Teknoekonomisk analys för enskild
slamförbränningsanläggning i Kiruna
Martin Vajstedt
Civilingenjör, Hållbar energiteknik
2018
Luleå tekniska universitet
i
Förord
Examensarbetet har utförts åt Tekniska Verken i Kiruna AB som avslutning inom inriktningen bioenergi och energieffektivisering för civilingenjörsprogrammet Hållbar energiteknik vid Luleå tekniska universitet. Examinator för projekten har varit Marcus Öhman som är professor inom energiteknik vid institutionen för teknikvetenskap och matematik på Luleå tekniska universitet. I examensarbetet har avdelningen för vatten och renhållning och dotterbolaget Kiruna Kraft AB på Tekniska Verken i Kiruna AB medverkat.
Jag vill tacka min handledare Bengt-Göran Rova, enhetschef för Kiruna vattenverk och Cecilia Engman, drift/miljöingenjör på TVAB för all hjälp med framtagning av viktiga data till projektet. Jag vill även tacka Conny Furvall och Emil Brännström, driftchef respektive energiingenjör på Kiruna Kraft AB som hjälpt till med rådgivning, besvarat på frågor och försett projektet med viktiga data. Tack även till Jakob von Essen som granskat rapporten.
Slutligen vill jag tacka min examinator Marcus Öhman som hjälpt till med upplägg av arbetet och rådgivning.
ii
Sammanfattning
Avdelningen vatten och renhållning på Tekniska Verken i Kiruna AB (TVAB) har idag
avsättningsproblem på restprodukter som förekommer på kommunala avloppsreningsverket i Kiruna. Rensavfallet från första reningstaget blandas idag in tillsammans med flis och avfall i avfallspannan på Kiruna kraftvärmeverk. Avloppsslam och fettavskiljarslam förblir lagrandes på reningsverket. TVAB vill se över hanteringen av producerad avloppsslam. Förbränning med eventuell utvinning av fosfor från bottenaska i en enskild anläggning i anslutning till reningsverket är därför ett alternativ som har undersökts i detta arbete.
Syftet med examensarbetet är att utifrån en teknoekonomisk analys utreda ifall förbränning av avloppsslam och restprodukter i en ny förbränningsanläggning är ett tänkbart alternativ för Kiruna kommun. Det som specifikt ska utredas är om det utifrån Kirunas förutsättningar, såsom tillgång på bränslen och värmeavsättning, är tekniskt möjligt och ekonomiskt intressant att investera i en ny förbränningsanläggning.
Varje år produceras ca 870 ton TS avloppsslam som lagras på slamplattan på Kiruna reningsverk. Tillsammans med slam från Kavaheden i Gällivare uppgår den totala slammängden i Kiruna med omnejd till ca 1500 ton TS per år. Det uppskattas finnas ca 27 ton TS i form av rensavfall och 45 ton TS i form av fettavskiljarslam. Dessa restprodukter antas kunna samförbrännas tillsammans med slam om det finns specialanpassad förbränningsutrustning som klarar av att hantera dessa bränslen. Vid förbränning av dessa slammängder bedöms mellan ca 10 respektive 18 ton TS fosfor återfinnas i den producerade bottenaskan beroende på om slam importeras från Gällivare eller inte. Eftersom bottenaskan kan innehålla höga halter tungmetaller är det dock inte säkert att tillvaratagande av växttillgängligt fosfor är möjligt för TVAB.
Spetslasten som nyttjar olja och bio-olja vid kraftvärmeverket utgör en värmemängd på ca 10 GWh och skulle kunna ersättas av en ny förbränningsanläggning på 4 MW med en drifttid om 2800 timmar. Vid en drifttid på 7500 timmar kan en värmemängd om ca 30 GWh produceras vilket ytterligare kan ersätta en del av mellanlasten vid kraftvärmeverket som utgörs av pellets och
spillvärme från LKABs verksamheter. För att kunna leverera 10- eller 30 GWh fjärrvärme i anläggning på 4 MW kommer det behöva importeras RT-flis från HRS-miljö i Narvik eftersom slammen och rensavfallet inte räcker till. Att importera slam från Gällivare kommun är mindre lönsamt än att importera RT-flis från Narvik. En årlig bränslekostnadsbesparing på 5,2 Mkr kan åstadkommas vid fallet om en drifttid på 2800 timmar när olja/bio-olja ersätts med slam/RT mix. Vid fallet om en drifttid på 7500 timmar, då spets- och mellanlast ersätts (30 GWh), blir motsvarande
bränslekostnadsbesparing 4,2 Mkr/år i fallet med import av slam från Gällivare och 6,1 Mkr/år utan slamimport. Vid nyttjande av rosterteknik från Jernforsen behöver slammen inte torkas om
slamandelen i bränsleblandningen är under 700 ton TS i fallet med en drifttid på 2800 timmar. Förbränningsalternativet med RT-slam mixen med en drifttid på 7500 timmar är lönsammare än att endast nyttja anläggningen under 2800 timmar. I fallet med en drifttid på 7500 timmar påverkas potentiellt fjärrvärmeleveranssäkerheten om pelletspannan ersätts.
iii
Abstract
Currently, the water cleaning division of Tekniska Verken i Kiruna AB (TVAB) doesn't know what to do with certain byproducts that produces from in the municipal sewage treatment plant in Kiruna, Sweden. Currently, screenings from the first mechanical cleaning stage are mixed with wood chips and incinerated in the waste boiler at the combined heat and power (CHP) plant of Kiruna. Grease trap waste and sewage sludge are left at the treatment plant. TVAB wants to look over the handling of the generated sewage sludge. Combustion with the possibility to extract phosphor from the bottom ash in a separate combustion facility at the treatment plant is an alternative that has been examined in this work.
The aim of the thesis is to investigate whether the investment of a new combustion plant for thermal handling of sewage sludge and other byproducts is technically and economically feasible for the Kiruna municipality. The investigation considers the resources and district heat demands available in the region when considering possible combustion technology and the economic performance for TVAB.
From the Kiruna treatment plant, about 870 tons DS (dry substance) per year of sludge is available, which together with sludge from the Kavaheden plant in Gällivare results in a total of approximately 1,500 tons DS per year available as fuel for combustion. An additional 27 tons DS of screenings and 45 tons DS of grease trap waste are available for co-combustion with sewage sludge. It is assumed that special equipment is needed to be installed to handle these materials. Either 10 or 18 tons DS per year of phosphor are totally produced and separated through the bottom ash if the total
amounts of available sludge is used, depending if additional sludge is imported from Gällivare or not. Since the ash will be contaminated and diluted with heavy metals, the feasibility of plant-friendly phosphor extraction is un-certain.
If the oil and bio-oil, currently used to provide peak load to the CHP plant, are replaced with a 4 MW, 2,800 hour/year run time facility for combusting sewage sludge, it is estimated that a heat load of 10 GWh would be sufficient to replace most of the peak power load. If a run time of 7,500 hours is used, the heat output of the facility would instead be 30 GWh. This would replace not only the peak load but also some of the need for wood pellets and waste heat from the LKAB pelletizing plants. Import of waste wood chips from the company HRS-miljö in Narvik, Norway, is needed to facilitate the generation of 10 or 30 GWh district heat, since the amount of sludge and waste in Kiruna is not enough. Import of sludge from Gällivare is not as profitable as increasing the fuel mix with more waste wood chips from Narvik. An annual fuel cost savings of 5.2 million SEK is predicted for the 2,800-hour run time scenario, if oil or bio-oil is replaced with the mix of sludge and waste wood. In the 7,500-hour run time case, when peak load and some regular load is replaced, the savings are estimated to 4.2 MSEK if sludge is imported from Gällivare, and 6.1 MSEK if no sludge is imported. If a grate technology from Jernforsen is used, the sludge will not need to be pre-dryed if the sludge’s share of the mix is less than 700 tons DS in an annual base in the case of the 2,800-hour run time. The two fuel mixture cases in the 7,500-hour run time scenario were found to be more economically attractive than the 2,800-hour run time scenario. In the longer run time case, however, the customer delivery reliability is potentially affected if the pellet boiler is replaced.
v
Innehåll
Förord ... i Sammanfattning ...ii Abstract ... iii Variabellista ... 1 1 Inledning ... 2 1.1 Bakgrund ... 2 1.2 Syfte ... 2 1.3 Mål ... 3 1.4 Avgränsning ... 3 1.5 Genomförande ... 3 2 Grundläggande information ... 42.1 Litteraturstudie om förbränningsteknik och slamförbränning ... 4
2.1.1 Allmänt om förbränning ... 4
2.1.2 Förutsättningar för god förbränning ... 4
2.1.3 Bränsleblandning ... 4
2.1.4 Drifterfarenheter och askhantering ... 5
2.1.5 Slamförbränning ... 5
2.1.6 Fosfor i bottenaska från slamförbränning ... 6
2.2 Myndighetskrav ... 6
2.2.1 Allmänna bestämmelser avfall ... 6
2.2.2 Krav vid förbränning av avfall ... 7
2.3 Kiruna avloppsreningsverk ... 9
2.3.1 Processbeskrivning ... 9
2.4 Geografisk fördelning ... 10
2.5 Tillgängligt bränsle i Kiruna och Gällivare kommun ... 10
2.5.1 Avloppsslam... 10
2.5.2 Fettavskiljarslam ... 12
2.5.3 Rensavfall ... 12
2.6 Returträ som bränsle ... 13
3 Teori ... 14 3.1 Värmevärde ... 14 3.2 Ekonomi ... 14 3.2.1 Investeringskalkyl ... 14 4 Metod ... 16 4.1 Bränslen ... 16 4.1.1 Bränslesammansättning ... 16
vi
4.3 Basförutsättningar för ekonomisk kalkyl ... 20
5 Resultat ... 23
5.1 Bränsletillgångar ... 23
5.2 Val av teknisk lösning och storlek på förbränningsanläggning ... 24
5.3 Kontaktade leverantörer av förbränningspannor ... 24
5.4 Val av förbränningsanläggning ... 25 5.4.1 Systemuppbyggnad ... 25 5.4.2 Övrig data ... 25 5.5 Tänkbara förbränningsalternativ ... 26 5.6 Bränslekostnadsbesparing... 26 5.7 Bränsleblandning ... 28
5.8 Material- och värmebalanser ... 28
5.9 Askhantering ... 29
5.10 Ekonomi ... 29
5.10.1 Anläggningsinvestering ... 29
5.10.2 Årliga intäkter och kostnader ... 29
5.10.3 Lönsamhetskalkyl ... 30 5.10.4 Känslighetsanalys ... 32 6 Diskussion ... 44 6.1 Fosforutvinning... 44 6.2 Pannstorlek ... 44 6.3 Fjärrvärmeintäkt ... 44
6.4 Ekonomiska parametrar med störst betydelse ... 45
6.5 Värmeavsättning ... 45
6.6 Slamimport och bränslekvalitet ... 45
7 Slutsats och rekommendation ... 47
8 Referenser ... 48
Bilagor ... 53
A. Alternativ bränslekostnadsbesparing ... 53
B. Elementaranalys på RT-flis från Eurofins ... 54
2
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Tekniska Verken i Kiruna AB (TVAB) är ett kommunalägt moderbolag som ansvarar för allt från diverse samhällsservice så som renhållning, deponi, distribution av dricksvatten, parker och avlopp till fjärrvärmeförsörjning och vägar. Det är dotterbolaget Kiruna Kraft AB som tar hand av stadens avfallsanläggning samt ansvarar för fjärrvärmeförsörjningen i Kiruna och Vittangi. Den levererade fjärrvärmen till Kiruna stad kommer från kraftvärmeverket vilket till 65 % år 2015 skedde via
avfallsförbränning [1]. Förbränningen sker i tre stycken fastbränslepannor. Två av dessa, det vill säga Panna 1 och 2 är biobränslepannor med kapacitet på 8 MW vardera. Panna 3 står för största delen av värme- respektive elproduktionen med kapacitet på 34 MW [1]. Vid behov används även olje- och elpannor.
Avdelningen vatten och renhållning har idag avsättningsproblem på restprodukter som förekommer på kommunala avloppsreningsverket. Som en tjänst tar Kiruna Kraft AB därför emot rensmaterial vilket blandas in tillsammans med avfall och flis till deras pannor. Det producerade avloppsslammet kunde tidigare bortköras till Kiruna golfbana och LKAB som täckningsmaterial, dessvärre tas det inte längre emot på grund av tillräckligt behov. Slammet förblir därför lagrandes på en plats bredvid slamplattan efter behandling. Samma sak gäller för fettavskiljarslam som förblir lagrandes i en provisorisk lagun.
TVAB behöver se över sin hantering för att få en långsiktig användning av producerat avloppsslam från avloppsreningsverket. Med anledning av detta vände sig TVAB till företaget WSP
Samhällsbyggnad vilket under 2016 utförde en förstudie över lämpliga användningsområden för avvattnat slam utifrån de lokala förutsättningar som finns i Kiruna.
Bland förslag på användningsområden som framtogs ur förstudien förslog WSP att förbränning är ett tänkbart alternativ.
Förbränning av avloppsslam är därmed någonting TVAB är intresserade av att undersöka vidare via en enskild anläggning i anslutning till det kommunala reningsverket. I första hand ser man över möjligheten till slamförbränning i syfte att på ett hållbart sätt bortskaffa slammängden från
avloppsreningsverket och samtidigt producera värme och eventuellt återvinna fosfor, då fosfor är ett näringsämne som i framtiden kan bli en bristvara.
1.2 Syfte
Syftet med examensarbetet är att genom en teknoekonomisk analys utreda ifall termisk behandling av avloppsslam i en ny förbränningsanläggning är ett tänkbart alternativ för Kiruna kommun. Det som specifikt ska utredas är om det utifrån Kirunas förutsättningar, såsom tillgång på bränslen och
3
1.3 Mål
Projektet har följande delmål:
Att kvantifiera totala tillgången på slam i Kiruna kommun samt dess fosforinnehåll och om det potentiellt är av värde att återvinna fosfor från bottenaskan.
Att kvantifiera mängden av andra restprodukter som uppkommer/förekommer vid avloppsreningsverket och om de kan samförbrännas med slam.
Att bestämma hur stor värmeavsättningen är i Kiruna och hur mycket värme som därav skulle kunna produceras via en ny slamförbränningsanläggning.
Att utifrån ovanstående bestämma möjlig anläggningsstorlek.
Att bestämma vilken typ av anläggning som krävs och bäst lämpar sig efter bränsletillgångarna och bedömd värmeavsättning.
Att bestämma om det behövs ytterligare bränsletillskott till denna anläggning, såsom slamimport eller tillsatsbränsle.
Att utföra en ekonomisk analys om slamförbränning är lönsamt och därefter bedöma om slamförbränning i enskild ny anläggning är ett tänkbart alternativ för TVAB.
1.4 Avgränsning
Den ekonomiska utredningen sker enbart på investering av en ny förbränningsanläggning.
Vid installation av en ny panna är det viktigt att tänkta på var den borde vara placerad för att hålla tryckhållningen i fjärrvärmenätet. Till denna studie har inte den bästa placeringen beräknats fram utifrån dessa förutsättningar utan det har antagits att anläggningen kommer vara placerad vid reningsverket.
1.5 Genomförande
Examensarbetet utfördes åt TVAB av en student från civilingenjörsprogrammet i hållbar energiteknik på Luleå tekniska universitet. Arbetet påbörjades i januari 2018 och inleddes med en litteraturstudie över vilka förbränningsalternativ som förekommer vid nyttjande av avloppsslam med
fosforutvinning. Krav på hur en god förbränning skall erhållas samt hur restprodukter från reningsverket är som bränslen undersöktes.
Denna studie syftade till att ge en uppfattning över vilken tekniskt lösning den tänkta förbränningsanläggningen bör ha och hur fortsatta arbetet bör läggas upp. I samband med
litteraturstudien undersöktes även myndighetskrav vid förbränning av avfall. Därefter kvantifierades de totala slamtillgångarna i Kiruna såväl som Gällivare kommun.
Anläggningens storlek och behov av tillskottsbränslen bestämdes utifrån den värmeavsättning Kiruna har i dagsläget och behov av ytterligare värmeproduktion beroende på driften/olika driftfall i
befintliga anläggningar. Detta bestämdes genom intervjuer med personal från Kiruna Kraft AB och tillhandahållen produktionsdata från kraftvärmeverket i Kiruna. Utifrån behovet av ytterligare värmeproduktion vid rådande värmeavsättning och bränsletillgångar begärdes budgetsofferter på lämpliga förbränningsanläggningar som klarar av de myndighetskrav som ställs vid förbränning av avfall.
4
2 Grundläggande information
2.1 Litteraturstudie om förbränningsteknik och slamförbränning
Att helt förutse hur förbränningsreaktioner verkar är avancerat då ett flertal faktorer bestämmer sammansättningen av slutprodukten. Det kan bland annat handla om typ av bränsle, dess kemiska egenskaper, fysiska faktorer som temperatur, tryck, tid till oxidationsmedel som alla styr den kemiska reaktionerna vid förbränning. Därför behövs antaganden som förenklar händelseförloppet vid
förbränning. Nedanför beskrivs förenklat den grundläggande förbränningsteorin som underlag till slamförbränning.
2.1.1 Allmänt om förbränning
Förbränning definieras som en snabb kemisk reaktion där ett bränsles kol och väte oxideras vid fullständig förbränning till enbart koldioxid och vatten. Under reaktionen konverteras den kemiska energin lagrad i föreningarna till värme- och vanligen ljusenergi. Oftast behövs extern energi för att initiera reaktionen men detta är inte alltid fallet då bränsle kan självantändas beroende på
antändningstemperatur [2],[3].
Syretillgången bestämmer i vilket stadie reaktionen inträffar nämligen pyrolys, förgasning eller förbränning. Pyrolys sker vid ingen eller begränsad tillgång på syre medan förbränning sker när kvoten faktisk mot teoretisk behövd syretillgång, den så kallad luftkvoten är ≥1:1. Under 1:1 inträffar ofullständig förbränning alternativt förgasning med bland annat kolmonoxidbildning som produkt [4]. Syretillförseln kan ske via primär, sekundär eller tertiärluft efter önskade flamegenskaper och behov.
2.1.2 Förutsättningar för god förbränning
Oberoende av bränsletyp krävs att tid, temperatur och turbulens optimeras för säkerställande av att en fullständig förbränning med bland annat hög verkningsgrad och låga emissioner ska kunna ske [5]. Tillräcklig tid under optimal förbränningstemperatur är viktigt för att inte ofullständig förbränning med oförbrända föreningar inträffar och att bränslematningen sker i rätt hastighet [6]. Temperaturen optimeras för att förhindra att föroreningar såsom termisk NOx (kväveoxider) bildas i så låg grad som möjligt [6].
Det är inte tillräckligt med att tillförseln av oxidationsmedlet endast tillsätts tills stökiometrisk förbränning inträffar, utan turbulens är nödvändigt för att se till att bränsleprodukter och luft väl omblandas [3],[6]. Detta eftersom det är svårt för syret att helt omsluta bränslepartikeln, då partikelstorleken ofta inte är nog liten. Därför tillförs ett luftöverskott för att uppnå fullständig förbränning [7].
2.1.3 Bränsleblandning
Förbränningsanläggningar designas för att kunna hantera bränslen beroende på dess egenskaper. En panna ska till exempel ha effektiv bränslematning och kunna hantera ett bränsles fukthalt, ask- och rökgasbildning.
Stråbränslen som halm och energigräs, vanligast rörflen [8], kan monoförbrännas i speciella
halmpannor som hanterar höga askhalter med låg smälttemperatur [9]. Dessa kan förbrännas direkt som det är, i form av pellet/ briketter eller i en blandning med annat bränsle. Samma gäller för skogsbränslen som grot, stubbar eller stamved men dessa bränslen kan till skillnad från stråbränslen innehålla en högre fukthalt vilket ger förutsättningar för annan panndesign.
5 skogsbränslen förbränns med rökgaskondensering varierar energitillskottet mellan 10 och 25 % när fukthalten är 40 respektive 60 % [10].
Även flytande bränslen som tallbeckolja och vegetabiliska fetter går bra att monoförbränna. Med övriga bränslen är samförbränning vanligare. En bränsleblandning för med sig positiva effekter, där förutom ett bättre värmevärde och stabilare förbränning även kan lindra beläggning- och
korrosionsangrepp. Faktorer som påverkar utformningen på bränsleblandningen är tillgången, bränslepris, panndesign samt de fysiska egenskaperna i bränslet [11].
Vid förbränning av skogs- och andra askrika biobränslen är det alkalimetaller och klorid som ofta bidrar till driftproblem som sintring och slaggning i bränslebädden eller beläggningar som sedermera orsakar korrosion [12]. Att blanda svavelrika bränslen som ett additiv gör att kaliumsulfat och väteklorid bildas i stället för den potentiellt korrosiva föreningen kaliumklorid [13].
2.1.4 Drifterfarenheter och askhantering
Följande del är en liten sammanfattning över en studie av Värmeforsk för drifterfarenheter från små förbränningsanläggningar. Detta bedöms vara relevant till den nya enskilda
förbrännings-anläggningen för avloppsslam.
Om det finns större skillnader i partikelstorlek eller fukthalt mellan bränslen kan driftproblem uppkomma. För exempelvis förbränning av fasta biobränslen i små anläggningar, med pannstorlek mellan 2 till 10 MW, kan bland annat genomblåsningar, oförbränt material och stråkbildning inträffa om snabba växlingar i bränslekvaliteten sker och styrsystemet har otillräcklig tid för kompensering [14].
Att korrigera inmatning och lufttillförsel bidrar till en mer jämn last och att ha en bra kommunikation med bränsleleverantör är viktigt för att undvika orenheter [14].
Robust bränsleinmatningen som stora skruvar är viktigt, då mindre larm relaterat till detta påvisats enligt ovannämnda undersökning. Det förhindrar att valvning inträffar, där bränsle sammanpressas så mycket att det finns risk för stopp i inmatningen. Dessutom ska skruvarna klara av att hantera främmande föremål. Installerade rivarvalsar efter en bränsleficka gör att såväl isklumpar som större bränslefraktioner sönderdelas vilket skyddar inmatningssystemet [14].
Tjockare bränslebädd är också något som kan hjälpa mot genomblåsning som främst uppstår längs kanterna i en panna där bädden är tunnare om det är fel på inmatningen. Detta är en balansgång eftersom en tjockare bädd leder till ökad mängd oförbränt. Problemet ligger dels via otillräcklig förbränningstid men även att partiklar följer med rökgaserna ut [14].
Bränder i asklager kan uppstå, att vattenbegjuta askan är en säkerhetsåtgärd vilket också kan
förhindra damning. En regel för askhantering är att till fuktiga bränslen finns en våt askhantering och tvärtom för torra bränslen. Ett bra materialval på askcontainern är viktigt, främst för ett vått system, då denna kan korrodera [14].
Beroende på innehållet kan eller måste askan antingen deponeras, användas som gödsel till åkermark/skogsbruk eller vägbyggen [14].
2.1.5 Slamförbränning
6 2016 [15]. Den mesta slamförbränningen sker då tillsammans med ett samförbränningsbränsle exempel på monoförbränning finns i Danmark i kraftvärmeverket Avedöre samt i Lundtoftes avloppsreningsverk [16].
Då vanligaste stabiliseringsmetoden för slam är anaerob behandling och därför sker förbränning främst med rötslam [17], [18]. Rötning och efterföljande mekanisk avvattning stabiliserar och minskar volymen slam vilket möjliggör längre transportsträckor. Dessutom kan produktionen av biogas tillfredsställa behovet av stödbränsle, något som beroende på bränslets fuktinnehåll oftast är ett måste för slamförbränning [17].
2.1.6 Fosfor i bottenaska från slamförbränning
Till miljöprojektet North Waste Infrastructure (NWI), vars syfte var att nyttiggöra en annars växande ansamling av restprodukter till användbara resurser, undersökte energiavdelningen på LTU
tillsammans med Umeå universitet [19] möjligheten till fosforåterföring genom termisk behandling av rötslam år 2010. Studien genomfördes som ett pilotprojekt baserad på tekniken framtagen av det dåvarande företaget Värmemekanik AB. För att efterlikna den processen där en trumtork pelleterar avloppsslam förbrändes olika sammansättningar av slamgranuler, med en TS-halt på över 85 procent, tillsammans med additiv. Pannan var en fluidiserad bädd i bänkskala på 5 kW där försöken
genomfördes i en förbränningstemperatur mellan 800 till 950 °C. För simulering av samförbränning agerade kalium- och kalciumrika additiv som en motsvarighet till ett åkerbränsle [19].
Försöken visade att växttillgänglig fosfor oftast påträffades i askgranulen och cyklonaskan som Whitlockite (𝐶𝑎𝐾𝑀𝑔(𝑃𝑂4)7), en förening som visade sig förekomma vare sig med eller utan respektive oberoende på typ av tillsatt additiv. Att samförbränna rötslammet med åkerbränslen är mer fördelaktigt, då högt innehåll av kalium och kalcium möjliggör att bildandet av den
växttillgängliga fosforn sker i större utsträckning [19].
Utöver destruktion av patogener (virus, bakterier etc.) och läkemedelsrester medförde det här tillvägagångssättet för termisk behandling av slam några fördelar. Beroende på
förbrännings-temperaturen kvarstod mellan 80 till 95 % av fosforn i askgranulen/bottenaskan kontra ursprungliga slamgranulen. Vid 950 °C bevarades mest fosfor samtidigt som tungmetaller1, framför allt kadmium,
kunde reduceras till mellan 20 till 40 % [19].
Mängden miljöpåverkande grundämnen som lakades ut från askpelleten och löser sig med vatten är låg vilket betyder att, om tungmetallhalterna i askgranulen klarar gränsvärdena, direkt kan återföras till åkermark [19].
2.2 Myndighetskrav
2.2.1 Allmänna bestämmelser avfall
Ur Avfallsförordningen (2011:927) bilaga 4 underkapitel 19 08 framkommer att bland annat grovrens och slam från behandling av hushållsavloppsvatten klassas som avfall. Ur definition från
Naturvårdsverket är avfall någonting innehavaren vill eller är skyldig att avlägsna [20]. I
Avfallsförordningen (2011:927) och Miljöbalken (1998:808) kapitel 15 finner man mer grundläggande bestämmelser om avfall samt avfallshanteringen. Definition på vad som klassas som avfall eller biprodukt samt bestämmelser för när ett ämne eller föremål slutar upphöra som avfall återfinns i 1 § Miljöbalken (1998:808) kapitel 15. Klassificeringen är avgörande i fråga om tillstånds- och
anmälningsplikt.
7 Enligt Förordning (2001:512) om deponering av avfall råder det förbud att deponera organiskt- och utsorterat brännbart avfall [21]. Latrin är ett undantag från denna förordning, vilken framgår i Naturvårdsverkets författningssamling (NFS 2004:4) [22], men anses inte tillämpligt då man efter behandling istället kan nyttja detta som bränsle för att producera energi. Förordning (2001:512) gäller inte för avloppsslam från kommunala reningsverk om komposteringstiden för slammet är minst mellan tre till sex månader beroende på om det är rötat eller icke rötat slam [21]. Dessutom krävs ytterligare minst sex månader efterlagring.
Ur EU-rådets direktiv för rening av avloppsvatten från tätbebyggelse (1991, artikel 14) ska avloppsslam återanvändas när det passar och vid bortskaffande ska den negativa miljöpåverkan reduceras till ett minimum [23].
Om slammet ska kunna återanvändas till jordbruk krävs att metallhalten inte överstiger de värden som finns listade i Tabell 1. Dessa värden är angivna i 20 § från Förordning (1998:944) om förbud m.m. i vissa fall i samband med hantering, införsel och utförsel av kemiska produkter [24].
Sedan 2005 finns ett delmål i miljömålssystemet att minst 60 procent fosfor från avloppsfraktioner ska återföras till produktiv mark, varav minst hälften går till åkermark [25]. Regeringen anser att fosfor är ett viktigt näringsämne vilket skall kunna nyttjas i ett kretsloppsperspektiv. Däremot krävs uppdaterade bestämmelser om miljö- och hälsoskydd för slamspridning till jordbruks- och
skogsändamål [25].
I uppdrag från regeringen om hållbar återföring av fosfor redovisade Naturvårdsverket ett nytt författningsförslag september 2013, vilket skärper kraven på högsta tillåta halt av metaller och organiska föreningar från bland annat avloppsfraktioner till åkermarker. Förordningen (2013:xx) omfattar slam från avloppsreningsverk och går att läsa i Bilaga 2 från rapport 6580 [26]. Denna framtogs i syfte att ge ett beslutsunderlag till regeringen för att få en utveckling mot lägre
metallhalter i åkermarker. Dessa etappmål är sammanställda i Tabell 2 tillsammans med nuvarande gränsvärden.
Tabell 1. Nuvarande gränsvärden - metallhalt i avloppsslam för jordbruksändamål enligt Förordning (1998:944) samt Naturvårdsverkets förslag på nya gränsvärden.
Grundämne
Kemisk
beteckning
mg/kg TS
1998[24]
mg/kg TS
2015[26]
mg/kg TS
2023 [26]
mg/kg TS
2030[26]
Bly
Pb
100
35
30
25
Kadmium
Cd
2
1
0,9
0,8
Koppar
Cu
600
600
550
475
Krom
Cr
100
60
45
35
Kvicksilver Hg
2,5
1
0,8
0,6
Nickel
Ni
50
40
35
30
Silver
Ag
-
5
4
3
Zink
Zn
800
800
750
700
2.2.2 Krav vid förbränning av avfall
Vid planering av miljöfarlig verksamhet krävs ansökan om tillstånd enligt Miljöbalken (1998:808) kapitel 9 [27], någonting Förordning (2013:253) om förbränning av avfall hänvisar till.
Där finner man krav för drift, skötsel och kontroll av en förbränningsanläggning gällande fast och flytande avfall [28]. Beroende på ändamål kan anläggningen antingen definieras som
8 uppgift är energiproduktion eller framställning av material där avfall nyttjas som normalt eller
tillsatsbränsle eller värmebehandlas i syfte att kunna bortskaffas. Hårda krav på reningsutrustning och kontroll av utsläpp gör att avfall inte får förbrännas i någon annan anläggning som inte uppfyller kraven [28].
En förbränningsanläggning ska vid drift enligt Förordning (2013:253) i korta drag ha följande krav: Vara utrustad med högeffektiv förbrännings-, rökgasrenings-, vattenrenings-, mätutrustning
för emissioner etc.
Drift, hantering och kontroll ska skötas av minst en fysisk person som har kompetens för anläggningen samt kan vidta de åtgärder Förordning (2013:253) kräver.
De som driver anläggningen ska ha vetskap om det avfall som förbränns samt kontinuerligt mäta och dokumentera att utsläppskrav på föroreningar inte överskrids.
Anläggningen skall vara utrustad med automatiska styrsystem som kontrollerar rätt bränslematning så rökgastemperatur klarar kraven samt stoppas vid störningar.
Rökgastemperaturen i förbränningsprocessen måste höjas på ett kontrollerat och homogent sätt till minst 850 grader och hålla minst den temperaturen i minst två sekunder.
Vara utrustad med stödbrännare samt maximera värmeåtervinningen.
Mätsystem skall kontrolleras minst en gång per år genom parallella mätningar med referensmätmetoder.
Vid förbränning av biomassa finns ingen skyldighet till att betala energi-, koldioxid- samt svavelskatt, vilket enligt Lag (1994:1776) enbart gäller bränsletyper från 1 § i kapitel 2 eller andra
9
2.3 Kiruna avloppsreningsverk
2.3.1 Processbeskrivning
Kiruna avloppsreningsverk är ett traditionellt reningsverk som behandlar avloppsvattnet med mekanisk, biologisk och kemisk rening, se Figur 1.
Den mekaniska reningen inleds med att avloppsvatten leds till ett tidigt sandfång som ansamlar tyngre partiklar. Maskinrensande fingaller avskiljer efteråt grövre partiklar och föremål, så kallat grovrens, som tvättas och avvattnas. Ett luftat sandgång separerar senare sandpartiklar i olika storlekar där de lättare färdas vidare med avloppsvattnet till försedimenteringen. Vid högt flöde och/eller kallt vatten kan förfällning genomföras i detta stadie. I försedimenteraren skrapas slammet till slamfickor där viss förtjockning sker via omrörare, som senare pumpas vidare till
slamförtjockaren. Manuella dekanteringsrännor avlägsnar ytslam såsom fett och oljor [34].
I biologiska reningen fördelas avloppsvatten från försedimenteringen jämt ut i en biobädd genom en tryckgående roterande spridare, där mikroorganismer bryter ner inkommande näringsämnen. En biofilm växer tills det av tyngden fälls ner av avloppsvattnet. Det biologiska slammet avskiljs i efterföljande sedimentering [34].
Kemisk rening sker med efterfällning av aluminiumklorid samt polymerer under svåra förhållanden. Löst fosfor, främst ortofosfat (𝑃𝑂43− ), och metallföreningar avlägsnas vilket bildar slamflockar som sedimenteras. Ungefär 90 procent av den lösta fosforn avlägsnas [32]. Kemslammet pumpas från slamfickorna vidare till försedimenteringen eller slamförtjockaren [34].
Avloppsslammet från för- och slutsedimenteringen är tunn och består till största delen av vatten. Första steget i slambehandlingsprocessen separerar därmed slammet i en gravimetrisk
slamförtjockare där det kvarvarande vattnet pumpas från en rejektpumpgrop vidare till fortsatt behandling. Här uppnår slammet en torrsubstans (TS) mellan 2 till 4 % [34].
Innan slamavvattningen homogeniseras slammet från förtjockaren under aeroba förhållanden i luftade slamlager. Tidigare avvattnades slammet i två stycken centrifuger men under 2012 installerades en skruvpressavvattnare från Huber Technology som i dagsläget ersatt dessa.
10 Figur 1 Flödesschema hämtad från häftet "Driftinstruktioner för Kiruna Avloppsreningsverk" av SWECO 2012.
2.4 Geografisk fördelning
I Kiruna kommun finns totalt 20 stycken reningsverk [35] där ej avvattnat slam från Svappavara, Jukkasjärvi och Rensjön reningsverk fraktas och ingår i mängderna avvattnat slam från Kiruna reningsverk. Slam från Abisko, Björkliden, Vassijaure och Katterjokk avvattnas normalt i Katterjokk eller Abisko reningsverk innan det lagras på slamplattan i Kiruna.
Utöver dessa reningsverk finns ett flertal mindre i östra kommundelen där lokal behandling av avloppsslam sker via frys-/torkbäddar [36].
2.5 Tillgängligt bränsle i Kiruna och Gällivare kommun
Reningsverket kavaheden i Gällivare har liknande reningsprocess som Kirunas som producerar mekanisk icke-rötat avvattnat avloppsslam. Skillnaden från kavaheden är att de komposterar slammet med tillskott av gödsel till anläggningsjord. När slammet avlämnas till slamplattan har det en torrsubstans mellan 12 till 13 % [40].
Det antas i den här undersökningen att slammet är fällt med aluminiumklorid och har samma bränslekvalitet och komposition som Kirunas slam.
2.5.1 Avloppsslam
11 Rötning har mer fördelar gentemot stabilisering via luftade slamlager. Dels ökar förutsättningen till förbränning genom en minskning av lättnedbrytbart organiskt innehåll vilket möjliggör att slammet kan avvattnas till högre torrsubstanser. Utöver högre värmevärde lindras även odörproblem samtidigt som biogas produceras [42], [43].
Bäst ur förbränningssynpunkt lämpar sig slam vars organiska andel är hög då mindre oorganiska komponentersom fosfor och aluminium följer med ut som oförbränt material i askan. Detta ökar på så sätt värmevärdet i slammet. Organiska andelen kan styras genom vilken typ av flockningsmedel som används, där organiska polymerer ger högre andel kontra en fällning med järn- eller
aluminiumklorid. Koncentrationen av organiskt material kan således variera mellan 45 till 90 % TS [41]. Med den anledningen är organisk fällning ett vanligare alternativ för slamförbränning. Däremot visar studier att den producerade slamvolymen minskar med ökande koncentration av organiska polymerer [44]. Dessutom är fällning med järn- och aluminiumklorid bra för utfällning av löst fosfor om fosforutvinning från askan är av intresse, se Avsnitt 2.3.1 [41],[42].
Den organiska beståndsdelen utgörs av näringsämnen som ammonium till miljö- och hälsofarliga föroreningar, se Tabell 2. Exempel på dessa är polyklorerade bifenyler (PCB), polycykliska aromatiska kolväten (PAH) och nonyfenol. Fler organiska föroreningar förekommer och härstammar bland annat från tvätt och hygienprodukter, bromerade flamskyddsmedel, läkemedelsrester etc. [11], [41]. Dessutom förekommer patogener och tungmetaller i avloppsslam som tillsammans med
miljögifterna försvårar återföring av slam som näring till skogs- och åkermark. Att bortförskaffa slam genom förbränning är därmed fördelaktigt eftersom farliga organiska ämnen destrueras.
Förutsättningarna till fosforutvinning kan vara större vid monoförbränning av slam än
samförbränning eftersom fosforinnehållet då är mer koncentrerad och metallinnehållet mindre i askan [45]. Enligt en studie tidigare nämnd i avsnitt där förbränning sker med pelleterat rötslam påträffas växttillgängligt fosfor, oberoende på typ av additiv, oftast som Whitlockite (𝐶𝑎𝐾𝑀𝑔(𝑃𝑂4)7) i askpelleten.
Tabell 2. Halter av P, N, NH4, tungmetaller och organiska föreningar i behandlat icke-rötat avloppsslam 2017 från Kiruna
reningsverk med Al-fällning.
Näringsämnen, metaller och föroreningar i avloppsslam
Ämne Enhet Årsmedelvärde
12 Tabell 2 visar sammanställda årsmedelvärden av P, N, NH4 tungmetaller och organiska föreningar i
Kirunas avloppsslam och således även Gällivares slam då det antas ha samma sammansättning. Sammet är rikt på kväve och fosfor men dessvärre går inte kvävet att utvinna då det följer med rökgasen ut som kvävgas och kvävoxid [46].
2.5.2 Fettavskiljarslam
Inledningsvis är avloppsvatten och fett i en fettavskiljare i emulsion och upphör att vara i det stadiet när fettet svalnar [47]. Senare ansamlas detta tillsammans med mindre partiklar på ytan till ett fettlager då fett har lägre densitet än vatten. Fett binder även sig till grövre partiklar och matrester som sedimenterats på botten i ett slamlager.
Efter en separation innehåller fett från fettavskiljare, mesta dels bestående av triglycerider-, förutom kemikalier från diskmedel, en blandning av svårlösligt matfett och -olja, och ingår i en del i av
samlingsbegreppet Fats, Oils and Grease (FOG) [47]. Fettet har kontaminerats av bland annat kemikalier från diskmedel och betraktas därför som avfall och behöver bortskaffas.
Fett- och slamlagret, benämnd fettavskiljarslam, samlas därför in av slambilar och transporteras vanligen till avloppsreningsverk för deponering där om möjlighet finns behandlas vidare till ett biobaserat drivmedel.
I förbränningssammanhang är framställning av biodiesel, -gas och -olja vanligare än att direkt
förbränna fettslam som rent bränsle. Med sin höga andel organiskt material av kol och väte, se Tabell 4, har fettavskiljarslam ett högt energiinnehåll. Andelen FOG från fettavskiljarslammet varierar mellan ca 10 till 35 % [48],[49],[50]. Dessvärre gör det höga fuktinnehållet, upp till ungefär 60 % [49],[51], detta till ett besvärligt och olämpligt bränsle innan avvattning.
Samförbränning tillsammans med avloppsslam är möjligt om fettavskiljarslammet är avvattnat samt förbränningsanläggningen har värmeöverförande ytor som klarar av fettslammets energirika innehåll och heta rökgaser. I en fluidiserad bädd (FB) fungerar det bra som bränsle om bädden kan väl
omblandas med lufttillförseln [53].
I Kiruna samlas fettavskiljarslammet in av slambilar minst en gång per år från verksamheter med livsmedelshantering och lagrar detta på Kiruna avloppsreningsverk. Tillsvidare lagras
fettavskiljarslammet på reningsverket i en provisorisk lagun i slamplattan i väntan på beslut över vad som ska hända med fettet. Väl i lagunen inträffar samma princip som i en fettavskiljare där fettet separeras från vattnet och stiger upp till ytan. Det översta fettlagret uppges enligt personal vara tämligen koncentrerat i den grad att när en sten i kaststorlek släpps ner i lagunen blir kvar på ytan. När slambilen tömmer fettavskiljarslam under vintern fryser det på grund av vatteninnehållet till is och förblir oförändrad tills sommarmånaderna då en del vattnet avdunstas bort. Det finns inget avrinningsområde för vattnet, det som kan rinna bort är genom vallarna i lagunen som är gjorda av torrslammet på plattan. [54].
2.5.3 Rensavfall
13 I en förbränningsanläggning tenderar dessa grova material att fastna och täppa igen
bränslematningen. För att materialet skall kunna användas som bränsle behövs det torkade rensmaterialet rivas eller krossas till mindre bränslefraktioner med exempelvis rivvalsar, se Avsnitt 2.1.4 om drifterfarenheter av små förbränningsanläggningar. Dessutom kan allt för stora föremål samt icke brännbara material i slutändan följa med som oförbränt och skapa problem i
askhanteringen [53].
2.6 Returträ som bränsle
14
3 Teori
3.1 Värmevärde
Vid fullständig förbränning under konstant tryck av en viss mängd bränsle, kan värmevärde definieras som den värmemängd som måste tas bort från systemet för att kyla ner produkterna från
förbränningen till en bestämd referenstemperatur [56]. Se detta som tillgänglig värmeenergi i ett bränsle.
Man skiljer mellan det högre, även kallad kalorimetrisk värmevärde (HHV), och lägre det värmevärde (LHV) beroende på om den borttagna värmen gäller för en förbränning där vatten som
förbränningsprodukt är i ång- eller vätskefas. Ett annat namn för LHV är effektivt värmevärde och gäller då vatten är i ångfas. HHV är högre än LHV eftersom kondenseringsvärmen av vattenångan även då är inräknad [56].
Värmeenergin, så även värmevärdet, är högre i bränslen med lägre fukthalt då större andelar av energin inte försvinner ut med rökgaserna då fukten i bränslet förångats [58].
Ett HHV i enheten MJ/kg kan empiriskt beräknas genom Milnes formel [57], se Ekvation (1), om mass- och askfraktioner i viktprocent (vikt-%) torr basis är givet.
𝐻𝑘𝑎𝑙 = 0,341 ∗ 𝑥𝐶+ 1,322 ∗ 𝑥𝐻− 0,12 ∗ 𝑥𝑂− 0,12 ∗ 𝑥𝑁+ 0,0686 ∗ 𝑥𝑆− 0,0153 ∗ 𝐴 (1) Där 𝑥𝐶, 𝑥𝐻, 𝑥𝑂, 𝑥𝑁, 𝑥𝑆 och 𝐴 är massfraktionen för kol, väte, syre, kväve, svavel respektive aska. LHV kan beräknas genom formeln [56].
𝐻𝑒𝑓𝑓 = 𝐻𝑘𝑎𝑙− 2500 ∗ (8,94 ∗ 𝑥𝐻+ 𝐹) (2)
Där 𝑥𝐻 är massfraktion av väte och 𝐹 är fukthalt.
3.2 Ekonomi
3.2.1 Investeringskalkyl
Vid bedömning av lönsamheten för en framtida investering används i det här projektet nuvärdes-, internränta-, annuitets- och payback-metoden vilket är likartade investeringskalkyler.
Payback-metoden är en enkel investeringskalkyl som beräknar återbetalningstider utan hänsyn till kalkylränta där ett årligt inbetalningsöverskott divideras mot investeringskostnaden. Detta ger en snabb uppfattning över hur lönsamheten är.
Nuvärdet (NV) är det nuvarande värde ett framtida kassaflöde har efter en given kalkylränta, den beräknas enligt Ekvation (3).
𝑁𝑉 = ∑ 𝐶𝑖
(1+𝑝)𝑖
𝑛
𝑖=1 (3)
Där 𝑛 är avskrivningstiden, 𝐶𝑖 inbetalningsöverskott, 𝑝 kalkylränta och 𝑖 antal tidsperioder.
Med nuvärdesmetoden [59] avgörs hur det framtida kassaflödet ändras med tiden alltmedan pengar minskar i värde. Den går ut på att beräkna nettonuvärdet (NNV) vilket är skillnaden av NV och grundinvesteringen (𝐺), se Ekvation (4).
15 Ett positiv NNV är en lönsam investering. Att räkna diskonterad återbetalningstid via
nettonuvärdesmetoden är mer exakt vilket fås fram när NNV är 0 med avseende på kalkylräntan. Internräntametoden utgår från samma formel som nuvärdesmetoden. En internränta kan beräknas från Ekvation (3) och (4) om man sätter NNV till 0 [59]. Investeringen är lönsam om internräntan är högre än kalkylräntan och när flera alternativ jämförs är det alternativ med högst internränta mest lönsam.
Annuitetsmetoden utgår ifrån annuitetsfaktorn (𝑘) vilken beräknas i Ekvation (5).
𝑘 =1−(1+𝑝)𝑝 −𝑛 (5)
Annuiteten eller kapitalkostnaden kan då beräknas genom multiplikation mellan annuitetsfaktorn och grundinvesteringen. Kapitalkostnaden är en årlig kostnad vilket blir lika stor under hela avskrivningstiden.
16
4 Metod
4.1 Bränslen
Tillvägagångssätten som förekommer vid slamförbränning är antingen monoförbränning eller samförbränning. För TVABs del är monoförbränning inte ett alternativ, för även med import av slam från Gällivare finns inte någon lämpligt utrustning som kan hantera den slammängden.
Ett exempel på en anläggning med monoförbränning är sludge2energy utvecklad av Huber
Technology. Tekniken bygger på en fluidbäddsförbränning och klarar av en slammängd från 4000 till 7000 ton TS [61]. Monoförbränning lämpar sig för större reningsverk eller reningsverk som har tillgång till slam från flera närliggande reningsverk. Det betyder att samförbränning är enda tänkbara lösningen för TVAB.
När det kommer till en eventuell slamimport går det bara utgå ifrån slammängderna i Kiruna och Gällivare kommun. Mekanisk avvattnat slam med 25 % TS kan inte transporteras för långa sträckor då det finns risk för nedbrytning av organiskt innehåll och därmed försämrar bränslekvalitén [37]. Om TVABs interna slambilar används för slamtransporten klarar de av att lasta 30 ton avvattnat slam per lastbil [38]. Transportsträckan mellan Gällivare och Kiruna är 24,5 mil tur och retur och
transportkostnaden antas vara 4 kr/tonmil. Kostnaden baseras på uppgifter på slamtransport utifrån en liknande studie av Ragn-Sell AB [39].
I och med Kirunas geografiska läge finns det ont om tillskott på tillsatsbränslen. De bränslen som finns att utgå ifrån inom området är hushållsavfall eller returträ (RT-flis). Kiruna avfallsanläggning producerar ca 5000 ton RT-flis per år som senare förbränns i fastbränslepanna 1 och 2 på
kraftvärmeverket [62]. Utöver den mängden importerar Kiruna Kraft AB RT-flis från Norge. Eftersom allt tillskottsbränsle som finns att tillgå från redan används till Kirunas fjärrvärmeförsörjning är import nödvändigt.
Ser man till transportavstånd är det närmare till Norge än exempelvis Luleå. Närmsta alternativet är därför att köpa RT-flis från HRS miljö i Narvik, ett företag även Kiruna kraft importerar RT-flis ifrån. Transportavstånd tur och retur mellan Narvik och Kiruna är 35,5 mil. Dagens priser på deras flis är 110 kr/MWh fritt Kiruna vilket motsvarar 330 kr/ton för flisen. Hälften av bränslekostnaden utgörs av transportkostnader. Lastbilarna från HRS-miljö tar 25 ton per leverans vilket ger en transportkostnad som motsvarar 4,6 kr/tonmil [62].
4.1.1 Bränslesammansättning
Då bränslesammansättning för grovrens och fettavskiljarslam inte finns tillgänglig till projektet i form av elementaranalyser är dessa uppskattade via litteraturstudier.
Tyska undersökningar visar att värmeenergin i grovrens kan variera stort men i genomsnitt har det ett värmevärde på 4,8 MJ/kg, i denna studie antas detta värde vara LHV. I och med det låga
17 Tabell 3. Elementaranalys på beståndsdelar som utgör grovrens i torrt askfritt tillstånd (TAF).
Parameter Enhet Toalettpapper [63] Plast (PE 1) [63]
HHV (MJ/kg) MJ/kg 17,25 37,60
Aska, A Vikt-% TS 0,52 0,06
Kol, C Vikt-% TAF 45,18 86,66
Väte, H Vikt-% TAF 6,13 13,26
Syre, O Vikt-% TAF 48,33 0
Kväve, N Vikt-% TAF 0,25 0,06
Svavel, S Vikt-% TAF 0,11 0,02
Klor, Cl Vikt-% TAF 0 0
Med detta som antagande kan en elementaranalys för grovrens uppskattas utifrån en antagen fukthalt, som senare beräknas fram i en problemlösare i programmet Microsoft Excel, givet att LHV i levererat tillstånd måste vara 4,8 MJ/kg.
Som en förutsättning för att fettavskiljarslam ska kunna hanteras som bränsle antas i detta projekt att vatten och rötade matrester redan är avskilt från FOG. Detta för att ha bästa tänkbara
förutsättningen för förbränning. Elementaranalyser för FOG återfinns i Tabell 4. Tabell 4. Elementaranalyser på fettavskiljarslam som består till mesta del FOG.
Parameter Prov 1 [48] Prov 2 [52] Prov 3 [49]
Kol, C (vikt-% TS) 74,36 76,20 76,71 Väte, H (vikt-% TS) 12,47 11,80 11,90 Syre, O (vikt-%TS) 8,91 11,87 11,15 Kväve, N (vikt-% TS) 0,20 0,02 0,01 Svavel, S (vikt-% TS) 0,14 0,01 0,22 Aska, A (vikt-% TS) 3,92 0,10 0,01 Fukt (F) 0 0 0
18 Tabell 5. Bränslesammansättning, värmevärde, fosforinnehåll mm hos de olika bränslena som nyttjas i denna studie. Elementaranalys på kommunalt avloppsslam från Kiruna reningsverk (samlingsprov 2017) samt RT-flis är utförd av Eurofins Environment Testing Sweden AB.
Parameter Enhet Avloppsslam2 RT-flis3 Fettavskiljarslam4 Grovrens5
Fukthalt % 74,9 37,7 0 61,4 LHV MJ/kg 1,99 10,8 4,80 LHV MWh/ton 0,553 2,99 1,33 LHV MJ/kg TS 15,39 18,83 37,77 16,40 Kol, C Vikt-% TS 38,5 50,5 75,8 42,0 Väte, H Vikt-% TS 5,60 6,10 12,0 5,87 Syre, O Vikt-% TS 26,17 42,17 10,6 33,9 Kväve, N Vikt-% TS 3,29 0,17 0,21 0,18 Svavel, S Vikt-% TS 0,54 0,025 0,07 0,08 Klor, Cl Vikt-% TS 0,033 0 Aska, A Vikt-% TS 25,9 1,0 1,34 18,0 Fosfor, P Vikt-% TS 1,456 0,0097 0 0
4.2 Värmeavsättning till fjärrvärmenät
Det finns en vision hos TVAB att hela Kiruna ska anslutas till fjärrvärmenätet [65]. Om det hade varit efter hur det ser ut i Kiruna idag med nuvarande energibehov hade ett utökat fjärrvärmenät varit mer relevant. Med den stadsomvandling som råder i Kiruna, där de nya husen byggs mer
energieffektivare, är det osäkert ifall energibehovet hos kunderna kommer att öka fast man anslutit alla i nya Kiruna till fjärrvärmenätet. Därför finns inget större behov för TVAB att investera i ett utökat fjärrvärmenät.
Behov av värmeavsättning från en nyinvesterad slamförbränningsanläggning bedöms/beräknas i detta arbete genom att ersätta dyrare bränslen eller genom byte av pannor vid Kiruna
kraftvärmeverk.
Spetslasten ersätts först då den är dyrast och produceras minst. Hos Kiruna Kraft AB utgörs den av olja och bio-olja som normalt förbränns i minst 3 månader per år men kan under svåra förhållanden förbrännas under en längre tid. Därefter ersätts de dyraste bränslena i mellanlasten som utgörs av bland annat pellets och spillvärme från LKABs verksamheter. Bränslepriserna för lasterna finns listade i Tabell 6.
2 Analys från Eurofins, se Bilaga C. 3 Analys från Eurofins, se Bilaga B [64]. 4 Medelvärden från Tabell 4.
5 Beräknad utifrån fakta från litteratur och att LHV är 4,8 MJ/kg, se Avsnitt 4.1.1. 6 Värde från Tabell 2.
19 Tabell 6. Rådande bränslekostnader för olika bränslekategorier vid Kiruna kraftvärmeverk i maj 2018.
Bränslekategori Enhet Kostnad/Intäkt Kommentar
Eldningsolja 1 kr/MWh 1091,40 Enligt [64]
Bioolja kr/MWh 801,10 Enligt [64]
Pellets kr/MWh 378,50 Enligt [64]
Spillvärme LKAB kr/MWh 180 Enligt [64]
RT-flis kr/MWh 110 Enligt [62]
Intäkt avfallsförbränning kr/MWh 200 Enligt [64]
Att kompensera med ett dyrare bränsle är inte lönsamt för Kiruna Kraft AB. En ny slamanläggning får därför inte konkurrera med panna 3 som förbränner avfall och en genererar en destruktionsintäkt. Produktionsdata [64] från kraftvärmeverket ger även en uppfattning för hur stor värmeavsättningen från nya anläggningen kan vara. När värmeavsättning/storleken på pannan har fastställts utifrån tillvägagångssättet beskrivit ovan begärs budgetofferter in över lämpliga anläggningar.
Hur värmen från den nya enskilda anläggningen fördelas ut månadsvis på fjärrvärmenätet
undersöks/bestäms utifrån produktionsdata. Anläggningen antogs i så stor grad som möjligt kunna gå på full effekt de månader värmen behövdes, för att sedan korrigeras efter värmeavsättningen så att inte överproduktion inträffar under vissa månader till fjärrvärmenätet.
Tabell 7. Produktionsdata för Kiruna kraftvärmeverk år 2017 för spets- och mellanlast.
Parameter jan feb mars april maj juni juli aug sep okt nov dec summa Olja 1995 1034 1040 1299 - 596 557 - - - 634 1906 9061 Bio-olja - - - 958 1743 2701 Pellets 71 323 206 4 1 1 8 259 1 2 75 315 1728 Spillvärme LKAB 4792 2622 3398 4495 2590 1055 7249 6399 1445 2079 4220 2285 42629
Bio-oljepannorna installerades i november 2017, se Tabell 7, därefter har extrema lastförhållanden förekommit genom ett kallt inledande år 2018 vilket orsakat en fördubblad oljeförbrukning. Eftersom biooljepannorna haft en för kort drifttid är det för tidigt att avgöra hur oljeförbrukningen respektive bränslefördelningen av olja mot bio-olja kan se ut under ett normalår. Därför behövs ett antagande för en oljeförbrukning under ett normalår.
Bio-olja är ett billigare bränsle än olja vilket framkommer i Tabell 6. Det är därför rimligt att anta att bio-oljan kommer ta över en del av den fjärrvärmeproduktionen som oljan står för. Ser man till produktionsdata i Tabell 7 är det tänkbart att utgå ifrån hur bränslefördelningen olja mot bio-olja såg ut i november när biooljan först introducerades. Då förekom inte extremförhållanden och biooljan stod för den större andelen av fjärrvärmeleveransen med 60 % av hela oljeförbrukningen den månaden.
20 Tabell 8. Antagen oljeförbrukning under ett normalår i Kiruna.
Parameter Enhet Bränslefördelning år 2017 Antaget normalfall
Eldningsolja 1 MWh 9061 4705
Bio-olja MWh 2701 7057
Summa MWh 11762 11762
Likt produktionsdatat i Tabell 8, fördelas fjärrvärmen för biooljan ut månadsvis under de månader den behövs.
4.3 Basförutsättningar för ekonomisk kalkyl
Tabell 9 visar basförutsättningar för ekonomiska beräkningar som senare kan komma att ändras i en känslighetsanalys.
Tabell 9. Basförutsättningar för ekonomiska beräkningar.
Parameter Enhet Värde Kommentar
Investeringskalkyl
Kalkylränta % 5 I Kiruna [66]
Avskrivningstid år 20 Antagande
Annuitetsfaktor % 8 Ekvation (5)
Kostnader
Transportkostnad slam kr/tonmil 4,0 Ragn-Sells AB [39]
Transportkostnad RT-flis kr/tonmil 4,63 HRS-miljö [62]
Körsträcka Narvik - Kiruna mil 35,6
Körsträcka Gällivare - Kiruna mil 24,4
Rörlig elkostnad kr/MWh 780 Beräknad från [68]
Kostnad driftpersonal Mkr/anställd 0,60 Enligt [65] Årlig fast underhållskostnad % av investeringskostnad 2 Ragn-Sells AB[39]
Pris RT-flis kr/MWh 110 HRS-miljö [62]
Intäkter
Fjärrvärmeintäkt kr/MWh 815 Enligt [64]
Mottagningsavgift slam kr/ton 350 Ragn-Sells AB [39]
Världsmarknadspris fosfor kg/kg fosfor 21 Jordbruksverket [71] Kalkylräntan är baserad på en ränta som generellt räknas med i Kiruna Kommun [66]. Eftersom detta är ett generellt värde ändras det i en känslighetsanalys även till 3 respektive 7 %. Tillsammans med en antagen avskrivningstid på 20 år kan en annuitetsfaktor beräknas enligt Ekvation (5).
Elpriset i Tabell 9 är rörligt elpris, uppskattad efter Vattenfalls inköpspris, kostnad för elcertifikat, elskatt och moms [68]. Det rörliga totala elpriset hos Vattenfall är högt i dagsläget8 som berott på en
kall vinter. Priset väntas dock sjunka med ökande temperaturer alltmedan vattenmagasinen fylls på [67]. Elpriset till denna undersökning är ett genomsnitt mellan åren 2012 till 2018 och enligt linjär prognos, se Figur 2, väntas den hålla sig rätt stabil [68].
8 Maj 2018 elpris 962 kr/MWh med inköpspris, kostnad elcertifikat, elskatt (413,8 kr/MWh) och moms inräknat,
21 Figur 2. Rörligt elpris hos Vattenfall.
Personalkostnaden är ett rimligt antagande för driftpersonalens lön. Utöver grundlönen inkluderas ett påslag på ca 50 % för sociala avgifter och arbetsgivaravgifter [65].
Underhållskostnaden för anläggningen samt mottagningsavgiften för slam antas till värden baserade utifrån en liknande undersökning av Ragn-Sells AB [39].
Fjärrvärmeintäkten från den nya enskilda anläggningen är baserad efter fjärrvärmetaxan med moms och fasta avgifter inkluderat för år 2018 i Kiruna. Fjärrvärmetaxan kan sjunka om några år i och med ett avtal mellan LKAB och TVAB vilket ska möjliggöra att mer spillvärme från LKABs verksamheter kommer till användning till stadens fjärrvärmenät [69].
Målsättningen är att Kiruna ska få Sveriges billigaste fjärrvärme vilket för tillfället Luleå har år 2018 [70]. I en känslighetsanalys ändras därför fjärrvärmeintäkten till 576 kr/MWh vilket är en uppskattad total medelkostnad för primär- och sekundäranslutna i Luleå. Priset är baserat på exempeluppgifter samt rådande priser hämtade från Luleå Energis hemsida och i den kostnaden ingår fasta avgifter, moms, energikostnad och flödeskostnad [70]. Tabell 10 sammanställer uppgifter från hemsidan. Tabell 10. Förutsättningar för uppskattning av Luleås totala fjärrvärmetaxa.
Parameter
Enhet
Värde
Kommentar
Exempeluppgifter
Enligt [70]
Abonnerad effekt
kW
10
Fjärrvärme/år
m3
470
Energibehov villa
MWh
20
Ekonomiska förutsättningar
Abonnerad medeleffekt
kW
12,5
Enligt [70]
Medelvärde fastavgift
kr/år
4344
Enligt [70]
Energikostnad
kr/MWh
340
Gäller primär- och
sekundäranslutna
Flödeskostnad
Kr/m
33,3
Enligt [70]
0 20 40 60 80 100 120 2012 2013 2014 2015 2016 2017 201823
5 Resultat
5.1 Bränsletillgångar
Tabell 11. Sammanställda årsmedelvärden för producerad mängd torrslam inklusive TS-halt från TVABs Exceldokument över analysresultat från Kiruna avloppsreningsverk.
Producerad lagrad mängd avloppsslam Kiruna Reningsverk
År Volym [m3] Torrsub. [% TS] Kiruna [ton TS] Katterjokk [ton TS] Totalt [ton TS]
2013 3400 22 761 39 800 2014 3546 22 766 39 805 2015 3935 22 854 43 897 2016 4782 20 943 43 986 2017 3647 22 803 43 846 MEDEL 3862 21 826 41 867
Den producerade mängden avvattnat slam från Kiruna reningsverket uppnår uppskattningsvis i snitt en volym på ca 3860 m3 per år, se tabell 2. Detta slam har en med en densitet på 1000 kg/ m3 och en
torrsubstanshalt på 21 % TS. I massenhet motsvarar volymen mellan ca 760 till 940 ton TS åren 2013 till 2017.
Åren 2013 och 2017 har den externa slammängden från Katterjokk reningsverk uppskattats uppnå en mängd på ca 39 respektive 43 ton TS [39]. Tillsammans med avvattnat slam från Katterjokk blir den genomsnittliga totala tillgången ca 867 ton TS per år. Med slam från östra kommundelen inräknat blir denna ungefärliga slamproduktion 960 ton TS per år för hela kommunen [36].
Eftersom slammet från byarna i östra delen består av mindre slammängder utspridda över ett stort geografiskt område exkluderas den andelen av praktiska och ekonomiska skäl.
Följande tabeller redovisar de totala bränsletillgångarna som utgör förutsättningen till beräkningar av bränslesammansättning, material- och värmebalans.
Tabell 12. Sammanställd data på slamtillgångar.
Parameter Enhet Värde Kommentar
Densitet avloppsslam kg/m3 1000 Enligt [36]
Slamtillgång KRV Levererat tillstånd Torrt prov ton ton TS Ca 3450 867 25,1 %, se Tabell 11 Se Tabell 11 Slamtillgång Kavaheden Levererat tillstånd Torrt prov ton ton TS 5177 647 Enligt [40] 12,5 % TS
Total slamtillgång ton TS 1514
Torrsubstanshalten om 25 % TS är från en elementaranalys på ett samlingsprov från 2017, se Tabell 5, vilket senare beräkningar baseras på.
24 Tabell 13. Uppskattning av andel FOG i tillgängliga fettavskiljarslammet.
Parameter Enhet Värde Kommentar
Densitet fetavskiljarslam 1. 2. 3. Medel kg/m3 kg/m3 kg/m3 960 925 943 Enligt [50] Enligt [51] Uppskattad FOG innehåll
1. 2. 3. 4. 5. Medel % % % % % 9,8 25,9 23,3 25,5 23,6 Enligt [49] Enligt [48] Enligt [50] Enligt [50] Uppskattat fettmängd KRV Volym Levererat tillstånd Torrt prov (FOG)
m3 ton ton TS 200 189 45 Enligt [36]. Från 23,6 % FOG Tabell 14. Tillgång av rensavfall och uppskattad brännbar torrsubstanshalt.
Parameter Enhet Värde Kommentar
Tillgång Levererat tillstånd Torrt prov ton ton TS 72 27,8 Enligt [1] Uppskattad med 38,6 % TS, se Avsnitt 4.1.1.
5.2 Val av teknisk lösning och storlek på förbränningsanläggning
Det finns en begränsande faktor till hur stor pannstorleken och drifttiden får vara för anläggningen. Med en ökande kapacitet kommer lasten från slam och RT-flisen tillslut att antingen börja konkurrera med billigare bränslen (avfall) från nuvarande kraftvärmeverket eller ge upphov till
avsättningsproblem av värme under de varmare sommarmånaderna.
Utifrån produktionsdatat, se Tabell 7, och antagandet i Avsnitt 4.2 och diskussion med TVAB så föreslås en anläggning på 4 MW vilket kommer kunna täcka mesta delen av spetslasten.
Då en 4 MW anläggning ansågs lämplig betyder det att förbränning med fluidiserad bädd måste uteslutas eftersom dessa inte förekommer i lägre kapacitet än 8 MW [46]. Det minsta exemplet som går att hitta i Sverige är en anläggning på 8 MW i Kil [72].
Alternativet som bäst lämpar sig till TVAB utefter värmeavsättning och bränsletillgång är därför en hetvattensanläggning baserad på rosterteknik.
5.3 Kontaktade leverantörer av förbränningspannor
Följande leverantörer kontaktades för att erhålla budgetofferter på kompletta förbränningsanläggningar.
25 Bionomen AB är ett företag i Ängelholm som har en mindre vibrerande rostpanna vilket fungerar bra till samförbränning av slam och RT-flis [72]. Tidigare levererade Bionomen kompletta anläggningar men erbjuder numera enbart rosterpannor till befintliga anläggningar. Angående slamförbränning rekommenderar Bionomen samförbränning med ett mindre besvärligt trädbränsle som stamved eller sågspån. När det gäller monoförbränning av slam betvivlar de på att det skulle fungera med tanke på bränslekvaliteten i Kiruna avloppsslam. Slammet har en hög askhalt, se Tabell 5, och de befarar att det finns risk för askbädden att sintra ihop vid monoförbränning [76].
5.4 Val av förbränningsanläggning
Av de kontaktade företagen är Jernforsen bioenergy solutions den leverantör som erbjuder kompletta förbränningsanläggningar.
En kraftvärmeanläggning är en dyrare investering än en anläggning med endast ett hetvattensystem. Enligt Jernforsen bioenergy solutions får man räkna med den dubbla investeringskostnad vid
turbininstallationer [73]. En budgetoffert för en komplett fjärrvärmeanläggning på 4 MW med hetvattensystem begärdes därför från detta företag.
Hetvattenanläggningen har inte en rökgaskondensator men det går koppla in en om returflödet på fjärrvärmen är under ca 57 °C. För att motivera investeringen bör denna i praktiken vara under 45 °C [73].
5.4.1 Systemuppbyggnad
Den tekniska leveransen inkluderar hela centralen från bränslehantering till skorsten. Då avfall förbränns möter denna anläggning till fullo kravet i avfallsdirektivet, se Avsnitt 2.2.2.
I den tekniska leveransen ingår:
- Bränslehantering: En silo med hydrauliska skrapor som lastas manuellt med en lastmaskin. - Ugn och panna: En förbränningsugn, hydraulisk driven trapprost, och vattenrörspanna som
byggs ihop där en del av förbränningen sker i pannans eldstad. I pannan tillsätts ammoniak, NH3, för att reducera NOx-utsläpp där rökgaserna håller över 850 °C i minst 2 sekunder. Efter
vattenrörspannan finns en ekonomiser som värmeväxlar hetvatten mot rökgaserna från förbränningsugnen.
- Rökgasrening: Ett slangfilter avskiljer stoftpartiklar. Det tillsättas även aktivt kol, bikarbonat och/eller kalk för neutralisation av sura gaser och miljöfarliga substanser som tungmetaller. Exempelvis avlägsnas svaveldioxid eller väteklorid som åstadkommer korrosionsskador. Även additiven fångas upp i slangfiltret.
- Askhantering: Aska och slagg från ugnen transporteras till container i vått tillstånd medan askan ifrån slangfiltret transporteras till container i torrt tillstånd.
- Vatten- och ångsystem. - Elinstallation.
- Styr- och reglersystem för anläggningen. - Leverans, montage och driftsättning.
Det är viktigt ha koll på kvävehalten eftersom det finns en begränsning till hur mycket NOx som kan reduceras med NH3 [73].
5.4.2 Övrig data
26 För att hålla rätt rökgastemperatur måste bränsleblandningen ha en fukthalt som inte överstiger 60 %.
Pannverkningsgraden är mellan 88 till 90 % beroende på ång- och hetvattendata. I den här
undersökningen antas verkningsgraden till 88 % för att säkerställa att beräkningar inte utförs med för höga värden.
Gällande driftpersonal behövs 2 stycken där en person tar hand om det dagliga arbetet och skötseln av anläggningen samt en annan för beredskap, helger och nätter.
5.5 Tänkbara förbränningsalternativ
Utifrån en värmeavsättning till fjärrvärmenätet på 4 MW går det att undersöka 2 tänkbara fall vid ändrad drifttid. För bedömning om slamimport blir nödvändigt är fall 2 uppdelad i 2 olika
bränsleblandningar.
Följande fall studeras vidare i en teknoekonomisk analys.
- Fall 1: Kiruna avloppsslam tillsammans med RT-flis i en panna med drifttid 2800 timmar. - Fall 2: Gällivares och Kirunas avloppsslam tillsammans med RT-flis på 7500 timmar. - Fall 2.1: Kiruna avloppsslam tillsammans med RT-flis på 7500 timmar.
Den betydande skillnaden mellan bränsleblandningarna i Fall 2 är en extra intäkt i form av en mottagningsavgift för slammet från Gällivare och mindre behov av RT-flis, se Tabell 15. Skillnaden mellan de olika drifttiderna är kompensering av spets- och mellanlast eller bara spetslast från nuvarande kraftvärmeverk.
Tabell 15. Beräknad mängd RT-flis för att uppnå en tillförd effekt på 4 MW.
Parameter Enhet Värde Kommentar
Tillgång RT-flis Fall 1 Fall 2 Fall 2.1 ton TS ton TS ton TS 1815 5435 5730 Uppskattad enligt värmevasättning Kiruna
5.6 Bränslekostnadsbesparing
Från den antagna bränsleförbrukningen under ett normalår i Kiruna utan extremförhållanden uppskattas följande laster kunna kompenseras.
Tabell 16. Ersättning av fjärrvärmelaster från Kiruna Kraft enligt förbränningsalternativet i Fall 1. Ersatt fjärrvärme
Bränsle Enhet Ersatt Tillgänglig
Eldningsolja 1 MWh 4705 4705
Bio-olja MWh 5151 7057
27 Tabell 17. Ersättning av fjärrvärmelaster från Kiruna Kraft enligt förbränningsalternativen i Fall 2 och 2.1.
Ersatt fjärrvärme
Bränsle Enhet Ersatt Tillgänglig
Eldningsolja 1 MWh 4705 4705
Bio-olja MWh 5715 7057
Pellets MWh 1728 1728
Spillvärme LKAB MWh 14282 42629
Summa MWh 26430 56119
Via mottagningsavgiften och LHV i levererat tillstånd för slam uppskattas bränslepriset till denna vara 630 kr/MWh. Tillsammans med bränslepriset för flis och bränsletillgången för både slam och RT-flis blir det viktade priset för bränsleblandningarna i samtliga fall det som visas i Tabell 18.
Tabell 18. Viktat bränslepris på blandning av slam och RT-flis för olika förbränningsalternativ.
Förbränningsalternativ Enhet Viktad bränslepris
Fall 1 kr/MWh 394
Fall 2 kr/MWh 324
Fall 2.1 kr/MWh 253
Om dessa jämförs med rådande bränslepriser som visar i Tabell 6 fås en direkt besparing för ersättningen fram.
Tabell 19. Bränslekostnadsbesparing efter direkt jämförelse med rådande bränslepriser för laster från Kiruna Kraft.
Förbränningsalternativ Enhet Värde
Fall 1
Besparing ersatt eldningsolja 1 Besparing ersatt bioolja Total kostnadsbesparing Mkr/år Mkr/år Mkr/år 3,14 2,10 5,24 Fall 2
Besparing ersatt eldningsolja 1 Besparing ersatt bioolja
Besparing ersatt pellets Förlust mot spillvärme LKAB Total kostnadsbesparing Mkr/år Mkr/år Mkr/år Mkr/år Mkr/år 3,47 2,73 0,09 - 2,06 4,23 Fall 2.1
Besparing ersatt eldningsolja 1 Besparing ersatt bioolja
Besparing ersatt pellets Förlust mot spillvärme LKAB Total kostnadsbesparing Mkr/år Mkr/år Mkr/år Mkr/år Mkr/år 3,80 3,13 0,22 - 1,04 6,11
För att säkerställa leverans av fjärrvärme till kund valde Kiruna Kraft att installera ytterligare en anläggning. En strategisk placering ansågs vara intill ackumulatorn. Resultatet blev containerlösning i form av en pelletspanna på 2 MW som möjliggjort att ackumulatorn alltid kunde förses med energi även om det skulle bli haveri på avfallspannan eller biopannorna [65].
