廢棄物衍生鋁熱熔融劑處理不鏽鋼集塵灰

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鍾淑如(Shu-Ru Jung) 查詢紙本館藏

畢業系所

環境工程研究所

論文名稱

廢棄物衍生鋁熱熔融劑處理不鏽鋼集塵灰
(Waste derived thermite melting preparation to dispose of furnace dust)

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摘要(中)

本研究利用不鏽鋼集塵灰、淨水污泥及機械工廠邊料鋁屑，配置成廢棄物鋁熱反應熔融劑，鋁熱反應為氧化還原反應，反應間產生高溫使三種原料共同熔融，生成熔渣與鐵鉻合金，淨水污泥內含有高濃度二氧化矽，藉由二氧化矽稀釋熱量延長反應時間幫助金屬錠與熔渣分離同時進行熔渣改質。
不鏽鋼集塵灰鋁熱處理最佳配比實驗，不鏽鋼集塵灰與鋁屑以重量百分比3.89:1(不鏽鋼集塵灰80克和鋁屑20.56克)混合時，有最大放熱溫度2102℃，產生鈣鋁石熔渣及鐵鉻合金，回收之熔渣毒性溶出皆符合法規標準；金屬錠部分，主要物種為鐵及鉻金屬，且鉻含量皆有達到不鏽鋼製程標準(>11%)，將所回收之金屬錠當作不鏽鋼原料，達到資源循環及處理有害事業廢棄物之雙重目的。
添加淨水污泥—熔渣改質實驗，上述最佳配比添加10-60%淨水污泥，藉由原料中含有高濃度的二氧化矽，幫助金屬錠與熔渣分離並改善熔渣品質，淨水污泥的有機質，反應間揮發至大氣，造成孔洞逐漸增加，吸水率也相較提高，產物熔渣為Ca2Al2SiO7，此物質具有質輕、堅固、孔隙率大與吸水性佳等特性；金屬錠由SEM-EDS分析並無氧原子存在，表示以元素形式存在金屬錠，且鐵、鉻含量合為81-89%，添加淨水污泥明顯增加鐵鉻濃度。
鋁屑與不鏽鋼集塵灰進行鋁熱反應之動力學分析，利用Kissinger及Arrhenius方程式，將最大波峰溫度Tp及升溫速率β，繪製ln(β/Tp^2)和1/Tp關係曲線圖，若配比所含氧化鐵與鋁以化學計量式之反應路徑進行反應，並忽略其餘雜質於加熱過程中因亂度變小造成擴散活化能變大之影響，依照定律其擴散為一種與時間相關的過程，分別與單位時間通過擴散界面原子量(擴散通量)及擴散係數有關，藉此計算出擴散活化能，求得之活化能為165 kJ/mole。

摘要(英)

It is beneficial to recover Cr and Fe as Cr-Fe alloy from the electric arc furnace dust (EAFD) since the dust is abundant in Cr2O3 and Fe2O3. This study investigated a new recovery approach by taking the advantage of thermite reactions between metallic oxides(ie., chromium oxide and iron oxide) and aluminum powder (i.e., prepared from waste, parings and scrap, referred to as aluminum scrap, AS). Sludge from water treatment plant(referred to as WTS), with silicon dioxide (SiO2) as main constituent, was added as a glass-former to facilitate the separation of metal and slag and to improves the resultant quality of the slag.
This study determined the appropriate mix ratio of aluminum to EAFD by experiments based on the stoichiometry of the assumed thermite reactants in the tested wastws and reaction paths. The highest reaction temperature developed reflected the mix of EAFD to aluminum scrap is optimum under the balanced effects of factors such as species, oxidized degree, reaction path, impurities, non-reactive oxides, aluminum stoichiometry, and heat loss from the reactor wall. The results show that a mix ratio of EAFD: AS=3.89:1 is optimum in this study. The alloy retrieved in this case consisted of 86.27%(w/w) Fe-Cr alloy (i.e., 71.77% Fe and 14.50% Cr)., which is to be used as ore iron for producing stainless steel.
In the experiments with 10-40% (w/w) WTS added, the retrieved alloy consisting of Fe-Cr alloy, ranging from 89.27 to 86.77(w/w). The Fe content in the alloy ranged from74.77-75.83%(w/w) Fe, and 14.50-10.94%(w/w), showing that Fe concentration in retrieved alloy increased approximately from 72%(w/w) to 75%(w/w), with the increasing addition of WTS. The increased concentration of Fe in alloy indicates the separation of alloy from slag was enhanced with the addition of WTS.
On the other hand, with the addition of WTS, the retrieved slag became porous, resulting in the increase of absorption, which is supposed to be contributed by the formation of Ca2Al2SiO7 slag.
The reaction kinetics of aluminum- electric arc furnace dust system was analyzed by Kissinger equation:
d[ln(β/Tp2)]/d[1/Tp]= -E/R.
where β: dT / dt , heating rate(K/min)
Tp: peak temperature(K)
E: activation energy(KJ/mole)
R: gas constant(8.314JK-1mole)
Differental scanning calorimetric analysis was conducted at different
Heating rates ranging from 5 to 20 K/min and peak temperature measured as 165 KJ/mole for Al-Fe2O3 system.
The results of this work suggest that to recover Fe and Cr from EAFD and WTS using thermite reactions is a promising technology not only energy conservative but also recycling- beneficial.

關鍵字(中)

★ 鋁熱反應
★ 不鏽鋼集塵灰
★ 熔融
★ 鐵鉻合金
★ 活化能
★ 資源化

關鍵字(英)

★ thermite reaction
★ Furnace dust
★ multing
★ Cr-Fe alloy
★ activation energy
★ resources

論文目次

第一章前言 1
1-1 研究緣起 1
1-2 研究目的與內容 2
第二章文獻回顧 3
2-1 電弧爐煉鋼廠 3
2-1-1 台灣煉鋼業 3
2-1-2 不鏽鋼煉鋼製程 4
2-1-3 不鏽鋼集塵灰來源 7
2-1-4 不鏽鋼集塵灰資源化技術 10
2-2 淨水污泥 13
2-2-1 淨水污泥來源與處理現況 13
2-2-2 淨水污泥來源與處理現況 14
2-3 鋁熱反應 15
2-3-1 鋁熱反應熱力學 17
2-3-2 鋁熱反應影響因素 22
2-3-3 鋁熱反應於環工領域之運用 28
2-4 不鏽鋼集塵灰鋁熱熔融技術 32
2-4-1 不鏽鋼集塵灰鋁熱熔融技術原理 32
2-4-2 鋁熱熔融處理不鏽鋼集塵灰操作因素 34
2-4-3 鋁熱熔融處理的效應 39
2-5 不鏽鋼集塵灰鋁熱熔融處理之問題 42
2-5-1 鋁熱熔融劑成份 42
2-5-2 金屬分離效果 42
2-5-3 回收產物品質 43
第三章實驗材料與方法 49
3-1 研究架構 49
3-2 實驗材料與設備 51
3-2-1 實驗材料 51
3-2-2 實驗設備 53
3-3 實驗條件配置 54
3-3-1 原物料基本特性分析 54
3-3-2 不鏽鋼集塵灰鋁熱處理最佳配比實驗之實驗配置 55
3-3-3 添加淨水污泥鋁熱處理- 熔渣改質實驗 58
3-4 實驗分析 59
3-4-1 分析儀器 59
3-4-2 分析方法 60
3-5動力學解析方式 64
3-5-1穩態與非穩態擴散 65
4-1 原物料基本性質 66
4-1-1 原物料基本物化性質 66
4-1-2 原物料粒徑分佈 68
4-1-3 原物料化學組成 71
4-1-4 原物料熱重熱差分析-熱行為 73
4-1-5 原物料重金屬毒性特性溶出試驗 78
4-1-6 原物料掃瞄式電子顯微鏡與X光繞射分析 79
4-2 不鏽鋼集塵灰鋁熱處理最佳配比實驗 81
4-2-1 配比實驗之反應特性變化 82
4-2-2 配比實驗之熱重熱差分析 85
4-2-3 配比實驗之熔渣物化特性 86
4-2-4 配比實驗之金屬錠分佈 96
4-2-5 小結 100
4-3 添加淨水污泥鋁熱處理- 熔渣改質實驗 101
4-3-1 淨水水污泥添加量與反應特性之變化 102
4-3-2 熔渣改質實驗之熔渣特性 104
4-3-3 熔渣改質實驗之金屬錠特性 115
4-3-4 淨水污泥改質實驗之主要元素分佈 121
4-3-5 小結 125
第五章結論與建議 133
5-1 結論 133
參考文獻 135

參考文獻

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指導教授

王鯤生(Kuen-Sheng Wang)

審核日期

2009-10-20

推文