燃煤發電與飛灰混凝土之探討

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

100.0

 

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

Classification

English

Designation

Volatiles%

C%

H%

O%

S%

Heat content

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

10-14

91-92

4.0-3.8

2.8-3.5

~1

<35,380

Anthrazit

Anthracite

7-12

>92

<3.75

<2.5

~1

<35,300

 

 

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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。

 

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照片1 煤倉內之煤炭顆粒與煤炭粉

 

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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】

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。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

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】

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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

 

 

 

 

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