This thesis has investigated the techno-economic feasibility of upgrading the sludge from a chemical pulp mill to hydrochar via hydrothermal carbonization (HTC). The intended use of the hydrochar was to replace fossil coal within metallurgical applications in the iron and steel industry. Process models were developed in order to obtain mass and energy balances of the HTC process for different technical configurations. The balances were used to evaluate the economic performance, in terms of hydrochar production cost as well as different profitability parameters. Two main scenarios were investigated: Scenario-1: HTC process integrated with the pulp millScenario-2: Stand alone HTC process.To see the effect of having one or two HTC reactors, two cases were developed for each scenario, where the first case used only mixed sludge from the pulp mill as feedstock for the HTC process (case 1, one reactor), while the second case used both mixed sludge and bark as feedstock (case 2, two reactors). In scenario 1, the effects on the pulp mill’s mass and energy balances of integrating the HTC process were investigated. The results showed only very small impacts on the pulp mill, due to that the HTC process is significantly smaller than the mill. The total amount of steam to the steam turbine increased by 0.8 % and 0.9 %, for case 1 and 2, respectively. In combination with the removed sludge, which is otherwise combusted in the mill’s socalled power boiler, this entailed a total increase of the wood fuel consumption in the boiler by 3.2 % and 3.6 %, respectively. By implementing a second HTC reactor, the production cost of hydrochar could in the integrated scenario (scenario 1) be decreased from 4 600 SEK/ton (case 1) to 3 700 SEK/ton (case 2). The corresponding production costs in the stand alone scenario (scenario 2) amounted to 5 400 SEK/ton (case 1) and 4 200 SEK/ton (case 2), respectively. Both integration with the pulp mill and increasing the HTC production scale were thus found to be strategies that can lead to decreased hydrochar production cost. However, even the lowest production cost noted in this report is significantly higher than the corresponding price of coal. This indicates that other measures are required in order for hydrochar to become cost competitive to fossil coal in the metallurgical industry. Examples are the possibility to use even lower-cost feedstocks, as well as policy tools targeting, e.g., the CO2 emissions from using fossil materials and energy carriers in the iron and steel industry. Based on the results from the investment calculation, it is concluded that the HTC process integrated with a pulp mill is preferable compared to a stand alone HTC process. The reason why integrated HTC is preferred is that it gives higher NPV and correspondingly lower payback time, as well as lower hydrochar production costs. / Denna examensarbete har undersökt den tekno-ekonomiska genomförbarheten av att uppgradera slammet från ett kemisk massabruk till hydrokol via hydrotermisk karbonisering (HTC). Den avsedda användningen av hydrokol var att ersätta fossilt kol inom metallurgiska tillämp- ningar i järn och stålindustri. Processmodeller utvecklades för att erhålla mass- och energibalanser för HTC-processen. Balanserna användes för att utvärdera de ekonomiska prestanda, i form av produktionskostnad för hydrokol samt olika lönsamhetsparametrar. Följande två huvudscenarier undersöktes: Scenario-1: HTC-processen integrerad med massabruket Scenario-2: Fristående HTC-process. För att se effekten av att ha en eller två HTC-reaktorer utvecklades två fall för varje scenario, där det första fallet endast använde blandat slam från massabruket som råvara för HTC-processen (fall 1, en reaktor), medan det andra fallet använde både blandat slam och bark som råmaterial (fall 2, två reaktorer). I scenario 1 undersöktes effekterna på massabrukets mass- och energibalanser av att integrera HTC-processen. Resultaten visade endast mycket små effekter på massabruket, på grund av att HTC-processen är betydligt mindre än bruket. Den totala mängden ånga till ångturbinen ökade med 0.8 % och 0.9 % för fall 1 respektive 2. I kombination med bortfall av slammet, som annars förbränns i brukets barkpanna, innebar detta en total ökning av förbrukningen av trädbränsle i pannan med 3.2 % respektive 3.6 %. Genom att implementera en andra HTC-reaktor skulle produktionskostnaden för hydrokol i det integrerade scenariot (scenario 1) kunna sänkas från 4 600 SEK/ton (fall 1) till 3 700 SEK/ton (fall 2). Motsvarande produktionskostnader i det fristående scenariot (scenario 2) uppgick till 5 400 SEK/ton (fall 1) respektive 4 200 SEK/ton (fall 2). Både integration med massabruk och ökning av produktionskapaciteten av HTC visade sig därför vara strategier som kan leda till minskade produktionskostnader för hydrokol . Men även den lägsta produktionskostnaden som noteras i denna rapport är betydligt högre än motsvarande pris på kol. Detta tyder på att det krävs andra åtgärder för att hydrokol ska bli konkurrenskraftigt ur kostnadssynpunkt gentemot fossilt kol i den metallurgiska industrin. Exempel är möjligheten att använda ännu billigare råvaror, såväl som policyverktyg som riktar in sig på t.ex. CO2-utsläppen från användning av fossila material och energibärare inom järn- och stålindustrin. Baserat på resultaten från investeringskalkylen dras slutsatsen att HTC-processen integrerad med ett massabruk är att föredra jämfört med en fristående HTC-process. Anledningen till att integrerad HTC föredras är att det ger högre netto nuvärde (NPV) och motsvarande lägre återbetalningstid, samt lägre produktionskostnader för hydrokol.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:ltu-94459 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Abdullahi, Abdirahman |
| Publisher | Luleå tekniska universitet, Institutionen för teknikvetenskap och matematik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0033 seconds