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碳捕捉、捉什麼?創造鋼鐵產業競爭力

2016/10/05 經濟部能源局 點閱人次: 1672

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整理/李茗家
圖片、資料提供/中國鋼鐵股份有限公司

人類經濟活動產生的二氧化碳排放持續增加,是造成全球暖化的主因,全球暖化將嚴重威脅到人類生存。在各行各業正努力取得環境保護與經濟成長的平衡時,身為國內鋼鐵工業龍頭的中國鋼鐵股份有限公司(以下簡稱為中鋼),早已踏上這條「減碳」之路。

鋼鐵工業是國家建設的基本工業之一,對於社會經濟發展占有重要的地位。鋼鐵,是應用最廣泛的金屬材料,也是可回收循環再利用的綠色資源;然而鋼鐵業也是能源密集產業,以鐵礦為原料的一貫作業鋼廠為例,生產過程中利用高爐產出鐵水,再以轉爐等技術生產高品質鋼,平均生產1公噸鋼將會排出約2公噸的CO2。

中鋼為降低溫室氣體排放,長久以來致力於製程中節能減碳,像是在既有製程使用低碳能源、強化燃燒/廢熱回收及區域能資源整合,以及開發低碳煉鐵技術如碳熱還原、廢鋼轉爐煉鐵(chinasteel scrap melting process, CSMP) 等。至於廠內排放的二氧化碳方面,朝向發展「碳捕捉、封存及再利用技術」(Carbon dioxide Capture, Storage, and Utilization, CCSU)以降低直接向大氣中排放CO2。

CCSU 成為各國鋼廠研發方向

因應低碳經濟的趨勢,全球重要的能源密集產業如電力、鋼鐵、水泥、石化等行業,都投入減碳的行列,而CCSU亦被視為一個可行的方向。

國際各主要的鋼鐵廠幾乎全投入CCSU相關研發工作,部分鋼鐵廠甚至已建立試驗工場發展碳捕捉技術,惟研發方向略有差異,例如日本Course50專案主要開發醇胺化學吸收技術,韓國POSCO以研發氨水捕碳技術為主。

除捕捉後封存於地質外,CO2捕捉技術也可應用於廠內冶煉製程,如歐盟開發的高爐爐頂煤氣回流(Top Gas Recycling-Blast Furnace, TGR-BF)技術,做法為捕捉高爐塔頂爐氣中的CO2後,其餘還原氣再導回高爐,可大幅降低排碳量及提升產能。另有部分鋼鐵廠投入研究利用煙氣培養藻類或碳酸化轉爐石製作魚礁等技術。

世界鋼鐵協會(World Steel Association)多年前就成立二氧化碳突破技術研發計畫(CO2 Breakthrough Program),此為國際鋼鐵業者對節能減碳共同提出的倡議,由協會會員定期交流CO2捕捉技術與鋼鐵業低碳技術的研發現況。中鋼也是會員之一,藉由參與國際性活動跟上世界脈動,期望能開發低能耗的碳捕捉技術。

全面研究與評估,選擇最適方案

中鋼投入CCSU技術研發初期,先全面盤點廠內主要的氣源資料,以檢視各氣源的組成、流量與壓力,並就多項具潛力及可行性之碳捕捉技術,與國內相關學術單位合作研究與評估其優缺點,最終才發現燃燒後捕集技術最適合。

由於燃燒後捕集技術非常多元,為瞭解這方面的資訊,中鋼蒐集許多研究文獻,並參考國際能源總署溫室氣體研發計畫(IEA Greenhouse Gas, IEAGHG)資料,瞭解到全球採用燃燒後捕集技術的工廠中,每年捕碳量大於80萬噸的大型工廠幾乎都是以化學吸收技術為主。因此造就中鋼踏上「化學吸收捕碳技術」研發之路。

化學吸收技術主要是藉由液體溶劑來吸收CO2,使其從煙氣中分離。目前最具潛力的化學吸收液,可分為醇胺類與氨水類兩大類,為探討其中的差異性,中鋼曾試驗過MEA、DETA、AMP、PZ等多種醇胺類吸收液,而氨水類吸收液除配置不同濃度的氨水外,也針對中鋼煤化學工場自產的氨水溶液進行試驗。

即便醇胺類吸收液應用於石化產業的歷史相當悠久且技術成熟,但經過仔細思考之後,中鋼認為氨水具有化學性質穩定、價格便宜、反應熱較低、去除硫氧化物(SOx),以及環境問題單純、無專利問題等優點,再加上料源取自廠內副產品且整合廠內低溫廢熱,不僅減少能資源的需求,亦達到符合循環經濟的概念。經過多方實驗比較,氨水在中鋼的化學吸收技術戰場中勝出,氨水捕碳技術成為中鋼的捕碳主力。

8年前就展開小型設備試驗

除實驗室設備外,中鋼於2009年在3號高爐熱風爐煙囪旁, 建立國內第1套連續式運轉現場(on-site)再生吸收劑的碳捕捉示範工場(Pilot-scale),每天捕捉約0.1噸CO2,以利研發相關技術。近年更建立可彈性組合之實驗室規模(Bench-scale)吸收設備,方便研究不同氣源的碳捕捉特性。另外,除人工線外取樣檢驗外,也建立CO2、NH3、H2S氣體之雷射即時分析儀,提升試驗品質。

由於氨水捕碳技術的最大挑戰在於:氨本身高揮發性所衍生的逸散問題,此將大幅增加污染防治成本,也造成近年來國際間氨水捕碳技術的進展較醇胺類緩慢。因此,中鋼的研發多集中於改善此項問題,並開發出一項新的氨水捕碳技術,其特點為改變氨水導入吸收塔之位置與流程、兩段式尾氣除氨技術。

該項技術經過實驗室及小型模場實測後,結果顯示NH3揮發量、淋洗水流量與再生塔能耗等均顯著減少,驗證其優點與可行性。若此技術能成功落實應用,除了能夠降低中鋼的碳排放量外,亦可帶動國內碳捕捉技術產業的發展。

多元發展,持續開發

中鋼除開發低能耗的碳捕捉技術外,更依照鋼鐵廠特性的不同,以針對微藻養殖進行生物固碳方式以及自產轉爐石進行礦物固碳方式,並於廠內分別建立小型試驗設備。未來,中鋼將持續開發具低能耗、低成本且符合環保的工業化碳捕捉技術,並建立相關設計、建造及應用能力,相信將為國內碳捕捉技術注入一劑強心針,並帶領鋼鐵產業於減碳領域逐步向前邁進。


關鍵字:碳捕捉,CCSU,中鋼

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