Management of solid residues from a waste to energy plant: A life cycle approach

Abstract

ABSTRACT: One of the main environmental issues facing society is the increasing production of waste and its treatment with minimal adverse effects on the environment. Since 1995, the generation of municipal solid waste (MSW) in the European Union (EU-27) has shown a steady increase until 2002. In 2003 and 2004 this growth was interrupted, which can be attributed to the changes in the methodology and classifications that took place in many countries in this period. This reduction was followed by an increase from 2004 to 2007, and by a new declination from 2008 to 2012. This diminish could be associated at least in part, to the downturn in economic activity as a result of the financial and economic crisis. In this general overview, MSW management has a fundamental role, and over the last years progresses in waste management practices were conducted. Nowadays the current waste management policies, propose waste prevention and waste reuse as fundamental principles. If primary measures are not possible to reduce waste generation, recycling, energy recovery and disposal must be adopted. Among all of them, incineration of waste has become an attractive option, due to its several benefits. This technique allows volume and mass reduction of waste and recovery of energy bound in MSW. Nevertheless, MSW incineration (MSWI) or waste to energy (WtE) process has a bad reputation due to the emission of ultratoxic pollutants and the generation of several solid residues: bottom ash (BA), fly ash (FA) and air pollution control (APC) residues, which require an adequate handling. BA is the most significant by-product from MSWI which account about 75 % to 95 % in weight from all the residues, and it is generally considered as non-hazardous. Instead, FA are classified as a hazardous waste because are characterised by high content of chlorides as well as significant amount of dangerous substances, such as heavy metals or organic compounds. Finally, APC residues are commonly collected together with FA, representing 1.5-2 % of the input waste mass. The composition and amount of each residue depends on the feed waste composition, incinerator technology and operation and air pollution control system technology. Moreover, these residues usually require a specific treatment before disposal, due to their composition in dangerous substances. Nevertheless, several utilisation methods of these wastes have been investigated and adopted, in order to reuse them as second materials, depending for its properties. In this context, this thesis aims to evaluate from an environmental point of view the management of solid residues from WtE plants. In particular, the work was divided in two section. The first part of this thesis reviews the characterisation and management of MSWI solid residues. Secondly the environmental assessment of those residues from a life cycle perspective was carried out. Firstly, the environmental performance of the incineration of steel fraction (packaging and non-packaging) from MSW is evaluated. Further, the management of the BA from steel incineration is studied. In particular, the recycling of the ferrous metals recovered from BA is assessed. This analysis is conducted using the methodology of life cycle assessment (LCA) and the environmental indicators proposed by the Institution of Chemical Engineers (IChemE).

RESUMEN: Uno de los problemas ambientales a los que se enfrenta la sociedad actual es la creciente generación de residuos así como apropiada gestión, de manera que se minimicen los impactos ambientales. De 1995 a 2022, la generación de residuos municipales (RSU) en la Unión Europa ha mostrado un incremento progresivo. En 2003 y 2004 este crecimiento se interrumpió, lo que se puede atribuir a cambios en la metodología y clasificación de los residuos que tuvo lugar en muchos países en este periodo. Esta reducción fue seguida por un incremento de 2004 a 2007 y por una nueva disminución de 2008 a 2012. Esta reducción en la generación de residuos puede será asociado, al menos en parte, a la recesión de la actividad económica como consecuencia de la crisis económica y financiera. En este sentido el tratamiento de los RSU juega un papel muy importante, y en los últimos años se han llevado a cabo muchos progresos en las prácticas de gestión. Las políticas de RSU, propone como primeras medidas de gestión la prevención y la reutilización de los residuos. Si estas medias primarias no son posibles, los residuos deben ser reciclados, incinerados o enviados a vertederos. De todos estos tratamientos la incineración se ha convertido en una opción atractiva debido a sus beneficios. Esta técnica permite la reducción del volumen de los residuos así como la recuperación de la energía contenida en ellos. Sin embargo, la incineración se ha ganado una mala reputación debido a la emisión de sustancias ultratóxicas y la generación de residuos sólidos: cenizas de fondo, cenizas volantes y residuos procedentes de la etapa de control de gases, los cuales requieren una adecuada gestión. Las cenizas de fondo consideradas generalmente un residuo no peligroso, son el subproducto más significativo de la incineración, representado entre un 75 % y 95 % en peso de todos los residuos generados. Por otro lado, las cenizas volantes son clasificadas como residuos peligrosos debido al alto contenido en cloruros y sustancias peligrosas, tales como metales pesados y compuestos orgánicos. Finalmente, los residuos procedentes de la limpieza de gases se suelen recoger con las cenizas volantes, representando entre el 1.5 y 2 5 de la masa de residuo incinerados. La composición y cantidad de residuos sólidos generados en la incineración depende de varios factores como la composición de los residuos de entrada, la tecnología y operación de la planta y del sistema de control de gases. Estos residuos requieren habitualmente un específico tratamiento. Sin embargo, se ha investigado el reciclaje de algunos de estos residuos, de manera que se puedan reutilizar como materiales secundarios dependiendo de sus propiedades. En este contexto, este trabajo evalúa desde un punto de ambiental la gestión de los residuos sólidos procedentes de la incineración de residuos municipales. En concreto, este estudio se ha estructurado en dos partes. En la primea de ellas, se revisa y analiza la caracterización y gestión de residuos de la incineración. Posteriormente se realiza la evaluación ambiental de estos residuos desde una perspectiva de ciclo de vida. En primer lugar se analizó el comportamiento ambiental del proceso de incineración de la fracción de acero de los residuos municipales. Posteriormente, se evaluó la reutilización y gestión de la fracción metálica procedentes de las cenizas de fondo. Este análisis se llevó a cabo mediante la metodología de análisis de ciclo de vida (ACV) y los indicadores ambientales propuesto por la institución de ingenieros químicos (IChemE).