日本製鐵推動「利用創新分離材料開發低濃度二氧化碳分離系統」專案現況調查

T41洪慧清

日本製鐵在GI基金支持下，推動「利用創新分離材料開發低濃度二氧化碳分離系統」專案，目標在2030年後可實現該分離材料之營收，相關說明如下：

一、專案緣由

鋼鐵業碳排特性複雜，高爐轉爐製程排放濃度高（約20%），而燒結、焦化的排氣濃度低（10%以下）且範圍大，與天然氣、水泥等產業的排放濃度相近（10%~15%）。由於傳統化學吸收法在低濃度操作時，能耗與設備成本將大幅增加。因此，日本製鐵著手研究低濃度排氣的高效、低能耗捕集技術，成立「利用創新分離材料開發低濃度二氧化碳分離系統」專案，作為日本製鐵實現全廠脫碳，特別是處理「非高爐核心排放源」的戰略核心。

二、多孔性配位聚合物（Porous Coordination Polymer, PCP）材料開發

在本專案中，日本製鐵採物理吸附法，開發結構柔性多孔性配位聚合物（PCP）作為分離劑，其為新型多孔晶體材料，係金屬有機框架（MOF）材料範疇，具有非常大的比表面積和孔洞均一性(利用特定孔洞可設計用於分離CO₂)，可在低分壓下分離CO₂，是目前學界非常熱門之研究主題。

該材料具備下列優勢與開發難度：

1. 低能耗潛力：相較於需要高溫蒸氣進行吸收液再生的化學吸收法，PCP固體吸附劑可利用壓力變動或較低溫的廢熱進行脫附（再生），藉此大幅降低 CO₂分離的能源（GJ/t-CO₂）。
2. 低成本目標：傳統PSA吸附劑在常壓下吸附量比較低，故通常需操作在高壓下，以提高吸附量，否則需使用非常多的吸附劑，而PCP則有機會可以改善此問題。日本製鐵的最終目標是針對一大氣壓、10%以下CO₂濃度的排氣，在2030年將捕捉成本降至2,000日圓/噸CO₂以下。此目標挑戰性極高，但將可能是鋼鐵業及其他難脫碳產業的最經濟方案。
3. 開發難度：PCP粉體無法直接工業使用，需進行造粒或caoting在基材上作為薄膜。然經前述製程後，對PCP本身孔洞結構會產生一定程度破壞，而大幅降低性能；另一難題是無法確保商業化生產的均一性能，因此目前PCP係以克計價，成本非常高。

三、專案開發現況與進展

1. 技術路線與里程碑：該專案包含技術開發、量產與推廣等階段階段，目前已通過2024年度審查，現已進入製程與量產開發階段(如下表)。

表：專案規劃與進展狀況（2025年11月發布）

2. PCP開發現況：本案關鍵在於與CRASUS化學株式會社的異業合作。日本製鐵具備深厚的鋼鐵製程技術與工廠排氣環境的掌握度；CRASUS則提供PCP/MOF 材料合成、性能優化與量產開發技術。此合作模式將材料科學領域的最新成果，快速導入至重工業的應用場景，大幅縮短技術成熟度的爬升時間。目前已確認量產的候選材料，掌握公斤級分離劑的量產技術和成型體粉化因子，以及分離條件與雜質影響，預計在2026年底前，從開發的兩種分離劑中選擇可達標者。

四、標準化與智財保護策略

為鞏固技術優勢，日本製鐵亦制定標準化和智財保護策略。標準化是著眼於PCP物理吸附法預期成熟後，可主導國際標準化，特別是CO₂分離回收系統相關指標和分離劑性能評估方法。智財保護方面則適時申請分離劑和基本程序等關鍵技術專利，與鋼鐵相關的部分則以營業秘密保護，維持競爭力。

五、結語

中鋼現行PSA技術與日本差異主要在吸附劑種類，我方採用傳統沸石或矽膠，日本則研發效能更強的PCP。雖然現階段PCP價格高、難以大型化，捕碳成本仍不及傳統技術，但其潛力明顯。未來若該吸附劑商業化，可直接導入應用，降低操作壓力與成本。