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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:黃奕叡
研究生(外文):Yi-Jui Huang
論文名稱:廢棄物焚化灰渣熱熔之研究
論文名稱(外文):Vitrification of Municipal Solid Waste Incineration Ash
指導教授:李俊德李俊德引用關係李文智李文智引用關係
指導教授(外文):Chun-Teh LiWen-Jhy Lee
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:環境工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:環境工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:223
中文關鍵詞:鹽基度無害化焚化灰渣高溫熔融重金屬
外文關鍵詞:High Temperature MoltenIncinerated AshHeavy MetalDetoxifyingBasicity
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隨著國內經濟快速發展與國民生活水準提升,產生之廢棄物不僅數量龐大且種類繁多,因此政府目前倡導以減容減量效果較佳之焚化處理為主,並於民國93年前計畫興建完成36座焚化廠,而屆時將會產生大量焚化灰渣處理及處置問題,因此積極開發具資源再利用之本土化技術乃刻不容緩之課題。本研究嘗試利用高溫熔融技術處理都市垃圾焚化灰渣,探討不同鹽基度與添加物對熔融處理效果之影響,並分析熔融前後熔渣重金屬之移轉與溶出行為,印證熔渣之無害化品質,且進行物化特性分析,以作為後續研究發展及資源再利用之參考。
研究結果顯示,以高溫熔融技術處理都市垃圾焚化灰渣,在熔融設定溫度1,450℃及熔融持溫時間1.5hr之操作條件下,能夠使有害之焚化灰渣轉化為無害化之熔渣,而當鹽基度CaO/SiO2範圍在0.240-1.75時,可達到熔融反應,其中又以飛灰:廢玻璃= 8:1時為達熔融效應最適添加比;其體積與重量減少率分別為65 %與26.7 %,顯示熔融反應具備高度減容及減重效果;其重金屬轉移行為在金屬相主要以Fe(93.9 %)及Cu(74.6 %)最高,在熔岩相則以Mg(99.1%)、Al(98.2%)、Ca(98.0%)及Si(96.7 %)最高;達熔融效應之熔岩表面結構平整、堅硬,外觀具玻璃光澤且無明顯孔隙產生;在鹽基度小於1.24時,熔融物質則可呈現玻璃化結構,有助於減少重金屬之溶出現象;其熔岩相孔隙率範圍約在0.18-1.14 %間,吸水率範圍約在0.12-0.78 %間,單軸抗壓強度也均大於600 kg/cm2,甚至高達760 kg /cm2左右,由此顯示熔岩之耐水性與抗壓性相當良好,已符合一等磚之吸水率標準值15 %及抗壓強度 150 kg/cm2甚多,由此可知高溫熔融處理後之熔渣具備高度資源化與材料化之發展潛力。
The quantity and variety of waste has recently increased with the economic rapid growth of Taiwan. Therefore, the government preaches high volume reduction efficiency incineration process and plans to build 36 incinerators before year 2004. The problem in treating great quantities of incineration ash will surface soon. It is thus urgent to develop a good technology for reclamation of reusable resources. This study focused on the treatment of municipal solid waste by melting process, and investigated the effluence of melting process from different basicity and additive. The transformation and leaching of heavy metals before and after melting process were also analyzed to determine the detoxifying quality of molten ash.
The results of this study are summarized as follows:
The incineration ash from municipal solid waste can be treated by the melting process and is well detoxified under 1450℃ operating for 1.5 hours. The ash started to melt when the range of the basicity was between 0.240 and 1.75. The best ratio for melting is ash : glass = 8 : 1; the volume and weight reduction ratio are 65 % and 26.7 % respectively. It shows that the melting process has the advantage of high volume and weight reduction rate. The heavy metal transformation among metal phase was mainly Fe and Cu, and Mg, Al, Ca and Si predominate among slag phase. The molten slag became smooth and hard in surface structure, glass luster and it had no apparent pore. The melting material vitrified as the basicity was lower than 1.24 and it contributed to reduce heavy metal leaching. The porosity of slag phase was between 0.18 % and 1.14 %, the water adsorption was between 0.12 % and 0.78 %; the compressing strength is higher than 600 km/cm2, even reach 760 kg/cm2. The water tolerant and compress strength of the slag reach 15 % and 150 kg/cm2, corresponding to the first grade brick standard. It is thus feasible to recover the molten ash as a recover resource.
總 目 錄
授權書 I
中文摘要 III
英文摘要 V
致謝 VII
總目錄 VIII
圖目錄 XIII
表目錄 XVII
第一章 前言 1
1-1 研究緣起與目的 1
1-2 研究方向及內容 4
第二章 文獻回顧 6
2-1 國內垃圾處理現況 6
2-2 都市垃圾焚化爐灰渣來源及特性 9
2-2-1 焚化灰渣種類及來源 9
2-2-2 焚化灰渣特性分析 12
2-2-2-1 焚化灰渣物理特性 12
2-2-2-2焚化灰渣化學特性 15
2-3 垃圾焚化灰渣中重金屬來源及特性 23
2-3-1 灰渣中重金屬之來源 23
2-3-2 重金屬之危險性 25
2-3-3 焚化過程重金屬之生成機制 27
2-4 廢棄物焚化灰渣之處理及處置方法 31
2-4-1 國外焚化灰渣之處理方式 31
2-4-1-1 陸地掩埋 31
2-4-1-2 廢礦坑、海洋棄置 31
2-4-1-3 資源化再利用 32
2-4-2 國內焚化灰渣之處理現況 38
2-5 廢棄物焚化灰渣之中間處理技術 39
2-6 廢棄物之高溫熔融研究 45
2-6-1 熔融處理之原理及沿革 45
2-6-2 熔融處理效應及特色 46
2-6-3 灰渣熔融處理之操作因子 56
2-6-4 熔渣種類及特性 65
2-6-5 熔融處理設備種類 67
2-6-6 熔融效應指標 76
2-6-7 熔渣之資源化 80
2-6-8 國外底灰應用實例與趨勢 84
2-6-9 焚化飛灰熔融處理與再利用技術評估 89
第三章 研究方法及設備 91
3-1 研究流程 91
3-2 研究方法及步驟 93
3-2-1 焚化灰渣來源與採樣方式 93
3-2-2 研究分析項目 95
3-2-2-1 焚化灰渣基本特性分析 95
3-2-2-2 高溫熔融操作條件試驗 101
3-2-2-3焚化灰渣調質高溫熔融特性分析 103
3-3 實驗設備 105
3-3-1 主要研究設備 105
3-3-2 實驗分析設備 109
第四章 品質控制與品質保證 110
4-1 檢量線之製定 110
4-2 檢量線空白校正 118
4-3 校正檢查 118
4-4 樣品分析 119
4-5 偵測極限 123
第五章 結果與討論 125
5-1 都市垃圾焚化灰渣基本性質分析 125
5-1-1 物理性質 125
5-1-2 化學組成 128
5-1-3 重金屬總量分析 129
5-1-4 毒性特性溶出試驗(TCLP) 131
5-1-5 電子顯微鏡(SEM)與X光繞射(XRD)分析 134
5-2 焚化灰渣高溫熔融操作條件試驗結果 136
5-2-1 熔融操作溫度 136
5-2-2 坩鍋材質 136
5-2-3 熔融操作時間 138
5-2-4 鹽基度組成 139
5-2-5 熔渣冷卻方式 140
5-3 高溫熔融處理之熔渣特性分析 142
5-3-1 熔渣基本性質 142
5-3-1-1 熔渣外觀 142
5-3-1-2 總減容比 146
5-3-1-3 總減重比 149
5-3-1-4 質量分布比 151
5-3-1-5 體積分布比 153
5-3-1-6 體密度 155
5-3-1-7 孔隙率 157
5-3-1-8 吸水率 159
5-3-1-9 抗壓強度 161
5-3-2 重金屬總量分析 163
5-3-2-1 焚化灰渣熔融處理前總量分析 163
5-3-2-2 熔融處理後熔岩總量分析 163
5-3-2-3 熔融處理後金屬錠總量分析 164
5-3-2-4 熔融處理之重金屬含量變化 177
5-3-2-5 熔融處理之重金屬移行率 178
5-3-3 毒性特性溶出試驗(TCLP) 191
5-3-3-1 焚化灰渣熔融處理前之TCLP試驗 191
5-3-3-2 熔融處理後熔岩及金屬錠之TCLP試驗 192
5-3-4 微結構變化 196
5-3-5 X射線繞射分析(XRD) 201
5-3-6 耐酸鹼試驗 206
第六章 結論與建議 208
6-1 結論 208
6-2 建議 210

第七章 參考文獻 212
附錄1 都市垃圾焚化爐底灰、飛灰及反應灰之組成 226
自 述 227
圖 目 錄
圖2-1 台灣地區垃圾清運總量 7
圖2-2 台灣地區垃圾處理(掩埋與焚化)方式之演變 7
圖2-3 都市垃圾焚化過程灰渣來源 11
圖2-4 ESP飛灰與兩種半乾式APC袋濾器灰之ANC滴定曲線 19
圖2-5 重金屬穩定化及溶出機制示意圖 22
圖2-6 廢棄物中重金屬之礦質化作用 28
圖2-7 燒結階段示意圖 33
圖2-8 焚化底灰固化處理之資源化流程圖 37
圖2-9 水泥固化法流程圖 40
圖2-10 化學固化法流程圖 41
圖2-11 熔融固化法流程圖 42
圖2-12 加酸及其他溶媒之穩定化法流程圖 43
圖2-13 熔融處理形成Si-O之網目構造 46
圖2-14 金屬化合物蒸發率與溫度之關係 48
圖2-15 熔融處理之化學成分變動情形 51
圖2-16 不同廢棄物處理方式之減容效果比較 54
圖2-17 玻璃化之反應機制 55
圖2-18 焚化灰渣三成分熔流點溫度分布圖 59
圖2-19 CaO/SiO2重量比與黏滯度之關係圖 60
圖2-20 試驗錐之形狀 62
圖2-21 試驗錐之變化情形 62
圖2-22 灰渣熔融處理之技術體系 67
圖2-23 (a)表面熔融爐 (b)內部熔融爐 (c)焦炭床熔融爐
(d)旋轉窯熔融爐 69
圖2-24 (a)電弧式熔融爐 (b)電阻式熔融爐 73
圖2-25 (c)電漿式熔融爐 (d)電熱式熔融爐 74
圖2-26 熔渣資源化之各種用途 81
圖2-27 熔融熔渣之利用方式 81
圖2-28 二次熔融產品(人工寶石) 83
圖2-29 熔融技術流程圖 83
圖3-1 本研究之實驗流程圖 92
圖3-2 本實驗焚化底灰與飛灰採樣點及相關空氣污染控制設備圖 93
圖3-3 (a)焚化飛灰 (b)焚化底灰 (c)廢玻璃 94
圖3-4 重金屬總量消化流程 96
圖3-5 高壓分解消化流程圖 98
圖3-6 毒性特性溶出試驗(TCLP)流程圖 100
圖3-7 高溫熔融爐外觀 106
圖3-8 高溫熔融爐內部構造 106
圖3-9 高壓分解斧設備 107
圖3-10 TCLP試驗旋轉裝置 108
圖3-11石墨坩鍋外觀與上蓋 108
圖4-1 QA/QC管制流程圖 111
圖4-2 Al、Ca、Fe及Mg之檢量線 112
圖4-3 K、Na、Si及Zn之檢量線 113
圖4-4 Ag、Sr、Ba及Se之檢量線 114
圖4-5 Mo、Ti、V及Sb之檢量線 115
圖4-6 Cd、Ni、Pb及Cu之檢量線 116
圖4-7 Co、Cr、Mn及As之檢量線 117
圖4-8 Hg之檢量線 118
圖5-1 熔融實驗採用焚化灰渣之重量分布圖 127
圖5-2 單獨灰渣未經高溫熔融處理前之SEM圖 134
圖5-3 單獨灰渣未經高溫熔融處理前之XRD圖譜 135
圖5-4 熔融處理後所得之金屬錠外觀照片 144
圖5-5 不同配比量灰渣熔融處理後所得之熔岩外觀照片 145
圖5-6 熔融處理後各試程熔渣之總減容比 148
圖5-7 熔融處理後各試程熔渣之總減重比 150
圖5-8 熔融處理後各試程金屬相、熔岩相與減少相之重量分布情形 152
圖5-9 熔融處理後各試程金屬相、熔岩相與減少相之體積分布情形 154
圖5-10 熔融處理後各試程熔渣之體密度 156
圖5-11 熔融處理後各試程熔渣之孔隙率 158
圖5-12 熔融處理後各試程熔渣之吸水率 160
圖5-13 熔融處理後各試程熔渣之抗壓強度 162
圖5-14 焚化灰渣熔融處理後之重金屬轉移行為分布圖 190
圖5-15 試體(單獨灰渣)未經高溫熔融前之SEM圖 197
圖5-16 試體(單獨灰渣)經1,450℃高溫熔融後之熔岩SEM圖 198
圖5-17 試體(混合灰渣)經1,450℃高溫熔融後之熔岩SEM圖 199
圖5-18 試體(混合灰渣)經1,450℃高溫熔融後之熔岩SEM圖 200
圖5-19 試體(單獨灰渣)經1,450℃高溫熔融後之熔岩XRD圖譜 202
圖5-20 飛灰:底灰(混合灰渣)經1,450℃高溫熔融後之熔岩XRD圖譜 203
圖5-21 飛灰:廢玻璃(混合灰渣)經1,450℃高溫熔融後之熔岩XRD圖譜 204
圖5-22 利用金屬打開及結合與形成骨骼之二次元表示法 205

表 目 錄
表2-1 台灣地區垃圾清運處理概況 8
表2-2 垃圾焚化灰渣之物理性質 15
表2-3 都市垃圾焚化飛灰金屬氧化物組成比較 17
表2-4 都市垃圾焚化飛灰重金屬含量比較 17
表2-5 都市垃圾焚化底灰金屬元素組成比較 18
表2-6 都市垃圾焚化底灰重金屬含量比較 18
表2-7 都市垃圾焚化灰渣毒性特性溶出試驗 22
表2-8 垃圾中重金屬可能之來源 24
表2-9 台北市都市及市郊垃圾中重金屬範圍及平均值 24
表2-10 金屬元素對人體健康之危害性 26
表2-11 二十四種元素之原子量、熔點、沸點及比重 30
表2-12 飛灰處理方式綜合比較 44
表2-13 熔融法在不同應用領域所使用之名稱 45
表2-14 重金屬與其他化合物的揮發性比較 50
表2-15 焚化灰渣主要成分之熔點 57
表2-16 熔渣種類與特性比較 66
表2-17 焚化灰渣高溫熔融處理技術比較 75
表2-18 不同熔融爐綜合評估比較 75
表2-19 金屬鍵結方式與溶出情形 77
表2-20 熔渣有害性(重金屬溶出濃度)評估比較 79
表2-21 熔渣利用於建設資材之方法 82
表2-22 日本地區熔渣再利用品應用情況 86
表2-23 歐洲各國灰渣再利用方式 87
表2-23 歐洲各國灰渣再利用方式(續) 88
表2-24 飛灰與底灰混合熔融之可能前處理方式 90
表2-25 熔融製程規劃上需特別留意之問題點 90
表3-1 坩鍋材料之高溫熔融試驗 102
表3-2 於1,450℃高溫熔融處理之操作時間試驗 102
表3-3 本實驗設定之13組不同添加配比量組成 103
表4-1 標準參考樣品之回收率 120
表4-2 標準參考樣品回收率之精密度與準確度 121
表4-3 各種元素之重複分析相對差異值 122
表4-4 金屬元素之參考波長及ICP偵測極限 124
表5-1 焚化灰渣基本特性分析 126
表5-2 焚化底灰粒徑分析試驗 126
表5-3 焚化飛灰粒徑分析試驗 127
表5-4 焚化灰渣之化學組成 128
表5-5 都市垃圾焚化爐灰渣之重金屬總量分析結果 130
表5-6 都市垃圾焚化爐灰渣TCLP試驗結果 133
表5-7 焚化灰渣重金屬平均溶出率 133
表5-8 於溫度1,450℃、持溫時間4小時之熔融坩鍋材料測試結果 137
表5-9 於1,450℃高溫熔融處理之持溫時間測試結果 138
表5-10 都市垃圾焚化爐灰渣與添加物(廢玻璃)之Ca及Si含量與鹽基度比較 141
表5-11 熔融處理前灰渣試樣之壓實密度 147
表5-12 熔融處理後各試程熔渣之總減容比 148
表5-13 熔融處理後各試程熔渣之總減重比 150
表5-14 熔融處理後各試程金屬相、熔岩相與減少相之重量分布情形 152
表5-15 熔融處理後各試程金屬相、熔岩相與減少相之體積分布情形 154
表5-16 熔融處理後各試程熔渣之體密度 156
表5-17 熔融處理後各試程熔渣之孔隙率 158
表5-18 熔融處理後各試程熔渣之吸水率 160
表5-19 熔融處理後各試程熔渣之抗壓強度 162
表5-20 都市垃圾焚化爐灰渣熔融前之重金屬總量分析結果 165
表5-20 都市垃圾焚化爐灰渣熔融前之重金屬總量分析結果(續) 166
表5-20 都市垃圾焚化爐灰渣熔融前之重金屬總量分析結果(續) 167
表5-20 都市垃圾焚化爐灰渣熔融前之重金屬總量分析結果(續) 168
表5-21 都市垃圾焚化爐灰渣熔融後熔岩(slag)中重金屬總量分析結果 169
表5-21 都市垃圾焚化爐灰渣熔融後熔岩(slag)中重金屬總量分析結果(續) 170
表5-21 都市垃圾焚化爐灰渣熔融後熔岩(slag)中重金屬總量分析結果(續) 171
表5-21 都市垃圾焚化爐灰渣熔融後熔岩(slag)中重金屬總量分析結果(續) 172
表5-22 都市垃圾焚化爐灰渣熔融後金屬錠(ingot)中之重金屬總量分析結果 173
表5-22 都市垃圾焚化爐灰渣熔融後金屬錠(ingot)中重金屬總量分析結果(續) 174
表5-22 都市垃圾焚化爐灰渣熔融後金屬錠(ingot)中重金屬總量分析結果(續) 175
表5-22 都市垃圾焚化爐灰渣熔融後金屬錠(ingot)中重金屬總量分析結果(續) 176
表5-23 熔融處理後重金屬總量濃度之變化情形 177
表5-24 高溫熔融後焚化灰渣中金屬元素之移行率(相分配率) 180
表5-24 高溫熔融後焚化灰渣中金屬元素之移行率(相分配率)(續) 181
表5-24 高溫熔融後焚化灰渣中金屬元素之移行率(相分配率)(續) 182
表5-24 高溫熔融後焚化灰渣中金屬元素之移行率(相分配率)(續) 183
表5-24 高溫熔融後焚化灰渣中金屬元素之移行率(相分配率)(續) 184
表5-24 高溫熔融後焚化灰渣中金屬元素之移行率(相分配率)(續) 185
表5-24 高溫熔融後焚化灰渣中金屬元素之移行率(相分配率)(續) 186
表5-24 高溫熔融後焚化灰渣中金屬元素之移行率(相分配率)(續) 187
表5-24 高溫熔融後焚化灰渣中金屬元素之移行率(相分配率)(續)188
表5-25 熔融處理後重金屬之轉移行為 189
表5-26 焚化灰渣熔融處理後金屬元素之轉移行為 190
表5-27 都市垃圾焚化爐灰渣熔融前TCLP試驗結果 193
表5-28 都市垃圾焚化爐灰渣熔融後熔岩(slag)CLP試驗結果 194
表5-29 都市垃圾焚化爐灰渣熔融後金屬錠(ingot)TCLP試驗結果195
表5-30 經1,450℃熔融處理後之熔岩耐酸檢度結果 207
第七章 參考文獻
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