日本鋼廠應用廢塑膠減碳模式及專利調查

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撰稿人 T41 洪慧清、范乃妍

        根據世界能源總署的統計，鋼鐵業的碳排放量佔全球總量8%，為因應嚴峻的減碳壓力，各家鋼廠均致力於製程減碳技術的開發，經調查，日本製鐵及JFE於2000年起即有將廢塑膠回收應用於焦爐或高爐減碳之研究，發現將廢塑膠用於製程減碳具有環保價值，但亦有影響設備或製程效益的風險，不過可藉由投入廢塑膠之質量控制以降低風險產生。113年11月，中華民國智慧局公開由日鐵申請之一件專利「TW202442864廢塑膠之資源回收物之製造方法」，該專利技術可使廢塑膠達成100%資源化，實現大量廢塑膠之資源回收。

  • 技術說明

       將廢塑膠化學回收技術應用於高爐煉鐵製程的方法有二，一種是「焦爐原料轉化技術」，將廢塑膠作為粉煤的替代品裝入焦爐，並轉化為焦炭（Coke）、烴油（Hydrocarbon oil）（包含焦油和輕油）以及焦爐氣（COG）;另一種是「高爐原料回收技術」，將廢塑膠注入高爐，作為粉煤的替代品，日本製鐵是以研究焦爐原料轉化技術為主，JFE則是焦爐與高爐皆有進行廢塑膠回收應用研究，以下分述兩家鋼廠之研究及成果。

  1. 日本製鐵
  • 使用技術

       日本製鐵主要研究焦爐原料轉化技術，此技術可分為預處理和熱分解兩項流程（圖1），預處理流程先將廢塑膠粉碎，去除異物後聚結成顆粒。而熱分解流程則將預處理過程中結塊的廢塑膠以1%-2%的質量比添加到煤中，一起放入焦爐，在無氧還原氣氛下，以約1,100～1,200℃的高溫下進行熱分解炭化成焦炭20%、烴油40%、焦爐氣40%。

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圖1、日本製鐵焦爐原料轉化技術概述

  • 使用效益

       日本製鐵發現焦爐原料轉化技術具有降低氯化成本的優點，因焦炭生產過程中，煤產生的氨與氯乙烯中的氯結合成無害的氯化銨（NH4Cl）。若能控制廢塑膠中聚氯乙烯（PVC）的含量，則可免大規模的聚氯乙烯去除作業。圖2可看到廢塑膠中的氯最終以7:92:1的比例分配到焦炭、氨水和COG中，煤中的氯以43:56:1的比例分配。

且送入焦爐的廢塑膠所產生的焦炭、焦爐瓦斯、烴油等都可以在鋼廠內使用，較高爐原料回收技術更具經濟效益。

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圖2、煤和廢塑膠在焦爐中炭化時氯的行為

  • 實際用量

        日本製鐵已在日本建立廢塑膠接收網路，每年處理約20萬噸廢塑膠，約占日本廢塑膠收集量的30%。未來將進一步增加利用焦爐化學回收塑膠的量（回收量增加20%，可減少12萬噸/年CO2排放量），2020~2022財年透過評估與驗證增加塑膠團聚體的密度來增加塑膠團聚體的重量，以將更大量的廢塑膠添加到煤中，而不會影響焦炭強度。

  1. JFE
  • 使用技術

       JFE使用「高爐原料回收技術」，在高爐製程中投入廢塑膠做為還原劑，取代部分焦炭，不會直接影響生鐵品質。並且隨之開發出將塑膠與粉煤和/或天然氣混合注射的技術、添加CaCO3以聯合團聚提高廢塑膠強度及廢塑膠精細破碎技術，皆已在工廠高爐中實際成功應用，有助於降低還原劑用量，以下進行介紹：

I.     使用廢塑膠與粉煤和/或天然氣混合注射技術提高燃燒效率

i. 廢塑膠燃燒速度最小：自風口分別注入甲烷、粉煤和廢塑膠，可得到燃燒速度由大至小為：甲烷（模擬天然氣）、粉煤、廢塑膠（圖3）

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圖3、風口分別注入甲烷、粉煤和廢塑膠的溫度變化

ii. 粉煤加速塑膠燃燒：粉煤附著在廢塑膠顆粒的表面，在風徑區中混合，由於塑膠顆粒尺寸較粉煤大，在風徑區中停留時間比粉煤長，粉煤的燃燒熱可直接傳遞給塑膠，加速其燃燒和氣化。(圖4)

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 圖4、注入120 m/s氣流中的塑膠和粉煤顆粒的速度變化

iii. 甲烷提昇塑膠燃燒速度：甲烷的燃燒速度極快，形成高溫場，加速粉煤和廢塑膠的燃燒和氣化（圖5）。

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圖5、注入甲烷對固體（粉煤、廢塑膠）燃燒效率的影響

II.    添加CaCO3以聯合團聚提高廢塑膠強度

        JFE福山地區三號高爐採用廢塑膠微粉化技術，使用尺寸為10 mm的粉碎塑膠或聚結塑膠時，易造成在運輸和燃燒過程中粉化，降低燃燒和氣化效率，因此添加CaCO3可促進熔渣形成/熔點降低，顯著降低焦炭比和提高爐底透氣性，大幅減輕爐內的壓力。（圖6）

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圖6、在高爐風徑區添加CaCO3的塑膠和粉煤的熱模實驗

III.   廢塑膠精細破碎技術

i.     細塑膠利於高爐操作：研究發現粗塑膠雖較細塑膠和粉煤具有較高的燃燒和氣化效率，但未燃炭（unburnt char）較易導致積聚在死鐵區，故細塑膠較有利於高爐穩定運作。

ii.  適化粒徑廢塑膠替代作為還原劑：JFE鋼鐵找出塑膠粒的最適粒徑1mm，開發出廢塑膠微粉化技術（Advanced Plastics Recycling, APR），替代部分焦炭加入高爐當還原劑。

  • 實際用量

        2015年JFE在京濱地區每年約使用15,000噸APR高爐還原劑，1噸APR高爐還原劑用於煉鐵製程約可減少2.8噸的CO2排放，一年估計可減少42,000噸的CO2排放。

  • 日本製鐵專利調查結果

       113年11月，中華民國智慧局公開由日鐵申請之專利「TW202442864廢塑膠之資源回收物之製造方法」，本專利採高溫乾餾（900~1200℃）方式，並以廢塑膠裝入煉焦爐之最大高度，與乾餾完成所需時間之關係式，事先計算出乾餾時間；本技術可使廢塑膠乾餾為20%焦炭、40%焦爐氣，以及40%烴油/礦物油，達成100%資源化；依據本專利方法，可實現大量廢塑膠之資源回收，詳細內容如下述。

  1. 方案

       使用未裝入煤炭的煉焦爐進行廢塑膠乾餾，爐溫控制在900~1200℃，根據裝入高度和爐溫，計算最佳乾餾時間，其中廢塑膠最大裝入高度係超過焦炭爐之爐寬一半之高度。最後求出廢塑膠之最大裝入高度，與乾餾完成所需時間之關係式，以及將事先定出之最大裝入高度代入該關係式，計算乾餾時間。在完成乾餾後，即可將乾餾物從煉焦爐取出。

  1. 效益

       本發明之乾餾結果為20%焦炭、40%焦爐氣，以及40%烴油/礦物油，並達成廢塑膠100%資源化；此外，高溫乾餾可處理難分解之有機物質，事先確認乾餾時間亦有助確保乾餾完全，本技術適用多種來源廣泛之廢塑膠。

  • 結論

       從日本鋼廠於廢塑膠回收於鋼廠製程減排的研究及成果來看，日本鋼鐵業十分重視推動循環經濟以實現永續發展目標。按JFE近年計畫，於京濱地區投資67.5億日元（約合14.8億台幣）建造日本最大的廢塑膠回收設施，每年可處理6萬噸廢塑膠，該案預估於2030年起每年可減少約16萬噸CO2排放。

       日本製鐵根據「容器和包裝回收法」，使用「化學回收法」，煉焦爐回收100%從家庭收集的廢塑膠。關於廢塑膠利用擴大的問題，日本製鐵已納入氣候變化對策「2050碳中和願景」中，積極增加塑膠回收處理量。

       目前執行狀況為每年約回收20萬噸廢塑膠，所帶來的CO2減排效果相當於每年約60萬噸，而截至目前的累計處理量（2000～2023年度）約為409萬噸，其減排量為1,309萬噸（圖7）。

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圖7、日本製鐵歷年廢塑膠回收處理情形