鋼鐵產業減碳新突破：結合生質能緩慢裂解技術於電弧爐煉鋼廠
圖1:rE-CORD 的 100 kg h-1 示範規模迴轉窯緩慢熱解窯實驗設施（A. Salimbeni et al.）
圖靈學院
科楠
2024-12-19
摘要
全球鋼鐵產業減碳迫在眉睫，而以 “生質能緩慢裂解技術” 結合 “電弧爐（EAF）”煉鋼工廠，成為一項創新且具經濟可行性的解決方案。在“Techno-Economic Feasibility of Integrating Biomass Slow Pyrolysis in an EAF Steelmaking Site - A Case Study”之研究中以義大利某電弧爐工廠為案例，展示了如何利用廢熱將生物質裂解成 “生物煤（Biocoal）”，完全取代化石煤，同時產出可再生電力與餘熱，達到減少溫室氣體排放並提升經濟效益的目標。
背景與挑戰
隨著全球碳排放法規日趨嚴格，鋼鐵產業作為高耗能及高排放的「難減排」產業，面臨嚴峻的減碳挑戰。傳統煉鋼廠使用化石煤為燃料，碳排放占比高達40-70%。雖然技術上已證明可使用 “生物煤”替代化石煤，但在經濟上尚未具備競爭力，尤其是在歐洲地區。
關鍵挑戰：
1. 原料供應不足：大規模使用生物質可能導致森林砍伐與生態系統破壞。
2. 成本過高：生物煤生產成本遠高於化石煤。
3. 技術整合困難：需要確保生物煤品質穩定，並克服鋼廠間歇操作所帶來的能量供應問題。
解決方案：結合緩慢裂解技術於電弧爐鋼廠
圖2:此研究發展的建模工具的結構 （A. Salimbeni et al.）
此研究提出的解決方案是在現有電弧爐（EAF）鋼廠中，建置一座 “生物質緩慢裂解裝置”，透過以下步驟達到技術與經濟雙重可行性：
1. 回收EAF廢熱：電弧爐所排放的高溫廢氣（1050°C）作為裂解爐加熱來源。
2. 裂解生物質：將生物質（如蘆葦）裂解成三大產物：生物煤、裂解氣體（Pyrogas）及裂解液體。
3. 再利用裂解氣體：裂解氣體透過蒸汽發電機轉化成 “再生電力”供應EAF。
4. 乾燥生物質：利用低溫餘熱進行原料生物質乾燥處理，提升裂解效率。
圖3:整合熱解-電弧爐系統（A. Salimbeni et al.）
結果目標：
- 生產足夠的 “生物煤”取代化石煤。
- 減少溫室氣體排放，年減少約10,500噸CO₂。
- 創造經濟效益，估算投資回收期為5.4年。
實驗與模擬結果
1. 生物煤品質
研究使用 “蘆葦（Arundo Donax）”作為生物質原料，經過試驗及分析，所得生物煤符合電弧爐煉鋼的要求：
- 固定碳含量：72.1%
- 揮發分含量：12.3%
- 灰分：15.6%
- 低位熱值：26.9 MJ/kg
這些指標與傳統用於煉鋼的 “無煙煤（Anthracite）”相當，證明可作為替代燃料使用。
2. 能源整合與回收效率
- EAF廢氣熱能：4.15 MW
- 裂解熱能需求：1.21 MW
- 裂解氣體產能：3.69 MW
- 蒸汽發電效率：27%，可產生1.72 MW的電力。
- 乾燥熱能回收：1.1 MW
這樣的整合設計有效回收能源，並提升整體工廠效率。
3. 經濟評估(此研究背景為歐盟)
在歐盟碳交易機制（EU ETS）的支持下，研究估算整體經濟效益：
- 煤炭成本節省：243,810 歐元/年
- 碳排放額度節省：625,233 歐元/年
- 電力購買節省：1,083,600 歐元/年
- 投資回收期：5.39年
敏感度分析顯示，生物質原料價格對投資回收期影響最大，需確保原料供應鏈穩定。
技術與政策建議
1. 廢熱再利用技術：推廣高效廢熱回收技術，實現能源閉環利用。
2. 碳定價機制：維持穩定的碳排放交易價格，縮短生物煤與化石煤的成本差距。
3. 生物質供應鏈建設：鼓勵使用殘餘農林廢棄物，避免對森林造成額外壓力。
圖4:整合熱解-電弧爐工廠的能量平衡（A. Salimbeni et al.）
結論：邁向鋼鐵產業的綠色未來
該研究展示了整合 “生物質緩慢裂解技術”於 “電弧爐鋼廠”的創新潛力，不僅實現了能源回收與溫室氣體減排，更證明了在現有技術與政策支持下，此方案具備高度的經濟可行性。隨著歐盟碳排放交易機制（EU ETS）的推動，未來鋼鐵產業將有望邁向 “低碳、永續”的綠色新未來。
利用生質能藉由熱裂解/氣化技術整合於高耗能、高耗電產業製程，除了電弧爐煉鋼外，也適用於陶瓷、玻璃窯爐業，汽電共生鍋爐 (用合成氣取代天然氣或重油)，石化業等。IBCO目前與國內研究單位與熱裂解/氣化爐廠商，共同針對中小型企業減碳目標提供解決方案。
Reference:
Salimbeni, A., Lombardi, G., Rizzo, A. M., & Chiaramonti, D. (2023). Techno-Economic feasibility of integrating biomass slow pyrolysis in an EAF steelmaking site: a case study. Applied Energy, 339, 120991.
