Techno-economic assessment of novel utilization methods of biosludge
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Author
Date
2018-08-28
Department
Major/Subject
Biomass Refining
Mcode
CHEM3021
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
114 + 6
Series
Abstract
Waste and byproducts from industry should be reused or recycled instead of disposal according to environmental and political targets. However, conventional methods of biosludge handling still rely on incineration with primary sludge or even on landfilling. Thus, alternative sustainable methods for biosludge utilization should be searched. The aim of this thesis was to identify novel utilization methods for biosludge and select the most attractive alternatives for the forest industry. The studied utilization methods were aerobic digestion, anaerobic digestion, thermal drying, pyrolysis, gasification, hydrothermal carbonization (HTC) and fermentation. Based on the review, the most feasible methods were thermal drying, anaerobic digestion and hydrothermal carbonization. The selected methods were used to compose six cases which were evaluated through technical and economic aspects and compared to the conventional method of incineration. The cases were; Case 1: Thermal drying, Case 2: Thermal drying into organic fertilizer, Case 3: Thermal drying into nitrogen fertilizer, Case 4: Anaerobic digestion, Case 5: Anaerobic digestion and thermal drying into organic fertilizer and lastly Case 6: HTC. No political incentives were considered. The technical modelling consisted of configuration of process flow diagram and calculations of mass and energy balances. In the economic modelling the capital investment cost and the operation cost were estimated. With the modelling the profitability of each case was calculated. The evaluation between the cases and available literature showed that all cases induced savings compared to incineration. However, only Case 2: Thermal drying into organic fertilizer, Case 3: Thermal drying into nitrogen fertilizer and Case 5: Anaerobic digestion and thermal drying into organic fertilizer had a net present value (NPV) adjusted payback time during a 10 year time horizon. Case 3 was proposed for the most attractive alternative. However, political incentives or other factors might have a significant effect on the profitability of a case. The results showed that biosludge has various alternative utilization methods which seem feasible through preliminary assessment. The actual feasibility should be determined through detailed process design and pilot runs.Ympäristöllisten ja poliittisten tavoitteiden mukaan teollisuuden jätteet ja sivuvirrat tulisi ensisijaisesti uudelleenkäyttää tai kierrättää hävittämisen sijaan. Tavallisesti bioliete silti poltetaan primäärilietteen kanssa tai jopa viedään kaatopaikalle. Siksi biolietteelle tulisi löytää kestäviä vaihtoehtoisia hyödyntämismenetelmiä. Tämän työn tarkoitus oli löytää uusia hyödyntämismenetelmiä biolietteelle ja valita näistä menetelmistä metsäteollisuudelle houkuttelevin vaihtoehto. Tutkitut menetelmät olivat kompostointi, mädätys, terminen kuivaus, pyrolyysi, kaasutus ja märkäpyrolyysi. Kirjallisuustarkastelun perusteella toteutuskelpoisimmat vaihtoehdot olivat terminen kuivaus, mädätys ja märkäpyrolyysi. Valittujen teknologioiden perusteella laadittiin kuusi käyttömenetelmää, joiden kannattavuutta tarkasteltiin teknisestä sekä taloudellisesta näkökulmasta. Käyttömenetelmät olivat; menetelmä 1:terminen kuivaus, menetelmä 2: terminen kuivaus maanparannusaineeksi, menetelmä 3: terminen kuivaus typpilannoitteeksi, menetelmä 4: mädätys, menetelmä 5: mädätys ja terminen kuivaus maanparannusaineeksi sekä menetelmä 6: märkäpyrolyysi. Poliittisia kannustimia ei huomioitu laskelmissa. Teknisessä mallintamisessa määritettiin prosessikaavio sekä massa- ja energiataseet. Taloudellisessa mallintamisessa arvioitiin prosessin investointi-ja käyttökustannukset. Mallintamisen avulla jokaisen menetelmän kannattavuus laskettiin. Menetelmien vertailu osoitti, että kaikki prosessit johtivat säästöihin verrattuna polttoon. Kuitenkin vain menetelmillä 2: terminen kuivaus maanparannusaineeksi, 3: terminen kuivaus typpilannoitteeksi ja 5: mädätys ja terminen kuivaus maanparannusaineeksi oli nettonykyarvolla korjattu takaisinmaksuaika 10 vuoden tarkastelujaksolla. Menetelmä 3 todettiin houkuttelevimmaksi hyödyntämismenetelmäksi. Kuitenkin muut tekijät kuten poliittiset kannustimet saattavat vaikuttaa merkittävästi prosessin kannattavuuteen. Tulokset osoittivat, että biolietteellä on useita vaihtoehtoisia hyödyntämismenetelmiä, jotka ovat esitarkastelun perusteella kannattavia. Todellinen kannattavuus tulisi kuitenkin selvittää yksityiskohtaisella prosessisuunnittelulla ja koeajoilla.Description
Supervisor
Dahl, OlliThesis advisor
Mustonen, KatiKeywords
bioliete, lietteen hyödyntäminen, teknillis-taloudellinen arviointi, lignoselluloosa
