第二章 研究方法
第二節 再生輕質粒料之燒製研究-燒結處理
於 「 再 生 輕 質 粒 料 之 燒 製 研 究 — 燒 結 處 理 」 試 驗 用 之 原 料 ， 以 A 廠 之 飛 灰、反 應 灰 及 混 合 灰 (飛灰：反應灰＝1：3) 進行試驗，配比設計如 表 2-1 所示。
燒 結 溫 度 範 圍 及 軟 化 溫 度 之 設 定 ， 主 要 是 以 試 樣 燒 製 前 後 的 形 態 變 化 作 為 鑑 別 。 圖 4-3~5 為第一階段試燒成果，基本上各配方所製作的試 樣 ， 其 高 溫 性 質 與 一 般 物 料 相 符 ， 亦 隨 著 焙 燒 溫 度 的 升 高 由 外 部 燒 結 至 完 全 燒 結 體，最 後 並 產 生 過 燒 現 象 (意即物料軟化變形並形成粒料沾黏)。
值 得 關 注 的 是 各 試 樣 的 燒 結 溫 度 範 圍 較 窄 ， 由 粒 料 收 縮 最 小 的 燒 結 溫 度 點 ， 至 粒 料 形 成 軟 化 變 形 的 溫 度 區 間 最 大 不 超 過 50℃ (例圖 4-3~5 中，試 樣 AF10、AR10 及 AM10 的燒結溫度點約 1150℃，軟化溫度點約 1200℃)，且隨著飛灰、反應灰及混合灰的含量增加，其燒結溫度範圍越 小 且 極 易 形 成 膨 脹 性 的 連 通 巨 孔 及 過 燒 現 象 (灰 類 添 加 含 量 ≧ 50%)， 不 適 於 輕 質 骨 材 之 燒 製 。
此 外，若 將 各 配 方 之 化 學 成 分 含 量 點 繪 於 Riley 的適宜熔液黏度三相 圖 中 (圖 4-6)，亦可發現除 AF10~AF30、AR10~AR30、AM10~AM30 等 可 繪 於 圖 上 外 (註 AR30 及 AM30 未在點線圖內)，其餘配方因氧化矽含 量 過 低 (SiO2≦50%) 無法點繪製於圖內。
綜 合 以 上 之 觀 察 及 分 析 可 知 ， 飛 灰 、 反 應 灰 及 混 合 灰 等 之 添 加 量 應 以 不 超 過 30%為宜。於本試驗條件中，適合燒製輕質骨材的配方，以及 其 燒 結 溫 度 範 圍 與 軟 化 溫 度 等 ， 彙 整 歸 納 如 表 4-2 所示。
第四章 試驗結果分析與討論
圖 4-3. 第一階段試燒—飛灰系列
(固定預熱溫度 500℃；固定預熱時間 10 分鐘；備 註 ：＊號 者 為 過 燒)
資 料 來 源 ： 本 研 究 自 行 整 理
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焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究
圖 4-4. 第一階段試燒—反應灰系列
(固定預熱溫度 500℃；固定預熱時間 10 分鐘；備註：＊號 者 為 過 燒)
資 料 來 源 ： 本 研 究 自 行 整 理
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第四章 試驗結果分析與討論
圖 4-5. 第一階段試燒—混合灰系列
(固定預熱溫度 500℃；固定預熱時間 10 分鐘；備註 1：＊號 者 為 過 燒)
資 料 來 源 ： 本 研 究 自 行 整 理
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焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究
第四章 試驗結果分析與討論
貳 、 第 二 階 段 試 燒 — 膨 脹 現 象 觀 測
根 據 第 一 階 段 試 燒 的 結 果 得 知 ， 適 合 用 於 燒 製 的 配 方 ， 如 表 4 - 2 所 示 。 故 於 此 ， 將 由 表 中 所 列 之 配 方 ， 進 行 其 膨 脹 現 象 的 觀 測 ， 並 藉 由 預 熱 時 間 的 調 整 ， 概 括 瞭 解 各 配 方 之 膨 脹 性 質 及 趨 勢 。 另 一 方 面 ， 在 焙 燒 溫 度 之 設 計 上 ， 以 不 超 過 軟 化 溫 度 作 為 設 定 前 提 ( 表 4 - 3 ) 。
表 4-3. 第二階段之焙燒溫度設計
配 方 編 號 AF10 AF20 AF30 AR10 AR20 AR30 AM10 AM20 AM30 軟 化 溫 度 1200℃ 1175℃ 1175℃ 1200℃ 1175℃ 1175℃ 1200℃ 1175℃ 1175℃
焙 燒 溫 度
設 計 1175℃ 1150℃ 1150℃ 1175℃ 1150℃ 1150℃ 1175℃ 1150℃ 1150℃
資 料 來 源 ： 本 研 究 自 行 整 理
預 熱 時 間 5 min 預 熱 時 間 7 min 預 熱 時 間 10 min
圖 4-7. 第二階段試燒-飛灰系列
資 料 來 源 ： 本 研 究 自 行 整 理
1cm
AF10 AF10 AF10
1cm
AF30 AF30 AF30
焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究
預 熱 時 間 5 min 預 熱 時 間 7 min 預 熱 時 間 10 min
圖 4-8. 第二階段試燒-反應灰系列
資 料 來 源 ： 本 研 究 自 行 整 理
預 熱 時 間 5 min 預 熱 時 間 7 min 預 熱 時 間 10 min
圖 4-9. 第二階段試燒-混合灰系列
資 料 來 源 ： 本 研 究 自 行 整 理
1cm
AR10 AR10 AR10
1cm
AR30 AR30 AR30
1cm
AM10 AM10 AM10
1cm
AM30 AM30 AM30
第四章 試驗結果分析與討論
試 驗 結 果 如 圖 4 - 7 ~ 9 所 示 ( 以 配 方 A F 1 0 、 A F 3 0 、 A R 1 0 、 A R 3 0 、 A M 1 0 、 A M 3 0 之 成 果 作 說 明 ) ， 從 圖 中 觀 察 可 知 ， 無 論 為 添 加 飛 灰 、 反 應 灰 或 是 混 合 灰 等 配 方 ， 其 膨 脹 的 現 象 ( 包 含 可 見 氣 孔) 是 隨 著 灰 類 摻 量 的 增 加 而 減 少 ， 並 也 隨 著 預 熱 時 間 的 增 長 而 減 少 。 故 由 此 可 知 ， 日 後 應 用 燒 製 時 ， 可 藉 由 預 熱 時 間 的 長 短 或 是 灰 類 摻 量 的 多 寡 來 進 行 骨 材 性 質 的 調 整 。
參 、 第 三 階 段 試 燒 — 試 驗 用 成 品 燒 製
通 過 第 一 及 第 二 階 段 試 燒 後 ， 已 可 大 致 瞭 解 飛 灰 、 反 應 灰 及 混 合 灰 等 ， 摻 入 水 庫 淤 泥 用 於 輕 質 骨 材 燒 製 時 之 特 性 ， 但 為 進 一 步 掌 握 製 得 骨 材 之 物 理 性 質 及 可 應 用 性 ， 於 此 個 別 由 第 二 階 段 的 試 燒 結 果 中 ， 挑 選 膨 脹 差 異 較 大 之 試 樣 進 行 較 大 量 的 燒 製 ， 並 測 定 其 骨 材 物 理 性 質 範 疇 ， 試 驗 結 果 如 表 4 - 4 所 示 。
針 對 ， 值 得 關 注 的 骨 材 顆 粒 密 度 而 言 ， 以 摻 和 物 作 為 區 分 ， 則 添 加 飛 灰 者 可 燒 製 的 顆 粒 密 度 範 圍 介 於 1 . 0 ~1 . 9 g / c m3 間；添 加 反 應 灰 者 可 燒 製 的 顆 粒 密 度 範 圍 介 於 1 . 0 ~1 . 8 g / c m3 間 ；添 加 混 合 灰 者 可 燒 製 的 顆 粒 密 度 範 圍 介 於 1 . 1 ~1 . 8 g / c m3 間 。 顯 示 以 上 配 方 ， 適 於 燒 製 結 構 兼 隔 熱 用 之 輕 質 骨 材 。 再 者 ， 對 於 水 庫 淤 泥 內 摻 入 飛 灰 、 反 應 灰 或 是 混 和 灰 而 言 ， 皆 有 利 於 燒 製 較 低 顆 粒 密 度 之 輕 質 骨 材 。 如 圖 4 - 1 0 所 示 ， 純 水 庫 淤 泥 燒 製 所 得 之 骨 材 ， 無 論 預 熱 時 間 是 長 或 短 ( 圖 4 - 1 0 中 實 線 及 虛 線 者 ) ， 其 骨 材 顆 粒 密 度 ， 皆 大 於 有 摻 配 飛 灰 、 反 應 灰 或 是 混 和 灰 等 燒 製 之 。
有 關 飛 灰、反 應 灰 及 骨 材 (樣本選自表 4-4 中＊者) 之 TCLP 溶出試 驗 結 果 (三次平均值)，如表 4-5 所示。由表中之觀察可知，除反應灰有 較 高 之 鉛 (Pb) 含量外 (反應灰既有特性)，骨材樣本之 TCLP 溶出試驗 結 果 ， 皆 滿 足 環 保 署 規 定 「 事 業 廢 棄 物 毒 性 特 性 溶 出 程 序 」 之 標 準 。
焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究
AF10 AF20 AF30 AR10 AR20 AR30 AM10 AM20 M30 0.6
第四章 試驗結果分析與討論
焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究
Cl- 1～3 3～9 2～7
SO3 1～3 ＜1 0.01
organic
matter ≒ 2 ≒ 2 ≒ 2 Loi
(750℃) ＜1 1～3 ＜3
total — — —
資 料 來 源 ： 本 研 究 自 行 整 理
第三節 再生輕質粒料之燒製研究 – 熔融處理
壹 、 鹽 基 度 分 析於 「 再 生 輕 質 粒 料 之 燒 製 研 究 — 燒 結 處 理 」 試 驗 用 之 原 料 ， 以 B 廠 之 飛 灰 、 反 應 灰 及 混 合 灰 (有 2 類，飛灰：反應灰＝1：3；飛灰：反應 灰 ＝3：1) 進行試驗，各配方之鹽基度如表 4-7 所示。
表 4-7. 反應灰、飛灰及不同比例配比之鹽基度 配 比
編 號 成 分 SiO2 (wt.%)
CaO (wt.%)
鹽 基 度 CaO/SiO2
BF B 廠飛灰 24.2 28.0 1.2 BR B 廠反應灰 3.9 43.2 11.0 BM1 B 廠飛灰：B 廠反應灰
1：3 9.0 39.4 4.4 BM2 B 廠飛灰：B 廠反應灰
3：1 19.1 31.8 1.7
資 料 來 源 ： 本 研 究 自 行 整 理
由 於 鹽 基 度 的 大 小 與 熔 融 處 理 所 需 的 熔 流 點 溫 度 有 密 切 關 係 ， 鹽 基 度 越 高 者 產 生 熔 融 所 需 之 溫 度 越 高 ， 相 對 能 源 之 需 求 越 大 且 越 不 經 濟 (鹽基度≧4，熔融溫度≧1500℃)，而較理想的鹽基度參考值應在 0.33 至 1.5 之間，其產生熔流點溫度可低於 1300℃[47-48]。根據以上分析，將 本 研 究 之 反 應 灰 、 飛 灰 、 以 及 二 者 不 同 的 配 比 之 混 合 灰 的 鹽 基 度 計 算 如 表 4-7。
第四章 試驗結果分析與討論
由 表 中 得 知 單 獨 飛 灰 (編號 BF) 的鹽基度較適合，但是為了考量反 應 灰 的 數 量 遠 大 於 飛 灰，因 此 本 試 驗 以 飛 灰：反 應 灰 的 比 率 為 1:3 及 3:1 作 為 混 合 的 比 例 (編號 BM1 及 BM2)。試驗方式為將約不同配比的試樣 以 100℃烘乾至恆重，再放置於氧化鋁坩鍋內，經由小型電爐以 240 分鐘 加 熱 至 1300℃ (升溫歷程如圖 4-11)，使其產生熔融後以爐冷卻及水冷卻 等 方 式 至 室 溫 ， 即 為 製 品 。
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 0
200 400 600 800 1000 1200 1400
燒製溫度 (℃)
時 間 (min)
圖 4-11. 熔融處理之升溫歷程
資 料 來 源 ： 本 研 究 自 行 整 理
貳 、 熔 融 處 理 試 驗 結 果
試 驗 結 果 ， 如 表 4-8 及圖 4-12 所示。各為經熔融處理後之物理性質 及 外 觀 形 狀 結 果。以 顆 粒 密 度 而 言，試 樣BF 有較高顆粒密度 (≧2.3 g/cm3) 及 較 低 的 吸 水 率 (≧7.5%)，試樣 BM2 則次之，各為顆粒密度≧1.8 g/cm3 及 吸 水 率 ≧16.7%，而試樣 BR 及試樣 BM1 因鹽基度過高 (鹽基度≧4，
推 測 熔 融 溫 度 ≧1500℃)，故在本試驗條件下還未達其熔流點，試體皆為 未 具 玻 璃 相 的 易 碎 粉 狀 體 ， 因 此 無 法 檢 測 其 物 理 性 質 (遇 水 即 散 開 為 粉
體)。再者，以爐冷卻之方式所製得骨材的顆粒密度及吸水率，皆大於水
冷 卻 者 ， 顯 見 以 急 速 冷 卻 之 方 式 有 助 於 增 加 骨 材 孔 隙 ， 使 製 得 骨 材 之 顆 粒 密 度 較 低 及 吸 水 率 較 高 。 然 而 ， 本 次 試 驗 製 得 骨 材 之 顆 粒 密 度 仍 大 於 一 般 使 用 之 輕 質 骨 材(＜1.8 g/cm3)。
焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究
表 4-8. 熔融處理後骨材物理性質 試 樣 冷 卻
方 式
燒 失 量 (%)
顆 粒 密 度 (g/cm3)
24hr 吸水率
(%) 備 註 爐 冷 卻 16.3 2.45 7.5 BF 水 冷 卻 15.2 2.32 10.4
爐 冷 卻 45.7 — —
BR 水 冷 卻 46.1 — —
爐 冷 卻 44.4 — —
BM1 水 冷 卻 43.6 — —
未 有 玻 璃 相 之 粉 狀 易 碎 體 爐 冷 卻 30.7 1.96 16.7 BM2 水 冷 卻 31.5 1.81 23.7
資 料 來 源 ： 本 研 究 自 行 整 理
試 樣 BF-爐冷卻 試 樣 BR-爐冷卻
試 樣 BM1-爐冷卻 試 樣 BM2-爐冷卻
試 樣 BF-水冷卻 試 樣 BM2-水冷卻 圖 4-12. 熔融處理之骨材
資 料 來 源 ： 本 研 究 自 行 整 理
第四章 試驗結果分析與討論
就 燒 失 量 而 言，單 獨 反 應 灰 燒 製 之 試 樣 BR 有 較 高 的 燒 失 量 ≧45%，
而 單 獨 飛 灰 燒 製 之 試 樣 BF 則燒失量低＜16％。再者，添加反應灰較多的 試 樣 BM1 燒失量大於試樣 BM2。由此觀之，經由熔融處理確實有助於 大 幅 去 化 飛 灰 及 反 應 灰 (燒失量介於 16～45%)。
毒 物 特 性 溶 出 試 驗 (TCLP，三次平均值) 結果如表 4-9 所示。表中 顯 示 B 廠反應灰中的 Pb 含量超過法規限制值，但是經過熔融處理後的 骨 材 ， 各 類 重 金 屬 的 溶 出 含 量 均 大 幅 減 少 ， 全 部 符 合 法 規 的 限 制 值 ， 顯 示 製 得 骨 材 無 污 染 之 虞 。
表 4-9. TCLP 溶出試驗結果 TCLP 毒性溶出試驗 (mg/L) 樣 本
Zn Pb Cu Cd Cr
備 註 B 廠飛灰 4.79 4.21 N.D. N.D. 1.06
B 廠反應灰 2.74 10.86 0.16 N.D. 0.06 原 料
BF-爐冷卻 0.94 0.62 0.09 N.D. N.D.
BF-水冷卻 2.58 1.56 0.13 0.01 0.51
BM2-爐冷卻 0.29 0.41 0.19 N.D. N.D.
BM2-水冷卻 0.55 2.58 0.1 N.D. 0.04
骨 材
法 規 標 準 — ＜5 ＜15 ＜1 ＜5
N.D.：低於偵測極限 Zn 目前無管制
資 料 來 源 ： 本 研 究 自 行 整 理
第四節 再生輕質粒料之量產可行性及應用性評估
壹 、 大 型 旋 窯 量 產 焚 化 反 應 灰 及 飛 灰 再 生 輕 質 粒 料 之 試 驗於 「 大 型 旋 窯 量 產 焚 化 反 應 灰 及 飛 灰 再 生 輕 質 粒 料 之 試 驗 」 試 驗 用 之 原 料 ， 以 10%之 C 廠混合灰添加於淤泥內 (考量簡易化日後的實務操 作 ， 於 此 不 進 行 飛 灰 及 反 應 灰 的 添 加) 進 行 試 驗 (試 樣 編 號 CM10)， 且 其 配 方 之 化 學 成 分 滿 足 表 4-6 適 合 燒 結 處 理 之 化 學 成 分 比 例 的 範 圍 內 (表 4-10)。本次試驗所用之窯溫及轉速設定，如表 4-11 所示。
旋 窯 試 製 試 驗 之 設 備 為 北 部 某 一 輕 質 骨 材 業 者 所 提 供 (圖 4-13)，其 主 要 燒 製 設 備 為 旋 窯，周 邊 相 關 之 機 具，包 括 有 用 於 原 料 處 理 的 練 泥 機 、
焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究
第四章 試驗結果分析與討論
圖 4-13. 試驗用之設備-旋窯
資 料 來 源 ： 本 研 究 自 行 整 理
貳 、 物 理 性 質 試 驗 結 果
旋 窯 試 製 輕 質 骨 材 之 物 理 性 質 試 驗，如 表 4-12 及圖 4-14 所示，其成 效 良 好 ， 顯 示 以 垃 圾 焚 化 廠 之 飛 灰 及 反 應 灰 適 於 用 作 輕 質 骨 材 燒 製 之 添 加 原 料 。 試 製 骨 材 之 各 類 性 質 如 下 ： 骨 材 顆 粒 密 度 約 為 於 1.0 g/cm3； 鬆 單 位 重 為 593 kg/m3；骨 材 之 筒 壓 強 度 ≧6 MPa；氯離子及重金屬含量 (表 4-13，三次平均值) 皆滿足規範要求，適於作為結構兼隔熱用之粒料需求。
表 4-12. 骨材物理性質試驗結果
編 號 粒 徑 分 佈 (mm)
顆 粒 密 度 (g/cm3)
24hr 吸 水 率
(%)
鬆 單 位 重 (kg/m3)
筒 壓 強 度 (MPa)
氯 離 子 (%)
CM10 8~12 0.99 7.6 593 6 N.D
資 料 來 源 ： 本 研 究 自 行 整 理 ； 備 註 ：N.D 低 於 偵 測 極 限 ＜ 0.001％
焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究
圖 4-14. 旋窯試製之骨材
資 料 來 源 ： 本 研 究 自 行 整 理
表 4-13. TCLP 溶出試驗結果
表 4-13. TCLP 溶出試驗結果