Carbon reclamation from biogas plant flue gas for immobilizing lead and neutralizing alkalis in municipal solid waste incineration fly ash

Table 1 
Element composition of raw and carbonated FA samples measured by XRF.
Element type 
Ca 
(wt.%) 
Cl 
(wt.%) 
K 
(wt.%) 
Na 
(wt.%) 
Si 
(wt.%) 
Fe 
(wt.%) 
Al 
(wt.%) 
Mg 
(wt.%) 
Pb 
(wt.%) 
Cu 
(wt.%) 
Cd 
(wt.%) 
Cr 
(wt.%) 
Uncarbonated FA
42.21
32.31
7.85
7.84
2.12
0.69
0.52
0.43
0.19
0.06
0.02
0.01 
4.5 h carbonated FA
46.61
32.06
7.73
4.52
1.30
1.16
0.40
0.39
0.35
0.07
0.03
0.02
Z. Zhu et al.

---

Chemical Engineering Journal 435 (2022) 134812
8
recently, namely carbon emission reduction. 
3.5.2. Economic analysis 
The determination of carbonation cost in this study was critical, 
directly affected the economic effectiveness of future application. Some 
preconditions should be noted firstly. All the flue gas utilized in this 
study was free. Besides, the operating cost mainly covered two aspects: 
equipment and electric charge. The establishment of the entire device 
cost approximately 1900 yuan. The electricity price for industrial uses in 
Shanghai was set at 0.65 yuan/KWh, while the power of agitator was 
100 W. 
This section took the mixture of LM-CA and TJ-CA as an example. For 
the direct agent treatment, it needs the chelation with at least 5% LM-CA 
(cost: 5340 yuan/t) and 2% TJ-CA (cost: 9520 yuan/t) while reaching 
the leaching standard of Pb. The corresponding agent expense was 
calculated as 457 yuan/t
MSWI-FA
. Under the assistance with carbonation, 
Pb leaching in the mixture group fell below the limiting value at 2 h. 
Regardless of the time cost, 432 yuan/t
MSWI-FA 
was the total amount of 
agent and electric bill, indicated that the excess expenditure of 
carbonation device would be filled up after 76 t MSWI-FA treatment. 
After that, a cost reduction of 5.5% would be expected in this study 
compared to the group directly treated by agent. 
4. Conclusions 
Accelerated carbonation based on actual incineration flue gas from 
biogas plant was firstly applied to the co-treatment of excessive Pb and 
alkalis leaching in MSWI-FA. The carbonation process could effectively 
immobilize Pb in raw FA as well as inorganic and organic agent pre-
treated FA, with a rate of 58.99%–95.66%. The carbonation effect on Pb 
almost maximized at 3 h. After 4.5 h carbonation, the percentage of 
bound to carbonate fraction increased by 4.3%–31.2%, while the un-
stable exchangeable fraction tended to zero. The above could be 
attributed to the formation of CaCO
3 
boundary layer and Pb carbonates, 
which simultaneously reduced the Pb leaching correlated with pH, and 
the leaching pH to standard-satisfied 8.80. Moreover, the targets of 
carbon reduction and greater benefit could be realized during the 
carbonation of MSWI-FA, with a CO
2 
capture capacity of 0.13 g
CO2
/ 
g
MSWI-FA 
and an operation cost reduction of 5.5%. Verifying the feasi-
bility of flue gas carbonation in large-scale application is required for the 
following study.