超低二酸化炭素製鋼– ULCOS

超低二酸化炭素製鋼– ULCOS

気候変動は、世界中の鉄鋼業界によって、25年以上にわたって主要な環境問題として認識されてきました。 2007年の気候変動に関する政府間パネル（IPCC）の調査結果のずっと前に、主要な鉄鋼生産者は、鉄鋼の生産中に発生する二酸化炭素（CO2）排出に取り組むために長期的な解決策が必要であることを認識していました。

その結果、鉄鋼業界はエネルギー消費の改善と温室効果ガス（GHG）排出量の削減に非常に積極的に取り組んできました。

世界の鉄鋼業に最も関連性のある温室効果ガスは二酸化炭素（CO2）です。世界鉄鋼協会（WSA）によると、生産される鉄鋼1トンあたり平均1.8トンのCO2ガスが排出されます。国際エネルギー機関（IEA）によると、2010年には、鉄鋼業が世界のCO2総排出量の約6.7％を占めました。

生産される原油1トンあたりのCO2排出量は、現在約50％削減されており、鉄鋼セクターの気候への影響が劇的に減少しています。現在、最高の製鉄所は、現在の鉄鋼生産技術によって設定された熱力学の限界に近い状態で稼働しています。これは、鉄鋼生産者がエネルギー効率をさらに向上させることができる範囲が限られていることを意味します。ほとんどの主要なエネルギー節約がすでに達成されているため、現在のテクノロジーを使用してCO2排出量をさらに大幅に削減することはできません。

GHG（温室効果ガス）排出量の削減は、さらに画期的な技術の導入を意味しています。特定の課題を提起して以来、京都後の政策が「独創的な」考え方を必要とするレベルまでのCO2排出量の削減。この目的を達成するための簡単なプロセスは、既製のものではありません。鉄鋼の生産方法における深いパラダイムシフトを想像し、対応する画期的な技術を設計および開発する必要があります。政府や国際機関によって求められている種類の削減には、根本的な新しい生産技術の発明と実装が必要です。

これが、京都議定書の結果として2004年に開始されたヨーロッパの共同研究開発イニシアチブであるULCOS（超低CO2製鋼）プログラムの創設の背景です。 ULCOSは、鉄鋼生産からのCO2排出量をさらに大幅に削減する方法を模索しています。このプログラムの主な目的は、将来、完全に開発されたときに、鉄鉱石からの鉄鋼生産のためのCO2排出量の大幅な削減の可能性を実証できる画期的なプロセスルートを探すことです。このプログラムは、今日の生産技術と比較してCO2排出量を最低50％削減することを目的としています。このような野心的な目標を達成するには、現在世界中の製鉄所の運営方法を変えるような鉄鋼生産のパラダイムシフトが必要です。 ULCOSは、CO2を大幅に削減できる可能性のある製鋼技術を特定するために設計された世界的な鉄鋼業界プログラムの一部です。このプログラムの下で、最も持続可能な方法で鉄鋼を作るという答えを見つける試みがなされています。

ULCOSプログラムのメンバーは、すべての主要な欧州連合（EU）の鉄鋼会社、エネルギーおよびエンジニアリングパートナー、研究機関、大学を含む15のヨーロッパ諸国からの48のヨーロッパの企業および組織のコンソーシアムです。また、欧州委員会によってサポートされています。 ULCOSはヨーロッパのプログラムですが、地球温暖化の脅威に対する解決策を積極的に模索している世界の鉄鋼業界で最大の取り組みです。コンソーシアムの専門知識は、製鋼からバイオマス生産、地質学的CO2貯蔵にまで及び、プロセスエンジニアリング、エネルギー経済学、気候変動の先見性研究などが含まれます。

今日、ULCOSは、地球温暖化の脅威に対する解決策を積極的に模索している世界の鉄鋼業界で最大のイニシアチブです。 ULCOSパートナーは、7,500万ユーロの予算の60％に資金を提供しています。欧州委員会は、RTD（研究および技術開発）フレームワークプログラムおよびRFCS（研究基金石炭鋼）プログラムを通じて残りの40％を提供しています。どちらもヨーロッパ内での産業研究と技術開発を促進するために設立されました。

現在の鉄鋼生産技術は、主に炭素をベースにした石炭、炭素と水素の混合物である天然ガス、およびスクラップベースの電気アーク炉に基づいています。 CO2の少ないプロセスルートを特定するために、考えられる3つの主要な解決策は、（i）脱炭素化と呼ばれる石炭からのシフトです。これにより、水素還元や鉄鉱石の電気分解などのプロセスで、炭素が水素または電気に置き換えられます。（ii ）CCS（炭素回収および貯留）および鉱物炭素化技術の導入、および（iii）持続可能なバイオマスの使用。

ULCOSは、社会全体とともに、鉄鋼業界が直面している長期的で複雑な課題に注意深く直面するように設定された大規模なプログラムです。 ULCOSプログラムには、（i）プロセスのコンセプト構築、（ii）大規模なデモンストレーション、（iii）最初の商業プラントの大規模な実験という4つのステップがあります。 （iv）ヨーロッパおよび世界での技術の展開。研究イニシアチブであったULCOSは、現在、デモンストレーションイニシアチブになっています。

ULCOSプログラムでは、2004年の開始以来、かなりの研究が行われています。4〜5年間続く初期の実現可能性調査では、モデリングと実験室のアプローチを使用して、研究プログラムの初期段階で80を超える技術/概念ルートを調査しました。 CO2排出量、エネルギー消費量、鉄鋼製造の運用コスト、持続可能性の観点から、それらの可能性。いくつかの概念が並行して調査されました。これらすべての中で、以下の幅広いプロセスルートファミリがULCOSプログラム内で選択され、さらに調査し、最終的には商用実装が引き継ぐことができるサイズにスケールアップします。

• 高炉（BF）の変形で、BFの上部ガスがCO2回収を通過し、残りの還元ガスが反応器の基部に再注入され、さらに熱風ではなく純粋な酸素で運転されます（空気）。このプロセスは、トップガスリサイクル高炉（TGR-BF）と呼ばれています。 CO2が豊富なガスの流れは貯蔵庫に送られます（CCSテクノロジー）。
• HIsarnaプロセスと呼ばれる製錬還元プロセス。このプロセスは、ホットサイクロンとバス製錬所の組み合わせに基づいており、HIsmeltプロセスの技術的特徴のいくつかを組み込んでいます。このプロセスでは、純粋な酸素も使用し、ほぼ保管可能なオフガスを生成します（CCSテクノロジー）。
• ULCOREDと呼ばれる直接削減（DR）プロセス。このプロセスは、天然ガスまたは石炭ガス化からのガスのいずれかから、シャフト炉でDRI（直接還元鉄）を生成します。シャフトからのオフガスは、CO2が回収された後、プロセスにリサイクルされます。これにより、DRプラントは濃縮された流れになり、貯蔵されます（CCSテクノロジー）。
• ULCOWINおよびULCOLYSISと呼ばれる2つの電解プロセスバリアント。 ULCOWINは、鉱石の小粒が充填されたアルカリ性水溶液中で100℃をわずかに超える温度で動作します（電解採取プロセス）。 ULCOLYSISは、スラグで作られた溶融塩電解質を使用して製鋼温度で動作します（熱電解）。
• 利用可能なオプションがさらに2つあります。 1つ目は、二酸化炭素排出量なしで利用できる場合に、水素を直接還元に使用することです。 2つ目は、持続可能なバイオマスの使用に基づいており、その最初の実施形態は、熱帯諸国で栽培されたユーカリの持続可能なプランテーションから生産された木炭です。

新しいULCOSテクノロジー内でのCCSとミネラル炭酸化の使用も評価されています。 CCSは、最初から強力なソリューションとして認識されてきました。ミネラルの炭酸化については、重要ではありますが、全体的な排出量を中程度にしか削減できないことが確認されています。

ULCOSプログラムの下で検討および開発中のプロセスを図1に示します

図1ULCOSプログラムで検討および開発中のプロセス

ULCOSは、実験的にテストされた4つのプロセスコンセプトを選択しました。これにより、現在のベストプラクティスと比較してCO2排出量を半分以上削減できます。これらのコンセプトは現在、 ULCOSプロジェクトの第2フェーズで製鉄所を稼働させます。ULCOSプログラムのフェーズ2の結果は、約15〜20年後に生産プラントに展開される可能性があります。選択されたプロセスコンセプトは、（i）プロセスのコアにCCSを組み込むためのブラスト炉、（ii）CCS機能による精錬削減、（iii）現在よりも多くのCO2リーン技術を備えた天然ガスの大量使用、（iv）水素製鉄および鉄鉱石の電気分解。

TGR-BFは、既存のBFを新しいテクノロジーに後付けできるため、短期的には最も有望なソリューションと思われます。これにより、画期的なテクノロジーへの切り替えに必要な多額の資本的支出をある程度の管理下に置くことができます。さらに、CO2の回収と精製ガスのリサイクルにより、高温の化学平衡（Boudouard反応）が置き換えられ、BF内で従来の操作よりも効率の高いコークスと石炭が使用されるため、プロセスの原理自体がエネルギー節約になります。 。これにより、キャプチャとストレージによって発生する追加コストのバランスがある程度取れます。 TGR-BFに適用される適切な概念は、酸素操作を伴うインプロセスCO2回収の概念です。酸素部分は酸素燃料の操作に似ていますが、同一ではありません。リサイクル部分はオリジナルであり、ある程度のエネルギー節約とそれに対応する運用コストの削減が得られる主な理由です。このコンセプトは、スウェーデンのルレオにある大規模な実験室用高炉でテストされ、良好な結果が得られました。

天然ガスが利用できる場合、ULCOREDプロセスルートは魅力的なオプションです。 ULCOREDプロセスに適用される概念は、TGR-BFの概念に類似しており、純粋な酸素の使用とシャフトトップガスのインプロセスリサイクルに加えて、リサイクルループ。この概念を検証するために、ULCOSパートナーであるLKABによって、今後数年間で1トン/時間のパイロットがルレオに建設される予定です。

開発中のHIsarnaプロセスは、おそらくグリーンフィールド製鉄所で今後数年間で利用可能なオプションになる予定です。 HIsarnaプロセスは、ガスのリサイクルループを含まないため、TGR-BFおよびULCOREDプロセスとは少し異なります。製錬所のガスはサイクロンレベルで酸化され、そこで燃焼とともにいくらかの還元が行われ、鉱石を予熱して溶かします。鉄の流れに対してガスの向流があり、その化学エネルギーは完全に使い果たされています。 ULCOSプログラムの過程で、8トン/時間のパイロットプラントが建設され、テストされました。パイロットプラントは2011年4月に開始されました。最初のキャンペーンでは、プラントは2011年4月18日から6月11日まで稼働しました。4回の始動がありました。最初の起動は成功しませんでした。他の3つのスタートアップは成功しました。達成された注入率は容量の60％でした。操作から入手可能なデータは、プロセスが期待どおりに動作したことを示していますが、これを確認するには、より多くの操作時間が必要です。稼働時間は予想を下回りました。 2番目のキャンペーンは2012年10月16日に開始され、2012年11月末まで続きました。

電気分解プロセスはULCOSプログラム内でゼロから開発されたため、現在も実験室規模で運用されています。ゼロエミッションの約束はありますが、グリーン電力を利用できるのであれば、商業規模（10年から20年）にスケールアップするのに時間がかかります。 ULCOWINプロセスは、鉄鉱石のアルカリ電解で構成されています。電気分解は、鉄鋼以外の金属を製造するために一般的に使用され、大量の電力を必要とします。このプロセスは、水力発電や原子力発電などのCO2の少ない電力源に依存します。 ULCOLYSISは溶融酸化物電解です。酸化鉄電解は、酸化鉄が供給された溶融スラグに電流を流すことによって機能します。酸化鉄は分解して液体の鉄と酸素ガスになります。 CO2は発生しません。プロセス排出量は、CO2の少ない電力源によってさらに削減されます。

水素製鋼では、鉄は高温（1,300℃以上）で非常に短い反応時間で鉄鉱石から還元されます。 CO2は排出されませんが、水素を生成するには大量のCO2リーン電力が必要です。このプロセスは、天然ガスなどの低CO2燃料でも実行できます。

水素製鋼はグリーン水素の入手可能性に大きく依存しますが、成長国から遠く離れた木炭を使用するには、いくつかの大陸にまたがる重いインフラストラクチャを含む複雑なロジスティクスの設定が必要になります。

ULCOSは、鉄鋼業界の長期的なイニシアチブです。それは約束に満ちているだけでなく、リスクと罠にも満ちています。これはおそらく他のセクターが経験している状況と似ています。リスクは問題の複雑さに関連しており、非常に短い時間的制約の下で画期的なテクノロジーの開発と実装が求められます。このプログラムが鉄鋼業界のイニシアチブを成功させ、目標のほとんどを達成するには、忍耐、サポート、誠実さ、そして継続的な決意が必要です。