循環經濟 燼土新生 探索煤灰新價值

發布時間:110年03月10日

綜合研究所 煤灰的資源化利用


近年來,臺灣正在積極推動節能減碳和能源轉型,台電公司身為我國主要電力供應者,也在環境永續經營的課題上不遺餘力,而台電公司綜合研究所(以下簡稱綜研所)長期致力於相關技術研究,並且在所區裡面打造一片綠能生態園區,期望實現「製造-使用-回收再生」的循環經濟願景,也為原本只是事業廢棄物的煤灰開啟了高經濟價值的應用可能。

 

綠能巡禮 資源循環利用的革新

跟著綜研所的副研究員吳成有博士走進佔地一公頃的園區,在他的導覽下原來每一處都藏有學問。園區入口招牌所鑲嵌的立面,是綜研所利用退役的電線桿裁切出不同長短,再環繞並排而成的;生態池畔也可以找到由電線桿排列出來的階梯棧道,參訪者可以實際走上兩層樓高的太陽能循環水簾,俯瞰整片生態池。

沿著園區動線,除了風電和生質能作物的展示之外,還有結合太陽能與儲能的迷你智慧電網,負責調節園區的用電量,包含生態池水循環、庭園澆灌、照明等等,讓整座園區趨近零耗能,落實了綠能技術與生態環境的共存榮景。

不僅有再生能源技術的示範,以煤灰為主角的資源再利用也令人大開眼界。園區使用飛灰取代部份水泥,多孔性底灰做基底蓄水骨材,製成「海綿步道」和植草磚停車格,其透水的設計讓雨水有效地匯集到中央的生態池,為環境的保水性加分;天氣熱的時候,水分還能從底層蒸發到地表,達到調節溫度的效果。

 

翻轉煤灰形象 從事業廢棄物到高價值物料

不過說起煤灰的應用或處置,一般人可能還是有汙染的疑慮。吳成有說:「煤礦是遠古時代的植物經歷地殼變動,在高溫缺氧的環境中與週遭的礦物結合,再經數百萬年之後所形成的「植物化石」。在燃煤發電過程中,煤礦中的碳燃燒殆盡,所剩下的煤灰其實和自然界礦石並沒有差異」。且台電採從源頭就進行生煤的品質控管,煤灰完全符合「有害事業廢棄物認定標準」之毒性特性溶出程序(Toxicity characteristic leaching procedure,簡稱TCLP)各項標準,是非常有利用價值的資材。

台電每年產出的煤灰超過200萬噸,其中又可以分為多孔性結構的底灰,以及光滑球狀結構的飛灰,分別占了總量的20%與80%左右。而這麼多有價值的事業廢棄物要何去何從?當前主要的去化方式除了土木營建工程之外,另有三大應用面向,分別是將煤灰應用在水泥、塑膠和陶瓷等三個系列之綠建材與工藝產品開發,不過利用率目前大約維持在九成,仍然有很大的拓展空間。

土木營建工程的運用,比如管溝回填、路基底層、隔堤和海事工程等等,取代原本需要額外開採的砂石,不僅是技術最成熟的使用範疇,土木工程單次使用量大,因而也是主要的去化途徑;在綠建材的開發方面,綜研所將煤灰加壓製成了煤灰磚,讓應用面不再隱藏在地底下,還成為品質看得見、摸得著的建築材料。依照不同製作工序,還能做成輕質磚或適合載重的結構用磚,並且由於底灰的多孔狀結構具有良好的透水性,非常適合作為花圃或綠屋頂的建材,使煤灰的應用融入日常生活中,隨處可見。

 

雙料專利 賦予飛灰新生命

至於塑膠系列的飛灰綠建材,則是把飛灰加入塑膠做成塑木板材,例如綠能園區內的座椅、圍籬便是用飛灰塑木製成。吳成有解釋,飛灰是體積非常細小的球狀結構,而且不具吸水性,因此可以輕易地和塑料混合,甚至可以用等比例的飛灰與塑膠,製作成塑木複合材,室外使用壽命可長達15年以上。

事實上,發明第I598217號「飛灰塑木複合材之製造方法」正是他率領團隊取得的專利。吳成有進一步說:「市面販售的塑木,使用木屑粉為原料,受限於木屑粉的纖維狀組織,所以用它做塑木的添加量不能加太多,頂多15%就已經是極限了。飛灰可以完全取代木屑粉,而且添加量可到50%,也就是節省了50%的塑膠成本。」他如數家珍地說明飛灰塑木的優點,不只增加飛灰的去化率,而且大大提升產品的防水與耐固性,最多還可以節省50%的塑膠用量,既環保又降低成本。

而談到第三種去化應用方式–陶瓷,那又是吳成有令人驚艷的另一項成績了。

從戶外走進吳成有的實驗室,一眼就能看見櫥櫃裡擺滿各式各樣的陶器,一旁聯通的隔間更是有兩座燒陶的窯,旁邊長桌上同樣擺放著一排排的陶瓷製品,他顯得興致昂然,笑說:「我有訪客來的話,他們都以為我對收集這些陶藝品很有興趣,我說不是,這個就是我們的資源化利用的研究項目之一。」

這些成品色澤黝黑飽滿,仔細近看還能發現均勻分布的圓斑,吳成有解釋這叫做天目釉,有別於傳統燒製天目釉需要調配釉料基材,飛灰本身成分就是渾然天成的釉料,其中含有7%到10%的氧化鐵可以視為發色劑,在燒製過程中產生結晶,所形成的就是黑色的天目。藉由上釉的厚薄程度、燒製過程的升溫快慢、高溫維持時間長短,還可以燒出像是赭紅色等不同色彩;就連亮澤是光滑抑或霧面,也能透過燒製技術,控制釉料在表面的結晶粗細而達成,甚至進一步應用還能做出止滑磁磚。

經過一連串的試驗掌握飛灰作為釉料的特性,吳成有也取得了另一個專利「利用飛灰產製天目釉陶瓷品之方法」,他並與鶯歌的陶瓷藝師合作推出多項文創藝品,從日用陶瓷到精緻大器的陶作皆有,因為飛灰天目釉色澤獨特,諸多好評,儼然是用科技玩藝術。

 

不只再生循環,更深化文化意涵

從目前已取得成果的各項應用技術來說,煤灰在土木營建方面的使用已經行之有年,它能取代部分砂石和水泥的開採與耗用,經由不同工法做成像是海綿步道和輕質磚等,還能發揮煤灰的特性,適合環境親和用途。將煤灰做成人工魚礁,也是綜研所對於生態循環永續的一大貢獻,藉由提供適合棲息的環境,使海洋生態鏈保持豐富穩定。

而飛灰塑木複合材也是未來大有可為的應用範疇,除了成本和塑膠用量同時降低帶來環保與經濟效益的雙贏,防水和耐久的特性使其不需要太多維護,特別適合用在戶外作為公共設施。此外,由於使用的塑料屬於熱塑性,當塑木製品不需要了、或有所損壞時,回收後只需要加熱塑形就能再次使用;這也代表,台電的飛灰塑木複合材可以有更多元的運用空間,搭配不同模具甚至3D列印技術,就可以將強度更出色的飛灰塑木用在一般塑木無法應用的地方。

至於陶瓷釉料方面,雖然飛灰使用量少而對於煤灰總量的去化幫助不大,不過吳成有認為,應用發展上應該是多元的。過去他的飛灰天目釉作品也曾被報導過,輾轉流傳開來之後,還確實有受到矚目。

108年時任經濟部次長的王美花某次出訪菲律賓,行前為了準備符合永續發展精神的贈禮,看中了這項資源化利用的飛灰產品,於是便透過幕僚與吳成有聯繫。笑談起這段故事,吳成有的神色滿是熱忱,對團隊努力成果的自豪溢於言表,這次備受鼓勵的經歷也讓他更肯定陶瓷應用的價值,除了產值潛能可期之外,更能創造豐富文化意涵,更重要的是,在綜研所的大力支持之下,這項研究才得以發光發熱,台電在循環經濟的路途上又往前邁進了一大步。

台電看好煤灰不只是所謂的事業廢棄物,設法處置之餘,它其實還有無窮妙用等待挖掘,不僅和強調永續經營的循環經濟概念有所呼應,甚至還能為臺灣創造經濟、甚至文化面的效益。確實,如果只是為了解決廢棄物問題,全力推動一個處理量最大的方案才是最省時省力的,然而從綜研所的研究成果即可看見,煤灰的應用不是單純只有「去化」一個目的,台電透過創新賦予煤灰全新生命,深刻地示範了追求循環永續的行動力。