談 循環經濟材料再利用-飛灰

陳純森  技師

成功大學建築研究所 教授級專家

高雄大學土木環工系 副教授專技

飛灰(fly ash)是發電廠燃燒煤炭後的廢棄物。國內飛灰主要來自台灣電力公司與台灣塑膠公司的火力發電廠。

壹、煤炭的介紹

世界上煤炭(coal)量產的國家，依序為中國、美國、印度、澳洲與歐盟。美國地質探測局(US Geological Survey)，將煤炭之含碳量與熱能分為四種等級：

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）：單位熱能在8,300~12,000btu之間，發電效益中等。

3.煙煤（bituminous）：單位熱能最高，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，故比較不適合燃燒發電。

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」。

貳、飛灰的產出

燃煤發電廠先將煤炭碎化成細小之顆粒或粉狀，堆置於煤倉(silo)內，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)，約佔10~20%。燃燒後之CO₂等廢氣則由煙囪排放。飛灰之產出過程參見圖1。飛灰為球狀之微細粉末，直徑約0.5μm~300μm。

圖1 燃煤發電產出飛灰

叁、飛灰之種類與成分

不同煤炭所燒成之飛灰，其成分亦有所不同。CNS 3036將飛灰分為三類：

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，CNS 3036分別規定飛灰之化學成分如表1。但CNS並未規定CaO之成分，從表2之國內研究報告^【1】，與表3之ASTM C618^【2】附錄資料，可以看出C類飛灰之CaO成分比F類高出甚多，顯然C類之膠結性較F類為佳。

表1 CNS 3036飛灰之化學成分

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

 

表2 不同煤礦所燃燒之飛灰成分【1】

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3 F類飛灰成分(%)【2】

化學成分	F類飛灰
SiO2	61
Al2O3	18
Fe2O3	5.2
CaO	6
SO3	2.3
MgO	1

 

肆、飛灰之再利用

一、作為卜作嵐材料

飛灰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-水泥漿，為一種優良之卜作嵐材料。

填加飛灰於混凝土中有緩凝之效果，潤濕期間，頗適合預拌場遠離施工工地較遠之工程使用。且由於潤濕期間較長會略為提升混凝土之強度。

二、作為磚塊

澳大利亞是盛產煤炭的國家，該國所生產之煤炭，煙煤與褐煤各占一半。煙煤多半外銷，僅約15%留做國內發電與冶煉鋼鐵之用，褐煤則全數留在國內使用。所燃燒後之飛灰，學術界成功研發製成「飛灰磚」(Flash Brick)^【3】。即將飛灰與水充分化合，並加入少許必要之摻料，經過約1,000℃煅燒後成為有用之磚塊。照片1為製模後煅燒前之樣品磚，照片2則為煅燒完成後之成品磚。

照片1  飛灰煅燒前之樣品磚【3】		照片2  飛灰煅燒後之成品磚 【3】

飛灰磚之抗壓強度可高達40MPa (400kgf/cm²)，高於一般黏土所煅燒之紅磚強度，抗拉強度(modulus of rupture)約為紅磚之3倍，且比重比紅磚減少約28%，降低建築構造物之重量，而其與水泥砂漿之握裹力比紅磚高出約44%。飛灰磚之煅燒僅需數小時，比紅磚煅燒之時間1~7天短少許多，可節省大量之能量消耗。飛灰磚之顏色亦可於材料混合攪拌時，填加相關之氧化染色劑做適當調色。

三、燒結為輕質骨材

飛灰亦可經由燒結過程(sintering process)製造輕質骨材，做為輕質混凝土之用。照片3為印度學者研製之粒徑4mm~12mm燒結飛灰粒料(sintered fly ash aggregates – SFA)^【4】。其成分包含61%氧化矽、14%氧化鋁、9%氧化鈣、8%氧化鐵與其他少量鹼質材料，其比重平均為1.55，破碎強度平均為9.38MPa。如取684公斤之SFA粗粒料配合相同重量之天然細砂粒料、370公斤水泥及166公斤之拌合水(w/c=0.45)，所製成之混凝土原狀密度(fresh density)平均2,025kg/m³，28天之抗壓強度平均可達30MPa，抗拉強度3.1MPa，撓曲強度7.9MPa，為良好之輕質建材。

澳大利亞學者甚至於採用燒結飛灰做粗粒料，研發超高強度之輕質混凝土，其28天之抗壓強度高達66.75MPa(9,679psi)^【5】。

伍、品質管控

工程會之施工綱要規範03050V100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，此與國外常用之C類飛灰有很大之落差。國內所推廣之F類飛灰，雖然為良好之卜作嵐材料，但因為CaO含量偏低，填加於混凝土時不易產生膠結性，故使用量不宜太多。反而是C類之CaO含量較多，膠結性比較好。

此外，飛灰於燒炭的過程中是否煤焦油完全燃燒，也是工程人員必須查證的要項。由於煤炭的燃燒必須借重起火油，且煤炭本身含有多量的煤焦油，如果此等油份未能完全燃燒耗盡，而殘留油質於飛灰內部，勢將影響水泥之膠結效果，因為水泥是水性，而煤焦油則是油性，兩者互不相容。簡易的檢查方法可將飛灰揮洒於盛水盤，若飛灰含有油脂，盛水盤之水面勢必呈現七彩之顏色，不利於工程使用。特別是老舊發電廠所燒成的飛灰，經常無法完全燃燒。

由於飛灰是一種緩凝劑，填加飛灰的混凝土其拆模時間必須額外延長。目前政府的規定，卜特蘭水泥的混凝土於澆築後，如果7天內發生四級以上之地震，所澆築之混凝土必須由專業單位鑑定其施工品質，特別是混凝土與鋼筋之握裹行為。如果填加飛灰之混凝土，則其鑑定期勢必還要延長，應該不只7天。

   此外，混凝土填加飛灰，尚有下列課題必須考量或評估：

一、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。此種現象極可能是用到含有鐵質之飛灰。

二、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，施工時會造成膨脹與網狀裂縫。

三、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、擋土連續壁、消波塊、CLSM、蛇籠、重力式擋土牆、水壩、護欄、緣石等基礎或地工應是合宜的。至於有撓曲行為之結構混凝土或小規模之斷面，或巨積之板、牆構造，則應作必要之限制。飛灰之填加量無法一體適用。

結論

總之，工程單位再利用廢棄物時，必須深入了解廢棄物之相關產製過程，並探討其成分與性質對工程品質之影響，不宜盲目跟從附和，以免造成不可收拾之後果。

參考文獻

【1】高摻量飛灰混凝土配比設計與力學行為探討，陳駿，台大碩士論文，2009。

【2】Report of Pozzolan Analysis，ASTM C618-2017。

【3】High performance Bricks from Fly Ash，Obada Kayali，Word of Coal Ash，April 2005。

【4】Experimental investigation of light weight concrete using sintered fly ash aggregates，Pankaj Dhemla，B L Swami，Prakash Somani，IOP Conference Series : Earth and Environmental Science，2021。

【5】Flashag–New lightweight aggregate for high strength and durable concrete，Obada Kayali，School of Aerospace，Civil and Mechanical Engineering，University of New South Wales，Australian Defence Force Academy，Canberra。