日本製鐵低碳高爐、大型電爐及CCUS脫碳技術研發進展

低碳專欄 2026-02-13 點擊數: 19

撰稿人T41黃俊傑

一、日本製鐵的低碳政策與研究進展

在全球氣候變遷日益嚴峻的背景下，鋼鐵業作為碳排放強度最高的產業之一，其脫碳進程關乎日本國家綠色轉型戰略的成敗。日本製鐵於2021年發布了「2050年碳中和願景」，明確提出以「多元並行」的技術路徑推進轉型，主要包含COURSE50與Super COURSE50高爐氫還原技術、大型電爐製造高級鋼品、以及CCUS技術，如下圖1。

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圖1、日本製鐵2050年碳中和路線圖

為支持革新技術的開發，日鐵積極尋求政策支援，其中綠色創新基金(Green Innovation Fund)「鋼鐵製程中氫氣利用」專案的總補貼金額達到4,499億日圓(約923億元新台幣)。日本製鐵將脫碳技術視為提升全球競爭力的核心之一，企圖在2030年達成削減30%碳排放(較2013年基準)，並支撐其「1億噸年產能、1兆日圓實力利潤」的長期經營願景，以下將簡介其重要技術。

COURSE50高爐富氫噴吹

COURSE50於2008年啟動旨在利用鋼廠內部產生之焦爐氣(COG)取代部分焦炭，達成減碳10%成效，並透過捕集高爐煤氣中的CO₂以減少20%的碳排放。日本製鐵利用君津廠12m³試驗高爐進行研究，於2017年達成10%的碳排削減。為進一步最佳化CO₂減排技術，2018年開始使用氣態富氫氣體作為高爐還原劑進行試驗。2018-2020年間共進行了5組試驗，在試驗高爐中噴入高含量的H₂。隨著H₂輸入量的增加，CO₂減排量呈線性增長的趨勢，當H₂噴入量為359 m³/t時，CO₂減排約為16%。2026年初日鐵將於君津廠2號4500m³高爐開始進行注入常溫鋼廠副產煤氣的實證試驗，並計畫在2030年前實際應用。COURSE50高爐研究演進如下圖2。

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圖2、日鐵歷時18年將高爐富氫噴吹由試驗高爐推進至大型高爐試驗

Super COURSE50高爐氫氣噴吹

隨著全球對淨零排放共識的達成，日本製鐵在COURSE50的基礎上啟動了更先進的Super COURSE50計畫，目標是將高爐內部的排放削減幅度提升至50%以上。與COURSE50不同，Super COURSE50預期未來社會將具備充足的氫氣供應，因此設計為直接使用外部採購的大量氫氣。

為了維持高爐熱平衡，Super COURSE50開發了加熱氫氣噴吹技術，將預熱後的氫氣注入爐內以補足氫還原反應產生的吸熱缺口。日本製鐵在君津廠實驗高爐上的測試數據不斷刷新紀錄，從2022年的22%、2023年的33%，到2024年底成功達到43%的減排紀錄，其目標為在2040年前確立實機化技術。Super COURSE50氫氣噴吹試驗結果及試驗高爐如下圖3。

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圖3、Super COURSE50氫氣噴吹試驗結果及試驗高爐外觀。

創紀錄的試驗中是透過熱交換進行加熱氫氣，但未來邁向實用化時，將採取燃燒部分供給的氫氣來提升溫度等手段，並開發新的氫氣間接加熱技術，確保加熱過程中的CO₂排放量為零。創紀錄的背後原因亦包含了提升氫氣相關模擬技術的精確度。由於高爐必須持續運轉，無法直接觀察爐內狀況，因此模擬技術對於控制高爐十分重要。根據其2030中長期經營計畫，日本製鐵透過世界最大高爐線下試驗裝置開發高爐數學模型。

大型電爐將於2029年投用兼顧減碳及高級鋼種生產

日本製鐵在脫碳戰略中採取雙軌制，除高爐製程減碳外，「高爐轉電爐」是另一項重大轉向。電爐製程不使用焦炭還原鐵礦石，其排放強度僅為高爐路徑的約25%。2025年5月，日鐵宣布了一項獲政府綠色轉型推進法框架支援的三座電爐建設投資案（如下表一），總額高達8,687億日圓（約1782億元新台幣）。其中八幡地區新電爐預計於2029年投用，年產能200萬噸，爐容量達到340公噸，可投入高比例的生鐵以生產高品質鋼品，八幡地區5000m3高爐則將於2030年上半年暫停運作。

表1、日本製鐵2025年宣布投資三座電爐進行減碳

25專欄表1

為了克服品質瓶頸，日本製鐵亦在波崎研發中心建設了HyDreams小型試驗電爐（10噸規模），並於2024年12月開始進行大型電爐生產高級鋼及氫氣直接還原鐵（H-DRI）技術的相關試驗。

針對使用氫能DRI的電爐製程，研究重點在於雜質去除與高品質鋼材的生產。研發團隊計畫利用試驗電爐，開發高效的脫磷與脫氮技術，目標是將鋼中的磷濃度控制在150ppm以下，氮濃度控制在40ppm以下，以確保產出的鋼材能達到汽車外板所需的高級鋼等級。

此外，為了進一步提升生產效率，製程中導入了「直接還原鐵-電氣熔融爐-轉爐」的一貫化生產模式，期能實現每小時100噸以上的生產效率，使其具備替代傳統高爐製程的能力。

在商業應用驗證方面，已於神戶製鋼所高砂製作所的20t商用電爐中，實施還原鐵配合比率高達80%的實裝測試。透過覆蓋渣（Cover Slag）控制與攪拌動力提升，成功確認了低氮化與低磷化的效果，目前正研發如何進一步提升還原鐵高速熔解與精煉效率的技術。

推動CCUS相關研究計畫

日本製鐵積極推動CCUS技術全方位開發，尋求透過技術創新達成鋼鐵產業的深度減碳。

在分離與回收領域，日鐵工程公司商品化的ESCAP^®化學吸收製程已在北日本製鐵所室蘭地區等兩處場址成功運轉，展現出極高的實用性與能源效率。相較於一般通用的分離技術，ESCAP^®具備顯著的節能優勢，其熱消耗量可大幅削減40%以上。此外，該技術配置獨家開發的不純物去除設備，即使面對組成複雜的原始廢氣，仍能穩定回收純度高達 99.9%以上的CO₂。

針對更具挑戰性的低濃度廢氣回收，日本製鐵與大分大學及Resonac等企業機構合作，研發重點鎖定在大氣壓且CO₂濃度低於10%的低壓廢氣環境。研究團隊正著手開發「構造柔軟型 PCP（多孔配位聚合物）」作為新型分離材。與傳統的沸石相比，這種新材料具備更優異的CO₂選擇性，僅需微小的壓力變化即可實現高效的吸附與脫附循環，有望解決低濃度廢氣回收成本過高的技術痛點。

在「運輸與封存」方面，日鐵積極構建完整的價值鏈。運輸方面，日鐵與伊藤忠商事等夥伴合作，推動船舶一貫輸送系統的研發。封存領域則與JOGMEC（日本金屬和能源安全組織）合作，深入參與「日本海側東北地方」、「首都圏」及「大洋州」三大先進CCS事業。日本製鐵在其中不僅負責儲存潛力的評估，更主導CO₂液化與出貨基地設施的設計，目標是透過整體產業鏈的整合，提早實現CCS的實際應用。

至於CO₂的運用，日鐵朝向高附加價值的綠色化學品發展。自2023年起，與大阪公立大學等機構投入「聚碳酸酯二元醇」的一段式合成工藝研究。聚碳酸酯二元醇是高性能聚氨酯的重要原料，過去的生產過程環境負荷極高，而新技術旨在直接利用CO₂取代CO，開發出高收率且低能耗的生產路徑。此外，日鐵亦利用轉爐石開發海洋用施肥材料，藉由營造海藻床（藍碳生態系）實現生物固碳。

二、結論

日本製鐵的「2050年碳中和願景」展現了脫碳轉型的雄心與現實路徑，面對全球淨零排放共識與氣候變遷的緊迫要求，日本製鐵採取「多元並行」的技術策略，體現了產業務實與前瞻的結合。結合COURSE50高爐及新電爐投用、CCUS技術持續發展，日鐵將有望達成2030年達成減碳30%的目標，以下將針對幾項重要技術進行總結。

前瞻技術

Super COURSE50及HyDreams試驗設施的後續成果有待觀察，Super COURSE50已於2024年底達成43%的減排紀錄，逼近50%的目標，預期2040年前實現商業化應用；HyDreams試驗電爐則正在進行大型電爐生產高級鋼品及氫氣直接還原鐵（H-DRI）的技術開發，這些突破對於確保高品質鋼品供應與低碳排電爐路線的順利推進相當關鍵。

然而，氫氣供應的穩定性與成本、電爐產能的有效銜接，以及CCUS商業化的經濟可行性，仍為重大挑戰。日本製鐵透過政府綠色創新基金的有力支持與產學合作，逐步強化技術與產業鏈的韌性，其脫碳路線可為鋼鐵業的綠色轉型提供參考。

高爐製程革新與開啟電爐路線

COURSE50與Super COURSE50技術路線的演進成果斐然，經歷18年的研發，從試驗高爐到4500m³大型高爐的跨越，證明了富氫噴吹技術的可行性。特別是Super COURSE50在2024年底達成43%的減排紀錄，距離50%以上的目標已近在咫尺，預期在2040年前實現商業化應用，此舉亦代表日本製鐵已取得在全球低碳競爭中的領先地位。

電爐路線的開啟提供了另一條關鍵路徑。2029年即將投用的大型電爐將實現年產200萬噸的高品質鋼品生產，其25%的排放強度相較高爐製程具有絕對優勢。結合HyDreams試驗設施對氫氣直接還原鐵（H-DRI）的探索，日本製鐵正逐步建構從原料端到製造端的完整低碳體系。這與傳統高爐的漸進式改進形成互補，使脫碳目標的達成更具保障。

循環經濟與價值鏈佈局（CCUS）

CCUS技術的全方位布局體現循環經濟思維，ESCAP^®製程在實際廠區的成功運轉證明了工業化可行性，而與大分大學、Resonac等機構合作開發的新型吸附材料，則為低濃度廢氣回收的難點提供了創新解決方案。更具戰略意義的是，日本製鐵透過與日本CCS調查公司、JOGMEC等單位的合作，積極構建「分離-運輸-封存-利用」的完整價值鏈，並將CO₂轉化為高附加價值的綠色化學品，實現從被動減排到主動增值的轉變。

政策支持與未來風險評估

政府的綠色創新基金支援至關重要。4,499億日圓的補貼規模充分反映了日本對鋼鐵業脫碳的戰略重視，亦體現了產業政策與企業創新的良性互動。

展望未來，日本製鐵2030年削減30%碳排放的目標以及「1億噸年產能、1兆日圓實力利潤」的長期願景，面臨著氫氣供應穩定性、電爐產能擴充、CCS成本控制等多重挑戰。然而，其多元技術並行的策略、在關鍵節點的持續投資，以及對模擬技術與基礎研究的重視，均為這些挑戰的克服奠定了基礎。日本製鐵的脫碳之路不僅關乎企業競爭力，更為全球鋼鐵業提供了可借鑒的轉型藍圖。

三、參考資料