Slagg - en koldioxidsänka? En studie av karbonatisering i slagg från förbränning av hushålls- och industriavfall

Abstract

From incineration of industrial- and household waste bottom ash is generated. A large volume of bottom ash is generated yearly in both Sweden and Europe. The natural carbonation process, which involves a reaction between carbon dioxide and calcium in the material, is initiated when the bottom ash reaches contact with air. The carbonation binds carbon dioxide to the bottom ash, decreases the pH and the solubility of metals and hence decreases risks of toxic leachate. Normally the bottom ash is stored during six months to lower the pH from circa 11 to a pH of 8.5-9.

The purpose of the master thesis is to estimate the amount of carbon dioxide that can be stored in the material, in order to investigate whether bottom ash is a carbon sink. The usability of the material and the legal aspects of usage and storage of bottom ash is also examined.

Previous studies present a wide spread of estimated amount of carbon dioxide uptake, between 12-251 kg of carbon dioxide per ton of bottom ash. In the case study of this essay the amount of stored carbon dioxide in bottom ash stored according to Sysav’s method in Malmö was analyzed. This material was stored for 5.5 months, the pH had dropped from 12.1 to 8.1 and it had absorbed 37 kg of carbon dioxide per ton of bottom ash. The carbonation process that occurs during this time is affected by how much air the bottom ash is exposed to, the chemical composition, the moisture content and the grain size of the material. An optimally estimated moisture content, received from studies conducted on laboratory level, is according to literature 15 percent. The case study at Sysav gave a moisture content of bottom ash of 10-20 percent that could not be linked to the rate of carbon uptake, due to the final sample design of the study.

Life cycle analysis of bottom ash shows that use of the material in road construction reduces emissions of carbon dioxide, compared to landfill or use in cement production. In many European countries, the bottom ash is used as a construction material. In Sweden, however, the bottom ash is mainly used as cover material to closed landfills. It would be possible to facilitate the use of bottom ash through legislation. For example, a development in specification limits and guidelines could increase the usability which is also recommended in the Waste Framework Directive. If the laws regarding end-of-waste were expanded to include bottom ash, this could in addition facilitate the use. Storage, and the sequestration of carbon dioxide in the material, requires a use for it to be economically and practically viable. If there is no request or use of the material the alternative is to put it in landfills directly, why the possibilities for bottom ash to be a carbon sink is put to risk.

Abstract (Swedish)

Från förbränning av industri- och hushållsavfall erhålls bland annat restprodukten slagg, vilket är bottenaskan från förbränningen. Varje år skapas stora volymer både i Sverige och i övriga Europa. Den naturliga processen karbonatisering, vilken involverar en reaktion mellan luftens koldioxid och kalcium i materialet, startar då slagg efter förbränning kommer i kontakt med luft. Karbonatiseringen binder koldioxid i slaggen, sänker pH och bidrar även till att minska metallers lakbarhet till omgivande miljö. Då slaggen har efterlagrats i omkring sex månader har materialet omvandlats till slaggrus och pH har sänkts från cirka 12 till 8,5-9.

Syftet med arbetet är att undersöka mängden koldioxid som slagg kan ta upp och att svara på frågan om slagg kan räknas som en koldioxidsänka. Syftet är också att undersöka hur och till vad slaggrus kan användas, samt att granska den lagstiftning som påverkar hantering av slagg och slaggrus.

Tidigare studier har visat en spridning på uppskattad mängd upptagen koldioxid mellan 12-251 kg koldioxid per ton slagg. Resultatet av fallstudiens genomförda provtagning och analys har visat att slagg, lagrat enligt Sysavs metod i Malmö, kan ta upp 37 kg koldioxid per ton slagg. Då hade slaggen efterlagrats i 5,5 månader och pH hade sjunkit från 12,1 till 8,1. Karbonatiseringsprocessen som sker under lagringen påverkas av hur mycket luft slaggen exponeras för, dess kemiska sammansättning, materialets kornstorlek samt fukthalt. Enligt litteraturkällor är den optimala fukthalten för karbonatisering av slagg uppskattad till 15 procent, med hjälp av studier utförda på laboratorienivå. Fallstudien på Sysav gav en varierande fukthalt mellan 10-20 procent som inte kunde kopplas till hastigheten hos koldioxidupptaget, på grund av den slutliga provtagningsdesignen.

Lagring, och med den inbindningen av koldioxid i materialet, förutsätter idag ett användande av materialet för att det skall vara ekonomiskt och praktiskt gångbart. Om inte efterfrågan på det mognade materialet slaggrus finns, riskerar slagg att gå direkt till deponering varpå, materialets funktion som koldioxidsänka i stort uteblir. Livscykelanalyser av slaggrus visar att användande av materialet i vägkonstruktioner bidrar till att minska utsläpp av koldioxid, jämfört med att deponera materialet. I många länder i Europa används slaggrus som byggnadsmaterial. I Sverige sker däremot användning i större skala endast i täckmaterial på avslutade deponier. Det skulle vara möjligt att underlätta användande av slaggrus genom tydligare lagstiftning. Till exempel kan specifikationer gällande gränsvärden och riktlinjer utvecklas, vilket också är rekommenderat i ramdirektivet för avfall. Om lagar gällande end-of-waste utvecklas för att innefatta slaggrus kan det underlätta användandet.

Popular Abstract (Swedish)

Kan bottenaska från avfallsförbränning vara en koldioxidsänka?
Energiåtervinning, det vill säga förbränning av avfall, genererar årligen 1 miljon ton bottenaska i Sverige. Restprodukten, som kallas slagg, har visat sig kunna ta upp koldioxid från atmosfären då den lagras för att senare användas som konstruktionsmaterial.

För att minska den klimatpåverkan som uppstår vid koldioxidutsläpp är det möjligt att använda tekniker för infångning och lagring av koldioxid, så kallade Carbon Capture and Storage (CCS). Bland dessa, ofta omdiskuterade, tekniker finns en mindre känd: Lagringen av restprodukten slagg från förbränning av avfall. I dagsläget antas slagg kunna lagra mellan 12-251 kg koldioxid per ton, ett minst sagt brett spann. Parametrar som är avgörande för materialets koldioxidupptag är bland annat pH, fukthalt, lagringsmetod och kornstorlek. Processen som binder koldioxid i formen kalciumkarbonat kallas för karbonatisering. Idag sorteras och därefter lagras slagg i omkring 6 månader, därefter kallas det för slaggrus.

Slagg tar inte bara upp koldioxid ur atmosfären utan produkten slaggrus går även att använda som konstruktionsmaterial i exempelvis vägar. En risk med användningen är materialets innehåll av metaller som kan utlakas. Totalinnehåll och utlakningsbar mängd skiljer sig dock stort i detta material som också förbättras ur utlakningsaspekt desto mer koldioxid det tar upp. Undersökningar utförda på avfallsbolaget Sysavs anläggning på Spillepeng i Malmö visar att upptagen mängd koldioxid i deras slagg uppgår i ungefär 37 kg per ton slagg efter lagring. Total mängd koldioxid som per år har potential att bindas enbart på Sysav blir, baserat på anläggningens produktionssiffror från 2014, omkring 4000 ton koldioxidekvivalenter.

Livsyckelanalyser har visat att användning av slaggrus som vägkonstruktionsmaterial genererar mindre koldioxidutsläpp, i jämförelse med att använda jungfruligt material eller att låta deponera slaggruset. I exempelvis Nederländerna och Danmark används redan slaggrus i stor utsträckning som konstruktionsmaterial och där är lagstiftningen mer anpassad för det ändamålet. I Sverige finns det i dagsläget inte någon nationell lagstiftning med gränsvärden och riktlinjer som reglerar hanteringen av slagg och av slaggrus. Här används majoriteten av slaggruset för att täcka över avslutade deponier.

Enligt direktivet om End of waste finns möjlighet för Europas medlemsländer att karakterisera material som kommer från behandlat avfall som en ny produkt. Här finns en möjlighet för Sverige att genom att implementera detta underlätta för användning av slagg. Samarbete mellan avfallsbolag och kommun samt tydligare gränsvärden och samstämmighet i produktkvalitet mellan producenter kunde göra materialet mer lättanvänt för entreprenörer. Att slagg kan räknas som en koldioxidsänka tack vare dess koldioxidbindande egenskap gör användandet av materialet attraktivt ur klimatsynpunkt.

• author: Johansson, Josefin and Lönnebo Stagnell, Katarina
• supervisor: Eva Leire; Charlotte Retzner; Raul Grönholm
• organization: Environmental and Energy Systems Studies; Environmental Engineering (M.Sc.Eng.)
• alternative title: Bottom ash - a carbon dioxide sink? A study of the carbonation process in bottom ash from incineration of household and industrial waste
• course: FMI820 20161
• year: 2016
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: carbon dioxide uptake, carbonation, CCUS. Bottom ash, CCS, avfallsförbränning, resursutnyttjande, slaggrus, pH, fukthalt, koldioxidupptag, Slagg, Karbonatisering, moisture content, use of resources, incineration of waste, MSWI, CCUS.
• report number: ISRN LUTFD2/TFEM-- 16/5116--SE + (1-82)
• ISSN: 1102-3651
• language: Swedish
• id: 8890431
• date added to LUP: 2016-09-23 16:54:59
• date last changed: 2016-09-23 16:54:59