Circored & Circofer：流動床直接還元による効率的な鉄鉱石微粉還元

CircoredおよびCircofer製鉄プロセス

CircoredプロセスとCircoferプロセスは、流動床技術を基盤とする鉄鉱石微粉の直接還元プロセスです。これらのプロセスは焼結やペレタイズといった凝集工程を完全に不要とし、鉄鉱石微粉を直接使用できます。また、非コークス炭を使用するため、コークス炉設備が不要です。流動床技術は、高い伝熱・伝物質速度を実現できるため、直接還元のようなエネルギー集約型プロセスに最適です。

両プロセスは、ドイツのLurgi Metallurgie GmbH（現フィンランドのOutotec Oyj）によって開発され、鉄鉱石微粉から直接還元鉄（DRI）を製造します。単一生産ユニットで年間100万トン以上の能力が可能であり、優れたスケールメリットが得られます。

Circoredプロセスは水素（H₂）ベース、Circoferプロセスは石炭ベースです。Circoredは90〜95%の高い金属化度を達成するために2段構成を採用し、一方Circoferは単段構成で約70%の予備還元まで可能です。Circoferの石炭ベースプロセスは、AusIronなどの溶融還元炉や電気溶融炉への予備還元原料を生産し、最終製品は銑鉄または溶銑となります。

Circoredプロセス

Circoredプロセスは、Outotecが他の用途で採用している規模の流動床を使用します。プロセス開発は1970年代後半に開始され、スウェーデンのASEA社ELREDプラントでのパイロット試験が行われました。また、ドイツのThyssen Stahl社の3トン/時CFBリアクター実証設備でも、製鉄所廃棄物の処理を中心に試験が実施されました。

最初の商用Circoredユニットは1998年、トリニダードのPoint Lisas工業団地でCliffs and Associates Ltd.によって建設されました。年産50万トンのHBI生産能力を持ちますが、現在は稼働していません。

本プロセスは天然ガスベースで、鉄鉱石微粉からDRIを製造する2段流動床プロセスです。第1還元段は循環流動床（CFB）、第2還元段は沸騰流動床（BFB）リアクターです。微粒DRI製品をブリケッティング温度まで加熱するためにフラッシュヒーターを使用します。

水素ベースのCircoredプロセスは、高金属化DRIまたはホットブリケッティッドアイアン（HBI）を製造し、電気炉（EAF）製鋼への直接給料が可能です。エネルギー消費と排出量を削減し、製鋼の持続可能なソリューションを提供します。本プロセスの特徴は、（1）ペレタイズや焼結といった事前凝集なしで鉄鉱石微粉を直接使用できること、（2）純水素を還元ガスとして使用することで極めて低いCO₂排出値での還元が可能となり、低還元温度での運転により付着傾向を最小限に抑えられることです。水素は天然ガス改質で製造されますが、水電解由来など他の水素源も利用可能です。

Circoredプロセスの基本化学反応は、鉄鉱石に水素を添加し、純鉄と水を生成するものです（Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O）。

CFB（循環流動床）による予備還元

CFBは、ガスと固体間の高いすべり速度、優れた伝熱・伝物質、短い滞在時間（20〜30分）により、65〜70%の予備還元度達成に選定されました。高ガス速度（4〜6 m/s）によりリアクター径を小型化でき、設備コストを削減します。また、BFBからのダスト含有オフガスを二次ガスとして利用でき、全体のガス利用率を向上させます。

BFB（沸騰流動床）による最終還元

BFBは、反応速度が遅い特性を活かし、最終金属化度93〜95%達成のために第2段として選定されました。ガス速度は0.5〜0.6 m/sと低く、滞在時間は2〜4時間です。650℃で最終還元が行われ、反応は主に拡散制御下で進行します。BFB頂部からのオフガスはCFBへ供給されます。BFBから排出される約650℃の製品は、フラッシュヒーターでブリケッティング温度（約700℃）まで加熱され、HBIとしてブリケッティングされます。

Circoredでは、天然ガス改質により得られる水素のみを還元剤として使用（CO不使用）するため、製品に炭素を含みません。還元鉄鉱石微粉の付着傾向を避けるため、650℃以下の運転温度が選択されます。低温運転にはより多くのプロセスガス量が必要となるため、実際のガス流量を抑えるために4 kg/cm²の運転圧力を採用しています。

圧縮プロセスガスは2基のガス焚き予熱炉で約750℃まで予熱され、各段（CFBおよびBFB）へ導入されます。BFBからのオフガスはCFBへ二次プロセスガスとして供給されます。CFBリサイクルサイクロンからのガスはプロセスガス熱交換器で冷却され、マルチクローンでダスト粒子の一部を回収してフラッシュヒーターへリサイクルします。その後、スクラバーで最終的なダスト除去と還元時に生成した水の除去（クエンチ）を同時に行います。ガスは圧縮され、プロセス熱交換器で再加熱されてプロセスへ再循環されます。

スクラバーダストの回収にはマイクログラニュレーションプロセスを採用。超微粒子をバインダー添加により平均約350μmのマイクログラニュールに凝集させます。追加の熱硬化設備は不要で、硬化はCircoredプラントの予熱セクションで行われます。ペレットフィードなどの超微細鉱石を処理する場合にも適用可能です。

冷却・洗浄されたプロセスガスは圧縮機で再圧縮され、ガス焚きヒーターで約750℃まで予熱されて還元炉システムへ再導入されます。標準的な蒸気改質装置（CO₂除去システム付き）で製造されるフレッシュなメイクアップ水素は、圧縮段階後に添加されます。プロセスガスは還元炉導入前に予熱されます。フレッシュガスの3分の2は第2段BFBリアクターへ、3分の1はCFBリアクターへ供給されます。

ホットチャージオプションを組み込むことで、製造された高温DRIをブリケッティングせずに直接EAFへ供給可能です。

Circoredプロセスのフローシートは図1、年産50万トンプラントのレイアウトは図2に示します。

CircoredプロセスのHBI 1トンあたりの典型的な投入量は以下の通りです：(1) 鉄鉱石微粉（67% Fe）1,470 kg、(2) 電力 100 kWh、(3) 天然ガス 2.75 Gcal、(4) 水 0.6 m³、(5) 人時 0.23。

本プロセスの利点：(1) 低コストの鉄鉱石微粉を事前凝集なしで直接使用可能、(2) 水素還元により極めて低いCO₂排出で、低温運転により付着傾向を最小化、(3) CFBリアクターでの良好な伝熱・伝物質条件、(4) 低い設備投資および運転コスト。省エネポテンシャルは以下の通りです。

• ガス消費量：2.75 Gcal/トン（低水準）
• Circored-HBI-EAFルートでの溶鋼1トンあたりの電力消費：901 kWh/トン

プロセス関連および総計（電力含む）CO₂排出量はそれぞれ1.2および2.02トン/トン鋼と報告されています。Circored-EAFルートは、水素を従来の蒸気改質で製造する場合でも、従来の高炉-転炉ルートのCO₂排出量の約50%です。水素が水電解（再生可能エネルギー由来）で製造され、EAF用電力も再生可能エネルギーベースの場合、CO₂排出量を最大90%削減可能です。

Circoferプロセス

CircoferプロセスはCircoredプロセスと類似していますが、石炭を用いてCFB内で微細鉱石を還元し、還元ガスは石炭のガス化により生成されます。運転温度は約950℃で設計され、余剰輸出ガスを生成しません。CFB技術の多様な要素を一貫して活用することで、卓越した伝熱・伝物質、リアクター全体での均一な温度分布、優れた熱およびガス利用率を実現しています。

Circoferプロセスのパイロットプラント（日産5トン）がドイツのフランクフルトに設置されました。様々な鉄鉱石と石炭の試験、工業スケール運転のための設計パラメータ開発のためのプロセス条件シミュレーションが可能です。Circoferプロセスで製造されるDRI（金属化度93%以上）は、主にミニ製鉄所や合金鋼プラントでの特殊鋼生産向けですが、統合製鉄所での使用も可能です。

Circofer予備還元の概要

Circofer予備還元は本質的にCFBで構成され、鉄鉱石が炉内石炭ガス化により生成される一酸化炭素（CO）と水素（H₂）ガスで還元されます。CFBからのオフガスは2段サスペンション予熱器での鉄鉱石予熱に使用されます。鉄鉱石はさらにリサイクルチャーと石炭の部分酸素燃焼によりヒートジェネレーターで加熱されます。予熱段階後、オフガスは廃熱ボイラー（CO₂スクラバー用蒸気を生成）でさらに冷却され、最終的にベンチュリスクラバーで還元時に生成した水蒸気を除去するために冷却されます。還元からの残留生成物であるCO₂はCO₂スクラバーで除去され、COとH₂のプロセスガスが還元段へリサイクルされます。

石炭、チャー、鉄鉱石微粉（0.1〜1.0 mm）が主要原料として直接プロセスへ供給されます。灰融点1,050℃以上、揮発分10〜40%のあらゆる種類の石炭が使用可能です。ただし、リアクター内の循環負荷を最小限に抑え、溶鉱炉への直接投入時のスラグ量を最小化するため、低灰分（15%未満）の石炭が望ましいです。

プロセスフロー詳細

Circoferプロセスは循環流動床と定置流動床を組み合わせて利用します。微細鉱石はプロセスのオフガス顕熱を利用した2段統合予熱ユニットで予熱された後、第1還元段へ導入されます。第1還元段は統合ヒートジェネレーターを備えたCFBリアクターで、石炭の部分酸素燃焼によりプロセスに必要なエネルギーを供給します。このCFBシステムと統合された部分石炭燃焼は、プロセスに必要な熱を生成するだけでなく、還元用炭素および付着防止剤として必要なチャーを供給します。この構成により、微細鉱石の付着を誘発することなく、950℃という高温でのCFB予備還元が可能となります。

鉄鉱石微粉とリサイクルチャー（ブリケッティング前の磁気分離による製品からの回収分）は、プロセスのオフガス顕熱を利用した2段CFBシステムで約800℃まで予熱されます。予熱された原料はガス化炉を経てCFBリアクターへ供給されます。石炭は約1,000℃で運転されるガス化炉へ直接投入され、注入酸素との部分酸化によりプロセスに必要な熱を生成します。固体とガスはCFBへ入り、約950℃で酸化鉄が還元され、金属化度約70%に達します。CFBからの固体はFB（流動床）リアクターへ移送され、最終還元段で金属化度約93%まで還元されます。金属化製品、灰、過剰チャーはFBリアクターから排出され、約730℃まで冷却されて磁気分離にかけられます。金属化製品は約680℃でホットブリケッティングされます。非磁性チャーはプロセスへリサイクルされます。

CircoferプロセスからのDRI典型組成：全Fe 92.7%、金属鉄 85.8%、金属化度 92.6%、C 1.32%、SiO₂ 1.25%、Al₂O₃ 2.62%、CaO 0.06%。

最終還元後、製品は高温状態で磁気分離され、様々な方法でさらなる処理が可能です。1つの選択肢は、分離されたチャー（非金属分）の大半をリサイクルし、高金属化製品を高温状態でブリケッティングしてHBIとして出荷する方法です。もう1つは、高温DRIを即座に溶解（AusIron）する方法で、「ワンヒート」運転により大幅な省エネが可能です。このプロセスでは過剰炭素を溶解用エネルギー源として利用できます。

AusIron炉を組み合わせたCircoferプロセスのフローシートは図3に示します。Circoferプロセスはクローズドガス回路が特徴です。石炭ガス化と鉱石還元により生成されたガスはまず冷却され、除塵された後、還元生成物である水とCO₂がスクラビングで除去されます。こうして得られた高還元ポテンシャルガスは圧縮・加熱され、最終的にプロセスへリサイクルされます。高還元温度とブードアール反応により高いガス利用率が実現され、輸出ガスを生成しない運転モードが可能です。

ガスはクローズド回路を循環します。リアクターオフガスは鉱石予熱器で使用された後、廃熱ボイラーで約220℃まで冷却されます。ガスはバグフィルターで除塵され、クエンチ・スクラビングでプロセス生成水蒸気を除去した後、CO₂除去ユニットへ入ります。CO₂除去ユニットでは、廃熱ボイラーで発生した蒸気をストリッピング用として使用し、オフガスからCO₂を除去します。ガスは圧縮され、両リアクターとガス化炉へ再導入されます。

Circoferプロセスの重要な特徴

• プロセスに石炭を使用
• 凝集やその他の前処理なしで鉄鉱石微粉を使用
• 最小限の原料準備で済む
• 流動床技術による卓越した伝熱・伝物質
• 一次エネルギー需要を最小化したクローズドエネルギーシステム
• 余剰エネルギーなし
• 有害廃棄物なし
• 低排出で環境に優しい
• 販売可能なHBI製造、または高温DRIを溶鉱炉へ移送して銑鉄製造が可能な柔軟性
• 下流の溶鉱（AusIron）炉の能力を大幅に向上
• 下流電気溶鉱炉の電力消費を削減