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系統識別號 U0026-1907202019293700
論文名稱(中文) 利用火法方式回收電弧爐集塵灰及廢棄菇類太空包
論文名稱(英文) Pyrometallurgical Recycling of Electric Arc Furnace Dust and Wasted Mushroom Package
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 材料科學及工程學系
系所名稱(英) Department of Materials Science and Engineering
學年度 108
學期 2
出版年 109
研究生(中文) 余浩鋆
研究生(英文) Hao-Yun Yu
學號 N56071019
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 98頁
口試委員 指導教授-陳引幹
口試委員-郭瑞昭
口試委員-劉世賢
口試委員-曾耀弘
中文關鍵字 循環經濟  碳熱還原反應  集塵灰  廢棄菇類太空包  菇類栽培介質  炭化處理  碳中和 
英文關鍵字 circular economy  carbothermic reaction  Electric arc furnace dust  Mushroom package  Mushroom Growing Medium  Carbonization process  carbon neutralize 
學科別分類
中文摘要   隨著環保意識提升,循環經濟的概念逐漸受到重視,各界皆致力於將產品的生產消費模式,趨近於循環經濟概念中封閉、可再生式的圓,以降低整體流程中廢棄物的產生以及對新資源的開採,並重新提高廢棄物的再利用價值,使人類社會既可以達到經濟發展的同時可以永續經營。

  台灣每年因電弧爐煉鋼廠約產生12萬公噸的集塵灰,其中含有大量氧化鋅及氧化鐵及其他重金屬及鹼金屬氧化物,若隨意棄置將會對環境造成危害。目前主流的回收方式是透過火法碳熱還原的方式回收集塵灰中的氧化鋅。回收過程使用焦炭中作為碳熱還原反應所需的碳源,在這個對環保意識日益高漲的時代,尋找替代的碳源有其必要性。此外,台灣國內每能因養菇產業約產生25萬公噸廢棄菇類太空包,其主流的處理方式是作為堆肥原料不僅再利用價值低且有處理時間過長且發出惡臭等的缺點,但若經過炭化處理處理將廢棄菇類太空包中的栽培介質轉換成生質炭,並取代焦炭作為還原集塵灰的碳源將可以同時處理兩種傳統上再利用價值低的廢棄物,符合循環經濟中降低廢棄物產生並提升廢棄物再利用價值的理念。

  為了評估使用廢棄菇類栽培介質及其炭化後的產物取代焦炭做為集塵灰還原劑的可行性,本研究分別將炭化前後的菇類栽培介質粉末與集塵灰配置成複合球團送至管形爐中進行碳熱還原反應,並透過對中斷樣品進行ICP分析、全鐵定量分析等分析手法獲得中斷樣品的脫鋅率、鐵的金屬化率以及每克球團粗氧化鋅產量等數值,並用這些數值做為評估可行性的標準。

  由脫鋅率以及鐵的金屬化率的結果來看,脫鋅反應主要反應溫度區間介於900oC-1200oC之間,而經過1300oC還原後所有複合球團皆能獲得高於98%的脫鋅率以及高於90%的鐵的金屬化率,但是未炭化與炭化後的菇類栽培介質球團因反應活性大於焦炭,可降低脫鋅反應的起始溫度,並能在較低溫度獲得較高的脫鋅率及鐵的金屬化率,而焦炭球團脫鋅率以及鐵的金屬化率的提升最為緩慢以至於在1000oC以及1100oC比未炭化的菇類栽培介質球團少了40%的脫鋅率及20%的鐵的金屬化率。

  由每克球團粗氧化鋅產量來看,未炭化的菇類栽培介質球團比焦炭球團低了36.1%,但經過300oC以及500oC炭化處理過後的菇類栽培介質由於固定碳含量從17.93%分別提升至300oC炭化處理的44.10%以及500oC炭化處理的58.98%,使得每克球團粗氧化鋅的產量分別提高了20.02%以及39.10%,炭化500oC菇類栽培介質球團只比焦炭球團分別少了10.90%。

  經由本研究利用菇類栽培介質還原集塵灰的碳熱還原劑具有良好的還原效率且經過炭化處理後能提升每克球團的產率具有更高的經濟效益,證實同時處理廢棄菇包與集塵灰兩種廢棄物的可行性,符合循環經濟中廢棄物高值化再利用的目的。此外,以生質物取代焦炭同時可達到降低二氧化碳排放的效果。

關鍵字:循環經濟;碳熱還原反應;集塵灰;廢棄菇類太空包;菇類栽培介質;炭化處理;碳中和
英文摘要 Circular economy brings more sustainable solutions where waste materials are reused to manufacture new products. mushroom package and Electric arc furnace dust (EAF dust) are considered agricultural waste and industrial waste. They must properly be treated properly to avoid polluting the environment .
Carbonization is a treatment for biomass which increases fixed carbon content, energy density, and decreasing volatile matter. In this research, the most important property is fixed carbon content because it’s the main factor during carbothermic reduction.
In this research, Mushroom Growing Medium (MGM) is used as the reductant to reduce the zinc oxide and iron oxide in the EAF dust. Two kinds of wastes may be dealt with by MGM/ EAF dust composite pellets carbothermic reduction method, which is under different molar ratio of Fix C/O and different carbonization temperature Mushroom Growing Medium as reductant. We use interrupted experiments to find out reduction process, and calculate iron metallization ratio and dezincification ratio to evaluate reduction result.
The results show that using the carbonization or uncarbonizationed Mushroom Growing Medium as reductant for composite pellets during carbothermic reduction we arewould obtaining fine reduction result, and use of carbonization Mushroom Growing Medium as reductant can reduce more zinc oxide than uncarbonizationed Mushroom Growing Medium. Basically, use Mushroom Growing Medium as reductant for composite pellets can get better reduction result below 1200oC, and lower productivity than coke/EAF dust pellets.
Key-words: circular economy, carbothermic reaction, Electric arc furnace dust, Mushroom package, Mushroom Growing Medium, Carbonization process, carbon neutralize.

論文目次 摘要 I
誌謝 VII
目錄 IX
圖目錄 XII
表目錄 XV
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的 3
第二章 文獻回顧 4
2.1 循環經濟 4
2.2 集塵灰的處理方式 5
2.3 廢棄菇類太空包處理法 7
2.4 生質炭性質及炭化處理對生質炭性質及碳熱還原結果的影響 8
2.5 集塵灰碳熱還原反應機制 11
第三章 實驗方法與步驟 22
3.1 原料 22
3.1.1 集塵灰 22
3.1.2 還原劑 22
3.1.3 黏著劑 23
3.2 實驗設備 23
3.2.1 原料前處理 23
3.2.2 生質物炭化爐 23
3.2.3 配料成形設備 24
3.2.4 高溫管形爐、冰水機、移動式進料設備 24
3.2.5 自動滴定機 25
3.3 實驗分析方法 28
3.3.1 近似分析 29
3.3.2 化學分析 30
3.3.3 BET分析 32
3.3.4 SEM-EDS分析 32
3.3.5 XRD分析 33
3.3.6 雷射粒徑分析 34
3.4 實驗步驟 35
3.4.1 配料與球團成型 35
3.4.2 高溫碳熱還原實驗、樣品保存 36
3.4.3 分析樣品前處理 36
3.4.4 高解析感應耦合電漿質譜樣品配置以及脫鋅率計算 37
3.4.5 金屬鐵滴定法、全鐵滴定法以及鐵的金屬化率計算 39
第四章 結果與討論 43
4.1 廢棄菇類栽培介質的性質與炭化處理對菇類栽培介質性質的影響 43
4.1.1 原料近似分析結果 43
4.1.2 原料微結構分析 43
4.1.3 原料比表面積、平均孔徑及總孔體積分析 45
4.1.4 原料粒徑分析 46
4.2 廢棄菇類栽培介質做為集塵灰還原劑對還原結果的影響 47
4.2.1 溫度對還原結果的影響 47
4.2.1.1 溫度對中斷樣品抗壓強度的影響 47
4.2.1.2 溫度對中斷樣品總孔體積以及平均孔徑的影響 48
4.2.1.3 溫度對中斷樣品微觀結構的影響 49
4.2.1.4 溫度對中斷樣品相組成的影響 53
4.2.1.5 溫度對中斷樣品脫鋅率及鐵的金屬化率的影響 54
4.2.2 菇類栽培介質對還原結果的影響 56
4.2.2.1 菇類栽培介質對中斷樣品抗壓強度的影響 56
4.2.2.2 菇類栽培介質對中斷樣品總孔體積以及平均孔徑的影響 57
4.2.2.3 菇類栽培介質對中斷樣品微觀結構的影響 59
4.2.2.4 菇類栽培介質對中斷樣品相組成的影響 61
4.2.2.5 菇類栽培介質對中斷樣品脫鋅率的影響 62
4.2.2.6 菇類栽培介質對中斷樣品鐵的金屬化率的影響 64
4.2.3 不同炭化溫度對菇類栽培介質還原結果的影響 65
4.2.3.1 不同炭化溫度菇類栽培介質對中斷樣品抗壓強度的影響 65
4.2.3.2 不同炭化溫度菇類栽培介質對中斷樣品總孔體積以及平均孔徑的影響 66
4.2.3.3 不同炭化溫度菇類栽培介質對中斷樣品微觀結構的影響 68
4.2.3.4 不同炭化溫度菇類栽培介質對中斷樣品相組成的影響 73
4.2.3.5 不同炭化溫度菇類栽培介質對中斷樣品脫鋅率的影響 75
4.2.3.6 不同炭化溫度菇類栽培介質對中斷樣品鐵的金屬化率的影響 76
4.2.4 不同固定碳氧比球團對菇類栽培介質還原結果的影響 77
4.2.4.1 不同固定碳氧比球團菇類栽培介質對中斷樣品脫鋅率的影響 77
4.2.4.2 不同固定碳氧比球團菇類栽培介質對中斷樣品鐵的金屬化率的影響 80
4.3 廢棄菇類栽培介質做為集塵灰還原劑對粗氧化鋅產量及二氧化碳減量的影響 82
4.3.1 菇類栽培介質對粗氧化鋅回收量的影響 82
4.3.2 不同炭化溫度菇類栽培介質對粗氧化鋅回收量的影響 83
4.3.3 不同固定碳氧比對菇類栽培介質的粗氧化鋅回收量影響 84
4.3.4 菇類栽培介質做為集塵灰還原劑的物質流計算及對含碳氣氛排放的影響 85
第五章 結論 88
參考資料 91
附錄 94

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