能源科技概論---業界經驗 鋼廠能源利用與減量技術介紹 中國鋼鐵公司 新材料研究發展處 能源與空污防制組 歐正章 98年11月26日

在商言商 產品品質(先進優勢) 產品價格(成本、能源後進優勢) 客戶服務(品牌、便利性等)

能源成本近年走勢 能源成本(約佔生產成本之15-30%) 年度 能源成本 93 2,000 94 2,900 95 3,000 96 3,100 97 6,000 能源成本(約佔生產成本之15-30%)

人類文明的演進 石器時代 銅器時代 鐵器時代 金字部首 法 院 2008年全球金屬產量 鐵 約 13億噸(其中，不銹鋼2760萬噸) 鐵 約 13億噸(其中，不銹鋼2760萬噸) 鋁 3942萬噸 銅 1848萬噸 鎳 150萬噸 鈦 30萬噸 Stainless 韓劇 黃帝 屈原 孔子? 由此可見，鋼鐵對於人類生活之重要性。

近60年來全球鋼鐵產量成長趨勢 先進國家：500公斤/人-年

我國鋼鐵業粗鋼生產量統計 (2005年) 1. 我國粗鋼生產量1,857萬公噸， 其中，一貫作業鋼廠985萬公噸，(53%) 67% 其中，一貫作業鋼廠985萬公噸，(53%) 67% 電爐鋼廠872萬公噸。 (47%) 33% 粗鋼自給率約72.2% 2. 鋼鐵業最終能源消費為981萬公秉油當量， 約佔我國最終能源消費之10.3% 。 3. 鋼鐵業能源使用之CO2排放量， 約佔全國之11% 。(台灣2.7億噸/年) 中鋼、中龍、豐興、東和、海光、華新、榮剛等

主要產品 鋼板 熱軋產品 塗鍍產品 條鋼線材 冷軋產品

製程介紹 佔2/3 佔1/3 1. 一貫作業鋼廠(Integrated Steel Mill) 煤炭 鐵礦 Limestone 助熔劑 1. 一貫作業鋼廠(Integrated Steel Mill) 2. 電爐鋼廠(Mini Mill- 電弧爐) 廢鋼 DR Iron Flux 軋延 最終產品 鋼胚 電爐 煉焦爐 燒結機 高爐 煉鋼 鐵水 Pellet Iron Ore Lump PCI 佔2/3 佔1/3 成本：煤、鐵、廢鋼、能源、設備、人力、銷售等

一貫作業鋼廠 Power Plant Coal Blast Furnace Coke Oven Continuous Caster PCI NG, Heavy Oil, Coal Iron Ore Limestone OG Boiler Coal Coke Oven COG BFG LDG Self-Produced Fuel Gas O2 PCI Torpedo car Sintering Plant Oxygen Converter ○ Continuous Caster Bloom Slab Hot Rolling Electric Power Cold Rolling Re-heating Furnace Continuous Galvanizing Line Blast Furnace Continuous Annealing & Processing Line Finished Products Coil

原料進港

原料堆置

煉鐵高爐

高爐產出鐵水

魚雷車運送鐵水至煉鋼廠

鐵水裝進盛銑桶

盛銑桶鐵水 倒入轉爐煉鋼

熱鋼胚

鋼胚再行加熱 準備軋延

熱軋鋼捲

各製程能耗案例 202.2 冷軋 363.0 775.9 熱軋 鋼板 百分比 % Mcal/tcs 項目 1.80 94.5 其他 5.06 266.5 公用設施 14.73 210.7 軋鋼 2.04 107.5 煉鋼 55.64 2930.7 高爐 9.74 513.2 燒結 10.99 578.7 煉焦

各製程能耗分佈表 總能耗 其他 公用設施 1.80% 5.06% 煉焦 10.99% 軋鋼 燒結 14.73% 9.74% 煉鋼 2.04% 高爐 55.64% 其他 1.80% 公用設施 5.06% 軋鋼 14.73% 煉焦 10.99% 燒結 9.74% 煉鋼 2.04% 總能耗 100%

When we get primary steel from iron ore, 高爐煉鐵最低理論能耗值 Reduction from Iron ore ½ Fe2O3 + 3/4C  Fe + 3/4CO2 Atomic weight ½[(2x56+3x16)] + 3/4x12  56 + 3/4 (12+32) 80 + 9  56 + 33 Normalized to Fe-Atom 1.4 + 0.16  1 + 0.59 Energy Requirement ( 1/3 C per 1 Fe) O2 + C  CO2 32/3 + 12/3  44/3 0.9 + 0.3  1.2 The other Reaction Fe2O3 + 2 C = 2 Fe + CO + CO2 CO + O2 = CO2 in this case : Hot Metal (Fe) 1.00 Carbon 0.44 Iron Ore 1.46 CO2 1.57 When we get primary steel from iron ore, we need theoretically　0.46 Hot Metal (Fe) 1.00 Carbon 0.46 Iron Ore 1.46 CO2 1.70 Theoretically we need more than 0.44 to o.46 Carbon to make 1 ton of Fe. And we need more energy for rolling to make steel product an extra 1 third of this required energy. Considering scrap usage need one third of primary crude steel, to make final product need almost same amount of theoretical energy to make one ton of Fe.

一貫作業鋼廠， 所投入之能源大部份做為 煉鐵製程反應及 下游製程加熱之熱源。 所消耗之能源， 絕大部份用在上述工業爐，做為冶煉反應及維繫其高溫運轉所需之燃料。

所耗能源種類 燃料煤 3.79% 高爐PCI煤 14.30% 冶金煤 74.45% 電力 6.17% 低硫油 0.78% NG柴油及汽油 0.49% 其他 0.02% 所耗能源以煤為主

對應之溫室氣體排放情形 CO2 99.81% CH4 0.01% N2O 0.15% CFC 0.03% Sub-Total 100.00% 一貫作業鋼廠溫室氣體排放， 主要以二氧化碳為主。

電爐鋼廠溫室氣體排放(案例) 以電力消耗(冶煉及軋延)為主，且溫室氣體主要為CO2 。 工廠 名稱 主要 排放源 佔全廠 比例(%) 6大溫室氣體排放佔全廠排放比例(%) 排放強度 (噸/公噸鋼胚) CO2 CH4 N2O HFCs PFCs SF6 A 鋼鐵 電力 71.51 97.10 0.05 2.72 0.00 0.543 重油 14.96 製程排放 12.01 B 59.92 97.20 0.09 2.36 0.597 20.54 13.23 以電力消耗(冶煉及軋延)為主，且溫室氣體主要為CO2 。 日本電爐鋼廠平均值: 0.563 ton CO2/ton鋼胚

題目:臨時公佈在黑板上 主要工業爐包括 煉鐵製程---煉焦爐Coke Oven 燒結爐Sinter Plant 高爐Blast Furnace 煉鋼製程---轉爐LD Furnace 軋鋼製程---加熱爐 Reheating Furnace

一貫作業鋼鐵廠與小型鋼鐵廠，在生產製程上，主要有何區別？ 兩者所消耗能源，主要有何不同？ 主要製程設備 主要能耗 一貫作業鋼鐵廠 煉焦爐 燒結爐(機) 高爐 軋鋼加熱爐 煤、自產燃氣 煤 自產燃氣燃料 小型鋼鐵廠 電弧爐 精煉爐 電、氧氣、燃料 電 外購燃料

對鋼鐵業者而言 節能與減碳 一體兩面 密不可分

鋼鐵業溫室氣體排放，主要以二氧化碳為主； 對鋼鐵業者而言，管制溫室氣體排放， 實際上應從降低二氧化碳排放著手。 鋼鐵業降低二氧化碳排放技術，主要包括 (1) 使用低碳燃料或再生能源、 (2) 提高能源使用效率、 (3) 在排放源進行二氧化碳捕捉等。

燃燒效率 熱傳效率 能源管理 使用低碳燃料或再生能源 在排放源進行二氧化碳捕捉 提高能源使用效率 油 氣 煤 熱 源 廢棄物 廢熱回收 廢氣 (污染防制) 油 氣 煤 廢棄物 熱 源 廢熱回收 廢棄物處理 熱傳效率 能源管理 燃燒效率 電 使用低碳燃料或再生能源 提高能源使用效率 在排放源進行二氧化碳捕捉

使用低碳燃料或再生能源

使用Carbon-free能源及還原劑 氫氣--日本NSC已自COG分離出H2供應燃料電池汽車 或公車 生質能及Charcoal--巴西已使用Charcoal高爐製程進行煉鐵 Electrolysis--美國MIT在DOE之經費贊助下初步已有豐碩之成果

風力發電 太陽能發電

提高能源使用效率

提高能源使用效率策略 1. 在公司內提昇能源使用效率 藉由 加強能源管理 開發先進燃燒器提昇燃燒效率 加強廢熱回收與利用 藉由 加強能源管理 開發先進燃燒器提昇燃燒效率 加強廢熱回收與利用 能源平衡分析找尋新節能機會 推行能源節約專案計劃 2. 開發新的低能耗製程技術 3. 進行區域能源資源整合

High-cycle Regenerated System (HRS) 蓄熱式高溫空氣燃燒系統 High-cycle Regenerated System (HRS) Combustion chamber Combustion Air Heat storage HRS Burner Waste Gas Fuel Solenoid Valve

區域能源資源整合 與工業區內臨近友廠互通多餘能源，如：蒸汽、焦爐氣、電力、氧氣、氮氣、氬氣、燃料氣及純水等，減少整體能源使用量及溫室氣體排放。 充份利用各工廠產出之製程副產物，可減少天然資源開採及環境破壞、廢棄物處理時造成之環境負荷及資源加工或使用時所產生之溫室氣體排放。

節能目標 經過多年努力，2003年單位粗鋼耗能 ， 較1979年節能22.4%。 至2010年，以2004年單位粗鋼能耗量為基準 1. 中長程廢熱回收計畫節能 2.8% 2. 中長程新增產線計畫增加能耗 -1.7% 3. 各廠處節能改善計劃(廢熱回收除外) 2.5% 再節能 3.6%

在排放源捕捉二氧化碳

二氧化碳捕捉方法 CO2的捕捉方法包括： 化學/物理吸收(absorption)、 吸附(adsorption)、 低溫冷凝以及薄膜分離等 實際應用則常採用化學吸收法， 主要是利用胺類或各種醇胺類的 混合溶劑及添加物來捕捉CO2。 耗能!!!!

CSC參與CO2突破技術之研究 計畫名稱：工業爐低二氧化碳排放之燃燒技術建立 目的 研究建立結合富氧燃燒、廢氣再循環及煙道氣捕捉二氧化碳之低二氧化碳排放燃燒技術 目標 建立有利於煙道氣CO2捕捉之富氧燃燒及廢氣再循環 技術 建立結合富氧燃燒及廢氣再循環之煙道氣CO2捕捉系 統及技術 應用 各式燃燒爐

低二氧化碳排放 燃燒流程示意圖 燃燒爐 燃料 氧氣或空氣 CO2捕捉 示範廠 煙囪 廢氣再循環 (主要為CO2、H2O) 成大實驗爐 低二氧化碳排放 燃燒流程示意圖 燃料 氧氣或空氣 燃燒爐 CO2 H2O 廢氣再循環 (主要為CO2、H2O) 煙囪 CO2捕捉 示範廠 三號高爐熱風爐 成大實驗爐

CO2之運送 由CO2運送文獻資料顯示， 距離短或處理量大之CO2輸送，以Piping輸送為主。 美國自1970年代起，便以Piping輸送CO2經過人煙稀少地區，至油田進行Oil Enhanced Recovery。 一般而言，Piping輸送壓力約為80公斤(已超過Supercritical Point)，主要是為了避免兩相流動。 槽車運送，一般使用20公斤壓力且攝氏零下20度之條件輸送。此時，CO2為氣、液兩相共存。 此一作法，較不符合經濟性，僅適合小量運送； CO2送達Storage Site後，需再行加壓，才打入Storage Site貯存。

CO2封存 突破性技術 海洋封存 CO2捕捉技術 + 燃燒程序改善整合 地質封存 封存潛能調查與功能評估技術 封存監測與驗證技術 環境影響? Unmineable Coal Beds Deep Saline Aquifier Depleted Oil or Gas Reserves 突破性技術 海洋封存 Enhanced Oil Recovery CO2捕捉技術 + 燃燒程序改善整合 地質封存 封存潛能調查與功能評估技術 封存監測與驗證技術 環境影響? 地表封存 封存設施建構技術 (生物、化學捕獲封存技術) Reference: Dixon, R. K., presentation in APEC Business and Climate and 2nd Asia Region Climate and Energy Workshops, 2005。

CO2 Capture Projects

CO2 Storage Demonstration Projects Oregon State： Crater Lake 安全開車：地上結冰、打滑

國際間鋼鐵業者之節能減碳技術研究 埋頭努力 偶爾也要浮出水面 修正方向 加入國際活動 知己知彼 百戰百勝

Energy, Oxygen Institutes Equipment manufacturers Steel Universities 世界鋼協二氧化碳突破活動 歐盟ULCOS AISI Japan JISF Korean POSCO 中國鋼鐵公司 區域性 尚未全球性開放 Equipment manufacturers Institutes SMEs Universities Steel Energy, Oxygen ULCOS總經費4500萬歐元(自 200403)

世界鋼協之單位鋼品CO2排放減量目標 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 2000 2020 2040 2060 2080 2100 高爐 應用突破技術 平均值(含EAF) 短期解決方案 技術改善 tonCO2/tcs 落實突破技術 0.9 0.8

氫能煉鐵技術開發 AISI結合12家公司，自2008年6月開始進行為期3年之Pilot研究 總研究經費530萬美元 Fine Iron Ore與H2在不同溫度下之還原率 美國University of Utah實驗工場 超過1300 oC 還原更為快速

日本鐵鋼聯盟(JISF)推動COURSE50 Ultimate Reduction in Steelmaking Process by Innovative Technology for Cool Earth 50 藉由創新技術研發 至2050年，大幅度降低鋼鐵業之CO2排放。

韓國POSCO CO2 Breakthrough計畫架構 能源回收 計畫1. Simultaneous heat recovery and pre-reduction of hot sinter 二氧化碳捕捉 計畫2. CO2 absorption using ammonia solution 氣候變遷改善 計畫3. BioSlag utilization for the restoration of marine environment 氫能應用 計畫4. Steel solution for hydrogen production - Steam reforming of COG and waste plastic 計畫5. Iron ore reduction using hydrogen-enriched syngas 新製程 計畫6. Carbon-lean FINEX process

韓鋼 CCS (carbon Capture and Storage) POSCO 於 2007 年11月與韓國政府簽訂封存備忘錄 二氧化碳捕捉 以氨水自高爐氣中吸收二氧化碳 S. KOREA 二氧化碳封存 船運CO2 Pohang Works 自浦項鋼廠捕捉下來之CO2 以船運或管線輸送至170公里外之 Donghae 油氣田 Pipeline Donghae Gas field 每年可封存100萬噸CO2

中國大陸 寶山鋼鐵公司 回收排氣中的二氧化碳 利用鋼渣吸附 每噸鋼渣可吸附200公斤 每年可吸附22萬噸二氧化碳 自石灰窯排氣吸收 中國大陸 寶山鋼鐵公司 回收排氣中的二氧化碳 利用鋼渣吸附 每噸鋼渣可吸附200公斤 每年可吸附22萬噸二氧化碳 自石灰窯排氣吸收 預計吸收1萬頓二氧化碳 利用鋼渣捕捉CO2 15分鐘可完成捕捉

澳洲Bluescope Charcoal研究 已在Ladle當增碳劑使用 仍未在高爐使用

HECAM: Hydrogen Energy with Carbon Materials by Prof. John W. Halloran CHx x 〜4 for natural gas x 〜2 for petroleum x 〜0.7 for coal Fossil Fuels Hydrogen for clean fuel Carbon Material for Construction Pyrolysis Carbon Materials用量還是有限 大部份Fossil Fuel僅使用其Hydrogen 如總能源需求未降低，站在能源利用的角度來看 Fossil Fuel用量勢必須增加。 Questions: 98.05.22 中華民國陶業學會 仍在Concept驗證階段!!!!

Chemical Looping Combustion Metal Oxide固體 反應性及穩定性?

鋼鐵為相當環保之產品 風力發電與環境 -- 風力發電可降低CO2之排放， -- 風力發電機在生命週期內所發出電力能量，可高於其製造、運轉、維護等所耗能量之80倍以上。 高強度鋼材與環境 汽車若使用目前所開發之高強度鋼材 原有車體共可減重約9% ，車子能耗可節省5.1%。 由生命週期分析結果顯示， 每部車，可減少2.2公噸CO2排放量。

結 語 一貫作業鋼鐵廠或電爐廠，所投入之能源大部份做為煉鐵製程熔融、還原反應及下游製程加熱之熱源。所消耗之能源，絕大部份用在上述工業爐，做為冶煉反應及維繫其高溫運轉所需之原料或燃料使用。

鋼鐵業節能減碳技術，主要包括 (1) 使用低碳燃料或再生能源、 (2) 提高能源使用效率、 (3) 在排放源進行二氧化碳捕捉等。 其中，使用低碳燃料或再生能源， 牽涉到新能源及製程技術開發， 係從能源使用源頭來著手改善。

提高能源使用效率，則在能源使用過程中， 提昇燃燒效率、加強廢熱回收、整合區域能源與資源，讓能源於使用過程中做最有效地利用， 減低能源消耗量、進而降低二氧化碳排放量。 在排放源進行二氧化碳捕捉，乃在製程燃燒最末端將排氣中的二氧化碳予以捕捉下來， 扮演《二氧化碳終結者》角色， 達到降低二氧化碳排放目的。

鋼廠能源消耗，可藉由能源管理及持續研發，來降低改善。 以中鋼公司為例，經過多年來持續改善，單位鋼品能源消耗已下降22.4% 。單位鋼品能源消耗，更已低於先進國家鋼廠能源消耗實績值，大大增強了產品在國際市場上的競爭力。

鋼鐵業，雖屬於能源密集產業， 但因其產品可再回收循環利用。 實際上，鋼鐵應屬於相當環保之產品。

未來展望 高雄捷運路線圖 生活更美好 有您更好!!!

Thank You Very Much for Your Kind Attention !! 敬 請 指 教，謝謝 Thank You Very Much for Your Kind Attention !!