Solid Fuels
2.2 Renewable Solid Fuels
2.2.3 Fuel Characteristics of Biomass
2.2.3.4 Sewage Sludge
Moisture and Ash Content, Calorific Value
In municipal sewage treatment plants, raw sludge or, more commonly, digested sludge is produced. For raw sludge, a moisture content of about 96% is typical.
The dry solid matter, on average, consists of 65% organic and combustible com- ponents and 35% ash. Digested sludges have a higher ash content because part of the organic matter of the sewage sludge is converted either into CH4 (in anaerobic conditions) or CO2(in aerobic conditions) in the digestion process. In addition, the moisture content may be diminished during the longer period of storage. The dry solid matter of digested sewage sludge is composed half of organic matter and half of ash (Gerhardt 1998; Spliethoff et al. 1996).
The calorific value of sewage sludge is determined by the moisture and the ash contents. Figure 2.20 explains these correlations. For purely organic matter, a calorific value of about 21 MJ/kg can be taken as a basis. The variation in calorific value of sewage sludge from different sewage treatment plants, and from the same plant at different times, ranges around±1 MJ/kg (Gerhardt et al. 1997). For sewage sludge with an ash content of 35%, the calorific value of the dry solids is about 14 MJ/kg, while digested sewage sludge with 50% ash has a dry solids calorific value of about 10.5 MJ/kg.
Due to the high moisture content, sewage sludge produced in a sewage treat- ment plant has no or a negative calorific value because heat has to be used to vaporise the water. The common and energy-saving method is mechanical dewa- tering at the sewage treatment plant. The resulting dewatering degree depends on the sewage sludge, the dewatering method and the addition of conditioning agents.
Incompletely digested sewage sludge cannot be stored for a long time after dewa- tering because of the development of odours and build-up of flammable gases.
As Figure 2.20 shows, the calorific value of an undigested sewage sludge (type C) with a dry solid matter content of around 20% lies between 0.5 and 1.2 MJ/kg.
52 2 Solid Fuels
Table2.16CompositionofvariousRDFs,showingtheinfluenceoftheinputmaterial(Fehrenbachetal.2006) MunicipalsolidwasteHousehold-likecommercialwaste hcf MBTDS MBSDS MPTRichinpaper andcardboardRichinplasticsBulkywaste InputmaterialInputRDFInputRDFInputRDFInputRDF Moisture[%]33.810.714.814.721.17.820.27.419.513.8 Carbon,fossil[%]10.127.617.116.911.223.915.131.411.417.3 Carbon,organic[%]12.819.421.521.714.923.312.919.322.328.5 Chlorine[%]0.480.620.780.770.850.991.431.60.170.13 Sulphur[%]0.20.170.250.250.270.150.270.150.140.08 Cadmium[mg/kg]6.77.036.76.611.69.819.418.82.91.42 Mercury[mg/kg]0.240.240.270.260.270.270.50.510.10.074 Antimony[mg/kg]11.712.68.258.211.912.915.118.120.77.45 Arsenic[mg/kg]3.22.12.242.22.81.72.91.655.31.68 Lead[mg/kg]20416822812735618943628411276.7 Chromium[mg/kg]25629033232926734227434412043.9 Femetal[%]3.410.010.010.012.70.0082.70.00180.01 NonFemetal[%]0.390.020.0010.0020.40.00120.40.00100.001 LHV[MJ/kg]9.621.617.417.411.221.211.823.313.719.4 MBT:mechanical–biologicaltreatment,MBS:mechanical–biologicalstabilisation,MPT:mechanical–physicaltreatment(drying), hcf:highcalorificfractionfromMBT,RDF:refuse-derivedfuel
2.2 Renewable Solid Fuels 53 Fig. 2.20 Calorific values of
municipal sewage sludge (Gerhardt 1998)
Digested sludge is more effectively dewatered by mechanical means than by other means. Figure 2.20 shows the range of values of a badly dewatered (D) and a well-dewatered type of sewage sludge (B). Digested sludge, at a moisture content of 60%, has a net calorific value of 2–3 MJ/kg. By thermal drying, the calorific value can be markedly increased, but this requires energy to vaporise the water. It can be noticed that the calorific value of the thermally dried digested sludge (range A) generally lies below 11 MJ/kg.
Composition
Table 2.17 shows the analytical data for the dry state of different sewage sludge types in comparison to hard and brown coal. Sewage sludge has a higher ash content because of the input of sand and other inert material. The volatile matter corresponds mainly to the organic substances in the sludge. A conspicuous result of the ultimate analysis is the low carbon content and the high oxygen content. The nitrogen content of sewage sludge is significantly higher than that of coal.
The mineral fraction of sewage sludge consists of about 40% acidic oxides, such as silicon oxide (SiO2) and aluminium oxide (Al2O3), and 40% basic oxides such as CaO, Fe2O3, K2O, MgO and Na2O. The remaining 20% is composed of phos- phates, sulphates and carbonates. In contrast, the fraction of the acidic oxides in hard coal almost reaches double this value (ca. 80%) whereas the fraction of the basic
54 2 Solid Fuels Table 2.17 Fuel composition of sewage sludge (Gerhardt et al. 1997; Gerhardt 1998)
Dewatered sewage sludge
Typical value Range Hard coal Brown coal
Moisture content [%] 55 (dewatered) 5 (thermally dried)
7 55
Lower heating value (LHV) raw [MJ/kg]
3.6 (dewatered) 10.2 (thermally dried
27.9 8.7
Lower heating value (LHV) dry [MJ/kg]
10.9 8.8–14.4 30.2 22.2
Ash % dry 46.9 39–53 8.3
Volatile matter % dry 51 28–55 34.7 50
Fixed C dry 2.5 1–24 57 38
C 25.5 20–40 72.5 63
H 5 2–5 5 4
N 3.3 2–5 1.3 0.5
S 1.1 0.6–7 0.9 0.5
Cl 0.1 0.02–0.6 0.2 0.1
oxides is around 20%. The nature of the ash composition of sewage sludge means a lower ash softening point in comparison to hard coal ash. The initial ash deformation temperature lies, depending on the sewage sludge type, around 1,100–1,200◦C.
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