撰稿人 T41 郭寶謄管理師
一、前言
鋼鐵產業與建築、石化、及電力等產業息息相關，2024年中國粗鋼產量達10.05億噸，其中約90%為高爐-轉爐製程所生產，在生產過程中會產生許多種類的副產物，如爐渣可應用於環境污染防治；轉爐石可應用於道路鋪面、水泥生料及填海造地等用途；排出的蒸汽、煤氣亦可用於發電或生產化工產品。將鋼鐵生產的副產物應用於相關產業的原料可幫助優化產業結構、減少污染物排放，並建立完整的跨產業供應鏈。
二、中國鋼化聯產發展現況
鋼化聯產係指在生產鋼鐵的過程中，利用於煉焦爐乾餾焦碳過程所產生之焦爐氣、高爐還原鐵礦煉製鐵水時所產生之高爐氣及轉爐吹煉鋼液時產生之轉爐氣 (如表一)，其中的CO、H2及CH4，透過提取及純化等步驟，可用於生產甲醇、甲酸、醋酸或乙二醇等各式化工產品。
表一、高爐-轉爐製程副產物氣體成分表
|
名稱 |
成分（體積百分比）/% |
熱值(kJ/M3) |
||||||
|
H2 |
CH4 |
CO |
CmHn |
CO2 |
N2 |
O2 |
||
|
高爐氣 |
1.5-3.0 |
0.2-0.5 |
23-27 |
- |
15-19 |
55-60 |
0.2-0.4 |
3200-3800 |
|
轉爐氣 |
0.5-2.0 |
- |
50-70 |
0.2-0.6 |
10-25 |
10-20 |
0.3-0.8 |
6500-7500 |
|
焦爐氣 |
55-60 |
23-27 |
5-8 |
2-4 |
1.5-3.0 |
3-7 |
0.3-0.8 |
17000-19000 |
在高爐-轉爐製程副產物氣體的排放量方面，高爐氣：焦爐氣：轉爐氣約為6：3：1，因此如何有效利用高爐氣十分重要，其主要成分為CO及N2，然因兩者之沸點與分子直徑等物理性質皆十分相近，因此目前較無低成本的CO及N2分離純化技術，令高爐氣較難應用；焦爐氣主要成分為H2及CH4，CH4可加工為天然氣或透過甲烷化反應來製備甲醇，H2則可於提純後作為灰氫的重要來源，可供燃料電池汽車使用；轉爐氣主要成分為CO，可透過與焦爐氣中的H2結合，來生產乙醇或甲酸等產品。
中國近年石化產業擴展迅速，然其能源結構資源顯示，石油與天然氣儲量相對較低，石油對外依存度達七成。石化產業需將石化原料進行氧化裂解反應以生成CO及CO2，後續再合成為所需之化學品，因此若能以鋼鐵製程中所排出的副產氣，作為石化產業之CO及CO2來源，幫助石化產業降低對石化原料之依賴，亦可降低其於產氣製程中所產生的碳排放。
以下綜整中國鋼鐵產業鋼化聯產發展現況：
(一)晉南鋼鐵
晉南鋼鐵於2017年成立山西沃能化工科技有限公司，使用焦爐氣及轉爐氣為來源建置乙二醇聯產液化天然氣生產線，於2020年投產，乙二醇年產量達30萬噸，液化天然氣年產量達15萬噸，目前除將鋼鐵製程副產氣體用於生產化工製品外，製程中所產出的氫氣可回送至煉鐵製程中再利用。
(二)石橫特鋼
石橫特鋼與山東阿斯德科技有限公司合作，以副產轉爐氣為原料合成甲酸及草酸，年產量分別為20萬噸及5萬噸，於2018年投產，預估每年可每年減少煤炭用量102萬噸、廢水排放47萬噸及二氧化碳排放32萬噸。
(三)達鋼
達鋼與四川達興能源有限公司合作，自2007年即利用焦爐氣及轉爐氣為原料來生產甲醇，並逐步擴增產能與生產種類，目前可達到甲醇年產量50萬噸及二甲醚年產量20萬噸。
(四)建龍鋼鐵
2011年達成甲醇年產量20萬噸，2022年4月與吉林省吉林市政府與簽署《鋼化新材料產業園專案投資框架協定》，規劃於吉林建設鋼化聯產，積極推動副產品與生產廢料再利用。
(五)首鋼
首鋼京唐以轉爐氣為原料，輸送至首鋼朗澤，利用添加乙醇梭菌來生產乙醇，再將菌體分離乾燥後得到飼料蛋白，目前可達乙醇年產能21萬噸、飼料蛋白年產能2.5萬噸。
(六)鞍鋼
鞍鋼以焦爐氣為來源，進行製氫聯產液化天然氣，每年預計可減排47萬噸二氧化碳、174噸二氧化硫及1344噸氮氧化物，目前具備1.5萬噸氫氣的年產量，液化天然氣年產量12.5萬噸。
由上述案例可發現，目前主要進行鋼化聯產的原料來源仍以焦爐氣及轉爐氣為主，其中轉爐氣因CO含量高，較易進行提純並成為石化產業的主要原料，晉南鋼鐵與鞍鋼，則透過加工焦爐氣中的氫氣，將其回收再利用，如晉南鋼鐵回送氫氣至煉鐵製程；鞍鋼規劃支援其下游氫能應用，如氫燃料電池等。而建龍鋼鐵則於2011年達成20萬噸甲醇產能，2022年再推動產業園計畫，顯示中國地方政府對於鋼化聯產有資源挹注，以下將各案例彙整如表二。
表二、中國鋼化聯產實例彙整
|
鋼鐵企業 |
原料來源 |
應用產品 |
年產量(萬噸) |
|
晉南鋼鐵 |
焦爐氣、轉爐氣 |
乙二醇 |
30 |
|
液化天然氣 |
15 |
||
|
石橫特鋼 |
轉爐氣 |
甲酸 |
20 |
|
草酸 |
5 |
||
|
達鋼 |
焦爐氣、轉爐氣 |
甲醇 |
50 |
|
二甲醚 |
20 |
||
|
建龍鋼鐵 |
焦爐氣 |
甲醇 |
20 |
|
首鋼 |
轉爐氣 |
乙醇 |
21 |
|
飼料蛋白 |
2.5 |
||
|
鞍鋼 |
焦爐氣 |
氫氣 |
1.5 |
|
液化天然氣 |
12.5 |
三、結論
面對逐步逼近的碳中和壓力，鋼鐵及石化產業同樣具備碳排放量高、難減排的特性，而目前較有共識的有效碳減排方法，如綠氫替代或CCS技術等，近年內其成本都將居高不下，鋼化聯產是未來兩大行業共同降低碳排放的關鍵技術。
目前中國大多數鋼鐵企業對於副產物氣體的處理方式都是用於發電應用，以降低購電的企業成本，然因發電轉換效率較低，鋼化聯產才是令副產物氣體價值最大化的方式，並可大量減少污染物排放，須謹慎評估現行的副產物氣體利用方式與鋼化聯產的可行性與成本，做出適當的轉變。
中鋼身為台灣最大的鋼鐵企業，已將鋼化聯產訂為公司的重要減排手段之一，亦完成先導工場的建置，期許能快速與石化產業進行串聯，為雙方的降碳減排盡一份心力。
四、參考資料
- 郭玉華、周繼程，中國鋼化聯產發展現狀與前景展望，中國冶金，2020年
- 北大先鋒：淺析鋼化聯產與鋼鐵行業降碳減排
- 晉南鋼鐵：開創「鋼焦化氫電」一體化耦合降碳先河-中化新網
- 鋼化聯產向“春”來-中化新網
- 前沿：關於在鋼鐵企業中實施“以化固碳鋼化聯產低碳冶金”幾個前沿技術問題的思考
- 鋼鐵產業「鏈」動未來
- 吃掉工業尾氣產出乙醇、蛋白質首鋼朗澤讓鋼鐵廠尾氣變廢為寶
- 鞍鋼中集焦爐氣制氫聯產LNG專案順利投產-制氫-國際氫能網