高炉製鉄最適化：粉砕石炭吹き込みの役割

高炉（BF）への粉砕石炭吹き込みは、当初高油価によって推進されましたが、現在では粉砕石炭吹き込み（PCI）が高炉操作の標準的実践となっています。これは原材料コスト削減、公害防止、老朽化コークス炉寿命延伸という要件を満たすためです。粉砕石炭高炉吹き込みは、(i) 高炉生産性向上（日産銑鉄量増加）、(ii) 高価コーキング石炭消費削減（安価軟質コーキング石炭または熱用石炭でコークス置換）、(iii) 炉安定性維持支援、(iv) 銑鉄（HM）品質一貫性改善とケイ素（Si）含有量低減、(v) 温室効果ガス排出削減をもたらします。これら利点に加え、高炉PCI使用は炉操作者が熱状態を調整する強力ツールとなり、トップからのチャージ調整より迅速な調整が可能です。

粉砕石炭は高炉操作で基本的に2役割果たします。鉄鉱石還元に必要な熱の一部供給だけでなく、還元ガスの一部も供給。PCIによるHM生産理解には、高炉内部での現象、化学反応、炉内透過性重要性、原材料がこのパラメータにどう影響するか理解必要。

高炉構造とゾーン

高炉は本質的に逆流移動層炉で、固体（鉄鉱石、コークス、フラックス）、後に溶融液体がシャフト下降。粉砕石炭と酸素（O₂）濃厚熱風が炉底近くノズルレベルで吹き込み。各種反応で生成ガスが炉シャフト上昇、下降鉄鉱石還元。

高炉チャージ：(i) 鉄系原料（鉄鉱石塊、ペレット、焼結鉱）とフラックス（石灰石、ドロマイト、石英）、(ii) コークス。これら交互に炉頂投入。投入後、炉離脱ガスで乾燥予熱。

チャージ下降に伴い加熱、約500℃で上昇ガス中一酸化炭素（CO）と水素（H₂）による鉄鉱石間接還元開始。高酸化鉄から酸化鉄（FeO）へ変化この帯域開始。更下降し約900〜950℃加熱で固体コークスによる酸化鉄直接還元発生。鉱石COとH₂還元、生成二酸化炭素（CO₂）即座にコークス還元でCO還元。正味効果はコークスによる鉱石還元。コークスCO₂反応性は重要パラメータ、間接から直接還元移行温度帯決定。

炉下部に凝集帯と呼ばれる領域。ここで約1100℃でスラグ形成開始。初期比較的粘性高く酸化鉄粒子包囲し更還元阻止。温度約1400〜1450℃上昇で溶融し還元継続。この領域はチャージ透過性観点でクリティカル。

次ゾーンは流動帯または活性コークス帯。温度約1500℃上昇、鉄鉱石とスラグ溶融継続。この領域実質的移動あり、コークスここからレースウェイ供給。レースウェイは高炉最高温部、温度2200℃達する。熱風ノズル吹き込みで形成。粉砕石炭は熱風と共に直接レースウェイ吹き込み。石炭とコークス燃焼・ガス化、還元ガス（CO、H₂）と鉄鉱石・スラグ溶融・吸熱反応駆動熱生成。

熱風はO₂濃厚化され所望火炎温度維持と燃焼効率改善。高炉は多数ノズル持つ（ノズル数は炉ハース直径依存）、各々独自レースウェイ持ち炉周囲対称配置。各レースウェイ深度通常1〜2m範囲、熱風運動エネルギー依存。

未燃焼物質レースウェイ離脱しボッシュとシャフト領域上昇。溶融金属とスラグ「デッドマン」（停滞コークス層）通過し炉ハース集積、定期的にタップホール除去。スラグ液体鉄からスキミング除去。一部炉スラグと鉄別タップホール。原料ハース降達約6〜8時間、コークスはデッドマン内数日〜数週滞留可能。液体鉄（HM）製鋼設備輸送。製鋼用HM品質要求：一貫したHM品質と可能な限り高温度。

炉頂離脱高温ガスは高炉頂ガスと呼ばれる。冷却・洗浄後製鉄所燃料ガス利用、大部分熱風ストーブ加熱用。図1に高炉断面と各ゾーン温度示す。

図1 高炉断面：各ゾーンと温度

高炉内化学反応

高炉は逆流熱物質交換炉と見なせます。熱は上昇ガスから高炉チャージへ、O₂は下降チャージからガスへ移動。逆流反応性質が全体プロセス非常に効率的。高炉内化学反応複雑。主要反応記述。

鉄鉱石還元主反応

主要化学反応は鉄鉱石チャージ金属鉄還元。単純に鉱石チャージ酸化鉄からO₂除去、一連化学反応で「ガス還元」または「間接還元」と呼ばれる。反応式：

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂（約500℃開始）

3Fe₂O₃ + H₂ = 2Fe₃O₄ + H₂O

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂（600〜900℃温度帯）

Fe₃O₄ + H₂ = 3FeO + H₂O

FeO + CO = Fe + CO₂（900〜1100℃温度帯）

FeO + H₂ = Fe + H₂O

上記反応発熱性で熱生成。同時に酸化鉄これら反応経つつ軟化溶融開始。高温流動帯付近でコークス炭素（C）がFeO還元し鉄（Fe）とCO生成。「直接還元」と呼ばれるこの反応は高吸熱性、駆動熱は高温レースウェイガス比熱供給。

FeO + C = Fe + CO

還元ガス生成反応

石炭とコークス燃焼・ガス化で還元ガス（CO、H₂）生成、炉上昇。石炭とコークスレースウェイ進入時、熱風で着火即座燃焼、CO₂と熱生成。

C + O₂ = CO₂

過剰C存在高温下で反応進行、CO₂以下「ブードゥアール反応」または「溶解損失反応」でCO還元、吸熱反応。

CO₂ + C = 2CO

さらに燃焼生成水蒸気（H₂O）以下反応還元、吸熱反応。

H₂O + C = CO + H₂

H₂含有石炭吹き込みで間接還元増強。H₂はC（直接還元）より効果的還元ガス。H₂再生反応（H₂O + C = CO + H₂）はCO再生（ブードゥアール反応）より低吸熱かつ高速。高炉上昇ガス高H₂含有で鉄鉱石還元速度促進、高炉生産性増加。ただし高H₂濃度は炉シャフトコークス微粉増加招く可能性。

フラックス分解反応

石灰石とドロマイト炉下降中固体まま以下石灰分解反応経過。

CaCO₃ = CaO + CO₂

(Ca,Mg)CO₃ = (Ca,Mg)O + CO₂

これら吸熱反応、約870℃開始。CaO（酸化カルシウム）とMgO（酸化マグネシウム）は鉱石チャージから硫黄（S）と酸性不純物除去し液体スラグ形成助け。コークスと石炭から放出S除去も助け。

プロセス課題

高炉安定操作は上昇ガス流均一分布とHM・スラグハースへ無阻害流依存。したがって炉内透過性維持は安定炉操作、ひいては高炉生産性に重要。高PCI率に伴う技術的課題大部分は透過性要件への応答。高PCI率に本質的に関連する課題いくつか図2示す。

図2 高炉高PCI率に関連する技術的課題

炉内透過性は鉱石チャージ、コークス、石炭特性影響。これら材料発生微粉蓄積でガス・液体流両方阻害。石炭とコークス由来未燃焼チャーとコークス微粉例：バードネスト（レースウェイとデッドマン間比較的緻密帯域）と凝集帯底部周辺蓄積、ガス流変動と不安定操作結果。周辺ガス流発生で炉壁熱負荷増加、特に炉下部。耐火内張寿命短縮、早期資本修理必要加速。

高炉プロセス効率は鉱石チャージからO₂除去速度依存。ガスが鉱石チャージからより多くO₂除去すればプロセスより効率的。したがってガスと鉱石チャージ密接接触重要。この接触最適化には鉱石層透過性可能な限り高く必要。ガス流量とチャージから除去すべきO₂量比率もバランス必要。

鉱石層透過性大きくチャージ内微粉量（5mm未満）決定。微粉大部分通常焼結鉱由来（チャージ存在時）、または塊鉱石由来。微粉2源：(i) 鉄鉱石チャージ一部形成、(ii) チャージ材料輸送・投入・炉シャフト内劣化生成。

したがって高炉投入前チャージ材料篩分け微粉除去重要。各材料好ましいサイズ典型：焼結鉱5〜30mm、ペレット8〜16mm、塊鉱石10〜30mm。最近高PCI率操作高炉大半は80%以上調製鉱石チャージ（焼結鉱/ペレット）使用。

輸送・投入・炉シャフト内劣化生成微粉ケースでは、チャージ材料劣化特性制御重要。鉄チャージ材料物理劣化（衝撃・摩耗）抵抗と低温還元時崩壊測定標準試験あり。

高還元性鉱石チャージ好ましい。チャージ構成材料還元性測定標準法利用可能。残念ながら還元性改善は鉱石材料劣化と崩壊増加招く。低SiO₂とCaO含有量、高アルカリ含有量で還元性向上するが崩壊も増加。

ガス流透過性はチャージ材料軟化溶融開始と共に低下。したがってチャージ材料比較的高温溶融開始必須、シャフト高位置でガス流減速防止。固体から液体へ迅速移行も望ましい。溶融特性はスラグ組成決定。ペレットと塊鉱石溶融典型的1000〜1100℃開始、塩基性焼結鉱より高温溶融開始。

さらにチャージ材料品質一貫性必須（安定炉操作確保）。また高炉へ滑らか操作高生産性達成よう分配必要。

コークスの役割

コークスは高炉で3主要機能：(i) 化学的、(ii) 熱的、(iii) 物理的。化学的機能で還元剤役割。燃焼で鉄酸化物還元ガス生成、シリカ（SiO₂）等他酸化物還元。HM浸炭用C供給。熱的機能でレースウェイ燃焼、鉄とスラグ溶融熱源、吸熱プロセス駆動熱供給。物理的機能で鉄チャージ支え透過性マトリックス提供、ガスと液体鉄・スラグ流通可能。石炭は最初2機能寄与するが第3「物理的」機能寄与せず。ここではコークスが凝集帯上、凝集帯内、ボッシュ・ハース領域ガス・溶融物透過性確保必要。コークス役割特に凝集帯重要：鉄鉱石軟化溶融で不透過層形成可能、透過性コークス層/ウィンドウで分離。さらにこの帯域コークス強固グリッド形成し上部チャージ重量一部支持。コークス物理的機能で吹き込み石炭量に限界存在。

高品質一貫コークス必要（微粉生成減少→透過性不良・不安定操作・低生産性防止）。コークス降下中劣化微粉生成速度主にブードゥアール反応、熱応力、機械的応力、アルカリ蓄積制御、炉内位置と操作条件依存。したがって以下主要コークス特性重要。

• 常温強度（炉内）：取扱い時破損・摩耗抵抗決定。シャッターと摩耗機構が炉上部/シャフト微粉生成支配、常温強度関連多い。コークス機械的劣化（常温強度）評価標準試験利用可能。
• 高温強度：高温CO₂反応時コークス塊構造保持。レースウェイCO₂反応（ブードゥアール反応）コークス劣化微粉生成促進。さらに高速熱風衝撃劣化発生可能。低高温強度コークスでレースウェイと凝集帯歪み、デッドマンコークス微粉蓄積透過性問題結果。したがって高温CO₂反応後コークス構造強度と安定性重要パラメータ。高温コークス潜在的挙動指標2指標：(i) コークス反応性指数（CRI）、(ii) 反応後コークス強度（CSR）。標準試験で測定。
• 化学組成：灰分、S（HM中S影響）、アルカリ含有量重要。アルカリ（Fe酸化物等他塩基性酸化物）コークスCO₂反応性触媒効果で増加、耐摩耗性低下。コークス劣化感受性増大。コークス灰分通常高炉性能悪影響。
• 平均サイズとサイズ分布：アンダーサイズ投入前篩分け除去必要（透過性問題回避）。サイズ分布直接炉透過性影響、シャフト領域と炉下部両方。投入コークス平均サイズ典型20〜50mm範囲。安定高炉操作下、大部分コークス微粉炉内ブードゥアール反応、HM浸炭、スラグ反応で消費、少量のみ頂ガス排出。

PCI併用現代高炉で300 kg/tHM未満コークスレートが最先端実践。達成最低コークスレート約240 kg/tHM。ナッツコークス使用一般化、量は現地条件依存。ナッツコークス高炉全体C収率向上。粗コークス過度サイズ劣化保護（シャフト優先ガス化）。

排出ガスと環境懸念

世界的に鉄鋼産業は製造部門CO₂排出最大シェア（約27%）占有。エネルギー集約生産、石炭主エネルギー源依存、鋼大量生産起因。世界鋼生産約60%高炉ルート、高炉製鉄は製鉄所内主要排出源の一つ、エネルギー消費大部分高炉プロセス関連（熱風ストーブ含め約2.4〜3.1 Gcal/t粗鋼）。CO₂気候変動関連のため削減重要懸案。以下に頂ガス量・組成・発熱量、大気排出、CO₂排出と削減、液体・固体廃棄物簡述。

高炉頂ガス

高温ダーティ高炉ガス圧力下炉頂離脱、ガス洗浄プラント（GCP）通過、粒子状物質（主に未燃焼チャー、スス、コークス微粉）と水分除去、ガス冷却。除去必要ダスト量は石炭吹き込み率増加で増加。現代GCP多段式：粗粒子重力分離（ダストキャッチャー/サイクロン）第一、微粉湿式スクラバー/湿式電気集塵機で10 mg/Nm³以下ダスト含有達成。一部高炉乾式バグフィルター微粉除去も実践。現代GCPでは抽出ダスト種類別分類可能、効果的再利用可能。

高炉頂ガス含有：H₂〜4%、CO〜25%、CO₂〜20%、残り大部分窒素（N₂）。発熱量（CV）約810 kcal/Nm³、石炭・コークスエネルギー含有量約35〜40%高炉ガス抽出。洗浄高炉ガス製鉄所各所利用、熱風ストーブ加熱含む。高炉ガスCV下流プロセス利用影響。

現代高炉通常高圧操作（生産性向上）。多く高炉で頂圧回収タービン使用、頂ガス残圧で発電。頂圧回収タービン発電量は高炉全設備（熱風ブロワ含む）電力要件約30%カバー可能。高炉ガス量・組成・CVは石炭特性と操作条件影響。例：高揮発分（HV）石炭典型的に高H₂含有・低CV、低揮発分（LV）石炭と比較し高H₂・低CV高炉ガス生成。HV石炭吹き込み典型的にLV石炭比較し高炉ガスダスト量増加。高炉ガス微細ダスト量通常極高VM石炭吹き込み時増加。微細ダスト中増加炭質物質は石炭VM不完全燃焼由来ススと特定。

大気排出

石炭高炉吹き込み時大気排出変化情報限定的。石炭吹き込みで高炉ガスS含有量増加せず（S含有量約0.8%石炭吹き込み時）。高炉ライフサイクルインベントリ研究で、PCI率16→116 kg/tHM増加でSO₂とNO₂排出各約22%と16%減少示す。

石炭Cl含有量制限（典型0.05%未満）は生成Cl化合物腐食性、特に塩酸（HCl）起因。石炭吹き込み時レースウェイ生成Cl、気体アルカリ（石炭/コークス灰分由来）反応しアルカリ塩化物（NaCl、KCl）形成。一部HCl酸と微量他Cl化合物も生成。生成HCl酸一部炉内石灰石除去。アルカリ塩化物（鉄鉱石由来も生成）シャフト内循環、焼結鉱崩壊誘発、微粉含有量増加、炉透過性悪化。Cl化合物耐火内張とGCP配管腐食。スクラバー洗浄水除去。

高炉プロセス熱力学と冶金で、石炭・コークス・鉄鉱石由来微量元素異なる出力ストリーム集中。高揮発元素（Cd、Hg）微細ダスト吸着し高炉頂ガス排出。GCP除去（Cd約75%、Hg約90%）。CdとHgはHMやスラグ行かず。低揮発元素（Zn、Cu）液体金属とスラグ分配。全入力源Zn大部分高炉高圧でHM溶解、約70% HMとスラグ排出。鉛（Pb）蒸発温度Znより低く高炉蓄積、生産性低下。Pb大部分鉄鉱石（焼結鉱、塊鉱、ペレット）由来、次コークス。大部分チャージ材料とコークス微細ダスト粒子吸着しGCPスクラバー除去（80%以上）。HM移行軽微重要。CdとPb各約1%、Hg約5%のみ気体金属状態排出。

CO₂排出と削減

高炉CO₂排出多数因子影響。小型高炉大型より単位HMあたりCO₂排出多（低効率）。大型高炉通常高効率（熱損失低、省エネ設備導入経済的）。効率的高炉エネルギーロス総エネルギー投入10%未満。原料品質もエネルギー消費、ひいてはCO₂排出影響。例：低灰分石炭高灰分より低スラグ量、灰溶融エネルギー不要で熱効率向上。吹き込み石炭灰分1%増加毎約1.5 kg/tHM追加コークス必要、C投入増加しCO₂排出増加。

コークス品質は高炉必要還元剤量（コークス、石炭）影響、CO₂排出影響。コークス灰分1%増加でスラグレート10〜12 kg/tHM増加、スラグ10 kg/tHM毎エネルギー需要約15 Mcal/tHM。コークス品質は製造用石炭品質とコーキングプロセス依存。

鉄鉱石品質は化学組成と鉄含有量差異、還元反応鉄生成エネルギーと鉱石溶融エネルギー影響。ガング化学組成が必要スラグ塩基度達成ため石灰石/石灰添加量影響。合計これら因子で高炉エネルギー需要約240〜480 Mcal/t差生成可能。しかし高品質鉱床枯渇で鉄鉱石品質悪化傾向。したがってこの因子で製鉄エネルギー需要増加。

PCIは全コークス操作比較で製鉄所全体CO₂排出削減。主にPCIがコークス必要量削減、コークス炉バッテリーからエネルギー消費とCO₂排出削減。節約エネルギー平均約840 Mcal/tコークス置換。PCIは高炉内エネルギー消費も低減可能。

ライフサイクルアセスメント（LCA）は原料採掘から廃棄まで製品・材料環境性能評価。LCA初期フェーズはライフサイクルインベントリ実施、特定システム関連物質・エネルギー・排出定量化。鉄鋼産業は複雑エネルギー・物質フロー有（プラント内外両方）。多く製品「フェンス越え」販売、長距離出荷も。したがって全生産エネルギー使用とCO₂排出はサイトフットプリント示唆より大幅に高/低可能。例：コークス/電力購入でサイトCO₂削減だが他所排出増加。LCA結果はシステム境界設定依存。

世界鉄鋼協会（WSA）LCAアプローチで原料採掘から製鉄所ゲート（クレイドルツーゲート）まで14鋼製品関連資源使用、エネルギー、環境排出定量化。ライフサイクルインベントリ高炉/転炉と電炉両ルート含む。高炉ライフサイクルインベントリでPCI率16→116 kg/tHM増加で約6.5% CO₂削減示す。ただし吹き込み石炭量に限界。研究で最大吹き込み石炭率約250 kg/tHM示唆。しかしWSAによると180 kg/tHM超石炭吹き込み増加でコークス量削減せず、追加石炭単にガス化し高炉ガス増産のみ。

LCA手法研究でPCI CO₂削減効果：吹き込み率0.1 kg/kg HMで0.07 kg CO₂削減推定。

各種LCA研究でH₂含有還元剤（石炭等）吹き込みでCO₂排出削減示す（全コークス操作比較、コークスH₂含有量約0.5%のみ）。C投入（コークス、石炭）削減で更CO₂削減達成可能。対策2グループ分類：

• 高効率高炉操作促進策：高熱風温度、シャフト効率改善、低熱予備帯温度。ただしこれらは頂ガス下流プロセス供給も削減。頂ガス生成最小化でCO₂削減だが、下流プロセス高炉ガス利用重要プラントでは不可能な場合も。
• 製鉄プロセス省エネ促進策：高炉熱損失削減、金属鉄投入、低スラグレート、低焼結鉱比操作、予備還元焼結鉱操作。

さらに脱炭素化高炉ガス高炉リサイクル（トップガスリサイクル：TGR）でCO₂削減。この技術は商業プロセス（「Selexol」等）でCO₂除去後、再加熱し高炉ガス炉シャフト/ノズル吹き込み。純O₂ブラスト運転必要（リサイクルN₂蓄積回避）。回収CO₂地下貯蔵可能。主にCOとH₂からなる高炉ガスでC消費削減、高炉生産性向上。ULCOS（超低CO₂製鉄）、欧州48社・団体コンソーシアムが先駆的技術開発。6週間パイロット試験で回収CO₂貯蔵条件下最大76% CO₂削減達成。

廃水と副産物

製鋼は水集約プロセス、鋼トンあたり約180〜200 m³水消費。高炉HMトンあたり約14〜17.5 m³消費、大部分冷却用（高炉壁・ノズル冷却）、スラグ消火用。水さらに高炉GCP利用。これらプロセス廃水処理後リサイクル、90%以上水リサイクル。廃水量・組成一部高炉原料品質依存。例：高塩分原料で頂ガススクラバー洗浄水大幅増量必要。水処理プロセスでCd等重金属除去後リサイクル/排出。

一体型製鉄は粗鋼トンあたり約450〜500 kg残渣・副産物生成。うち375 kg/t超スラグ、約60〜65 kg/tダスト・スラッジ（排ガス洗浄・スケール）。全残渣・副産物86%以上処理後内部・外部リサイクル可能。高炉頂ガス乾式分離除去粗ダスト内部リサイクル可能。高炉GCP微細粒子含有スラッジ典型的埋立処分。一部プラント焼結プラント経由リサイクル。

液体スラグ冷却方法により異形スラグ生成：空冷スラグ、膨張/発泡スラグ、ペレタイズスラグ、粒状スラグ。スラグ大部分販売可能、少量のみ埋立利用（10%未満）。したがって高炉スラグは廃棄物でなく副産物見なし。スラグ利用：セメント生産、道路建設、建材、特殊用途。用途可能性はスラグ特性と形態依存。

スラグ組成は高炉原料品質依存。鉄鉱石ガング材料、コークス・石炭灰分から形成。主にCa（カルシウム）とMg（マグネシウム）ケイ酸塩とアルミノケイ酸塩、S、Fe（鉄）、Mn（マンガン）、他微量元素化合物含む。

スラグ生成量は吹き込み率上昇と還元剤灰分・S含有量増加で増加。スラグ中S主に石炭由来。しかしSスラグ内効果的捕捉。表面存在Sのみ潜在浸出性。微量元素もスラグ内捕捉可能性高。