呂明生、陳溪山、蕭達慶、曹申 / 工研院材化所
近來由於全球氣候異常，因此二氧化碳排放成為國際關注議題，歐盟也開始修訂「碳邊境調整機制」法案，將碳排管制從其國家境內企業擴及到供應鏈邊境管制，而鋼鐵業等高碳排產業被列為首要管制對象之一。鋼鐵業作為國家經濟穩定發展的基石，在進入排碳有價的時代，國家經濟與產業的發展必須重視這項變革。本文將針對此議題介紹說明三個主要高碳排鋼鐵製程減碳困境及其解決策略方向探討，內容包括：①鋼鐵冶煉程序減碳之困難與對策；②鋼鐵冶煉用低碳原料之機會與挑戰；③鋼鐵塑型製程非顯性碳排點等。
【內文精選】
冶煉程序減碳之困難與對策
1. 鋼鐵冶煉減碳策略
由於高爐冶煉產量大且鋼品極佳，國際主要大鋼廠皆以高爐為主要的生產製程，面對減碳的議題，也各自提出解決策略。圖四是ArcelorMittal集團之減碳指標與執行策略方向，其減碳指標於2030年碳排減少30%(相較2018年)、2050年達碳中和。要達到2050年碳中和執行的三個主要路徑包含：①導入部分廢鋼，減少鐵礦砂與還原劑用量，降低碳排量；②開發智慧碳(Smart Carbon)技術；③以直接還原鐵(DRI/HBI)取代部分鐵礦砂，並用天然氣/氫氣取代部分粉煤，降低碳排放。同時於2030年開始開發以綠能電解水產氫技術，配合碳循環與碳捕捉、儲存達到減碳效果。
圖四、安賽樂米塔爾(ArcelorMittal)之減碳指標與執行策略方向
在亞洲部分，日本鋼鐵大廠之一—日本製鐵(Nippon Steel)之減碳發展策略，指標為於2030年碳排減少30%(相較2013年)，2050年達碳中和。減碳發展路徑除了高爐本身進行減碳之外，日本製鐵考慮使用電弧爐(Electric Arc Furnace; EAF)替代部分高爐產能，計畫中還包括開發大型電弧爐，並在2030年之前將其投入商業使用的計畫。此外，還考慮結合使用廢鋼和直接還原鐵作為電爐原料，該電爐將由無碳電力提供動力，以減少二氧化碳排放。
3. 電爐冶煉減碳之困難與對策
電爐煉鋼碳排放量僅高爐的1/4~1/5，國際上新設置的煉鋼設備大都以電爐為主。電爐使用廢鋼作為原料，若要生產高品質鋼品，須從廢鋼純化或是提高生鐵添加比例兩方面著手。然而，在廢鋼中去除雜質如銅、氮污染，為大型化電爐製程的困難點，除了需要耗費時間與成本外，更會增加額外的碳排放。若改以提升高碳排之生鐵比例來降低冶煉鋼品的雜質含量，同樣會增加碳排放。以日本製鐵為例，使用直接還原鐵(DRI/HBI)取代生鐵，甚至取代大部分廢鋼，除了可以生產品質媲美高爐製程的鋼品，更能降低碳排放。但含鐵量約90%的直接還原鐵要取代含鐵量>98%以上的生鐵與廢鋼，爐內冶煉程序將產生重大變化。
冶煉用低碳原料之機會與挑戰
鋼鐵產業的最上游原料為鐵礦砂(Iron Ore)，其成分主要由Fe2O3與Fe3O4等氧化鐵所構成。目前的生鐵主要製造程序(Iron Making)乃是在高爐(BF)中透過焦炭作為還原劑，將鐵礦砂進行還原反應而成，後續再精製成為各式鋼鐵製品。然而，在這沿用超過百年的工藝上，亦即以焦炭與氧化鐵的反應，在過程中造成大量CO與CO2等碳排放。在全球淨零碳排的共識下，國際鋼協(WSA)也訂下2030年鋼鐵產業碳排減量30%的目標，為了降低鋼鐵產業上游材料的碳排問題，傳統以焦炭進行還原反應的技術也將面臨重大變革。
目前國際上主流降低碳排的方式乃以天然氣替代焦炭還原鐵礦砂，最具代表性的為MIDREX® DRI Process，DRI (Direct Reduced Iron)為直接還原鐵，透過低碳排放的還原性氣體將鐵礦砂直接還原成金屬鐵，避免焦炭的使用以及大量碳排放的產生。
塑型製程非顯性碳排點
電爐煉鋼為國際鋼鐵業未來在煉鋼製程達到淨零碳排優選主流技術，但目前電弧爐煉鋼在能量輸入後，用於熔融鋼液的能量僅約50%，其他能量則因為電損、爐渣、冷卻水、輻射熱損及廢氣熱損等因素，消耗掉了能量，如圖十一(a)所示。因為電弧爐煉鋼為高溫下的反應製程，需維持高溫，以提升煉鋼製程效率，但是進一步分析可以發現，這些因為高溫產生的熱損失其實也是造成爐體傷害的主因。如圖十一(b)所示，電爐煉鋼經常發生高溫廢氣顆粒沖蝕排氣管路及侵蝕爐管壁，管壁變薄易造成漏水；電弧擊穿爐蓋壁破壞冷卻水管路，造成冷卻水管破管漏水；加熱過程爐渣的噴濺沾附並侵蝕爐蓋，造成爐蓋壁厚變薄；以及輸入能量被冷卻水帶走造成能源利用效率下降等問題---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十一、鋼鐵電弧爐煉鋼熱損分析說明
★本文節錄自《工業材料雜誌》431期，更多資料請見下方附檔。