台灣煉鋼爐碴資源化推動之策略研究

□張清榮／中華大學營建管理學系 助理教授
□王志軒／中華大學營建管理學系 研究生

摘要
        由於全球對經濟追求無限的成長，使得天然資源不斷被過度開發及濫用，已造成環境不友善衝擊和資源日益枯竭，促使各國關注廢棄物再利用的議題，陸續推動資源永續循環再利用，以減少天然資源的耗費。近年來廢棄物資源減量(Reduce)、資源回收(Recycle)和資源再利用(Reuse)的3R觀念發展趨勢，僅將廢棄物以環保觀點作減量、回收利用的單向處理，為資源之搖籃到墳墓的處理(Cradle to Grave)，鮮少再考慮經濟性的再利用與社會的衝擊作完整考慮。台灣每年約有2000萬噸的廢棄物其中爐碴約佔40%，因非法的傾倒與掩埋，以嚴重影響到環境、經濟與社會的衝擊，本文將3R的觀念推進至搖籃到搖籃 (Cradle to Cradle)理念，引導爐碴從生產端即考慮其產品特性與可利用工程方向，以生產透明化、管理有效畫、處理科學化、檢驗制度化，將爐碴的使用導入工業代謝循環，使資源能再生及回收升級應用。

一、前言

        鋼鐵工業為工業之母，亦是國家業發展之基礎，舉凡各種產品製造、營建工程、交通運輸及工具機等，皆與鋼鐵工業息息相關。煉鋼鐵製程產出的廢棄物稱為爐碴，2014年全球的煉鋼廠大約生產160百萬噸的爐碴[1]，其中台灣的年產量大約有770萬噸[2]如表1 所示。在環保意識日益受重的大環境下，如何妥善的處理與利用，已是政府單位、鋼鐵業、環保與工程單位皆需要審慎面對與思考這個課題。為達爐碴的資源化，須了解各種爐碴性質後再選定合適用途與相關處理再利用技術，方能有效達到廢棄物資源化之目的，並建立具市場性的資源循環、降低生態環境衝擊與提升產業經營效能。
        煉鋼鐵過程會因使用不同原料、煉鋼方法在不同的生產階段，產生的廢棄物(爐碴)其成分與性質會有所差異，故資源再使用的方向亦有相當差異性。爐碴分為 1.高爐碴 2.轉爐碴 3.脫硫碴 4.電弧爐氧化碴 5.電弧爐還原碴，高爐碴、轉爐碴與脫硫碴，係一貫作業煉鋼鐵過程的副產品；氧化碴與還原碴為電弧爐(Electric Arc Furnace, EAF)煉鋼的產物。
        一貫作業煉鋼廠的煉鐵過程中經由高爐熔煉，必須添加入石灰石等作為助熔劑，使鐵礦石及焦炭中之雜質相結合而生成爐碴，再藉由爐碴比重較小之原理而與鐵水分開，爐碴自高爐排出冷卻所得之固體物，稱之為高爐碴。高爐碴在高溫尚屬液態階段時，隨著不同的降溫冷卻過程會分別產生氣冷高爐碴與水淬高爐碴。高爐冶煉之鐵水含有硫的份，鐵水排至魚雷車以脫硫劑作脫硫處理後，排出經自然冷卻成細粒狀之固體稱為脫硫碴。轉爐冶煉的後續煉鋼製程所產生的爐碴稱為轉爐碴。因為製程為由鐵礦石煉成鐵後再煉成鋼，故稱為一貫作業煉鋼。
        電弧爐煉鋼主要原料為回收的廢鋼廢鐵，煉鋼過程所產生的爐碴又區分為前製程的電弧爐氧化碴及後製程的電弧爐還原碴，因為回收的廢鋼鐵料源不同，且煉鋼過程的添加礦物質不同，所以每批次生產的化學成分與品質差異性大。
        第一次工業革命以來，工業生產體系從設計到製成產品，皆未考慮到對環境的影響及產品的生命週期，每年將百萬頓的有毒物質排放到大自然中、消耗並浪費無數的資源、產生無數的廢棄物，破壞了世界各地文化的多樣性、也破壞了生物多樣性[3]。為彌補這錯誤政府機構、學術界和環保人士提出3R觀念：資源減量(Reduce)、資源回收(Recycle)和資源再利用(Reuse)的單向思考，但有毒物質依舊排放、資源依舊消耗，只是將產品的生命週期，拉長兩倍、三倍，但終究是條從搖籃到墳墓(Cradle to Grave)的路途。布朗嘉(Braungart)教授提出一種積極的解決方案-減少破壞不會變好的思維模式，學習自然界裡沒有廢棄物的概念，所有物質基本上都是養分，皆可回歸自然界。為達到這個理想，產品從設計階段，就須構想產品生產後就即將成為另一循環的開始，他將這個構想叫做從搖籃到搖籃。
        本文整理各種煉鋼鐵爐碴之資源化推動策略與整合相關處理技術，以搖籃到搖籃理念將廢棄爐碴資源化以回收升級為目標，從煉鋼鐵業者的生產端即考慮其生產數量透明化、產品特性與可利用為資源化方向，使用端以管理有效畫、處理科學化、檢驗制度化並推動資源化的分流策略，將爐碴的使用導入工業代謝循環內，希望能對生產者、使用者與政府的環保策略有基本參考貢獻。

二、 爐碴分類與特性

        一般廢棄物係定義為無法利用或無利用價值的物質[4]，在環保意識高漲及天然資源日益匱乏的情況下，如何將廢棄物透過再製處理與妥善規劃導入適當的再利用，把認定的廢棄物轉換成資源再生材料，將廢棄物的殘餘價值回歸到工業用材料，可有效降低廢棄物遭誤用或棄置而對環境產生危害衝擊。廢棄物的種類繁多，且各種廢棄物皆有再處理或廢棄之需求，因此廢棄物再利用之可行途徑，須具備可替代材料市場需求穩定且需求量大於廢棄物產出量，才可使其廢棄物資源具再利用誘因，並能減少廢棄物堆置空間與廢棄物數量。
        爐碴為冶煉鋼鐵時所產生的副產物，主要成份為氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)以及氧化鐵(Fe2O3)等成份所形成的矽酸鹽與鐵酸鹽化合物，其化學成分與水泥的化學組成類似，故爐碴在應用方面應偏重於水泥生料與水泥替代相關，或土木工程應用如回填或骨材替代為主。因製程不同可區分兩種煉鋼廠產品與6類爐碴，其產生過程與不同爐碴性質說明分別如下：
(一)一貫作業煉鋼廠的煉鐵鋼所產生
        1.高爐碴：一貫作業煉鋼廠將鐵礦、焦炭、石灰石等原料在高爐冶煉成鐵水，煉鐵過程中所產生之副產品即為高爐碴，依其冷卻方式之不同，又可分為氣冷高爐碴及水淬高爐碴。
         (1)氣冷高爐碴：高爐碴則以空氣自然冷卻方式產出者，大約佔5%的高爐碴產量，外觀類似火成岩呈灰黑色，顆粒尺寸可達數公尺[5]，須經破碎與篩分後才能使用於工程材料。因高溫融熔流動、冷卻過程會包裹部分空氣，冷卻後表面呈現多孔與不平整形狀，其經過高溫熔融，所以不含重金屬與戴奧辛等有害物質，且鉻、鋇、六價鉻值皆低於市面卜特蘭I型水泥。
         (2)水淬高爐碴：經高壓水淬驟冷製程即形成所謂之水淬高爐碴，高爐碴約95%高爐碴係以水淬高爐石型態產出，具備水合膠結特性。研磨成水淬爐石粉，將爐石粉與卜特蘭水泥混拌後產製卜特蘭高爐水泥。
        2.轉爐碴：由高爐產生的鐵水運送至轉爐，吹煉成鋼液過程須再加入石灰石等原料作為助熔劑，藉此去除鐵水中的雜質而形成鋼液，此過程所產生的爐石即為轉爐碴。
        3.脫硫碴：高爐冶煉之鐵水含有硫得成份，因此鐵水排至魚雷車後，需以脫硫劑將其中的硫脫除，爐碴自魚雷車排出後，自然冷卻成細粒狀之固體物稱為脫硫碴。
(二)電弧爐煉鋼的爐碴：煉鋼主要的原料為廢鋼、廢鐵，經熔煉反應後，大部份非鐵金屬與添加之副原料於煉鋼過程所排出之熔碴，即為電弧爐碴。電弧爐主要是由三支人造石墨電極、爐蓋與爐體部分所組成，石墨電極通入電流產生電弧，由於電弧之溫度高達1600度以上，可將廢鋼鐵加以熔融達成冶煉鋼鐵之目的。煉鋼均為批次作業，通常每依批次時間約為1.5-3 小時，冶煉過程可分為三個階段，分別為熔解期、氧化期及還原期，階段性排出熔碴又可分為氧化碴及還原碴，詳述如下：
        1.氧化碴：廢鋼原料經電弧熔解後形成液態鋼水，因廢鋼回收來源複雜，須將鋼液中雜質氧化成熔融狀或氣態氧化物，並通入高壓氧氣以加速氧化作用，其目的為將鋼液中雜質與氧接觸生成為氧化物，而於此階段所產生之爐碴稱為氧化碴。
        2.還原碴：為避免經由氧化期的鋼液中含有過量的氧化物影響鋼材品質，所以添加矽礦、錳鐵、焦炭與生石灰等還原劑控制鋼液品質，主要目的為與氧化物反應達去氧脫硫，在此階段所產生之爐碴稱還原碴。

三、搖籃到搖籃

        自工業革命以來，人類以追求經濟成長為首要目標，產品設計及製造只關心產品能快速、廉價的送到消費者手中，從未考慮到對環境的影響與產品的生命週期[3]，自然資源開採後就成產品單向的「搖籃到墳墓」之路：加工、製造、使用、拋棄、污染。3R提出回收、減量再利用的消極作為，並沒有從源頭設計改變，著重在減量及回收使用的策略，僅考慮產品的生命週期延長或降級使用。2002年德國的布朗嘉(Braungart)教授發表搖籃到搖籃概念，強調減少破壞的思維模式是人類想像力的失敗，以此思維改善地球的自然環境，會是令人沮喪的結果。布朗嘉教授提出積極的解決方案，不是消極的彌補工業生產的傷害，而是謙卑的向大自然學習永續回收。
        布朗嘉的搖籃到搖籃分析架構，設定地球有兩個獨立的新陳代謝系統[3,6,7]：一個是生物新陳代謝另一個為工業新陳代謝，且設立3個基本原則：1.廢棄未及為食物(每一個物質及為另一種物質的養分)2.使用既有的太陽能3.尊重多樣性(生物多樣性，概念多樣性和文化多樣性)。
(一)兩個獨立的新陳代謝系統(two distinct metabolisms)
        1.生物新陳代謝： 自然界沒有廢棄物的概念，結滿花與果實的櫻桃樹，花朵掉落則回歸到土壤，成為生態圈的養分並沒有浪費，大地植物生命周期結束時回歸自然分解，成為生態圈自然循環的養分。
        2.工業新陳代謝即工業循環：若產品從開始設計到製造初期，就考慮不同原料進入不同循環，則材料可以保有原來的性質，甚至可以做到升級回收(upcycling)。因為工業產品很難自然分解，就應該封閉在工業循環內，回收再製成更有價值的工業養分繼續使用。
        3.2 3個基本原則：
         (1)廢棄物即為食物：大自然中每一個物質及為他種物質的養分，工業亦應進階至產品可升級回收。
         (2)使用既有的太陽能：減少使用會產生廢棄物或耗費有限資源產生能源，如媒、石或油核能發電的資源，利用科技轉換太陽能或風能等自然界能源，愛護自然保護地球的清潔能源。
         (3)尊重多樣性：產品設計生產前端作業，及思考尊重生物、材料與文化的多樣性。永續發展是因地置宜的，針對在地的材料、文化、生態去思考，不能單一思維的短視目前較便宜的能源，而不考慮後續端的處理成本，才能達到真正的永續。
        生態效率(Ecological Efficiency)僅考慮產品的生命週期，從原料、產品到廢棄等過程皆考量其環境影響，強調的是減少污染，布朗嘉教授認為生態效率是不夠的[8]，比較不壞並不會變好; 搖籃到搖籃需要將生態有效性付諸實踐( Putting Eco-Effectiveness into Practice)，採取逐步漸進的正向步驟，不用一開始就作到完美。

四、爐碴策略分析

        台灣爐碴產量龐大且未妥善再利用，使用端專業知識不夠與使用不透明，生產端管理鬆散與管理端欠缺完善的驗證制度，大多數爐碴以廢棄物拋棄或掩埋處理，加上部分廠商的不當使用或誤用，造成一般民眾或工程單位對爐碴的誤解，使得在推動爐碴資源化時遭遇很大阻力。本文嘗試以搖籃到搖籃的循環觀念，將爐碴當成工業養分，分析整理各種爐碴的化學與工程屬性，採最適當資源化分流策略，讓爐碴能有效返回工業新陳代謝循環。將有毒物質再處理成其他工業的養分，不僅考慮減量回收而是以升級回收為最終目標，維持爐碴封閉工業內循環並有效再利用。
        爐碴永續發展再利用分3大面向考慮：1.經濟面的平衡-將爐碴升級回收使用，以低價優勢取代自然資源2.社會面的永續：讓爐碴成為安全與安心的材料貢獻使用者3.環境面的平衡-能不汙染環境條件下成為工程材料的替代品。為達到上述目標，須了解不同爐碴的特性與潛在用途相對應，並整理出每種爐碴每年的產出量與相對需求，找出可替代材料市場需求且需求量大於廢棄物之產量者；確定去化量並將去化流向透明化，並配合政府政策推動要求與生產業者達成共識。
        為使爐碴再利用能順利推廣，其策略首先朝多元化再利用方向思考，透過土木工程利用或水泥相關的材料需求量者，將爐碴處理成使用端的規格，再利用政府法規要求，搭配透明完整的產品通路，方能達到專廠處理、專用流向的目標。
(一)不同爐碴特性
         1.高爐碴(Blast Furnace slag, BFs)：
         (1)氣冷高爐碴：經過高溫熔融，所以不含重金屬與戴奧辛等有害物質，顆粒尺寸大須經破碎與篩分後才可當工程材料，因高溫融熔流動、冷卻過程會包裹部分空氣，冷卻後表面呈現多孔與不平整形狀。可用於填路基，做混凝土骨材可避免混凝土鹼骨材反應，可用作一般強度結構混凝土、非結構混凝土(水溝蓋、消波塊、路緣石、高壓磚、透水磚)、控制性低強度混凝土CLSM等。
         (2)水淬高爐碴：經高壓水淬驟冷製程產出，因其主要化學成份為Ca0、SiO2與Al2O3，近似於卜特蘭水泥，具備水合膠結特性，研磨成水淬高爐碴粉具潛在的膠結能力，將爐石粉與卜特蘭水泥混拌後製成卜特蘭高爐水泥，是所有爐碴應用最成熟也是利值最高者；另外顆粒微細之高爐石粉，若做為填加料摻用於混凝土，則可減少水泥漿中之孔隙，增加混凝土之緻密性，而增進混凝土之耐久性，亦可提升混凝土之品質。
         2.轉爐碴( Basic Oxygen Furnace slag, BOF slag)： 由高爐產生的鐵水運至轉爐，再加入石灰石等原料作為助熔劑，去除鐵水中雜質純化鋼液，此過程所產生的爐碴即為轉爐碴。
        轉爐碴具有下列物理性質 (1)耐磨性(Durability) (2)持熱能力 (3)磨擦性質(4)抵抗剝脫能力： (5)穩定性 (6)抵抗車轍能力[9]，日本、美國、歐盟、德國等世界先進國家，針對轉爐石均進行回收與資源化應用，用於道路面層與基底層級配材料、水泥原料、地盤改良、水利工程、回填材料、另有少部分可作為土壤改良劑、廢水處理等用途。其主要化學成份為氧化鈣(CaO)，氧化鐵(Fe2O3)，二氧化矽 (SiO2)，氧化鎂(MgO)等所組成，其化性穩定經檢測不具毒性、不含戴奧辛，日本將轉爐碴應用在蔬菜種植降低土壤病害的防治也有顯著成效，德國用含有轉爐碴的肥料種植牧草及穀物等進行測試，結果顯示作物生產率約為施用一般磷肥的1.1~1.2倍，土壤內均未發現有鎘(Cr)等重金屬溶出的污染現象[5，10]。
        轉爐石經過粉碎、磁選、篩分等程序加工後成為優良之再生工程材料級配粒料，惟其化學成份CaO中含有部份游離石灰(Free CaO)，在環境中易吸水份或濕氣致產生 CaO+H2O→Ca(OH)2反應，導致轉爐碴膨脹、潮解進而粉化，若應用於道路基、底層時，需檢測其膨脹率均小於1.5％，為改善此一反應，可藉改變轉爐碴冷卻流程將潑地冷卻法改採碴盤水坑裂解法，使熱碴泡水達安定化效果，膨脹率可大幅降低。
        3.脫硫碴：高爐煉得之鐵水含有硫，以脫硫劑將其中的硫脫除，所得的細粒狀碴體稱為脫硫渣，主要的資源化方式為磁選金屬含量作為煉鐵原料以及製作低強度混凝土；磁選金屬純化後剩下之脫硫碴，pH值約為10~12，適合做水泥原料、製作低強度混凝土、水泥製品填加料、造磚材料、替代粗骨材粒料、土方回填及部份取代石灰石用於燒製水泥熟料及土質改良劑原料[11,12]。
        4.氧化碴：電弧爐熔解後之液態鋼水，通入高壓氧加速氧化讓鋼液中雜質與氧接觸生成為氧化物，而於此階段所產生之爐碴稱為氧化碴，外形粗糙呈凹凸有稜角且多孔洞，類似天然火成岩。氧化碴的化學成分組成以二氧化矽(SiO2 )、三氧化二鋁(Al2O3)、三氧化二鐵(Fe2O3)、氧化鈣 (CaO)、氧化鎂(MgO)與硫(S)為主，其金屬之含量約為50%，其中大部分為Fe2O3(約28~34 %)及Al2O3 (3~6%)。
        氧化碴顏色大致為黑褐色，其物理性質為耐磨性高、具低吸水性(1.5～6.8%)和比重高(2.5～3.7)、顆粒強度高、耐磨、健性耗損低、透水性良好等特性，對環境並不會釋放出有毒物質，體積穩定無膨脹疑慮，適合應用於路面之鋪設與粗骨材替代材料。
        使用在路面鋪設與粗骨材替代材料，會因含鐵量高使用後有表面鐵鏽問題，可透過磁選除鐵改善鏽蝕，避免影響鋪面外觀；氧化碴具耐磨性及抗車轍能力，在台灣與新加坡廣泛用於車輛大路口之瀝青鋪面[2,5]。
        5.還原碴：電弧爐氧化期階段已過濾出廢熔碴的大部分，後製過程添加矽礦、錳鐵、焦炭與生石灰等還原劑控制鋼液品質，此階段所產生之爐碴稱還原碴。還原碴呈細小粉末狀外觀顏色為灰白，碴中含有之殘留金屬粉末，會使得比重的上升約為2.9~3.2之間。其基本化學成分基本上為CaO大約佔48 %，其次為SiO2大約佔22～29 %，Al2O3則大約佔14～18 %與部分MgO等，部分的游離氧化鈣(f-CaO)、MgO等再利用時會產生膨脹不穩定現象，故使用前須做安定化處理提高其穩定性[13]。
(二)不同爐碴之工程應用
        廢棄物再利用須具備可替代材料市場需求穩定，且需求量大於廢棄物之產出量。爐碴再利用替代材料大部分與土木工程相關，本文以7項主要的工程再利用策略作分析，1.道路基底層 2.瀝青混凝土鋪面 3.預拌混凝土骨材粒料 4.控制性低強度混凝土(CLSM) 5.水泥製品(混凝土磚、人孔、溝蓋、緣石、混凝土管等) 6.水泥生料(替代摻料與生料)7.回填、掩埋，導入搖籃到搖籃理念，將爐碴依其性質與相對可替代材料，回收再製成更有價值的工業養分，封閉在工業循環內。台灣每年的各種爐碴與七大工程材料需求量及相對使用評估如表2，顯示七大工程材料需求量皆遠大於各種爐碴產量。符合搖籃到搖籃的工業新陳代謝，以不同原料進入不同循環可以保有原來的性質，符合升級回收為目標；並能達到廢棄物即為食物的原則，部分技術目前或許不成熟，且朝日後的工業科技發展，能有更多的改善空間。

五、結論

         (一)爐碴再利用需先評估了解其性質再選定適當的用途。如一貫煉鋼廠的高爐碴因氣冷或水冷方式，會造成完全不一樣的物理、化學性質與不同資源化應用；電弧爐氧化期與還原期化學成分與特性迴異，其中還原碴與轉爐碴因含較多游離石灰及氧化鎂，如使用於回填或瀝青鋪面會造成緩慢膨脹問題，故使用前需先做安定處理。氧化碴含鐵量高會有表面鐵鏽，則須磁選除鐵減少鏽蝕改善等。
         (二)爐碴年產量幾乎固定，為防止任意廢棄掩埋，須流向透明化且以專廠作單位流向管理，配合完備的技術處理資源化，並依政府政策達與規範落實驗證制度的執行，形成產官學的共識全面推動搖籃到搖籃目標。
         (三)為開拓爐碴導入再生資源利用，應朝多元化方向思考，爐碴因其化學性質類似水泥製品，物性則具混凝土用粗細骨材的特性。透過土木工程材料需求量大及多元應用的特性，並根據各種不同爐碴屬性導入最合適的工程再利用方式，再準確調查爐碴的產能與可替代材料需求總量，以需求總量遠大於廢棄物產量的永續再利用方式，達穩定去化之目的。
         (四)爐碴資源化最終目標應以落實在搖籃到搖籃理念，回收升級再利用、保持在工業新陳代謝循環內，並以達到經濟面、社會面與環境面的永續目標與平衡。

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