CTAM_高爐氫能冶煉.pdf

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1. 中鋼高爐富氫氣體噴吹減碳技術 杜憲文 黃聰彥 柯永章 蔡建雄 出鐵 高爐  一貫化鋼廠製程碳排特性  以氫代碳機制與技術發展進路  高爐富氫噴吹技術發展規劃與進度 111年11月18日 智能控制 第46屆全國力學會議「氫能應用與發展」工程論壇
2. 1. 一貫化鋼廠製程碳排特性 2 煉鐵原料 燒結製程 煉焦製程 高爐製程 鐵水前處理 轉爐製程 鋼液精鍊 鋼胚連鑄 鋼胚軋延 鋼品 煉鐵廠 煉鋼廠 軋鋼廠 冷軋 熱軋 CO2 排放 典型比例 ~ 85% (高爐約75%) ~ 2% ~ 13% 煤炭 鐵礦 助熔劑  高爐提供鋼廠所需的鐵水，能耗最大且是煤基操作，為鋼廠CO2 主要排放源
3. 國外重要鋼廠碳排狀況 3 參考資料： CO2 Emissions | Global Carbon Atlas 2020 * https://cordis.europa.eu/project/id/515960 ** https://kknews.cc/zh-tw/finance/xglxjl8.html *** https://www.course50.com/en/ 寶武鋼廠碳排放 178.6百萬噸 (2%) 中國 日本新日鐵碳排放73.7百萬 噸(7%) 國家計畫：COURSE 50 / Super COURSE 50*** 浦項鋼廠碳排放75.6百萬 噸(13%) 國家計畫：COOLSTAR** ArcelorMittal 鋼廠碳排 放160.3百萬噸(4%) 歐盟整合計畫：ULCOS* 韓國 歐盟 日本  鋼鐵業為高碳排產業，為善盡社會責任，節能減排已成為重要的技術發展目標
4. 4 先低碳 2023 2050 2025 2021 2030 2025年減排7% 2030年減排22% 2050年 碳中和 2030：低碳高爐 ①將低碳高爐排放的CO 2 ， 以CCS捕捉封存 :低碳高 爐 無碳高爐 ②採用氫能冶金新製程: 鐵礦→ DRI → EAF →鋼 2050：碳中和 ①高爐輔助燃料由粉煤改 為含H 2 氣體。 ②部分含鐵原料以先經過 氫氣還原的還原鐵取代。 ③鋼化聯產，將排氣中CO、 CO 2 轉製成化工產品。 冶 金 煤 綠氫 綠電 外部配合條件 鐵 礦 終極路徑：綠電+以氫代碳+CCUS 廢鋼 轉爐 煉鋼 連鑄 高爐轉爐路徑 噴氫取 代噴煤 燒結 工場 低碳高爐 高爐 氫基 直接 還原 煉鐵 DRI CO、CO 2 鋼化聯產 COG LDG BFG CCS 煉焦爐 EAF 無碳高爐 直接還原路徑 醋酸、甲醇、EVA 添加 還原鐵 再零碳 2030：低碳高爐 ①將低碳高爐排放的CO 2 ， 以CCS捕捉封存 :低碳高 爐 無碳高爐 ②採用氫能冶金新製程: 鐵礦→ DRI → EAF →鋼 2050：碳中和 ①高爐輔助燃料由粉煤改 為含H 2 氣體。 ②部分含鐵原料以先經過 氫氣還原的還原鐵取代。 ③鋼化聯產，將排氣中CO、 CO 2 轉製成化工產品。 冶 金 煤 綠氫 綠電 外部配合條件 鐵 礦 終極路徑：綠電+以氫代碳+CCUS 廢鋼 轉爐 煉鋼 連鑄 高爐轉爐路徑 噴氫取 代噴煤 燒結 工場 低碳高爐 高爐 氫基 直接 還原 煉鐵 DRI CO、CO 2 鋼化聯產 COG LDG BFG CCS 煉焦爐 EAF 無碳高爐 直接還原路徑 醋酸、甲醇、EVA 添加 還原鐵 中鋼減排策略與氫能推動路徑規劃 2030：低碳高爐 (3大核心) (1)低碳原料添加，減少還原耗碳 (2)富氫氣體噴吹，以氫代煤降低碳耗 (3) 爐頂氣CO2 之捕集 2050：碳中和 (1)爐頂氣改質回噴，提高減碳效能 (2)發展CCU：以鋼化聯產將爐頂氣之CO2 捕集轉化成化工產品 低碳高爐→無碳高爐 (3)改採氫基短流程煉鋼： 鐵礦→DRI →EAF →鋼液
5. 5 3Fe2 O3 +CO(g) =2Fe3 O4 +CO2(g) Fe3 O4 +CO(g) =3FeO+CO2(g) FeO+CO(g) =Fe+CO2(g) FeO(l) +C=Fe+CO(g) 利用CO/ C煉鐵之還原反應 軟熔帶 爐床區 塊狀區 還 原 氣 體 向 上 爐 料 下 落 2.以氫代碳機制與技術發展進路 碳在高爐煉鐵製程的角色 出鐵、渣 鐵水溫度 >1480℃ 佈料區 風壓 ~ 3.8 atm 火焰溫度~ 2150℃ 1000℃ 130℃ 1200℃ 風徑區 鐵礦、焦炭 (還原劑/燃料) CO CO2 爐頂氣排放 2C+O2 =2CO(g)
6. 增加爐內氫氣含量，以氫代碳提升 爐身間接還原反應，減少爐下部強 吸熱之直接反應，有助於降低CO2 排放。 富氫氣體進入高爐的位置有鼓風嘴 與爐身兩種方式。 日本鋼廠COURSE 50計畫中以廠 內焦爐氣噴吹降低碳排(搭配CCS)， 待有足夠的外部氫氣供應，則進入 Super COURSE 50(搭配CCS/ CCU)之操作。 富氫操作之特性 6 CO、CO2 H2 、 H2 O 、N2 焦炭 含鐵原料 傳統高爐 富氫噴吹高爐 氧化鐵與H2間接還原反應： FeO + H 2 →Fe + H 2 O-23.8 MJ/kmol 參考資料：Nishioka, et al, J. Sustain. Metall. (2016) 2:200–208
7. 7 技術特性 公司 降低焦炭指標 (kg焦炭/每噸鐵水) 純氫鼓風噴吹 德國ThyssenKrupp (9號高爐噴 氫計畫)* (1)於2019年11月進行純氫噴吹測試 (2)因純氫供應的限制，已於2022年4月停 止全高爐噴吹計畫 焦爐氣/粉煤雙燃 料鼓風噴吹 Rogesa Dillingen**、HKM (德)、 AM Asturias (西班牙)***、 Nippon Steel(日本、測試中) Dillingen: 10kg_焦炭/每噸鐵水 Asturias: 20kg_焦炭/每噸鐵水 富氫氣體爐身噴吹 日本COURSE 50計畫 (日本君 津實驗高爐)**** 實驗高爐測試可行 國外富氫噴吹案例 參考資料：* https://www.h2-view.com/story/thyssenkrupp-steel-concludes-successful-hydrogen-injection-tests/ ** https://www.paulwurth.com/en/coke-oven-gas-injection-at-rogesa-blast-furnace-started-on-time/ *** https://constructalia.arcelormittal.com/en/news_center/2021/04/arcelormittal-asturias-starts-coke-oven-gas-injection-for-blast-furnace **** https://www.course50.com/en/technology/technology01/
8. 8 DRI HBI 還原鐵粒 富氫氣體 3. 高爐富氫噴吹技術發展規劃與進度  焦爐氣中含約55-60%之H2 與 20-25%的CH4 是穩定氫氣的 來源。  中鋼高爐氫能冶煉先期以鼓 風嘴焦爐氣與粉煤複合式噴 吹為主軸，搭配低碳爐料添 加，擴大減碳效能。  由於技術門檻高，且須搭配 高爐大修，爐身噴吹之發展 列為遠期目標。 富氫氣體 DRI HBI 還原鐵粒 富氫氣體 低碳排爐料添加+富氫氣體鼓風嘴噴吹 低碳排爐料添加+富氫氣體雙噴吹
9. 富氫噴吹對高爐操作的影響 9 燒結礦強度走低 鼓風嘴內燃燒劇烈，鼓風 嘴熱負荷高，噴鎗壽命走 低，爐下部波動大 焦炭層厚度減少， 爐內透氣阻力增加 軟熔帶  初生渣量變少  根部位置下降 爐頂氣體溫度走低 火焰溫度走低， 需以提高熱鼓風 富氧比例來補償 氫氣還原率增加  爐身熱需求增加  爐下部熱需求減少 參考資料：https://www.ieaghg.org/docs/General_Docs/Iron%20and%20Steel%202%20Secured% 20presentations /1300%20Shiro%20Watakabe.pdf
10. 10 高爐富氫噴吹研究規劃 2021 2023 2022 2024 2025 (1)商業化富氫氣體 噴吹技術調查 (2)設計參數評估 (3)COG品質分析 1BF單鼓風嘴COG噴吹測試 (1)安全評估 (2)噴鎗型態與鼓風嘴噴吹分析 (1)1BF單鼓風COG噴吹 系統採購 (2)測試設計  完成純氫鼓風嘴 噴吹取代PCI評估  高爐氫能冶煉研 究議題規劃  建立高爐模擬系統  展開高爐流場分析 模式建構  COG/ PCI雙燃 料噴吹設計  高爐高氫操作特 性解構 高氫下爐內 反應解構 風徑區氫氣噴 吹模擬計算 (1)雙燃料噴鎗設計 (2)風徑區結構分析 (3)全高爐流場模式 (i) (4)富氫噴吹減碳評估 (i) (1)全高爐流場模式 (ii) (2)富氫噴吹減碳評估 (ii) (3)最適噴鎗與鼓風嘴設計 (1)含鐵原料劣化試驗 (2)還原動力學試驗 (1)多料層高爐模擬爐系統建立 (2)軟融特性試驗 (3)富氫氣體燃燒模擬試驗技術 (1)高氫還原效能評估 (2)還原熱力學分析 高爐高氫 操作對策 (1)國外商轉噴吹 技術評估 (2)富氫操作最佳 化分析 富氫操作最 佳化模擬  最佳噴氫率與減排 效能  單鼓風嘴雙燃料噴 吹測試 富氫氣體高 爐噴吹測試  全高爐COG 噴吹規劃與 技術規範 研究里 程碑 高爐模擬 系統設計
11. 前瞻產學高爐氫能冶煉 主要子計畫名稱題 計畫主持人 計畫窗口 富氫氣體下H2 /CO還原鐵礦之轉化率、熱平衡與熱動力學解析 林士剛、紀渥德、 謝克昌、陳世偉 杜憲文 /蔡建雄 富氫噴吹減碳評估 吳煒 富氫氣體及粉煤噴吹系統設計 林惠娟、吳鉉忠 富氫氣體及雙噴鎗系統設計 許聖彥 富氫氣體噴吹對風徑區形狀與反應行為之模擬分析 蘇德徵 富氫氣體燃燒模擬試驗技術(空爐燃燒) 陳冠邦、伍芳嫺 全高爐熱流場分析及分析平台建置 蔡建雄、許聖彥 11  於2021年5月成立前瞻技術產學合作計畫團隊，經過超過90次的會議與讀書會， 完成參與教授之定位，組成Hydrogen Rich小組，完成相關研究的規劃
12. 12 焦爐氣噴吹燃燒與氫氣分佈模擬計算 高爐燃燒區溫度分布  富氫噴吹點火位置接近噴鎗出口，對噴鎗與鼓風嘴壽命是一大挑戰。  富氫噴吹操作提高爐下部氫氣濃度，有助於還原反應減少碳耗。 H2 分率 富氫噴吹爐腹區氫氣分布 軟融帶邊界 爐蕊固 化區 富氫區 焦爐氣噴吹 噴鎗出口 Temp. K 粉煤噴吹 鼓風嘴 風徑區
13. 13 DEM技術模擬高爐佈料操作 coke ferrous Small Coke Lump Sinter Coke  富氫噴吹時爐氣體積走高，爐料堆疊必須有足夠的空間，避免氣流 不順，爐壓走高。  與英國Altair公司合作，導入離散元素法(DEM)，模擬高爐佈料操作 掌握料層之結構，是富氫噴吹穩定高爐操作的重要關鍵。
14. 全高爐模式的導入 14  導入全高爐模式進行爐內各項參數對 於富氫操作的敏感度分析，有助於全 高爐操作時爐況的順行。  規劃由國外長期發展的研究機構 (如澳 洲 Monash大學之SIMPAS)導入原始 碼，學習建模與副程式使用方式，以 實驗與量測數據為計算的邊界，以建 立富氫雙燃料噴吹全高爐試算模式。 軟熔帶 爐中心 爐壁 參考資料：Li, et. al, Fuel, (2022) 323: 124368-124384
15. 15 建構富氫操作高溫反應模擬爐 進行多料層加料 爐氣 (1850oC) 料面  高爐富氫操作時，爐內含鐵原料 的反應行為，軟熔帶位置與爐渣 形成的冶金性質與碳基操作者不 同。  本公司研發單位參考國外技術， 設計出富氫高溫多料層模擬爐， 可模擬自料面到滴落帶爐料反應 特性。  111年10月於日本順利完成系統 冷、熱試車，規劃111年12月裝 船運送。 軟熔帶 滴落帶 固狀區
16. 16 高爐富氫噴吹燃燒試驗設備全系統設計-能策中心 Test section Air heating section Burner section Fuel supply section Post-processing section A. A. B. C. D.  A (燃料區)，C (燃燒區)與E (儀控、 系統組立規劃與報價)完成初步規劃 與Layout佈置  B (測試區)與D (後處理區)設計中  為探討雙燃料複合噴吹 時操作條件 (如噴鎗設 計與鼓風參數等)對燃燒 之影響，已委託成大能 策中心設計富氫氣體燃 燒試驗爐系統
17. 17 焦爐氣 壓縮機 (出口壓力8bar) 氣體控制系統 焦爐氣噴鎗與 鼓風嘴設計計 評估噴吹系統安全性，燃燒行為，製程連鎖安全設計與收集操作特性數據。 已完成噴吹測試之技術規範，將於112年底進行噴吹測試。 高爐焦爐氣/粉煤雙噴吹測試規劃 焦爐氣噴吹重要單元系統
18. 18 Not make more steel, but make more from steel. 謝 謝