高爐低碳原料應用概況（低碳專欄20期）

低碳專欄 2025-09-15 點擊數: 20

撰稿人 T41鄭百傑

一、前言

隨著全球氣候變遷與碳中和目標的壓力日增，鋼鐵產業正積極推動低碳化轉型。在眾多減碳路徑中，雖然直接還原鐵（DRI）與電爐（EAF）的組合備受矚目，但傳統高爐在未來數十年內仍將是全球鋼鐵生產的主力。因此，探討如何透過高爐製程中的低碳原料來減少碳排放，是現階段不容忽視的關鍵策略。目前國際鋼廠在高爐低碳原料的發展主要聚焦於兩大方向：

原料品質優化：

透過改善高爐主要原料（如球團礦）的生產製程，降低能耗與碳排放，並提升其在高爐中的冶煉效率，以減少焦炭用量。

新興替代原料：

導入不同於傳統的高爐原料，例如直接還原鐵（HBI）或生質燃料（Biomass），從根本上減少高爐對焦炭的依賴，甚至取代部分碳源。

以下分別介紹首鋼、Salzgitter以及神戶製鋼等三家代表性鋼廠在上述兩大方向的具體實踐案例。

二、首鋼–聚焦球團礦製程優化

燒結礦和球團礦是高爐煉鐵的兩個主要原料，球團礦生產過程的污染物和碳排放分別比燒結製程低60%和30%，因此提高球團礦在高爐中的使用比例，是碳減量的方法之一。球團礦易滾動，軟熔溫度低等缺點，會提高爐況的不穩定性。

首鋼的策略著重於提升球團礦的應用比例，並優化其生產製程，以實現高爐減碳。球團礦的生產碳排放量較燒結礦低約30%，因此增加高爐中球團礦的配比，能有效降低高爐的碳足跡。首鋼京唐成功將大型高爐的球團礦配比提升至50%以上，使二氧化碳排放量減少10%，其製程突破如下：

開發鐵礦石、熔劑和添加劑耦合的球團低溫焙燒技術

解決球團礦強度、焙燒溫度、能耗相互矛盾的問題，且帶式焙燒機能耗可降低至14kgce/t。

(1)氫氧化鈣與磁鐵礦耦合的球團礦低溫焙燒技術

磁鐵礦加上氫氧化鈣後改善乾燥效果，快速脫除分解產生的溫度。首鋼透過使用氫氧化鈣的同時，降低生球水分、改善乾燥等措施，降低鹼性球團礦焙燒溫度，同時鹼性球團礦抗壓強度保持在3200N/P以上，並降低帶式焙燒機能耗。

(2)鎂質球團和赤鐵礦球團

開發含硼物料與礦粉耦合的低溫焙燒技術。赤鐵礦球團和配加含鎂熔劑的球團焙燒溫度一般在1280~1320℃，而添加2%的硼鐵礦或添加1%的硼泥的球團，在1250℃焙燒後抗壓強度能達到2700N/P以上，比未添加的強度更佳。

建立熱風高效循環及階梯式利用系統

透過帶式焙燒機的數值模擬，分析溫度場域和熱量分佈並進行優化，將球團乾燥、預熱、焙燒、冷卻過程的熱量妥善分佈和利用。例如降低預熱前段的升溫梯度，適時提高預熱後段的溫度，及提高主引風機轉速，降低回熱風機轉速，能減少高溫熱風的帶出，降低熱量損失，焦爐煤氣消耗降低7%。

模擬氣流的分流規律

設計新型燒結台車和布風板來解決球團焙燒氣流阻損高、煤氣流分佈不均勻的問題。在製程中若有阻塞，會影響球團品質，系統的電耗難以下降。球團礦的粉末相對多，若粉末黏在布風板，阻塞影響風的分布，料層的透氣性不足會增加風機的負荷。因此透過數值模擬，新型的設備能優化透氣性。

小結：首鋼的技術路徑是透過製程創新來提升既有高爐原料的環保效益，屬於一種「漸進式」的減碳策略。這類技術投資相對較小、風險較低，能在不對高爐主體進行大規模改造的前提下，達成可觀的減碳效果，是當前許多鋼廠可行的過渡性方案。

三、Salzgitter – 探索冷燒結球團(CAP)

德國鋼廠Salzgitter與Blind Solutions Ltd（BSL）公司正在合作，測試冷燒結球團礦（CAP）在高爐及直接還原製程中的應用潛力。此計畫的目標是將CAP納入Salzgitter的SALCOS專案，以實現低碳煉鋼。

與傳統的熱燒結球團相比，BSL生產的CAP具備顯著的低碳優勢（如表1），其全生命週期碳強度更低。這種球團礦無需高溫焙燒，而是透過化學鍵結與機械壓力製成，因此大幅減少了生產過程中的能耗與碳排放。

表1、CAP碳強度

來源：Sage Journals, 51(1), 43–56.

由於CAP既不是塊礦，也不是熱黏結球團，傳統的測試標準（如ISO）無法產生反映潛在真實性能的數據。因此，BSL除ISO外，另進行HOSIM非等溫測試，以更貼近高爐內複雜的氣體成分與溫度變化，來評估其還原特性。(HOSIM測試是 Ijmuiden 鋼廠於20世紀80年代設計的，目的是更好地模擬爐料在高爐爐身下降時所經歷的氣體成分和溫度狀態)

CAP採用化學鍵結和機械壓力方法生產，其產品尺寸比燒結球團更有規則，外觀與燒結球團相似，研究發現，所有CAP樣品都能最快達到O/Fe 0.52的比例，顯示其具有更快的還原速度。然而，進一步分析不同原料的CAP發現，以磁鐵礦為原料的CAP M1、M2（如表2）儘管初始還原速度較慢，但隨著反應進行，其速度會逐漸加快，最終與傳統硬化球團的總還原時間相當，顯示磁鐵礦CAP的還原效果令人滿意。實驗結果雖好，但高爐中還存在許多複雜變數，仍需要大量試驗。

此外，所有CAP樣品在400°C的惰性環境下皆出現質量損失，而傳統球團則無此現象。這表明CAP中的黏合劑在熱解時會產生還原性氣體，引發化學變化。這也突顯了在導入新技術時，現有測試方法仍需進行更細緻的審視與調整。

表2、球團礦試驗代號與定義

來源：Sage Journals, 51(1), 43–56.

小結：Salzgitter 導入CAP的策略代表了對高爐原料的創新性探索。如果成功應用，這將能從根本上改變球團礦的生產方式，大幅減少其碳足跡，並為高爐製程提供一種全新的低碳選擇。不過，由於這項技術尚處於測試階段，未來仍需大量實驗來驗證其在高爐內的穩定性，並建立更完善的性能測試標準。

四、神戶製鋼 – 導入新興替代碳源

神戶製鋼的中期策略與各大鋼廠相同，採多軌策略，例如高爐減碳、MIDREX的DRI利用、高品級電爐製鋼、廢鋼利用等。其中的高爐減碳上，除了COURSE50、SUPER COURSE50，另還加入了Biomass與HBI方案。

神戶製鋼大幅採用子公司MIDREX Technologies在生產的直接還原鐵(DRI)，並取得顯著減碳效益。兩年前，神戶製鋼宣布在大型高爐(4,844 m³)減少二氧化碳排放25%，做法是大量採用MIDREX製程的HBI，降低還原劑比例，相比傳統方法可減少碳排。

今年五月，神戶製鋼和三菱宇部水泥(Mitsubishi UBE Cement Corporation)合資，進行黑色球團(black pellets)可行性研究。利用合理砍伐樹木及伐木過程的邊角料等木材，製作出木質球團(wood pellets)，俗稱白球團(white pellets)。在特定條件下對白球團進行熱處理可製成黑色球團，其熱值與煤炭相當，有希望可以成為低碳排的替代品(圖5)。因為樹木在生產過程中會吸收二氧化碳，因此被認為是一種碳中立的原料，在煉鋼和火力發電廠使用，有助於減少煤炭使用。也因為黑色球團是一種碳化且防水的原料，因此能夠露天儲存。

圖5、Black pellets合作研發

小結：神戶製鋼的策略是直接從原料替代的角度切入。HBI的使用是技術上最直接有效的減碳方法之一，但前提是鋼廠必須能夠穩定供應高品質的HBI。而生質燃料的研究則代表了對無化石燃料碳源的探索，若成功商業化，將為高爐製程提供一種全新的、可再生且碳中性的還原劑來源。

五、總結與展望

本次分析國際鋼廠在高爐低碳原料領域的三個典型案例，展示業界在減碳路徑上的多元化策略。從技術角度來看，這些方案可以分為兩個主要方向：製程優化與原料替代。雖然改良球團礦製程（如首鋼與Salzgitter的案例）能有效降低能耗與碳排放，但由於其鐵源中仍含有氧原子，若仍搭配傳統高爐製程，減碳成效將會面臨根本性的限制，因此這類措施更像是過渡性的策略。

要從根本上實現大幅度的碳減排，必須從碳源頭著手，例如導入無碳還原劑（如氫氣）或提高像熱壓塊鐵（HBI）這類已預先還原的鐵料用量，才能真正有效降低高爐的碳足跡。綜上所述，本次分析的重點發現可歸納為以下四點：

過渡性策略與根本性解決方案並存

首鋼的球團製程優化是典型的過渡性減碳策略，能在短期內產生效益。然而，要實現更大幅度的減碳，仍需如神戶製鋼從根本上減少化石碳源（如焦炭）的用量。

技術多元化與協同效應

國際鋼廠在研發上技術多元且並行。例如，神戶製鋼同時推動HBI與生質燃料的應用，而Salzgitter則將冷燒結球團納入其SALCOS計畫。代表未來高爐將可能使用多種低碳原料的混合，以達到最佳的經濟效益與減碳效果。

新的挑戰與機會

創新原料（如CAP、黑色球團）的引入，對現有的高爐運作模式、物料特性測試方法提出新的挑戰。未來，除了技術開發，還需要建立相應的測試標準與應用規範，才能確保這些原料的穩定性和可靠性。

多元路徑的發展趨勢

值得注意的是，國際鋼廠的減碳布局並非僅限於高爐低碳轉型，普遍採取「多軌並行」的策略。許多領先企業正投入大量資源，同步開發和推動其他如電爐、直接還原鐵等非高爐煉鐵製程。這些多元化的技術路徑，顯示出鋼鐵產業正朝向全面的低碳化未來邁進，不再單純依賴傳統高爐製程，而是積極尋求多樣化的解決方案來應對氣候變遷的挑戰。

高爐低碳原料應用概況（低碳專欄20期）