JP2025502664A - 製鋼方法及びプラントの関連するネットワーク - Google Patents

Abstract

固体廃棄物燃料のガス化から生じる合成ガス（７０）を用いて直接還元プラント（１）において直接還元鉄を生産する工程と、熱風（２０）を使用して高炉（２）において溶銑（２２）及び高炉頂ガス（２１）を生産する工程であって、高炉頂ガス（２１）は、少なくとも部分的に（２１Ａ）直接還元プラント（１）で使用される工程と、生産された直接還元鉄（１２）を使用して電気炉（３）内で溶融金属及び電気炉ガスを生産する工程とを含む鋼の製造方法。関連するプラントのネットワーク。

Description

本発明は、低減されたカーボンフットプリントを有する製鋼方法及び関連するプラントのネットワークに関する。

鋼は、現在、２つの主な生産経路を通して生産することができる。現在、最も一般的に使用されている「ＢＦ－ＢＯＦ経路」と呼ばれる生産経路は、還元剤、主にコークスを使用することによって、酸化鉄を還元し、高炉内で溶銑を生産すること、次いで、コンバータプロセス又は塩基性酸素炉（ＢＯＦ）において、溶銑を鋼に転換することからなる。生産この経路は、コーキングプラントにおける石炭からのコークスの生産及び溶銑の生産の両方において、かなりの量のＣＯ_２を放出する。

第２の主経路は、いわゆる「直接還元法」を含む。中でも、ブランドＭＩＤＲＥＸ、ＦＩＮＭＥＴ、ＥＮＥＲＧＩＲＯＮ／ＨＹＬ、ＣＯＲＥＸ、ＦＩＮＥＸ等に従う方法であって、海綿鉄が、酸化鉄担体の直接還元からＨＤＲＩ（熱間直接還元鉄）、ＣＤＲＩ（冷間直接還元鉄）、又はＨＢＩ（熱間ブリケット鉄）の形態で生産される方法がある。ＨＤＲＩ、ＣＤＲＩ、及びＨＢＩの形態の海綿鉄は、通常、電気炉内でさらなる加工を受ける。

ＣＯ_２排出を削減して気候目標を満たすことは、製鋼の現在支配的な形態として困難であり、高炉－塩基性酸素炉（ＢＦ－ＢＯＦ）経路は、還元剤及び燃料としての石炭に依存する。製鋼からのＣＯ_２排出を削減するための２つの選択肢がある。すなわち、ＢＦ－ＢＯＦ経路を維持し、炭素捕捉の使用及び／又はＣＯ_２の貯蔵（ＣＣＵＳ）技術を実施すること、又は新しい低排出プロセスを模索することである。

したがってＣＯ_２排出削減に向かう第１の工程は、ＢＦ－ＢＯＦ経路からＤＲＩ経路に切り替えることであり得る。これは、設備に関してだけでなく、プロセスに関しても大きな変化に相当するので、全ての高炉を直接還元設備に一度に交換することはない。

また、鋼需要のますます増加する部分はスクラップ／ＤＲＩベースの生産でカバーされるが、鋼生産の必要性は依然として高く、古典的なＢＦ技術が今後何十年も主要な生産経路であることが依然として予測される。したがって、異なる設備が共存するいくつかのプラントが存在するであろう。

この１つの経路から他の経路への切り替えは、カーボンニュートラル生産経路が利用可能になる前に最初に解決されなければならない技術的及び経済的課題の両方に相当する。例えば、より多くのＤＲＩ機器は、より少ない高炉、したがってより少ない高炉ガスを意味する。しかし、これらの高炉ガスは、特にエネルギー源として製鋼プラント内で使用され、それらを化石エネルギー源に置き換えることは正しい方向に導かないであろう。

したがって、ＣＯ_２フットプリントが低減されたハイブリッドＢＦ／ＤＲＩ経路に従って鋼を生産することを可能にする方法が必要とされている。

この課題は、本発明による方法によって解決され、前記方法は、直接還元プラントにおいて還元ガスを使用して直接還元鉄及び還元炉頂ガスを生産する工程であって、前記直接還元ガスは固体廃棄物燃料のガス化から生じる合成ガスを含む工程と、溶銑及び高炉頂ガスを、熱風を使用して高炉内で生産し、高炉頂ガスは、少なくとも部分的に直接還元プラント内で使用される工程と、生産された直接還元鉄を用いて電気炉で溶融金属及び電気炉ガスを生産する工程とを含む。

本発明の方法はまた、別々に又は全ての可能な技術的組み合わせに従って考慮される以下の任意選択の特徴を有していてもよい。
－ 方法は、コークスプラントにおいてコークス及びコークス炉ガスを生産する工程をさらに含み、前記コークスは、前記溶銑生産工程のために高炉に装入され、前記コークス炉ガスは、直接還元プラントへの還元ガスとして少なくとも部分的に使用される、
－ 前記還元ガスは、グリーン水素をさらに含む、
－ 前記コークス炉ガスは、前記溶銑生産における還元剤として少なくとも部分的に使用される、
－ 前記還元炉頂ガスは、溶銑生産における還元剤として少なくとも部分的に使用される、
－ 前記還元炉頂ガスは、還元剤として前記高炉のシャフトに注入される、
－ 前記還元炉頂ガスは、前記還元ガスの一部として直接還元プラントで少なくとも部分的に再利用される、
－ 前記合成ガスは、１０より高い（％Ｈ_２＋％ＣＯ）／（％Ｈ_２Ｏ＋％ＣＯ_２）として計算される酸化剤に対する還元剤の比、及び１を超える％Ｈ_２／％ＣＯの比を満たす組成を有する、
－ 前記高炉頂ガスは、還元剤として前記高炉で少なくとも部分的に再利用される、
－ 前記高炉頂ガスは、化学物質生産ユニットに少なくとも部分的に送られる、
－ 前記高炉頂ガスは、前記還元ガスを加熱するために使用される、
－ 前記高炉頂ガスは、前記固体廃棄物燃料のガス化に用いられる、
－ 前記溶銑は、溶融金属を生産するために前記電気炉で使用される、
－ 前記スクラップは、溶融金属を生産するために前記電気炉で使用される、
－ 全ての工程には再生可能エネルギーが供給される。

本発明はまた、還元ガスを用いて直接還元鉄及び還元炉頂ガスを生産する直接還元プラントと、還元剤を用いて溶銑及び高炉頂ガスを生産する高炉と、生産された直接還元鉄を用いて溶融金属及び電気炉ガスを生産する電気炉と、固体廃棄物燃料のガス化から合成ガスを生産する廃棄物ガス化プラントと、少なくとも直接還元プラントを廃棄物ガス化プラント及び高炉に接続して、還元ガスが合成ガスの少なくとも一部を含み、高炉頂ガスが直接還元プラントに少なくとも部分的に使用されるようにするガスネットワークとを備えるプラントのネットワークに関する。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、表示として以下に与えられ、決して限定的ではないその説明から明らかになる。

本発明による方法を実施することを可能にするプラントを示す。図中の要素は例示であり、縮尺通りに描かれていないことがある。

図１は、直接還元プラント１と、高炉２と、電気炉３と、廃棄物ガス化炉７とを備えるプラントを示す。

直接還元プラント１は、シャフト炉４及びガス調製装置５を備える。作業モードでは、３０重量％程度の酸素を含む酸化鉄鉱石及びペレット１０をシャフト炉４の頂部に装入し、還元ガス１１を介して重力により降下させる。ガス調製装置５によって調製されたこの還元ガス１１は、装入された酸化鉄から向流で流れるように炉４に注入される。鉱石及びペレットに含まれる酸素は、ガスと酸化物との向流反応において、酸化鉄を段階的に還元することで除去される。ガスの酸化物含有量は、ガスが炉の頂部に移動している間に増加する。ＤＲＩ生産物１２とも呼ばれる還元鉄は炉４の底部から出るが、還元炉頂ガス１３は炉４の頂部から出る。この還元炉頂ガス１３は、第１のガス処理ユニット７において捕捉され、処理される。この還元炉頂ガス１３の組成は、シャフト炉４に注入される還元ガス１１の組成に応じて変化する。

高炉２は、ガス－液体－固体向流化学反応器であり、その主な目的は、溶銑２２を生産することであり、この溶銑２２は、次いで、その炭素含有量を低減することによって鋼に転化され得るか、又は他の目的のために使用され得る。高炉２には、従来、高炉のスロートと呼ばれる上部に装入された固体材料、主に焼結物、ペレット、鉄鉱石、及び炭素質材料、一般にコークスが供給される。溶銑及びスラグからなる液体は、高炉２の底部のるつぼから出銑される。鉄含有の、高炉の装入原料（焼結体、ペレット及び鉄鉱石）は、従来、酸化鉄を還元ガス（特にＣＯ、Ｈ_２及びＮ_２を含む）で還元することによって溶銑２２に変換され、この還元ガスは、通常１０００～１３００℃の間の温度で、高炉の下部に位置する羽口によって注入される熱風２０による炭素質材料の部分燃焼によって形成される。還元剤の注入はまた、高炉の上部で、羽口の上方で行われてもよく、これは通常シャフト注入と呼ばれる。

結果として生じるガスは、高炉の頂部で排出され、高炉頂ガス２１と呼ばれる。この高炉頂ガス２１は、第２のガス処理ユニット８において捕捉され、処理される。この高炉頂ガス２１の組成は、高炉２に注入される還元剤の組成によって変化する。

電気炉３の種類は異なっていてもよい。特に、電気アーク炉（ＥＡＦ）、サブマージド・アーク炉（ＳＡＦ）又はオープンスラグバス炉（ＯＳＢＦ）であってもよい。この炉の目的は、直接還元プラント１によって生産された直接還元鉄１２の少なくとも一部である装入材料のうち装入された材料を溶融することである。この直接還元鉄１２は、直接還元プラント１の出口で直接高温に装入されるか、又は低温に装入されることができる。電気炉にはまた、高炉で生産された溶銑２２及び／又はスクラップが装入されてもよい。使用される技術及び装入材料によれば、生産された溶融金属は、例えば、炭素含有量を低減するためにコンバータに送られるか、及び／又は鋼を精製し、さらなる加工工程のためにそれを適切な組成にするために二次冶金に送られるかのいずれかであり得る。

廃棄物ガス化炉７は、廃液を熱分解してガス化する。ガス化は、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、ＣＨ_４、Ｈ_２Ｏ、及びＮ_２を特徴とするガス状生産物を得るための酸化剤の存在を伴う高温（４００～１０００℃）での炭素質燃料の熱化学変換であり、ガス化条件及び原料選択に応じて化合物比が変化する。本発明による方法では、固体廃棄物燃料が前記ガス化に供される。

固体廃棄物燃料は、特に、両方のタイプの廃棄物、すなわち、廃棄物固形燃料（ＲＤＦ）及び固体回収燃料（ＳＲＦ）を包含する。好ましい実施形態では、ＳＲＦのガス化が行われる。廃棄物固形燃料（ＲＤＦ）は、生分解性材料及びプラスチックを含む家庭用及び事業用の廃棄物から生産される。ガラス及び金属などの不燃性材料を除去し、次いで残留材料を細断する。固体回収燃料（ＳＲＦ）は、主に、紙、ボール紙、木材、織物及びプラスチックを含む商業廃棄物から生産される。

図１の実施形態では、プラントは、本発明による方法を実施するのには任意選択であるコークスプラント６をさらに含む。コークス６１は、断熱チャンバであるいわゆる「コークス炉」において、石炭を非常に高い温度、通常は約１０００℃に加熱することによって生産される。石炭のコークス化中、石炭ブレンド中の有機物質は蒸発又は分解し、コークス炉ガス（ＣＯＧ）６２及びコールタール（産業及び医薬品で使用される濃厚な暗色液体）を生産する。

好ましい実施形態では、これらのプラントは全て、太陽光、風、雨、潮、波、及び地熱などの源を含む、人間の時間尺度で自然に補充される再生可能資源から収集されるエネルギーとして定義される再生可能エネルギーで運転される。いくつかの実施形態では、生成されるＣＯ_２を放出しないので、原子力源に由来する電気の使用を使用することができる。

本発明による方法では、直接還元プラント１で使用される還元ガス１１は、廃棄物ガス化プラント７における固体廃棄物燃料のガス化から生じる合成ガス７０を含み、高炉頂ガス又はＢＦＧの少なくとも一部分２１Ａは直接還元プラント１で使用される。

固体廃棄物燃料は、廃棄物ガス化プラント７においてガス化され、このようにして得られたガス状生成物７０は、直接還元プラントにおいて還元ガス１１として使用される。ガス状生成物７０における化合物比及びガス化の関連するプロセスパラメータは、直接還元プロセスに必要な還元条件を満たすように、還元ガス１１の他の成分に従って決定される。ガス状生成物７０は、還元ガス１１の一部として使用するための適切な組成を得るために、改質又は部分酸化などの調整工程に供され得る。

前記合成ガスの使用は、非化石燃料を使用しながら、使用された天然ガスの一部を還元ガスに置き換えることを可能にし、したがって、プロセスの全体的なカーボンフットプリントを低減することに寄与する。さらに、それは、製鋼プラントの既存の環境との相乗作用を生み出し、カーボンフットプリントをさらに地球規模で低減することを可能にする。

好ましい実施形態では、この合成ガス組成は、１０より高い（％Ｈ_２＋％ＣＯ）／（％Ｈ_２Ｏ＋％ＣＯ_２）として計算される酸化剤に対する還元剤の比、及び１を超える％Ｈ_２／％ＣＯの比を満たす。前記合成ガスは、ガス調製装置５に入るときに、３％ｖ未満のＣＯ_２及び０．５％ｖ未満のＮ_２をさらに優先的に含み、全てのパーセンテージは体積で表される。それはさらに優先的に、５ｍｇ／Ｎｍ^３未満のタール及びダスト、０．１ｇ／Ｎｍ^３未満のＮＨ_３及び０．１ｇ／Ｎｍ^３未満のＣ_１０Ｈ_８を含む。

最も好ましい実施形態では、廃棄物ガス化プラント７は、２つのガス流７０及び７１を放出し、第１のガス流は、還元ガス１１のための合成ガスとして使用され、第２のガス流７１は、プラントの他の設備で加熱ガスとして使用され得る。

別の実施形態では、プラントはコークスプラント６を含み、還元ガスはコークス炉ガス６２も含む。前記コークス炉ガス６２はまた、還元ガスとは独立してシャフト炉４に注入されてもよい。この構成では、コークス炉ガス６２は、外部炭素の追加の使用なしにＤＲＩ生成物の炭素含有量を増加させるために炭素源として使用される。

好ましい実施形態では、還元ガス１１はまた、好ましくは体積で５０％超のグリーン水素を含む。グリーン水素は、低炭素電源によって生産された電気（これは特に先に定義された再生可能源からの電気を含む）による水の電気分解から得られる水素－生成燃料である。

別の実施形態では、還元ガス１１はまた、第１のガス処理ユニット７におけるその処理後の直接還元炉頂ガス１３Ａの一部を含んでもよい。この第１のガス処理ユニット７は、他の装置の中でも、水除去装置及びＣＯ_２分離ユニットを備え得る。別の実施形態（図示せず）では、この直接還元炉頂ガス１３は、例えば還元ガス１１を加熱するための熱源として、又は製鋼プラント内の他の加熱用途のために使用することもできる。

別の実施形態では、還元炉頂ガス１３Ｂを高炉２に送ることもできる。それは、熱風２０の一部として、又は優先的にシャフトレベルでの注入のための還元剤として、羽口を通して注入されてもよい。

本発明による方法では、高炉頂ガス２１又はＢＦＧは、直接還元プラント１において少なくとも部分的に使用される。そこでは、それは、直接熱交換によって、又はバーナーにおける燃料としての使用によってのいずれかで、ガス調製装置５内の還元ガス１１を加熱するために使用することができる。高炉頂ガス２１は、第２のガス処理ユニット８において回収及び処理される。この第２のガス処理ユニット８は、他の装置の中でも、ダストフィルタユニットと、水除去装置と、圧力スイング吸着装置などのＣＯ_２分離ユニットとを備えることができる。それは２つの流れ２１Ａ、２１Ｂに分割することができ、第１の流れ２１Ａは直接還元プラント１に送られる。好ましい実施形態では、ＢＦＧの第２の流れ２１Ｂは、炭素変換ユニットに送られ、そこで化学物質などの他の生産物に変えられる。それは、例えば、それが炭化水素に変換される発酵ユニットに送られ得る。別の実施形態では、この第２の流れ２１Ｃは、熱風２０の一部として、又はシャフトレベルでの還元剤として高炉に再注入される。別の実施形態では、ＢＦＧは、廃棄物ガス化プラント７で使用することができる。ＢＦＧは、前の実施形態において説明された異なる使用のために必要とされるだけの数の流れに分割され得る。

本発明による方法を用いると、カーボンフットプリントが低減されたハイブリッドＢＦ／ＤＲＩ経路を使用して鋼を生産することが可能である。この方法はまた、最も一般的に使用されるＢＦ／ＢＯＦ経路からＤＲＩベースのカーボンニュートラル経路への移行を持続可能な方法で行うことを可能にする。

図１の実施形態では、全てのプラントが一緒に表されているが、それらは異なる生産現場に位置してもよく、異なるガス及び材料が適切な手段によってプラントから別のプラントに輸送されてもよい。

記載された全ての異なる実施形態は、技術的に可能な場合、互いに組み合わせて使用され得る。

Claims (16)

1. 鋼の製造方法であって、
   ａ． 直接還元プラント（１）において還元ガス（１１）を用いて直接還元鉄（１２）及び還元炉頂ガス（１３）を生産する工程であって、前記直接還元ガス（１１）は、固体廃棄物燃料のガス化から生じる合成ガス（７０）を含む、工程、
   ｂ． 溶銑（２２）及び高炉頂ガス（２１）を、熱風（２０）を用いて高炉（２）内で生産する工程であって、前記高炉頂ガス（２１）は、少なくとも部分的に（２１Ａ）前記直接還元プラント（１）で使用される、工程、
   ｃ． 前記生産された直接還元鉄（１２）を用いて電気炉（３）で溶融金属及び電気炉ガスを生産する工程
   を含む方法。
2. コークスプラント（６）においてコークス（６１）及びコークス炉ガス（６２）を生産する工程であって、前記コークス（６１）は、前記溶銑生産工程のために前記高炉（２）に装入され、前記コークス炉ガス（６２）は、前記直接還元プラントへの還元ガスとして少なくとも部分的に使用される工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記還元ガス（１１）が、グリーン水素をさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記コークス炉ガス（６２）が、前記溶銑生産工程において熱風（２０）として少なくとも部分的に使用される、請求項２又は３に記載の方法。
5. 前記還元炉頂ガス（１３Ｂ）が、前記溶銑生産工程における還元剤として少なくとも部分的に使用される、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記還元炉頂ガス（１３Ｂ）が、還元剤として前記高炉（２）のシャフトに注入される、請求項５に記載の方法。
7. 前記還元炉頂ガス（１３Ａ）が、前記還元ガス（１１）の一部として前記直接還元プラント（１）で少なくとも部分的に再利用される、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記合成ガス（７０）が、１０より高い（％Ｈ_２＋％ＣＯ）／（％Ｈ_２Ｏ＋％ＣＯ_２）として計算される酸化剤に対する還元剤の比、及び１を超える％Ｈ_２／％ＣＯの比を満たす組成を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記高炉頂ガス（２１）が、前記熱風（２０）の一部として前記高炉（２）で少なくとも部分的に再利用される、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
10. 高炉頂ガス（２１）が、化学物質生産ユニットに少なくとも部分的に送られる、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記高炉頂ガス（２１）が、前記還元ガス（１１）を加熱するために使用される、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記高炉頂ガス（２１）が、前記固体廃棄物燃料のガス化に用いられる、請求項１～１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記溶銑（２２）が、溶融金属を生産するために前記電気炉で使用される、請求項１～１２のいずれか一項に記載の方法。
14. スクラップが、溶融金属を生産するために前記電気炉で使用される、請求項１～１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 全ての工程には再生可能エネルギーが供給される、請求項１～１４のいずれか一項に記載の方法。
16. プラントのネットワークであって、
    ａ． 還元ガス（１１）を用いて直接還元鉄（１２）及び還元炉頂ガス（１３）を生産する直接還元プラント（１）、
    ｂ． 還元剤（２０）を用いて溶銑（２２）及び高炉頂ガス（２１）を生産する高炉（２）、
    ｃ． 生産された直接還元鉄（１２）を用いて溶融金属及び電気炉ガスを生産する電気炉（３）、
    ｄ． 固体廃棄物燃料のガス化から合成ガス（７０）を生産する廃棄物ガス化プラント（７）、
    ｅ． 少なくとも前記直接還元プラント（１）を前記廃棄物ガス化プラント（７）及び前記高炉（２）に接続し、前記還元ガス（１１）が前記合成ガス（７０）の少なくとも一部を含み、且つ前記高炉頂ガス（２１）が前記直接還元プラントに少なくとも部分的（２１Ａ）に使用されるようにするガスネットワーク
    を含む、プラントのネットワーク。

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