煉鐵富氫噴吹專利分析

 撰稿人 T41劉怡彣

I. 前言

　　因應2050淨零永續發展的國際趨勢，公司已訂定減碳目標與路徑，並規劃發展低碳高爐技術，包含直接還原鐵添加、富氫氣體噴吹技術、及爐頂氣高值應用技術(鋼化聯產)等技術。有鑑於相關技術之執行皆在台灣本地，且去(111)年度T41已提出「先進鋼廠之低碳冶金技術調查」報告，故本專案係持續配合T13提案與需求，鎖定鋼廠與設備商在台申請之專利，包含富氫氣體噴吹、噴嘴等相關技術，以確保公司技術發展之自由度。

 II.專利檢索策略

　　本次以「煉鐵富氫噴吹」為主題，其中富氫氣體包含高爐氣、焦爐氣、天然氣、氫氣，故使用「高爐」、「氣」、「氫氣」、「噴槍」、「還原」等關鍵字，並結合IPC國際專利分類C21B，鎖定在鐵或鋼之冶金領域，在名稱、摘要、權利要求中檢索，檢索日期至2023/03，檢索範圍限制在台灣資料庫之早期公開與公告專利，表1總結本次專利檢索之背景設定。

表1 專利檢索背景設定

　　利用台灣專利資料庫進行初步檢索與篩選，共得到428件專利，再經初級資料彙集篩選後(名稱、摘要)，獲得煉鐵富氫噴吹相關專利共計42件(如附件1)，並解讀專利次級資料(全文)。針對專利進行分析，將取得的資訊再歸納整理為專利管理圖(表)、專利技術圖(表)等，提供創新設計之參考。

III. 專利管理分析

　　篩選後的「煉鐵富氫噴吹」相關專利以鳥瞰的方式，針對技術生命週期、歷年專利產出情形資訊進行統計上的處理，以利於經營的角度進行研發規劃、市場定位與研發資源分配等策略方針的制定。

　1. 技術生命週期分析

　　透過專利件數與申請人數隨時間的消長，可觀察出目前產業所處的技術生命週期狀況。圖1為技術生命週期圖（申請人數與專利件數，以二年為計算單位），煉鐵富氫噴吹專利在2011年以前處於萌芽階段，僅少數廠家投入技術研究開發，這個階段主要的申請人為JFE，主要為與高爐使用之噴射管以及相關氣體流量等操作。而從2012年至2013年期間，有許多新申請人加入此一領域，主要為MIDREX、PRIMETALS等公司投入氫還原煉鐵相關技術，故專利申請量增加，2016年至2019年期間相關專利在台申請明顯萎縮，2020年至2021年煉鐵富氫噴吹技術在台快速邁入成長期，顯見各大鋼廠與設備商相關專利產出且在台積極進行專利布局。目前煉鐵富氫噴吹技術生命週期的全貌仍未完全呈現，因各鋼廠、設備商考量市場布局在台專利申請時間上較遲滯，故2022年申請之專利未完全公開仍需持續觀察，意即目前在煉鐵富氫噴吹技術上仍存有發展的空間。

註：2022年專利尚未完全公開故不列入統計。

圖1、煉鐵富氫噴吹技術生命週期

2. 歷年專利產出情形

　　利用歷年專利產出數量分析煉鐵富氫噴吹技術領域內，歷年專利產出的情況，以利掌握技術發展之速度。由圖2煉鐵富氫噴吹技術相關專利申請件數顯示，在2020年之後申請件數明顯向上攀升，進一步由線型推估，未來將有更多的專利發表(2022年專利尚未完全公開故專利數量較少)。

　　由圖3專利權狀態可知，本主題核准專利占64%(現行狀態為審查通過、舉發註銷及未繳年費消滅之總和)，顯示本主題專利在智慧局之通過率高；申請實審專利占31%，其中以PW與近年所申請富氫噴吹相關技術為主；未繳年費消滅14%，多數為2015年之前申請之專利，其中MIDREX所申請金屬鐵還原相關技術4件，顯見本主題專利之發展趨勢與市場動向息息相關，設備商視台灣市場發展方向伺機而動進行布局調整。

註：2022年專利尚未完全公開。

圖2 歷年專利產出狀況

圖3專利權狀態

IV. 專利技術分析

1. 主要技術分布

　　隨著全球氣候暖化日益加劇，減少CO₂排放成為當務之急。鋼鐵工業以碳冶金為基礎， CO₂主要來自燒結、焦化、煉鐵、煉鋼等製程的爐氣中，因此，CO₂的減排與爐氣的高效迴圈利用是緊密關聯的，爐氣的迴圈利用效率的提高，能夠有效減少CO₂的排放量。一般情況下，煉鐵爐氣中CO₂量約占整個鋼鐵生產CO₂總量的70%，參照本次專利調查之技術分布概況如表2，以煉鐵富氫噴吹與爐頂氣回收相關專利19件，以及涉及氣體處理專利共計18件兩者居多。其次，T13關切之噴吹相關專利，涉及整體噴吹系統設計共計3件，申請人皆為PAUL WURTH；噴槍式設計為10件，申請人包含PAUL WURTH與JFE STEEL。

表2 整體技術分布

2. 氣體噴吹位置

　　高爐位置示意如圖4，作為下述噴吹位置敘述之對應。一般高爐熱風入口位置設於爐下部位稱鼓風口，公司現行噴吹粉煤作業亦是從此處裝設噴吹管進行，可節省在其他位置裝設之工序及降低操作風險，由表3可發現多數專利仍以鼓風口作為富氫氣體噴吹位置。其次，調查中發現，PAUL WURTH認為熱還原氣體通過爐外壁引入/噴射之較佳位置為爐腹軟融帶上方，因此部分專利選擇以爐身作為氣體噴吹位置，克服爐身高溫環境之限制，發展噴吹管及安裝與冷卻設計。

圖4 高爐位置示意圖

表3 氣體噴吹配置分布

3. 噴吹氣體種類

　　由表2本次調查涉及技術以爐頂氣體回收及氣體處理相關專利最多，其中噴吹氣體種類涵蓋多元且非僅單一氣體源，多為二種以上之氣體種類複合噴吹，主要包含高爐氣、氫氣、富氧氣體(請參表4)，其中氣體型並以高爐氣為主體添加氫氣、焦爐氣、天然氣進行氣體處理技術居多，顯見為達減碳目的，富氫氣體多為回收氣體再處理之合成氣。其中JFE更獨立發展再生甲醇噴吹技術，專利聚焦高爐氣回收，添加氫氣進行改質再生甲醇，並輔以富氧氣體進行噴吹，以達到減碳效果。

表4 氣體種類分布

註:富氧氣體為富氫噴吹之主要輔助氣體

V. 國外廠商在台布局狀況

　　在本次檢索之申請人分布概況如圖5，以JFE STEEL (16件)最多，PAUL WURTH (12件)次之，而 NIPPON STEEL及日鐵與JFE STEEL、神戶製鋼組成之鋼鐵聯盟共有5件，且專利申請人各有不同布局面向。以下針對前三大申請人進行布局狀況解析。

圖5專利申請人概況

1. PAUL WURTH

　　PAUL WURTH屬於設備商，近年亦與公司密切接洽富氫噴吹設備單管試驗，本次調查PAUL WURTH專利共計12件，專利技術類型請參圖6，布局重點著重在高爐氣體處理設備(共計6件)、富氫氣體噴吹(共計3件)、富氫冶煉DRI(2件)、富氫電爐冶煉(1件)之系統設計。綜觀PAUL WURTH在本公司高爐噴氫技術開發之3大區塊皆有布局，如: (1)富氫氣體安全噴吹技術，(2)穩定高爐噴氫操作，(3)爐頂氣回噴技術，其中為了減少焦炭或其他碳源的使用量，多數專利著重從高爐中回收高爐氣，添加氫氣、焦爐氣或氧氣對其進行處理以提高其還原勢能，再將其重新注入高爐進行還原製程，故PAUL WURTH高爐噴吹係將回收氣體處理成富氫氣體為主，而在DRI製作與電爐冶煉方面則有2件氫氣製作技術專利。

圖6 PAUL WURTH專利技術雷達圖

　　藉表5可了解，PAUL WURTH在噴吹設計方面，對於使用氣體種類並無特別要求，但氣體組成須限制氫氣含量35-55%、CO含量20-35%。另涉及高爐氣處理專利方面，則同時使用高爐氣、焦爐氣、天然氣，經處理後製成富碳氫合成氣進行噴吹，而較特別的有3件專利提及亦可添加純氫氣進行氣體噴吹，其中專利TW202225417A、TW202225416A添加氫氣功用主要為有效降氣體處理過程中的低積碳現象，有利於氣體預熱效果；專利TW202237861A則利用85%以上氫氣直接還原生產DRI。

表5 PAUL WURTH專利使用氣體類型

　　在氣體噴吹引入高爐位置方面，統計結果如表6，PAUL WURTH專利為本次檢索範圍中唯一申請在爐身位置引入氣體者，且專利所述氣體入口以爐身居多，鼓風口次之。在噴吹系統設計相關3件專利中，係以爐身給送(shaft feeding)方式，將富含CO和H₂組成之熱還原氣體(合成氣)引入高爐，即爐腹之上且優選在軟融區(cohesive zone)之上的氧化亞鐵氣體固體還原區內，並利用該處冷卻板、金屬殼固定注射裝置，幫助氣體注射裝置冷卻。而在氣體處理相關專利中，則以爐身及鼓風口為其氣體引入位置，未主張僅在爐身。

表6 氣體噴吹位置

　　PAUL WURTH為設備商，專利布局自然與市場營銷策略相關，自2020起在台布局重視氣體噴吹裝置系統設計以及前置氣體處理系統架構等，而在2022年公開之申請中專利，則首度出現利用冶金煤氣進行電弧爐操作，提取氫氣還原融池中的氧化鐵技術，可見其關注本公司減碳策略之高爐富氫噴吹、與電爐冶煉之動態，故未來公司對外採購非PAUL WURTH相關設備時，應特別留意前述技術之專利風險。

 2. JFE STEEL

　　本次調查JFE共計16件專利(表7)，綜觀JFE專利布局，高爐減碳技術發展以低還原材料比(低還原劑比reducing agent ratio, RAR)為核心理念展開(14件)，且皆於風口進行固體或氣體還原材噴吹。依發展時序技術可分為：(1)噴槍設計優化廢塑料固體還原材之使用效果，(2)將高爐氣改質為再生甲烷作為主要還原材，(3)富氧噴吹提升高爐還原效率。除上述高爐煉鐵相關專利外，近年亦發展DRI製作與電爐煉鐵技術，詳見圖7。

表7 JFE專利技術領域

圖7 JFE歷年專利技術分類

(1)噴槍設計

　　為因應高爐二氧化碳減排議題，JFE積極發展相關技術並在2011-2012年期間申請7件高爐噴吹廢塑料操作專利，技術主張調整固體還原材料(如粉煤、廢塑料等)與易燃性還原材料(如天然氣、氫氣、高爐氣、焦爐氣等)之比例，搭配噴槍設計可達成低還原材料比(低還原劑比reducing agent ratio, RAR)操作即低碳煉鐵目的，進而達成減碳效果，且亦分別對於噴槍單管、二重管、三重管之設計與組合及氣體流速等進行探討與權利主張。

(2)氣體處理

　　為達成低還原材料比(低RAR)操作目的，近年JFE持續研究將還原材料由粉煤置換為甲烷，但高爐之甲烷量達到一定以上時，有時會引起高爐下部之熱效率不足、壓力損失上升、出渣不良等操作故障，故發展相關專利技術(6件)係採取氧氣作為送風氣體，提高風口端溫度，且甲烷來源為高爐氣製作之再生甲烷，並利用同軸多重管之內管作為甲烷氣體供給通路，環狀外管導入氧氣之方式，進行高爐噴吹。

(3)富氧高爐

　　本次調查JFE 16件專利中共14件與高爐之氧氣噴吹相關，專利更明確指出JFE利用高爐通入富氧氣體之技術實現高爐低碳煉鐵技術，由圖8可見，JFE高爐噴吹相關專利係以使用富氧氣體噴吹為主，而高爐氣則為氣體處理主體，併同氫氣與焦爐氣或天然氣進行改質。

　　一般而言，高爐經富氧鼓風後，氮含量相對降低，生成煤氣中還原劑CO濃度增高，尤其噴吹含H/C比高的燃料時，煤氣中H2含量增加，有利於高爐間接還原的發展，減少焦炭消耗。而煤氣內氮含量減少，發熱值相應提高，從而改善了爐頂煤氣品質。富氧鼓風使風口前理論燃燒溫度提高，可進一步增加噴吹燃料數量，產生更大的經濟效益，故而提出氧氣高爐之專利，並於今年5月取得智慧局核准。

圖8 JFE 高爐噴吹氣體類型

　　JFE緊扣核心目標「降低還原材料比例」並申請相關專利技術，早期發展廢塑料固體及還原氣體，進行減碳並開發噴吹管之單、雙重、三重管設計與操作技術，後期則發展再生甲烷替代還原材料，並應用先前雙重管設計優化最佳操作技術，其專利布局具策略性，有效擴大專利權保護範圍。

3.日本製鐵與日本鋼鐵聯盟

　　本次調查日本製鐵高爐富氫噴吹專利共計5件，其中3件申請人為日本製鐵與JFE Steel、神戶製鋼三大鋼鐵企業組成氫氣煉鐵聯盟共同申請，該聯盟致力於「直接氫氣還原」技術的實用化，專利技術強調以從風口吹入還原氣體(氫氣或碳氫氣如COG、NG等)取代原本碳之還原材，建立高爐氣回收與富氫氣體噴吹模式，藉模擬計算優化高純度氫氣噴吹溫度、流量條件，以及建立優化C/H含量配比，以降低高爐二氧化碳排放，達成降低每噸生鐵之碳材料使用量(還原材比)之目標；另外2件則為日本製鐵獨立申請，利用高濃度氫氣添加氮氣之還原氣製作還原鐵相關專利，以確保作業安全及因應設備發生氫脆化。日本製鐵與聯盟申請之專利，噴吹氣體以富氫氣體且含大量氫氣為主，顯然與JFE STEEL申請多件高爐氣轉化之再生甲烷噴吹有所區隔。

表8日本製鐵與日本鋼鐵聯盟專利使用氣體類型

　　日本製鐵與JFE Steel、神戶製鋼組成氫氣煉鐵聯盟，由專利申請可見該聯盟已投入開發相關技術，並投過模擬運算技術，優化高爐噴吹條件。

4. PRIMETALS

　　公司評估富氫噴吹裝置除PAUL WURTH之外，設備商奧地利冶金(PRIMETALS) 亦為評估對象之一，本次調查PRIMETALS共計1件，該專利於2012年申請，專利技術利用焦爐氣進行氣體處理，分離成富含氫與富含碳氫成分之還原氣體進行還原鐵製程，惟該專利因未繳年費專利權已消滅。此為，調查PRIMETALS在台申請之其他領域專利，其專利技術分類彙整如表9，主要為金屬軋製及運輸儲存裝置相關。

表9 PRIMETALS在台申請專利分類

依目前調查結果顯示，PRIMETALS未在台布局噴吹設計關鍵技術，對於公司煉鐵富氫噴吹後續發展暫無影響。

VI. 結語與建議

　　1.本次調查利用使用「高爐」、「氣」、「氫氣」、「噴槍」、「還原」等關鍵字，並結合IPC國際專利分類C21B，鎖定在鐵或鋼之冶金領域檢索出428件專利，從中篩選出42件煉鐵富氫噴吹技術關聯專利，於2020年後廠商在台申請煉鐵富氫噴吹專利件數明顯向上攀升，預估隨著時間的推移，未來將有更多專利發表，目前仍存有成長發展的空間。

　　2.本次調查專利申請權人主要包含設備商與鋼廠，分別以PAUL WURTH 與JFE STEEL布局專利最多，其中在申請技術方面，設備商著重在噴吹裝置、氣體處理裝置與整體系統設計；鋼廠則著重在高爐整體系統設計與噴吹操作優化，以因應富氫噴吹造成燃燒嘴過熱以及爐上部溫度降低之技術瓶頸。

　　3.調查結果中未繳年費專利權消滅者，多數為2015年前申請之專利且為MIDREX所申請金屬鐵還原相關技術，顯見本主題專利之發展趨勢與市場動向息息相關，設備商視台灣市場發展方向伺機而動進行布局調整。

　　4.富氫氣體進入高爐的位置以鼓風嘴及爐身居多，亦有鼓風嘴及爐身同噴吹之操作以爐身作為純氫入口鼓風嘴，主要因應在鼓風嘴處噴吹富氫氣體，整體高爐在噴嘴附近燃燒劇烈爐下部溫度高，而爐身溫度較低之故。

　　5.PAUL WURTH專利布局明顯與其市場營銷策略相關，自2020起在台布局著重氣體噴吹裝置系統設計以及前置氣體處理系統架構，包括富氫氣體安全噴吹技術、穩定高爐噴氫操作、爐頂氣回噴等技術；而在2022年之後，則首度出現利用冶金煤氣進行電弧爐操作，提取氫氣還原融池中的氧化鐵技術，可見其關注本公司減碳策略之高爐富氫噴吹、與電爐冶煉之動態，故未來公司如對外採購非PAUL WURTH設備時，應特別留意相關技術之專利風險。

　　6.JFE技術發展緊扣核心目標「降低還原材料比例」並申請相關專利保護，早期發展廢塑料固體及還原氣體，進行減碳並開發噴吹管之單、雙重、三重管設計與操作技術；後期則發展再生甲烷替代還原材料，並應用先前雙重管設計優化最佳操作技術，其專利布局具策略性且綿密，有效擴大專利權保護範圍。公司未來如採取再生甲烷作為減碳路徑，必須妥慎迴避JFE專利，並於必要時進行舉發。

　　7.日本製鐵與JFE Steel、神戶製鋼三大鋼鐵企業組成日本鋼鐵聯盟並共同來台申請專利，其技術內容主要係從風口吹入還原氣體(氫氣或碳氫氣如COG、NG等)取代原本碳之還原材，並透過模擬運算技術，優化高爐最佳噴吹條件，因與公司規劃發展技術相似，故目前已有多件專利提出舉發中。後續T41將透過定期專利公報檢閱，持續追蹤該聯盟來台專利布局狀況，並適時提出專利舉發，避免專利風險。

　　8.綜觀本次調查，各大廠為達高爐減碳目的，JFE、PAUL WURTH發展出富氫氣體噴吹、富氫氣體生產、富氫氣體替代還原材料等技術，且其中富氫氣體來源又以爐頂氣之回收再處理為主，顯見「碳循環高爐」為減碳發展重點，對比於富氫氣體替換粉煤噴吹之減碳效益，碳循環高爐能將排出之CO₂，再利用有效降低碳排放量；日本製鐵則鎖定發展「氫能直接還原製鐵」技術將部分的焦煤替換成氫，以減少碳排量，現已掌握各專利權利人布局方向，後續將持續監控台灣專利申請狀況，維護公司營運自由。