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技師報於85年11月18日土木日創刊
新聞局出版事業登記證局版省報字第48號


中華民國一○七年四月二十一日

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文字記者:許素梅

燃煤發電與飛灰混凝土之探討

陳純森  技師

前言

台灣電力公司為了供電穩定,擬於深澳電廠重啟燃煤發電,社會一片譁然,雙北市政府公開聲明反對,新北市政府更揚言不發給燃煤許可,深怕北台灣之空氣受到嚴重污染。行政院賴院長為了支持台電之發電計畫,引用台電之宣傳術語,聲明台電所燃燒之煤炭為「乾淨之煤炭」,再次炒熱燃煤發電之話題。其實燃煤後之飛灰與土建工程之混凝土建材有密切關係,筆者就個人所知,略為批露。

眾所皆知,混凝土的主要配比材料為水、水泥與粒料。水泥與水混合後會有水化現象(hydration),成為膠結性之水泥漿(cement paste),或稱為水泥糊體,用以黏結粒料。採用級配良好之粒料時,會節省水泥漿之用量,較為經濟。由於水泥的製造成本較高,且石灰岩的開採受到限制與保護,遂逐漸有採用替代物之趨勢,最常用之水泥替代物,有鐵爐渣(blast furnace slag)與飛灰(fly ash)。

煤炭的介紹

全世界之煤炭(coal),以中國大陸之產量最多,約佔全世界之半數,其次為美國。據維基報導,2015年各國之煤炭產量如表1。

表1 各國煤炭產量

國家 煤炭產量(百萬噸) 百分比(%)
中國 3,747 47.7
美國 813 10.3
印度 678 8.6
歐盟 539 6.9
澳大利亞 503 6.4
其他 1,581 20.1
合計 7,861 100

煤有許多的種類,各國對煤之定義不完全相同,表2為德國之分類法,其中褐煤(lignite)為熱能含量最低之煤炭,而無煙煤(anthracite)則為熱能含量最高之煤炭。而美國之煤炭分類,則由地質探測單位(US Geological Survey)統籌分級,如圖1。國內對煤炭之稱謂大多沿用美國標準,依其含碳量與熱能可分為下述四種:

 1.褐煤(lignite):單位熱能最低,在8,300btu以下,發電效益較差。

 2.次煙煤(sub-bituminous):單位熱能約在8,300~12,000btu之間,發電效益中等。

 3.煙煤(bituminous):單位熱能最高,約在12,000~16,000btu之間,為發電效益最好之原料。一貫作業煉鋼廠所用之焦碳(coke)也是取自一種低灰低硫之煙煤(coking coal)。

 4.無煙煤(anthracite):單位熱能與煙煤相當,惟無煙煤之含碳量偏高,如果用以燃燒發電,會產出大量之二氧化碳(CO2),不利於環境保護,故不適合燃燒發電。

除了上述四種與飛灰較有關係之煤炭外,尚有無法點燃卻可作為鉛筆用之石墨(graphite),火車動力之蒸氣鍋爐用煤(steam coal),一般焰光照亮用之燭煤(cannel coal)、及地質改良之水保用泥煤(peat)等。

台電公司之火力發電廠,係採用煙煤與次煙煤,為主要發電燃料,煙煤之熱值高,次煙煤之灰分低,兩者配合使用,並未使用褐煤或泥煤,台電稱之為「乾淨之煤碳」

表2 德國煤炭分類【1】

German English Volatiles% C% H% O% S% Heat content
Classification Designation kJ/kg
Braunkohle Lignite 45-65 60-75 6.5-5.8 34-17 0.5-3 <28,470
Flammkohle Flame coal 40-45 75-82 6.0-5.8 >9.8 ~1 <32,870
Gasflammkohle Gas flame coal 35-40 82-85 5.8-5.6 9.8-7.3 ~1 <33,910
Gaskohle Gas coal 28-35 85-88 5.6-5.0 7.3-4.5 ~1 <34,960
Fettkohle Fat coal 19-28 88-90 5.0-4.5 4.5-3.2 ~1 <35,380
Esskohle Forge coal 14-19 90-91 4.5-4.0 3.2-2.8 ~1 <35,380
Magerkohle Nonbaking coal 10月14日 91-92 4.0-3.8 2.8-3.5 ~1 <35,380
Anthrazit Anthracite 7月12日 >92 <3.75 <2.5 ~1 <35,300

 

   
圖1 美國煤炭等級之分類【1】    

飛灰的介紹

飛灰(fly ash)係燃煤發電後的廢棄物,為球狀之微細粉末,直徑約0.5μm~300μm。因為常用以替代水泥作為膠結材料,已被視為可再利用之資源。國內之飛灰來源有台電的台中港發電廠、大林浦發電廠、興達港發電廠及台塑企業麥寮六輕發電廠等等,都是燃燒煤炭作為發電之方法,飛灰之產出過程參見圖2。先將煤炭碎化成細小之顆粒或粉狀,堆置於煤倉(silo)內,見照片1,再送進鍋爐(boiler)燃燒。燃燒後之粉狀灰燼隨著熱氣流飛飄,故名「飛灰」,其量體約佔70~90%,最後用靜電集塵器(electrostatic precipitator),收集至集灰槽。鍋爐內之少部分熔滓或未完全燃燒之粒狀煤料掉落在爐底,稱為底灰(bottom ash),日本飛灰協會(Japan fly ash association)稱底灰為為滓灰(clinker ash),約佔10~20%。燃燒後之CO2等廢氣則由煙囪排放。

 
照片1 煤倉內之煤炭顆粒與煤炭粉   2 飛灰之產出過程

飛灰之成分與種類

用不同煤炭所燒成之飛灰,其成分亦有所不同,CNS 3036-98將飛灰定位為膠結混合物,主要之用途為填補孔隙。飛灰之所以能成為卜作嵐材料,乃因其成分含有矽氧材料 (SiO2)與鋁氧材料 (Al2O3),在常溫下,SiO2Al2O3會與氫氧化鈣Ca(OH)2起化學反應,而形成具有膠結性質之化合物。飛灰之種類有三:

1.N類:天然火山灰之煅燒卜作嵐材料

2.F類:燃燒無煙煤或煙煤所產生之飛灰,具有卜作嵐特性。

3.C類:燃燒次煙煤或褐煤所產生之飛灰,除具有卜作嵐特性外,亦具有若干膠結性。」

由上述CNS之說明,顯見C類之膠結性較F類為佳。由於Ca(OH)2是氧化鈣(CaO)與水(H2O)之化合物,如果混凝土中之CaO含量較少時,無法產生適量之Ca(OH)2,則混凝土之膠結性必定較差,連帶影響混凝土之抗拉或其他性能。固然CNS 規定飛灰之化學成分(見表3),並無氧化鈣(CaO)成分之要求,惟CNS 特別註明:表內之化學成分無法預測混凝土中飛灰與水泥反應之性能。換言之,使用人必須自行驗證飛灰之品質,以及混凝土中是否有足夠之CaO含量,方能得到優質膠結性能之混凝土。

3 CNS 3036飛灰之化學成分【2】

試驗項目 N類 F類 C類
SiO2+Al2O3+Fe2O3,%(最小值) 70 70 50
SO3,%(最大值) 4 5 5
含水量,%(最大值) 3 3 3
燒失量,%(最大值) 10 6 6

飛灰之用量管制

有關飛灰之物理性質,CNS 3036第五點規定:「任何特定工程中,飛灰等之摻合物最高使用量,應由混凝土所需特性,經由配比試驗後決定。」顯見飛灰之填加量,無法以行政命令訂出一個共通標準而一體適用,以免誤導廠商大量採用,而必須個案認定。工程會之施工綱要規範03050V100,則規定「飛灰做為膠結材料時,應符合CNS 3036F類規定,使用時應經工程司事先核可。如礦物摻料僅使用飛灰時,飛灰用量不得超過總膠結材料重量之[25%]。工程會之標準顯然僅允許使用F類之飛灰,而排除C類飛灰之使用。惟根據文獻顯示,F類之CaO含量經常遠少於C類,表4為某研究計畫引用發電廠之研究報告之數據,表中F類之CaO含量與C類相去甚遠。美國材料試驗協會,於去年底最新頒布之飛灰標準ASTM C618-2017a,所檢附之F類飛灰品質證明樣本,其CaO含量亦僅有6%,參見表5。填加過量之F類飛灰,是否能發揮混凝土必要之膠結性,使用者不可不慎。

表4 不同煤礦所燃燒之飛灰成分

化學成分 C類飛灰 F類飛灰
褐煤灰 次煙煤灰 煙煤灰
SiO2 45 39 49
Al2O3 18 19 24
Fe2O3 6 5 15
CaO 18 24 1
SO3 2 2 1
MgO 4 4 1

 

表5 ASTM C618-2017a-F類飛灰品質證明樣本【3】

 

混凝土摻用飛灰之其他課題

混凝土填加飛灰,尚有下列課題必須考量或評估:

 1.飛灰成分之煤焦油是否完全燃燒必須確實檢驗,如果底灰或飛灰並未完全燃燒而殘留煤焦油時,油性之飛灰無法與水性之混凝土相容,容易造成分離裂縫。

 2.飛灰係一種緩凝劑,凝固之時間較長,混凝土之拆模時間亦必須延長,不能照傳統之一般規定。目前混凝土澆注後一周內,若發生4級以上之地震時,依規定必須鑑定其品質。若添加飛灰之混凝土,澆注後若發生四級以上地震而需要鑑定品質者,其期間恐怕不只七天,因為飛灰之凝固較慢。

 3.飛灰成分的Fe2O3亦應有所限制。於混凝土中如有過量之Fe2O3會滲出銹斑痘點,俗稱痘痘屋。此種現象可能用到含有鐵質之粒料、水泥或飛灰。

 4.飛灰成分中常有Na2OK2O等之含量,如果不加以控制,容易產生鹼骨材(Alkalis)反應,施工時會造成膨脹裂縫。

 5.由於膠結性稍差之混凝土對抗壓強度沒什影響,而一般實務均僅試驗混凝土之抗壓強度,所以都認為F類飛灰可以使用。如果只探討抗壓強度,則飛灰混凝土用於地下工程,如基樁、連續壁、消波塊、蛇籠、重力式擋土牆、水壩、護欄、緣石等基礎與土木工程應是合宜的。至於有撓曲行為之建築地上結構或因乾縮受拉、冷縮受拉、防漏敏感之小規模斷面,或巨積平面之板、牆構造,則應該確實檢討混凝土之膠結性或抗拉特性,並作必要之節制。飛灰之填加量恐無法一體適用。

 6.燃煤發電是將既有煤碳之熱能轉換為電能,並非創新能源的做法。煤炭之主要成分為碳(carbon),燃燒煤炭是將碳劇烈氧化,即C+O2=CO2,既消耗能源又製造空污,為了保護環境,世界潮流都在努力逐漸減量,積極走向綠能發展。

結語

總之,化腐朽為神奇,將廢棄物當資源再利用,確實為業界所應共同努力之目標,但必要之專業技術與配套措施卻不可不顧。 

參考文獻

1.維基官網資料

2.CNS 3036 A2040,民國98年10月21日

3.ASTM C618-17aJanuary 2018

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