Combustion effects and emission characteristics of SO₂, CO, NO_x and heavy metals during co-combustion of coal and dewatered sludge

Abstract

The influences of dewatered sludge blending ratio in coal on flammability index (C) and combustion characteristic index (S) and release of sulfur dioxide (SO₂), nitrogen oxide (NO_x), carbon monoxide (CO) and heavy metals (Hg, As, Cd, Pb and Cr) were studied. The impact on combustion characteristics could be ignored if less than 20% of dewatered sludge was added in coal. Besides, emission pattern experiments of NO_x, SO₂, CO and heavy metals were carried out in a high-temperature tubular furnace. Results showed that the conversion rate of NO_x and total emission of SO₂ reduced with the increase of sludge adding ratio, and a better effect of fixing sulfur could be obtained when the blending ratio reached 30%. Concentrations and distributions of five types of heavy metals in different residues (bottom ash and fly ash) as well as in flue gas were analyzed. It was shown that the characteristics of coal and sludge, as well as the volatilization of heavy metals had a great influence on the distribution of heavy metals.

Keywords

sewage sludge / combustion characteristic / coal / emission / heavy metals

References

[1] de Souza Pereira M, Kuch B. Heavy metals, PCDD/F and PCB in sewage  sludge  samples  from  two  wastewater treatment  facilities in  Rio  de  Janeiro  State,  Brazil.  Chemosphere,  2005,  60(7):  844–853

[2] Dewil R, Baeyens J, Neyens E. Reducing the heavy metal content of sewage sludge by advanced sludge treatment methods. Environmental Engineering Science, 2006, 23(6): 994–999

[3] Niu S L, Han K H, Lu C M. Release of sulfur dioxide and nitric oxide and characteristic of coal combustion under the effect of calcium based organic compounds. Chemical Engineering Journal, 2011, 168(1): 255–261

[4] Takahiro M, Yoshizo S, Hidekazu N, Takafumi Y, Takami K, Hitoshi H, Seiichiro O. Combustion characteristics of sewage sludge in a combustion plant for energy recovery. Fuel Processing Technology, 2009, 90(6): 778–783

[5] Cartmell E, Gostelow P, Riddell-Black D, Simms N, Oakey J, Morris J, Jeffrey P, Howsam P, Pollard S J. Biosolids—a fuel or a waste? An integrated appraisal of five co-combustion scenarios with policy analysis. Environmental Science & Technology, 2006, 40(3): 649–658

[6] Werther J, Ogada T. Sewage sludge combustion. Progress in Energy and Combustion Science, 1999, 25(1): 55–116

[7] Yao H, Naruse I. Combustion characteristics of dried sewage sludge and control of trace-metal emission. Energy & Fuels, 2005, 19(6): 2298–2303

[8] Folgueras M B, Dı’az R M, Xiberta J, Prieto I. Thermogravimetric analysis of the co-combustion of coal and sewage sludge. Fuel, 2003, 82(15–17): 2051–2055

[9] Otero M, Calvo L F, Gil M V, García A I, Morán A. Co-combustion of different sewage sludge and coal: a non-isothermal thermogravimetric kinetic analysis. Bioresource Technology, 2008, 99(14): 6311–6319

[10] Park S W, Jang C H. Characteristics of carbonized sludge for co-combustion in pulverized coal power plants. Waste Management (New York, N.Y.), 2011, 31(3): 523–529

[11] Barbosa R, Lapa N, Boavida D. Co-combustion of coal and sewage sludge: Chemical and ecotoxicological properties of ashes. Journal of Hazardous Materials, 2009, 170(2–3): 902–909

[12] Li P S, Hu Y, Yu W, Yue Y N, Xu Q, Hu S, Hu N S, Yang J.Investigation of sulfur forms and transformation during the co-combustion of sewage sludge and coal using X-ray photoelectron spectroscopy. Journal of Hazardous Materials, 2009, 167(1–3):1126–1132

[13] Leckner B, Amand L E, Lucke K, Werther J. Gaseous emissions from co-combustion of sewage sludge and coal/wood in a fluidized bed. Fuel, 2004, 83(4–5): 477–486

[14] Nadziakiewicz J, Koziol M. Co-combustion of sludge with coal. Applied Energy, 2003, 75(3–4): 239–248

[15] Li X G, Ma B G, Xu L, Hu Z W, Wang X G. Thermogravimetric analysis of the co-combustion of the blends with high ash coal and waste tyres. Thermochimica Acta, 2006, 441(1): 79–83

[16] Ma B G, Li X G, Xu L, Wang X G, Wang X G. Investigation on catalyzed combustion of high ash coal by thermogravimetric analysis. Thermochimica Acta, 2006, 445(1): 19–22

[17] Essenhigh R H, Misra M K, Shaw D W. Ignition of coal particles: A review. Combustion and Flame, 1989, 77(1): 3–30

[18] Cheng J Y, Sun X X. Determination of the Devolatilization Index and Combustion Characteristic Index of Pulverized Coals. Power Engineering, 1987, 5: 13–18

[19] Otero M, Diez C, Calvo L F, Garcia A I, Moran A. Analysis of the co-combustion of sewage sludge and coal by TG-MS. Biomass and Bioenergy, 2002, 22(4): 319–329

[20] Gu L F, Chen X P, Zhao C S, Wu X.A study of the characteristics of mixed burning of municipal sewage sludge and coal by a thermogravimetric method. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2003, 18(6): 561–563

[21] Kester C L, Rye R O, Johnson C A, Schwartz C, Holmes C. On-line sulfur isotope analysis of organic material by direct combustion: preliminary results and potential applications. Isotopes in Environmental and Health Studies, 2001, 37(1): 53–65

[22] Spliethoff H, Hein K R G. Effect of co-combustion of biomass on emissions in pulverized fuel furnaces. Fuel Processing Technology, 1998, 54(1–3): 189–205

[23] Tian F J, Li H B, Wu C Z, Chen Y, Zhao Z B, Li B Q.Fundamental studies on co-briquette of pulverized coal and sludge II. Gaseous pollutants emissions of coal-sewage sludge briquette during isothermal combustion. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2000, 28(5): 454–458

[24] Wirsum M. Experimental investigation and theoretical description of the combustion of sewage sludge in a bubbling fluidized bed combustor. University of Siegen, Germany, 1997

[25] Johnsson Jan E. Formation and reduction of nitrogen oxides in fluidized bed combustion. Fuel, 1994, 73: 398–1415

[26] Åmand L E, Leckner B. Metal emissions from co-combustion of sewage sludge and coal/wood in fluidized bed. Fuel, 2004, 83(13): 1803–1821

[27] Helena Lopes M, Abelha P, Lapa N, Oliveira J S, Cabrita I, Gulyurtlu I. The behaviour of ashes and heavy metals during the co-combustion of sewage sludges in a fluidised bed. Waste Management (New York, N.Y.), 2003, 23(9): 859–870

[28] Otero M, Gomez X, Garcia A I, Moran A. Non-isothermal thermogravimetric analysis of the combustion of two different carbonaceous materials coal and sewage sludge. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2008, 93: 619–626

[29] Dewil R, Baeyens J, Appels L. Enhancing the use of waste activated sludge as bio-fuel through selectively reducing its heavy metal content. Journal of Hazardous Materials, 2007, 144(3): 703–707

[30] van de Velden M, Dewil R, Baeyens J, Josson L, Lanssens P. The distribution of heavy metals during fluidized bed combustion of sludge (FBSC). Journal of Hazardous Materials, 2008, 151(1): 96–102

Acknowledgement

The work was supported by the Special Fund for Environmental Protection Research in the Public Interest program (201209023-4).

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg