JP7272312B2 - 還元鉄の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、還元鉄の製造方法に関する。

近年、地球環境問題や化石燃料枯渇問題を背景として、様々な分野において省エネルギー化並びに二酸化炭素（ＣＯ₂）の排出量低減が強く求められている。このことは、製鉄所においても例外ではなく、製鉄所の各工程にて省エネルギー化への努力がなされている。

さて、鉄の原料は主に酸化鉄であり、この酸化鉄を還元する、還元プロセスが必須となる。世界的に最も普及している、一般的な還元プロセスは高炉である。この高炉では、羽口においてコークスや微粉炭と熱風（１２００℃程度に加熱した空気）中の酸素とを反応させてＣＯおよびＨ₂ガス（還元ガス）を生成させ、これらの還元ガスにより炉中の鉄鉱石等の還元を行っている。近年の高炉操業技術の向上により、還元材比（溶銑１ｔの製造あたりのコークスおよび微粉炭の使用量）は５００ｋｇ／ｔ程度まで低減したが、還元材比の低減はすでに限界に達しており、これ以上の大幅な還元材比の低減は期待できない。

一方、天然ガスが産出される地域では、竪型の還元炉に酸化鉄原料として焼結鉱、ペレット等の塊成化した鉄鉱石（以下、酸化鉄と総称する）を充填し、水素及び一酸化炭素を含む還元ガスを吹き込んで酸化鉄を還元して還元鉄を製造する方法もよく用いられている。この方法では、還元ガスの原料ガスとして天然ガスなどが用いられる。原料ガスは、還元炉の炉頂から排出される炉頂ガスとともに改質器内で加熱・改質されて還元ガスが生成される。生成された還元ガスは還元炉に吹き込まれ、還元炉の上部から供給される酸化鉄原料と反応し、酸化鉄が還元され、還元鉄となる。製造された還元鉄は還元炉の下部から排出される。なお、酸化鉄の還元に供した後のガスは還元炉の炉頂から炉頂ガスとして排出され、集塵・冷却ののち、一部は改質ガスの原料として改質器に送りこまれる。また、残りの炉頂ガスは、加熱・改質器の燃料ガスとして用いられる。

上記の還元鉄製造プロセスとして、例えば特許文献１には、還元炉の排ガスと天然ガスとを改質器にて改質し、主にＣＯとＨ₂ガスからなる還元ガスを生成し、この還元ガスを還元炉に吹込み還元炉内の酸化鉄を還元し、還元鉄を製造することが記載されている。

また、特許文献２には、コークス炉ガスとＣＯ₂除去した還元炉の炉頂ガスを改質して還元ガスを製造し、それを還元炉に吹き込むことで還元鉄を製造する方法が記載されている。

特開２０１７－８８９１２号公報 特許第６１９０５２２号公報

特許文献１に記載の還元鉄製造方法では、還元ガス製造のために天然ガスを用いるため、高炉よりは低位ではあるものの、ある程度のＣＯ₂排出が避けられないという、問題がある。

また、特許文献２に記載の方法は、製鉄所内で生成されるコークス炉ガスもしくは転炉ガスを用いて還元ガスを製造するものであるが、一貫製鉄所においてコークス炉ガスや転炉ガスは加熱炉や焼鈍炉などの下工程燃料ガスとして不可欠であるため、還元鉄製造プロセスに転用してしまうと、下工程において燃料ガス不足を引き起こすことになる。その結果、結局は下工程の不足ガス補償のために天然ガスを外部供給することになり、ＣＯ₂排出量の削減は実現されずに課題として残るものであった。

さらに、特許文献２に記載の方法では、コークス炉ガスを原料として改質して還元ガスとしているが、コークス炉ガスには硫黄分が多く含まれるため、ＣＯ₂分離装置内の吸着材を痛める懸念がある。また、還元鉄製造プロセスは、ＣＯに対するＨ₂の比を１．５前後とすると適正な操業ができる、といわれている。特許文献２に記載の方法において転炉ガスを用いる場合、転炉ガスはＨ₂含有量が少ないため、還元ガスの組成を還元製造鉄プロセスの上記操業適正組成に調整することが困難である。

本発明は、上記の現状に鑑みなされたものであって、酸化鉄から還元鉄を製造する際に、省エネルギー化の実現並びに、ＣＯ₂排出量の削減を可能とする方途について与えることを目的とする。

発明者らは、従来技術が抱えている前述の課題を解決するために鋭意研究した結果、以下に述べる新規な還元鉄の製造方法を開発するに至った。
即ち、本発明の要旨は、次のとおりである。
１．還元炉を用いて酸化鉄から還元鉄を製造する方法であって、
前記酸化鉄を前記還元炉へ充填する酸化鉄充填工程と、
前記還元炉へ還元ガスを吹き込む還元ガス吹込み工程と、
前記還元炉の炉頂から排出される炉頂ガスと高炉の炉頂から排出される高炉ガスとを混合して混合ガスを生成する混合工程と、
前記混合ガスからＣＯ₂およびＨ₂Ｏを分離除去して前記還元ガスを生成する分離工程と、
前記還元ガスを加熱する加熱工程と、
前記還元炉内において前記還元ガスにより前記酸化鉄を還元する還元工程と、
を有する還元鉄の製造方法。

２．前記高炉が、送風に酸素ガスを用いる高炉である前記１に記載の還元鉄の製造方法。

本発明によれば、従来天然ガスを用いて酸化鉄原料の還元ガスを製造していたのに対し、還元炉の排ガスと高炉から排出される高炉ガスとを混合し、この混合ガスからＣＯ₂およびＨ₂Ｏを適切に除去して組成調整して還元ガスを製造し、この還元ガスを酸化鉄の還元処理に供するという、高炉ガスを利用する還元鉄製造プロセスが実現される結果、還元鉄製造プロセスにおけるＣＯ₂排出量を大幅に削減することができる。また、送風ガスとして酸素ガスを用いる、高炉の高炉ガスを用いて還元ガスを製造する場合は、得られる還元ガスの濃度を高く維持できるために、還元鉄製造プロセスにおける還元効率をより高めることができる。

本発明の一実施形態に用いる還元鉄製造設備を示す模式図である。 比較例に用いる還元鉄製造設備を示す模式図である。 比較例に用いる還元鉄製造設備を示す模式図である。

本発明は、還元炉を用いて酸化鉄から還元鉄を製造する方法であって、
前記酸化鉄を前記還元炉へ充填する酸化鉄充填工程と、前記還元炉へ還元ガスを吹き込む還元ガス吹込み工程と、前記還元炉の炉頂から排出される炉頂ガスと高炉の炉頂から排出される高炉ガスとを混合して混合ガスを生成する混合工程と、前記混合ガスからＣＯ₂およびＨ₂Ｏを分離除去して前記還元ガスを生成する分離工程と、前記還元ガスを加熱する加熱工程と、前記還元炉内において前記還元ガスにより前記酸化鉄を還元する還元工程と、を有するものである。
以下に、本発明の還元鉄の製造方法について実施形態に従って詳しく説明する。

本発明の一実施形態について、図１に模式的に示す還元鉄製造設備を参照して説明する。図中、符号１は還元炉、２は酸化鉄、３は還元鉄、４は除塵装置、５は混合装置、６は脱水装置、７は加熱装置、８は分離装置、１１は高炉、１２は羽口、１３は脱水装置および１４はバーナーである。

［還元炉の操業方法］
この実施形態では、次の手順に従って還元鉄を製造する。まず、還元鉄製造プロセスの中心となる還元炉１に、上部から酸化鉄２を装入し、該酸化鉄２を徐々に降下させる。その酸化鉄２の降下過程において、還元炉１の中間部から高温のＣＯおよびＨ₂を含む還元ガスを吹き込むことによって酸化鉄２を還元し、還元炉１の下部から還元鉄３を排出する。この還元炉１内での還元処理において、還元炉１の上部からは主にＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂およびＨ₂Ｏを含む炉頂ガスが排出される。この炉頂ガスは除塵装置４にて除塵されてから、一部は還元ガスの原料ガスとして混合装置５に送り込まれる。残りの炉頂ガスは、脱水装置６にて脱水ののち、加熱装置７において加熱用燃料として用いる。なお、加熱装置７にて炉頂ガスを燃焼させる際は、助燃ガスとして空気を用いればよい。

この実施形態では、前記酸素の製造や、後述するＣＯ₂およびＨ₂Ｏの分離、を行うためのエネルギー源にＣＯ₂フリーの電力を用いれば、原理的にはＣＯ₂排出をゼロとすることができる。ここで、ＣＯ₂フリーの電力としては、例えば太陽光発電、原子力発電によって生成された電力を用いればよい。

本実施形態において、還元ガスの原料ガスには前記炉頂ガスに加えて高炉ガスを混合した混合ガスを用いる。従来は、炉頂ガス成分（ＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂およびＨ₂Ｏ）を還元成分（ＣＯおよびＨ₂）に改質するための炭化水素ガスとして、天然ガスを外部から供給していたことは上述の通りであるが、本発明に従う実施形態では、天然ガス等の外部から供給される炭化水素ガスの代わりに、高炉１１から排出される高炉ガスと炉頂ガスとの混合ガスを調整して還元ガスとすることが肝要である。
この実施形態は、溶銑を製造する高炉のある製鉄所において、還元鉄製造プロセスを併設する場合に有利に成立する手法である。

［高炉の操業方法］
まず、本発明の実施形態において前記還元ガスの原料ガスとなる高炉ガスの供給元である、高炉の操業方法について説明する。図１に示すように、高炉１１の炉頂部から高炉内へ原料となる焼結鉱や塊鉱石、ペレット（以下、鉱石原料ともいう）やコークスなどが装入される（図示せず）。また、高炉１１下部に設置された羽口１２から高炉１１内へ、送風ガスと還元材とが吹込まれる。なお、羽口１２から高炉１１内へ吹込む還元材を、コークスと区別するため、吹込み還元材ともいう。
そして、送風ガスと還元材の反応により生じた一酸化炭素ガスや水素ガスによって、高炉１１内に装入した鉱石原料が還元される。この鉱石原料の還元反応において、二酸化炭素が発生し、鉱石原料と反応しなかった一酸化炭素や水素などとともに、副生ガスとして、高炉の炉頂部から排出される。高炉１１の炉頂部は２．５気圧程度の高圧条件となっているので、この高炉の炉頂部から排出される高炉ガス（副生ガス）が、常圧に戻る際の膨張冷却で水蒸気が凝縮し、脱水装置１３において、その凝縮水が除去される。

前記した高炉の操業において発生した、高炉ガスの少なくとも一部を、上記した混合装置５に導入する。そして、混合装置５において、前記還元炉１の炉頂ガスと混合して混合ガスを生成する。なお、高炉内は還元性雰囲気であるため、高炉ガス中には、のちの分離工程において吸着材の劣化トラブルを引き起こす、硫黄分がほとんど含まれない。また、高炉ガス中には５～２０％の水素が含まれているため、還元鉄プロセスの適正なガス組成、すなわちＨ₂／ＣＯ比を適正に調整しやすいメリットがある。

ここで、生成される混合ガスにおける高炉ガスおよび炉頂ガスの混合比率は特に規制する必要はないが、混合後のガス組成においてＨ₂／ＣＯの値が０．５から４の間となるように混合比に調整することが、還元鉄プロセスの安定操業の観点からは好ましい。

次いで、前記混合ガスに対して、還元ポテンシャルを高めるために、分離装置８にてＣＯ₂およびＨ₂Ｏを分離除去する。この分離工程によって、還元成分（ＣＯおよびＨ₂）の濃度を高めて混合ガスから還元ガスを生成する。ここで、ＣＯ₂およびＨ₂Ｏの分離除去では、ＣＯ₂およびＨ₂Ｏを可能な限り除去することが好ましい。

なお、分離装置８には、たとえばＣＯ₂分離に関してはＰＳＡ用い、Ｈ₂Ｏ分離に関しては、気液分離槽を用いることができるが、これら装置構成に限定されない。

かくして得られた還元ガスは、上記した加熱装置７によって加熱して高温の還元ガスとして還元炉１へ供給する。

この実施形態では、高炉からのＣＯ₂を還元鉄プロセスの還元ガスの原料として再利用しているので、高炉からのＣＯ₂排出が削減できる効果がある。高炉と還元鉄製造プロセスのトータルＣＯ₂排出を想定したとき、還元鉄製造プロセスを増設した際の製鉄所のＣＯ₂排出増分はゼロであるため、実質的に本発明の還元鉄製造プロセス増設によるＣＯ₂排出はゼロとなる。なお、還元炉１にて製造された還元鉄を高炉１１に原料として装入することによって、高炉の還元材比を削減でき、さらなるＣＯ₂削減を行うことも可能である。

ここで、本実施形態において、羽口１２には、送風ガスとして、熱風（１２００℃程度に加熱した空気）ではなく、酸素ガスを使用することが好ましい。
すなわち、送風ガスとして、熱風（１２００℃程度に加熱した空気）を使用する場合、燃焼ガス中に燃焼反応に寄与しない５０体積％程度の窒素が含まれ、高炉ガスに約５０％の窒素ガスが含まれることになるため、この高炉ガスを原料ガスに用いて得られる還元ガスとしての濃度が低くなってしまう不利をまねく。そこで、送風として酸素ガスを用いる高炉から排出される高炉ガスを、原料ガスに用いることが有利である。このとき、高炉ガス中の窒素濃度はほぼゼロとなり、高炉ガスはほぼＣＯ、ＣＯ₂およびＨ₂のみとなるため還元ガスの原料として好適になる。

ちなみに、羽口１２では、吹込み還元材および酸素ガスが混合され、この混合ガスが、羽口１２から高炉１１内に吹込まれた直後に、急速着火・急速燃焼する。そして、羽口１２の先の高炉内に、再生メタンガス等の吹込み還元材やコークスと酸素ガスとが反応する領域であるレースウェイが形成される。

なお、送風ガス中の酸素濃度が増加すると、炉内ガス量が少なくなり、高炉上部における装入物の昇温が不十分となる場合がある。この場合には、図１に示すように、脱水装置１３の下流の高炉ガスの一部を、８００℃～１０００℃程度となるようにバーナー1４により部分燃焼させた後、高炉シャフト部に吹込む予熱ガス吹込みを行うことが好ましい。

以下、本発明の実施例を記載する。なお、ここでは、還元鉄（ＤＲＩ）１ｔ製造あたりの原単位として操業諸元を記載する。たとえば、３０００ｔ／日の還元鉄プラントを考える場合は、下記を３０００倍すれば１日当たりの諸元となる。
［発明例１］
図１に模式的に示した高炉に併設した還元鉄製造設備を用いて、次に示す還元炉操業を行った。すなわち、還元炉１の上部から酸化鉄２として１３９４ｋｇ／ｔの焼結鉱を装入し、炉１の中間部からは８００℃に加熱した高温還元ガス２２０５Ｎｍ³／ｔ（Ｈ₂：４２体積％、ＣＯ：５７体積％）の吹き込みを行った。このとき、炉１の上部からは２２０５Ｎｍ³／ｔ（Ｈ₂：３２体積％、ＣＯ：４３体積％、ＣＯ₂：１５体積％、Ｈ₂Ｏ：１０体積％）の炉頂ガスが排出された。

一方、送風ガスとして酸素ガスを使用する高炉から発生した高炉ガス（Ｈ₂：２４体積％、ＣＯ：３３体積％、ＣＯ₂：４３体積％）は脱水後に１４３０Ｎｍ³／ｔ相当を取り出し、降雨豪装置５にて上記炉頂ガスと混合して還元ガスの原料ガスとして用いた。次いで、炉頂ガスと高炉ガスとを混合した混合ガス３２８０Ｎｍ³／ｔを分離装置８に送給し、脱水（Ｈ₂Ｏ分離除去）およびＣＯ₂分離を行って、混合ガスから１５４ｋｇ／ｔの水および８８５Ｎｍ³／ｔのＣＯ₂を取り除いた。脱水及びＣＯ₂分離が行って得られた還元ガス２２０５Ｎｍ³／ｔは、加熱装置７にて加熱され、高温還元ガスとした。ここで、加熱装置７には、炉頂ガスのうち原料ガスとして使われなかった残りのガス３５４Ｎｍ³／ｔを加熱燃料ガスとして用いた。この加熱燃料ガスは、脱水ののち加熱装置の燃焼室にて燃焼し、還元ガス加熱の熱源とした。

以上の操業では、加熱装置７にて炉頂ガスの一部を燃焼させた際にＣＯ₂が発生するが、一方で高炉から排出されたＣＯおよびＣＯ₂が還元鉄プロセスにて再利用されることによってＣＯ₂削減が実現し、トータルで見ると、還元鉄プロセスを増設した際の製鉄所からのＣＯ₂排出の増減はゼロであった。

さらに、上記した還元鉄製造プロセスで得られた還元鉄を高炉１１に原料として装入して高炉操業を行ったところ、高炉におけるコークス使用量を削減でき、さらなるＣＯ₂削減効果を得られた。

［比較例１］
図２に示す還元鉄製造設備を用いる一般的な還元炉操業を行った。この一般的な還元炉操業は、上記した発明例において、原料ガスとする炉頂ガスに加える原料を天然ガスとする比較例１である。すなわち、還元炉１の中間部から８００℃に加熱した高温還元ガス２２００Ｎｍ³／ｔ（Ｈ₂：６２体積％、ＣＯ：３８体積％）を吹き込み、還元炉操業を行った。このとき、炉上部からは２２００Ｎｍ³／ｔ（Ｈ₂：４６体積％、ＣＯ：２９体積％、ＣＯ₂：１０体積％、Ｈ₂Ｏ：１５体積％）の炉頂ガスが排出された。この炉頂ガスを除塵したのち、１５０１Ｎｍ³／ｔを原料ガスに、残りの６９９Ｎｍ³／ｔの炉頂ガスを改質器１０の加熱燃料ガスとして用いた。原料ガスとする炉頂ガスは、水分調整のために８６ｋｇ／ｔの水を脱水装置９にて取り除いてから、改質器１０に送り込んだ。加熱燃料ガスは、脱水ののち、改質器１０の燃焼室にて空気で燃焼され、燃焼排ガスは大気放散した。改質器１０では、前記原料ガスとともに天然ガス２６９Ｎｍ³／ｔを流し込み、還元ガスを製造した。
以上の操業において、改質器１０の燃焼排ガスとして放出されるＣＯ₂を換算すると、５２８ｋｇ－ＣＯ₂／ｔとなり、ＣＯ₂の排出を抑制できなかった。

［比較例２］
図３に示す還元鉄製造設備を用いる一般的な還元炉操業を行った。この一般的な還元炉操業は、上記した発明例において、原料ガスとする炉頂ガスに加える原料をコークス炉ガスとする比較例２である。すなわち、比較例２は、比較例１において、天然ガスの代わりに５２４Ｎｍ³／ｔのコークス炉ガスをガス加熱装置１０に流し込むことで還元鉄を製造するものである。従って、比較例１と同様に、ガス加熱装置１０の燃焼排ガスとして放出されるＣＯ₂を換算すると、４５６ｋｇ－ＣＯ₂／ｔとなるが、これは製鉄所内で発生したコークス炉ガスの一部を還元鉄プロセスに流用したものなので、コークス炉側のＣＯ₂排出も４５６ｋｇ－ＣＯ₂／ｔ減少しており、製鉄所としては差し引きゼロとなる。しかし、コークス炉ガスは高炉ガスとは異なり下工程でプロセスガスとして用いられているものなので、ＣＯ₂フリー電力やＣＯ₂フリー電力を用いた水電解によって得られる水素によって代替することはできない。したがって、比較例２の方法では下工程で２８４Ｎｍ³／ｔの外部メタン（天然ガス等）を導入する必要がある。これにより製鉄所全体としてみると、５５７ｋｇ／ｔのＣＯ₂排出増となり、ＣＯ₂の排出を抑制できなかった。また、コークス炉ガスは硫黄を多量に含んでおり、ガス加熱装置の中に設けた反応促進用触媒は硫黄に弱いため、追加で大規模な脱硫設備も設ける必要があった。

なお、この比較例２にて使用したコークス炉ガスは、一貫製鉄所において下工程プロセスの燃料、例えば加熱炉のバーナー燃料などに用いられる重要なプロセスガスなので、還元鉄プロセスで多量に使ってしまうと下工程の燃料が不足してしまう問題が起こる。１００００ｔ／日の高炉を持つ製鉄所において使用されるコークスを製造する際に発生するコークス炉ガスは１６９万Ｎｍ³／日となる。還元鉄の製造量を３０００ｔ／日とすると、本発明の還元鉄製造プロセスにて消費されるコークス炉ガスは１５７万Ｎｍ³／ｔであり、発生するコークス炉ガスのほぼ全量を使い切ってしまうことになる。よって、比較例２の方法は実際の製鉄所に適用することは不可能である。

１ 還元炉
２ 酸化鉄
３ 還元鉄
４ 除塵装置
５ 混合装置
６ 脱水装置
７ 加熱装置
８ 分離装置
９ 脱水装置
１０ 改質器
１１ 高炉
１２ 羽口
１３ 脱水装置
１４ バーナー

Claims (1)

1. 還元炉を用いて酸化鉄から還元鉄を製造する方法であって、
   前記酸化鉄を前記還元炉へ充填する酸化鉄充填工程と、
   前記還元炉へ還元ガスを吹き込む還元ガス吹込み工程と、
   前記還元炉の炉頂から排出される炉頂ガスに、送風に酸素ガスを用いる、高炉の炉頂から排出される高炉ガスをそのまま混合して混合ガスを生成する混合工程と、
   前記混合ガスからＣＯ_２およびＨ_２Ｏを分離除去して前記還元ガスを生成する分離工程と、
   前記還元ガスを加熱する加熱工程と、
   前記還元炉内において前記還元ガスにより前記酸化鉄を還元する還元工程と、
   を有する還元鉄の製造方法。

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