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

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】

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		圖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，SiO₂與Al₂O₃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。

表3 CNS 3036飛灰之化學成分^【2】

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。而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 3036之F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

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Fe₂O_3，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Na₂O與K₂O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 C618-17a，January 2018