コレクスプロセス：従来製鉄に代わるクリーンでコスト効率の高い代替技術

20世紀後半、従来高炉（BF）製鉄が冶金石炭（BFコークス製造用、高炉銑鉄生産必要）依存であるため、溶融還元技術開発による液体鉄（銑鉄）生産代替ルート確立へ複数新規イニシアチブ開始。冶金石炭は高コストのみならず、コークス炉バッテリーでのBFコークス変換時環境問題伴う。溶融還元プロセスは溶融還元技術ベースで、冶金コークス不使用で銑鉄生産実施。コレクスプロセスはこれらイニシアチブの1つ。非コークス炭ベースで高炉代替ルートとして銑鉄生産可能な、最初かつ唯一商業確立済み溶融還元プロセスです。

コレクスプロセスはオーストリア技術サプライヤーVOESTが1970年代後半開発、1980年代に実現性確認。最初パイロットプラント1981年ドイツ・ケール設置。商業化は南アフリカ製鉄メーカーISCORと共同達成、C-1000（C-0.5M）モジュールが1989年11月プレトリア工場で稼働。第1世代リアクター（メルター・ガス化炉）は炉床直径5.5m、銑鉄生産速度40〜60トン/時、定格能力年産30万トン。第1世代プロセス汎用性限定、多く技術課題解決必要も、溶融還元技術臨界デモンストレーション段階克服に貢献。

C-1000モジュール運転成功後、プロセス開発者によりC-2000（C-0.8M）モジュール導入。炉床直径7.3m、銑鉄生産速度80〜100トン/時、定格能力年産60〜80万トン。このモジュール採用最初プラントは1995年ポスコ光陽工場で稼働。以降、アルセロールミッタル南アフリカ・サルダナ工場（1998年12月）、JSWベラリ工場インド（1999年8月、2000年4月）、エッサールハジラ工場インド（2基）で稼働。

C-2000モジュール商業成功後、開発者は更なる大容量モジュール提供開始：(i) C-1.0Mモジュール（炉床直径7.8m、銑鉄生産速度100〜125トン/時、定格能力年産80万〜100万トン）、(ii) C-1.3Mモジュール（炉床直径9.4m、125〜160トン/時、年産100〜130万トン）、(iii) C-3000（C-1.5M）モジュール（炉床直径9.6m、160〜180トン/時、年産130〜150万トン）、(iv) C-2.0Mモジュール（炉床直径11.5m、210〜240トン/時、年産170〜200万トン）。これら大容量モジュール中、C-3000（C-1.5M）モジュール2基が宝鋼集団中国上海羅涇工場で稼働（2007年11月、2011年3月）。

今日コレクス技術は高炉生産銑鉄と同一品質液体銑鉄製造の確立プロセスとして認知。工業的・商業的に実証済み直接溶融還元プロセスで、鉄鉱石と非コークス炭から直接、コスト効率良く環境適合的に銑鉄生産可能。焼結プラント・コークス炉・高炉からなる従来高炉ルートへの唯一代替。

コレクスプロセスは高炉ルートと以下で差別化：(i) 非コークス炭直接還元剤・エネルギー源使用、(ii) 塊鉱・ペレット形で鉄鉱石直接実現可能投入、(iii) 窒素豊富熱風代替に純酸素使用。非コークス炭直接使用可能なのはメルター・ガス化炉内で石炭がチャー化されるため。高ドーム温度1000℃超で非コークス炭放出炭化水素完全クラッキング、タール生成回避。典型的コレクス原料負荷：塊鉱30%、ペレット70%。操業結果では塊鉱比率80%まで安定操業可能。高純度酸素使用で窒素フリートップガス生成。高発熱量で還元作業リサイクルや熱・エネルギー発電利用可能。

コレクスプロセス魅力：(i) 製鋼適正銑鉄品質、(ii) コークス炉・副生品プラント排除で低投資・操業コスト、(iii) 低プロセス関連排出、(iv) 多様鉄鉱石・特に非コークス炭使用可能、(v) 高価値輸出ガス生成、発電・DRI製造・天然ガス代替等多用途利用可能。

プロセス概要

コレクスプロセス最革新的特徴：鉄還元と溶融操作を還元シャフトとメルター・ガス化炉の2別個リアクターに分離。プロセス2段操業で、シャフト炉生成DRIをメルター・ガス化炉へ供給し溶融。メルター・ガス化炉で非コークス炭を酸素吹き込みガス化、予備還元鉄鉱石/ペレット溶融。排出ガスを上流シャフト炉鉄鉱石/ペレット還元利用。概略プロセスフローシートを図1、主要コレクスプラントセクション概略図を図2に示します。

図1 コレクスプロセス概略フローシート

図2 主要コレクスプラントセクション概略図

鉄鉱石（塊鉱、ペレット、または混合）を還元シャフト投入、還元ガスと向流で還元し直接還元鉄（DRI）化。原料重力で還元シャフト下降。還元ガス約800〜850℃、3kg/cm²超圧力で向流移動、シャフト頂部で約250〜300℃排出。鉄原料シャフト内で90%以上金属化、DRI（直接還元鉄）称。DRI金属化度と添加剤焼成度は4パラメータ強依存：(i) 還元ガス量・品質、(ii) 還元ガス温度、(iii) 鉄原料負荷還元性、(iv) 投入固体平均粒度・分布。その後、熱DRI（約800℃）と部分焼成石灰石・ドロマイトが速度制御スクリューコンベア経由還元シャフトからメルター・ガス化炉へ排出。

メルター・ガス化炉は大別3反応ゾーン：(i) 気相フリーボードゾーン（上部/ドーム）、(ii) チャーベッドゾーン（酸素チュイエール上部中間部）、(iii) 炉床ゾーン（酸素チュイエール下部下部）。チャーベッドとフリーボード間移行領域に連続ガス流通過で流動床も存在。メルター・ガス化炉は3〜5kg/cm²圧力運転、上部流動床エリア約1500℃、下部溶融・液体収集エリア約1550℃。非コークス炭、石灰石、石英岩をロックホッパーシステムでフリーボード（流動床上部）投入、急速加熱1000〜1200℃。シャフト内原料ブリッジング防止・床透過性維持のためコークス少量添加。

揮発分放出・粉砕固定炭素粒子ガス化ゾーン落下、酸素が高炉型チュイエール吹き込み炭素燃焼し一酸化炭素（CO）生成。吹き込み酸素ガス化石炭チャー、CO生成。熱ガス顕熱チャーベッド伝達、鉄・スラグ溶融・他冶金反応利用。発熱燃焼で熱DRI還元完了・スラグ鉄溶融エネルギー供給。最終還元・溶融以外の全冶金反応もメルター・ガス化炉内発生。銑鉄・スラグタッピングは従来高炉プラクティス通り。

シャフト炉用還元ガスは、メルター・ガス化炉流動床での石炭部分酸素燃焼で生成。メルター・ガス化炉から1050〜1100℃ガスを冷却ガス添加で還元ガス温度（800〜850℃）まで冷却。ホットサイクロンで清浄し飛来微粒子リサイクル。清浄ガス一部をCO+H₂ 94%以上含む還元ガスとしてシャフト炉導入。残ガスをシャフト炉清浄オフガスと混合、輸出燃料ガス（コレクスガス）として使用。

コレクスガス発熱量約2000kcal/Nm³。体積基調主要成分：CO約44%、CO₂約30%、H₂約21%、水分約1%、N₂約2%、CH₄約1.5%、ダスト<5mg/Nm³。コレクスガス供給圧力通常約700mm水柱。

熱・物質収支計算はコレクスプロセス操業重要役割。

圧縮機ステーションとCO₂除去からなるリサイクルシステムで輸出ガス冶金作業利用拡大可能。輸出ガス利用率向上、プロセス全体経済性改善、環境友好性向上。ガスリサイクルベース増大ガス利用でメルター・ガス化炉ガス生成大幅低減可能、直接燃料・酸素消費低減反映。スラグ生成も20%以上削減。

プロセス化学

コレクスプロセスでは高炉コンセプト使用も、高炉を凝集帯界面（図3）で実質的に2分割。プロセス3段階。第1段階：還元シャフトで鉄鉱石負荷がメルター・ガス化炉発生ガスで還元、熱DRI化。熱DRI機械移送でメルター・ガス化炉へ、第2・第3段階実施。第2段階：メルター・ガス化炉追加石炭・酸素で熱DRI溶融・浸炭。第3段階：メルター・ガス化炉上部で石炭チャー流動床維持。CO₂と水分（H₂O）をCOとH₂変換。メルター・ガス化炉排出ガスに実質的CO₂・H₂Oなし、コレクスガス後燃焼度ゼロ、化学エネルギーリッチガス生成。

図3 高炉ルートとコレクスルート概念比較

還元シャフト内反応：

• CO・H₂による鉄原料還元・多段金属化：Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe
• 石灰石・ドロマイト焼成：CaCO₃=CaO+CO₂、CaCO₃·MgCO₃=CaO·MgO+2CO₂
• 炭素析出反応・セメンタイト（Fe₃C）生成：2CO=CO₂+C、3Fe+2CO=Fe₃C+CO₂

上記中、水素還元・焼成反応吸熱、CO還元・炭素析出反応発熱。還元ガスは焼成石灰・ドロマイト存在でシャフト内ほぼ完全脱硫：CaO+H₂S=CaS+H₂O、MgO+H₂S=MgS+H₂O。トップガス低硫化水素含有はコレクスガス更なる利用上重要。

メルター・ガス化炉内反応：

• 石炭乾燥（100℃）
• 石炭脱揮発（200〜950℃）、メタン（CH₄）高級炭化水素（CₙHₘ）放出
• メルター・ガス化炉フリーボードゾーン高温で揮発分分解。炭化水素クラッキングで水素・元素炭素生成（CₙHₘ=nC+(m/2)H₂）。全高級炭化水素フリーボードゾーンクラッキング望ましく、良質還元ガス生成保証。ドーム温度1050〜1100℃維持で達成。フリーボードゾーン他反応：(i) CO₂+C=2CO（ブードアール反応）、(ii) H₂O+C=CO+H₂（水ガス反応）、(iii) CO+H₂O=CO₂+H₂（シフト反応）
• 未焼成石灰石・ドロマイト焼成
• スポンジ鉄残留酸化鉄還元
• DRI中FeO直接還元（チャーベッド炭素）
• チュイエール付近石炭チャー酸素燃焼（メルター・ガス化炉内最大温度チュイエール前方存在）。チュイエールエリア炭素ガス化反応：(i) 2C+O₂=2CO、(ii) 2CO+O₂=2CO₂、(iii) C+CO₂=2CO
• 鉄・スラグ溶融・銑鉄液体スラグ分離

製品特性と単位消費

コレクスプロセス典型的銑鉄分析：炭素4.5%、ケイ素0.5%、マンガン0.08%、硫黄0.03%、リン0.1%。銑鉄温度約1470〜1500℃。

典型的スラグ分析：CaO 35%、MgO 13%、SiO₂ 31%、Al₂O₃ 15%、FeO 0.4%、TiO₂ 0.5%、S 1.2%。液体スラグ温度約1520〜1580℃。

典型的コレクスプロセストップガス分析：CO約42%、H₂ 19%、CO₂ 31%、CH₄ 1.9%。典型的還元ガス分析：CO約62%、H₂ 23%、CO₂ 9%、メタン 2%。典型的輸出ガス分析：CO 44%、H₂ 21%、CO₂ 30%、水分 1%、N₂ 2%、CH₄ 1.5%、ダスト<5mg/Nm³。

銑鉄トン当たり典型的単位消費：乾燥非コークス炭約940kg、添加剤265kg、酸素520Nm³。輸出ガスリサイクル時：乾燥非コークス炭約770kg、添加剤185kg、酸素455Nm³。銑鉄トン当たり典型的生成量：液体スラグ約340kg、輸出ガス約16,500千Nm³（発熱量約1910kcal/Nm³）。輸出ガスリサイクル時：液体スラグ約265kg、輸出ガス約14,100千Nm³（発熱量約1790kcal/Nm³）。

コレクスプロセス総エネルギー投入約45%製鉄使用、残り輸出燃料ガス。生成銑鉄炭素・ケイ素含有量高炉銑鉄類似。しかし非コークス炭中硫黄ほぼ全量スラグ・銑鉄移行。有機硫黄ガス化・DRI吸収、硫化鉄としてメルター・ガス化炉還元。

プロセス環境側面

コレクスプロセスは大部分汚染物質をスラグ中不活性状態捕捉、放出炭化水素をメルター・ガス化炉ドームで破壊。さらにメルター・ガス化炉内石炭インシチュコーキングで硫黄大部分スラグ捕捉、気体SO₂・H₂S排出大幅削減。純酸素使用で熱風代替、窒素排出（NOx形態）大幅削減、ダスト排出優位性。コレクスプロセス排出レベルは高炉・焼結プラント・コークス炉からなるBFルート生産より大幅低レベル。

コレクスプロセスCO₂排出はBFルート銑鉄生産比少なくとも15%削減。大気排出も従来BFユニット比低レベル。CO₂排出約1420kg/tHM（BF約1900kg/tHM）。SO₂排出約55kg/tHM（BFルート約1400kg/tHM）。粒子状物質・NOx排出BFルート約10%。フェノール排出約0.04g/tHM（BFルート100g/tHM）。硫化物排出約0.01g/tHM（BFルート180g/tHM）。アンモニア排出60g/tHM（BFルート900g/tHM）。シアン化物廃水排出コレクスルートで完全排除。

コレクスプロセスの利点と限界

利点

• 従来高炉ルート比で比投資コスト削減
• 低生産コスト
• 低排出・排水で優れた環境性能
• 高発熱量輸出ガスで幅広い用途適応
• 多様鉄鉱石・石炭使用可能で原料使用柔軟
• 生産能力・生産停止・原料変更への良好操業柔軟性

限界

• メルター・ガス化炉内石炭・DRI最適分配必要（熱ガス周辺流動回避）
• 後燃焼不在で輸出ガス化学エネルギー損失、高石炭消費結果
• 冷却ガス圧縮機等多設備メンテナンス指向
• 熱DRI移送・熱ガスリサイクル危険（特にメンテナンス期間）
• メルター・ガス化炉、劣悪チャーベッド条件・生石炭使用で高圧力ピーク頻発、ダストリサイクルシステム・ガス浄化システム詰まり誘発
• 投入品質パラメータ（粒度、微粉率、デクリピテーション、高温での石炭・鉄鉱石・ペレット劣化挙動）への感度高