ロータリーハース炉による効率的製鉄：非コークス炭を用いた直接還元

ロータリーハース炉（RHF）での製鉄は、非コークス炭を用いて鉄鉱石を還元する直接還元プロセスです。RHFは平らな耐火炉床が静止した円形トンネルキルン内で回転するプロセス反応器です。RHF内部では、鉄鉱石または鉄系廃棄物の直接還元が、石炭を還元剤として行われます。

RHFの歴史と発展

RHFは新しい技術ではありません。熱処理、石油コークス焼成、廃棄物処理、非鉄高温金属回収など、幅広い産業用途で成功裏に使用されてきました。

RHFでの製鉄の歴史は、1960年代半ばにミドレックス社が「ヒートファスト」プロセスを開発したことに遡ります。以来、RHFベースの製鉄プロセスが複数開発されてきました。これらには商業運転に至った「ファストメット/ファストメルト」プロセスと「ITmk3」プロセスが含まれます。これらのプロセスは別記事（リンク参照）で説明されています。その他のRHFプロセスには、「レドスメルト」プロセス、「インメトコ」プロセス、「アイアンダイナミクス」プロセス、「DRyIron」プロセス、「コメット」および「シドコメット」プロセス、「Hi-QIP」プロセスがあります。

主要RHF製鉄プロセス

レドスメルトプロセス

レドスメルトプロセス技術は、従来の高炉ルートに代わる低コスト・環境友好型製鉄代替案への需要増大に対応して開発されました。このプロセスのプラントは、年間30万トン～100万トンの銑鉄生産能力で設計可能です。製鉄所からの幅広い鉄鉱石微粉と廃棄物を処理できます。

レドスメルトプロセスは、鉄鉱石、還元剤微粉、バインダーから作られるグリーンペレットをRHFで還元し、高温冶金化DRI（直接還元鉄）を生産し、これを水中アーク炉（SAF）へ装入するものです。プロセスは高温・常圧で運転されます。

レドスメルト炉への鉄酸化物原料は、微細鉄鉱石、還元剤、バインダーから作られるグリーンペレット形態です。バインダーはグリーンペレットに下流工程の取扱い衝撃に耐える十分な機械的強度を与えます。ペレットはローラー型スクリーンで8mm～16mmに分級され、アンダーサイズとオーバーサイズはペレタイザーディスクへ循環されます。ペレットはRHF上へ最大30kg/㎡の層厚で分配されます。炉内を12分～18分で通過する間にペレットは1370℃まで加熱されます。ペレット乾燥、石炭脱揮発、鉄酸化物還元が加熱過程で進行します。非常に高温での鉄酸化物と炭素の密接な接触により非常に高速な反応速度が得られます。冶金化鉄の再酸化防止のため、炉最終ゾーンは副化学量論雰囲気で運転されます。高温DRI製品はSAFへ供給され、銑鉄とスラグへ溶融精錬されます。

プロセスフローシートを図1に示します。

図1 レドスメルトプロセスのフローシート

インメトコプロセス

このプロセスは1978年にカナダのインターナショナルニッケル社（INCO）によって開発されました。INCOはこのプロセスを開発し、「インメトコ」（Inco + met）と命名しました。冶金廃棄物のリサイクル向けに開発されたためです。鉄鉱石微粉や鉄鉱石微粉と冶金廃棄物の組み合わせ還元にも使用可能です。

インメトコプロセスは、鉄鉱石微粉、廃棄物鉄系材料、粉砕石炭から作られるブリケットをRHFで還元し、高温冶金化DRIを生産し、これを誘導炉または電気アーク炉へ直接装入可能なものです。プロセスは高温とわずかな負圧で運転されます。

インメトコ炉への鉄原料は、250μm以下の微細鉄鉱石と揮発分25%未満の微粉石炭、コークス、チャーから作られるディスクペレット形態です。これらはピボットベルトコンベアで、約3ペレット深さの層でRHF上へ分配されます。クイックアクティングバインダーを使用し、ペレットが炉床へ輸送中に劣化しないようにします。炉床は連続回転し、ペレットは炉床周辺のバーナーで10分～15分かけて1250℃～1300℃まで加熱されます。バーナーはグループ配置され、加熱ゾーンと還元ゾーンを形成します。加熱ゾーンは炉床面積の約1/3、還元ゾーンは約2/3を占めます。バーナーは内周と外周に配置されます。高温DRI製品はN₂パージされたトランスファー缶で回収するか、直接電気炉へ供給して溶融可能です。RHFはわずかな負圧で運転され、水シール槽でシールされます。

プロセスフローシートを図2に示します。

図2 インメトコプロセスのフローシート

アイアンダイナミクスプロセス

アイアンダイナミクス製鉄（IDI）プロセスは、炭素含有鉄酸化物装入材をRHFで還元し、金属鉄固形物を生産し、SAFへ装入して還元完了、還元鉄の溶融と脱硫を行います。DRI溶融により、結果として得られる液体スラグと鉄の相分離も可能になります。

IDIプロセスは5つのプロセスエリアで構成されます。(i) 原料受入、(ii) 鉱石と還元剤（石炭）粉砕・調製、(iii) ペレタイジング、(iv) ロータリーハース還元、(v) SAF精錬。鉱石受入後、RHF排ガスで水分0.5%未満まで乾燥。磁選機とスクリーンで選鉱し、ゲージ材料を削減。50%が200メッシュ以下になるまで粉砕。石炭は石炭/溶剤石粉砕機で80%が200メッシュ以下にサイジング。粉砕鉱石と石炭をバインダーと水でミキサーで激しく混合し、ディスペレタイザーへ供給。ウェットペレットを水分1%未満まで乾燥し、円形グレートドライヤーで150℃まで予熱。ペレットチャージャーが乾燥グリーンボールを受け取り、炉床へ25mm～40mm厚層で配置。天然ガス燃焼RHFは8反応ゾーンを持ち、各ゾーンで温度、ガス流量、ガス組成を制御し、ペレットを適切に加熱・還元・保護。炉排出時のDRI冶金化度は約85%。添加剤設備で溶剤、コークス、シリカ等をDRI輸送レードルへ導入し、SAF内スラグ化学を制御。排ガスシステムで熱、粉塵、SO₂、NOxを除去。アフターバーナーで排ガス水冷ダクト内の残留COを燃焼。ガスを冷却し、一次冷却器でNOx除去。排ガスを燃焼空気予熱と鉱石・石炭・ペレットドライヤー熱源に利用。ペレットドライヤー後、ガスをろ過し、SOx除去後スタックから排出。DRIと添加剤が重力でSAFスラグ層へ落下し、精錬実施。ここでの平均冶金化度約95.8%。スラグはスラグポットへタッピングし、スラグ処理施設へ移送。

プロセスフローシートを図3に示します。

図3 アイアンダイナミクスプロセスのフローシート

DRyIronプロセス

DRyIronプロセスはマウミー研究開発社（MR&E）によって開発されました。廃棄物酸化鉄材料と粉砕非冶金石炭から作られるグリーンペレット/ブリケットをRHFで還元し、高温冶金化DRI（90%以上）を生産します。高温・常圧運転、短滞留時間が特徴で、廃棄物鉄系材料リサイクルにも使用可能です。

DRyIron炉への鉄酸化物原料は、微細酸化鉄と石炭またはコークスから作られるグリーンペレット/ブリケット形態で、ペレット予乾燥が不要です。理想的高温（約1300℃）理論条件下では、鉄酸化物が固定炭素と反応し、ブリケット内で金属鉄を形成しCO₂を放出。固定炭素/鉄酸化物理論比は1.5:1です。

DRyIronプロセスは炭素/酸化物比6:1で金属鉄生産を実現するよう定式化されており、COとCO₂両方が生成され、残留炭素レベル約4%が残ります。このプロセスの鍵は、再酸化最小化、炭素消費最小化、炉滞留時間最小化のためにCO/CO₂比を制御することです。炉内通過中、ペレットは1300℃まで加熱されます。ペレット乾燥、石炭脱揮発、鉄酸化物還元が加熱過程で進行。非常に高温での鉄酸化物と炭素の密接な接触により非常に高速な反応速度が得られます。高温DRI製品は複数のオプションで製鋼ショップへ供給可能です。

プロセスフローシートを図4に示します。

図4 DRyIronプロセスのフローシート

コメットプロセスとシドコメットプロセス

コメットプロセスはベルギーの冶金研究センター（CRM）によって開発された石炭ベースシステムで、ロータリーハース炉で鉄鉱石微粉と石灰石からスポンジ鉄を生産します。コメット直接還元プロセスは鉄鉱石と石炭微粉から低ゲージ・低硫黄DRIを生産します。一連の実験室テストでプロセスの実現可能性と柔軟性が実証され、あらゆる種類の石炭やその他の固体還元剤（褐炭、コークスブリーズ含む）で運転可能であり、冶金廃棄物のリサイクルにも非常に適しています。1996年11月に実験室規模100kg/h設置が稼働開始。成功結果に基づき、ベルギー・ゲントのシドマーでパイロット1.5トン/hプラント建設。冶金化結果は実験室ユニットと一致。生産性、コスト、価格、エネルギー消費、環境影響が確立されています。

コメットプロセスでは、他プロセスと異なり鉄鉱石と石炭微粉を混合・ペレタイズしません。代わりに炉床上で交互層として装入します。石炭中の硫黄制御のため通常石灰石を添加。還元ゾーン温度は約1300℃。天然ガス、コークス炉ガス、粉砕石炭等を燃焼して熱生成。反応中に放出される揮発分とCOの後燃焼も一部熱供給。高温でDRI層は焼結しますが、余剰チャーは粉末状のままのため、スクリーンで容易に分離可能。排ガスは炉外でさらなる後燃焼を経て、熱をプロセス空気と装入材料予熱に利用。このプロセスでは炉床負荷が高いため、処理時間は複合ペレット使用プロセスより通常大幅に長くなります。

プロセスフローシートを図5に示します。

図5 コメットプロセスのフローシート

シドコメットプロセスはコメットプロセスと類似。唯一の違いは鉄鉱石と石炭微粉を混合物として供給する点です。滞留時間はコメットプロセスと類似。滞留時間が長いため、このプロセスの生産性は通常ペレットベースプロセスより低くなります。

Hi-QIPプロセス

以下のコンセプトに基づき、(i) 天然ガスやコークス炭を還元剤として必要としない、(ii) プロセス鉄製品がゲージ成分フリー、(iii) 設備を可能な限りシンプルに、(iv) エネルギー回収システムを最小限に、そして実験結果に基づき、Hi-QIP（High-Quality Iron Pebble）プロセスと呼ばれる新製鉄プロセスが開発されました。これは高品質鉄を生産する新しい石炭ベースプロセスです。ITmk3プロセスと類似しており、RHF内で還元鉄溶融を可能にします。原料混合変動を許容します。開発は現在パイロットプラント段階に達しています。

Hi-QIPプロセスには類似プロセスと比較して2つの顕著な特徴があります。(i) 炉床上の炭素材料層の使用、(ii) 炉内での還元鉄溶融。Hi-QIPプロセスのメイン反応器はロータリーハース炉です。粗粒または微粒鉄鉱石、石炭、石灰石を原料として使用。塊状材料使用は考慮されていません。炭素材料（石炭等）を炉床に敷き、ローラーでこの層に小さなカップ状窪みを形成。鉄鉱石を鉄源、石炭を還元剤、石灰石を溶剤として使用。これらを混合し炭素材料層上へ装入、バーナーで加熱。このプロセスでは鉄鉱石が還元・溶融し、原料層混合石炭がガス化し還元剤として作用。石灰石が溶融し、混合物中のゲージと灰成分とともにスラグ形成。溶融鉄と溶融スラグが窪みへ流れ込み、チラーで凝固し、ペブル形成。鉄ペブルとスラグペブルがスクリューデバイスで炉から排出されます。

RHF製鉄の主要一般的特徴

RHFによる製鉄の一般的プロセスフローを図6に示します。

図6 RHFでの製鉄における一般的プロセスフロー

RHFでの鉄鉱石/石炭凝集体還元はコークスフリー、環境友好型製鉄プロセスです。しかし、浅い層高、低反応温度、ペレット内不十分な炭素添加により、プロセスの生産性とエネルギー効率は低いです。鉄鉱石/石炭凝集体中の鉄酸化物還元速度論は強い吸熱反応を含むため温度に高度に敏感です。一方で、高温は新生DRIのCO₂および/またはO₂による再酸化を促進します。現在のRHF実践では、凝集体層深は浅く2-3ペレット高のみで、固体還元剤は低揮発分です。したがって、ペレットを再酸化から保護するガス流は弱く不安定です。CO/CO₂比2以上維持の実践は燃料効率を極めて悪化させ、低プロセス温度が生産性を制限します。

RHF技術を鉄系材料直接還元に成功裏に活用するには、プロセス技術を適切なプロセスエンジニアリングを通じてどう適用するかに依存します。RHFがグローバルプロセスへ正しく統合され、直接還元技術が正しく適用されれば、品質代替鉄を生産するエネルギー効率的、環境友好的、経済的システムが実現します。

RHFを利用した石炭ベース直接還元コンセプトはシンプルです。しかし、コンセプトの商業実装は容易には達成されていません。

RHF製鉄のプロセスコンセプトと単層装入・多層装入の比較を図7に示します。

図7 RHFにおけるプロセスコンセプトと単層装入・多層装入の比較

RHF内での主要反応

FeₓOᵧ + y C = x Fe + y CO
FeₓOᵧ + y CO = x Fe + y CO₂
C + O₂ = CO₂
C + CO₂ = 2 CO

炉内ゾーン構成

RHF内部には主に3-4ゾーンがあります。(i) 予熱ゾーン、(ii) 主還元ゾーン、(iii) 最終還元ゾーン、(iv) 冷却ゾーン。炉雰囲気は燃料と酸素比の適切な制御により、プロセスの熱的・冶金的要求を満たすよう制御されます。予熱ゾーンでは、このゾーンで燃焼する燃料に蓄えられた化学エネルギーを最大限抽出するため、より高い酸素ポテンシャルが必要です。閉じ込められた水分と揮発分の除去もこのゾーンで行われます。2つの還元ゾーンははるかに低い酸素ポテンシャルを持ち、還元済みペレットの再酸化を防止します。還元ゾーンでは、鉄酸化物とその他の不純物金属酸化物が金属形態へ還元されます。冷却ゾーンではDRIを300℃以下まで冷却してから排出します。

熱源と熱利用

燃焼燃料以外にもRHF内部には他の熱源があります。還元中に生成されるCOガスの後燃焼がプロセスエネルギー要求を削減します。時には二次空気を注入し、排ガス後燃焼を促進します。揮発分燃焼も熱を放出します。ペレット/ブリケット内炭素燃焼でも微量の熱が発生します。

非コークス炭と、時には廃プラスチックを含む低品位炭素材料をRHFで還元剤として使用可能です。これら低品位炭素還元剤の利用により、RHFプロセスは鉄酸化物還元により金属鉄生産が可能です。しかし、炭素還元剤の揮発分含有%はRHFでの使用に非常にクリティカルです。急速ガス発生で内圧上昇し、ペレット/ブリケット破壊を招く可能性があります。これは製品DRI中の塊比率を高く保つことで回避可能です。

炉床回転速度は外部制御される必要があります。速度は原料反応性に依存します。通常の実践は、ペレット/ブリケットが高冶金化度を達成するのに十分な滞留時間を確保することです。

RHFは通常、炉ガスの外部環境への漏洩を防ぐため、わずかな負圧で運転され、水シール槽でシールされます。

高温DRIの顕熱をホットチャージで溶解炉へ利用することは一般的に有利です。溶解遅延時は、通常DRIをHBI（ホットブリケット鉄）へ変換し、利用可能表面積を減らして再酸化度を最小化するのが一般的実践です。

多層装入時の課題と対策

多層ペレットベッドを単層の代わりに使用して生産性向上を図る場合、下層への熱伝達がRHFの深刻な欠点の一つです。複合ペレット/ブリケットの収縮が上層から下層への熱伝達を促進すると期待されます。ペレット/ブリケット収縮は化学反応と鉄酸化物焼結の複合効果で発生し、下層反応速度論を向上させます。これは温度と時間両方に依存します。収縮現象に関する研究では、木炭複合ペレット/ブリケットが瀝青炭チャーおよび黒鉛複合ペレット/ブリケットより優れた収縮挙動を示すことが明らかになっています。

RHF排ガスは通常、追加空気を利用して完全後燃焼させます。このエネルギーは、(i) 燃焼空気予熱、(ii) 原料乾燥、または (iii) 廃熱回収ボイラーでの蒸気生成に利用されます。

排ガス粉塵はバグフィルターで回収されます。この粉塵には廃棄物リサイクルにより、亜鉛やカドミウムなどの揮発性金属が高濃度で含まれます。