluidbäddar, men även rosterpannor och roterugnar förekommer [16].
2.4. Samförbränning
Genom att blanda slam med ett annat biobränsle med ett högre effektivt värmevärde kan slammet förbrännas utan att det behöver föregås av torkning [6]. En svårighet vid samförbränning är att blanda slammet jämnt med huvudbränslet och transportera in det i eldstaden [16].
Åkerbränslen innehåller i allmänhet höga halter av alkalimetaller som t.ex. kalium, vilket kan leda till problem vid förbränning som till exempel korrosiv beläggning på värmeöverförande ytor eller bäddagglomerering [19]. Forskning visar att dessa problem kan minskas genom att samförbränna åkerbränslen med avloppsslam [17] [19]. I förbränning av biomassa kan kalium antingen avgå i gasform som kaliumklorid, reagera med kisel och bilda silikater som smälter vid låg temperatur eller binda svavel och bilda aska [20]. Därmed kan ett svavelrikt bränsle likt avloppsslam minska problem hos kaliumrika bränslen genom att minska mängden kalium som avgår i gasfas samt minska problem med silikatsmälta [20]. Även fosfor, kisel och aluminium i avloppsslam kan reagera med kalium och bilda alkalifosfater och kalium-aluminosilikater med höga smältpunkter och därmed minska de kaliumrelaterade problemen [21].
5
Kalcium kan motverka denna positiva effekt som slammet ger i form av tillsats av svavel och fosfor då kalcium konkurrerar med kalium om att binda fosfor och svavel [22]. Dessa konkurrerande reaktioner kan dock vara mindre förekommande i en rosterpanna än i en fluidbädd [22]. En hög tillförsel av svavel i slam kan förutom positiva effekter även ge en ökad mängd SO2 som måste hanteras i rökgasrening för att inte överskrida gällande gränsvärden [23].
I detta fall är ett högt innehåll av kalcium positivt då bindningen av svavel kan minska utsläppen av SO2 [23].
Trädbränslen är relativt enkla ur förbränningssynpunkt, med generellt både lägre askhalt och en högre asksmältpunkt än åkerbränslen [7]. För att kunna bilda en hög andel växttillgängliga fosfater så är det en fördel med ett kaliumrikt bränsle [14] och då är bark och GROT mer kaliumrika än de renare stamvedsbränslena [7].
Termodynamiska beräkningar med hjälp av datorprogram är ett bra verktyg för att bedöma hur olika bränslen reagerar med varandra under förbränning [24]. Beräkningarna har begränsningar i hur omfattande de använda databaserna är, men ger ändå en indikation om vilka askrelaterade problem som kan förväntas under drift och vara ett stöd för att bestämma inblandningsgrader av olika bränslen [24].
2.5. Förbränningstekniker
Fasta bränslen förbränns i huvudsak på roster, i fluidbädd eller med pulverbrännare [25].
Pulverbrännare anses dock inte som en lämplig teknik för slamförbränning på grund av slammets höga askhalt och låga värmevärde [7] och presenteras därför inte närmare. Roterugn är en teknik som används inom avfallsförbränning och då främst för farligt avfall men även för monoförbränning av slam [26].
2.5.1. Fluidbäddspannor
Fluidbäddspannor bygger på principen att partiklar sätts i rörelse med hjälp av en luftström.
Bädden består av sand och vilar på en platta som luft kan strömma upp genom, luften blåses genom bädden underifrån och skapar en kraftig omrörning. Bränslet förbränns i bädden och tack vare den stora värmekapaciteten i bäddmaterialet störs inte förbränningen av variationer i bränslets egenskaper på samma sätt som för andra typer av förbränningsanläggningar [27].
Ovanför bädden tillförs ytterligare luft i flera steg för slutförbränning. Lagringen av värme i bädden gör att förbränningen kan ske vid relativt låg temperatur, cirka 850°C, vilket gör att bildandet av NOx kan hållas låg [27]. Blir temperaturen i bädden för låg ökar utsläppen av bland annat oförbrända kolväten, men om bäddtemperaturen blir för hög riskerar bädden att sintra ihop [27].
Askan från en fluidbädd består i huvudsak av flygaska, den bottenaska som bildas blandas med bäddsanden som kontinuerligt byts ut1. Genom att askan blandas med bäddsanden ökar mängden material som måste hanteras och därmed också kostnaden för askhantering, vilken kan uppgå till 25 % av bränslekostnaden1. Utvecklingen av tekniker för att separera askfraktioner har dock gått framåt och kostnaden för askhantering har gått ner de senaste åren2. Fluidbäddspannor kan delas upp i två olika typer, bubblande fluidbädd (BFB) och cirkulerande fluidbädd (CFB). I en BFB är hastigheten på luftströmmen anpassad så att bränslebädden
1 Personlig kommunikation med Henik Hagman, Forskare vid Umeå Universitet, telefonsamtal, 2020-02-06.
2 Personlig kommunikation med Anders Vicorén, Sales and Project Manager, Valmet AB, telefonsamtal, 2020- 03-10.
6
bubblar vid en bestämd nivå och endast de finaste partiklarna lämnar eldstaden [28]. I storlekar över 10 MW är BFB konkurrenskraftiga vad gäller investeringskostnad, däremot är driftkostnaderna högre jämfört med rosterpannor [29].
I en CFB är lufthastigheten högre vilket ger en bättre omblandning mellan bränsle och gas [30], den högre lufthastigheten innebär dock att en större andel fasta partiklar som t.ex. oförbränt bränsle och aska följer med luftströmmen. Dessa partiklar avskiljs sedan i en eller flera cykloner och återförs till bränslebädden [28]. På grund av höga drift- och investeringskostnader är CFB oftast inte lönsamt för anläggningar mindre än 30 MW [29].
2.5.2. Rosterpannor
I en rosterpanna ligger bränslebädden på ett roster längst ner i pannan som består av rosterstavar. Rostrets två huvudfunktioner är att fördela primärluften och transportera bränslet framåt i pannan [31]. På detta roster sker torkning, pyrolys och förbränning av bränslet.
Rosterpannor finns i flera olika utföranden med antingen fast eller rörlig rost, där rörlig rost innebär att rosterstavarna kan röra sig för att påverka frammatningen av bränsle [31]. Primärluft för förbränningen tillförs under rostret, sekundär-, tertiär- och i vissa fall kvartärluft tillsätts för slutförbränning på olika nivåer i processen. [32]
Uppehållstiden i en rosterpanna är klart längre än i en fluidbädd, detta innebär att torkning och pyrolys sker långsammare och vid lägre temperatur än i en fluidbädd [16]. Koksförbränningen sker däremot ofta över 1000⁰C [16]. Rosterpannor kan hantera heterogena bränslen med stora partiklar och hög fukthalt, upp mot 65 % [29]. En sämre omblandning av bränslet på roster än i fluidbädd kan ge lokala temperaturtoppar/temperatursänkningar [16]. Driftkostnaderna och investeringskostnaderna är låga, framförallt för anläggningar upp till ca 20 MW [33]. Askan som bildas vid förbränning i rosterpanna är i huvudsak bottenaska, ca 80 % av total aska [34].
2.5.3. Roterugnar
Roterugnar har en förbränningskammare i form av en cylindrisk trumma med en viss lutning, genom att denna trumma roterar eller oscillerar transporteras bränslet genom trumman tack vare dess lutning [26]. Uppehållstiden i ugnen för bränslet är normalt mellan 30 och 90 minuter och temperaturen för oxiderande förbränning är vanligtvis över 850°C [26]. I många fall används även en efterförbränningskammare för att öka utbränningen [26].
2.6. Rökgasrening
Rökgasen som bildas vid förbränning kan innehålla ämnen som kan vara skadliga för människor eller miljö, beroende på vilket bränsle som förbränns ställs olika krav på rökgasreningen. Det finns flera metoder för stoftavskiljning som exempelvis spärravskiljare, dynamiska avskiljare och elektrostatiska avskiljare, vilka baserar sig på olika fysikaliska principer [35]. En teknik för att minska utsläppen av NOx är SNCR som innebär att ammoniak eller urea tillsätts i eldstadens övre del vilket gör att NOx reduceras till N2 och H2O [36]. Genom att använda en våtskrubber kan utsläppen av bland annat syror och kvicksilver minskas och vid tillsatts av släckt kalk kan halterna av SO2 sänkas [36].
Slam innehåller höga halter av kväve och svavel vilket kan leda till ökade kostnader i rökgasreningen för att hålla nere halterna av NOx och SO2 [24]. Forskning har dock visat att över 90 % av kvävet som frigörs vid förbränning kan reduceras till N2 enbart med hjälp av fördelning av förbränningsluften [37]. SO2 är en av de föreningar som det finns lagstadgade gränsvärden för hur mycket som får släppas ut vid förbränning [38]. En del av den SO2 som
7
bildas vid förbränningen bildar SO3 som i sin tur reagerar med vattenånga och bildar svavelsyra när temperaturen i rökgaserna sjunker [37]. Denna svavelsyra kan leda till korrosionsproblem på ytor som har en temperatur under svavelsyradaggpunkten [37].
Rökgas innehåller vattenånga vilket inte är skadligt för omgivningen men kan vara skadligt för anläggningen då det kan orsaka korrosion [35]. Vattenångan kan härstamma från fukt i bränslet eller från vatten som bildats vid förbränning av väte i bränslet [25]. Genom rökgaskondensering (rgk) kan en anläggnings effektivitet ökas genom att ta tillvara på energi som annars skulle gått förlorad genom skorstenen i form av vattenånga [25]. Rökgasens temperatur efter rökgasrening är vanligtvis 100-200°C och i rökgaskondenseringen återvinns både kondenseringsenergi och energi från temperatursänkning [25]. Generellt ger rökgaskondensering en högre ökning av totalverkningsgraden ju fuktigare eller väterikare bränsle som används [25]. En förutsättning för rökgaskondensering är att det finns en värmesänka, exempelvis ett fjärrvärmenät, med tillräckligt låg temperatur för att vattenångan ska kondensera, normalt krävs en kyltemperatur på under 50-55°C [25]. Det finns i huvudsak 3 olika typer av utrustning för rökgaskondensering;
lamellkylare, tubkylare och skrubber med extern värmeväxling [25]. Prestandan skiljer inte nämnvärt mellan de olika teknikerna men skrubbern har något högre avskiljningsförmåga av föroreningar i rökgaserna [25].
2.7. Regelverk
En förbränningsanläggning ansluten till ett fjärrvärmenät med en total installerad tillförd effekt på minst 20 MW omfattas av EU:s regelverk för handel med utsläppsrätter [39]. Detta innebär att det krävs ett tillstånd för utsläpp av växthusgaser, detta tillstånd utfärdas av Naturvårdsverket [40]. Det är även Naturvårdsverket som är tillsynsmyndighet samt sköter tilldelningen av utsläppsrätter [41]. Det är endast för den fossila andelen av CO2-utsläppen som utsläppsrätter behöver annulleras3.
Avloppsslam räknas som avfall och därmed lyder en förbränningsanläggning av avloppsslam under Förordning (2013:253) om förbränning av avfall. Denna förordning innebär bl.a.
• ”24 § Den som driver en förbränningsanläggning ska i fråga om att ta emot avfall och lämna avfall vidta de åtgärder som behövs för att så långt det är möjligt hindra eller begränsa förorening av luft, mark, ytvatten och grundvatten, andra negativa effekter på miljön samt dålig lukt, buller och andra olägenheter för människors hälsa.
• 26 § Den som driver en förbränningsanläggning ska i fråga om restprodukter vidta de åtgärder som behövs för att
1. minimera restprodukternas mängd och skadlighet,
2. transportera torrt stoft på ett sådant sätt att det inte sprids i miljön, 3. analysera restprodukterna för att bestämma deras fysikaliska och kemiska egenskaper samt föroreningspotential, och
4. återvinna restprodukterna i eller utanför anläggningen, om detta är möjligt.
• 32 § En förbränningsanläggning ska vara konstruerad, utrustad och byggd samt drivas på ett sådant sätt att, även under de mest ogynnsamma förhållandena,
temperaturen hos rökgaserna i förbränningsprocessen vid förbränning av avfall höjs på ett kontrollerat och homogent sätt till
1. minst 850°C och håller minst den nivån under minst två sekunder.
3 Personlig kommunikation med Maria Nordberg, Miljöingenjör, Umeå Energi, e-post 2020-05-16.
8
• 57 § Från en avfallsförbränningsanläggning får utsläpp till luft i genomsnitt under varje dygn inte innehålla
1. stoft med mer än 10 milligram per kubikmeter normal torr gas,
2. totalt organiskt kol med mer än det som motsvarar 10 milligram per kubikmeter normal torr gas,
3. väteklorid med mer än 10 milligram per kubikmeter normal torr gas, 4. vätefluorid med mer än 1 milligram per kubikmeter normal torr gas, 5. svaveldioxid med mer än 50 milligram per kubikmeter normal torr gas, och 6. kväveoxider med mer än
a) 400 milligram per kubikmeter torr rökgas, om anläggningen är en 2002- anläggning vars förbränningskapacitet är högst 6 ton per timme, eller
b) 200 milligram per kubikmeter torr rökgas, om anläggningen inte omfattas av a.…” [38]
De gränsvärden som anges i 57 § gäller för avfallsförbränningsanläggningar, för en anläggning som definieras som samförbränningsanläggning bestäms gränsvärdena istället genom en blandningsberäkning [38]. I tillägg till det gränsvärde för kväveoxider finns även en miljöavgift för kväveoxider vid energiproduktion [42]. Denna avgift är 50 kronor per kg utsläppta kväveoxider, räknat som kvävedioxid [42].
En skatt på avfallsförbränning infördes under april 2020 vilket innebär en ökad kostnad för förbränning av avloppsslam. [15] Under år 2020 och 2021 gäller övergångsregler med en lägre skattesats, men från den första januari 2022 blir skatten 125 kr per ton avfall, detta belopp kommer följande år att justeras efter rådande prisindex. Den som är skatteskyldig får göra avdrag för avfall som förs ut från anläggningen samt för ämnen eller föremål som upphört att vara avfall och förs ut från anläggningen. [43]
I januari 2020 presenterades utredningen Hållbar slamhantering som beställts av regeringen för att föreslå hur ett krav på utvinning av fosfor ur avloppsslam och ett förbud mot att sprida avloppsslam bör utformas. Utredningens förslag innebär i punktform:
• ”förbud mot spridning av avloppsslam på eller i mark genom (1) totalt spridningsförbud med mycket begränsade undantag, eller (2) spridningsförbud med utgångspunkt i att eventuella risker kan hanteras och åtgärdas – undantag medges enligt detta alternativ för hygieniserat och kvalitetssäkrat slam på produktiv jordbruksmark,
• återvinningskrav på minst 60 procent av den fosfor som finns i avloppsslammet för allmänna avloppsreningsanläggningar överstigande 20 000 pe,[pe = personekvivalent, författarens anm.]
• uppdrag till Naturvårdsverket att efter samråd med andra berörda myndigheter föreslå kompletterande reglering för andra organiska gödselmedel. Förbud mot slamspridning bedöms annars leda till att avloppsfraktioner i olika former, som biokol, kan spridas som ersättning för slam utan större begränsningar eller kvalitetskrav...”. [15]
För askspridning på skogsmark finns rekommendationer av skogsstyrelsen avseende lägsta och högsta halter av vissa ämnen [44], dessa presenteras i Tabell 1.
9
Tabell 1. Av skogsstyrelsen rekommenderade högsta och lägsta halter av ämnen i askprodukter avsedda för spridning i skogsmark, rekommendationerna avser torrsubstanshalter [44].
Rekommenderade halter
Ämne Lägsta Högsta
Makronäringsämnen (g/kg ts)
Kalcium 125
Magnesium 15
Kalium 30
Fosfor 7
Spårämnen (mg/kg ts)
Bor 800
Koppar 400
Zink 500 7000
Arsenik 30
Bly 300
Kadmium 30
Krom 200
Kvicksilver 3
Nickel 70
Vanadin 70
I dagsläget finns ingen preciserad lagstiftning för vad som gäller för spridning av aska på åkermark, utan det är det allmänna hänsynsreglerna i miljöbalken som gäller [45]. De allmänna hänsynsreglerna ställer krav på att miljöriskerna ska vägas mot de vinster som spridningen ger, det vill säga näringstillförseln [45]. I avsaknad av regelverk kan de gränsvärden som gäller för slamspridning användas som riktlinje även för spridning av aska [46]. De gränsvärden som gäller för avloppsslam avsett för spridning på åkermark presenteras i Tabell 2.
Tabell 2. Gränsvärden för högsta halter av ämnen i avloppsslam avsett att spridas på jordbruksmark i Sverige, enligt SFS 1998:944 [15].
Ämne Högsta halter
(mg/kg ts)
Bly 100
Kadmium 2
Koppar 600
Krom 100
Kvicksilver 2,5
Nickel 50
Zink 800
2.8. Fosforåtervinning
Enligt utredningen Hållbar slamhantering [15] bör fosfor från slam återföras till kretsloppet, spridningen måste då ske på mark där fosfor kan nyttiggöras, d.v.s. produktiv jordbruksmark.
Med produktiv jordbruksmark avses mark som används för alla former av livsmedels-, industri-
10
, foder- eller energigrödor. Det är endast då spridning av fosfor kan svara mot begreppet återvinning. Återföring till annan mark som t.ex. skogsmark kan inte på samma sätt leda till upptag och nyttiggörande av fosfor i växter som skördas och innebär därför inte att fosfor återförs på ett cirkulärt sätt. Traditionellt har gödsling av skogsmark främst bedömts behöva tillgodose behovet av kväve. Det finns dock indikationer på att för vissa typer av skogsmark kan fosfor vara tillväxtbegränsande. Gödsling på skogsmark med granulerad aska från samförbränning av slam och skogsbränslen kan mot den bakgrunden vara en väg till cirkulär återföring.
Fosfor från förbränningsaska kan antingen återvinnas genom direkt askspridning eller genom att skapa en förädlad fosforprodukt genom ett efterföljande behandlingssteg [18]. En förutsättning för att direkt askspridning ska kunna ske är att askan inte innehåller för höga halter av tungmetaller [15]. Ytterligare aspekt vid direkt askspridning är hur fosforn är bunden i askan då detta avgör hur bra växttillgängligheten är [46].
Det finns olika tekniker för att återvinna fosfor ur aska, men oavsett teknik så är en så hög fosforhalt som möjligt önskvärt för att få en så bra systemlösning som möjligt [47]. Att samförbränna slam med ett biobränsle gör att slamaskan späds ut så att fosforinnehållet sjunker, för att bibehålla en hög fosforkoncentration bör därmed biobränslet ha en låg askhalt [47]. En teknik som ska vara ekonomisk lönsam för aska med ett fosforinnehåll ned till 4 % och därmed kan vara aktuell för samförbränd aska är EasyMinings teknik [48]. Processen bygger på en upplösning av askan i syra följt av olika steg av bland annat vätskeextraktion och kemisk utfällning, där den utvunna fosforn kommer ut ur processen som vattenlöslig ammoniumfosfat.
En tidigare studie visar att EasyMinings teknik är bäst anpassad för bottenaska och ger en lägre verkningsgrad för flygaska [24]. Vilken förbränningsteknik som används påverkar vilken slags aska som bildas, vid rostereldning bildas främst bottenaska medan majoriteten av askan från eldning i fluidbädd är flygaska, den bottenaska som produceras i fluidbädd är också blandad med bäddsand [34][24].
En annan process för fosforåtervinning är Outotecs ASH DEC vilket är en termokemisk process för att eliminera tungmetaller från aska och göra askan till en växttillgänglig fosforprodukt.
Processen innebär att alkali tillsätts och mixas med askan som sedan upphettas till ca 800- 1000°C varvid tungmetallerna övergår i gasform och ersätts av alkali [49]. Även ASH DEC fungerar med fosforhalter på 4-5 % eller högre [47].
2.9. Investeringsberäkning
Det finns olika metoder för att bedöma en investerings lönsamhet, en metod som passar vid enskilda investeringar är nuvärdesmetoden [50]. Genom att räkna om alla framtida betalningar till början av år ett kan detta jämföras med grundinvesteringen [50]. Lönsamhet uppnås om nuvärdet av ett framtida inbetalningsöverskott är större än grundinvesteringen [50], vilket innebär att nettonuvärdet NNV i Ekvation 1 är positivt.
𝑁𝑁𝑉 = 𝑅𝑛
(1+𝑟)𝑛− 𝐺 + ∑ 𝑎𝑖
(1+𝑟)𝑖
𝑛𝑖=1 (1) G är grundinvestering, n är ekonomisk livslängd, Rn är restvärde år n, r är kalkylränta och ai är årligt inbetalningsöverskott.
11
3. Projektspecifika förutsättningar
I detta kapitel presenteras viss projektspecifik teori samt lokala förutsättningar som detta projekt baseras på.
3.1. Slamproduktion i Umeå
Reningsverket på Ön i Umeå tar emot avloppsvatten från mer än 80 000 hushåll och företag där de det renas innan vattnet släpps ut i Umeälven [8]. Reningen sker genom biologisk och kemisk rening, de ämnen som inte bryts ner sjunker till botten av stora bassänger och bildar slam [8].
Slammet pumpas till en rötkammare där det under 15 till 20 dygn bryts ned av bakterier vilket frigör biogas som används för uppvärmning av anläggningen [8]. Slam från 18 andra reningsverk rötas också vid reningsverket på Ön [8]. I dagsläget producerar reningsverket ca 10 000 ton avvattnat rötslam per år men Umeås befolkningsmängd förväntas öka [51] och reningsverkets slamhantering är dimensionerad för att klara av den beräknade befolkningsökningen fram till år 20504.
3.2. Bränslen för samförbränning
Det åkerbränsle som ofta bedöms ha störst potential på kort sikt är halm, tillgången på halm i Sverige varierar dock och i norra Sverige finns det inte något överskott på halm [52]. Ett åkerbränsle som passar bra att odla på mark som inte kan användas för livsmedelsproduktion och ger goda skördar på myrmark i norra Sverige är rörflen [53]. Energiinnehållet för rörflen som bränsle motsvarar ca 22 MWh/ha och i Norrbotten och Västerbotten har 30 000 ha identifierats som lämpliga för rörflen [53]. När projektet Bioenergigårdar i ett nytt landskap avslutades 2011 fanns det 500 ha rörflensodlingar i Västerbotten [54]. Projektet visade att rörflen har svårt att konkurrera prismässigt med andra biobränslen eftersom det är ett mer krävande bränsle att hantera än till exempel skogsflis och är svårt att mixa med andra biobränslen [54]. På grund av sin låga densitet är korta transportavstånd, upp till 7-8 mil, viktigt för att behålla lönsamheten för rörflen [55]. Vårskördad rörflen uppvisar i genomsnitt högre asksmältpunkt än jämförbara biobränslen, den höga asksmältpunkten är särskilt värd att notera eftersom sintring av askan anses vara ett av stråbränslenas stora problem [56].
Trädbränslen är generellt lätta att elda och har en låg askhalt [7]. De renaste trädbränslena är flis och spån av stamved, de är en restprodukt från skogsindustrin men dessa bränslen är även attraktiva för vidareförädling till exempelvis spånskivor eller pellets vilket kan öka konkurrensen i framtiden5. Både bark och GROT förväntas ha en god tillgång framöver och ett högre innehåll av kalium anses positivt om askan ska spridas direkt. Bark innehåller även en hög andel kalcium vilket kan bidra till att minska mängden SO2 [23]. Fukthalten i bark kan variera kraftigt5 och det kan vara fördelaktigt att pressa eller torka barken innan förbränning [7].
Även returträ är ett bränsle som tack vare ett lågt pris och låg fukthalt skulle passa bra som sameldningsbränsle med slam, en hög askhalt är dock negativt då det sänker fosforhalten i askan [7]. Konkurrensen på returträ har ökat de senaste åren både som bränsle och för materialåtervinning5 . Returträ kan dessutom vara kontaminerade med höga halter av zink och bly, samt innehålla förhöjda halter av exempelvis klor, svavel, arsenik och krom [7].
Drifterfarenheter visar att risken för besvärliga beläggningar och korrosion allmänt tycks öka
4 Personlig kommunikation med Sara Boström, Processingenjör, Vakin, e-post, 2019-10-25.
5 Personlig kommunikation med Jennica Viksten, Strategisk Inköpare, Umeå Energi, e-post, 2019-10-22.
12
med ökad inblandning av returflis, dessutom genererar returflis en mer problematisk aska än skogsflis [7].
3.3. Hantering av slam och aska
Erfarenheter från slamtorkning i en anläggning i Mora bekräftar att det kan vara problematiskt att torka slam, i anläggningen som i dagsläget inte är i drift krävdes det mycket jobb av personalen för att sköta driften6. Enligt personer med erfarenhet av slamförbränning är det oftast inte nödvändigt med torkning av slammet vid samförbränning och en tillräckligt homogen bränsleblandning bedöms kunna uppnås genom blandning med kran eller traktor7, 8, 9. Beredning av slambränsleblandningar bör göras så nära förbränning som möjligt för att undvika att komposteringsprocessen börjar bryta ner bränslet [24].
Fosfor kan återvinnas från slam med många olika tekniker som har sina respektive för- och nackdelar. Den utredning som nyligen presenterades för regeringen konstaterade att ingen av de tekniska processer som inventerats uppfyller alla utredningens krav [15]. ”Fosfor kan återvinnas ur slam, men andra makronäringsämnen förloras med flertalet tillgängliga tekniker.
Hög återvinning av fosfor kräver slamspridning alternativt pyrolys/förbränning av slam eller att flera flöden i reningsanläggningen hanteras. Genomförda LCA-analyser ger inte entydiga besked inför valet av teknisk process.”. I detta arbete är det dock endast fosforåtervinning från förbränningsaska som utreds.
En direktspridning av askan är ekonomiskt fördelaktig då kostsam efterbehandling undviks [18]. Hur fördelaktigt direktspridning av aska är beror på hur marknaden för askåterföring ser ut och vem som står för kostnaden. Enligt en entreprenör som bedriver askspridning på skogsmark innebär detta en kostnad för anläggningsägaren på 400-700 kr/ton för omhändertagande av askan [57]. I en rapport som undersökt förutsättningen för spridning av askgranuler på jordbruksmark beräknas spridningen istället ge anläggningsägaren en nettointäkt på 910 kr/ton aska [58]. EasyMining planerar en storskalig anläggning för återvinning av fosfor antingen i Helsingborg eller Sölvesborg som ska klara hälften av Sveriges behov av fosfor [59].
Denna anläggning ska kunna hantera både mono- och samförbränd aska och mottagningsavgiften väntas bli ca 1000-1200 kr/ton10.
3.4. Fjärrvärmenätet
Fjärrvärmenätet som försörjer Umeå och Holmsund består av 45 mil ledningar och försörjs av 8 produktionsanläggningar där Dåva kraftvärmeverk med sina två pannor står för den största delen av värmeproduktionen11. Följande information om fjärrvärmenätet kommer från samtal med J. Lundblad12. Antalet anslutna kunder väntas öka tack vare den förväntade befolkningstillväxten i Umeå, men med hjälp av energieffektivisering förväntas inte värmebehovet att öka i samma omfattning. Det finns vissa äldre anläggningar som i framtiden
6 Personlig kommunikation med Marcus Mjöberg Smedhs, Drifttekniker, Nodava, telefonsamtal, 2019-11-14.
7 Personlig kommunikation med Aditi Bhasin, Projektledare, IVL Svenska Miljöinstitutet, telefonsamtal, 2020- 02-25.
8 Personlig kommunikation med Nils Skoglund, Ph.D. Umeå Universitet, 2019-10-17.
9 Personlig kommunikation med Susanne Paulrud, Forskare, SP Technical Research Institute of Sweden, telefonsamtal, 2020-01-15.
10 Personlig kommunikation med John Svärd, Business development Manager, EasyMining Sweden AB, e-post, 2020-03-27.
11 Information från Umeå Energis intranät, hämtat 2020-03-05.
12 Personlig kommunikation med Jessica Lundblad, Planeringsingenjör, Umeå Energi, 2019-10-16.
13
kan behöva bytas ut, dessutom finns det föraningar om att nya regler kommer att innebära att oljeanläggningar kommer att behöva ersättas till år 2030. Om samtliga oljeanläggningar kommer att behöva stängas innebär det en kapacitetssänkning i produktionen med ca 150 MW.
När båda pannorna på Dåva kraftvärmeverk, Dåva 1 och Dåva 2, går för fullt utnyttjas all kapacitet på ledningen in till Umeå och därmed behövs en ny ledning om produktionskapaciteten på Dåva ska ökas. Det finns områden på nätet där det i dagsläget är problem att hålla tillräckliga temperaturer utan att behöva utnyttja spetsproduktion, framförallt på området västerut vid Backen. Det har länge funnits tankar om en ny fjärrvärmeledning mellan Röbäck och Backen, vilket skulle åtgärda detta problem men det är en kostsam investering och det är osäkert om eller när en sådan investering kan bli verklighet.
3.5. Anläggningar och tidigare försök
Försök med samförbränning av avloppsslam och returträflis i rosterpanna genomfördes i fullskala i Enköping med en inblandningsgrad av slam på ca 13 % och 19 % ts [24]. Försöken genomfördes under 12 timmar och resultaten visade på en minskad benägenhet till slaggning av bränslebädden samt lägre halter korrosiva alkaliklorider i flygaskan vid samförbränning med slam [24]. Samförbränningen gav upphov till en ökning av både NOx- och SO2-halterna, där SO2 halterna var de som ökade mest och som skulle innebära krav på förbättrad rökgasrening för att klara de lagstadgade kraven [24]. Förutom en bra rökgasrening anses ett askutmatningssystem som klarar den högre askhalten vara det viktigaste för att kunna elda slambränsleblandningar med hög andel slam [24]. Studien innefattade även försök med fosforåtervinning ur askan med EasyMinings teknik och visade att det i första hand är bottenaska som lämpar sig för denna metod [24]. Den högre inblandningen av slam gav en bottenaska med 3,8-3,9 % fosfor [24].
Vid förbränningsförsök i mindre skala studerades hur fosfortillsats (bl.a. i form av rötslam) till typiska biobränslen påverkar beläggningsbildningen och askrelaterade problem [60]. Försöken genomfördes både i en bubblande fluidbädd i bänkskala på 5 kW och en pelletsbrännare på 20 kW [60]. Resultaten visar en minskad agglomereringstendens vid tillsats av rötslam till både halm och GROT [60]. Tillsats av rötslam minskade slaggningstendensen hos halm medan det ökade slaggningstendensen hos GROT [60]. Från försöken dras slutsatsen att det generellt behövs inblandningsgrader som ger en molkvot P/(K+Na+2/3Mg+2/3Ca) i bränslemixen som närmar sig 1 [60].
År 2002 byggdes en anläggning för torkning och förbränning av avloppsslam i Mora. I samtal med ansvariga vid anläggningen har följande information framkommit13, 14. Anläggningen består av en rosterpanna med fast rost som genom två värmeväxlare överför värmen till luft som används för att torka slammet i en bandtork. Till en början eldades det torkade slammet men på grund av korrosionsproblem på bland annat en av värmeväxlarna övergick man till att elda pellets för att driva torken. Orötat slam med 25 % ts har torkats vid 165°C till 85 % ts och luften från torken har använts vid förbränningen i pannan. Det har inte varit några luktproblem utanför anläggningen till följd av slamtorkningen. Det har krävts mycket arbete av personalen för att ha anläggningen i drift, vanliga problem har till exempel varit stopp i dysorna som sprider slammet på torken. Anläggningen var i drift till 2018 men används i dagsläget inte.
13 Personlig kommunikation med Marcus Mjöberg Smedhs, Drifttekniker, Nodava, telefonsamtal, 2019-11-14.
14 Personlig kommunikation med Kent Sörlin, Arbetsledare, Nodava, telefonsamtal, 2019-11-14
14
4. Metod
Projektet bestod till stor del av att sammanställa befintlig kunskap kring förbränning av avloppsslam vilket genomfördes i form av en litteraturstudie samt personlig kommunikation med ett flertal personer inom området. Med stöd från denna kunskap samt egna beräkningar med programvarorna Factsage och Excel har förslag tagits fram för de frågeställningar som listas under rubrik 1.1. Syfte och mål. För att kunna ge förslag på dessa frågeställningar som är beroende av varandra så valdes ett tillvägagångssätt där frågeställningarna i huvudsak behandlats i följande ordning:
1. Bör det vara mono- eller samförbränning?
2. Vilket biobränsle är lämpligt vid eventuell samförbränning?
3. Hur stor bör anläggningen vara?
4. Vilken typ av panna bör användas?
5. Var är en lämplig placering av anläggningen?
6. Kan anläggningen antas bli ekonomiskt lönsam?
Detta är den ordningsföljd i vilken beslut har fattats men en helhetsbild har hela tiden hafts i åtanke då besluten i stor grad påverkar varandra. I detta avsnitt redovisas antaganden samt beräkningar som har genomförts.
4.1. Mono- eller samförbränning
Storleken för en förbränningsanläggning bestäms av mängden producerat rötslam vid Vakins avloppsreningsverk på Ön i Umeå samt inblandningsgrad av slam vid eventuell samförbränning. Reningsverkets slamhantering är dimensionerad för att kunna hantera ca 50 % mer slam än idag15 och därför har 15 000 ton/år använts som dimensionerande för förbränningsanläggningen. I vilken omfattning en förbränningsanläggning för slam kan producera värme till fjärrvärmenätet beror till stor del av den tillförda bränsleenergin, vilken kan beräknas med Ekvation 2.
𝐸 = 𝑚̇ ∙ 𝐻𝑒𝑓𝑓∙ 𝑡 (2)
Den tillförda bränsleenergin E är produkten av det effektiva värmevärdet Heff,i ochbränsleflödet 𝑚̇ under en viss tid t. Vid monoförbränning är den levererade värmeenergin begränsad av energiinnehållet i slammet. Vid samförbränning kan däremot inblandningsgrad av slam väljas för att uppnå önskad mängd levererad värmeenergi.
4.2. Sameldningsbränslen och inblandningsgrad
I detta projekt används ett åkerbränsle och ett trädbränsle för att utreda vilka möjligheter de har att fungera som sameldningsbränslen med rötat avloppsslam, antingen enskilt eller i en gemensam bränslemix.
Halm är det åkerbränsle som på kort sikt anses ha den högsta potentialen, men eftersom det inte finns något överskott på halm i norra Sverige [52] valdes rörflen som har goda möjligheter att produceras lokalt [53]. Vårskördad rörflen uppvisar dessutom i genomsnitt en högre asksmältpunkt än andra jämförbara biobränslen, minst i klass med trädbränslen [56]. En hög asksmältpunkt är bra då smält aska ger driftproblem och anses vara ett av stråbränslenas stora problem [56].
15 Personlig kommunikation med Tomas Johansson, Produktionsledare, Vakin, 2019-11-11.
15
Vad gäller val av trädbränsle fick den förväntade tillgången bli en viktig parameter, de renare trädbränslena som spån och flis förväntas i första hand gå till vidareförädling i framtiden16. Även tillgången på returträ väntas minska17, dessutom finns risk att ett högre innehåll av föroreningar kan begränsa möjligheterna för direktspridning av aska. Både bark och GROT förväntas ha en god tillgång framöver och innehåller mer kalium än stamvedsbränslen vilket anses positivt om askan ska kunna spridas direkt. Av dessa bränslen är bark en mer utpräglad restprodukt som behöver någon form av omhändertagande. För att vara ett trädbränsle är bark relativt problematiskt då det tenderar att bilda korrosiva klorider16 [7], men om anläggningen är dimensionerad utifrån ett svårare bränsle bör det vara lättare att byta mot någon annan typ av trädbränsle vid behov. Sammantaget utifrån detta valdes bark för ytterligare utvärdering för sameldning med avloppsslam. Utvärderingen av bränslena genomfördes i första hand genom termodynamiska beräkningar och litteraturstudier.
En viktig parameter för fosforutvinning ur förbränningsaska är fosforkoncentrationen, Pa, i askan. Denna beräknades med Ekvation 3, där Pbr är fosforkoncentrationen i bränslet och A är askhalten.
𝑃𝑎 = 𝑃𝑏𝑟
𝐴 (3)
4.2.1. Termodynamiska jämviktsberäkningar
Vid förbränning av askrika bränslen finns risk att askan smälter vilket kan leda till sämre förbränning och driftstörningar med ökade kostnader som följd [61]. När askan smälter på eller i närheten av rostret i en rosterpanna kallas detta för slaggning [61]. Smält aska i en fluidbädd kan leda till att bäddpartiklar klumpar ihop sig, detta kallas bäddagglomerering eller bäddsintring [62]. I denna rapport används uttrycket slaggning för att beskriva problem med smält aska.
Vid förbränning av slam bildas mycket aska vilket innebär att effekterna av slaggning kan bli problematiska att hantera. Det anses därför viktigt att ta hänsyn till slaggning vid val av bränslemix och förbränningsteknik. För att uppskatta vid vilka temperaturer som problem med slaggning uppstår för olika blandningsförhållanden mellan slam, rörflen och bark genomfördes termodynamiska jämviktsberäkningar med hjälp av programvaran Factsage 7.3. De huvudsakliga askbildande ämnena anses vara K, Na, Ca, Mg, Al, Fe, Si, P, S, och Cl [63], de användes därför vid beräkningarna tillsammans med de elementära ämnena C, H, O, och N.
Halterna av de olika ämnena för bark och rörflen hämtades från Bränslehandboken [7], data för slammet erhölls från Vakin18. Sammansättningen för de olika bränslena kan ses i Tabell 3.
Då den summerade mängden av askbildande ämnen inte motsvarade den totala askmängden i bränslet har det approximerades att skillnaden utgörs av syre, detta då dessa ämnen är bundna till syre i form av oxider19.Vid beräkningarna antogs en oxiderande miljö vid atmosfärstryck och ett lamdavärde på 1,25 användes. FTOxid, FTSalt och FactPS var de databaser i Factsage som utnyttjades. Det var framförallt FTOxid-Slag B som användes för att studera vid vilka temperaturer som askan smälter och bildar slagg. Beräkningarna genomfördes för ett flertal olika bränsleblandningar i temperaturintervallet 650 till 1200°C. Vid beräkningar med rörflen
16 Personlig kommunikation med Jennica Viksten, Strategisk Inköpare, Umeå Energi, e-post, 2019-10-22.
17 Personlig kommunikation med Jennica Viksten, Strategisk Inköpare, Umeå Energi, e-post, 2019-10-25.
18 Personlig kommunikation med Sara Boström, Processingenjör, Vakin, e-post, 2019-09-13.
19 Personlig kommunikation med Nils Skoglund, Ph.D. Umeå Universitet, 2019-11-13.
16
och slam studerades inblandningsgrader av slam från 5 % till 60 %. För bark med inblandning av slam studerades inblandningsgrader från 5 % till 40 %. För bark med inblandning av både slam och rörflen studerades 10–25 % inblandning av slam i kombination med 10–20 % inblandning av rörflen.
Tabell 3. Värmevärde och sammansättning för bark, rörflen och slam, ts=torrsubstans.
Bark Rörflen Slam
Fukthalt 57,2 14,4 71,5 %
Effektivt värmevärde 7,0 13,84 1,77 MJ/kg
Aska 3,0 5,9 40,4 vikt-% ts
Kol, C 52,2 45,7 31,3 vikt-% ts
Väte, H 5,92 5,60 4,41 vikt-% ts
Syre, O 38,6 41,1 19,3 vikt-% ts
Svavel, S 0,029 0,17 1,13 vikt-% ts
Kväve, N 0,30 1,09 3,76 vikt-% ts
Klor, Cl 0,019 0,77 0,059 vikt-% ts
Aluminium, Al 0,060 0,017 0,90 vikt-% ts
Kalcium, Ca 0,79 0,39 1,90 vikt-% ts
Järn, Fe 0,034 0,019 11,0 vikt-% ts
Kalium. K 0,14 0,76 0,16 vikt-% ts
Magnesium, Mg 0,058 0,13 0,27 vikt-% ts
Natrium, Na 0,018 0,042 0,15 vikt-% ts
Fosfor, P 0,036 0,02 3,83 vikt-% ts
Kisel, Si 0,22 1,29 2,48 vikt-% ts
Syre i oxider, O 1,65 3,06 19,8 vikt-% ts
För den bränsleblandning som ansågs mest relevant utfördes beräkningar på rökgaserna för att se vilka mängder av några vanliga föreningar som kan förväntas. Detta utfördes genom att exportera en gasström vid en viss temperatur som sedan användes i en ny jämviktsberäkning där gasen får svalna ner till 100°C. I detta fall gjordes försök vid tre olika temperaturer 950°C, 1050°C och 1200°C. De olika temperaturerna motsvarar den temperatur vid vilken gasen bildas, alltså temperaturen i bränslebädden. Att använda gaser vid olika temperatur ger möjligheten att se hur förbränningstemperaturen påverkar rökgaserna.
4.3. Dimensionering av anläggning
De bränsledata som användes för dimensionering för rörflen och slam kan ses i Tabell 3. För bark genomfördes dessa beräkningar med antagande om en fukthalt på 54 % vilket ger ett effektivt värmevärde på 7,74 MJ/kg, denna fukthalt är baserad på siffror från Umeå Energi20. För inblandningsgrader där ett förhållande mellan de olika bränslena anges så avses förhållandet av ts.
Dimensionering av den tänkta anläggningen genomfördes genom att utifrån den föreslagna inblandningsgraden beräkna hur mycket energi som tillförs anläggningen med Ekvation 2.
Genom att dividera den totala årligen tillförda bränsleenergin med den årliga drifttiden och
20 Personlig kommunikation med Jennica Viksten, Strategisk Inköpare, Umeå Energi, e-post, 2019-10-22.
17
multiplicera med anläggningens verkningsgrad fås anläggningens levererade effekt.
Anläggningens totalverkningsgrad inklusive rökgaskondensering antogs vara 95 % [25] [64].
Den årliga drifttiden uppskattades av Umeå Energi genom beräkningar där den tänkta slamförbränningsanläggningen antas få hög prioritet. En hög prioritet möjliggör en hög drifttid vilket innebär att anläggningen kan vara mindre och även att mängden slam som behöver lagras minimeras. Beräkningarna genomfördes för två olika fall, det ena med en anläggning på 10 MW och det andra med en anläggning med 30 MW levererad effekt, utifrån kunde drifttiden uppskattas21.
4.4. Val av teknik
Val av panna baserades på den information som erhållits via litteraturstudier och personlig kommunikation utifrån valda sameldningsbränslen och storlek på anläggningen.
4.5. Val av plats
Placering av anläggningen baserades på den information som erhållits via litteraturstudier och personlig kommunikation.
4.6. Ekonomiska beräkningar
Ekonomiska beräkningar utfördes i form av ett huvudscenario utifrån föreslagen storlek och bränslemix, scenario 1. Detta scenario baseras på de förutsättningar som gäller i dagsläget för Umeås fjärrvärmenät. För att undersöka hur mycket förutsättningarna på fjärrvärmenätet påverkar resultatet skapades även investeringskalkyler för två alternativa scenarion. Scenario 2 med ett ökat behov av fjärrvärme samt scenario 3 för monoförbränning utan anslutning till fjärrvärmenätet.
4.6.1. Scenario 1, samförbränning utifrån dagens förutsättningar
För att det ska vara ekonomiskt lönsamt att ge en ny slamanläggning en hög drifttid krävs att den är billigare att nyttja än de befintliga pannor som ersätts. Ett krav på en maximal rörlig produktionskostnad om 100 kr/MWh har därför använts22. För att ta fram den rörliga kostnaden gjordes en uppskattning av rörliga intäkter och kostnader för slamanläggningen utifrån de antaganden som kan ses i Tabell 4. På grund av osäkerheter i ekonomin kring askspridningen antogs att bottenaskan kan spridas direkt på skogs- eller åkermark, denna spridning antogs vara kostnadsneutral. Flygaskan antogs däremot inte kunna spridas direkt utan innebär en kostnad i form av efterföljande behandling eller deponering. 80 % av askan har antagits vara bottenaska och resterande 20 % flygaska [34]. När det gäller beräkning av miljöavgift för NOx baserades denna på data ifrån tidigare försök med samförbränning av slam i en anläggning med rökgasrening med SCNR [24]. Det antogs att kväveutsläppen är proportionerliga mot kväveinnehållet och siffrorna från Bäfver et al. [24] normaliserades därför med avseende på kväveinnehållet i bränslemixen.
Det som i första hand går att påverka för att sänka den rörliga kostnaden är mottagningsavgiften för slammet. Därmed kan en mottagningsavgift som ger en tillräckligt låg rörlig produktionskostnad bestämmas.
21 Personlig kommunikation med Emma Lundström, Produktionsplanerare, Umeå Energi, e-post, 2019-11-01.
22 Personlig kommunikation med André Norberg, Produktionscontroller, Umeå Energi, e-post, 2020-03-16.
18
Tabell 4. Indata för ekonomiska beräkningar.
Bränslekostnad bark23 176 kr/MWh tillförd
Bränslekostnad rörflen [65] 190 kr/MWh tillförd
Bränslekostnad eldningsolja 24 1000 kr/MWh tillförd
Avfallsskatt på slam [43] 125 kr/ton
Skatteavdrag avfallsskatt25 9 % av betald avfallsskatt
Miljöavgift NOx [42] 50 kr/kg NO2
NOx i rökgaser [24] 34,2 mg/MJ tillfört bränsle
Återbetalning av miljöavgift NOx25 8,5 kr/MWh nyttiggjord
Hanteringskostnad flygaska26 1200 kr/ton
Pris utsläppsrätter27 290 kr/ton CO2
Kostnad drift och underhåll24 [66] 16 Mkr
Bränslehantering24 [66] 35 % av drift och underhåll
Underhållskostnader24 [66] 50 % av drift och underhåll
El och kemikalier24 [66] 15 % av drift och underhåll
Rörliga underhållskostnader24 10 % av underhållskostnader
Den rörliga produktionskostnaden påverkas inte av investeringens storlek eller fasta kostnader för drift och underhåll. För att kunna göra en bedömning av investeringens lönsamhet skapades därför en investeringskalkyl baserat på grundinvesteringen samt årliga intäkter och kostnader.
Hur de totala rörliga kostnaderna påverkas av en ny slamanläggning beräknades med hjälp av en simulering från Umeå Energi samt de rörliga produktionskostnaderna för befintliga anläggningar28, 29. Grundinvesteringen 𝐼1 har baserats både på generella schabloner från rapporter samt uppgifter om specifika anläggningar, både för biobränsleanläggningar och anläggningar för avfallsförbränning3031 [66][67][68][69][70][71]. Dessa investeringskostnader 𝐼2 har skalats upp/ner utifrån effekt eller bränsleflöde D2 till planerad storlek D1 med Ekvation 4. Skalfaktorn s har satts till 0,9 för rosterpannor och 0,64 fluidbäddar, 1,013 är en inflationsfaktor som motsvarar medelinflationen i Sverige under de senaste 20 åren [72], n avser antal år.
𝐼1 = 𝐼2
(𝐷2
𝐷1)𝑠× 1,013𝑛 (4)
Skalfaktorn för fluidbäddspannor har hämtats från tidigare forskning [73] medan skalfaktorn för rosterpannor har tagits fram genom en linjär anpassning utifrån siffror från en amerikansk rapport [66]. Driftkostnaderna har uppskattats utifrån samma amerikanska rapport samt
23 Personlig kommunikation med Jennica Viksten, Strategisk Inköpare, Umeå Energi, e-post, 2019-09-17.
24 Personlig kommunikation med André Norberg, Produktionscontroller, Umeå Energi, e-post, 2020-03-24
25 Personlig kommunikation med Åsa Benckert, Miljöingenjör, Umeå Energi, e-post, 2020-03-24.
26 Personlig kommunikation med John Svärd, Business development Manager, EasyMining Sweden AB, e-post, 2020-03-27
27 Personlig kommunikation med Maria Nordberg, Miljöingenjör, Umeå Energi, e-post 2020-05-16.
28 Personlig kommunikation med Emma Lundström, Produktionsplanerare, Umeå Energi, e-post, 2019-11-01.
29 Personlig kommunikation med André Norberg, Produktionscontroller, Umeå Energi, e-post, 2020-03-16.
30 Personlig kommunikation med Anders Vicorén, Sales and Project Manager, Valmet AB, telefonsamtal, 2020- 03-10.
31 Personlig kommunikation med Konny Lindberg, Planeringsingenjör, Umeå Energi, e-post 2020-01-14.
