Sewage sludge drying and combustion

Abstract

A brief review of the paper pulp production process in order to understand the origin of the sewage sludge was performed. Then a general revision of the current treatment options for this type of waste was addressed. The thermal treatment by combustion was focused and a review of the state of the art of this process was performed. The high moisture content of sludge was identified as a major concern. Thus a revision of the state of the art regarding thermal drying of sewage sludge was performed. The drying behavior of sewage sludge from the pulp and paper industry was evaluated by experiment in a drying tunnel. Strong shrinkage, cracks and a weak crust phenomenon were identified. A drying kinetic model was developed by the use of Artificial Neural Networks achieving a high Pearson correlation coefficient in the validation tests. Additionally a theoretical assessment of the co-combustion process was performed having into account a 50 MWth combustion facility. The inclusion of different portions of sewage sludge in a fuel mixture and the influence of the sludge moisture content was studied. It was found that burning sewage sludge with more than 50 wt% moisture content is not possible. Furthermore the inclusion of sewage sludge in a biomass fuel mixture causes an increase in the fuel consumption, solids production and heat losses in the flue gas. Based on general thermodynamic considerations the thermal power of a sludge dryer was calculated. The use of waste heat to supply the energy needs of the drying process was addressed by the waste heat availability estimation as sensible heat and latent heat at the stack of the facility. A set of combustion experiments were done in a pilot scale bubbling fluidized bed combustor to assess the combustion efficiency by monitoring the CO2, CO, H2O and O2 levels in conjunction with the temperature profile along the reactor height. Two different types of fuel samples were prepared. One composed by 100 wt% sewage sludge (fuel sample 1) and other composed by 50 wt% sewage sludge and 50 wt% residual forest biomass (particle size <1mm) (fuel sample 2). Low CO levels were onserved especially for the fuel sample 2 which indicates a very efficient combustion process. The CO emission level established by the Portuguese law for this type of reactor was never exceeded under typical operating conditions. The temperature profile along the reactor confirms that the combustion of the fuel samples prepared occurs mainly in the freeboard zone. It was not observed agglomeration problems and the fluidization conditions were kept constant during all the experimental tests. After the combustion experiments a considerable ashes quantity were found and its particle size distribution was estimated.

Foi realizada uma revisão sucinta do processo de produção de pasta de papel, a fim de compreender a origem da lama biológica. Uma revisão geral das opções atuais de tratamento para este tipo de resíduo foi abordada. O tratamento térmico por combustão foi focalizado e uma avaliação do estado da arte deste processo foi realizada. Foi verificado que o elevado teor de humidade da lama representa uma grande preocupação. Por tanto, realizou-se uma revisão do estado da arte em relação à secagem térmica das lamas. O comportamento da lama secundaria da indústria de pasta e papel foi estudado experimentalmente em um túnel de secagem. Foram observados os fenómenos de encolhimento e rachaduras além do fenomeno de crosta, embora este último não seja muito pronunciado. Foi desenvolvido um modelo de cinética de secagem com recurso ao uso de Redes Neurais Artificiais, sendo observado um elevado coeficiente de correlação nas experiências de validação. Foi realizada uma análise teórica ao processo de co-combustão de lama com biomassa florestal numa instalação de combustão de 50MWth. Estudou-se a inclusão de diferentes fracções de lama numa mistura de combustível contendo biomassa florestal, assim como também a influência do teor de humidade da lama. Verificou-se que a combustão de lamas biológicas com mais do que 50 wt% em teor de humidade não é possível. Além disso, a inclusão destas lamas na mistura de combustível provoca um aumento do consumo de combustível na instalação, da produção de sólidos e das perdas de calor no efluente gasoso da instalação. Com base em considerações termodinâmicas foi determinada a potência térmica de um secador de lamas. A utilização do calor residual para suprir as necessidades energéticas do processo de secagem foi abordada a través da estimativa da disponibilidade de calor residual na forma de calor sensível e calor latente no efluente gasoso da instalação de combustão. Foi realizado um conjunto de experiências de combustão de lamas e sua mistura com biomassa florestal num reactor de leito fluidizado borbulhante á escala piloto para avaliar a eficiência de combustão através da concentração de CO2, CO, O2 e H2O, em conjunto com o perfil de temperaturas ao longo do reactor. Foram utilizados dois tipos diferentes de amostras de combustível, uma composta por 100 wt% de lama biológica (combustível 1), e outra composta por 50 wt% de lama biológica e 50 wt% de biomassa florestal residual (tamanho de partícula <1mm) (combustível 2). Foram observados baixos níveis de CO no efluente gasoso, emparticular para a amostra de combustível 2, o qual indica um processo de combustão muito eficiente. Para condições de operação (temperatura e estequimetria) típicas, verificou-se que o limite de emissão de CO estabelecido pela lei Portuguesa para este tipo de fornalhas não foi excedido. O perfil de temperatura ao longo do reactor confirma que a combustão das amostras de combustível preparadas ocorre principalmente na zona do freeboard. Não foram verificados problemas de aglomeração e as condições de fluidização foram mantidas constantes durante todos os ensaios experimentais. Após os ensaios de combustão foi observada uma quantidade considerável de cinzas na fornalha, tendo sido avaliada a sua distribuição granulométrica.