「以氫代碳」助攻鋼鐵業減排 我國研發氫氣高溫爐、同步X光技術獨步全球

為了減少鋼鐵業碳排，台灣同步輻射研究中心打造全球首座能通入氫氣、加熱至1600度的高溫反應爐，挑戰「以氫代碳」的技術極限。透過同步X光技術，首度捕捉氫氣還原鐵礦的完整過程，為鋼鐵減碳開出新路。

「以氫代碳」難度高 台灣No.1的氫氣高爐

冶鋼高爐透過焦炭高溫氧化還原鐵礦，得到純鐵之後，再提供下游生產各式各樣的金屬物質。鋼鐵廠碳排占全台比例8.3%，主要排碳來自焦炭，約10層樓高的高爐一次需消耗大約1.5噸的焦炭，碳排驚人。若改用氫氣取代焦炭，排放物就能從二氧化碳變成水，但這並不容易。

第三屆2050淨零城市展於18～21日在台北南港展覽館舉行。台灣同步輻射研究中心助研究員陳世偉解釋，若氫氣氣體濃度超過4%，就會達到爆炸條件。再者，無法預見鋼鐵高爐通入氫氣，會對鋼鐵造成何種化學變化。陳世偉說明，團隊也嘗試找國外廠商協助通入氫氣技術，「但是他們都拒絕」。國外工程師婉拒的理由其來有自，氫氣熱傳導極大，氫氣加熱過程會將熱傳導到鍋爐內部，可能導致鍋爐熔毀，風險極高。

最後實在沒辦法，只好自己來。研究團隊透過氫氣偵測器嚴格控制氫氣濃度與流量，多餘的氫氣則會進到廢氣處理槽，廢氣處理槽填充許多氮氣，以稀釋氫氣濃度，當氫氣濃度到安全值以下後讓氣體排出。

陳世偉指出，「這座氫氣高溫爐大概是全世界第一個以極快速度（1秒升溫32度）、加熱到1600度，可以通入氫氣的反應設備。」研究團隊目前正在申請美國、日本與英國的技術專利。

研究團隊指出，在煉鐵的過程中，鐵礦裡面除了鐵，還夾帶著一些鈣、矽、鎂、鋁元素形成的「天然礦渣」。這些礦渣會影響煉鐵的效率和品質，但過去儀器很難看到礦渣，因為礦渣大約只占鐵礦的一到兩成，而且反射X光的能力很弱，訊號小到幾乎偵測不到。

這次能清楚看到礦渣的變化，靠的是同步輻射X光。

從加速同步器到紅外線燈泡 全是MIT台灣製造

人們熟悉的醫院X光，是為了看見人體內部結構；同步X光則能讓科學家「看見」鐵礦在氫氣作用下，內部結構與化學變化的過程。同步X光的強度比一般實驗室用X光高上百萬倍，特別適合分析微量、低結晶度的材料，還能進行即時、動態時間解析。

「我們這台同步X光的亮度，比去醫院照X光機強10的8到10次方倍。」陳世偉指出，過去十年，台灣同步輻射中心積極將這項技術投入產業應用，協助台灣企業改進製程、開發新產品，合作對象涵蓋台積電、紡織業、台灣水泥等，從半導體到基礎工業。

這麼強大的同步X光怎麼來？首先要打造一座大型加速器，將電子加速到接近光速，並在超高真空環境下進行圓周運動，避免電子在過程中被散射、能量流失。經後端的光學儀器蒐集後，依實驗需求轉換成紫外光、紅外光或X光。這台同步加速器全是台灣自主設計、製造。

不僅如此，用來加熱鐵礦的紅外線燈泡，也是團隊自行研發。台灣過去沒有人能製作高功率的紅外線燈泡，主要仰賴進口，但這次研究團隊與台灣廠商聯手，成功開發出功率更高、壽命更長的紅外線燈泡，效能反而超過國外。

潛艦國造、戰機渦輪、汽車鋼板 同步X光應用廣

台灣同步輻射研究中心與中鋼合作已有三年，並與全台11所大學執行「國科會前瞻技術產學合作計畫－高爐低碳煉鐵技術開發」計畫，超過百名學者、研究生與研究人員和國際專家共同探討低碳煉鐵技術，已有大幅進展和突破。

陳世偉提到，希望未來能運用同步輻射X光分析技術，協助台灣金屬與鋼鐵產業進行製程優化。儘管目前受限於人力與時間，僅能聚焦原料端，未來將積極強化與中央的合作，同時拓展至其他金屬相關產業，包含國防領域的潛艦國造、戰機渦輪引擎，以及腳踏車、汽車鋼板等應用。