TW202134202A - 利用節能減氮型陶粒迴轉窯生產高強結構用輕質骨材的方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種生產高強結構用輕質骨材(陶粒)的方法，係以水庫淤泥、頁岩、黏土等天然原料，透過原料的乾燥、雜質篩除、破碎、粉磨、攪拌、造粒、滾圓等處理後、利用低氮節能的陶粒旋轉窯高溫焙燒和冷卻機處理後，製成高強度的結構用輕質粒料(陶粒)。於此生產過程中，透過節能乾燥程序，可將水庫淤泥等天然黏土質原料先以快速環保方式進行乾燥；透過多通道燃燒器進行高溫焙燒，可選擇煤炭、汽油或柴油為燃料，透過不同風道風速和風壓強弱調整燃燒的火焰形狀、長短、空氣比，達到節能減氮的效果。利用此方法生產的高強陶粒，可拌製高強結構輕質骨材混凝土，應用於大垮度橋樑工程及高層房屋建築等營建工程。

Description

利用節能減氮型陶粒迴轉窯生產高強結構用輕質骨材的方法

為解決水庫淤積造成的水資源匱乏問題，並透過循環經濟概念將水庫淤泥再資源化且納入循環經濟一環，故本發明係使用石門水庫淤泥等天然黏土為原料，經乾燥程序、雜質篩除程序、原物料攪拌程序、造粒機造粒程序、陶粒窯的預熱和高溫焙燒程序及冷卻機的冷卻程序，透過上述各工段程序的參數調整，所製造而得的高強陶粒輕質骨材。

輕質骨材係指細粒料最大乾鬆單位重量低於1,120kg/m³、粗粒料最大乾鬆單位重量低於880kg/m³、混合粒料最大乾鬆單位重量低於1,040kg/m³的多孔顆粒狀之無機材料。輕質骨材若依據原料來源又可以區分為天然輕骨材(如浮石、火山碴、矽藻土...等)、人造輕骨材(如玻璃浮石、陶粒...等)與工業廢棄物輕骨材(如爐碴...等)。而陶粒輕質骨材，屬於人造輕骨材中的一種，是利用天然的黏土、頁岩、板岩等矽酸鹽物質作為主要原料，歷經1,100~1,200℃高溫焙燒而製成的陶質粒狀物。陶粒又可依據其原料之不同而分為頁岩陶粒、黏土陶粒、淤泥陶粒、污泥陶粒...等。依據人工焙燒後膨脹程度之不同又可分為燒結型陶粒與膨脹型陶粒。

人造輕質骨材最早在1917年美國磚窯業者Stephen J. Hayde，透過利用膨脹黏土在高溫下成功的製成人造輕骨材，並將此產品命名為”海德石。二次世界大戰後，為因應戰後重建所需混凝土構造物，世界各國之陶粒輕質骨材業迅速蓬勃發展，北美地區於1955年時達到55家輕質骨材廠。歐洲地區則最早在1954年的倫敦用黏土燒製輕質骨材並應用於橋樑結構上。亞洲地區的日本早在1950年代即以火山渣作為輕質骨材應用於戰後的重建工作，並於1964年開始以膨脹頁岩、黏土及板岩作為原料進行生產陶粒輕質骨材。國內學術界之研究，雖早在民國60年代初，即有成功大學土木系利用實驗室旋轉窯試燒膨脹性頁岩，民國60年代中期，工研院礦研所亦開始對臺灣西部地區的頁岩進行初步膨脹試驗，但因後來國內河川砂石價格便宜，開發輕質骨材並不符合經濟效益，研究並無進一步發展。

陶粒輕質骨材的生成機制理論包含物理性的、化學性的、礦物學性的。物理性的生成機制，係指黏土質物料在高溫焙燒的過程中由固態慢慢熔融成液態，隨著焙燒時間變長，部分液態物質轉變為氣態並逐漸增加內部壓力，與此同時在陶粒表面之熔融態必需產生足夠黏度，以阻礙內部氣體往外溢散。當兩必要因子同時發生時，又得以適時地進行冷卻，即形成表面緻密光滑，內部具有無數氣孔之陶粒輕質骨材。化學性的生成機制，係指原物料的化學組成中需包含特定比例的二氧化矽、三氧化二鋁和鹼土金屬及鹼金屬助熔物，方能滿足化學性生成機制條件。而原物料的礦物相則決定於在高溫焙燒過程中，其礦物相轉變所產生新的結晶構造，而這些新結晶構造的排列方式決定了陶粒輕質骨材的生成品質與功能性。

本發明之主要目的，在於提供一種新的陶粒輕質骨材生產方 式，使陶粒生產過程中透過餘熱回收和多通道燃燒器的控制，達到節能減氮之效果和改善優化陶粒的物理特性使之可更多元應用於不同領域上。

因此為達本發明之目的，本發明提供一種石門水庫淤泥等天然黏土為原料生產高強陶粒的方法，包括如下：

原料處理系統的乾燥粉磨與陳化：水庫淤泥等天然黏土，因常伴隨水份和雜質，因此原料進廠後，需先脫水乾燥和去除雜質，去除雜質後的原料土壤透過陳化使之達勻質性。陶粒生雛粒製粒系統：生產時透過攪拌機給水拌合至黏土塑性，再透過對滾擠壓造粒機擠壓製粒出直徑約10~12mm的生雛粒。陶粒窯焙燒系統：預熱窯將生雛料水分及礦物中的結晶水去除後，再經過燒成窯，以1,000~1,200℃高溫焙燒，將生雛粒燒脹成陶粒成品。

此外為達節能減氮之目的，陶粒窯焙燒系統必須與其特殊設計之子系統串聯，包括高速雷蒙磨與多通道燃燒器構成的燃燒系統：透過高速雷蒙磨將煤炭等固態燃料粉磨至0.09mm篩餘<10~15%的粒度，使固態燃料於燃燒時可完全燃燒，降低燃料之浪費和增加熱能利用效率。而與之串聯構成的多通道燃燒器除固態燃料之使用外，亦可利用柴油等液態燃料，透過液態燃料的完全燃燒達到環保節能外，透過多通道燃燒器的外風、內風和中心風的控制，可增加陶粒焙燒過程的操作性，藉由陶粒生產的參數彈性調整及高溫礦化性質轉變之操作，來改變陶粒物理性質始之可更多元利用於不同領域。冷煙室與布袋除塵器構成的廢氣處理系統中，冷煙室的設置可透過物理阻避、延時沉降原理大幅降低後端廢氣處理系統之使用負擔來延長其使用壽命。熱煙室與旋轉冷卻機構成的粒料冷卻系統中，熱 煙室利用陶粒冷卻時產生的餘熱透過熱對流及窯頭負壓原理，可將餘熱收集並再利用於陶粒窯內作為二次風，達到降低燃料使用之目的。

藉由上述系統將石門水庫淤泥等黏土礦物所生產陶粒確實具有下列優點：

1.透過雷蒙磨的粉磨，可增加燃料的燃燒使用效率；透過多通道燃燒器之使用，使燃料之選擇有更大彈性，有利於未來新型環保燃料創新使用。而熱煙室之設計亦可透過餘熱回收來降低燃料使用，達到節能生產之環保目的。

2.透過冷煙室的設置，透過物理阻避、延時沉降原理大幅降低後端廢氣處理系統之使用負擔，達到降廢環保之清潔生產之精神。

3.透過多通道燃燒器的超低一次風用量(大約10%)，以及風壓調節設計，可有效調控陶粒焙燒過程中黏土熱礦化情況，來改善陶粒生成之孔隙結構等物理性質，進而提高陶粒的強度等物理性質。

4.透過上述系統所生產之陶粒不僅符合綠建材之理念與相關規定，更可提高其原料端及產品端的附加價值。

S1.1:原料乾燥

S1.2:除石破碎

S1.3:雜質篩除

S1.4:原料陳化

S2.1:給水攪拌

S2.2:生雛粒造粒

S3.1:陶粒窯焙燒

S3.2:高轉速雷蒙磨與多通道燃燒器

S3.3:熱煙室與單筒冷卻機

S3.4:冷煙室與布袋除塵器

圖1為本發明之石門水庫淤泥等黏土原料來生產高強陶粒輕質骨材方法的步驟流程圖。

本發明包括但不限於下開之說明，合先敘明，實施方式如下範例所示：

原料烘乾系統(S1.1)：水庫淤泥等天然黏土，因常伴隨水份和雜質，因此原料進廠後，需先脫水乾燥和去除雜質。而本發明之原物料脫水乾燥處理採旋轉乾燥機進行處理。而旋轉乾燥機之熱源於乾、濕、暑、寒季時有所不同。乾季時以鼓風機抽取產線上之餘熱進入旋轉乾燥機內，進行原料之乾燥。於雨季時，則透過旋轉乾燥機之出口處附設熱風爐及窯尾的抽氣設備，以明火方式進行乾燥。

乾燥後的原料因無多餘的水份(<10%)沾黏，故原料以移動式鏟裝機裝卸至供料斗後，透過皮帶機串聯至四輥除石破碎機進行除石破碎程序(S1.2)，將原料中>50mm的石塊以篩柵分離，分離的原料與雜質則透過輾壓機將土糰、小碎石輾壓成<10mm的小碎石與泥團。再以與其透過皮帶機串聯之水平攪拌機，將小泥糰打散，最後再透過皮帶機串聯之傾斜式滾筒篩分機將<10mm小碎石、小雜質篩除(S1.3)。篩除後的原料土則以皮帶機串聯至陳化場陳化(S1.4)，最後的陳化程序是為使原料土壤達到物化性質的勻質性。

原料生雛粒製粒系統：原物料經陳化後，先以移動式鏟裝機裝卸至供料斗，再透過皮帶機串聯至雙軸混煉攪拌機進行攪拌，與此同時，於雙軸混煉攪拌機上方，設置霧式給水機，於原物料表面施水攪拌至原物料達塑性狀態(S2.1)，再透過皮帶機串聯至對滾擠壓造粒機，透過黏土的擠壓、刮刀的刮除、滾筒的滾圓程序，製造成生雛粒(S2.2)。製粒出的生雛粒 有時因會夾雜小碎泥或鬆散的泥糰，故製粒後的生雛粒會再透過皮帶機串聯至滾筒篩，將鬆散的泥糰打散並與小碎泥糰一併篩除，而生雛粒亦透過此過程進行整圓，最後再透過皮帶機串聯至陶粒窯焙燒系統。

陶粒窯焙燒系統(S3.1~S3.4)：陶粒窯之設計採用雙筒迴轉窯進行串聯銜接(S3.1)，與其構成之必要附屬系統包括：高速雷蒙磨粉與多通道燃燒器構成的燃燒系統(S3.2)；熱煙室與旋轉冷卻機構成的粒料冷卻系統(S3.3)；冷煙室與布袋除塵器構成的廢氣處理系統(S3.4)，分別敘明如下：

高速雷蒙磨與多通道燃燒器構成的燃燒系統(S3.2)：多通道燃燒器的燃料來源包括了煤炭等固態燃料及柴油等液態燃料，其中煤炭等固態燃料的使用，必須先透過雷蒙磨將煤炭粉磨至0.09mm篩餘<10~15%的粒度，再透過螺旋氣力輸送泵將粉磨後的固態燃料輸送至多通道燃燒器。多通道燃燒器有別於傳統陶粒窯使用的單通道燃燒器，其一次風用量低(約10%)，可透過氣力閥調控燃燒器的中心風、內風、外風，藉由風壓調控火焰的幾何形狀，藉此調控陶粒窯的不同溫段範圍。

熱煙室與單筒冷卻機構成的粒料冷卻系統(S3.3)：陶粒經高溫焙燒後，需由窯頭下方熱煙室與單筒冷卻機之串聯通道落入單筒冷卻機內進行冷卻。其中熱煙室之設置係透過熱對流方式收集單筒冷卻機的餘熱，熱煙室收集而得之餘熱廢氣，透過串聯陶粒窯內之負壓環境將餘熱提供給陶粒旋轉窯達降低燃料使用之目的。

冷煙室與布袋除塵器構成的廢氣處理系統(S3.4)：冷煙室與布袋除塵器為陶粒窯的廢氣處理程序，燃燒後的廢氣透過陶粒窯的窯尾風機抽氣，將高溫的生產粉塵與廢氣先抽入冷煙室，透過物理格柵造成風阻 降低風速方式，將大的粉塵懸浮微粒以沉降法，將粉塵初步沉降至冷煙室下方收集器，與此過程中亦透過滯留時間與距離降低廢氣餘熱。冷煙室出口則銜接布袋除塵器，透過布袋除塵器以負壓吸附和震動拍落蒐集法，二次蒐集廢氣中的懸浮微粒，經布袋除塵器處理後的廢氣，最後再串聯至水洗塔將廢氣中的SO_x和NO_x酸鹼中和處理後，再透過煙囪排放廢氣。

陶粒生雛粒透過上述陶粒窯之預熱段將生雛料水分及礦物中的結晶水去除後，再經過焙燒段以1,000~1,200℃高溫焙燒，將陶粒生雛粒焙燒成陶粒產品(S3.1~S3.4)。生產而得的陶粒可由焙燒時的預熱及焙燒時的溫度高低、預熱及焙燒時的溫度升溫範圍長短、預熱及焙燒時的滯留時間來調控陶粒之表層與內部孔隙結構大小、結構形狀、黏土原料的熱礦化轉變狀況(礦物結晶排列轉變)來調整生產各領域應用所需之陶粒輕質骨材物理性質。

根據本專利方法製成的高強結構用陶粒輕質骨材的堆積密度介於600~900Kg/m³、顆粒密度介於1.2~1.5g/cm³、總孔隙率介於10~40%、筒壓強度大於12MPa、飽和吸水率介於5~30%。不僅符合綠建材之理念與相關規定，更可提高其原料端與產品端的附加價值。

藉由上述步驟，本發明之實施方式確實能達到所預期之功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，以上僅以實例說明本發明之構成樣態與技術，然並非用以對本發明加以限制本發明欲保護之範疇，基於本實施方式之修飾或變更而完成之創作，亦視為包括於本創作所申請之專利保護範疇內。

Claims (10)

1. 一種節能減氮型陶粒迴轉窯生產高強結構用輕質骨材的方法，包括下列步驟及系統之集合：

   原料處理系統(S1.1~S1.4)：原物料進廠後經乾燥、破碎粉磨、雜質篩除、陳化堆放至原料達到物化性質的勻質性；陶粒生雛粒製粒系統(S2.1~S2.2)：原料經雙軸混煉攪拌機給水均勻攪拌使原料達到塑性後，再以對滾擠壓造粒機進行生雛粒料的造粒並以滾筒篩分機去除多餘的碎泥糰和將生雛粒進行整圓；陶粒窯焙燒陶粒(S3.1~S3.4)：陶粒窯焙燒系統除陶粒窯本身系統外，需搭配高轉速雷蒙磨與多通道燃燒器構成的燃燒系統、熱煙室與單筒冷卻機系統及冷煙室與布袋除塵器三個子系統方可運作，而陶粒經陶粒窯集合系統的預熱窯將生雛料水分及礦物中的結晶水去除後，再經過焙燒窯之高溫焙燒與冷卻將生雛粒焙燒製成陶粒成品。
2. 如請求項1所述之陶粒窯焙燒系統及其子系統的集合與串聯方式(S3.1)：陶粒窯採用雙筒迴轉窯進行串聯，窯頭為焙燒窯主要進行陶粒高溫燒成之工序，焙燒窯銜接多通道燃燒器與雷蒙磨所構成的燃燒系統(S3.2)，熱源由焙燒窯以明火形式進入，窯頭下方出料口則串聯熱煙室與單筒冷卻機系統，焙燒好的高溫陶粒由窯頭下方落入熱煙室與單筒冷卻機(S3.3)，熱煙室所收集的陶粒冷卻餘熱可透過窯頭負壓進入焙燒窯。預熱窯則與冷煙室與布袋除塵器進行串聯(S3.4)，生產的廢氣經冷煙室與布袋除塵器的物理沉降收集法降低廢氣中的懸浮微粒後，再經水洗塔將廢氣中的SO_x和NO_x酸鹼中和處理，最終透過煙囪排放廢氣。
3. 如請求項1所述之原料處理系統的乾燥程序(S1.1)：原物料進 廠後需經過旋轉乾燥機之乾燥，而乾燥機的熱源於乾季時以鼓風機抽取產線上之餘廢熱進乾燥窯內進行乾燥，於雨季時，則透過旋轉乾燥機之窯頭所附設熱風爐設備及窯尾的抽氣設備，以明火方式進行乾燥。
4. 如請求項1所述之原料處理系統的除石破碎程序(S1.2)：乾燥後的原料則先以四軸除石破碎機進行除石破碎程序，將原料中>50mm的大石塊以篩柵分離，分離的原料與雜質則透過輾壓機將土糰、小碎石輾壓成<10mm的小碎石與泥團，再透過水平攪拌機，將小泥糰打散。
5. 如請求項1所述之原料處理系統的雜質篩除程序(S1.3)：原物料經除石破碎與泥團經水平攪拌機打散後，再透過傾斜式滾筒篩分機將<10mm小碎石、小雜質篩除。
6. 如請求項1所述之原料處理系統的陳化程序(S1.4)：原物料經乾燥、破碎及雜質篩除後，最後再以陳化程序使原料土壤達到物化性質的勻質性。
7. 如請求項1所述之陶粒生雛粒製粒系統的給水攪拌程序(S2.1)：陳化後的原料，先以移動式鏟裝機裝卸至供料斗，再透過皮帶機串聯至雙軸混煉攪拌機進行攪拌，攪拌機設有特定傾斜角度，且於攪拌上方設有灑水裝置，用以調整原料達土壤塑性，。
8. 如請求項1所述之陶粒生雛粒製粒系統的生雛粒造粒程序(S2.2)：其中生雛粒造粒步驟，係將原料以對滾擠壓造粒機，透過黏土的擠壓、刮刀的刮除、滾筒的滾圓程序，製粒出陶粒的生雛粒。製粒出的生雛粒有時因會夾雜小碎泥或鬆散的泥糰，故製粒後的生雛粒會再透過皮帶機串聯至滾筒篩，將鬆散的泥糰打散並與小碎泥糰一併篩除，而生雛粒亦透 過此過程進行整圓，最後再透過皮帶機串聯至陶粒窯焙燒系統。
9. 如請求項1所述之陶粒窯焙燒系統的高溫焙燒程序(S3.1)。製粒後的生粒料進入預熱窯與焙燒窯後，透過預熱窯與焙燒窯的轉速來控制物料預熱與焙燒的停留時間(30~80min)，藉由調控多通道燃燒器的火焰溫度、火焰形狀來調控陶粒焙燒時的火侯(1,000~1,200℃)，最後再藉由調控陶粒冷卻機的轉速來控制陶粒冷卻速率，藉由預熱、焙燒、冷卻對黏土造成的礦化狀況不同，以焙燒成結構用的高強陶粒產品。
10. 如申請專利範圍前9項所述，所記載之原物料、原料處理方法、各工段製程的獨立技術與串、並聯形式，均屬本發明專利之請求保護範疇。

Images