徐銘鍇、呂春福、李文錦 / 工研院材化所
鋼鐵生產是高能源消耗及高二氧化碳排放之產業，雖然目前國際一流鋼廠的能源利用率已處於相當高的水平，但依然無法滿足減排目標，為了實現2050年碳中和的目標，需要通過突破性技術創新及嚴謹工程評估方可進行工業應用。本文針對國際上大型低碳冶煉技術研究專案進行相關分析，包含歐盟的ULCOS、日本的COURSE50、德國的SALCOS及瑞典的HYBRIT計畫，並介紹未來零碳排煉鐵製程之關鍵技術，包含直接還原鐵技術及電析鐵技術。
【內文精選】
鋼鐵產業製程技術現況
鋼鐵產業目前主要有兩種生產技術：一種是高爐–鹼性氧氣轉爐(Blast Furnace-Basic Oxygen Furnace; BF-BOF)技術，鐵礦在高爐中與煤一起還原以製造生鐵，並在轉爐中去除碳以製造鋼，該方法不可避免地產生大量的CO2排放，高爐–轉爐流程生產1噸粗鋼產出約1.8~2.2噸CO2；另一種為電爐(Electric Arc Furnace; EAF)技術，是以電加熱將廢鋼直接熔化冶煉成鋼，因為製程不涉及煉焦與鐵礦燒結階段，所產生的碳排相對較少。
由於電爐煉鋼比高爐–轉爐煉鋼排放更少的CO2，為了實現碳中和，從高爐–轉爐煉鋼轉向電爐煉鋼是相當直覺的一種做法。然而，由於電爐技術所需的原料為廢鋼，除了品質差異性大之外，廢鋼的總回收量是不足的，世界鋼鐵協會預計2030年全球廢鋼供應量將達10億噸左右，2050年將達到13億噸，廢鋼之回收量遠小於鋼鐵的需求量。因此要完全依靠電爐技術將會面臨廢鋼總量不足的問題，開發新的煉鋼技術路線是大勢所趨。
直接還原鐵技術
直接還原鐵是一種在低溫下將鐵礦石直接還原成金屬鐵之技術，「直接」的含意為反應器內還原劑直接將鐵礦砂還原成金屬鐵(例如Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O)。從能源角度，可以分為氣基直接還原和煤基直接還原。氣基直接還原是以H2和CO為主要還原劑，在豎爐或流化床內將鐵礦還原；煤基直接還原是用煤作為還原劑，在回轉爐內將鐵礦還原。
直接還原鐵製程分類如圖八所示。目前將近8成直接還原鐵皆是以天然氣為能源的製程生產，本文也將著重在以氣基反應為主之技術探討。由圖八中可看出氣基直接還原可分為豎爐(Shaft Furnace)技術及流化床(Fluidized Bed)技術。
圖八、直接還原鐵製程分類
電析鐵技術
電析產鐵技術被視為最有效率之溫室氣體減量技術，由於電析過程不會產生二氧化碳或其他溫室氣體，若搭配綠能發電，理論上是可以徹底實現零碳。這個基本原理是將鐵礦石置於溶液中(也就是所謂電解質)，通過電流將帶負電的氧離子遷移到帶正電的陽極，生成O2加以收集；而帶正電的鐵離子被輸送到帶負電的陰極，被還原成元素鐵。
電析產鐵首先在鹼性溶液的專利中被報導，隨後才使用硫酸銨、硫酸亞鐵(FeSO4或FeCl2，pH 0.5~5.5)等酸性電解液。將鐵粉加入電解液、鐵板作為反應性陽極並給予合適電流後，在大約100˚C的溫度，可以產出具有一定品質與物理特性的鐵片和模版，薄膜沉積時結構相當緊密，如圖十二，鍍膜厚度1 μm、5 μm的部分，晶粒排列平整，然而鍍膜厚度達到10 μm時，晶粒明顯偏大，晶界之間具有相當大的間隙(參見圖十二(b) 10 μm的微觀結構)。在酸性條件下操作，即使添加Al-Mg-Na硫酸鹽、Fe(BF4)2或Fe(H2NO3S)2等輔助反應，酸性電解液無可避免地會夾雜在間隙內，產生的副作用會把鐵的表層氧化、鏽蝕，導致產品外觀經常呈現淺灰色和有孔洞的脆性沉積物結構；此外Fe2+和Fe3+在酸性電析槽中共存，在鐵物質之間形成氧化還原循環，降低了整體法拉第效率。
圖十二、酸性浴電析鐵晶相結構
另一方面，則是鹼性電解液的研究，特別是氧化鐵直接還原成純鐵的研究，其中Fe2O3具有絕緣性與低溶解度等材料特性，還原成Fe的機制持續被討論。高濃度的鹼性電解液，可將懸浮在電解液內絕緣性的Fe2O3微粒在陰極上析出還原成鐵；然而相較於酸性鍍浴，使用相同的礦粉，鹼性鍍浴析出產物結構更為疏鬆、粒粒分明。
基於這些理論架構，Abdoulaye使用赤鐵礦(Hematite, α-Fe2O3)，10 M NaOH的電解質在110˚C、1,000 A/m2的電流密度下以 80%的電流效率產出鐵；Yuan則是以旋轉電極(0~3,000 RPM)的方式研究製程參數的影響，以90%以上的電流效率產出鐵。採用鹼性電解液直接將礦石成分氧化鐵電析還原出鐵的技術，相較於酸性電解液析氫少，電流效率高，產物純度佳，被認為是最有前途的鐵生產技術之一 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》446期，更多資料請見下方附檔。