焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究
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(3) PG9702-0118 097301070000G1009. 焚化廠反應灰及飛灰 再生為輕質粒料之研究. 受委託者：中華輕質骨材協會 研究主持人：陳豪吉 協同主持人：黃中和 研 究 員 ：王順元 研 究 助 理 ：顏依璇. 內政部建築研究所委託研究報告 中華民國 97 年 12 月.
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(5) 目次. 目次. 表次………………………………………………………Ⅲ 圖次………………………………………………………Ⅴ 摘要………………………………………………………Ⅶ ABSTRACT………………………………………………Ⅸ 第一章 緒論…………………………………………………………1 第 一 節 研 究 緣 起 與 背 景 ……………………………………1 第 二 節 研 究 內 容 與 流 程 ……………………………………2 第二章 研究方法……………………………………………………5 第 一 節 文 獻 蒐 集 與 彙 整 ……………………………………5 第 二 節 採 樣 與 基 本 性 質 分 析 ………………………………5 第 三 節 再 生 輕 質 粒 料 之 燒 製 研 究 …………………………5 第 四 節 再 生 輕 質 粒 料 之 量 產 可 行 性 及 應 用 性 評 估 ………9 第 五 節 量 產 生 產 工 法 之 研 擬 及 經 濟 效 益 評 估 ……………11 第 六 節 預 計 可 能 遭 遇 之 困 難 及 解 決 途 徑 …………………11 第 三 章 文 獻 分 析 …………………………………………………13 第 一 節 焚 化 飛 灰 基 本 特 性 與 國 內 處 理 現 況 ………………13 第 二 節 焚 化 飛 灰 熔 融 資 源 化 技 術 …………………………17 第 三 節 國 外 處 理 現 況 與 實 例 ………………………………20 第 四 節 輕 質 骨 材 概 述 ………………………………………23 第 五 節 輕 質 骨 材 生 產 方 式 …………………………………26 第 六 節 影 響 輕 質 骨 材 的 燒 成 因 素 …………………………28 I.
(6) 焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究. 第 七 節 人 造 輕 質 骨 材 之 膨 脹 機 理 …………………………32 第 四 章 試 驗 結 果 分 析 與 討 論 ……………………………………37 第 一 節 原 料 基 本 性 質 ………………………………………37 第二節 再生輕質粒料之燒製研究-燒結處理………………40 第 三 節 再 生 輕 質 粒 料 之 燒 製 研 究 – 熔 融 處 理 ……………50 第 四 節 再 生 輕 質 粒 料 之 量 產 可 行 性 及 應 用 性 評 估 ………53 第 五 節 量 產 生 產 工 法 之 研 擬 及 經 濟 效 益 評 估 ……………58 第 五 章 結 論 與 建 議 ……………………………………………63 第 一 節 結 論 ………………………………….………………63 第 二 節 建 議 ………………………………………..…………66 附 錄 一 期 中 報 告 會 議 記 錄 回 應 表 ………………………….…67 附 錄 二 期 末 報 告 會 議 記 錄 回 應 表 ………………………….…68 參 考 書 目 …………….……………………………………………71. II.
(7) 表次. 表次. 表 2-1 試 驗 配 方……………………………………………………9 表 3-1 國 內 焚 化 飛 灰 之 金 屬 氧 化 物 含 量………………………13 表 3-2 國 內 焚 化 飛 灰 之 重 金 屬 含 量 ……………………………14 表 3-3 焚 化 飛 灰 處 理 方 式 綜 合 評 析 ……………………………15 表 3-4 日 本 一 般 熔 渣 利 用 方 法 …………………………………18 表 3-5 日 本 地 區 熔 渣 再 利 用 品 應 用 情 況………………………21 表 3-6 歐 洲 各 國 灰 渣 再 利 用 方 式 ………………………………22 表 3-7 主 要 常 用 的 輕 質 骨 材 ……………………………………23 表 3-8 輕 質 骨 材 之 種 類 與 基 本 物 理 性 質………………………24 表 3-9 金屬氧化物及其共晶混合物的熔融溫度………………29 表 3-10 粘 土 中 可 能 的 發 氣 物 質 ………………………………34 表 3-11 粘 土 高 溫 時 理 論 氣 體 最 低 形 成 量 ……………………36 表 4-1 原 料 基 本 性 質 分 析 結 果 ………………………………38 表 4-2 各 配 方 之 高 溫 性 質 ………………………………………44 表 4-3 第 二 階 段 之 焙 燒 溫 度 設 計 ………………………………45 表 4-4 各 配 方 之 骨 材 物 理 性 質 …………………………………48 表 4-5 TCLP 溶 出 試 驗 結 果 ……………………………………49 表 4-6 適 合 燒 結 處 理 之 化 學 成 分 比 例 …………………………49 表 4-7 反應灰、飛灰及不同比例配比之鹽基度………………50 表 4-8 熔 融 處 理 後 骨 材 物 理 性 質 ………………………………52 表 4-9 TCLP 溶 出 試 驗 結 果 ……………………………………53 III.
(8) 焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究. 表 4-10 試 樣 CM10 化 學 成 分 比 例 ……………………………54 表 4-11 試樣用燒製條件…………………………………………54 表 4-12 骨材物理性質試驗結果…………………………………55 表 4-13 TCLP 溶出試驗結果……………………………………56 表 4-14 混凝土配比………………………………………………57 表 4-15 混 凝 土 之 強 度 標 號 試 驗 結 果 …………………………57 表 4-16 原料基本性需求…………………………………………58 表 4-17 主附屬設備清單…………………………………………59 表 4-18 物料消耗量………………………………………………60 表 4-19 投資成本計算……………………………………………61 表 5-1 燒結處理及熔融處理再製輕質骨材之比較……………65. IV.
(9) 圖次. 圖次. 圖 1-1 研 究 流 程 圖 ………………………………………………3 圖 2-1 氣 引 式 粉 碎 機 ……………………………………………6 圖 2-2 乾 式 球 磨 機 ………………………………………………6 圖 2-3 輕 質 骨 材 燒 結 機 …………………………………………8 圖 3-1 焚 化 飛 灰 固 化 處 理 流 程 …………………………………17 圖 3-2 日 本 熔 融 製 造 人 工 骨 材 流 程 ……………………………19 圖 3-3 燒 製 型 輕 質 骨 材 之 生 產 流 程 ……………………………26 圖 3-4 氣 孔 率 與 收 縮 率 關 係 曲 線 ………………………………32 圖 3-5 適宜熔液黏度之原料化學成分三相圖…………………33 圖 4-1 原 料 顆 粒 粒 徑 分 佈 曲 線 圖 ………………………………37 圖 4-2 適 宜 熔 液 黏 度 三 相 圖 ……………………………………39 圖 4-3 第 一 階 段 試 燒 -飛 灰 系 列 ………………………………41 圖 4-4 第一階段試燒-反應灰系列………………………………42 圖 4-5 第一階段試燒-混合灰系列………………………………43 圖 4-6 各配方之適宜熔液黏度化學成分三相圖………………44 圖 4-7 第二階段試燒-飛灰系列…………………………………45 圖 4-8 第二階段試燒-反應灰系列………………………………46 圖 4-9 第二階段試燒-混合灰系列………………………………46 圖 4-10 各 配 方 與 純 淤 泥 燒 製 之 顆 粒 密 度 比 較 ………………48 圖 4-11 熔融處理之升溫歷程……………………………………51 圖 4-12 熔融處理之骨材…………………………………………52 V.
(10) 焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究. 圖 4-13 試 驗 用 之 設 備 -旋 窯 ……………………………………55 圖 4-14 旋 窯 試 製 之 骨 材 ………………………………………56 圖 4-15 強 度 標 號 試 驗 結 果 ……………………………………57. VI.
(11) 摘要. 摘. 要. 關鍵詞：焚化飛灰、焚化反應灰、輕質粒料 一、研究緣起 現行垃圾處理技術中，以焚化法為最有效率，能達成減容、衛生且 安定化之目標，台灣至今已有二十座都市垃圾焚化廠正式運轉。然而， 垃圾焚化後所殘留的焚化飛灰及反應灰，其重金屬的成分及含量，普遍 超過環保署所規定之「有害事業廢棄物認定標準」溶出限值，故依法被 認定為有害事業廢棄物，需經特殊而嚴謹之處理與處置。 二、研究方法及過程 目前國內常用之焚化飛灰及反應灰的處理方式為水泥固化法，此方 式並不能有效安定有毒物質，而高溫固熔法除可安定焚化灰中絕大部分 的有毒物質外，其產生之固化物亦可用於建築材料的製作。爰此，本研 究之目的，即利用高溫固熔法之機制，並配合水庫淤泥輕質粒料之製作 方法，進行垃圾焚化反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究，最終希望將 此環保新材料之研究成果，提供有關主管單位參考或技術轉移至業界量 產。依據本計畫的研究內容，擬進行的研究目標及工作條列說明如下： 1.文 獻 蒐 集 與 彙 整 。 2.垃 圾 焚 化 反 應 灰 及 飛 灰 採 樣 與 基 本 性 質 分 析 。 3.垃 圾 焚 化 反 應 灰 及 飛 灰 再 生 輕 質 粒 料 之 燒 製 研 究 。 4.垃 圾 焚 化 反 應 灰 及 飛 灰 再 生 輕 質 粒 料 之 量 產 可 行 性 及 應 用 性 評 估 。 5.量 產 生 產 工 法 之 研 擬 及 及 經 濟 效 益 評 估 。 三、重要發現 根據本研究之試驗結果，焚化廠之反應灰及及飛灰具備燒製可應用 於結構兼隔熱用輕質骨材的可行性，倘若將此落實於實務的生產上，除 VII.
(12) 焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究. 一方面可疏解天然砂石之不足外，並更解決焚化飛灰之再處理及污染防 治的問題，最終亦希望將此高經濟性及具環保效益之新材料研究成果， 提供有關主管單位參考或技術轉移至業界量產。 四、主要建議事項 根據研究發現，本研究提出下列具體建議。 立 即 可 行 之 建 議 -推 動 再 利 用 示 範 廠 驗 證 技 術 主辦機關：行政院環境保護署、經濟部工業局 協辦機關：台北市、高雄市及各縣市環境保護局 由 行 政 院 環 境 保 護 署 推 動「 垃 圾 焚 化 飛 灰 再 利 用 示 範 廠 驗 證 技 術 」， 通令所屬各機關辦理垃圾焚化飛灰之再利用，並在依法辦理委託民間執 行業務時，應責其先作污染防治之規劃與評估，在確定具有可行性及實 質效益時，始能進行委託。 中 長 期 性 建 議 -公 共 工 程 應 用 與 推 廣 主辦機關：行政院公共工程委員會、行政院交通部 協辦機關：內政部建築研究所、內政部營建署 新材料之推動，若能從政府之公共工程率先施行，將可得立竿見影 之功效。由內政部建築研究所或內政部營建署，選定適合應用「垃圾焚 化廠反應灰及飛灰輕質骨材」之公共工程，配合行政院公共工程委員會 及行政院交通部發文建議主管單位使用之。並由國內相關產學單位提供 應用資訊，協助主辦單位辦理發包，以率先推動公共工程使用「垃圾焚 化廠反應灰及飛灰輕質骨材」之實用案例，供民間業者參酌達推廣之目 的。. VIII.
(13) 摘要. ABSTRACT Keywords: incinerated fly ash, incinerated reaction ash, lightweight aggregate First, origin of research Incineration is the most efficient method in current waste treatment techniques and is capable of achieving the goals of volume reduction, sanitation, and stabilization. In Taiwan, there have been 20 municipal waste incinerators (MWIs) in formal operation up to now. However, for the residual incinerated fly ashes and reaction ashes after waste incineration, the composition and content of heavy metals would generally exceed the limited leaching values determined by the toxicity characteristic leaching procedure (TCLP) stated in the “Standards for Defining Hazardous Waste” regulated by Taiwan Environmental Law Library. The confirmed hazardous industrial wastes according to law are needed to be handled and treated in a particular and scrupulous way. Second, method and process of research At present, the common treatment for incinerated fly ashes and reaction ashes used in Taiwan is the cement-based solidification technique, but this method cannot stabilize the toxic substances effectively. Nevertheless, the high temperature solid solution method can stabilize most toxic substances and the produced consolidation matters can also be utilized in the manufacture of construction materials. For this reason, the purpose of this research is by means of the mechanism of high temperature solid solution method as well as in coordination with the production method of reservoir sediment lightweight aggregates to conduct the research on the incinerated fly ashes and reaction ashes recycled as lightweight aggregates. It is finally expected that the research findings for this new type of environmental material could provide references for official government or transfer technology for industrial circles for large-scale production. In view of the research contents in this project, the goals and works planed to be performed are listed as follows: 1. Search and collection of literatures. (universal literatures concerning the treatment and recycling of waste incineration fly ashes and reaction ashes) 2. Sampling of waste incineration fly ashes and reaction ashes and fundamental properties analysis. 3. Study on sintering waste incineration fly ashes and reaction ashes as recycled lightweight aggregates. 4. Assessment of feasibility and application for large-scale production of recycled lightweight aggregates by sintering waste incineration fly ashes and reaction ashes. 5. Large-scale production method establishment and economic-effectiveness analysis. Third, significant findings Based on the experiment results in this study, the reaction ashes and fly ashes produced in incineration plants are feasible for the application of structural and thermal-insulated lightweight aggregates after sintered. If it IX.
(14) 焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究. could be carried out for practical production, not only the shortage of natural aggregates (sand and gravel), but also the problems of recycled incinerated fly ash and pollution prevention could be solved. It is finally expected that the research findings for this new type of economical and environmental material could provide references for official government or transfer technology for industrial circles for large-scale production. Forth, primary suggested terms Drawn from the research findings in this study, following specific suggestions are provided. z Immediate and feasible suggestion — promotion of recycling verification technique for example plants ¾ Sponsor organization: Environmental Protection Administration (EPA) of Executive Yuan, and Industrial Development Bureau (IDB) of Ministry of Economic Affairs of Executive Yuan. ¾ Co-sponsor organization: Environmental Protection Bureau (EPB) of Taipei City, Kaohsiung City, and the other Counties and Cities. “The verification technique for recycling of waste incineration fly ashes for example plants” is followed out by the Environmental Protection Administration (EPA) of Executive Yuan. A general order is issued to all subordinate echelons for the implement of recycling of incinerated fly ashes. Before the private enterprise was authorized to carry out the affair in conformity with a law, the plan and evaluation for pollution prevention should be enjoined in advance. Only if feasibility and essential benefit are confirmed, the authorization is proceeded. z Medium-term suggestion — application and popularization of public construction ¾ Sponsor organization: Public Construction Commission (PCC) of Executive Yuan, and Ministry of Transportation and Communications (MOTC) of Executive Yuan. ¾ Co-sponsor organization: Architecture and Building Research Institute (ABRI) of Ministry of the Interior, and Construction and Planning Agency (CPA) of Ministry of the Interior. If the development of new material could be started firstly from government’s public construction, instant results are able to be got. The public constructions suitable for “waste incineration plant incinerated fly ash and reaction ash lightweight aggregate” are selected by the Architecture and Building Research Institute (ABRI) of Ministry of the Interior, or the Construction and Planning Agency (CPA) of Ministry of the Interior. The Public Construction Commission (PCC) of Executive Yuan, and the Ministry of Transportation and Communications (MOTC) of Executive Yuan dispatch and suggest to the superintend unit for usage. Applied information is provided by industrial and academic communities to assist the sponsor in contract issuing. The practical case of “waste incineration plant incinerated fly ash and reaction ash lightweight aggregate” used in public constructions is carried out firstly to provide references to non-governmental businesses for popularization purpose. X.
(15) 第一章 緒論. 第一章 第一節. 緒論. 研究緣起與背景. 近年，台灣地區由於人口不斷增加，以及經濟活動日趨頻繁，使得 都市垃圾產量不僅與日俱增，且不同型態之新型垃圾更增加了處理的困 難，在環境保護意識日漸高漲的今天，垃圾處理已成為政府施政的重要 課 題。為 有 效 解 決 都 市 垃 圾 處 理 問 題，行 政 院 於 民 國 80 年 核 定「 都 市 垃 圾處理方案」，以「採焚化為主，掩埋為輔」作為垃圾處理之主軸，推 動至今已有二十座都市垃圾焚化廠正式運轉。 依 現 行 垃 圾 處 理 技 術 中，雖 然 以 焚 化 法 為 最 有 效 率，能 達 成 減 容 化 、 衛生化、安定化、資源化之目標。然而，垃圾焚化後所殘留的飛灰及反 應 灰 (以 下 簡 稱 焚 化 飛 灰 )， 根 據 資 料 顯 示 其 重 金 屬 成 分 之 含 量 ， 經 毒 性 特 性 溶 出 程 序 試 驗 (Toxicity characteristic leaching procedure, TCLP) 檢 測，普遍超過「有害事業廢棄物認定標準」所規定之溶出限值，故依法 被 認 定 為 有 害 事 業 廢 棄 物 ， 需 經 特 殊 而 嚴 謹 之 處 理 與 處 置 [1]。 現 行 主 要 焚 化 飛 灰 之 處 理 技 術 有「 高 溫 固 熔 」、「 水 泥 固 化 」、「 熬 合 劑 穩 定 化 」 、 「 濕 式 化 學 處 理 (加 酸 萃 取 )」 等 四 種 方 法 ， 其 中 較 被 常 用者為「高溫固熔」及「水泥固化」等方式，而目前國內焚化廠以採用 「水泥固化法」處理為主。 根 據 93 年 環 境 白 皮 書 指 出 ， 92 年 營 運 中 之 都 市 垃 圾 焚 化 爐 共 有 19 座，每 年 實 際 垃 圾 焚 化 量 達 5,471,000 公 噸，每 年 約 產 出 105 萬 公 噸 之 垃 圾 焚 化 灰 渣 ， 包 括 86.2 萬 公 噸 的 底 渣 及 19 萬 公 噸 的 焚 化 飛 灰 (含 固 化 物 )，今 假 若 皆 以 水 泥 固 化 法 來 處 理 焚 化 飛 灰，則 因 此 種 固 化 過 程 中 需 添 加 水 泥 約 15~20%， 將 會 增 加 處 理 後 固 化 物 的 重 量 ， 由 19 萬 公 噸 放 大 至 28.5 萬 公 噸 (約 1.5 倍 )， 且 體 積 亦 會 增 大 ， 一 方 面 除 加 重 日 趨 飽 和 之 灰 渣掩埋場的收容能力外，另一方面此固化物亦無後續之再利用性。相對 於水泥固化法，高溫固熔法除可分解及安定焚化飛灰中，絕大部分的有 毒 物 質 外 ， 其 產 生 之 固 化 物 亦 可 用 於 建 築 材 料 的 製 作 [2]。 爰此，本研究即為利用高溫固熔法之機制，並配合水庫淤泥輕質粒 1.
(16) 焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究. 料之製作方法，進行垃圾焚化反應灰及飛灰再生輕質粒料之研究，最終 希望將此環保新材料之研究成果，提供有關主管單位參考或技術轉移至 業界量產。. 第二節. 研究內容與流程. 依 據 本 研 究 之 目 標 擬 進 行 的 研 究 內 容 及 工 作 流 程 (如 圖 1-1) 條 列 說 明如下： 1.文 獻 蒐 集 與 彙 整 。 2.垃 圾 焚 化 反 應 灰 及 飛 灰 採 樣 與 基 本 性 質 分 析 。 3.垃 圾 焚 化 反 應 灰 及 飛 灰 再 生 輕 質 粒 料 之 燒 製 研 究 。 4.垃 圾 焚 化 反 應 灰 及 飛 灰 再 生 輕 質 粒 料 之 量 產 可 行 性 及 應 用 性 評 估 。 5.量 產 生 產 工 法 之 研 擬 及 及 經 濟 效 益 評 估 。. 2.
(17) 第一章 緒論. 圖 1-1. 研 究 流 程 圖 資料來源：本研究自行整理. 3.
(18) 4.
(19) 第二章 研究方法. 第二章. 研究方法. 利用熔融或燒結的技術，將焚化反應灰及飛灰燒製成人工骨材或陶 瓷材料，在實務應用的可行性極高。另一方面，國內水庫淤泥早已被證 實 能 製 作 成 輕 質 粒 料 [3-9]， 因 此 本 研 究 將 以 焚 化 反 應 灰 及 飛 灰 作 為 研 究 主要材料，並藉由添加水庫淤泥作為改質劑，探討垃圾焚化反應灰及飛 灰再生輕質粒料之可行性及應用性。依本計畫之研究目標及工作內容， 其研究方法及進行步驟可分述如下：. 第一節. 文獻蒐集與彙整. 於研究計畫進行之初期，將蒐集及彙整國內外有關垃圾焚化反應灰 及飛灰之處理技術及資源化再利用等研究與實務案例，一方面提供有關 單位日後實行之參考，另一方面，作為本計畫試驗結果之分析與比較。. 第二節. 採樣與基本性質分析. 本研究以垃圾焚化廠之焚化反應灰及飛灰作為試驗用原料，並依各 類焚化反應灰及飛灰之不同，個別進行原料的基本性質分析與調查。另 一方面，本研究亦將選定一座水庫之淤泥，作為燒製焚化反應灰及飛灰 輕 質 粒 料 之 改 質 用 添 加 劑。有 關 原 料 基 本 性 質 分 析 項 目，條 列 分 述 如 下 ： 1.灼 燒 減 量 試 驗 (依 環 檢 署 -NIEA R216.01C 檢 測 ) 2.顆 粒 粒 徑 分 析 (採 比 重 計 分 析 法 試 驗 ) 3.比 重 分 析 (以 ASTM D854 之 方 法 測 定 ) 4.化 學 成 分 (以 CNS-10896 之 方 法 測 定 ) 5.毒 性 特 性 溶 出 程 序 試 驗 (依 據 環 保 署 NIEA R201.11C 進 行 ). 第三節. 再生輕質粒料之燒製研究. 焚化反應灰及飛灰輕質粒料之燒製研究上，本計畫將採用「熔融處 5.
(20) 焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究. 理」及「燒結處理」兩種熱處理模式進行，兩者間之差異在於「熔融處 理 」可 大 量 以 焚 化 飛 灰 作 為 燒 製 用 原 料，甚 至 無 需 添 加 任 何 改 質 用 配 料 ， 不 過 採 用 此 法 因 需 要 較 高 的 熱 處 理 溫 度 (普 遍 介 於 1300~1500℃ )， 故 日 後 實 際 應 用 上 成 本 費 用 較 高 ； 「 燒 結 處 理 」 使 用 之 熱 處 理 溫 度 低 (約 介 於 1000~1200℃ )， 因 此 為 有 效 安 定 焚 化 飛 灰 內 之 重 金 屬 成 分 ， 需 加 入 大 量改質劑，不過較有利的是一般輕質骨材量產旋窯即可用於大量生產。 本計畫將以兩種熱處理方式進行燒製研究，並以獲得之結果進行交叉比 對，藉以評估日後量產工法之擬定及選用。以下針對燒製研究所需之工 作內容及流程，條列分述如下：. 圖 2-1. 氣 引 式 粉 碎 機. 圖 2-2. 乾 式 球 磨 機. 資料來源：本研究自行整理. 資料來源：本研究自行整理. 壹、原料前處理 首 先 將 取 得 之 各 種 原 料 ， 分 別 施 以 烘 乾 、 粉 碎 (如 遇 粒 徑 過 大 之 物 料，另 施 予 球 磨 粉 碎 )、及 混 拌 等 工 作，目 的 為 使 各 種 原 料 達 均 勻 化，避 免進行試驗時，因某些成分過於集中而有不合理的情況出現。粉碎程序 可 使 用 氣 引 式 粉 碎 機 (圖 2-1)， 將 大 顆 粒 之 原 料 細 化 至 粉 狀 體 再 透 過 乾 式 球 磨 機 (圖 2-2) 提 高 其 細 度， 並 加 以 小 型 拌 合 機 攪 拌 至 均 勻， 供 作 為 試 驗 用 原 料 。 此 外 ， 視 必 要 可 針 對 焚 化 飛 灰 進 行 水 萃 之 前 處 理 (依 有 害 物含量而定），以去除飛灰中過量的重金屬鹽類。水萃程序之液固比、 6.
(21) 第二章 研究方法. 時間及操作參數如下： 1.液 固 比 ： 5 (採 用 蒸 餾 水 為 萃 取 液 ) 2.萃 取 時 間 ： 5 分 鐘 3.水 萃 次 數 ： 2 貳 、 燒 製 研 究 -熔 融 處 理 研究之工作項目，條列分述如下： 1.熔 化 ： 將 經 前 處 理 後 之 各 類 焚 化 反 應 灰 及 飛 灰 ， 置 入 於 電 爐 中 進 行 加 熱 處 理 (依 常 態 速 率 加 熱 )， 加 熱 溫 度 視 各 物 料 之 熔 融 情 況 做 修 正，並以物料達完全熔融為原則。 2. 鑄 形 ： 將 已 達 完 全 熔 融 之 物 料 ， 注 入 方 形 之 模 具 內 (200*200*10 mm)，各 別 以 氣 冷 及 水 冷 之 冷 卻 方 式 凝 固 鑄 形，以 探 討 冷 卻 方 式 對粒 料物理性質之影響。 3.破 碎 ： 將 已 凝 固 之 焚 化 飛 灰 鑄 形 塊 ， 施 予 鍔 碎 機 破 碎 成 5~15 mm 的 粒料，此粒料即為試驗用成品。 參 、 燒 製 研 究 -燒 結 處 理 燒 結 處 理 採 用 之 熱 處 理 設 備，可 使 用「 兩 段 式 輕 質 骨 材 燒 結 機 」(圖 2-3)。 研 究 之 工 作 項 目 ， 條 列 分 述 如 下 ： 1.試 驗 配 方 ： 由 於 使 用 燒 結 處 理 之 方 式 ， 因 此 必 須 添 加 大 量 改 質 劑 ， 以幫助安定化重金屬鹽類及降低熔融溫度，故在此針對各類焚化飛 灰 ， 各 別 添 加 10%、 30%、 50%、 70%、 80%及 90%的 水 庫 淤 泥 作 為 改 質 用。本 次 試 驗 所 用 之 配 方 設 計，共 計 10 組 如 表 2-1 所 示。各 為 ： 飛 灰 系 列 (飛 灰 摻 入 水 庫 淤 泥 )； 反 應 灰 系 列 (反 應 灰 摻 入 水 庫 淤 泥 )； 混 合 灰 系 列 (混 合 灰 摻 入 水 庫 淤 泥 )； 水 庫 淤 泥 系 列 (純 水 庫 淤 泥 對 照 試 驗 用 )。 其 中 ， 混 合 灰 為 飛 灰 及 反 應 灰 依 比 例 混 拌 而 成 ， 比 例 為 飛 灰 ： 反 應 灰 ＝ 25%： 75%。 2.雛 粒 製 作 ： 係 以 塑 性 造 粒 法 製 粒 ， 即 為 將 均 化 處 理 後 之 物 料 加 入 不 等量的水進行拌和，拌和水之計量是以物料可具塑性造粒為基準。 拌和後之含水物料，以擠粒機，擠製成圓柱泥條，並以人工切割為 7.
(22) 焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究. 直 徑 約 8 mm 及 長 度 約 10 mm 的 骨 材 雛 粒 ， 最 後 將 其 烘 乾 靜 置 作 為 燒製用粒料。 3.燒 製 條 件 ： 為 採 用 兩 段 式 的 快 速 升 溫 法 進 行 ， 燒 製 之 方 式 是 將 烘 乾 後的骨材雛粒，先置於預熱爐內進行預熱，待一定時間後再移至焙 燒 爐 內 燒 製。燒 製 所 用 之 溫 度 及 時 間 的 設 計，分 三 階 段 進 行 設 定 之 ： (1).第 一 階 段 試 燒 — 擬 定 燒 結 溫 度 範 圍 及 軟 化 溫 度 燒 製 條 件 ： 固 定 預 熱 溫 度 500℃ ； 固 定 預 熱 時 間 10 分 鐘 。 變 化 焙 燒 溫 度 1000℃ ～ 1250℃ 間 不 等 ； 固 定 焙 燒 時 間 10 分 鐘 。 (2).第 二 階 段 試 燒 — 膨 脹 現 象 觀 測 燒 製 條 件：固 定 預 熱 溫 度 500℃；變 化 預 熱 時 間 5、7、10 分 鐘 。 固 定 焙 燒 溫 度 (視 各 物 料 的 軟 化 溫 度 )；固 定 焙 燒 時 間 10 分 鐘 。 (3).第 三 階 段 試 燒 — 試 驗 用 成 品 燒 製 燒 製 條 件 ： 固 定 預 熱 溫 度 500℃ ； 預 熱 時 間 視 第 二 階 段 試 燒 結 果 而 定 。 固 定 焙 燒 溫 度 (視 各 物 料 的 軟 化 溫 度 )； 變 化 焙 燒 時 間 10、 15 分 鐘 。. 台車. 預熱. 焙燒. 冷卻. 圖 2-3. 輕 質 骨 材 燒 結 機 資料來源：本研究自行整理 8.
(23) 第二章 研究方法. 表 2-1. 試 驗 配 方 序 號. 混 合 料 配 比 (% wt.). 配方編號. 飛灰. 反應灰. 混合灰. 淤泥. 1. F10. 10. 90. 2. F20. 20. 80. F30. 30. 70. F50. 50. 50. 5. F70. 70. 30. 6. F90. 90. 10. 7. R10. 10. 90. 8. R20. 20. 80. 反應灰 10 系 列. R30. 30. 70. R50. 50. 50. 11. R70. 70. 30. 12. R90. 90. 10. 13. M10. 10. 90. 14. M20. 20. 80. 15 混 合 灰 16 系 列. M30. 30. 70. M50. 50. 50. 17. M70. 70. 30. 18. M90. 90. 10. 飛灰 系列. 3 4. 9. 19. 淤泥 系列. S. 100. 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. 為瞭解焚化反應灰及飛灰輕質粒料的量產可行性及應用性，本研究 需利用輕質粒料之量產旋窯進行焚化反應灰及飛灰再生輕質粒料之大量 試產，以評估其量產之可行性，並以此量產之輕質粒料進行粒料物理性 質及工程性質評估試驗，期能與實際應用工程接軌。茲將本研究所需之 試驗項目及工作，條列分述如下： 1.大 型 旋 窯 量 產 焚 化 反 應 灰 及 飛 灰 再 生 輕 質 粒 料 之 試 驗 ： 利用輕質粒料量產旋窯進行焚化反應灰及飛灰再生輕質粒料之大 9.
(24) 焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究. 量試產以評估其量產之可行性，並以此量產之輕質粒料進行粒料物理 性質及工程性質評估試驗，期能與實際應用工程接軌。 2.物 理 性 質 試 驗 ： (1).顆 粒 密 度 及 吸 水 率 (依 據 規 範 CNS 488 「 粗 粒 料 比 重 及 吸 水 率 試驗法」) (2).鬆 單 位 重 (依 據 規 範 CNS 1163 「 粒 料 容 積 密 度 (鬆 ) 與 空 隙 試 驗法」) (3).筒 壓 強 度 (依 據 規 範 GB / T 17431.2-1998 「 輕 集 料 及 其 試 驗 方 法」) (4).氯 離 子 含 量 檢 定 (依 據 規 範 CNS 13407 「 細 粒 料 中 水 溶 性 氯 離 子含量試驗法」) (5).毒 性 特 性 溶 出 程 序 試 驗 (依 環 保 署 公 告 之 NIEA R201.11C 進 行 ) 3.工 程 性 質 評 估 試 驗 ： 本 研 究 可 利 用 GB/T 17431.2-1998 之 輕 質 骨 材 強 度 標 號 試 驗 法 ， 進行焚化飛灰輕質粒料之混凝土可達強度分析，藉以評估骨材應用於 混凝土之工程性質及可行性。有關強度標號試驗法之說明如下： 在 普 通 混 凝 土 中 ， 粗 骨 材 (天 然 石 料 ) 的 抗 壓 強 度 一 般 均 遠 高 於 混凝土設計強度。對普通混凝土強度有決定性影響的是粗骨材與砂漿 間的粘結力強弱，而粗骨材本身強度則對混凝土的強度影響不大。然 而，在輕質骨材混凝土中，輕質粗骨材的強度通常較低，但其與砂漿 的粘結力強，因此輕質粗骨材的顆粒強度大小，對以其拌製之輕質骨 材混凝土強度而言有很大的影響。故在評量輕質骨材性質優劣的指標 中，尤其對於結構混凝土用的輕質骨材，骨材強度是一項很重要的評 估指標。 由上述之說明可知，輕質骨材的顆粒強度影響其拌製後混凝土的 可達強度。如何知曉合理之輕質骨材混凝土的強度範圍，則可藉由強 度標號試驗法分析之。強度標號試驗法是藉由實際之混凝土拌製，使 輕質骨材受水泥砂漿包圍，處於四面受約束的狀態下受力，並測定混 10.
(25) 第二章 研究方法. 凝土及其水泥砂漿之抗壓強度，以分析曲線求得輕質骨材混凝土之合 理強度範圍。. 第五節. 量產生產工法之研擬及經濟效益評估. 藉由上述試驗所獲之結果，進行焚化反應灰及飛灰輕質粒料生產工 法 之 研 擬 (以 旋 窯 生 產 製 程 進 行 設 計 )。生 產 工 法 研 擬 之 項 目，如 下 所 列： 1.原 料 基 本 需 求 (物 理 性 、 化 學 性 ) 2.生 產 設 備 需 求 (主 體 製 程 機 具 ) 3.物 料 平 衡 概 算 4.操 作 參 數 概 算 (如 燒 製 參 數 等 ) 於 經 濟 效 益 評 估 上 (以 旋 窯 生 產 製 程 進 行 分 析 )， 將 以 成 本 利 益 分 析 (Cost-benefit analysis) 之 方 式 ， 評 估 設 立 一 焚 化 飛 灰 輕 質 粒 料 廠 ， 於 15 年之設備有效生產期限內所需的設備、勞力、電力、燃料、土地租金及 其他費用等，藉此評估可獲之投資報酬，以提供生產業者之參考。. 第六節. 預計可能遭遇之困難及解決途徑. 本項研究計畫之目的，乃在進行焚化飛灰再生輕質粒料之研究，各 項研究內容及其執行方法，均已有完善之規畫。研究之最大挑戰，乃在 不 良 品 (含 未 用 完 原 料 及 試 製 品 等 未 能 通 過 TCLP 毒 物 溶 出 檢 測 者 ) 之 處理，由於垃圾焚化飛灰為法定之「有害事業廢棄物」，需經由安定化 的前處理才能進行最終處置，意即檢測合格後方可進入指定之灰渣掩埋 場掩埋。關於此部分事宜，將委與專責之垃圾焚化飛灰處理業代為處理 不良品。. 11.
(26) 12.
(27) 第三章 文獻分析. 第三章 第一節. 文獻分析. 焚化飛灰基本特性與國內處理現況. 壹、焚化飛灰基本特性 焚化飛灰係指隨廢氣自燃燒室帶出，再經由集塵設備捕集之細顆粒 物質。若採用乾式或半乾式廢氣處理系統，則焚化飛灰包含有鍋爐飛灰 (通 稱 為 飛 灰 )、 以 及 袋 濾 式 集 塵 器 飛 灰 (含 反 應 物 及 未 反 應 物 或 通 稱 「 APC 集 塵 反 應 灰 」 )， 其 中 又 以 袋 濾 式 集 塵 器 飛 灰 (通 稱 為 反 應 灰 ) 屬 最 大 宗，一 直 大 型 都 市 垃 圾 焚 化 廠 每 焚 化 1,000 kg 垃 圾 約 產 出 150~250 kg 底 渣 ，30~40 kg 焚 化 飛 灰 (袋 濾 式 集 塵 器 飛 灰 約 佔 15~20 kg)。 再 者 ， 都 市廢棄物焚化廠所產生之焚化飛灰性質，基本上與傳統純粹因燃燒所產 生 之 飛 灰 ， 或 燃 煤 電 廠 由 靜 電 集 塵 器 所 捕 集 之 煤 灰 大 不 相 同 [2]。. 表 3-1. 國 內 焚 化 飛 灰 之 金 屬 氧 化 物 含 量 重 量 百 分 比 (wt.%) 廠別. 備註 SiO 2. Al 2 O 3 Fe 2 O 3. CaO. MgO. Na 2 O. K2O. A廠. 21.7. 17.3. 4.1. 24.3. 3.5. —. —. 飛灰. A廠. 6.8. 2.2. 1.2. 45.9. 0.5. —. —. 反應灰. B廠. 23.3. 11.1. 3.7. 21.8. 2.9. —. —. 飛灰. B廠. 1.7. 0.4. 0.9. 45.1. 0.4. —. —. 反應灰. C廠. 4.4. 1.8. 0.8. 40.6. 1.2. 4.2. —. 飛 灰 +反 應 灰. D廠. 23.9. 7.9. 2.7. 16.7. 2.8. 5.8. 4.8. 鍋 爐 灰 +旋 風 灰. E廠. 3.5. 2.1. 0.6. 46.1. 2.4. —. —. 飛 灰 +反 應 灰. 資 料 來 源 ： 參 考 書 目 No.10 13.
(28) 焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究. 一般而言，焚化飛灰具有吸濕、逸散及有害等物理特性，且常因吸 濕之特性產生黏著，造成暫時貯存、運輸及環境污染上的問題。焚化飛 灰 顆 粒 大 小 一 般 介 於 1~1,000 μ m 之 間 ， 當 顆 粒 越 小 時 含 低 沸 點 之 有 害 重金屬成分的可能性越高。此外，焚化飛灰具有密度低及比表面積大之 特性，因此極易飛散於大氣環境中。 焚 化 飛 灰 組 成 成 分 中，除 含 有 SiO 2、CaO、Fe 2 O 3、Al 2 O 3、MgO 外 ， 尚 含 有 沸 點 較 低 之 重 金 屬 ， 如 Pb、 Zn、 Cd 等 。 國 內 外 焚 化 飛 灰 之 金 屬 氧 化 物 及 重 金 屬 含 量 分 別 如 表 3-1 及 表 3-2 所 示 [10]。. 表 3-2. 國 內 焚 化 飛 灰 之 重 金 屬 含 量 重 金 屬 含 量 * (mg/kg) 廠別. 備註 Cd. Cr. Cu. A廠. 101. 240. A廠. 163. 26. 723. B廠. 142. 249. C廠. 196. 103. D廠. 104. 327. E廠. 262. 53. Pb. Zn. As. Hg. 175. 2.1. 飛灰. 4,861 9,900. 21. 1.8. 反應灰. 650. 3,094 4,031. —. —. 飛 灰 +反 應 灰. 365. 4,870 11,306. —. —. 飛 灰 +反 應 灰. 1,026 1,667 8,630. —. —. 鍋 爐 灰 +旋 風 灰. —. —. 飛 灰 +反 應 灰. 1,036 3,315 10,455. 826. 4,896. 897. 備 註 ： 依 據 NIFA R101.02C 「 事 業 廢 棄 物 檢 測 方 法 總 則 」 ， 若 以 乾 基 檢 測 或 對 含 水 量 測 定 有 困 難 之 廢 棄 物 樣 品 其 度 量 單 位 可 以 mg/kg 表 示 ； 若 經 過 毒 性 溶 出 試 驗 程 序 (TCLP) 試 驗 ， 則 其 度 量 單 位 以 mg/L 表 示 之 。 資 料 來 源 ： 參 考 書 目 No.10. 貳、焚化飛灰處理方法評析 焚化飛灰處理方法可概分為高溫固熔處理、水泥固化處理、熬合劑 穩 定 化 處 理 及 濕 式 化 學 處 理 (加 酸 萃 取 ) 等 方 式，此 外 亦 有 取 之 作 為 其 它 製程的添加物，如用於電弧爐煉鋼或環保水泥等之製作，有關各處理方 法 之 綜 合 比 較 ， 分 析 整 理 如 表 3-3 所 示 [11-13]。 14.
(29) 第三章 文獻分析. 表 3-3. 焚 化 飛 灰 處 理 方 式 綜 合 評 析 項 目. 原理. 水泥固化. 螯合劑穩定化. 高溫固熔. 濕式化學處理 加酸萃取. 化 合 物 生 成，使 重 藥 劑 與 重 金 屬 反 利 用 電 力、燃 料 等 金 屬 不 易 溶 出，且 應，使 不 易 溶 出 。 加 熱 使 飛 灰 熔 融，形成熔渣固 藉水泥之水化反 結，熔 融 飛 灰 再 經 應形成具強度之 捕集後安定化處 固化體。 理。. 飛 灰 浸 於 水 內，藉 鹽 酸、礦 酸 之 添 加 將其內之重金屬 溶 出，再 以 藥 劑 處 理沈澱污泥。. 減容率. △. ○. ◎. ○. 維護管理性. ○. ◎. △. △. 處理物安定性. △. ◎. ○. 操作維護費用. ◎. △. △. 設置面積. ○ ○. ◎. △. △. ○. △. 實績 特徵. 綜合評價. ○ ○. △. 飛灰單獨熔融少 ●運 轉 容 易 ●運 轉 容 易 ●熔 渣 再 利 用 性 高 ●得 回 收 重 金 屬 再 ●建 設 成 本 不 高 ●建 設 成 本 低 ●飛 灰 內 之 戴 奧 辛 利 用 已分解 ●技 術 成 熟 ●技 術 成 熟 ●成 品 內 之 溶 解 性 鹽類低 ●藥 劑 費 用 高 含 鈣 系 反 應 物 及 設 置 及 維 護 容 減 容 率 高，熔 渣 品 若 為 高 鹼 度 飛 未 反 應 物 之 高 鹼 易，佔 地 面 積 小 ， 質 佳，提 升 其 再 利 灰，將 增 加 酸 之 添 度 飛 灰 ， Pd 之 溶 惟 藥 劑 多 涉 及 專 用 率。惟 其 設 置 與 加 劑。此 外，設 備 出 高，必 要 時 必 須 利 產 品 ， 且 單 價 操 作 成 本 甚 高，且 佔 地 空 間 大，產 生 飛灰中之重金屬 之廢水及污泥亦 與 藥 劑（ 如 螯 合 劑 高 。 與 Cl 於 熔 融 過 需 再 進 一 步 安 定 等 ）併 用。此 外 ， 程 中 揮 發 及 形 成 化處理。 其減容率較低。 高 濃 度 HCl，必 須 再捕集處理，此 外 ， 含 高 CaO 成 分之飛灰於熔融 前亦需作鹽基度 調整。. 資 料 來 源 ： 參 考 書 目 No.12； ◎： 優 ， ○ ： 好 ， △： 普 通. 在水泥固化及熬合劑穩定化處理方面，應用最廣者為水泥固化技 術，但其最大缺點為固化物之減容效果不佳，且長期掩埋後將有固化物 崩解及內含重金屬溶出現象。熬合劑穩定化處理技術則因熬合劑多為專 利產品，售價較高若大量使用將增加焚化飛灰處理成本。 15.
(30) 焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究. 另一方面，以上兩方式處理後之固化物若考慮再利用，其單軸抗壓 強度宜在一定數值以上，但由於受限焚化飛灰中所含氯鹽成分較高，其 固 化 效 果 並 不 佳，且 在 一 般 水 泥 固 化 流 程 中，水 泥 添 加 量 多 在 30%以 下， 導致多數固化體無法達到再利用要求之強度，故除增加水泥含量外，仍 需 再 添 加 其 他 材 料 (如 消 石 灰 、 矽 砂 等 )， 並 經 壓 縮 成 型 處 理 ， 如 此 一 來 其 處 理 費 用 自 然 增 加 [11-13]。 高溫固熔法是在高溫的狀況下，促使焚化飛灰中的有機物發生熱分 解、燃燒及氣化，而無機物則熔融形成玻璃質的固體。經過熔融固化處 理後，垃圾焚化飛灰中的戴奧辛及呋喃等有機污染物受熱分解破壞，而 所含沸點較低的重金屬鹽類，除少部分因氣化分解外，大部分則轉移到 玻璃質的固化物中，可大大降低了浸出的可能性。另一方面，垃圾焚化 飛 灰 經 過 熔 融 固 化 後 ， 其 最 大 減 容 率 亦 可 達 1/2 以 上 。 高溫固熔法最大之缺點，為需耗費較大之能源費用，然而相對於其 它處理技術，最大優勢為可得高經濟性之建築材料，同時亦有較好之減 重及減容效果，以及安定性高與無重金屬溶出之優點，為目前處理焚化 飛 灰 較 有 成 效 的 技 術 [14-17]。 濕 式 化 學 處 理 中 之 加 酸 萃 取 法，乃 利 用 pH 值 下 降，將 重 金 屬 自 飛 灰 中 溶 出 ， 並 添 加 NaHS 使 其 生 成 不 溶 性 硫 化 物 予 以 去 除 。 濕 式 化 學 處 理 成本最低，但重金屬係自焚化飛灰中溶出而濃縮沈澱於廢水污泥中，故 產 生 之 廢 水 及 污 泥 尚 待 進 一 步 的 處 理，由 於 此 種 處 理 方 法 在 pH 的 控 制 頗 為 重 要 ， 故 操 作 條 件 較 為 複 雜 ， 實 廠 應 用 之 案 例 亦 少 [11-13]。. 參、國內焚化飛灰處理現況 焚 化 飛 灰 內 含 有 多 種 重 金 屬 (如 Pb、Zn、Cd、Cr...)，依 據 一 般 廢 棄 物回收清除處理辦法第二十七條規定，飛灰之溶出試驗超過有害事業廢 棄物認定標準規定者，得採固化法、穩定化法、熔融法或其他經中央主 管機關許可之處理方法，處理至低於認定標準，因此無法依一般廢棄物 進行最終處置，需經中間處理成為無害性廢棄物後，始得進入掩埋場掩 16.
(31) 第三章 文獻分析. 埋處理。國內目前處理方式大都採用水泥及熬合劑混合固化再掩埋，其 處 理 流 程 如 圖 3-1 所 示 。 焚 化 飛 灰 經 高 溫 燒 結 、 冷 卻 及 廢 氣 集 塵 設備 收 集後儲於飛灰貯槽，隨後再定量加入混練機中，並添加水泥、化學穩定 劑及水，經混合攪拌均勻後進行固化成型或直接卸於貯坑中，處理後之 飛 灰 固 化 物 進 行 樣 品 採 集 與 TCLP 容 出 檢 驗 ， 養 護 後 之 固 化 物 再 清 運 至 指 定 之 掩 埋 場 進 行 最 終 處 置 [11,18]。. 圖 3-1. 焚 化 飛 灰 固 化 處 理 流 程 資 料 來 源 ： 參 考 書 目 No.18. 第二節. 焚化飛灰熔融資源化技術. 熔 融 處 理 技 術 (高 溫 固 熔 法 ) 最 早 起 源 於 鑄 造 金 屬 或 製 造 塑 膠 材 料，其 應 用 的 原 理 在 於 利 用 物 質 熔 化、注 入 鑄 模、凝 結 及 固 型 化 等 技 術 ， 目前熔化、鑄形及冷卻凝固技術，亦應用在都市垃圾焚化灰渣、污泥灰 渣 、 核 能 廢 料 ， 甚 至 受 污 染 土 壤 整 治 等 方 面 [12]。 17.
(32) 焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究. 熔融處理法的應用，在歐美多半處理有害廢棄物或放射性廢料為 主，而在日本之應用，則以處理都市垃圾焚化灰渣及污泥灰渣為主。主 要處理方式係將固體廢棄物利用電力或燃料加熱至熔流點以上，使殘存 有 機 物 氧 化 ， 含 量 高 的 無 機 物 則 變 熔 渣 (slag)， 並 產 生 自 我 凝 結 的 固 化 效果。 主 要 影 響 熔 融 的 因 子 為 鹽 基 度 (CaO/SiO 2 莫 耳 比 )， 鹽 基 度 越 高 則 熔 融所需之溫度也就越高；鹽基度越高的焚化灰渣，所需消耗能量越多， 換 言 之 處 理 成 本 相 對 也 就 提 高 ， 依 據 廖 明 村 [19-20]研 究 台 灣 地 區 北 部 某 焚 化 廠 之 底 灰 ， 其 鹽 基 度 為 0.8， 熔 融 所 需 之 溫 度 為 1,190℃ ， 其 熔 融 體 經 TCLP 試 驗 結 果 其 重 金 屬 溶 出 量 均 低 於 法 規 。. 表 3-4. 日 本 一 般 熔 渣 利 用 方 法 利 用 方 法. 利 用 內 容. 水 冷 熔 渣 可 做 為 下 層 路 盤 材，而 熔 渣 混 入 率 必 須 在 20%以 路 基 材 料 下。氣 冷 熔 渣 可 做 為 一 般 道 路 之 下 層 路 盤 材，亦 可 做 輕 交 通 道 路 (自 行 車 與 人 行 道 等 ) 之 上 層 路 盤 材 。 水 冷 熔 渣 的 均 勻 係 數 須 在 4~5 以 下，且 其 粒 徑 為 粒 徑 累 積 透水材料 曲 線 通 過 率 10%時 所 對 應 的 值 。 D 10 須 在 0.6~1.0 cm 之 間 ， 且 透 水 性 佳 者 ， 可 做 為 透 水 材 建設 過濾材料 及集水過濾材。 資材 水 冷 熔 渣 可 做 為 步 道 與 車 道 間 的 分 界 磚，亦 可 做 為 混 凝 土 混凝土骨材 磚 的 細 骨 材 (熔 渣 混 入 率 須 在 50%以 下 )。 混凝土二次 空冷熔渣與結晶化熔渣之用途，以低強度的混凝土為例， 製品材料 包括小型構造物之混凝土細骨材等。 水 冷 熔 渣 可 做 為 互 鎖 磚 基 層 部 的 細 骨 材 (熔 渣 混 入 率 須 互鎖磚 在 50%以 下 )。 最終 處置. 申請免除. 可 申 請 免 除 日 本 厚 生 省 所 公 佈 的「 一 般 廢 棄 物 最 終 處 分 場 指 針 」限 制。例 如 可 申 請 與 陸 上 廢 土 相 同 程 度 的 處 置 基 準。. 資 料 來 源 ： 參 考 書 目 No.12. 將熔融態之灰渣經由氣冷或水冷處理，而產生玻璃狀之熔渣，此種 熔渣的體積約為原本焚化灰渣之二分之一以下，且重金屬被固熔於玻璃 相當中，呈現相當穩定的狀態，是一種很有效的固化穩定化處理方法。 18.
(33) 第三章 文獻分析. 氣 冷 熔 渣 係 指 熔 液 排 出 時，利 用 空 氣 冷 卻，熔 渣 冷 卻 後，自 然 破 裂 為 1~5 cm 之 塊 狀，可 作 為 路 盤 材、表 層 材 及 混 凝 土 骨 材 之 使 用。水 冷 熔 渣 係 指 熔液由熔融爐之排渣處掉落於盛水之水淬槽中，再經由輸送帶輸出。熔 渣經水冷卻時會破裂成為細粒狀玻璃質。可做填土、路盤材及混凝土材 等使用。. 石灰石. 焦. 廢塑膠燃料. 炭. 焚化灰渣. 焚化灰渣 前處理. 粉碎. 燃燒空氣. 熔. 建設資材廠 破碎、選別. 融. 爐. 廢氣處理廠. 人工骨材. 排. 放. 圖 3-2. 日 本 熔 融 製 造 人 工 骨 材 流 程 資 料 來 源 ： 參 考 書 目 No.12. 結晶化熔渣則為將水冷及氣冷之熔渣予以再熱處理可得更適合骨材 之熔渣。氣冷熔渣較水冷熔渣適用於路盤材使用，然而氣冷熔渣作為路 盤材使用時，因熔渣之玻璃質表面光滑，故宜使用於腳踏車及人行步道 等負荷較輕之下層路基材使用，如配合其他的石材，則可作為上層路盤 材使用；結晶化熔渣材質較佳，利用的可能性較高。水冷熔渣作為細粒 料或氣冷熔渣作為粗粒料使用為混凝土骨材時，因熔渣具光滑之玻璃質 表 面 ， 所 以 使 用 碎 石 及 河 砂 時 ， 其 壓 縮 強 度 約 減 低 15%； 使 用 熱 處理 後 之結晶化熔渣作為混凝土骨材使用之場合，則強度較普通骨材為高。利 用熔渣作為成形板材的方法，係將熔融處理產生之高溫熔液注入鑄模中 19.
(34) 焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究. 形成結晶化板材。熔渣板材之壓縮強度及曲折強度皆較由混凝土製作的 板材高出很多，如作為步道磚塊使用，其附著性亦佳。 針 對 日 本 一 般 熔 渣 之 利 用 方 法 ， 整 理 如 表 3-4 所 示 。 此 外 ， 日 本 亦 利 用 焚 化 灰 渣 添 加 廢 塑 膠 燃 料、焦 炭、石 灰 石，並 利 用 1,500℃ 以 上 的 高 溫 熔 融 處 理，其 熔 渣 經 過 徐 冷、破 碎、選 別 之 後，即 產 生 安 山 岩 級 骨 材 ， 且 其 熔 融 骨 材 可 符 合 日 本 道 路 碎 石 JIS-C-40 標 準，其 灰 渣 熔 融 骨 材 生 產 示 意 流 程 如 圖 3-2 所 示 [12]。. 第三節. 國外處理現況與實例. 日本對於焚化灰渣的處理方面，近年來全力著重於熱分解氣化熔融 處理技術之研究發展及熔融再利用方式之評估，並積極推動熔渣應用於 建 築 材 料；在 其「 廢 棄 物 清 理 法 」中 規 定 1998 年 後 設 置 之 焚 化 廠，需 併 同設置熔融設備，處理焚化底灰及飛灰。 目前灰渣熔融處理後生成之熔渣，於日本地區之應用亦日漸普遍， 至 於 再 利 用 方 式 ， 仍 以 做 為 道 路 骨 材 、 混 凝 土 製 品 (如 下 水 道 側 溝 蓋 、 路 側 緣 石 等 ) 較 為 常 見。表 3-5 為 日 本 地 區 熔 渣 再 利 用 品 之 應 用 情 況。此 外，日本地區之工程實例，如日本尼崎市於大阪灣內設置浮島式廢棄物 掩 埋 場，水 中 部 分 是 以 垃 圾 焚 化 灰 渣、污 泥、建 築 廢 棄 土 混 合 進 行 填 築 。 完 成 後 之 新 生 地 尚 可 做 為 公 園 、 道 路 用 地 、 建 築 用 地 等 [12]。 美國尚未有單獨利用焚化飛灰之案。而焚化灰渣之再利用之方式， 大多以應用做為混凝土鋪面粒料、路底基材、混凝土級配粒料及其他使 用 等。其 中，以 美 國 聯 邦 高 速 公 路 局 (Federal Highway Administration) 利 用經篩選獲取適當粒徑之灰渣做為道路鋪面及基底材料替代骨材之應用 實例最多，且經長期實驗結果均證明環境無不良影響。 1969 年 美 國 Cincinnati Mill 河 污 水 處 理 廠 在 原 為 垃 圾 焚 化 灰 渣 及 建 築廢棄土的掩埋場上進行擴建工程時，由於試驗結果發現掩埋場內之掩 埋材料工程性質良好，於是興建處理池時，以挖掘出的掩埋材料構築處 20.
(35) 第三章 文獻分析. 理 池 圍 堤 。 在 佛 羅 里 達 州 ， Tampa 市 以 放 置 一 年 後 之 焚 化 灰 渣 來 取 代 路 基 材 料 ， 且 發 現 其 夯 實 效 果 頗 佳 [12]。 Aziz 等 人 (1992) 將 粘 土 與 焚 化 灰 渣 混 合 ， 量 測 其 無 圍 壓 縮 強 度 由 30~40 kN/m 2 提 升 至 120~140 kN/m 2 ， 而 在 加 入 少 量 氧 化 鈣 後 可 使 抗 壓 強 度 大 為 增 加。而 在 Aziz 等 人 研 究 以 焚 化 灰 渣 做 為 道 路 基 層 (subbase) 和 夯 實 路 基 (subgrade) 的 級 配 料，其 品 質 僅 較 花 崗 岩 骨 材 稍 微 遜 色。而 若 與 瀝 青 混 合 作 為 路 面 面 層 (surfacing) 的 鋪 設 材 料，則 由 於 焚 化 灰 渣 表 面 之不規則狀可提供較佳之互鎖效果，可與瀝青有相當良好的結合，但其 所 需 黏 結 料 含 量 較 高 [12]。. 表 3-5. 日 本 地 區 熔 渣 再 利 用 品 應 用 情 況 再利用品. 熔渣使用量. 混合率. 備考. 瀝青混凝土面層材. 約 10 kg/m 2. 10%. -. 底 基 層 材 (路 盤 材 ). -. 5%. -. 約 30 kg/m 2. 33%. 230*115*40mm. 約 36 kg/m 2. 50%. 300*300*30mm. 約 45 kg/m 2. 30%. 厚 80mm. 外 壁 用 燒 成 磚 (Tile). 約 9 kg/m 2. 35%. 900*600*10mm. 水泥二次製品. 地盤改良材. -. -. 金屬粒塊. 3000Ｔ /年. -. 某造船廠塔吊車之 平衡配重使用. 道路骨材. 燒 成 磚 (Brick) 步道用 交鎖磚 (Interlock Block). 資 料 來 源 ： 參 考 書 目 No.12. 歐洲地區因垃圾採焚化處理已施行數十年，對於焚化灰渣之管理均 有相當明確的法令規範，且底灰之再利用率均大於美、日等地區，一般 以 作 為 道 路 替 代 材 料 為 主 。 歐 洲 各 國 灰 渣 再 利 用 如 表 3-6[12]。 21.
(36) 焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究. 表 3-6. 歐 洲 各 國 灰 渣 再 利 用 方 式 地區. 再 利 用 條 件 / 結 果. 德 國. ※ 德 國 每 年 產 生 的 底 灰 ， 約 有 80~90%依 現 行 法 規 可 被 利 用 。 ※底 灰 直 接 利 用 ： 土壤改良劑，隔音牆填充材，停車場或臨時道路之基材，限制標準與法 國之道路建築用限制相同。 在集水區及流域附近，禁止使用焚化灰渣作再利用。 ※底 灰 再 製 品 再 利 用 ： 將底灰經水洗以調低硫酸鹽和氯酸鹽含量後，再篩除底灰中金屬材料。 在德國境內已有商品化的產品，此種建材價格比傳統建築用石頭約便宜 20%， 主 要 應 用 在 車 庫 和 下 水 道 導 管 。. 瑞 典. ※底 灰 再 進 行 利 用 錢 ， 必 須 先 得 到 政 府 許 可 後 才 可 進 行 。 在 底 灰 再 利 用 時 ， 要 同 時 提 出 ： (1)行 政 管 理 事 項 ； (2)採 樣 和 分 析 ； (3)環 境 評 估 ； (4)技 術 評 估等報告，作為底灰利用時之規範。 ※底 灰 再 利 用 前 必 須 先 進 行 篩 分 及 磁 選 分 離 等 前 處 理 工 作 ， 經 前 處 理 後 之 底 灰 可用來作為填料，特別是次級道路中的基層或輕質建築材料。. 荷 蘭. ※底 灰 的 利 用 條 件 為 含 水 率 約 為 12~15%， 最 大 值 為 16%； 粒 徑 需 小 於 40 mm。. 法 國. ※廢 水 處 理 ： 利用底灰具有之特殊功能，經測試每公噸底灰每年約可處理一公噸的液 體 ， 惟此利用方式並不普及。 ※道 路 建 築 ： 巴 黎 約 有 80%的 再 利 用 底 灰 應 用 在 道 路 建 築 上，主 要 作 為 交 通 量 低 之 道 路 建 築 的 基 層 (Subbase Course)物 質 。 ※限 制 ： (a) 必 須 堆 置 至 少 6個 月 以 上 。 (b) 磁 選 ， 去 除 含 鐵 物 質 。 (c) 不 得 混 入 飛 灰 。 (d) 小 於 8μm 之 顆 粒 必 須 少 於 10~12%。 (e) 未 燃 物 的 含 量 低 於 5%。 (f) 含 水 率 不 得 超 過 2%。 (g) 瀝 青 不 可 直 接 放 在 底 灰 之 上 (可 能 會 導 致 澎 潤 Swelling 的 反 應 )。 (h) 由 於 底 灰 的 易 脆 性 ， 不 建 議 當 成 底 層 (Base Course)材 質 。 資 ※ 源回收：回收含鐵物質，玻璃和其他非鐵物質。. 丹 麥. ※丹 麥 自 1970年 代 中 葉 起 ， 即 開 始 利 用 焚 化 灰 渣 。 ※於 1983~1984年 中 成 立 註 冊 登 記 政 策 ， 作 為 灰 渣 之 管 理 。 ※灰 渣 在 應 用 時 ， 必 須 符 合 下 列 環 境 的 要 求 ：. 22. 物 理 特 性. 化 學 特 性. (a) 顆 粒 需 小 於 50 mm。 (b) 粒 徑 小 於 0.074 mm之 細 粉 ， 含 量 不 可 超 過 9%。 (c) 未 燃 物 含 量 <10%。 (d) 含 水 量 為 3%為 宜 。. (a) pH>9。 (b) 總 鹼 度 >1.5 g equiv/kg (乾 基 )。 (c) Pb<3000 mg/kg (乾 基 )。 (d).Cd<10 mg/kg (乾 基 )。 (e) Hg<0.5 mg/kg (乾 基 )。.
(37) 第三章 文獻分析 ※為 了 符 合 上 述 要 求，灰 渣 需 將 底 灰 與 飛 灰 分 開、過 篩、暫 時 貯 存 一 個 月 以 上 等前處理。 ※灰 渣 的 再 利 用 地 點 需 距 離 水 流 20公 尺 以 上，且 需 置 於 地 下 水 水 位 以 上。通 常 灰 渣 的 應 用 厚 度 不 能 超 過 2公 尺，平 均 為 1公 尺，且 應 用 的 區 域 不 得 超 過 1仟 平 方 公 尺 。 若 鋪 設 灰 渣 的 區 域 超 過 2仟 平 方 公 尺 ， 則 灰 渣 的 厚 度 限 制 在 0.3 公尺以下。 ※若 灰 渣 與 瀝 青 、 水 泥 或 其 他 「 水 結 合 性 物 」 混 合 應 用 ， 則 不 必 經 過 特 殊 許 可即可應用。 資 料 來 源 ： 參 考 書 目 No.12. 第四節. 輕質骨材概述. 輕 質 骨 材 種 類 繁 多，按 照 國 際 材 料 與 結 構 試 驗 所 協 會 (RILEM) 的 建 議，輕質骨材一般可分為三大類，第一類為天然輕質骨材，如浮石、泡 沫火山岩等；第二類為由工業副產品加工而得，如飛灰輕質骨材；第三 類 為 天 然 材 料 加 工 而 得 ， 如 膨 脹 粘 土 輕 質 骨 材 等 (表 3-7)。 [21-28]. 表 3-7. 主 要 常 用 的 輕 質 骨 材 骨材種類. 來源. 火山凝灰岩. N. 多孔石灰岩. N. 生產方法. 顆粒形狀及表面特徵. 篩 分 為 所 需 的 粒 級 ， 篩 破 碎 後，顆 粒 形 狀 不 規 則，具 有 或 大 分前將粗塊破碎 或小的表面孔隙 同上 同上. 預製成所需形狀和尺 渾 圓 和 球 形 顆 粒，光 滑 或 略 粗 糙；燒 N+P 寸 ， 在 回 轉 窯 中 膨 脹 或 結的顆粒更具有開口結構和稜角 在燒結爐中燒結 常 有 稜 角 或 略 呈 渾 圓，有 時 扁 平，長 將原料破碎後在回轉窯 頁 岩 和 板 岩 N+P 形 或 角 狀；大 多 數 情 況 下，表 面 有 緻 中膨脹或在燒結爐燒結 密光滑的外殼 將原料製成球形，然後 燒 結 型 飛 灰 BP 同粘土 在燒結爐中燒結 無 破 碎 顆 粒 時，顆 粒 渾 圓，成 不 規 則 篩分為所需的級配，篩 泡沫熔岩 形 狀；破 碎 顆 粒 有 稜 角，表 面 有 開 口 N 分前將大塊破碎 孔隙 將 熔 融 礦 渣 用 水 蒸 氣 膨 顆 粒 不 規 則，有 稜 角，表 面 粗 糙 有 開 膨脹爐渣 BP 脹，然後破碎 口孔隙 在燒結爐中燒結之前或 燒 結 煤 干 石 BP 有稜角，表面有開口孔隙 以後進行破碎 粘土. 23.
(38) 焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究. 浮石 珍珠岩 蛭石. 篩分為所需的級配，篩 分前將大顆粒進行破碎 將原料破碎，然後在 N+P 900~1200℃ 溫 度 下 膨 脹. 渾 圓 形 顆 粒，具 開 口 結 構 但 表 面 較 光 滑 渾 圓 顆 粒，形 狀 規 則，但 表 面 有 些 粗 糙. N+P 雲 母 膨 脹 (或 剝 離 ). 立方形或層狀顆粒. N. 資 料 來 源 ： 參 考 書 目 No.21； 備 註 ： N 表 示 天 然 骨 材 BP 表 示 工 業 副 產 品. N+P 表 示 工 廠 製 造 的 人 造 骨 材. 輕質骨材的特性會因產地、原料及製作方式等不同，而有諸多的差 異 (如 表 3-8 所 示 )。以 下 對 輕 質 骨 材 的 來 源 及 製 造 方 式，將 詳 細 一 一 介 紹。 表 3-8 輕 質 骨 材 之 種 類 與 基 本 物 理 性 質 物理性質 來源. 天然. 種類. 鬆單位重 顆粒密度 孔隙率 吸水率 (kg/m 3 ). (g/cm 3 ). (%). (%). 浮石. 340~630. 0.35~1.15. 85. ≦ 50. 泡沫火山岩. 750~140. 1.8~2.8. 40. 10. 珍珠岩加工. 40~150. 0.1~0.3. 95. ≒0. 蛭石加工. 60~170. 0.1~0.35. 95. ≒0. 膨脹黏土. 300~900. 0.6~1.8. 75. 8~20. 膨脹頁岩. 450~900. 0.8~1.8. 70. 5~10. 爐渣. 500~850. 1.0~2.0. 有機質泡沫球. 20. 0.04. 人造. 46~60 20~35 99. ≒0. 資 料 來 源 ： 參 考 書 目 No.21. 壹、天然輕質骨材 所謂的火山噴出岩，是由地殼破裂而流出的熔融物質經過冷卻而形 成。這類岩石的性質可能有很大的差別，這取決其化學成分、本身熔岩 的流動性及冷卻的方式等。如火山所產生的熔岩其冷卻相當慢，而熔岩 在 平 均 溫 度 介 於 900-1200℃ 之 間 流 動 性 較 好 。 有 些 場 合 是 火 山 物 質 被 拋 入 空 中 再 落 回 地 面 上 ， 然 後 在 地 面 凝 成 一 種 質 地 鬆 散 的 岩 石 (如 火 山 凝 灰 岩 )。另 外 一 些 場 合 是 冷 卻 發 生 在 水 中 (如 熔 岩 流 入 海 中 時 )，這 類 火 山 渣質材料常具有多孔及外形類似海綿狀的構造物，這是由於這些熔融物 24.
(39) 第三章 文獻分析. 質內含有空氣而形成。 來自火山的主要天然輕質骨材有浮石、火山渣、泡沫火山岩及火山 凝 灰 岩 等 。 此 外 ， 還 有 幾 種 火 山 玻 璃 質 岩 石 (如 黑 曜 石 及 珍 珠 岩 )， 經 由 熱處理後能變成輕質骨材，但這些輕質骨材通常只能作為非結構用的粒 料。. 貳、從工業副產品製造 爐渣是民用或工業燃燒裝置中燃煤所排出的熔渣，這類材料有時被 用來作為輕質骨材。它們黝黑、堅硬並且成燒結狀態或渣狀，其中可能 存在某些有害物質，如硫化物、硫酸鹽及天然放射性物質等。 礦渣是在高溫爐中煉製鐵礦的副產品，主要有兩種熔化物從高溫爐 底 部 流 出 ， 生 鐵 (聚 集 在 爐 底 ) 及 礦 渣 (浮 在 鐵 液 上 面 )。 最 常 使 用 的 膨 脹礦渣，其採用方法是當熔融的礦渣從高溫爐排出時，用水噴射使其迅 速冷卻，使得水蒸氣進入礦渣裡面，產生無數氣泡並引發礦渣膨脹，形 成一種人造且具有多孔玻璃質結構的材料。 飛灰是發電廠用作燃料的煤經過燃燒後的產物，利用機械除塵器或 靜 電 除 塵 器 收 集 而 得 。 它 是 一 種 乾 燥 材 料 ， 先 被 加 熱 到 1400℃ 然 後又 通 過空氣淬火而迅速冷卻而成。顆粒是細微的空心或實體球，主要由玻璃 質 的 二 氧 化 矽 (SiO 2 ) 組 成。飛 灰 係 作 為 水 泥 熟 料 的 一 種 混 合 材 料 而 用 來 生產飛灰水泥或火山灰質水泥，也能用來製作混凝土所需的輕質骨材， 如 著 名 的 英 國 輕 質 骨 材 商 標 Lytag， 其 專 門 利 用 飛 灰 生 產 輕 質 骨 材 。. 參、從天然材料加工 這類的輕質骨材是以粘土、頁岩及板岩等為原料，採用燒脹或燒結 的方法製成。燒脹法是將原料加熱至熔融溫度，產生氣體使其膨脹；燒 結法也是將原料加熱至熔融溫度，但由於氣體生成量不足或是熔液黏度 不是太小就是太大，導致膨脹無法發生，但利用燒結法製成的骨材同樣 具有質輕效果，而且表殼堅硬使骨材有一定的強度。 25.
(40) 焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究. 膨脹粘土輕質骨材是目前世界各國最為廣泛的一種輕質骨材。其製 造 原 理 於 1918 年 就 為 人 所 知 ， 當 時 一 位 名 叫 海 迪 (Haude) 的 美 國 人 ， 向 政 府 申 請 這 項 製 法 的 專 利 權，並 於 1928 年 開 始 以 工 廠 規 模 生 產 粘 土 輕 質骨材。 頁岩及板岩在結構上和外表上都不同於粘土，這種不同是由於它們 的形成方式不同所致，這些泥質材料在溫度和壓力的作用之下，獲得一 種成層的密實結構。頁岩及板岩是一些含矽及鋁的岩石，其化學成分與 粘土非常相近。通常開發此類的輕質骨材會減少耕地資源及衝擊環境生 態 ， 為 較 其 不 利 之 因 素 [29]。. 第五節. 輕質骨材生產方式. 一般人造輕質骨材之生產方式，皆以透過熱處理的燒製型輕質骨材 為 主 。 以 下 介 紹 其 生 產 方 式 及 流 程 (如 圖 3-3 所 示 )。 [29-32]。. 壹、原料加工與製粒 輕質骨材生產首先必需解決的是原料加工及製粒方式，其任務為將 採集所得之原材料，以破碎、篩分或是配料混合等程序，製得出成分合 乎要求及品質均勻之物料，再經由相關之製粒設備製作成雛粒。. 圖 3-3. 燒 製 型 輕 質 骨 材 之 生 產 流 程 資料來源：本研究自行整理 26.
(41) 第三章 文獻分析. 貳、熱處理 熱處理為燒製型輕質骨材生產之重要工藝，其對製得之輕質骨材性 質有決定性的影響，故應依不同原料選擇而有相對應之熱處理方式。輕 質 骨 材 之 熱 處 理 工 藝，一 般 包 括 有 乾 燥 與 預 熱、焙 燒 及 冷 卻 等 三 個 程 序 ， 以下將詳述此三階段： 1.乾 燥 及 預 熱 階 段 雛 粒 由 室 溫 加 熱 至 200℃的 階 段 ， 主 要 為 物 料 中 物 理 水 之 蒸 發 ， 若無進行適當之乾燥養護即投入高溫焙燒，則雛粒會因急遽之水蒸汽 壓力而產生坯體破裂或炸粒之疑慮，故施予乾燥制度是為防止雛粒破 壞之重要步驟。 通 常 製 成 的 雛 粒 其 含 水 率 約 20%， 故 在 預 熱 及 焙 燒 前 都 須 經 過 乾 燥。雛粒之乾燥方式，可依熱處理設備之不同而有所異。若為單筒旋 窯則建議另行設置預熱器，而雙筒式旋窯則可利用預熱窯進行乾燥 之。再者，為提高雛粒之乾燥效率，亦可在預熱窯內安裝預熱器或是 熱 交 換 器 ， 使 窯 內 之 煙 氣 及 部 件 (如 鍊 條 及 格 板 等 ) 與 雛 粒 之 接 觸 面 積增大，以提高出雛粒之乾燥效率。 雛 粒 由 200℃升 至 950℃為 預 熱 階 段，此 時 主 要 為 物 料 殘 存 之 物 理 水與部分礦物結晶水的排除，以及有機物的氧化、碳酸鹽與硫化物的 分解、石英的晶型轉變等。此階段的熱處理主要以物料中之有機物含 量及對製得骨材顆粒密度的要求等，進行預熱之升溫速度的調配與控 制，並將其加熱至膨脹前之溫度。 基本上不同的原料及不同的骨材顆粒密度，對物料的預熱要求是 不 盡 相 同 。 例 如 ， 有 機 物 含 量 低 之 原 料 欲 生 產 顆 粒 密 度 小 之 骨 材 (如 超 輕 量 輕 質 骨 材 )，應 使 用 較 短 之 預 熱 時 間 (或 較 快 之 升 溫 速 度 )，而生 產普通輕質骨材或高強度之輕質骨材，則預熱時間不宜短。 2.焙 燒 階 段 雛 粒 由 950℃加 熱 至 燒 成 溫 度 稱 為 焙 燒 階 段。一 般 物 料 約 在 950℃ 左 右，即 會 逐 漸 產 生 液 相 並 形 成 新 的 結 晶 相 (例 如：3Al 2 O 3 ‧ 2SiO 2 莫 27.
(42) 焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究. 萊石) 等。此外隨著物料溫度的逐漸升高，其液相量亦逐漸增多，此 時 物 料 的 黏 度 迅 速 下 降 ， 因 此 控 制 物 料 的 液 相 黏 度 (通 過 對 焙 燒 窯 內 物 料 的 溫 度 控 制 )，使 之 與 物 料 內 部 不 斷 產 生 之 氣 體 所 形 成 的 壓 力 相配 合，即促使物料發生適度的膨脹，又不使物料因溫度過高，導致黏度 過低而發生結塊或結窯的情形，為焙燒階段溫度控制的關鍵。 3.冷 卻 階 段 冷卻方式對輕質骨材之性質有很大之影響。一般認定最適宜之冷 卻 制 度 為 ： 輕 質 骨 材 在 通 過 溫 度 最 高 之 焙 燒 窯 後 ， 於 1000～ 700℃間 可 迅 速 冷 卻；於 700～ 400℃區 間，則 要 求 緩 慢 冷 卻，以 免 在 這 液 相 固 化與晶型轉變的時刻，因迅速降溫使輕質骨材內外部產生強大之溫度 收縮應力，導致其骨材表面產生網狀之細微裂縫，使骨材之顆粒強度 降 低 ； 冷 卻 至 400℃後 則 可 迅 速 降 溫 。 灼 熱 之 輕 質 骨 材 冷 卻 是 否 能 符 合要求之制度與規律，主要取決於所使用的冷卻設備。. 第六節. 影響輕質骨材的燒成因素. 整個人造輕質骨材的燒製過程，是將具有一定強度之雛粒經由高溫 固熔或膨脹而成。因此，除了原料的基本性質會影響燒製結果外，其燒 製條件亦為產製輕質骨材的關鍵之一。其中原料基本性質包括物理性 質、礦物組成及化學成分等；而燒製條件包含燒成的溫度與時間、冷卻 速 度 及 燒 成 氣 氛 等 。 以 下 簡 述 ， 各 類 影 響 之 因 素 [29、 33-37]：. 壹、原料化學成分 按其作用可分為三大類： 1.成 陶 的 主 要 成 分 成 陶 的 主 要 成 分 有 SiO 2 、 Al 2 O 3 及 Fe 2 O 3 ， 在 原 料 中 約 佔 3/4，其 在高溫下形成玻璃質熔融體。當含量過低時，影響骨材表殼光滑及強 度；含量過高時，則熔點高、黏度大及膨脹性差等。 2.助 熔 氧 化 物 (Fluxing) 28.
(43) 第三章 文獻分析. 主 要 有 Na 2 O、K 2 O、CaO、MgO 及 FeO 等，這 些 物 質 可 以 起 助 熔 作用以降低溶液的生成溫度，它們也會直接影響物料的軟化溫度範 圍 ， 詳 見 表 3-9。 當 中 助 熔 作 用 最 強 的 是 Na 2 O 及 K 2 O， 其 次 是 CaO、 MgO 及 FeO。含 量 過 高 會 使 物 料 生 成 較 多 的 液 相，容 易 發 生 黏 結；含 量 過 低 導 致 骨 材 膨 脹 性 差 。 Na 2 O 及 K 2 O 能 在 較 低 溫 度 下 就 開 始 形 成 熔 液，而 在 高 溫 時 熔 液 量 卻 增 加 不 多，而 CaO、MgO 及 FeO 含 量 不宜 過高，否則會縮小焙燒溫度範圍，使骨材膨脹性能降低。故當原料中 含 有 一 定 量 的 Na 2 O 及 K 2 O， 對 於 助 熔 的 效 果 是 比 較 有 效 [38]。. 表 3-9. 金 屬 氧 化 物 及 其 共 晶 混 合 物 的 熔 融 溫 度 名 稱 熔 融 溫 度 (℃ ). 混合物名稱. 熔 融 溫 度 (℃ ). SiO 2. 1713. FeO． SiO 2. 1100. Al 2 O 3. 2050. FeO＋ FeO． Al 2 O 3. 1305. CaO. 2570. Na 2 O． 2SiO 2. 874. MgO. 2800. K 2 O． 4SiO 2. 770. Fe 2 O 3. 1548. K 2 O． SiO 2. 976. FeO. 1380. 4FeSiO 3 ＋ CaSiO 3. 1030. 資 料 來 源 ： 參 考 書 目 No.38. 3.發 氣 物 質 發 氣 物 質 是 在 高 溫 時 經 過 還 原 分 解 和 相 互 作 用 ， 產 生 H 2 O、 O 2 、 CO 2、SO 2、CO、N 2 及 H 2 等 氣 體 的 重 要 物 質，它 們 能 使 物 料 發 泡，是 膨脹形成內部孔隙的動力。一般而言，可提供生成氣體之物質主要有 黃 鐵 礦 (FeS 2 )、 赤 鐵 礦 (Fe 2 O 3 )、 方 解 石 (CaCO 3 )、 水 雲 母 、 碳 、 有 機質、石膏等。 由此可見，原料的化學組成不但影響生成熔液時的溫度，也會提 29.
(44) 焚化廠反應灰及飛灰再生為輕質粒料之研究. 供相當多的發氣物質，對燒成輕質骨材有很大的影響。一般建議原料 的 化 學 成 分 範 圍 應 為：Si 2 O 約 48~68％；Al 2 O 3 約 12~18％；Fe 2 O 3 約 5~10％；CaO+MgO 約 3~8％；K 2 O+Na 2 O 約 2.5~7％；有 機 質 約 0.5~5 ％ ； 燒 失 量 約 6~10％ 。. 貳、原料礦物組成 原料的礦物組成是骨材膨脹的重要因素。導致膨脹的礦物有很多， 主要是粘土礦物，計有水雲母、蒙脫石、綠泥石及伊利石等；其次還有 黃鐵礦、赤鐵礦及沸石等。有的礦物可以決定骨材的物理化學特徵，如 焙燒溫度及骨材強度等，有些礦物也能起助熔作用或產生氣體，如伊利 石、綠泥石及水雲母等。因此，這些礦物不但助熔且含有發氣物質，整 個在加熱過程中起著良好的助脹作用。. 參、原料物理性質 1.顆 粒 細 度 原 料 的 顆 粒 愈 細 對 膨 脹 愈 有 利，一 般 要 求 泥 級 顆 粒 (＜ 0.005 mm) 佔主要部分，因為這些泥級顆粒多為粘土礦物，其具有塑性、黏結性 及吸水性等，且其離子交換能力較強，有利於吸水、成球、乾燥及烘 乾後保持一定顆粒強度，顆粒細易於在熱塑過程中發生化合作用。所 以，原料要求以粘土級礦物為主，含砂或粉砂量要最少。 2.可 塑 性 原料的可塑性與骨材的容重成反比關係，高膨脹性原料的塑性指 數 (PI 值 ) 不 低 於 20；中 膨 脹 性 原 料 一 般 不 低 於 12。在 骨 材 的 生 產 中， 如果塑性指數低，可以添加塑性高的原料以促使物料膨脹性更好。 3.軟 化 溫 度 範 圍 軟化溫度範圍指的是物料開始軟化至熔融時溫度的範圍。軟化溫 度愈大，其膨脹溫度範圍也就大，對於膨脹有利。而物料受熱下其氣 體反應發生在軟化溫度範圍內對於膨脹才有意義。 30.
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