PERED直接還元技術：加速されたエネルギー効率の高い鉄生産

直接還元鉄生産のためのPERED技術

PERED技術は「ペルシャ還元」技術としても知られています。2007年に「Mines and Metals Engineering GmbH」によって発明・特許取得された直接還元技術です。PERED直接還元プロセスは、ペレットまたは塊鉱の形で存在する酸化鉄を、製鋼に適した高還元製品に変換します。酸化鉄の還元は、垂直シャフト炉内で還元ガスの助けを借りて、溶融せずに固体状態で行われます。この技術は、直接還元鉄（DRI）生産のための直接還元プロセスを改善します。

本プロセスはガスベースの直接還元プロセスで、直接還元プロセスの様々な分野で経験を持つ専門家チームによって開発され、すべての異なるプロセスフローがメインプロセスで考慮されることで、最適かつ効率的な結果が得られるようになっています。還元に最も一般的に使用されるガスは改質天然ガスですが、コレックスガス、コークス炉ガスなど他のガスも使用可能です。PERED技術は資本コスト、水消費量、メンテナンスコスト、エネルギー消費を低減します。

PEREDでは、改良された冷却方法と汚染ガス排出の削減により、より低い温度で還元プロセスが進行します。より少ない熱、より均質な還元ガス、より制御しやすいペレット供給、遠心圧縮機の使用により、PEREDは運転により少ない水、電力、ガスを必要とし、運転およびメンテナンス費用も削減されます。

PERED直接還元プラントからの製品形態は：（1）コールド直接還元鉄（CDRI）、(2) ホットブリケッティッドアイアン（HBI）、(3) CDRI/HBIの組み合わせ、(4) HBI/ホット直接還元鉄（HDRI）、(5) CDRI/HDRIの組み合わせが可能です。

エネルギー効率に優れた改良技術

PERED技術は改良されたエネルギー効率の高い技術であり、エネルギーと資源を節約します。エネルギーと原材料を最適に利用することで、他のガスベース直接還元プロセスと比較してより環境に優しいという利点を持ちながら、生産コストを削減します。また、運転時の柔軟性も向上しています。硫黄含有量の高い鉱石など、幅広い原材料とエネルギー源に対応できる柔軟性を持って設計されています。プロセスでは最大50%まで塊鉱を使用可能です。実証済みの高圧で運転されます。プロセスで使用されるドライプロセスガスにより、同一システムでより多くのガス流量が得られ、その結果、生産量が増加するか、同一生産量で消費電力が削減されます。

PERED技術に基づく最初の直接還元プラント（設計能力0.8百万トン/年）が、2017年6月にイランのホゼスタン州シャデガン市で稼働開始しました。DRIプラントは問題なく立ち上がりました。このプラントの製品は金属化度93%以上、炭素含有量1.5%以上でした。初日に75トン/時のプラント能力を達成し、ユーティリティ消費数値も良好でした。設計能力にも短期間で到達しました。第2のPERED DRIプラント（能力0.8百万トン/年）が、2017年10月にイラン東アゼルバイジャン州のミアネ鋼鉄コンプレックスで稼働開始しました（図1）。さらに0.8百万トン/年プラント2基と0.3百万トン/年プラント1基が建設中です。0.3百万トン/年プラント（中国）はコークス炉ガスベースです。

既存ガスベース直接還元技術に対するPEREDプロセスの改良点

PEREDプロセスは、既存のガスベース直接還元技術に対するいくつかの改良で構成されています。PERED還元プロセスの最も注目すべき特徴は以下の通りです。

• PEREDプロセスは、鉄酸化物供給原料から酸素（O₂）を除去し、製品DRIを carburize（浸炭）するために、還元ガスの連続的な流れを利用する連続プロセスです。
• 垂直シャフト炉からのトップガスをプロセスへリサイクルすることで、燃料消費を最小限に抑えます。
• ガス改質システムは、垂直シャフト炉内での酸化鉄還元時に生成される二酸化炭素（CO₂）を利用するように特別に設計されています。このシステムは、ススを生成することなく天然ガスの触媒的転換を実現するように設計されています。これにより、メタン（CH₄）の部分酸化のための外部酸素源の必要性が排除されます。
• プロセスは、メインエア、天然ガス、供給ガスを予熱することで最大限の熱回収を達成するように設計されています。

垂直シャフト炉の革新

PEREDプロセスでは、垂直シャフト炉から主要設備の革新と見直しが始まります。シャフト炉は独自の設計で、炉内での固体とガスの流れパターンを改善し、炉内で起こる反応を向上させるように設計されています。これにより還元ゾーンの体積が増加し、生産速度が向上します。炉は二重還元ガス噴射を備え、炉内でのガス分布を改善します。鉱石装荷と炉内での分布が改善され、より良い結果が得られます。炉内での鉱石負荷分布は、新しく発明された供給パイプの導入により改善されています。

還元ゾーン（上部ゾーン）の特殊機能

• 特殊供給パイプによる酸化物の供給と分布
• 炉利用率向上のための高さ/直径比の最適化
• 還元反応の最適化：Fe（酸化物）+ CO = Fe（金属）+ CO₂、Fe（酸化物）+ H₂ = Fe（金属）+ H₂O

還元ゾーンでの還元反応が最適化される理由：

1. 炉還元ゾーン内に設備がない
2. 特殊供給パイプによる材料分布改善により微粉生成が減少
3. 炉内有効還元体積の最適化
4. ガス漏れによる汚染可能性を排除する還元ゾーン設計
5. 資本コストとメンテナンスコストを削減するために特別に設計された炉

還元ゾーンの特別な設計特性：

• トップディッシュエンドからの二重トップガス取り出し設計
• 均一な製品品質を保証する改善された装荷温度プロファイル
• 鉄鉱石微粉/ペレットのキャリーオーバー低減によるトップガスダクト耐火物寿命の向上
• 必要な還元ゾーン体積を持つ炉サイズの最適化
• 効率改善による低オフガス温度でスクラバー負荷を低減
• 二重還元ガス噴射
• ガス噴射とメンテナンス性向上のための長方形バッスルポート設計
• DRI膨張に対応したテーパー耐火物構造
• 酸素噴射により異なる温度とガス組成に対応可能な柔軟性
• バッスルガスの利用改善
• 炉内ガス分布の改善
• 炉全体での均一な床温度
• 炉内クラスタリングの可能性排除
• 塊鉱使用への柔軟性
• 生産性と製品品質の向上

炉内でのインシチュガス改質

垂直シャフト炉内ではインシチュガス改質も行われます。高温バッスルガスには一定割合のCH₄、CO₂、H₂Oが含まれます。このガスが金属鉄（触媒として作用）と接触すると、シャフト炉内で追加の還元ガスが生成されます。インシチュ改質反応は以下の通りです。

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂ ΔH > 0

CH₄ + CO₂ = 2CO + 2H₂ ΔH > 0

一方、吸熱性のインシチュ改質反応にはより高いバッスルガス温度が必要ですが、他方で温度が高いとペレット/塊鉱の劣化、微粉生成、クラスタリングが発生します。PEREDシャフト炉の設計は、二重バッスルポートを備え、床温度制御に必要なバッスルガス中のCH₄量を最適化しています。

PEREDプロセスで使用されるガス改質装置の特殊機能

• 天然ガスが改質炉排ガス回収熱交換器で予熱される
• 回収システムが改質炉スタックのガスから熱を回収
• 改質炉は触媒管を備えたマルチベイ改質炉。直径250mmの改質管を使用し、スペース要件を削減する設計
• 触媒「Performex」が本プロセス専用に開発された

冷却ゾーン

垂直シャフト炉の冷却ゾーンには360度回転装荷フィーダーがあります。最新鋭のフィーダー設計により、冷却ゾーンのより良く均一な性能が提供されます。装荷は4本の独立制御回転シャフトで冷却ゾーンに供給されます。冷却ゾーンであるためウォータージャケットは不要です。クラスターが形成された場合、逆回転と速度制御で解除されます。冷却ガスは外部ヘッダーから冷却ゾーンへ噴射され、高温冷却ガスは成形取り出し口で均一に回収されます。また、ヘッダーに耐火物がないためヘッダー故障の可能性がありません。さらに、冷却システムはスクラバーへの粒子混入を排除するように設計されています。ガスは圧縮され、垂直炉底部製品排出ゾーンへ供給されます。

0.8百万トン/年PEREDプラントの典型仕様と消費数値

表1 PEREDプラントの典型仕様
番号	項目	単位	値
1	能力	Mtpa	0.8
2	酸化物ペレットサイズ	mm	5-35
3	垂直炉直径	m	約5.5
4	全高	m	約52
5	時間当たり生産量	t/h	105
6	プラント年間稼働時間	時間	8,000
7	垂直炉運転温度	℃	850
8	炉トップ通常運転圧力	kg/cm² g	0.6
9	炉ボトム通常運転圧力	kg/cm² g	最大2.1
10	還元ガス必要量	N m³/h	170,000
11	製品1トンあたり還元ガス	N m³	1,600
12	DRI密度	t/m³	1.7
13	酸化鉄密度	t/m³	2.3

PERED直接還元プラントの有用な特徴

• 商用プラントの成功運転による実証済みプロセス
• プラントの低比資本コスト
• 低比エネルギー消費によるエネルギーコスト削減
• 低プラント運転コスト
• 低比水消費
• 低環境汚染レベル
• CDRI、HDRI、HBIなど複数の製品オプション
• 酸化鉄の使用に関するプロセス柔軟性：最大50%の塊鉱使用可能
• 高硫黄鉱石使用に関するプロセス柔軟性
• 1百万トン/年以上の能力を持つプラント設計が利用可能