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。
照片3 飛灰燒結為輕質骨材【4】
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。
【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】
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