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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:邱玟韶
研究生(外文):Wen-Shao Qiu
論文名稱:焚化灰渣取代部分水泥生料燒製環保水泥之可行性研究
論文名稱(外文):A Feasibility Study for Substituting Part of Cement Raw Materials by Incinerated Ashes in Making Eco-cement
指導教授:蔡佐良蔡佐良引用關係
指導教授(外文):Cho-Liang Tasi
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:營建工程系碩士班
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:93
中文關鍵詞:焚化灰渣水泥生料環保水泥
外文關鍵詞:Raw Materials of CementEco-cementIncinerated Ashes
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摘要
台灣地區每年產生數量龐大的焚化灰渣,其化學組成主要常見元素矽、鈣、鋁及鐵之氧化物,其成分與水泥原料相似,應可取代水泥製程中所使用之原料,成為資源化可行的方向,唯灰渣中含有微量重金屬、硫酸鹽及氯鹽等成分,可能對水泥燒製或水化過程中產生負面的影響。本研究目的在於探討環保水泥之生產技術與其物性、化性進行分析,以瞭解發展環保水泥可能遭遇之因難與問題,進而解決。其主要研究內容為垃圾焚化灰物化性質之分析、設計合適的生料配比,並比較不同配比之差異性、對其燒成熟料的物化性質、工程性質、環保性問題等進行研究,並進一步探討焚化灰渣作為水泥原料之可行性。。
實驗結果顯焚化灰渣之化學組成主要以Si、Ca、Fe、Al等氧化物為主,底灰中CaO含量較一般水泥生料為低,而飛灰中所含重金屬較多,大部分為鉛與鎘,但仍符合CNS之溶出標準。添加底灰有助於生料的燒成,當底灰添加量超過9%後,其試樣呈現一熔融狀。在熟料化學成分組成方面,僅添加飛灰之試樣會造成MgO含量過量,且當底灰用量不足時,其熟料固相燒成不佳導致f-CaO大增產生,而不溶物與燒失量試驗之結果均能符合規範之要求。在生料燒結時所產生的高溫,可有效降低試樣中重金屬之含量,唯熟料會固定大量的鉻與六價鉻。而凝結時間試驗中發現,加入飛灰有速凝之效果,而底灰則有緩凝之效果。在抗壓強度方面,需同時添加底灰與飛灰,以兼顧良好之燒結與足夠的石灰飽和度才有良好之強度表現。砂漿試體氯離子濃度隨底灰用量增加而上升,但水化膠結物可抑制氯離子之溶出,28天養護試體之氯離子濃度約為3天的一半。綜合來說底灰與飛灰均不適合單獨與水泥生料混合燒結,需結合飛灰的高CaO量與底灰的助熔效果,才有良好之熟料性質,同時亦可解決麻煩的垃圾問題,故將焚化灰渣與水泥生料混合燒製環保水泥確有其可行性與研究價值。
Abstract
Each year there is great amount of bottom ashes been produced by incinerators all over Taiwan. The major chemical concentrations of bottom ash are oxides of silica, calcium, aluminum, and irons. It is believed that due to the chemical and mineral similarity between incinerated bottom ashes and the raw materials of normal cement, some replacement of raw materials by bottom ashes to produce Eco-cement would be possible. However the heavy metals, sulfate and chlorides embedded in the bottom ashes would affect the characteristics of the new cement. The objective of this study is to find out possible difficulties and problems and solutions in developing Eco-cement by analyzing its manufacturing technologies, chemical and physical properties. The analysis of properties of incinerated ash, design of proportion of raw materials, deviations between the different designs have been carried out by this research. The properties of clinker, engineering properties, environmental impacts of Eco-cement have also been studied. The results would be applied to assess the feasibility of producing cement by adding incinerated ash.
It was found that Si, Ca, Fe, Al are the major chemical elements of incinerated ash. The experiments also showed that the content of CaO in bottom ash is higher than raw materials of normal cement, and fly ashes’ heavy metal concentration is higher than that of bottom ashes. Among the heavy metals, there is more lead and cadmium than other materials but their elution fulfills CNS standard. The experiments showed that bottom ash would improve the sintering of cement and once the content of bottom ashes higher than 9% the clinkering would be reached. On the chemical decomposition of Eco-cement clink, MgO would be high if fly ash was added with out bottom ash but the clinkering wouldn’t be achieved duo to lack of bottom ashes. However concentrations of ignition loss and insolvable residues of samples have fulfilled the existing codes. It is also shown that fly ashes would speed up setting but bottom ash would delay setting, and it might due to the fineness of fly ash. The effect of high temperature decreases the amount of heavy metals in the clinker by vaporizing most of metals even though chromes would remain in it. Therefore suitable combination of bottom and fly ashes would produce better compressive strength and setting time for Eco-cement. High CaO content of fly ashes and better clinkering effect of bottom ash would lead to ideal properties of Eco-cement clinkers. Thus the troublesome problems of incinerated ashes could be resolved by manufacturing of Eco-cement. Mixture of incinerated ashes and raw materials of normal cement to produce Eco-cement may be the most feasible and valuable way to digest Taiwan’s incinerated ashes.
目錄
圖目錄 iii
表目錄 v
摘要 vi
一、前言 1
1.1 研究源起 1
1.2 研究內容 2
二、文獻回顧 4
2.1 台灣垃圾焚化灰之處理情況 4
2.1.1 垃圾焚化灰種類與特性 4
2.1.2 台灣地區垃圾焚化灰之產出量 6
2.1.3 垃圾焚化灰之處理技術與資源化 9
2.1.4 焚化灰渣處理技術之問題與解決方法 12
2.2 水泥之生產概要 13
2.2.1 水泥之原料與製程 13
2.2.2 水泥中各成分之特性 15
2.2.3 水泥礦物的水化特性 18
2.2.4 水泥品質檢驗與規範標準 22
2.3 環保水泥生產概要 24
2.3.1 環保水泥之研發 24
2.3.2 環保水泥之原料與製程 25
2.3.3 環保水泥之化學成分與礦物組成 29
2.3.4 環保水泥之物化特性 31
2.3.5 環保水泥之可能市場需求量 32
2.4 廢棄物質對水泥燒製過程與成品之影響 32
2.4.1 水泥燒結過程之反應 32
2.4.2 焚化灰內含成分對水泥燒製之影響 33
三、實驗設備、方法與流程 37
3.1 實驗設備與流程 37
3.1.1實驗設備 37
3.1.2實驗流程 42
3.2 實驗原料之備製 45
3.2.1 原料成分分析 45
3.2.2 燒失量測定 53
3.2.3 毒性物質溶出試驗TCLP 53
3.3 水泥生料配比之計算 53
3.3.1 水泥係數 53
3.3.2 Michaelis公式計算原料混合比例 54
3.4 熟料處理與成分分析方法 56
3.4.1 X光螢光分析試驗(XRF) 56
3.4.2 游離石灰(f-CaO)之測定 60
3.4.3 不溶物之測定 62
3.5 水泥工程性質之分析方法 62
3.5.1 抗壓強度試驗 62
3.5.2 凝結時間試驗 62
3.5.3 氯離子濃度之測定 63
四、實驗結果與討論 64
4.1 垃圾焚化灰之性質分析 64
4.2 水泥生料之特性 65
4.2.1 Michaelis公式之配比計算結果 65
4.2.2 底灰與飛灰對水泥係數之影響 69
4.3 熟料之成分檢驗 72
4.3.1 XRF試驗 73
4.3.2 燒失量、游離石灰與不溶物試驗 77
4.3.3 TCLP試驗 78
4.4 水泥之工程性質試驗 79
4.4.1 抗壓強度 79
4.4.2 凝結時間 83
4.4.3 氯離子濃度 84
五、結論與建議 87
5.1 結論 87
5.2 建議 88
六、參考文獻 90

圖目錄
圖1、台灣地區歷年垃圾清運概況 7
圖2、民國九十一年度垃圾處理方法之比例 7
圖3、近年垃圾妥善處理之比例 8
圖4、近年台灣地區垃圾焚化灰渣產出情形 9
圖5、焚化灰渣之處理及處置技術 10
圖6、典型水泥廠生產流程 14
圖7、熟料中各種礦物之強度與水化速度 19
圖8、矽酸鈣鹽類水化過程示意圖 19
圖9、卜特蘭水泥水化產物之發展 21
圖10、環保水泥製造流程 27
圖11、卜特蘭水泥與環保水泥之礦物生成與溫度之關係 29
圖12、各型水泥砂漿之強度發展 31
圖13、水泥燒結過程中各溫度所產生之化合物 33
圖14、高溫爐與程式控制器 38
圖15、蒸氣養護室 38
圖16、刀片式研磨機 39
圖17、球磨機 39
圖18、水泥砂漿拌和機 40
圖19、費開氏針 40
圖20、水泥砂漿蓋平台 40
圖21、萬能試驗機 41
圖22、AG-100鹽分濃度計與電極頭 41
圖23、生料煅燒之容器 42
圖24、水泥生料煅燒之升溫曲線 43
圖25、研究流程 44
圖26、焚化灰渣原始狀態與高溫燒灼後狀態之比較 65
圖27、試料中底灰添加量對矽氧係數之影響 70
圖28、試料中底灰添加量對鐵鋁係數之影響 70
圖29、混合灰中底灰添加量對石灰飽和度之影響 71
圖30、生料煅燒後殘留之綠色物質 72
圖31、各配比之熟料 73
圖32、計算推估與實際燒成熟料之水硬係數比較 75
圖33、計算推估與實際燒成熟料之矽氧係數比較 76
圖34、計算推估與實際燒成熟料之鐵鋁係數比較 76
圖35、計算推估與實際燒成熟料之石灰飽和度比較 77
圖36、各配比之砂漿試體 80
圖37、養護3天試體之抗壓強度 81
圖38、養護7天試體之抗壓強度 81
圖39、養護28天試體之抗壓強度 82
圖40、各配比砂漿試樣抗壓強度之發展 83
圖41、各配比試樣之標準稠度用水量與凝結時間 84
圖42、養護3天試體之氯離子濃度 85
圖43、養護7天試體之氯離子濃度 85
圖44、養護28天試體之氯離子濃度 86


表目錄
表1、92年北投廠灰渣重金屬檢測報告(飛灰) 5
表2、92年北投廠灰渣重金屬檢測報告(底渣) 6
表3、環保署之6座焚化廠功能量測 8
表4、焚化灰燼處理方法之優缺點比較 11
表5、當前飛灰各種處理方法之問題點 12
表6、水泥內含化合物之簡寫式 15
表7、化學成份標準規定 22
表8、物理性質標準規定 24
表9、台灣與日本焚化灰成分之比較 26
表10、原型環保水泥之化學組成 29
表11、環保水泥與普通卜特蘭化學成分組成之比較 30
表12、環保水泥與普通卜特蘭水泥礦物組成之比較 30
表13、水泥係數及其規範值 54
表14、分光結晶種類 57
表15、XRF試驗測定水泥之條件表 59
表16、鹿草廠垃圾焚化灰之成分組成 64
表17、各比例混合灰之成分組成 66
表18、混合灰比例為飛灰100%底灰0%之配比計算結果 66
表19、混合灰比例為飛灰90%底灰10%之配比計算結果 67
表20、混合灰比例為飛灰80%底灰20%之配比計算結果 67
表21、混合灰比例為飛灰70%底灰30%之配比計算結果 68
表22、混合灰比例為飛灰60%底灰40%之配比計算結果 68
表23、混合灰比例為飛灰50%底灰50%之配比計算結果 69
表24、混合灰計算所得之配比與各水泥係數之變化 69
表25、XRF試驗各熟料之化學組成 74
表26、計算推估所得之熟料成分 74
表27、燒失量、游離石灰與不溶物試驗結果 78
表28、灰渣及混合料中重金屬含量TCLP試驗結果 78
表29、燒成後之熟料中重金屬含量TCLP試驗結果 79
表30、各配比試樣之標準稠度用水量與凝結時間 83
參考文獻
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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