FINEXプロセス：鉄鉱石微粉と非コークス炭による先進的溶銑製造
溶銑製造のためのFINEXプロセス
FINEX溶融還元プロセスは、プリメタルズ・テクノロジーズ（オーストリア）と韓国の製鉄メーカーPOSCOが共同開発しました。FINEXプロセスは、高炉（BF）プロセスルート（高炉、焼結プラント、コークス炉で構成）に加えて、溶銑（HM）を製造する商業実証済みの代替製鉄プロセスです。このプロセスは非コークス炭の直接使用に基づいており、鉄鉱石微粉を一切凝集せずに直接使用できます。
FINEXプロセスでは、微細鉄鉱石を予熱し、メルターガスファイアから生成される還元ガスを用いて3段流動床反応器系で微細DRI（直接還元鉄）まで還元します。流動床反応器により、FINEXプロセスは塊鉱やペレットではなく微細鉱石を使用可能です。
その結果、コークス製造も鉱石凝集も不要です。予還元鉱石と石炭のブリケッティング、粉砕石炭吹き込み、メルターガスファイア（MG）への制御充填により、プロセスの燃料率が改善されます。流動床反応器系で製造された微細DRIは圧縮され、HCI（熱圧縮鉄）としてメルターガスファイアへ充填され溶銑を製造します。充填されたHCIは金属鉄に還元され溶解します。冶金還元と溶解に必要な熱は、高純度酸素（O₂）による石炭ガス化で供給されます。FINEXプロセスは低コストの微細鉄鉱石と石炭を使用する環境配慮型プロセスです。
FINEXプロセスは高純度O₂を使用するため、窒素（N₂）含有量が極めて少ない排ガスを得られます。その正味発熱量（CV）は高炉トップガスの2倍以上であり、還元作業への部分リサイクルや熱・エネルギー発電に利用可能です。
初期開発
基礎的な実験室規模研究は、1992〜1996年に15トン/日のベンチスケールユニットで実施されました。この結果を用いて1999年に150トン/日のパイロットプラントで試験操業を行いました。POSCO浦項製鉄所に0.6百万トン/年（Mtpa）のFINEXデモプラントが建設され、2003年6月に生産開始。3基の流動床反応器を備え、2004年2月以降、0.7Mtpa以上の溶銑を安定生産しています。POSCOは2007年4月、能力1.5Mtpaの初の商用FINEXプラントを稼働。この成功を受け、POSCOとプリメタルズは浦項で2.0MtpaのFINEXプラントを開発し、2014年1月に操業開始しました。
主要原料
石炭と鉄鉱石が2大主要原料です。FINEXプロセスに適した石炭・石炭ブレンドの初期評価基準は以下の通りです。
- 固定炭素（C）含有量：最小55%
- 灰分含有量：最大25%
- 揮発分（VM）含有量：35%未満
- 硫黄（S）含有量：1%未満
これら一般特性に加え、メルターガスファイア内で安定したチャー層を形成するための熱安定性に関する要件も満たす必要があります。FINEX用石炭の熱安定性は特別な実験室試験手順で確認されます。
FINEXプロセスは、メルターガスファイアのチャー層負荷が低くO₂を使用するため、コークスなしで操業可能です。石炭ブリケット品質の変動や還元度変動時、通常30mm未満のコークスブリーズを停止前後や溶銑温度低下時に使用し、生産性維持と燃料比低減を図ります。現在の操業では一定レベルのコークスブリーズを供給し、上記影響を最小化しています。FINEX用コークスブリーズの品質は高炉操業には不適で、強度は高炉コークスの約60%です。ゼロコークスブリーズ操業には、バインダー最適化、石炭ブリケット予熱技術開発など複数の最適化が必須です。FINEX用石炭特性と高炉製鉄用石炭特性の比較を図1に示します。
鉄鉱石については、一般的に焼結原料微粉の100%を流動床反応器へ充填します。ペレット原料の30〜50%も使用可能です。鉄鉱石の種類と配合は、全鉄（Fe）含有量、組織構造、粒度などの化学的・物理的特性に基づき決定されます。高炉プロセスによる溶銑製造と同様に、鉄鉱石のFe含有量が生産性を決定します。配合比は鉱石品質とコストの両面から決定されます。高アルミナ（Al₂O₃）スラグのタッピングがFINEXでは高炉より許容されるため、Al₂O₃含有量の高い鉄鉱石も使用可能です。通常、ヘマタイトとゲーサイトの供給材料構造に制限はありません。FINEXプロセスに適した鉄鉱石の柔軟性を図2に示します。
プロセスの詳細
FINEXプロセスは、直接充填される鉄鉱石微粉と、還元剤・エネルギー源としての石炭に基づき、高品質溶銑を製造する点で特徴づけられます。FINEXプロセスの鍵は、製鉄が2つの独立したプロセスステップで行われることです。3基の流動床反応器系列で微細鉄鉱石をDRIまで還元し、これを圧縮（HCI）して熱溶銑コンベアでメルターガスファイアへ輸送します。メルターガスファイアへ充填された石炭と石炭ブリケットがガス化し、溶解に必要なエネルギーと還元ガスを供給します。FINEXプロセスのフローシートを図3に示します。
FINEXプロセスでの溶銑製造は2ステップで行われます。第1ステップで鉄鉱石微粉を流動床反応器で3段階に予熱・還元し微細DRIとします。第1反応器（R3）は主に鉄鉱石微粉の予熱用です。鉄鉱石微粉は石灰石・ドロマイトなどのフラックスとともに流動床反応器系列へ充填され、下向きに3基の反応器を通過しながら、メルターガスファイアでの石炭ガス化から得られる還元ガスにより加熱・還元されDRIとなります。この還元ガスは鉱石移動方向と逆方向（R1→R3）に流れます。3基の流動床反応器における典型的な温度と還元ガス組成を表1に示します。
| 表1：FINEXプロセス用3段流動床反応器の典型的ガス雰囲気 | ||||
|---|---|---|---|---|
| パラメータ/成分 | 単位 | R1 | R2 | R3 |
| 温度 | ℃ | 760 | 750 | 480 |
| CO | % | 45.4 | 39.3 | 32.7 |
| CO₂ | % | 20.4 | 29.2 | 26.7 |
| H₂ | % | 17.2 | 16.9 | 14.3 |
| H₂O | % | 5.4 | 7.3 | 7.8 |
| N₂ | % | 11.6 | 6.6 | 18.4 |
| CH₄ | % | Nil | Nil | Nil |
微細鉄鉱石はガス流で流動化され、各反応器段階で段階的に還元されます。最終流動床反応器から出た還元鉄は圧縮されHCIとなり、熱輸送システムでメルターガスファイア頂部へ輸送され、石炭とともに直接メルターガスファイアへ充填されます。その後、HCIの最終還元と溶解が行われます。
石炭ルートでは、非コークス炭と石炭ブリケットをロックホッパーシステムでメルターガスファイアへ直接充填します。チャー層へ落下後、脱ガスが起こり、放出された炭化水素（環境有害物質）はメルターガスファイアドーム内の1000℃超の高温で即座にCOとH₂に解離します。メルターガスファイア下部へ吹き込まれたO₂が石炭をガス化し、溶解作業用の熱と、主にCOとH₂からなる高価値還元ガスを生成します。このガスはメルターガスファイアドームから出て、熱ガスサイクロンで清浄化された後、流動床反応器へ入ります。DRI溶解後、タッピング手順は標準的な高炉慣行と全く同じ方法で実施されます。FINEXプロセスからの溶銑品質は高炉製溶銑と類似しています。
FINEX排ガスはFINEXプロセスの貴重な副産物です。流動床反応器頂部から出る清浄排ガスは多様な用途に利用可能です。DRI製造、発電、化学工業用合成ガス製造などが含まれます。FINEXプロセスで生成される各ガスの典型的組成を表2に示します。
| 表2 ガスの典型的組成 | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| ガス組成 | 単位 | CO | CO₂ | H₂ | N₂ |
| オフガス | % | 35-36 | 32-33 | 14-15 | 10-11 |
| 製品ガス | % | 53-54 | 2-3 | 24-25 | 17-18 |
| テイルガス | % | 17-18 | 65-66 | 10-11 | 2-3 |
FINEXプロセスのガスフローを図4に示します。
FINEXプロセスにおける材料・ユーティリティの典型的単位消費量は以下の通りです。（1）乾燥燃料：約720kg/tHM、（2）鉄鉱石：約1600kg/tHM、（3）添加剤（石灰石・ドロマイト）：約285kg/tHM、（4）O₂：約460N㎥、（5）N₂：約270N㎥、（6）電力：約190kWh/tHM、（7）耐火物：約1.5kg/tHM。
FINEXプロセスで製造される溶銑の特性：（1）C：約4.5%、（2）Si：約0.7%、（3）Mn：約0.07%、（4）P：約0.07%、（5）S：約0.04%、（6）温度：約1500℃。
FINEXプロセス排ガスの特性：（1）CO：約34%、（2）CO₂：約43%、（3）H₂：約13%、（4）H₂O：約3%、（5）CH₄：1%未満、（6）N₂/Ar：約6%、（7）H₂S：100ppm未満、（8）粉塵：5mg/N㎥、（9）圧力：0.1kg/cm²、（10）温度：約40℃、（11）CV：1300〜1500kcal/N㎥。溶銑1トン当たり約1.9ギガカロリーの排ガスが生成されます。
プロセスの環境側面
FINEXプロセスは、高純度CO₂をCO₂回収・貯留（CCS）用に回収する可能性があります。貯留以外にも、回収CO₂は原油回収促進やその他経済的用途に利用可能です。これはメルターガスファイアで高純度O₂を用いて石炭をガス化するため、排ガスにN₂が極めて少なく、リサイクルガスから高濃度CO₂を除去し、さらなる精製で95%以上の高純度CO₂を生成できるためです。CCSなし・ありのFINEXプロセスCO₂排出率は、高炉製鉄プロセスの平均CO₂排出率と比較してそれぞれ99%と55%です。
FINEXプロセスは石炭ベースの鉄鉱石還元・溶銑製造プロセスであり、原料配合により一定量の環境有害物質は不可避です。しかし、FINEXプロセスでは大部分の汚染物質がスラグ中で不活性状態で捕捉され、放出炭化水素がメルターガスファイアドームで破壊されるため、有害物質排出は極めて低レベルです。溶銑1トン当たりの粉塵、SOx、NOx排出値はそれぞれ約58g/t、約32g/t、約94g/tです。
FINEXプロセスの利点
FINEXプロセスの主な利点は以下の通りです。
- 低品位微細鉄鉱石を酸化物原料として利用可能
- 非コークス炭を還元剤として使用可能
- 還元プロセスと溶解プロセスの独立制御が可能
- 資本コストと操業コストの大幅削減による有利な経済性
- 環境メリット
- 原料選択と操業の柔軟性（高Al₂O₃鉄鉱石など低品位鉄鉱石利用可能）
- 高炉製溶銑と同等品質の溶銑製造
- 高CVの排ガスを多目的に利用可能（発電、DRI製造、化学製品製造等）
- 商業実証済み代替製鉄プロセス
- 統合製鉄所でのブラウンフィールド適用により高炉とのシナジー獲得
製造プロセス