石炭ベース直接還元回転窯：低コスト・コークスフリー鉄生産

石炭ベース直接還元回転窯プロセスは、鉄鉱石を溶融せず直接金属鉄へ変換するため開発されました。低資本支出・コークス不要という利点があります。このプロセスでは鉄鉱石融点（1535℃）以下で、非コークス炭中炭素質材料利用し酸化鉄還元で金属鉄生成。鉄鉱石が還元プロセス全体で還元剤と直接接触するため直接還元鉄（DRI）と呼ばれます。高金属化度還元製品は「ハニカム構造」示すためスポンジ鉄とも呼ばれます。

石炭ベースDRIプラントはプラント立地に柔軟（非コークス炭広く大規模鉱床分布、輸送容易）。多くプラントが回転窯還元プロセス採用。多様な原料・非コークス炭使用。これら材料品質がプロセス・製品に直接影響。一部プラントは鉄鉱石直接不使用、ペレット使用。鉄鉱石・ドロマイト・非コークス炭原料ミックスを回転窯一端投入、石炭バーナー加熱でDRI製造。製品DRIとチャー（ドロチャー称）を他端から取出。一次空気・二次空気を窯供給し燃焼開始・反応プロセス持続。

原料

回転窯プロセスDRI生産主要原料：(i) サイズグレード鉄鉱石または鉄鉱石ペレット、(ii) 非コークス炭、(iii) 少量ドロマイト（硫黄固定用）。

適切品質鉄鉱石が石炭ベース直接還元プロセス基本入力。多く石炭ベース直接還元プラントは塊鉄鉱石使用。主要品質要求：(i) 低ガング・有害元素（リン・硫黄）高Fe含有、(ii) 良好取扱い特性（タンブラー指数・摩耗指数）、(iii) 微粉少サイズ調整済み、(iv) 高還元性、(v) 還元時低デクリピテーション、(vi) 使用還元剤石炭と良好相性。

サイズ調整鉄鉱石品質要求は物理的・冶金的・化学的要求充足。物理要求：強度・粒度。鉱石硬く高強度必要。最適タンブラー強度90%以上。還元性依存、一般に5〜20mm調整鉱石使用。冶金要求：高還元性、熱安定性、加熱還元時スティッキング・崩壊低傾向。化学要求重要：酸素除去外化学変化なし直接還元プロセス。DRI中ガング物質（鉄鉱石由来シリカ・アルミナ、硫黄・リン）後工程製鋼操業経済性悪影響。したがって高鉄含有・低ガング必要。所望物理・化学仕様：

• サイズ：5〜20mm
• 過大・過小：各最大5%未満
• タンブラー指数：90%以上
• 汚染（ラテライト等）：5%未満
• 全Fe：65%以上
• シリカ：3%未満
• シリカ+アルミナ：最大5%
• 硫黄：最大0.01%
• リン：最大0.05%
• 水分：最大1%

回転窯用非コークス炭は二重役割：プロセス熱供給と還元剤。主要品質要求：(i) 非コークス特性、(ii) 低灰分、(iii) 低硫黄、(iv) 良好反応性、(v) 高灰融点、(vi) 中程度揮発分。非コークス特性必要：コーキング反応で窯内リング形成。回転窯プロセス実用的許容ケーキング指数最大3。低灰分必要：高灰分で還元用窯有効体積未活用、不活性灰質量反応温度加熱追加エネルギー消費で固定炭素消費増大。効率的操業実用限界灰分20%最大。低硫黄必要：DRI硫黄制御。石炭硫黄最大0.01%。良好反応性必要：固体還元プロセス重要ステップ順反応（石炭燃焼生成CO₂が石炭と反応しCO再生、ブードアール反応）望ましい速度進行必要。瀝青炭・亜瀝青炭通常DRI生産適良好反応性示す。灰融点重要特性：低灰融点石炭は粘着質量導き窯内アクリーション形成で不安定操業、鉱石表面スラグ層形成で還元速度低下。したがって灰融点1400℃超石炭回転窯操業望ましい。石炭揮発分は石炭ベース回転窯プロセス最適必要。極低揮発分石炭はチャー反応性極低、低金属化製品結果。極高揮発分石炭は高反応性チャー生成も窯内ガス量増大で不選好。通常回転窯プロセス揮発分25〜30%範囲。回転窯直接還元用石炭は低膨張指数必要。通常膨張指数1未満。非コークス炭物理・化学仕様：

• 塊サイズ：5〜20mm
• 微粉サイズ：5mm未満
• 汚染（シェール、石等）：3%未満
• 固定炭素：最小45%
• 揮発分：25〜30%
• 灰分：最大20%
• 水分：最大8%

ドロマイトはDRI生産プロセス脱硫用。典型仕様：

• MgO：最小22%
• CaO：最大28%
• LOI：残差

化学反応

回転窯内で化学反応発生。回転窯断面図を図1に示します。

図1 回転窯断面図

石炭ベース直接還元プロセスは固体還元剤（非コークス炭）ベース。反応高温（1000〜1100℃）で発生。石炭窯内二重役割：一部燃料として原料所望温度達成熱供給、主役割は還元プロセス用炭素供給。ドロマイトは硫黄スカベンジャー、最終チャーと共排出。窯内反応は鉄鉱石DRI還元過程で複数段階進行。鉄鉱石最終還元反応：

Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂

この反応示す通り一酸化炭素（CO）が還元ガス、石炭制御燃焼でブードアール反応により得られます：

• C + O₂ = CO₂
• C + CO₂ = 2CO

上記生成一酸化炭素が鉄鉱石酸化鉄を金属鉄還元。しかし酸化物→金属還元は一歩でなく、酸素徐々除去で様々中間酸化物生成。還元系列：Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe。

鉄鉱石・石炭床内反応は異種反応性質。2組反応発生：第1組は石炭・二酸化炭素・酸素間、第2組は鉄鉱石粒子・CO間。鉄鉱石酸素CO₂として除去、CO₂ガス逃散でDRI多孔質化。鉱石粒子・気体還元剤反応は以下5連続段階で視覚化可能：

1. 段階1：気体反応物が鉱石粒子周囲膜通過拡散、固体表面到達
2. 段階2：反応済外層ブランケット通過貫通拡散、未反応コア表面到達
3. 段階3：気体反応物が反応面で固体と反応
4. 段階4：気体生成物が反応層通過拡散、固体外部表面到達
5. 段階5：気体生成物がガス膜通過拡散、ガス主本体へ戻る

反応複数段階・各段階連続進行のため、最低速度段階が反応速度制御。拡散速度・反応速度とも主に3パラメータ機能：(i) 反応物濃度、(ii) 活性界面温度、(iii) 活性反応面積。

直接還元プロセス

直接還元プロセスは回転窯実施、操業温度1000〜1100℃範囲維持。窯製品（DRI・チャーミックス）を外部水冷却システム付き回転クーラー冷却。窯製品スクリーニング・磁気分離。DRI磁性で吸着分離、非磁性チャー分離。

鉄鉱石・石炭を各々粉砕・スクリーニングし所定サイズ、予定比率でフィードチューブ経由回転窯投入。回転窯わずか2.5度傾斜、AC可変速モータで0.2〜1.0rpm可変速回転。傾斜・回転運動で原料投入端から排出端へ約7〜8時間移動。

石炭微粉を排出端から吹き込み、床必要温度・炭素濃度維持。窯上部に複数シェルエアファン装備、各ゾーンへ空気吹き込み必要温度プロファイル維持。原料・熱ガス向流方向移動、鉄鉱石予熱・排出端到達まで徐々還元。

回転窯大別2ゾーン：予熱ゾーン・還元ゾーン（図2）。予熱ゾーンは窯長40〜50%延長。このゾーンでチャージ水分駆逐、石炭揮発分600〜800℃温度範囲放出、フリースペース上部チャージ上供給燃焼空気で燃焼。燃焼熱でライニング・床表面温度上昇。窯回転でライニング熱チャージ伝達。約950℃予熱チャージ材料還元ゾーン入。還元ゾーンで1000〜1100℃維持、酸化鉄固体還元金属鉄適正温度。窯長沿い設置熱電対で窯熱プロファイル決定。窯内温度は窯長沿い均等配置空気注入チューブ通じ燃焼空気量調整、制御石炭吹き込みで制御。鉱石酸化鉄は窯内石炭生成一酸化炭素で金属鉄還元。

窯熱還元物質トランスファーシュート経由回転クーラー通過冷却。クーラーも2.5度傾斜、0.3〜1.2rpm可変速回転、AC可変速モータ駆動。シェル上部水噴射で内部熱物質間接冷却。冷却水はクーラー下部トロフ収集、補給水併せ冷却塔ポンプ循環。シュート経由クーラー排出固体約100℃冷却、空気接触なし。シュートグリズリーで大型アクリーション（50mm超）除去、クーラー排出機構詰まり・損傷防止。アクリーション塊別途ラムゲート排出。残物質ダブルフラップバルブ経由コンベア排出。製品コンベア経由製品分離システム搬送。

窯冷却製品排出後製品分離エリア送付、DRI磁気分離チャーから分離、各サイズ分画スクリーニング。

窯内原料向流方向移動ガスダスト沈降室（DSC）到達、重粒子沈降。連続ウェットスクレーパーシステム除去。ガスアフターバーナーチャンバー（ABC）通過、残留炭素・CO過剰空気燃焼。ABC後ガス高温・多熱エネルギー、通常廃熱回収ボイラー（WHRB）蒸気発電利用。WHRB排出約200℃冷却ガス、バグフィルター・スクラバー・電気集塵機（ESP）等公害防止設備通過微細ダスト除去。清浄ガス約80℃煙突大気放出。

窯リング顕著形成回避のため窯操業温度1100℃以内維持必要。

回転窯プロセス約7〜8時間還元時間必要、プロセス生産性限定、通常窯サイズ依存30,000〜150,000トン/年範囲。プロセス重要段階・概念を図2に示します。

図2 回転窯プロセス重要段階とプロセス概念

石炭ベース回転窯還元プロセス約6Gcal燃料エネルギー必要。2Gcal超エネルギー廃ガスとして窯排出。一部WHRB回収。

石炭ベース直接還元プロセス典型的概略フローシートを図3に示します。

図3 石炭ベース直接還元プロセス概略フローシート

20世紀後半この分野で複数プロセス・プロセス概念開発。一部存続、他消滅。存続プロセス・概念に共通/若干相違特徴：

• 回転窯へ空気侵入防止シール方法
• 回転窯排出端から非コークス炭投げ込み・スリング方法
• 原料計量供給・配分・投入方法
• 窯長沿い定間隔制御空気導入方法（床還元製品酸化せず）
• 窯長沿い定間隔温度測定・記録方法
• DRI-チャーミックス鋼製円筒シェル外面水噴射間接冷却方法
• DRI-チャーミックスからDRI分離方法
• 廃ガス処理・圧力制御通じ所望流量プロファイル維持方法
• 廃ガスエネルギー回収方法

設備と施設

石炭ベース直接還元回転窯プロセス必要設備・施設：

• 原料調製セクション — 振動フィーダー、クラッシャー、スクリーン等装備。鉄鉱石粉砕通常不要（5〜20mmサイズ調整材一般調達）。鉄鉱石グランドホッパー搬入、振動フィーダーでスクリーン搬送、過大（+20mm）・過小（-5mm）スクリーニング分離。過大材料過大クラッシャー搬送サイズ調整。非コークス炭受入サイズ通常-200mm、一次・二次クラッシャーで一次・二次スクリーン閉回路粉砕。スクリーンで石炭塊（給炭用5〜20mm）と石炭微粉（-5mm、吹き込み用）2分画分離。ドロマイト粉砕・スクリーニング一般不要（3〜8mmサイズ調整材調達、直接デイビン搬送）。全原料排出点からコンベア経由デイビン供給。
• 原料貯蔵セクション — 貯蔵ビン（デイビン）構成。原料別別個貯蔵ビン設置。ビン通常最低1日消費量貯蔵設計。
• 原料供給システム — 各ビン下部計量フィーダー設置、所定比率原料引出しコンベア供給窯投入。
• 回転窯 — 石炭ベース還元プロセス心臓部、還元反応このリアクター発生。窯直径・長さ能力依存。窯一般全長高アルミナキャスタブル耐火物ライニング、投入端・排出端ダム付き。通常2.5度下向き傾斜、窯サイズ依存2〜4支持ステーション搭載。窯傾斜・回転速度変化で物質輸送速度制御可能。窯両端反対側に出入口コーン、各個別ファン冷却。窯シェル小サンプリングポート装備。窯乗り輪縦方向位置油圧システム制御。石炭・鉄鉱石傾斜窯高端メーター投入。石炭一部排出端から空気輸送吹き込み。担荷最初予熱ゾーン通過、石炭脱揮発・鉄鉱石還元予熱温度加熱。窯温度・プロセス制御：耐熱鋼製空気注入チューブ適数窯長沿い均等配置、鉄鉱石流向流向流向。チューブ先端特殊内部スワーラー装備燃焼均一性改善。窯排出端中央バーナー、LDO（軽油）で冷間窯加熱。初期加熱後燃料供給停止、バーナー石炭燃焼用空気吹き込み使用。窯温度固定熱電対・「クイックレスポンス熱電対」（QRT）ポート測定。固定熱電対窯長沿い配置、各セクション温度監視。固定熱電対時々灰・鉱石・アクリーション被覆で誤読値、QRT使用窯温度監視。
• 回転クーラー — 窯製品（DRI）約1000℃で石炭灰・焼成ドロマイト・残留チャー共排出。窯排出端密閉シュート、塊分離装置・アクセスドア（塊除去用）装備、熱DRI回転クーラー移送。クーラー適切サイズ回転シリンダー、2.5度傾斜。DRI上部表面水噴射間接冷却。冷却水クーラー下部トロフ収集、補水併せ冷却塔ポンプ循環。密閉シュート経由クーラー排出固体約100℃空気非接触冷却。シュートグリズリー大型アクリーション（50mm超）除去、クーラー排出機構詰まり・損傷防止。アクリーション塊別途ラムゲート排出。残物質ダブルフラップバルブ経由コンベア排出。製品コンベア経由製品分離システム搬送。
• 製品分離セクション** — 振動スクリーン・磁気分離機構成。冷却製品ベルトコンベア製品分離セクション搬送。クーラー排出製品含DRI、チャー、石炭灰。製品分離建屋で製品まずダブルデッキスクリーン（3mm・20mmスクリーン）スクリーニング。スクリーニング製品磁気分離機磁性・非磁性部分分離。製品まずプラス20mmDRI除去スクリーニング。アンダーサイズ（DRI・チャー・石炭灰ミックス）±3mm分画スクリーニング。各分画磁気分離機通過。プラス3mm分画非磁性部分主チャー、希望あれば窯リサイクル或い発電所ボイラー燃料使用。マイナス3mm分画非磁性部分主焼成済ドロマイト・灰・微細チャー廃棄。各分画磁性部分DRI。プラス3mm分画直接製鋼使用、微細分画ブリケッティング袋詰収集。
• 製品貯蔵セクション — 貯蔵ビン構成。DRI塊（3〜20mm）とDRI微粉（-3mm）別別貯蔵ビン。ビン通常最低1日生産量貯蔵設計。プラント生成チャー別貯蔵発電所燃料用。
• 廃ガスシステム — 窯廃ガス約850〜900℃ダスト沈降室通過、ガス速度急減少で重ダスト粒子沈降。燃焼ガスアフターバーニングチャンバー通過、未燃焼可燃物過剰空気吹き込み燃焼。アフターバーナー室温度時々水噴射制御。燃焼ガスダウンダクト蒸発クーラー通過温度低下、公害防止設備（ESP/バグフィルター/スクラバー）残留ダスト粒子分離。ガス誘引ファン（IDファン）スタック経由大気放出。しかし廃熱回収ボイラー（WHRB）装備廃ガスシステムが望ましい（廃ガス顕熱エネルギー回収）。この場合アフターバーニングチャンバー後燃焼ガスエルボダクトWHRB通過、ガス顕熱抽出。ガス公害防止設備（ESP/バグフィルター/スクラバー）、IDファン、スタック経由大気放出。
• ユーティリティ供給 — 圧縮空気・冷却水2ユーティリティ必要。エアコンプレッサー通常圧縮空気供給設置、冷却水システムポンプハウス・冷却塔構成。