(一) 一貫作業煉鋼製程

1.煉焦乾式淬火(CDQ)技術

煉焦爐乾式淬火(CDQ)製程是傳統濕式淬火的替代技術。在乾式冷卻裝置中利用惰性氣體冷卻焦炭,而不是利用噴水冷卻,噴水會導致較高的二氧化碳排放並產生熱損失。而CDQ技術可回收淬火氣體中的熱能來生產蒸汽和發電,並用於區域供熱和/或焦煤(又稱冶金煤)的預熱。此外,CDQ技術還可以改善焦炭的品質,降低高爐中的焦炭消耗量。由於焦炭品質得到改善,CDQ技術允許在製程中使用低成本的非焦煤,從而降低了成本。

CDQ製程技術廣泛用於日本和韓國。根據國際能源署2007年報告,中國擁有CDQ製程技術的工廠不足30%,在歐盟、美國和加拿大,CDQ製程技術的應用仍處於較低水準,主要原因是電價較低而對內部報酬率(internal rate of return, IRR)的預期較高,另外也是出於環境和安全方面的考慮。

(1)國外節能效益
  • 1. 根據IEA報告,煉焦爐採用CDQ技術的最高效率節能量可達40%,每噸焦炭約可回收1.5 GJ的熱(相當於400 - 500 kg的高溫蒸汽)與0.55 GJ的電力。在中國,從1995年至2000年,煉焦的單位耗能從5.6 GJ/噸焦炭降低至4.9 GJ/噸焦炭,到2004年進一步降低至4.2 GJ/噸焦炭,這得益於超過10套CDQ設備和其他先進淬火技術的引進。
  • 2. 根據NEDO報告,對於焦炭年產量45萬噸(高爐年產量100萬噸的)的工廠,每年可生產450 GWh的蒸汽以及約150 GWh的電力。
 
(2)國外成本效益
  • 1. 改造投資成本為109.5美元/噸焦炭。一個擁有三組焦爐的煉焦廠其改造投資成本估算為6,000-7,000萬歐元,包括設備和安裝費用。
  • 2. 在歐洲,投資年產能200萬公噸的焦炭工廠,其設備費用估計為7,000萬歐元。根據電價情況,如果所有蒸汽都用於發電,投資回收期約為3年。
  • 3. 根據NEDO報告,在日本年產能45萬噸的煉焦廠採用CDQ,需要30億日元的設備費用以及 5億日元的工程造價費用。如果按電價17.99日元/kWh計算,投資回收期約為3.6年。
  • 4. 透過更換兩套25 t/h的焦炭淬火裝置(從濕式淬火系統轉為乾式淬火系統),並為每套裝置配備15 MW的發電機組,預計可節約900萬美元的電費以及100萬美元的水費。
    • 2.煉焦煤濕度控制(CMC) 技術

      煉焦煤濕度控制技術(Coal Moisture Control, CMC)是將煉焦煤在裝爐前去掉一部分水分,使入爐的煉焦煤水分控制在6%左右,並確保入爐煤水分穩定的一項技術。CMC技術不僅可增加裝入煤的堆密度,提高焦炭強度,提高煉焦生產能力,而且可以減少焦化廢水排放量,達到降低成本和節能減碳、清潔生產的目的。

      CMC技術利用從焦爐氣中回收的低壓蒸汽或顯熱,將煉焦用原料煤的濕度從通常的8-10%調整到6%左右。CMC技術可減少碳化所需的熱熱量(煉焦熱耗),並提高生產力和焦炭品質。

      CMC技術依其發展之歷程有分成三種方式。第一種方式是熱油乾燥方式,利用熱油回收焦爐氣顯熱和焦爐煙道氣的餘熱來做為煉焦煤濕度控制之熱源;第二種方式是蒸汽乾燥方式,利用乾式淬火蒸汽發電後的低壓蒸汽或其它低壓蒸汽作為熱源,在多管回轉式乾燥機中,蒸汽對煤料間接加熱乾燥;第三種方式是流化床CMC裝置,其乾燥用熱源是由抽風機抽吸的焦爐煙道廢氣,這個裝置還設有熱風爐,當煤料水分過高或焦爐煙道廢氣量不足或煙道廢氣溫度過低時,可將抽吸的煙道廢氣先送入熱風爐,用焦爐氣點火,使高爐氣燃燒,提高煙道廢氣的溫度。

      (1)國外節能效益

      根據中國工信部資料,在中國使用CMC技術可降低煉焦耗熱量約5%;節約加熱用之焦爐氣,裝爐煉焦煤含水量每下降1個百分點,煉焦耗熱量可降低45~60MJ/t。當裝爐煉焦煤含水量下降4個百分點時,可節省煉焦耗熱量180~240MJ/t,相當於節約焦爐加熱煤氣(混合煤氣熱值4000kJ/m3)45~60m3/t,折合標煤6.1~8.2kg/t。

      (2)國外成本效益

      根據中國工信部資料,在中國裝設1套210 t/h CMC設備,投資成本估算約1億元人民幣;操作費用約為3,800萬元人民幣/年;投資回收期約7年。

      3.燒結廢熱回收(Sinter Cooler Waste Heat Recovery)

      將燒結爐所產生的廢熱進行回收,用以產生蒸汽、預熱煤炭或利用蒸汽發電,同時冷卻後的氣體可送回燒結爐繼續使用。燒結混合料在燒結機完成燒結後之燒結礦溫度約800 ℃左右,此紅熱燒結礦進入冷卻機冷卻至約120 ℃。設置燒結廢熱回收系統目的在於回收冷卻機之廢熱產製蒸汽,可以不必使用燃煤來產製蒸汽,因此可以節能及減少CO2 排放。

      (1)國外節能效益
      • 1. 根據日本JASE機構資料,在日本的燒結廠,燒結冷卻機和燒結機分別回收了120kg和170kg蒸汽(20atm)(相當於0.34 GJ(11.6 kgce)/噸燒結礦和0.48GJ (16.4 kgce)/噸燒結礦))。用於餘熱發電,發電量分別為20kWh/噸燒結礦和30 kWh/燒結礦。
      • 2. 根據NEDO資料,日本的其他燒結廢熱回收可產生60,000 kcal/噸燒結礦的蒸汽量。
      • 3. 根據USEPA資料,荷蘭一家燒結廠之廢熱回收改造節約燃料達0.55GJ/噸燒結礦,增加發電量1.4kWh/噸燒結礦。
      • 4. 根據中國工信部資料,在中國該技術可發電20kWh/t燒結礦,折合噸鋼綜合能耗可降低約8kgce (0.234 GJ)。
      (2)國外成本效益
      • 1. 根據APP資料,在荷蘭的一個廠之改造成本為 3 US$/噸燒結礦
      • 2. 根據USEPA資料,荷蘭一家燒結廠之改造成本為 4.72 US$/噸燒結礦,回收期2.8年。
      • 3. 根據中國工信部資料,在中國燒結礦年產100萬噸,採用燒結餘熱回收技術。該投資計畫總投資額1223萬元人民幣,年發電量1800×104kWh,增加收入918萬元。增加燒結餘熱回收設施,將增加動力費、製造費、管理費、財務費等,各項費用合計568萬元,項目利潤總額338萬元。經估算計畫投資回收期(不含建設期)3.1年,內部報酬率31.9%。

      4.高爐頂壓發電

      現代大型化的高爐煉鐵為求高效能生產,皆採用高頂壓操作,在煉鐵過程中產生高壓高溫之高爐氣需減壓以供熱風爐、煉焦爐及下游需用高爐氣之單位使用,若直接減壓高爐氣將產生廢熱,非常浪費,因此安裝高爐頂壓發電裝置,將高壓高溫高爐氣直接推動渦輪機進而發電,效能可達12MW,以減少外購電,達成節能目的。

      由於多數高爐運轉時會產生高壓氣體,其爐頂氣體壓力仍高達3巴(bar),溫度約為200℃,該高壓氣體可用於渦輪機發電--高爐頂壓發電(Top Pressure Recovery Turbines, TRT)。TRT可生產15~40 kWh/t-HM的電量,其輸出電量可滿足全部高爐設備(包括鼓風機)約30%的電力需求 。從TRT系統排出的高爐氣仍可用作其他鋼鐵製程的燃料。

      根據除塵系統(這是渦輪機正常運行所必須的)的方法,將TRT系統分為乾式和濕式。一般傳統採用的多為濕式,具高操作效率、設備建造與維修容易之優點。乾式系統是較新的技術,特點是可同時回收高爐氣之溫降,進一步提高渦輪機之輸出功率。乾式TRT系統用水和用電量相對較少,通常可多生產25-30%的電力 ,根據LBNL報告甚至可多生產60%的電力 ,主要是因為留存了更高的氣體溫度。因此乾式系統被認為更具經濟價值 。

      圖1、乾/濕式高爐頂壓發電系統

      資料來源:IIP(2014).

      (1)國外節能效益
      • 1. 根據APP資料,採用TRT系統時,生產每噸鐵水可產生電力40~60 kWh。
      • 2. 根據日本NEDO資料,安裝在年產能100萬公噸高爐上的乾式TRT可生產55.4 GWh/y電力。
      • 3. 根據中國工信部的資料,在中國採用TRT裝置可回收高爐鼓風機能量約30%,可降低煉鐵製程能耗11~18kgce/t鐵(0.32-0.53 GJ/t鐵)。採用乾法除塵,可提高發電量30%左右。因高爐氣溫度每提高10℃,發電透平機出力可提高3%,最高發電量可達54kWh左右。
      (2)國外成本效益
      • 1. 根據日本NEDO資料,對於年產能100萬公噸高爐上,裝設7 MW的乾式TRT的安裝成本和工程造價均各為4億日元。整個投資回收期約為1.8年。
      • 2. 根據中國工信部的資料,在中國以1座2,500 m3高爐,年產能200萬噸鐵水為例,採用“乾式TRT”技術替代“濕式TRT”技術,投資計畫總成本為3,000多萬元人民幣; 增加操作費用800多萬元人民幣; 投資回收期約5.3年,內部報酬率17.4%。

      5.高爐熱風爐廢熱回收

      高爐熱風爐主要功能是利用燃燒高爐氣(BFG)與焦爐氣(COG)之混合燃氣來加熱冷鼓風,製造高爐生產所需之熱鼓風。熱風爐能耗約為3 GJ/t-HM,約占煉鐵能量需求的三分之一,約占一貫煉鋼廠總能耗的10-20%。回收熱風爐煙道氣中的熱量(溫度通常約為250 ℃),將熱風爐燃燒後之廢氣用來預熱助燃空氣及燃氣,或者用來乾燥噴吹煤粉(Pulverized Coal Injection, PCI)用之粉煤,可以提高熱風爐的效率。除熱風爐煙道氣外,其他熱源(如來自燒結冷卻過程回收的熱量),也可用於熱風爐的燃料和/或空氣的預熱,也可提高熱風爐的效率。此外,利用回收的餘熱進行預熱,可以減少天然氣或高熱值煤氣的需求並降低成本,也可將熱風爐總體效率提高8%。

      我國中鋼公司高爐製程的熱風爐增設熱管式廢熱回收設備,改建後製程廢熱除以高爐噴煤系統(Pulverized Coal Injection System)加以回收,用以預熱高爐噴煤外,更利用熱管熱交換器所回收之廢熱來預熱熱風爐燃氣。圖2是熱風爐廢熱回收設備增設後之系統流程。

      圖2、中鋼公司熱風爐系統流程

      資料來源:林佩勳(2009),熱風爐低碳生產技術建立。

      (1)國外節能效益
      • 1. 根據IEA報告資料,採用熱風爐熱回收技術可降低0.24 GJ/t-HM的能源需求,在全球應用該技術每年可節約能源0.2 EJ(682萬toe)。
      • 2. 根據LBNL資料,採用熱風爐熱回收技術每噸生鐵可節能0.4 GJ。
      • 3. 根據美國EPA資料,所安裝的各種系統可節約能源0.53~0.92 GJ//t-HM。
      • 4. 根據NEDO資料,透過回收40~50%熱風爐煙道氣顯熱,日本在能產能100萬公噸的高爐系統中達到每噸生鐵節能30,000 kcal/t-PI(約0.125GJ/t-PI)的目標。
      • 5. 根據中國工信部報告,中國高爐熱風爐雙預熱技術,熱風溫度每提高100℃,可降低焦比約20kg/t鐵,同時可增產3%~5%,還可增加噴吹煤粉40kg/t鐵,進一步降低焦比。
      (2)國外成本效益
      • 1. 根據美國EPA資料,該系統可節能0.53~0.92 GJ//t-HM,換算成成本為20美元/ t-HM。
      • 2. 根據NEDO資料,在日本能產能100萬公噸的高爐安裝該系統可實現每噸生鐵節能0.125 GJ,需要的設備成本是1.50億日元。當燃油成本為.81/1,000kcal時,投資回收期為2.8年。
      • 3. 根據中國工信部報告,在中國高爐熱風爐雙預熱技術,其單位投資約10元人民幣/t鐵左右,操作費用約11元/t鐵,投資回收期約3.1年,內部報酬率31.88%。

      6.提升高爐粉煤噴吹率(PCI rate)

      高爐噴吹煤粉(Pulverized Coal Injection, PCI)是從高爐風管向爐內直接噴吹磨細了的無煙煤粉或煙煤粉或二者的混合煤粉,以替代焦炭提供熱量和還原劑的作用,從而降低焦比,降低生鐵成本;同時,噴煤可調整高爐製程熱的系統及改善高爐爐缸的工作狀態。提高噴煤量要具備一定的條件,從理論研究和生產實務顯示,影響粉煤噴吹率的因素有四個:煤粉在風管前的燃燒率、噴煤後必要的爐缸熱狀態、煤氣流運動阻力和提高置換比;而提高噴煤率的主要措施包括提高煤粉燃燒率、提高焦炭品質、提高燒結礦和球團礦品質以及合理操作等。

      根據LBNL資料,噴煤的最大量約為0.27t/t鐵水(HM),若使用富氧噴煤,噴煤量可增加約20%,並可相應減少焦炭消耗量 。同時,根據IEA資料顯示,如果噴煤率為170 - 200 kg/t-HM,現代高爐就可達到286 - 320 kg/t-HM的較低焦比,然而2005年全球噴煤水準仍處於125 kg/t-HM的水準。高爐粉煤噴吹技術流程圖如圖3所示。

      圖3、高爐粉煤噴吹技術流程圖

      資料來源:江西冶院網站(2012),粉煤噴吹(PCI)。

      (1)國外節能效益
      • 1. 根據LBNL報告顯示,一般煤焦轉換比約為0.85 - 0.95,因此每增加一噸噴煤,可節能3.76GJ/t噴煤。
      • 2. 根據中國工信部資料,在中國,一般噴吹一噸煤粉可置換0.8~0.9噸焦炭,可降低煉鐵系統能耗80~100 kgce/t鐵(2.35-2.93 GJ/t鐵)。如果按煤焦置換比0.8計算,每年噴吹約6,000萬噸煤粉,可替代4,200多萬噸焦炭,可減少廢氣排放5萬多噸、粉塵11萬噸、廢水5000多萬噸。
      (2)國外成本效益
      • 1. 根據APP資料顯示,應用粉煤噴吹技術,估計可節約成本16~33美元/噸鐵水,節約的鐵水生產成本約為4.6%。磨煤設備投資估計為50-55美元/噸噴煤。
      • 2. 根據中國工信部資料顯示,在中國以2座2,500 m3高爐,年產鐵水400萬噸計算,高效噴煤投資計畫總成本約4,000多萬元人民幣;需增加操作費用1,800多萬元人民幣;投資回收期約2.2年,內部報酬率39.4%。

      7.提升高爐球團礦使用率

      在高爐煉鐵製程中,若多使用球團礦替代燒結礦會大幅降低每噸鋼的能源消耗。球團礦的使用可以提高高爐入爐礦品位,增加高爐爐料透氣性,對降低焦炭比效果非常明顯。

      國內外高爐球團礦使用比例 各鋼鐵廠的情況不同和礦源不同決定了其不同的高爐爐料結構。日本、韓國高爐以燒結礦為主,因為其主要鐵料是國際上購買的粉礦,適宜生產燒結礦。北美高爐以球團礦為主,因為其礦源多為細精礦,適宜生產球團礦。歐盟由於環保要求,燒結廠的生產和建設受到了嚴格的限制,為了進一步改善高爐煉鐵指標,充分發揮球團礦在高爐煉鐵中優越的冶金性能,因而以球團礦為主。

      (1)國外節能效益

      根據中國工信部資料,在中國每一噸燒結礦能耗約55 kgce/t,如果入爐爐料結構中,球團礦比例由15%提高到25%,則噸鋼能耗可以降低3 kgce/t,按照粗鋼產量6億噸計算,可以節約180萬噸標準煤。根據中國經驗,入爐礦鐵品位每提高1%,高爐渣量減少30kg/t,焦比下降0.8%~1.2%,產量增加1.2%~1.6%,增加噴煤量15kg/t。

      (2)國外成本效益

      8.高爐製程控最佳化

      藉由控制系統,將高爐運轉在較佳的操作條件,包括重油噴入系統、粉煤噴入系統與熱風爐空氣與燃料比例控制等,採用最佳化鐵水生產。通過改進高爐程序控制,將系統操作條件最佳化,提高鐵水品質並降低能耗和運行成本。現代程序控制專家系統可連續監控高爐中的某些參數,並透過採用不同過程模型(包括爐料控制、爐料分配、品質和能量平衡、矽預測和動力過程模型),計算和診斷出過程擾動。之後,高爐程序控制系統會給出相關建議或補救措施,如修改還原劑比率或更改爐料分配。

      (1)國外節能效益

      根據LBNL報告,通過對該技術的應用,澳大利亞一個鋼廠的焦比降低到約458kg/t-HM。

      (2)國外成本效益

      根據美國EPA資料,此技術之投資成本約50萬美元,生產每噸鐵水成本為0.56美元/t-HM。

      9.轉爐氣顯熱回收

      轉爐中產生的轉爐氣的溫度約為1,200°C,流速約為50-100 Nm3/噸鋼。轉爐氣脫離轉爐時一氧化碳含量約為70-80%,熱值約為2,000 kcal/Nm3(相當於8.8 MJ/Nm3) ,或0.84GJ/t-steel。因此對轉爐氣的顯熱和潛熱進行回收,是提高轉爐能效的唯一且最重要的機會,而且能夠實現“負能源煉鋼”。但是,轉爐氣的產生是間歇性的,且溫度較高,成分不斷發生變化,且不清潔,因此多數煉鋼廠仍將該氣體燃燒排放。

      轉爐廢熱回收過程包括燃燒法和非燃燒法。在燃燒法中,讓大量空氣進入排氣室,允許爐中排出的一氧化碳燃燒,燃燒產生的熱氣透過熱回收鍋爐生產高壓蒸汽。而在非燃燒法中,阻止一氧化碳轉變成二氧化碳(即燃燒),在廢熱鍋爐中首先回收富含一氧化碳的煤氣顯熱,產生高壓蒸汽。之後對轉爐氣進行清洗、儲存,最後與其他副產煤氣(如焦爐氣、高爐氣)混合用作燃料。非燃燒法可回收約70%的顯熱和潛熱。

      (1)節能效益潛力
      • 1. 根據NEDO資料,轉爐廢熱回收過程透過燃燒法,每噸鋼回收能源200,000 kcal/t-PI(相當於0.837 GJ/t-PI )。
      • 2. 根據美國EPA資料,透過非燃燒法,每噸鋼可回收能量0.53 - 0.92 GJ(取決於蒸汽用途)。
      • 3. 根據IEA報告,透過轉爐氣回收,全球預計可節能250 PJ。
      (2)成本效益潛力
      • 1. 根據NEDO資料,對於日本一家110噸容量之轉爐煉鋼廠而言,非燃燒技術設備的成本為6億~11億日元。估計該工廠的投資回收期為8.3-15.2年。
      • 2. 根據美國EPA資料,對於年產能270萬公噸的轉爐場,熱回收系統的成本估計約為20美元/噸鋼(或約為0.66億美元),投資回收期估計為12年。
      • 3. 根據IIP資料,轉爐顯熱回收改造成本為34.4美元/噸鋼。根據專業人士意見,設備費用會有很大差異,主要取決於設備供貨範圍和國家情況。投資回收期基本上為2.5~4年。

      (二) 電弧爐煉鋼製程

      1.直流(DC)電弧爐

      用直流電源供給電能的煉鋼電弧爐,它與交流電弧爐一樣,利用電極和爐料(或熔池)間產生的電弧來發熱,從而達到熔煉的目的,可用來熔煉鋼或合金。直流電弧爐是由歐洲國家率先採用,而以使用直流電弧爐來取代交流電弧爐,在北美已經超過20年,這個技術受限於新設施的改造成本高昂,因而有些廠商考量成本效益尚未採行。

      直流電弧爐僅適於大型電弧爐,在直流電弧爐系統中只使用單極,爐底電極用作陽極。與老式的三相交流電弧爐相比,在電力設備消耗方面,直流電弧可節約5%左右的能源。此外,直流電弧爐還具備其他特性,如熔化效率更高,爐壁壽命更長。直流電弧爐的電耗約為1.8-2.2 GJ/噸鋼。電極消耗約為傳統電弧爐的一半 (即1-2kg/噸鋼)。

      根據中國華文百科的資料,電弧爐煉鋼技術與交流電弧爐煉鋼技術相比,有以下優勢:(1)電極消耗降低50%以上;(2)噸鋼能耗降低5%~10%;(3)爐襯壽命延長30%以上;(4)熔池溫度均勻,出鋼溫度波動小;(5)噪音降低10分貝左右;(6)減少閃爍50%,對電網電壓幹擾小,電網容量是使用交流電弧爐時的1/2,就能滿足要求。

      從結構上看,直流電弧爐與交流電弧爐的主要不同之處,是增加了一套整流設備,將輸入的電源由交流變為直流;爐頂石墨電極由三根減少為一根,爐底增加了一個底電極。直流電弧爐與交流電弧爐之差異如圖4所示。

      (1)國外節能效益
      • 1. 根據美國EPA的資料,直流電弧爐與老式交流電弧爐相比,預計該技術可節約的淨能量為0.32GJ/噸鋼。與新式交流電弧爐相比,節約的淨能量僅限於0.036-0.072 GJ/噸鋼。
      • 2. 根據日本NEDO的資料,直流電弧爐與交流電弧爐相比,每噸鋼之電力消費可節省25~30 kWh/t-steel,節能效果約5%。
      • 3. 根據工研院資料,一座30噸交流電弧爐改成直流爐後,用電量可減少10~30度/噸,電極棒用量減少40~60%。
      • 4.  華文百科資料,直流電弧爐與交流電弧爐相比每噸鋼能耗降低5%~10%。

      圖4、直流電弧爐與交流電弧爐之差異

      資料來源:NEDO(2008)

      (2)國外成本效益

      電弧爐投資之成本效益評估除了涉及設備成本與建造成本外,還有可節省的電力成本,由於各國之工業電價與各廠商是用時間電價差異性非常大,因此其成本效益之差異也很大。

      • 1. 根據美國EPA資料,直流電弧爐與交流電弧爐相比,該技術的追加投資費用約6.1美元/噸鋼,投資回收期預計為0.7年。
      • 2. 根據日本NEDO資料,投資容量70-80 t/heat的直流電弧爐,設備成本約需20億日圓,建造成本約需4億日圓,則每年經濟效益為0.9~1.08億日圓,設備投資回收期為18.5~22.2年,若涵蓋建造費用的回收期為22.2~26.7年。
      • 3. 根據華文百科資料,從投資效益上看,直流電弧爐基建投資雖然比交流電弧爐提高20%左右,但回收期大大縮短。中國利用原交流電弧爐的舊設備改造成直流電弧爐,其所需費用約在半年左右的時間收回。

      2.廢鋼預熱技術

      電弧爐吹煉過程產生1,000℃以上的高溫廢氣,若加以回收利用可有效節省能源。廢鋼預熱即為利用高溫廢氣作為原料預熱源,以預熱廢鋼至400℃為例,將可節省約40度/噸;另一種是利用復熱器回收廢氣以預熱空氣,以回收900℃廢氣為例,可將3,700NM3/小時 空氣自常溫預熱至500℃,相當於節省燃料油55公升/小時。

      電弧爐的廢鋼原料預熱技術,目前應用上有豎井式 (Shaft Furnace EAF)、隧道型 (Tunnel Furnace-Consteel)、及雙殼直流型(Twin-Shell DC Arc Furnace)等預熱電弧爐製程兩種。目前應用上有下列事項必需注意:

      • A. 電弧爐必需有連續加入廢鋼原料的設計。
      • B. 電弧爐加入的廢鋼原料必需加以選擇。
      • C. 廢鋼原料預熱系統必需注意熱損失及預熱後的排放廢氣污染問題。因此,預熱系統必需與廢氣排放處理系統做整合。

      我國廢鋼有塑膠等雜質,廢鋼預熱時會產生戴奧辛,而且雜質熔點低,會汙染預熱設備。廢鋼預熱在廢鋼品質高的地區有經濟效益,在我國應用時,廠商要有廢鋼清理設備,因而降低這項技術的經濟效益與使用意願。未來國內廢鋼廢鐵之環保資源回收若能作好分類,則此一技術將可進一步的採用,及提高節能減碳之效果。

      (1)國外節能效益
      • 1. 豎井式Shaft Furnace:此型預熱電弧爐採用從電弧爐上部的料桶把廢鋼送入爐內,而料桶位置剛好可以回收熱,用以廢鋼的預熱。此技術是借助電爐煙氣後燃燒(post-combustion)產生的能量實現廢鋼加熱,使用此技術,單豎井電爐最高可節能77 kWh/t steel,手指豎井電爐最高可節能110 kWh/t steel。
      • 2. 隧道型Consteel:此型預熱電弧爐在加熱時連續將廢鋼從爐側水準風道送入爐內,以達預熱效果。此型技術是藉助電弧爐產生的廢熱進行廢鋼預熱的一項技術。經改造後,估計節電達60 kWh/t steel。
      • 3. 雙殼直流型Twin-Shell:此型預熱電弧爐具有兩個爐體,一個用以熔融廢鋼,另一個回收熔融時所產生的廢熱,以預熱自身爐體內之廢鋼,經由兩者交叉使用,以達利用廢熱預熱之效果。此型技術包含兩個電弧爐容器,共用一套電弧和供電系統,該系統透過縮短冶煉週期提高生產力,並透過減少熱量損耗降低能耗。每噸鋼可節電18.7 kWh/t steel。
      (2)國外成本效益
      • 1. 豎井式Shaft Furnace:就100噸的電弧爐而言,其改造成本預計為9.4美元/噸鋼,每噸鋼可節省生產成本6.7美元。回收期預計為一年。
      • 2. 隧道型:年產能50萬噸鋼的Consteel電弧爐投資成本預計為320萬美元,即7.8美元/t鋼。實施該技術後,噸鋼年成本預計可節省3美元,回收期為1.3年
      • 3. 雙殼直流型:與單殼電弧爐相比,改造資本成本高9.4 US$/ t steel,投資回收期估計為3.5年。

      3.採用超高電壓(Ultra High Power, UHP)變壓器

      電弧煉鋼爐主要有高功率電弧爐(HP)和超高功率電弧爐 (UHP)兩種。高功率電弧爐(HP)和超高功率電弧爐 (UHP)是相對于一般的普通功率電弧爐(RP)而言的。它們主要是按每噸爐容量所配變壓器容量的多少來區分。20噸以上的爐子,普通功率電弧爐每噸爐容量的變壓器容量約300 kVA,高功率電弧爐約450 kVA,而超高功率電弧爐則為600 kVA以上,而且有越來越高的趨勢。這意味著單位時間內輸入電弧爐的熱能大幅度增加,使熔化時間顯著縮短,從而提高生產能力,降低電極消耗,減少熱損失,降低電能消耗,結果是使生產成本下降。

      在電弧爐煉鋼過程中,採大型變壓器提高電壓,以較大電流投入在電弧爐內,使電弧爐能於較短的時間內快速加溫,以達到縮短熔融的時間與減少電力消耗之效果。變壓器電力損耗高達7%,這些損耗主要取決於變壓器自身的規模和使用年限,將電弧爐的操作轉向高功率(或者是超高功率),可以在提高生產力同時降低能耗。增加功率的方法可以透過安裝新的變壓器或併聯現有的變壓器來達成。超高功率操作可能會導致熱通量和耐火材料磨損增加,因此,對爐壁採取冷卻措施是必要的。由此導致的熱損失,部分抵消了所節約的功率。

      (1)國外節能效益

      根據LBNL資料,在電弧爐煉鋼製程中,每增加1MW的功率,即可節電1.1kWh/t鋼。當兩座電爐的操作電壓分別從600V增加到660V,400V增加到538V時,電耗分別降低11kWh/t steel和22kWh/t steel。

      (2)國外成本效益潛力

      根據美國EPA之資料,每噸鋼的投資成本估計為3.9美元/t鋼,投資回收期預計為5.2年。

      4.採吹氧噴油(炭)技術

      在電弧爐進行煉鋼作業時,向爐內噴射大量氧氣與適量焦炭粉末,此可藉由鐵與碳之氧化發熱提高電弧效率,並透過焦炭粉末所形成之爐渣以減少電弧放電,達到縮短氧化時間與節省能源之效果。

      此技術可以在電弧爐中裝設富氧燒器,用氧氣和碳氫燃料替代部分電力。富氧燒器不僅減少能源需求,而且可透過加快熔煉速度提高電弧爐的有效容積,且減少電極材料消耗。它們將熱量直接傳遞到電弧爐的冷點區,從而提高溫度均勻性。此外,氧氣的注入有助於將熔池中磷、矽和碳等元素清除。

      (1)國外節能效益

      根據APP資料,若以18 Nm3/噸鋼的富氧率,每使用1Nm3氧氣,可節電2.5~4.4kWh,每噸鋼節電為0.14GJ/t鋼,約39kWh/噸鋼。

      (2)國外成本效益

      根據APP資料,以產能110噸的電弧爐,其改造成本為4.8美元/噸鋼。可以降低冶煉週期6%,每年節省成本4美元/噸鋼。

      5.造渣(Foamy slag)技術

      在電爐精煉階段,爐壁完全暴露在電弧的輻射中,因此泡沫渣是用來增強電爐的熱效率。泡沫渣發泡上升,包裹住電弧,所以可選擇高的電力設定,也不會增加爐壁的熱負荷。另外,泡沫渣覆蓋電極棒,可以提高熱能傳入鋼液的效率。

      在電弧和熔體表面覆蓋一層泡沫渣,可減少熔化物輻射帶來的熱損失。注入焦炭粉末和氧氣,或只噴吹氧氣,可獲得泡沫渣。儘管電弧電壓較高,但是泡沫渣可至少提高20%的電力效率。除了可以節能外,泡沫渣方法還可減少冶煉週期,提高生產力。

      (1)國外節能效益

      根據LBNL資料,採用此技術推估可節電6-8 kWh/t-steel。

      (2)國外成本效益

      根據LBNL資料,採用此技術改造成本為15.6 US$/t-steel。

      6.除塵系統採用高壓變頻技術

      電爐煉鋼時產生的有害物汙染主要體現在電爐加料、冶煉、出鋼三個階段。電爐冶煉一般分為熔化期、氧化期和還原期,其中氧化期強化脫炭,由於吹氧或加礦石而產生大量赤褐色濃煙。在上述三個冶煉期中,氧化期產生的煙氣量最大,含塵濃度和煙氣溫度最高。因此,電爐除塵係統按照氧化期的最大煙塵排量進行設計。在系統最大風量需求的基礎上增加1.1~1.3倍的安全閥度進行除塵風機選型設計。整個煉鋼過程中吹氧時期占30~35%,此時風機處於較高負荷運行,而其餘時間則處於較低運轉情況。很顯然,除塵系統的利用率很低且係統效率差。

      變頻調速技術在電爐除塵系統中應用後,可達到以下幾個特點:

      • 1. 除塵設備功耗隨電爐煉鋼生產製程改變負荷運行,提高了系統效率;達到除塵系統的最佳運作情形,可獲得顯著的節能效果。
      • 2. 大幅有效降低除塵系統的負荷率,延長了除塵器、除塵風機、除塵電機、煙道等設備的使用壽命。
      • 3. 對降低爐內熱量損失,合理控制過程溫度,對終點溫度發揮一定的功能。
      • 4. 對除塵系統進行變頻改造,有助於改善爐內吹煉運作,縮短煉鋼時間,提高鋼產量改善出鋼品質。
      • 5. 降低補爐期間的能耗和爐襯散熱損失。
      (1)國外節能效益

      根據中國河北永洋鋼鐵有限公司經驗,每噸鋼鐵除塵的耗電量在定頻運轉下為29.661 kWh/t steel,變頻運轉下為17.011 kWh/t steel,每噸鋼可節電12.65 kWh/t steel,節電率約43%。

      (2)國外投資效益

      無相關資料,但根據能源查核節能輔導經驗,採變頻驅動取代傳統之定頻驅動,回收期大多低於1年,很少超過2年。

      7.電弧爐優化供電技術

      電弧爐煉鋼過程中,消耗的主要能源為電能,約占總能耗的60%以上。制定合理的供電優化方案有助於提高電弧爐煉鋼的電能利用效率,降低冶煉能耗。電弧爐優化供電技術在於充分發揮電弧爐變壓器的供電能力,在建立在電弧爐煉鋼過程的電力運行動態模型基礎上,透過最適化的各項研究成果,分析得出動態最適化工作點,使電弧爐煉鋼過程的電力運行指標達到最佳狀態,從而達到提高冶煉效率、縮短冶煉時間、節約電能的目標。 本技術的特點在於將大功率電力供電技術與煉鋼技術有效地結合起來,使供電技術參數符合煉鋼過程的電力需求,科技含量高,電爐主供電回路和裝備無需重大改動,投入少,實施方便,對生產影響小,投資回報率高。

      本技術以軟體為核心,合理優化煉鋼過程的電力運行參數,應用智慧化控制技術,在對電弧爐供電主迴路和裝備不作重大改動的情況下達到節能增效的目的。對於電控儀表和電腦系統不完善的電弧爐,採用此技術也會取得一定的效果,並促進電爐硬體系統和裝備水準逐步完善。

      本技術適用於30t 以上的交流電弧爐煉鋼生產,電爐的噸位和變壓器容量越大,節電效果越明顯,特別適用於變壓器容量大於30MVA 的大型超高功率電爐。

      (1)國外節能效益

      根據中國工信部資料,相同容量的交流電爐煉鋼採用本技術後,平均可節電10~30kWh/t steel,冶煉通電時間可縮短3min 左右,煉鋼生產效率可提高5%左右。

      根據我國能源查核申報資料,我國超過30t以上之AC電弧爐共有18座,年產能約730萬公噸。推估目前採此技術普及率約50%,未來可提高至80%,若節電率以20 kWh/t steel來計算,推估我國之年節電潛力約有4,380萬度電。

      (2)國外成本效益

      根據中國工信部資料,電弧爐優化供電技術無需設備投資,技術應用費約50萬元人民幣。

      (三) 鑄造與軋延製程

      1.連續鑄造技術

      連續鑄造(Continuous Casting)(簡稱連鑄)製程技術是將轉爐或電弧爐送來之鋼液進行連續澆鑄作業,使鋼液迅速進入半成品的階段,其中省略了鋼錠鑄造(ingot casting)、持溫(soaking)、與扁鋼胚的成形(slabbing),可節能電力與燃料的消耗。此製程技術取代了代傳統的模鑄法(鋼錠模澆鑄)。全球約5%的生鐵產量用於鑄鐵生產,這些產品通常用於機體、機械裝置、圍欄、建築物等。鑄鐵生產主要在化鐵爐(cupola)中將廢鐵重新熔化,然後將鐵水倒入模具。熔鐵過程的總能耗為5–10GJ/噸鐵。

      (1)國外節能效益
      • 1. 根據經濟部能源局2006年出版的「產業節能技術手冊--鋼鐵業」,採用連鑄製程技術生產時間可由原本的10天減為12小時,以年產能120萬噸為例,每噸鋼胚可節能200 Mcal ,約相當0.83736 GJ/噸。根據UNIDO報告顯示,採用連鑄製程技術每噸鋼胚的節能量高達5.86GJ。
      • 2. 根據中國百度百科收集在中國連鑄之實務經驗 ,採用傳統鋼錠模澆鑄從鋼水到成胚的收得率大約是84~88%,而連鑄約為95~96%,因此採用連鑄技術可節約金屬7~12 %。在節能方面,生產1噸連鑄胚比模鑄開胚省能627~1046KJ,相當於21.4~35.7kg標準煤,再加上提高成材率所節約的能耗大於100kg標準煤。按中國目前能耗水準推估,每噸連鑄胚綜合節能約為130kg標準煤。(按:1公斤標煤為7,000 Kcal,130kg約為3.81GJ)
      • 3. 根據中國工信部報告中國大陸已發展出一種高效率連鑄技術,具體要求是(1)拉坯速度:150mm×150mm方坯≥3.0m/min;120mm×120mm方坯≥4.2m/min,厚度≥180mm的板坯≥1.8m/min。(2)鑄機作業率≥85%。(3)鑄坯無缺陷率≥90%。目前,中國國內的方胚高效連鑄(以150mm×150mm方胚為例),應用在單流年產15~20萬噸合格普通碳鋼鑄胚的水準,板胚應用在100~150萬噸合格鑄胚的水準。採高效率連鑄技術比相同生產能力的傳統連鑄機提高效率60%~100%,節能20%。
      (2)國外成本效益

      根據中國工信部報告,採用高效率連鑄技術比傳統連鑄技術的投資回收期為4.2年(含建設期),內部報酬率為31.8%。

      2.直接軋延(Direct Rolling)與薄鋼胚連鑄(Thin Slab Casting, TSC)

      直接軋延製程是直接將鑄胚置於熱軋鋼帶機中軋延,以節省物料運輸費用和能源成本。這種將薄鋼胚連鑄機與熱軋技術結合的熱軋鋼帶直接生產技術,約在1990年左右引入生產。在當前一貫作業鋼鐵廠中,採用熱軋鋼帶直接生產技術會比較困難,因為這需要將軋鋼機架直接安裝在連鑄機旁,而要實現此操作製程,改造費用也比較昂貴。

      傳統上認為,熱成型鋼鐵產品利潤最低,眾所周知只有生產率提高利潤才會提高。當應用短流程生產線時,則可以獲得大規模生產熱成型鋼產品的最高經濟效益,短流程生產線是指整合的製造系統,即結合煉鋼、連鑄、金屬加工和熱處理於一體。凝固階段的熱能用於進一步的熱加工並確保生產成本比傳統生產線減少30%。目前澆鑄近終型胚料的趨勢在增長(例如用於熱軋鋼帶的薄板胚或用於型鋼軋延的異形胚),薄鋼胚連鑄機已經可以替代用於軋延厚板胚的粗軋機。

      薄鋼胚連鑄(TSC)技術是近終形型連鑄技術之一,與技術成熟、控制手段完善的鋼帶熱軋技術結合,形成了生產熱軋鋼板卷的薄鋼胚連鑄製程技術。與傳統技術流程相比,該技術將過去的煉鋼廠和熱軋廠加以壓縮、組合,在降低投資成本、縮短生產週期、提高產率、節約能源和降低生產成本等方面有明顯優勢。

      薄鋼胚連鑄是將鑄出的扁鋼胚厚度減薄到某一個臨界區間,省去傳統的熱軋板帶機組中的粗軋機架,在連鑄機和連軋機之間給予較小的熱量補充,直接通過精軋機組軋延成熱軋帶卷。使從鋼液進入結晶器到熱軋卷取完畢的時間縮短到15~30min。

      在薄鋼胚連鑄技術中,鋼材被直接澆鑄成板胚,厚度為30-60mm,而不是120–300 mm。美國生產板材的小型軋鋼廠已成功運用這項技術,在中國、印度和美國都有極大的應用潛力。但是,該技術需要對工廠進行許多較大的改變,可能不適於要求生產彈性較高的工廠。

      薄鋼胚連鑄技術最初是為電爐短流程鋼廠生產板帶而開發的。鑒於它在技術和經濟效益方面顯示出的巨大優勢,逐漸受到了許多大型鋼鐵廠的重視,目前已成功應用到傳統的高爐——轉爐長流程鋼鐵生產製程技術中。

      (1)節能效益潛力
      • 1. 根據IIP資料,直接軋延程序單位耗能比傳統軋延技術低40%,若與傳統鑄造與軋延生產週期相比,節能量可達到60%。採用薄鋼胚連鑄技術產品單位耗能可節省1-2 GJ/t 的初級能源。
      • 2. 根據中國大陸百度百科資料,日本新日鐵界廠採用寬鋼帶CC-DR技術後,噸鋼熱消耗由原來的1.97MJ下降到0.3MJ,節能85%。
      • 3. 根據中國工信部報告,從鋼液到精軋機組出卷,薄鋼胚連鑄生產(以緊湊式鋼帶生產技術(Compact Strip Production, CSP)為例,流程圖如下)的能耗僅為105k Wh/t (將所有能耗折算為電量),傳統的鋼板捲生產流程600℃熱進為308 kWh/t,傳統的鋼板捲生產流程20℃冷進為463kWh/t,並且成材率提高11%~13%,可見薄板胚連鑄流程節能效果不小。該技術若與連軋技術結合,可減少能源消耗約70%。

      圖6、緊湊式鋼帶生產技術流程圖

      資料來源:WSA(2012)

      (2)國外成本效益

      根據中國工信部報告,與傳統鋼胚連鑄連軋技術相比,薄鋼胚連鑄技術增量總投資33.41元/ t鋼胚,投資內部收益率28.34%(稅後),投資回收期(不含建設期1.5年)1.6年。

      3.薄鋼帶連鑄

      薄鋼帶連鑄技術將連續鑄造、軋延、甚至熱處理等整合為一體,簡化了從鋼液到熱軋鋼卷的生產製程,使生產的薄鋼胚稍經冷軋就一次性形成工業成品,簡化了生產程序,縮短了生產週期,達到鑄軋一體成形。與傳統連鑄熱軋製程相比,薄鋼帶連鑄技術更加節能、環保。

      薄鋼帶連鑄技術因結晶器的不同分為帶式、輥式、輥帶式等,其中研究的最多、進展最快、最有發展前途為——雙輥薄鋼帶連鑄技術。該技術在生產0.7~2mm厚的薄鋼帶方面具有獨特的優越性,其技術原理是將鋼液注入一對反向旋轉且內部通水冷卻的鑄輥之間,使鋼液在兩輥間凝固形成薄鋼帶。雙輥鑄機依兩輥輥徑的不同,分為同徑雙輥鑄機和異徑雙輥鑄機。兩輥佈置方式有水平式、垂直式和傾斜式三種,其中尤以同徑雙輥鑄機發展最快、已接近工業規模生產的水準。其製程如美國Castrip之薄鋼帶連鑄程序,如下圖所示。

      圖7、Castrip薄鋼帶連鑄技術程序

      資料來源:Castrip (2014),Castrip® Process.

      目前雙輥式薄帶已有多條試驗線和接近工業化水準的半工業生產線,具有代表性的技術有:美國紐柯公司的Castrip、歐洲Eurostrip、韓國浦項Postrip、日本新日鐵的Hikari和寶鋼Baostrip等,其中工業化水準最高的是Castrip生產線。2010年全世界使用雙輥薄鋼帶連鑄技術生產的帶鋼占帶鋼總產量的3%~5%,到2020年可能提高到10%~15%。

      (1)國外投資成本

      從目前各國薄鋼帶連鑄技術的開發應用狀況得知,一台鋼帶連鑄機的生產規模為年產能約20~50萬噸,包括鋼帶連鑄在內的煉鋼廠總投資不超過1.1~1.5億美元,單位投資成本為傳統流程的50%,約220~ 300美元/噸。

      (2)國外節能效益

      根據中國工信部報告,與連鑄連軋過程相比,薄鋼帶連鑄技術生產每噸鋼可節省能源約800kJ/t鋼;以Eurostrip公司的Krefeld廠為例,噸鋼能耗僅比傳統連鑄熱軋技術低7.5倍。根據IIP資料,與厚鋼胚連鑄(含熱軋、酸洗和冷軋)相比,Castrip®技術額外節能約2 GJ/t。

      (3)國外成本效益

      採用冷軋、熱軋和薄鋼帶連鑄技術生產的薄鋼帶成本比較顯示,加工的帶材越薄,生產成本越高,熱軋成本增加顯著,冷軋次之,薄鋼帶連鑄成本最低。如果用薄鋼帶連鑄產品替代冷軋產品,每噸鋼可降低成本60~70美元/t鋼。

      4.熱進技術

      煉鋼廠鋼液澆鑄後經連鑄機產出大鋼胚/扁鋼胚,經短暫之品質檢查後,在鋼胚仍在高溫的狀態下即送往小鋼胚工場/鋼板工場軋製成小鋼胚/鋼板,而不經由冷卻、收儲、再進爐之傳統式流程,故除可降低能源耗用外,更可減少加熱爐之鋼胚加熱時間而提昇軋延產量。在熱進製程中,鋼胚進爐溫度越高其節能效果越佳,並與熱進爐作業率高低和作業批量集中與否有關;通常須有高熱進爐作業率及爐內超過滿載熱鋼胚批量才能完全發揮節能效果,這也是設置熱進製程的計考量之重點。鋼胚的熱進率高低已經成為評估鋼鐵廠軋延程序生產技術管理水準高低的重要指標之一,熱進技術與普通冷進技術的流程如下圖。

      圖8、熱進技術與冷進技術流程比較

      資料來源:蕭輝煌(2009)。

      熱進技術在日本發展最快,目前日本鋼鐵企業連鑄胚的熱進率一般達65%~80%,有的高達90%以上;熱進溫度一般達600~700℃,有的高達800℃以上。中國一些鋼鐵企業如寶鋼、鞍鋼、武鋼等也已應用此技術,各鋼廠應用程度不一,目前中國之鋼鐵企業熱進溫度普遍為400℃,熱進率為20%,普及率約70%。

      在我國,熱進技術在一貫作業廠已普及,單軋廠是購入冷鋼胚,不適用熱進技術。實際上高爐和電爐廠煉鋼和軋延的產能不同,生產排程只有部分鋼胚會熱進爐,雖然短期內熱進比率提升的幅度不會太大變化,但長期來看,提高熱進爐率是節能潛力極大的技術項目。

      與傳統冷進技術相比,連鑄胚熱進技術有以下幾方面優點 :

      • 1. 降低能耗:熱進技術可充分利用連鑄胚顯熱,連鑄胚每提高100℃進爐溫度,加熱爐就可節約5%~6%燃料,燃料消耗隨熱進料溫度和熱裝率的提高而大幅度降低。
      • 2. 提高加熱爐產量:連鑄胚裝爐溫度每提高100℃,加熱爐產量可增加10%-15%。
      • 3. 減少鋼胚氧化燒損,提高成材率:連鑄胚進爐溫度提高,在爐時間大幅縮短,鋼胚氧化燒損相應減少,一般冷裝爐鋼胚的燒損為1.5%~2%,有的甚至高達2.5%以上。熱進料條件下氧化燒損可降至0.5%~0.7%,這對提高成材率非常有利。
      • 4. 其他方面:連鑄胚熱進料技術還具有縮短生產週期、減少鋼胚庫房面積、降低運費等優點。
      (1)國外節能效益

      連鑄胚熱進料技術可大大降低軋鋼加熱爐加熱連鑄胚的能源消耗,減少鋼胚的氧化燒損,提高軋機產量。

      • 1. 根據中國工信部的資料,採用熱進料技術後,在入爐溫度為500℃時,可節能0.25×106 kJ/t;入爐溫度為600℃時,可節能0.34×106 kJ/t;入爐溫度為800℃時,可節能0.514×106 kJ/t;另外由於縮短了連鑄胚的加熱時間,減少燒損,使成材率可提高0.5%~1.5%。
      • 2. 根據美國EPA估計,採用熱進料技術的每噸鋼材節能潛力可達0.05 MMBtu/ton (約0.06 GJ/tonne) 。
      • 3. 根據日本NEDO的估計,採用熱進料技術的每噸鋼材節能潛力可達50,000 kcal/t-steel (約0.209 GJ/ t-steel) 。
      (2)國外經濟效益
      • 1. 根據中國工信部估算,以年產能50萬噸棒線材生產線為例,進行成本效益分析,總投資為RMB 2.12元/t鋼胚,在入爐溫度為500℃時得條件下,可節能0.25×106 kJ/t,即可節省能源成本RMB 3.74元/t鋼坯,其投資內部收益率88.98%(稅後),投資回收期(含建設期0.5年)2.2年。
      • 2. 根據美國EPA估計,採用熱進料技術的改造資本成本為23.5美元/噸軋鋼,節能成本為1.15美元/熱裝鋼材,投資回收期為 5.9 年。
      • 3. 而根據日本NEDO的估計,採用熱進料技術的總改造成本為2.5億日圓;當重油價格為1.81日元/Mcal時,投資回收期為2 年。

      5.連續退火技術

      鋼鐵在冷軋製程中必須經過退火的程序,退火的目的在於消除冷軋加工硬化,使鋼板再結晶軟化,以得到良好的塑性。退火方式有罩式爐退火或封盒退火(cover annealing)和連續爐退火(Continuous Annealing)。目前鋼鐵業在冷軋退火程序採用大多罩式爐退火,雖然處理周期長,但因爐子數量多,使用具有彈性,投資成本節省。而連續退火是20世紀70年代推出的冷軋板帶鋼退火新技術,退火產量大;連續退火爐經多年的發展,退火設備不斷改進,並根據生產的品種逐漸趨於專門化,以降低機組建造費用,有利於提高產品的品質。

      連續退火爐可將分批退火(罩式退火)過程(即電解去油→退火→冷卻→平整→卷取)整合在在一條生產作業線上完成。使用這樣的退火爐可以顯著的節約能源及提高生產力。例如,在連續退火爐的製程中,一卷冷軋鋼材的退火時間約為30分鐘,而傳統的分批程序約需10天。

      (1)國外節能效益潛力

      根據美國EPA的資料,安裝連續退火系統後可以減少33%的燃料消耗。而在電力方面,連續退火使用的不同冷卻設備在燃料消耗方面的差異較大,吸式冷卻爐輥消耗的電量僅為噴氣推進系統的14%。

      (2)國外投資成本

      根據美國EPA的資料,連續退火爐比傳統罩式退火爐的安裝成本還高。在美國中西部的一家鋼廠,新建一個連續退火線,年產能為45萬噸/年,安裝成本估計為2.25億美元。而投資回收期的資料尚無法取得。

      6.加熱爐蓄熱式燃燒器(Regenerative Burners for Reheating Furnaces)

      蓄熱式燃燒系統現今已運用在許多的鋼鐵生產製程上,它的優點在於熱能回收效率高出傳統復熱式熱交換器許多,是一項更具優勢的廢熱回收節能技術;除此之外,也因為它的燃燒方式不同於以往的燃燒模式,因此可提升工業加熱爐膛的加熱性能及其產品的品質。蓄熱式燃燒其高效率燃燒節能主要的方法,是對燃燒後排放的煙氣進行熱回收,回收的熱能普遍應用於預熱燃燒空氣,以減少燃料的消耗,故蓄熱式燃燒系統是現行加熱效率最高的燃燒設備,也是未來降低工業爐耗能,解決二氧化碳排放量的最佳選擇。

      在日本的實廠經驗裡,將蓄熱式燃燒系統應用於金屬熱處理爐時,則可將原先650℃的煙氣溫度降低至200℃左右,可將效能提升25%;如果應用於更高溫度的鋼鐵加熱爐,則可將原先900℃的煙氣溫度同樣降低至200℃左右,更可將效能提升46%,比起使用傳統復熱式熱交換器節能效果好的多。目前在台灣也已將蓄熱式燃燒系統應用於許多場合,如盛鋼桶加熱爐、球化熱處理爐、連續式保溫爐等需要高溫廢熱回收的環境,其節能率約可達到30%以上,如長時間使用於1,000℃高溫加熱爐,其節能率跟傳統加熱方式相比更是可達40%以上。

      (1)國外節能效益
      • 1. 根據日本NEDO之報告,與傳統的加熱爐相比,將蓄熱式燒器應用到110 t/h 容量的鋼胚加熱爐(以1050℃運轉)上,每噸鋼將節省能耗40~50 Mcal (0.18~0.21 GJ ),每年可節能8,000,000~10,000,000 Mcal。
      • 2. 根據中國工信部之資料,在中國軋鋼加熱爐採用蓄熱式燃燒技術後,高溫煙氣熱回收率達85%以上,加熱爐排放的煙氣降至150℃以下,節能30%以上(約每噸鋼節能10kgce)。
      (2)國外成本效益
      • 1. 根據NEDO之報告,在110 t/h加熱爐上安裝三組蓄熱式燒器,改造成本是900萬日圓的設備成本及100萬日圓的建造成本。產生的經濟效益每年1,810萬日圓,投資回收期為0.7年(以重油成本433日圓/GJ來計算)。
      • 2. 根據中國工信部之資料,在中國以改造年產能處理100萬噸鋼胚的加熱爐為例,採用蓄熱式燃燒技術其每噸鋼節能10kgce,設備投資估算約1,000萬元人民幣,年運轉費用約230萬元人民幣,則投資內部報酬率為107.8%,投資回收期約1年。

      7.復熱式燃燒器(Recuperative Burners)

      復熱器是一個置於爐身上的氣對氣得熱交換器。其有多種形式的設計,但都依賴管式或板式從排出的廢氣熱量轉移到送入的助燃空氣中,同時防止兩種氣流混合。復熱式燃燒器利用廢氣的熱量預熱助燃空氣。因為現代復熱式燃燒器系統比老式系統更高效,因此替換老式復熱式燃燒器能節約能源。

      更換加熱爐燃燒器為新式的熱交換器可以增進預熱助燃空氣的效率。加熱爐改用「蓄熱式燃燒機」的效率更高,但是要較大空間。因此更換熱交換器仍是較普遍做法。

      (1)國外節能效益
      • 1. 根據IIP資料,加熱爐中的復熱式燃燒器能減少30%的能耗。儘管實際的能耗減少量將根據設備不同而有所區別,但針對產品單位耗能估計節能約0.7 GJ /噸。
      • 2. 根據IIP資料,一家美國工廠,利用復熱式燃燒器減少了9%的燃料消耗。另一家日本工廠,應用較新型的連續式鋼胚加熱爐,與裝有復熱器回收廢
      (2)國外經濟效益

      根據IIP資料,改造的投資成本為3.9美元/噸軋鋼。

      8.採用高效率馬達

      對於中型交流感應馬達,根據國際電工委員會(International Electrotechnical Commission, IEC)能效標準被分成四種類別,即:標準效率(IE1)、高效(IE2)、超高效(IE3)、超超高效等級(IE4)。導入超超高效等級(IE4)馬達會比超高效(IE3)馬達的效率高出15%,並會進一步促進競爭(IEA, 2011)。

      然目前各國對於馬達之規範大都分類成:標準效率(IE1)、高效(IE2)、超高效(IE3)三類,包含美、日、韓、及歐盟等國家,大都於2015-2017年導入IE3標準。根據工研院(2012)機械所之分析,國際間高效率馬達比一般馬達之效率可提升3%-5%,但成本約提升15%-25%,如下表分析。

      表1.2.12、國際馬達效率標準概況
      效率等級 規範或標準 說明
      優級馬達 美國NEMA“ Premium ”/2002 效率提昇1%-3.5%
      成本提昇10%-15%
      高效率馬達 台灣CNS14400;美國EPAct/1997
      澳、紐 MEPS—2006
      歐盟 CEMEP“eff1”/1999
      日本 JIS C 4212 Jul. 2000
      效率提昇3%-5%
      成本提昇15%-25%
      加拿大和墨西哥採用美國標準
      一般馬達 台灣 CNS 2934;澳、紐 MEPS--2002
      歐盟 CEMEP “eff2”/1999
      前期規範 歐盟 CEMEP “eff3”/1999
      IEC60034-1

      資料來源:工研院(2012)。

      (1)國外節能效益

      根據LBNL(2010)報告,高效馬達可節約1-2%電耗。假設生產每噸熱軋材的電力需求是220 kWh/噸,則預計可節電4kWh/噸。

      (2)國外成本效益

      根據美國EPA(2012)資料,熱軋採用高效率馬達的額外成本預計為0.30美元/噸熱軋材,回收期大約需要3.2年。