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中國鋼鐵公司新材料研究發展處能源與空污防制組

歐正章98 年 11 月 26 日

能源科技概論 --- 業界經驗鋼廠能源利用與減量技術介紹

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在商言商

1.產品品質 ( 先進優勢 )

2.產品價格 ( 成本、能源後進優勢 )

3.客戶服務 ( 品牌、便利性等 )

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能源成本近年走勢

年度 能源成本93 2,000

94 2,900

95 3,000

96 3,100

97 6,000

能源成本 ( 約佔生產成本之 15-30%)

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人類文明的演進石器時代銅器時代鐵器時代

2008 年全球金屬產量鐵 約 13 億噸 ( 其中，不銹鋼 2760 萬噸 )

鋁 3942 萬噸銅 1848 萬噸鎳 150 萬噸鈦 30 萬噸由此可見，鋼鐵對於人類生活之重要性。

Stainless

金字部首法院

韓劇黃帝屈原孔子 ?

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近 60 年來全球鋼鐵產量成長趨勢

0

200,000

400,000

600,000

800,000

1,000,000

1,200,000

45 1950 55 1960 65 1970 75 1980 85 1990 95 2000 2005

先進國家： 500 公斤 / 人 - 年

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我國鋼鐵業粗鋼生產量統計(2005 年 )

1. 我國粗鋼生產量 1,857 萬公噸， 其中，一貫作業鋼廠 985 萬公噸， (53%) 67% 電爐鋼廠 872 萬公噸。 (47%) 33%

粗鋼自給率約 72.2%

2. 鋼鐵業最終能源消費為 981 萬公秉油當量， 約佔我國最終能源消費之 10.3% 。

3. 鋼鐵業能源使用之 CO2 排放量， 約佔全國之 11% 。 ( 台灣 2.7 億噸 / 年 )中鋼、中龍、豐興、東和、海光、華新、榮剛等

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塗鍍產品

冷軋產品

鋼板 熱軋產品

條鋼線材

主要產品

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煤炭鐵礦

Limestone

助熔劑

1. 一貫作業鋼廠 (Integrated Steel Mill)

2. 電爐鋼廠 (Mini Mill- 電弧爐 )

廢鋼DR Iron

Flux軋延 最終產品

鋼胚電爐

煉焦爐

燒結機高爐 煉鋼 軋延

最終產品鐵水 鋼胚PelletIron Ore LumpPCI

製程介紹佔 2/3

佔 1/3

成本：煤、鐵、廢鋼、能源、設備、人力、銷售等

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一貫作業鋼廠Power Plant

NG, Heavy Oil, Coal

Iron OreLimestone

OG BoilerCoal

Coke Oven

COGBFG LDG

Self-ProducedFuel Gas

O2

PCI

Torpedo carSintering Plant

Oxygen Converter

○

Continuous Caster

BloomSlab

Hot Rolling

Electric Power

Cold Rolling

Re-heating Furnace

Continuous Galvanizing Line

Blast Furnace

Continuous Annealing & Processing Line

FinishedProducts Coil

COG

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原料進港

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原料堆置

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煉鐵高爐

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高爐產出鐵水

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魚雷車運送鐵水至煉鋼廠

新材料研究發展處- 15 -鐵水裝進盛銑桶

新材料研究發展處- 16 -盛銑桶鐵水 倒入轉爐煉鋼

新材料研究發展處- 17 -熱鋼胚

新材料研究發展處- 18 -鋼胚再行加熱 準備軋延

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熱軋鋼捲

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各製程能耗案例

202.2冷軋363.0 775.9熱軋

鋼板

百分比%Mcal/tcs項目

1.80 94.5其他5.06266.5公用設施

14.73

210.7

軋鋼

2.04107.5煉鋼55.642930.7高爐9.74513.2燒結

10.99578.7煉焦

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高爐55.64%

其他1.80%

公用設施5.06%

軋鋼14.73%

煉焦10.99%

燒結9.74%煉鋼

2.04% 總能耗100%

各製程能耗分佈表

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高爐煉鐵最低理論能耗值 Reduction from Iron oreReduction from Iron ore

½ Fe2O3 + 3/4C ½ Fe2O3 + 3/4C Fe + 3/4CO2 Fe + 3/4CO2Atomic weightAtomic weight

½[(2x56+3x16)] + 3/4x12 ½[(2x56+3x16)] + 3/4x12 56 + 3/4 (12+32) 56 + 3/4 (12+32)

80 + 9 80 + 9 56 + 33 56 + 33Normalized to Fe-Atom Normalized to Fe-Atom 1.4 + 0.16 1.4 + 0.16 1 + 0.59 1 + 0.59 Energy Requirement ( 1/3 C per 1 Fe)Energy Requirement ( 1/3 C per 1 Fe) O2 + C O2 + C CO2 CO2 32/3 + 12/3 32/3 + 12/3 44/3 44/3 0.9 + 0.3 0.9 + 0.3 1.2 1.2

The other ReactionThe other Reaction Fe2O3 + 2 C = 2 Fe + CO + CO2 Fe2O3 + 2 C = 2 Fe + CO + CO2 CO + O2 = CO2CO + O2 = CO2 in this case : in this case : Hot Metal (Fe) 1.00 Carbon 0.44 Hot Metal (Fe) 1.00 Carbon 0.44 Iron Ore 1.46 CO2 1.57Iron Ore 1.46 CO2 1.57

Hot Metal (Fe) 1.00Carbon 0.46 Iron Ore 1.46CO2 1.70

When we get primary steel from iron ore, we need theoretically 0.46

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一貫作業鋼廠，所投入之能源大部份做為煉鐵製程反應及下游製程加熱之熱源。

所消耗之能源，絕大部份用在上述工業爐，做為冶煉反應及維繫其高溫運轉所需之燃料。

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所耗能源種類燃料煤 3.79%高爐 PCI 煤 14.30%冶金煤 74.45%電力 6.17%低硫油 0.78%NG柴油及汽油 0.49%其他 0.02%

所耗能源以煤為主

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對應之溫室氣體排放情形

一貫作業鋼廠溫室氣體排放，主要以二氧化碳為主。

CO2 99.81%

CH4 0.01%

N2O 0.15%

CFC 0.03%

Sub-Total 100.00%

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工廠名稱

主要排放源

佔全廠比例(%)

6 大溫室氣體排放佔全廠排放比例(%) 排放強度

( 噸 / 公噸鋼胚 )CO2 CH4 N2O HFCs

PFCs

SF6

A鋼鐵

電力 71.51

97.10 0.05 2.72 0.00 0.000.00

0.543 重油 14.96

製程排放 12.01

B鋼鐵

電力 59.92

97.20 0.09 2.36 0.00 0.000.00

0.597 重油 20.54

製程排放 13.23

電爐鋼廠溫室氣體排放 ( 案例 )

以電力消耗 ( 冶煉及軋延 ) 為主，且溫室氣體主要為 CO2 。日本電爐鋼廠平均值 : 0.563 ton CO2/ton 鋼胚

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主要工業爐包括煉鐵製程 --- 煉焦爐 Coke Oven 燒結爐Sinter Plant 高爐Blast Furnace煉鋼製程 --- 轉爐 LD Furnace軋鋼製程 --- 加熱爐 Reheating Furnace

題目 :臨時公佈在黑板上

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一貫作業鋼鐵廠與小型鋼鐵廠，在生產製程上，主要有何區別？兩者所消耗能源，主要有何不同？

主要製程設備 主要能耗一貫作業鋼鐵廠 煉焦爐

燒結爐 ( 機 )

高爐軋鋼加熱爐

煤、自產燃氣煤、自產燃氣煤自產燃氣燃料

小型鋼鐵廠 電弧爐精煉爐軋鋼加熱爐

電、氧氣、燃料電外購燃料

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對鋼鐵業者而言節能與減碳

一體兩面密不可分

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鋼鐵業溫室氣體排放，主要以二氧化碳為主；對鋼鐵業者而言，管制溫室氣體排放，實際上應從降低二氧化碳排放著手。

鋼鐵業降低二氧化碳排放技術，主要包括(1) 使用低碳燃料或再生能源、(2) 提高能源使用效率、(3) 在排放源進行二氧化碳捕捉等。

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廢氣( 污染防制 )

油氣煤

廢棄物

熱 源 廢熱回收

廢棄物處理

熱傳效率

能源管理

燃燒效率

電

使用低碳燃料或再生能源 提高能源使用效率

在排放源進行二氧化碳捕捉

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使用低碳燃料或再生能源

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使用 Carbon-free 能源及還原劑

1.氫氣 -- 日本 NSC已自 COG 分離出 H2

供應燃料電池汽車 或公車2.生質能及 Charcoal--巴西已使用

Charcoal 高爐製程進行煉鐵3. Electrolysis--美國 MIT 在 DOE 之經費贊助下初步已有豐碩之成果

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風力發電 太陽能發電

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提高能源使用效率

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1. 在公司內提昇能源使用效率 藉由 加強能源管理 開發先進燃燒器提昇燃

燒效率 加強廢熱回收與利

用 能源平衡分析找尋新節

能機會 推行能源節約專案計劃2. 開發新的低能耗製程技術3. 進行區域能源資源整合

提高能源使用效率策略

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Combustion chamber

Combustion Air

Heat storageHRS Burner

Waste Gas

FuelSolenoid Valve

蓄熱式高溫空氣燃燒系統High-cycle Regenerated System (HRS)

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區域能源資源整合

與工業區內臨近友廠互通多餘能源，如：蒸汽、焦爐氣、電力、氧氣、氮氣、氬氣、燃料氣及純水等，減少整體能源使用量及溫室氣體排放。

充份利用各工廠產出之製程副產物，可減少天然資源開採及環境破壞、廢棄物處理時造成之環境負荷及資源加工或使用時所產生之溫室氣體排放。

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節能目標

至 2010 年，以 2004 年單位粗鋼能耗量為基準1. 中長程廢熱回收計畫節能 2.8%

2. 中長程新增產線計畫增加能耗 -1.7%

3. 各廠處節能改善計劃 ( 廢熱回收除外 ) 2.5%

再節能 3.6%

經過多年努力， 2003 年單位粗鋼耗能 ，較 1979 年節能 22.4% 。

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在排放源捕捉二氧化碳

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CO2 的捕捉方法包括：化學 /物理吸收 (absorption) 、吸附 (adsorption) 、低溫冷凝以及薄膜分離等

實際應用則常採用化學吸收法，主要是利用胺類或各種醇胺類的混合溶劑及添加物來捕捉 CO2 。

二氧化碳捕捉方法

耗能 !!!!

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目的 研究建立結合富氧燃燒、廢氣再循環及煙道氣捕捉二氧化碳之低二氧化碳排放燃燒技術

目標 建立有利於煙道氣 CO2捕捉之富氧燃燒及廢氣再循環技術建立結合富氧燃燒及廢氣再循環之煙道氣 CO2捕捉系統及技術

應用 各式燃燒爐

計畫名稱：工業爐低二氧化碳排放之燃燒技術建立CSC參與 CO2突破技術之研究

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低二氧化碳排放 燃燒流程示意圖

燃料氧氣或空氣

燃燒爐CO2

H2O

廢氣再循環( 主要為 CO2 、 H2O)

煙囪CO2捕捉示範廠

三號高爐熱風爐成大實驗爐

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CO2 之運送由 CO2 運送文獻資料顯示，距離短或處理量大之 CO2輸送，以 Piping輸送為主。距離遠及處理量小之 CO2輸送，以槽車或船運。

美國自 1970 年代起，便以 Piping輸送 CO2 經過人煙稀少地區，至油田進行 Oil Enhanced Recovery 。一般而言， Piping輸送壓力約為 80 公斤 (已超過Supercritical Point) ，主要是為了避免兩相流動。

槽車運送，一般使用 20 公斤壓力且攝氏零下 20 度之條件輸送。此時， CO2 為氣、液兩相共存。此一作法，較不符合經濟性，僅適合小量運送；CO2 送達 Storage Site 後，需再行加壓，才打入Storage Site貯存。

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CO2封存

Reference: Dixon, R. K., presentation in APEC Business and Climate and 2nd Asia Region Climate and Energy Workshops, 2005 。

UnmineableCoal Beds

Deep SalineAquifier

Depleted Oilor Gas Reserves

突破性技術

海洋封存

EnhancedOil

Recovery

CO2捕捉技術 + 燃燒程序改善整合

地質封存

封存潛能調查與功能評估技術封存監測與驗證技術

環境影響環境影響 ??

地表封存

封存設施建構技術

(生物、化學捕獲封存技術 )

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CO2 Capture Projects

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CO2 Storage Demonstration Projects

Oregon State ： Crater Lake

安全開車：地上結冰、打滑

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國際間鋼鐵業者之節能減碳技術研究

埋頭努力偶爾也要浮出水面修正方向加入國際活動知己知彼 百戰百勝

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世界鋼協二氧化碳突破活動 歐盟 ULCOS

AISI

Japan JISF

Korean POSCO

中國鋼鐵公司

區域性尚未全球性開放

ULCOS 總經費 4500 萬歐元 ( 自 200403)

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世界鋼協之單位鋼品 CO2 排放減量目標

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

2000 2020 2040 2060 2080 2100

高爐

應用突破技術

平均值 ( 含 EAF)

短期解決方案技術改善

ton

CO

2/tc

s 落實突破技術

0.9

0.8

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美國 University of Utah實驗工場

氫能煉鐵技術開發

Fine Iron Ore 與 H2 在不同溫度下之還原率超過 1300 oC 還原更為快速

AISI 結合 12 家公司，自 2008 年 6月開始進行為期 3 年之 Pilot 研究總研究經費 530 萬美元

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日本鐵鋼聯盟 (JISF)推動COURSE50

CO2

Ultimate Reduction in Steelmaking Process by Innovative Technology for Cool Earth 50

藉由創新技術研發至 2050 年，大幅度降低鋼鐵業之 CO2 排放。

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計畫 1. Simultaneous heat recovery and pre-reduction of hot sinter

計畫 2. CO2 absorption using ammonia solution

計畫 3. BioSlag utilization for the restoration of marine environment

計畫 4. Steel solution for hydrogen production - Steam reforming of COG and waste plastic計畫 5. Iron ore reduction using hydrogen-enriched syngas

計畫 6. Carbon-lean FINEX process

能源回收

二氧化碳捕捉

氣候變遷改善

氫能應用

新製程

韓國 POSCO CO2 Breakthrough 計畫架構

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S. KOREA

Pohang Works

Donghae Gas field每年可封存 100 萬噸

CO2

船運 CO2

Pipeline

二氧化碳捕捉 以氨水自高爐氣中吸收二氧化碳

二氧化碳封存 自浦項鋼廠捕捉下來之 CO2 以船運或管線輸送至 170 公里外之 Donghae 油氣田

POSCO 於 2007 年 11月與韓國政府簽訂封存備忘錄

韓鋼 CCS (carbon Capture and Storage)

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中國大陸 寶山鋼鐵公司

利用鋼渣吸附 每噸鋼渣可吸附 200 公斤每年可吸附 22 萬噸二氧化碳

自石灰窯排氣吸收 預計吸收 1 萬頓二氧化碳

回收排氣中的二氧化碳

利用鋼渣捕捉 CO2

15 分鐘可完成捕捉

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澳洲 Bluescope Charcoal 研究

所製成 Charcoal

已在 Ladle 當增碳劑使用仍未在高爐使用

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HECAM: Hydrogen Energy with Carbon Materialsby Prof. John W. Halloran

仍在 Concept 驗證階段 !!!!

CHx x 〜 4 for natural gasx 〜 2 for petroleumx 〜 0.7 for coal

Fossil Fuels

Hydrogen for clean fuel Carbon Material for Construction

Pyrolysis

Carbon Materials 用量還是有限大部份 Fossil Fuel僅使用其 Hydrogen

如總能源需求未降低，站在能源利用的角度來看Fossil Fuel 用量勢必須增加。

Questions:

98.05.22中華民國陶業學會

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Chemical Looping Combustion

Metal Oxide固體反應性及穩定性 ?

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風力發電與環境-- 風力發電可降低 CO2 之排放，

-- 風力發電機在生命週期內所發出電力能量，可高於其製造、運轉、維護等所耗能量之 80倍以上。

鋼鐵為相當環保之產品

高強度鋼材與環境汽車若使用目前所開發之高強度鋼材原有車體共可減重約 9% ，車子能耗可節省 5.1% 。由生命週期分析結果顯示，每部車，可減少 2.2 公噸 CO2 排放量。

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結 語

一貫作業鋼鐵廠或電爐廠，所投入之能源大部份做為煉鐵製程熔融、還原反應及下游製程加熱之熱源。所消耗之能源，絕大部份用在上述工業爐，做為冶煉反應及維繫其高溫運轉所需之原料或燃料使用。

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鋼鐵業節能減碳技術，主要包括(1) 使用低碳燃料或再生能源、(2) 提高能源使用效率、(3) 在排放源進行二氧化碳捕捉等。

其中，使用低碳燃料或再生能源，牽涉到新能源及製程技術開發，係從能源使用源頭來著手改善。

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提高能源使用效率，則在能源使用過程中，提昇燃燒效率、加強廢熱回收、整合區域能源與資源，讓能源於使用過程中做最有效地利用，減低能源消耗量、進而降低二氧化碳排放量。

在排放源進行二氧化碳捕捉，乃在製程燃燒最末端將排氣中的二氧化碳予以捕捉下來，扮演《二氧化碳終結者》角色，達到降低二氧化碳排放目的。

新材料研究發展處- 66 -

鋼廠能源消耗，可藉由能源管理及持續研發，來降低改善。

以中鋼公司為例，經過多年來持續改善，單位鋼品能源消耗已下降 22.4% 。單位鋼品能源消耗，更已低於先進國家鋼廠能源消耗實績值，大大增強了產品在國際市場上的競爭力。

新材料研究發展處- 67 -

鋼鐵業，雖屬於能源密集產業，但因其產品可再回收循環利用。實際上，鋼鐵應屬於相當環保之產品。

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高雄捷運路線圖

未來展望

生活更美好有您更好 !!!

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Thank You Very Muchfor

Your Kind Attention !!