TWM580581U - High performance sludge resource treatment system - Google Patents

Abstract

一種高性能淤泥資源化處理系統包括混拌單元、造粒單元以及燒製單元。混拌單元用以將淤泥及添加劑混拌而形成母料混合物。造粒單元設置於混拌單元的下游端，用以接收來自混拌單元的母料混合物並造粒形成生料體。燒製單元對生料體進行預熱及焙燒，最後獲得輕質粒料。

Description

高性能淤泥資源化處理系統

本創作係有關於一種淤泥資源化的處理系統，尤指一種高性能淤泥資源化處理系統，其可將水庫淤泥製為具高性能與高經濟價值的輕質粒料。

由粘土、頁岩、板岩、污泥及爐渣等，經燒製而成的陶屬粒料皆稱為陶粒，而輕質粒料(Lightweight Aggregate) 為陶粒用於工程上的統稱，其意為取其質輕所故。一般分類上，顆粒粒徑在5 mm(＃4篩)以上，骨材乾鬆單位重不大於1100 kg/m ³者稱為輕質粗骨材(根據日本JIS A5002標準，骨材顆粒比重≦2.0者)，若顆粒粒徑小於5 mm，且骨材鬆單位重不大於1200 kg/m3，則稱為輕質細骨材(根據日本JIS A5002標準，骨材顆粒比重≦2.3)。以下就針對輕質粒料的種類及特性等詳加敘述：

1. 輕質粒料的種類

輕質粒料大致可分為兩種類型：

a. 天然輕質粒料：此類輕質粒料大多來自火山岩漿的噴發物，其中較廣為被應用的有浮石、泡沫火山岩等，並通過簡易的顎碎及篩分後即可作為應用。

b. 人造輕質粒料：人造輕質粒料之種類相當繁雜，可依其原料性質區分為，來自天然材料經處理而得，如粘土、板岩、頁岩及沸石等；來自工業或環境的廢棄物直接運用或經加工製成的，如底灰、高爐渣及下水道污泥等，經熱處理或冷結固化等方式將其製作為輕質粒料。

輕質粒料的特性會因產地、原料及製作方式等不同，而有諸多的差異。一般而言，無論是天然或人造輕質粒料，其質輕的效果係因輕質粒料內外部含有大量孔隙所致，造成輕質粒料亦具有高吸水率、低密度、低顆粒強度及低單位重等特性，且隨著骨材粒徑的增大，其強度及密度等也隨之降低。上述輕質粒料的特性對於混凝土的性能上有很大影響，可以說輕質粒料混凝土的強度、單位重、隔熱保溫性及耐久性等，主要的取決於其所用的輕質粒料性質。

2. 現有技術的缺點及限制：

傳統之人造輕質粒料製作原料仍以膨脹頁岩(Expanded shale)及膨脹粘土(Expanded Clay)居多，而由此類材料所燒製之輕質粒料，因其固有的發泡機理及特定的製作工藝，通常使其骨材內部的孔隙結構較差，除孔徑大及分佈不均勻外等問題外，連通的孔隙及裂隙等缺陷相對也較多，因而有較大之吸水率(24小時骨材常壓吸水率普遍大於12%)。

從現場施工之觀點，此類吸水率大之輕質粒料對於混凝土的拌製、運輸、泵送及澆置等施工性極為不利，再者也極易造成混凝土的析離，導致混凝土的耐久性降低。另一方面，上述種種不利的因素也使高性能輕質粒料混凝土的研究與開發應用，相對於常重骨材之高性能混凝土更為複雜及困難。

為求因應及解決傳統輕質粒料之高吸水率的特性，近年國外的許多專家學者亦積極的進行研發及改造，期望能在保有一定質輕效果的前提下，製作出高強度及低吸水率的高性能輕質粒料(High Performance Lightweight Aggregate, HPLWA)。在此當中，以日本之研發成果最為突出，並也落實於實際的應用及生產，而其典型之高性能輕質粒料產品如太平洋水泥株式會社之產品，其24小時之骨材吸水率低於5 %，並可拌製單位重1800 kg/m ³及抗壓強度介於40~60 MPa的輕質混凝土。根據日本混凝土工學協會的研究報告指出，要提高輕質粒料的性能必須從改善輕質粒料內部的孔隙結構著手。

輕質粒料的孔隙結構可分為連通孔隙及獨立封閉孔隙兩種，連通孔隙的存在會增大骨材吸水率，並減低骨材的顆粒強度。反之，增加獨立封閉孔隙則能有助降低骨材的吸水率，並獲得輕量化的骨材。目前高性能輕質粒料的開發概念，即為採用合適的原料並透過特殊的工藝(如摻劑使用或燒製條件設計)來控制骨材內部的孔隙結構。例如要製作輕量、高強度及低吸水化之高性能輕質粒料，則須降低連通孔隙含量，並同時增加球孔狀之獨立封閉孔隙，其類蜂巢之結構除能降低骨材吸水率及顆粒密度外，亦能提供相對較高之骨材強度。不過，就目前現有日本開發之高性能輕質粒料仍有其限制，條列說明如下：

(1). 主原料需開山取石，破壞生態環境平衡

主原料為為酸性火山岩，酸性火山岩類有流紋岩、粗面岩等，其是一種淡色火山岩，多為白色、粉紅色，其化學成分與花崗岩相當。因其為岩礦，需大型礦業機械採取之，採集成本高。另一方面，採集此類岩礦，通常需開山取石，將會破壞生態環境平衡。此外，酸性火山岩通常僅存在火山地帶之區域，對於其他無火山帶的地區而言，原料取得不易。

(2). 原料之前處理成本高昂

為使製得具獨立封閉孔隙之高性能輕質粒料，其原料需處理成顆粒粒徑小於7微米(μm)的粉末。由於其使用酸性火山岩礦，故需耗費較大的成本及設備工藝，以將原料破碎與粉磨。

(3). 熱處理溫度高

由於主原料使用酸性火山岩礦，其特點為具有優良的耐火、耐熱性能，故需耗費較大的熱能 (熱處理溫度≧1200℃)，才能使其達熔融狀並適合膨脹，以製作高性能輕質粒料。另一方面，雖可透過添加助熔成分的摻料，以降低熱處理溫度，但成效仍有限，且摻料的添加亦導致成本的提高。

有鑑於現有高性能輕質粒料仍有製作成本高昂之問題，本創作之目的在於提供一種高性能淤泥資源化處理系統，其係可利用水庫淤泥製作內部遍佈獨立封閉孔隙的骨材，且具輕量化、高強化及低吸水化之高性能淤泥輕質粒料，以用於輕質粒料混凝土拌製用之粒料。

為達成以上的目的，本創作之高性能淤泥資源化處理系統的一實施例包括混拌單元、造粒單元以及燒製單元。混拌單元用以將淤泥及添加劑混拌而形成母料混合物。造粒單元設置於該混拌單元的下游端，用以接收來自該混拌單元的該母料混合物並造粒形成生料體。燒製單元係至少包含有雙筒旋轉窯、及監控裝置。雙筒旋轉窯是由烘乾預熱窯、及焙燒窯以插接方式串連而成，且該烘乾預熱窯、及該焙燒窯各自獨立設置溫度調節機構及轉速調節機構；該烘乾預熱窯的入料口設置於該造粒單元的下游端，用以接收來自該造粒單元的該生料體並進行第一階段燒製；該焙燒窯接收來自該烘乾預熱窯的生料粒並進行第二階段燒製，進而獲得輕質粒料；該監控裝置與該些溫度調節機構、及該些轉速調節機構電性連接，用以偵測並控制該烘乾預熱窯、及該焙燒窯中的溫度及轉速。

本創作可達成的具體功效包括：

１．本創作係將水庫淤泥、含碳化矽之添加劑等原料，依計量之比例混合，並加入水分製粒成乾基狀態之生料球，再經熱處理程序以迴轉窯燒成輕質粒料。由於本創作之較佳實施例係利用迴轉窯系統設備，以燒結固化之方式，將含水庫淤泥及添加劑之生料球，燒製作成內部遍佈獨立封閉小孔隙之骨材，因此燒製成之骨材係為具有輕量化、高強化及低吸水化特性之高性能淤輕質粒料。

２．本創作係利用水庫淤泥製作，且由於其處理的的溫度無須高於1200℃，因此製造成本可大幅減低，亦可有效去化廢棄之水庫淤泥，其再製得之輕質粒料亦具有相當高的經濟效益。

請參閱圖1及圖2，本創作提供一種高性能淤泥資源化處理系統，其主要包含有混拌單元1、壓濾單元2、烘乾單元3、造粒單元4及燒製單元5。

作為原料的淤泥在混拌單元1中被混拌成為均質化的粉體，在本實施例中，混拌單元1可以是雙軸攪拌機，淤泥可以是水庫淤泥，水庫淤泥係為可再利用之資源性廢棄物，全台灣水庫淤積超過4億7千萬立方公尺的淤泥，因此水庫淤泥具有量多且源源不絕的優勢，開發水庫淤泥製作高性能輕質粒料，可去化淤泥幫助水庫永續使用，對國家經濟、民生及環保具有廣大之效益，此外，水庫淤泥粒徑細緻，中值粒徑D ₅₀約3~5微米(μm)，免經顎碎及粉磨工藝，有利於高性能淤泥輕質粒料製作，最後將拌勻後之水庫淤泥置於其所屬之料倉內，以待之後的混合配料動作，藉由此均勻化處理以確保原料的均質性，以保證最後可產製出品質穩定及性能優良的輕質粒料。

混拌均勻後之淤泥與添加劑及水再進入混拌單元1中混拌以形成母料混合物，含碳化矽之添加劑係具有發泡效果，混拌單元1也可以是平翼渦輪型、圓板渦輪型、楔形翼型、或螺旋式中之任一種形式的攪拌設備。在本實施例中，水庫淤泥係佔混合物料中不含水部分的80~90wt%，添加劑係佔混合物料不含水部分中的10~20wt%，混拌後的混合物料呈泥漿狀。混拌配料之程序係可以輸送帶輸送至雙軸攪拌機中，並以輸送帶所附之電子秤計量水庫淤泥與添加劑，再經雙軸攪拌機予以加水混合至均質，接著進行造粒製程的前處理。

呈泥漿狀的母料混合物被輸送至一壓濾單元2，其設置於混拌單元1的下游端，用以接收來自混拌單元1的母料混合物，並對母料混合物進行壓濾以去除大部分的水分而形成壓濾後的母料混合物，將經混拌配料完成後所形成之混合物料壓濾水分至含水率低於35%，較佳的是，混合物料係以輸送帶運至壓濾機進行壓濾水分，壓濾機壓濾去除之水分係回收再利用，以落實重環保之清潔生產。

壓濾後的母料混合物被輸送至一烘乾單元3，其設置於壓濾單元2的下游端，用以接收來自壓濾單元2的壓濾後混合物，並對壓濾後混合物進行烘乾，而形成乾燥的母料混合物，乾燥的母料混合物被輸送至造粒單元4。

造粒單元4係設置於乾燥單元3的下游端，用以接收來自混拌單元1的母料混合物並造粒形成生料體，將烘乾後之混合物料破碎製成連續級配5~15毫米的碎塊狀生料球；較佳的是，係將混合物料以顎碎機破碎製粒，顎碎機產生之下腳料與粉塵皆回收再利用，例如下腳料與粉塵可輸送回混拌單元1與混拌均勻後之淤泥與添加劑及水進行混拌。生料體被輸送至一燒製單元5。

燒製單元5包括雙筒旋轉窯51以及監控裝置52，雙筒旋轉窯51包括烘乾預熱窯511及焙燒窯512以插接方式串連而成，烘乾預熱窯511及焙燒窯512各自獨立設置溫度調節機構及轉速調節機構，可分別控制烘乾預熱窯511及焙燒窯512的加熱溫度及窯體旋轉速度，例如烘乾預熱窯511的溫度範圍可以在60 ^oC至650 ^oC，加熱15~25分鐘或20~35分鐘，焙燒窯512的溫度範圍650 ^oC至1200 ^oC，加熱25~50分鐘。

烘乾預熱窯511的入料口設置於造粒單元4的下游端，用以接收來自造粒單元4的生料體並進行第一階段燒製，焙燒窯512接收來自烘乾預熱窯511的生料粒並進行第二階段燒製，進而獲得輕質粒料，即輕質粒料。最高窯內溫度為介於1100℃至1200℃間，可依不同產品需求而有所不同，並按事先設定之燒成曲線進行燒製，迴轉窯的尾氣排放須經空氣防治污染設備，予以脫硫集塵之處理，使其達到國家明訂之空氣污染防制標準，經脫硫集塵而得之回收粉塵亦可再利用於輕質粒料之製作。監控裝置52與溫度調節機構及轉速調節機構電性連接，用以偵測並控制烘乾預熱窯及焙燒窯中的溫度及轉速。

經燒製單元5燒製後的輕質料粒被輸送至冷卻單元6，在冷卻單元6將燒製得之輕質料粒予以冷卻退火；較佳的是，輕質料粒係利用冷卻機按事先設定之徐冷曲線予以冷卻退火。

冷卻後的輕質料粒被送至篩選單元7，依其單位重量及顆粒粒徑等，進行分類並存放之，即成為可出廠販售之成品。

以下將市售輕質粒料與利用本創作之較佳實施例所製備之高性能淤泥輕質粒料作一比較，觀察其吸水率、密度與強度等性質，如下表一所示。

由表一之結果可發現，本創作較佳實例所製備的高性能淤泥輕質粒料，其吸水率明顯較市售的傳統輕質粒料為低，而與市售的高性能輕質粒料接近，顯示本創作較佳實例確實可製作出低吸水率之高性能淤泥輕質粒料，可提高輕質混凝土的性能，且由於其係利用水庫淤泥製作，因此製造成本可大幅減低。

綜上所述，本新型之較佳實施例係除了可有效去化廢棄之水庫淤泥外，其再製得之輕質粒料亦可獲致豐厚的經濟效益，對國家之民生、建設及環保具十足的正面意義。惟，以上之實施說明、圖式及表式所示，係本新型較佳實施例之一者，並非以此侷限本新型，是以，舉凡與本新型之構造、裝置、特徵等近似、雷同者，均應屬本新型之創設目的及申請專利範圍之內。故申請人爰依例專利法第十九條之規定，向 鈞局提起新型專利之申請，並懇請早日賜准本案專利，至感德便。

1‧‧‧混拌單元 2‧‧‧壓濾單元 3‧‧‧烘乾單元 4‧‧‧造粒單元 5‧‧‧燒製單元 6‧‧‧冷卻單元 7‧‧‧篩選單元 51‧‧‧雙筒旋轉窯 52‧‧‧監控裝置 511‧‧‧烘乾預熱窯 512‧‧‧焙燒窯

圖1為本創作之高性能淤泥資源化處理系統的一實施例的系統方塊圖。

圖2為利用本創作之高性能淤泥資源化處理系統製作輕質粒料的流程圖。

Claims (10)

1. 一種高性能淤泥資源化處理系統，其係至少包含： 混拌單元，用以將淤泥及添加劑混拌而形成母料混合物； 造粒單元，其設置於該混拌單元的下游端，用以接收來自該混拌單元的該母料混合物並造粒形成生料體；以及 燒製單元，其係至少包含有雙筒旋轉窯、及監控裝置；其中 該雙筒旋轉窯是由烘乾預熱窯、及焙燒窯以插接方式串連而成，且該烘乾預熱窯、及該焙燒窯各自獨立設置溫度調節機構及轉速調節機構；該烘乾預熱窯的入料口設置於該造粒單元的下游端，用以接收來自該造粒單元的該生料體並進行第一階段燒製；該焙燒窯接收來自該烘乾預熱窯的生料粒並進行第二階段燒製，進而獲得輕質粒料； 該監控裝置與該些溫度調節機構、及該些轉速調節機構電性連接，用以偵測並控制該烘乾預熱窯、及該焙燒窯中的溫度及轉速。
2. 如請求項1所記載之高性能淤泥資源化處理系統，其更包括： 壓濾單元，其設置於該混拌單元的下游端，用以接收來自該混拌單元的該母料混合物，並對該母料混合物進行壓濾以去除大部分的水分而形成壓濾後的母料混合物；以及 烘乾單元，其設置於該壓濾單元的下游端，用以接收來自該壓濾單元的該壓濾後混合物，並對該壓濾後混合物進行烘乾，而形成乾燥的母料混合物，該乾燥的母料混合物被輸送至該造粒單元。
3. 如請求項2所記載之高性能淤泥資源化處理系統，其中該壓濾單元連接於該混拌單元，該壓濾單元壓濾出的水分被輸送至該混拌單元。
4. 如請求項1所記載之高性能淤泥資源化處理系統，其中該雙筒旋轉窯進一步設有角度調節機構，該角度調節機構與該監控裝置電性連接，用以調節該雙筒旋轉窯的傾斜角度。
5. 如請求項1所記載之高性能淤泥資源化處理系統，其中該烘乾預熱窯、及該焙燒窯分別設置有氣體調節機構，該些氣體調節機構與該監控裝置電性連接，用以偵測並調節該烘乾預熱窯、及該焙燒窯中之氣體組成比例。
6. 如請求項1所記載之高性能淤泥資源化處理系統，其中該造粒單元包含有顎碎機，該顎碎機接收該母料混合物並碎裂該母料混合物而形成粒徑為5-20毫米的粒材。
7. 如請求項1所記載之高性能淤泥資源化處理系統，其係進一步包含冷卻單元，該冷卻單元設置於該燒製單元的下游端，用以冷卻該輕質粒料。
8. 如請求項1所記載之高性能淤泥資源化處理系統，其中該添加劑包括碳化矽。
9. 如請求項1所記載之高性能淤泥資源化處理系統，其中該混拌單元為平翼渦輪型、圓板渦輪型、楔形翼型、或螺旋式中之任一種形式的攪拌設備。
10. 如請求項1所記載之高性能淤泥資源化處理系統，其中該監控裝置為微處理器、或電腦。