Utilisation aspects of ashes and green liquor dregs from an integrated semichemical pulp and board mill

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2013-06-19
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
83 + app. 54
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 102/2013
Abstract
This thesis investigated the properties of bottom and fly ashes originating from a bubbling fluidised bed boiler (120 MW) using two different fuel mixtures (i.e. Fuel mixture A: coal, wood and peat; and B: wood and peat) and of the green liquor dregs originating from the associated semichemical pulp and board mill in relation to the potential utilisation of these residues from various aspects. The total concentrations of As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn and Hg in the bottom ashes were lower than the maximum allowable concentrations for these elements in forest fertilisers. The total Ca concentrations in bottom ashes A (2.4%; d.w.) and B (3.4%; d.w.) were lower than the legal requirement of 6.0% (d.w.) for ash used as a forest fertiliser. The total Ca concentrations in fly ashes A (6.4%; d.w.) and B (11.0%; d.w.) were higher than the minimum limit value of 6.0% (d.w.), but the concentration of As in fly ashes A (46.9 mg/kg d.w.) and B (41.3 mg/kg; d.w.) exceeded the maximum limit value of 40 mg/kg (d.w.). Only bottom ash B could be used as a forest fertiliser, provided some additional Ca is used. The bottom ashes both fulfilled the Finnish regulations on waste recovery in earth construction. Due to the elevated total concentration of PAH (23 mg/kg; d.w.) and extractable concentrations of Mo (3.9 mg/kg; d.w.) and Se (0.2 mg/kg; d.w.) in fly ash A, this residue cannot be used in covered structures. Due to the elevated concentration of PAH (90 mg/kg; d.w.) in fly ash B, this residue cannot be used in covered and paved structures. However, the utilisation of these residues as an earth construction agent is still possible, but an environmental permit would be required. According to the sequential extraction studies, extractable concentrations of most of the elements in the fly ash A were higher than those in the bottom ash A. The extractability of various elements, both in the bottom and fly ashes A, varied widely. Most of the elements did not occur as readily soluble and mobile forms in these ashes, which supports their utilisation instead of final disposal. The green liquor dregs were strongly alkaline (pH 11.7) and had a high neutralizing capacity (34.2% Ca equivalents; d.w.). These results support the utilisation of this residue e.g. as a soil conditioning agent or pH buffer for acidic soils. The relatively low total concentrations of non-process elements in the green liquor dregs and low partitioning of these elements in the sequential extraction procedure support the re-use of this residue. However, if green liquor dregs are to be utilised, an environmental permit is needed. In terms of human health aspects, the careful handling of fly ash and green liquor dregs is recommended to prevent material dusting problems and the penetration of material particles across the human gastrointestinal tract. In order to promote the utilisation of ashes and green liquor dregs, efforts to develop Finnish legislation on waste utilisation is needed. 

Työssä tutkittiin puolikemiallisen sellu- ja kartonkitehtaan leijupetikattilan (120 MW) pohja ja lentotuhkaa kahdella eri polttoaineseoksella (A: hiili, puu ja turve; B; puu ja turve) ja kemikaalikierron soodasakkaa sekä tarkasteltiin näiden jätejakeiden hyötykäyttömahdollisuuksia eri näkökulmista. Pohjatuhkien raskasmetallien (As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn, Hg) kokonaispitoisuudet alittivat metsätaloudessa käytettävien tuhkalannoitteiden enimmäispitoisuuksien raja-arvot. Pohjatuhkien kalsiumpitoisuudet (A: 2,4 % ja B: 3,4 %) olivat kuitenkin alhaisemmat kuin sille asetettu vähimmäisvaatimus (6,0 %). Lentotuhkien kalsiumpitoisuudet (A: 6,4 % ja B: 11,0 %) ylittivät vähimmäisvaatimuksen, mutta toisaalta lentotuhkien arseenin kokonaispitoisuudet (A: 46,9 mg/kg ka.; B: 41,3 mg/kg ka.) ylittivät metsätaloudessa käytettävän tuhkalannoitteen arseenin enimmäispitoisuuden raja-arvon (40 mg/kg ka.). Ainoastaan tutkittu pohjatuhka B soveltuisi käytettäväksi metsätaloudessa tuhkalannoitteena, mikäli siihen lisättäisiin kalsiumia vähimmäisvaatimusten täyttämiseksi. Pohjatuhkat täyttivät valtioneuvoston asetuksen vaatimukset jätteiden hyödyntämisestä maarakentamisessa. Sen sijaan lentotuhkan A haitallisten aineiden PAH-pitoisuus (23 mg/kg ka.) sekä molybdeenin (3,9 mg/kg ka.) ja seleenin (0,2 mg/kg ka.) liukoiset pitoisuudet ylittivät peitetylle rakenteelle asetetut raja-arvot ja lentotuhkan B haitallisten aineiden PAH-pitoisuus (90 mg/kg ka.) ylitti päällystetyn rakenteen raja-arvon. Täten lentotuhkaa A ei voida käyttää peitetyssä rakenteessa ja lentotuhkaa B päällystetyssä rakenteessa ilmoitusmenettelyllä, vaan erillinen ympäristölupa vaaditaan. Sekventiaalisessa uutossa monien haitallisten aineiden liukoiset pitoisuudet olivat korkeammat lentotuhkassa A kuin pohjatuhkassa A. Lisäksi haitallisten aineiden liukoiset pitoisuudet olivat pohja- ja lentotuhkissa A merkittävästi erilaisia eri alkuaineilla. Suurin osa pohja- ja lentotuhkan A haitallisista aineista ei kuitenkaan ollut helposti liukenevassa muodossa sekventiaalisessa uutossa, mikä tukee tutkittujen tuhkien hyötykäyttöä kaatopaikalle läjittämisen sijaan. Soodasakka oli voimakkaasti alkalista (pH 11,7) ja sen neutraloiva kyky (34,2 % Ca ekv. ka.) oli suuri, jolloin soodasakkaa voidaan käyttää esimerkiksi maanparannusaineena tai pH-puskurina happamassa maaperässä. Soodasakan hyötykäyttö edellyttää ympäristölupaa. Soodasakan haitallisten aineiden suhteellisen alhainen kokonaispitoisuus ja alhainen liukoisuus sekventiaalisessa uutossa tukevat myös tutkitun soodasakan hyötykäyttöä. Työterveydellisestä näkökulmasta tarkasteltuna tutkitun lentotuhkan ja soodasakan huolellinen käsittely on suositeltavaa, jotta työntekijät eivät altistu näiden materiaalien haitta-aineille. Tuhkan ja soodasakan hyötykäytön edistämiseksi Suomen lainsäädäntöä tulee yrittää kehittää. 
Description
Supervising professor
Dahl, Olli, Prof., Aalto University, Finland
Thesis advisor
Nurmesniemi, Hannu, Dr., Stora Enso Oyj, Finland
Pöykiö, Risto, Dr., City of Kemi, Finland
Keywords
ash, extraction, Finnish legislation, green liquor dregs, heavy metals, SC-fluting, raskasmetallit, soodasakka, Suomen lainsäädäntö, tuhka, uutto
Other note
Parts
  • [Publication 1]: K. Manskinen, H. Nurmesniemi, R. Poykio, O. Dahl (2010). Comparison of the fertilizer properties of bottom ash and fly ash from the 120 MW power plant of a fluting board mill incinerating different fuel mixtures. Journal of International Environmental Applications & Science 5(4): 526-537.
  • [Publication 2]: K. Manskinen, H. Nurmesniemi, R. Poykio (2012). Occupational risk evaluation of using bottom ash and fly ash as a construction material. Journal of Hazardous, Toxic and Radioactive Waste 16(1): 79-87.
  • [Publication 3]: K. Manskinen, R. Poykio, H. Nurmesniemi (2011). Comparison of the total and fractionated heavy metal and sulphur concentrations in bottom ash and fly ash from a large-sized (120 MW) power plant of a fluting board mill. Chemija 22(1): 46-55.
  • [Publication 4]: K. Manskinen, H. Nurmesniemi, R. Poykio (2011). Total and extractable non-process elements in green liquor dregs from the chemical recovery circuit of a semi-chemical pulp mill. Chemical Engineering Journal 166(3): 954-961.
  • [Publication 5]: K. Manskinen, R. Poykio, H. Nurmesniemi (2011). Extractability of heavy metals in green liquor dregs using artificial sweat and gastric fluids. International Journal of Civil and Environmental Engineering 3(1): 41-44.
Citation