エナジロン直接還元：クリーンでコスト効率に優れた鉄生産

エナジロン直接還元技術はガスベースの直接還元技術です。エナジロンプロセスは鉄鉱石ペレットまたは塊鉱を金属鉄に転換します。テノバとダニエリによって共同開発されたHYL直接還元技術を使用し、液鉄生産コストを低減する競争力があり環境に優しいソリューションです。シンプルなプラント構成を採用し、様々な還元ガス源の使用に柔軟に対応でき、鉄鉱石を非常に効率的かつ柔軟に使用できます。多くのプロセス利点の鍵となる要因は、その加圧操作に直接関連しています。

エナジロンは、エナジロン直接還元技術によって生産される直接還元鉄（DRI）製品の名称です。この製品は、製鋼プロセスで実現される実質的なエネルギーを伴うため、この名が付けられています。

エナジロンは高度に冶金化された製品で、炭素（C）含有量を1.5〜5.0%の範囲で制御可能です。エナジロンの高いC含有量は、電気炉（EAF）溶解プロセスで化学エネルギーを生成します。エナジロンDRIの独自の安定した特性により、標準的なIMO（国際海事機関）ガイドラインに従って、ブリケッティングなしで安全かつ容易に輸送可能です。

このプロセスは、各ユーザーの特定の要件に応じて3つの異なる製品形態を生産する柔軟性を持っています。エナジロンDRIの3形態は、コールドDRI、HBI（ホットブリケッティッドアイロン）、ホットDRI（「ハイテンプ」鉄、排出温度700℃超）です。コールドDRI排出は通常、直接還元プラントに隣接する製鋼溶解工場で使用されます。輸出も可能です。HBIは熱排出されたDRIをブリケッティングし、冷却したものです。通常、海外輸出向けの商品製品です。ハイテンプ・エナジロンは熱排出されたDRIで、直接還元プラントから隣接する製鋼溶解工場へ気圧輸送され、電気炉（EAF）に直接供給されます。

初期開発作業はヒルサによって行われました。1977年、ヒルサは直接還元技術を正式に開発・商業化するための新しい運営部門（HYLテクノロジーズ）を設立しました。2005年、テックイント・テクノロジーズがHYLテクノロジーズを買収しました。後にこの部門はテノバHYLと呼ばれました。2006年、テノバとダニエリによってガスベースDRプラントの設計・建設のための戦略的提携が結成され、新しい「エナジロン」商標の下で行われました。最初の商業規模

HYL ZR（ゼロリフォーマー）プロセスプラントは1998年に開始されました。初の新世代エナジロンZRプラント（年間200万トン能力）がスエズスチールに設置され、単一モジュールで世界最大のエナジロンプラント（年間250万トン能力）がニュコアスチールに設置されています。

エナジロン直接還元プロセス

エナジロン直接還元プロセスは、シャフト還元炉を使用してDRIを生産します。これは、固体-ガス移動床シャフト炉内で還元ガスを使用して鉄ペレット/塊鉱を金属鉄に転換するように設計されています。水素（H₂）と一酸化炭素（CO）に基づく化学反応により鉄鉱石から酸素（O₂）が除去され、高度に冶金化されたDRIが生産されます。このプロセスは、エンドユーザーに適した3つの異なるエナジロン製品形態を生産する柔軟性を持っています。プロセスの重要な側面は、冶金度と製品炭素（C）の独立した制御です。エナジロン直接還元プロセスはZRスキームに基づいています。

高温還元ガスが還元ゾーンでシャフト炉内に供給されます。炉内では、これらのガスが上向きに流れ、鉄原料移動床と向流接触します。ガス分布は均一で、ユニット内で固体やガスの流れに物理的制約なしに、ガスと固体の間で高度な直接接触があります。 排ガス（トップガス）は約400℃でシャフト炉を離れ、トップガス熱回収器を通過し、ガスのエネルギーが回収されて蒸気を生成します。あるいは、排ガスのエネルギーを還元ガスストリームの予熱に利用し、その後クエンチング/スクラビングプロセスで冷却水によって排ガスを冷却することもできます。

スクラビング冷却ガスは冷却ガスリサイクルコンプレッサーを通ってシャフト炉にリサイクルされ、天然ガス（NG）で補給されます。NGは、冷却と浸炭プロセスの最適な効率と制御のために冷却ガス回路にメイクアップとして注入されます。

鉄鉱石からのO₂除去は高温還元ガスの作用によって達成され、その後製品は浸炭されます。シャフト炉底部のロータリーバルブが、還元炉を通る原料の連続重力流を調整します。エナジロンは、加圧ビンとロックで構成される自動化機構によって排出されます。特別に設計されたフローフィーダーがシャフト炉内での固体の均一な流れを確保します。コールドDRIの場合、約40℃の冷却ガスが炉の下部円錐部分に供給され、DRI移動床と向流に上向き流れます。

ホット製品排出と使用の場合、冷却回路は排除され、ホットDRIが700℃超で連続排出されます。「ハイテンプ」気圧輸送システムでは、製品がキャリアガスによって製鋼溶解工場のサージビンに輸送され、電気炉（EAF）への制御供給が行われます。HBI生産の場合、ホットDRIが700℃超で連続排出され、下部に配置されたホットブリケッティングマシンに送られます。HBIは冷却水を使用する振動冷却コンベアで冷却され、HBI輸送コンベアに排出されます。

エナジロンプロセスフローの環境的に重要な組み込み特性の一つは、還元プロセスから生成される副生成物である水（H₂O）と二酸化炭素（CO₂）の選択的除去です。これらの副生成物は、それぞれトップガススクラビングとCO₂除去システムによって除去されます。H₂OとCO₂の選択的除去はメイクアップ要件を最適化します。還元プロセス中に生成されるH₂Oはガスストリームから凝縮除去され、ガスとともに運ばれるダストの大部分も分離されます。スクラビングされたガスはプロセスガスリサイクルコンプレッサーを通過し、圧力が上昇します。圧縮ガスはCO₂除去ユニットに送られ、NGメイクアップと混合され、還元ガス回路が閉じられます。

エナジロンZRスキームの特徴は、(i) H₂豊富な還元ガスの利用（H₂/CO比は約5）、(ii) 高還元温度（通常1050℃超）、(iii) 移動床シャフト炉内の高運転圧力（通常6〜8 kg/cm²）です。高い運転圧力により、(i) 低流動化、(ii) 微粉の高投入、(iii) 高生産性（約10トン/時/m²）、(iv) 鉄鉱石消費量の低減、(v) 低還元ガス速度（約2 m/s）、(vi) 圧縮係数低減による低電力消費が可能になります。これにより、より小型のシャフト炉、固体床を通じた均質なガス分布の促進、低いドラッグフォースによるトップガスキャリーオーバーでのダスト損失最小化（1%未満）が実現されます。これにより、生産される主要エナジロンの品質における非常に低い標準偏差と全体的な鉄鉱石消費量の低減（スクリーニング3.2mm、リメルトなしでDRI 1トンあたり約1.4トンの鉄鉱石）がもたらされ、結果として全体的な運転コストが低下します。このプロセススキームのもう一つの顕著な特徴は、統合/外部リフォーマーなしで、DRI浸炭のより広い柔軟性があることです。

プロセス自動化

エナジロンプロセスは、望ましい化学反応セットと、気相、液相、固相の多様なフェーズ間の熱と物質移動を生成するために最適化される、異なる複雑な物理化学プロセスを組み合わせています。このため、プロセスコントローラ、ソフトウェア診断、高可用性、フェイルセーフ機能の分野で最新の利用可能な技術を使用する完全な自動化システムが使用されます。プロセスは5,500以上のアナログおよびデジタル変数によって制御され、これらは自動化システムによって自動的に分析されます。フィールド機器からのすべてのプロセス変数は、様々な取得システム（PLC、HMI）によって継続的に収集され、プロセスの継続的な監視と最適化のための貴重な情報セットを提供します。エナジロンプロセスの高度なソフトウェアは、統合データ収集、分析、強力な統計ツールによるウェブレポートを管理し、意思決定をサポートすることで、この巨大な潜在能力を活用します。これにより、リアルタイムで最適なセットポイントを検出することで、プロセス効率をさらに最適化し、重要なエネルギー節約を実現できます。

エナジロン制御システムは、機器制御のための従来のレベル1システム「分散制御システム」（DCS）と、プロセス監視、データ追跡、生産レポート作成だけでなくプロセス最適化のためのレベル2システムで構成されるアーキテクチャに基づいています。「プロセス再構成モデル」（PRM）が開発されています。これは、PLCからの計装信号と物理方程式を使用して、プラント状態の完全な記述を提供します。これにより、トップガス組成と関連酸化/還元比など、通常測定できない多くの項目を計算可能になります。

プロセス反応

プロセス中に3種類の化学反応が起こります。(i) リフォーミング反応、(ii) 還元反応、(iii) 浸炭反応。以下の反応がインシチュリファイニング中に起こります。

2CH₄ + O₂ = 2CO + 4H₂
CH₄ + CO₂ = 2CO + 2H₂
CH₄ + H₂O = CO + 3H₂
2H₂ + O₂ = 2H₂O
CO₂ + H₂ = CO + H₂O

還元中およびDRI浸炭中に起こる反応は以下の通りです。

Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂
Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O
3Fe + CH₄ = Fe₃C + 2H₂
3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂
3Fe + CO + H₂ = Fe₃C + H₂O

標準エナジロンプロセスのフローシートは図1に示されています。

図1 エナジロンプロセスのフローシート

エナジロンプロセスの典型的なエネルギーバランスは図2に示されています。

図2 エナジロンプロセスの典型的なエネルギーバランス

プラントと設備

エナジロン直接還元プラントは、主に以下のプラントと設備で構成され、それぞれ特徴的な機能を持っています。

• 移動床を保持する還元シャフト炉。鉄原料充填システムと製品排出システムを備える。
• プロセスガスヒーター、トップガス熱回収器、トップガスクエンチング/スクラビングユニット、還元ガスリサイクルコンプレッサー、加湿塔、ノックアウトドラムで構成される還元ガス回路。
• 炉運転は最小限のNGと水消費、およびO₂注入で実施。
• 製品排出システムには、(i) コールドDRI生産用クーラー、(ii) HBI生産用ホットブリケッティングマシン、および/または (iii) シャフト炉から電気炉（EAF）へホットDRIを直接輸送するハイテンプ気圧輸送システムを装備可能。
• クエンチング/スクラビングユニットと冷却ガスリサイクルコンプレッサーで構成される外部冷却ガス回路。
• PSA（圧力スイング吸着）ベースの吸着システムで、還元ガスストリームから二酸化炭素（CO₂）を除去。
• 鉄鉱石取扱い設備（鉄鉱石サージビン、移送コンベア、スクリーニングステーション、ペレットコーティングシステム、供給コンベア、サンプリング・計量ユニット）。
• コールドDRI輸送用コンベアと関連設備で構成されるDRI取扱いシステム。
• 冷却塔とろ過設備、ポンプ。
• クラリファイアと沈殿池を備えた閉鎖循環ベースのプロセス冷却水システム（水消費最小化）。
• マイクロプロセッサーベースの分散制御を使用するプロセス制御・計装システム。
• 電気変電所、電動機、照明。
• 通常窒素（N₂）ガスベースの不活性ガスシステム。
• エアコンプレッサー。

運転パラメータと特定消費量

エナジロンZRプロセス製品の典型的な特性は表1に示されています。

表1 製品の典型的な特性
No.	項目	単位	DRI	HBI	ハイテンプ鉄
1	冶金度	%	92-95	92-95	92-95
2	炭素	%	1.5-5.5	1.5-2.5	1.5-5.5
3	温度	℃	40	40	>600
4	見掛け密度	t/m³	1.60	2.50	1.60
5	見かけ密度	t/m³	3.20	5.00	3.20
6	公称サイズ	mm	6-15	110×60×30	6-15
7	Fe₃C	%	25-60	25-30	25-60

エナジロンZRプロセスの典型的な運転パラメータと特定消費量は表2に示されています。

表2 エナジロンZRプロセスの典型的な運転パラメータと特定消費量
No.	項目	単位	コールドDRI		HBI	ホットDRI
1	炭素	%	4.5	2.5	2.5	4.5	4.5
2	冶金度	%	93	93	93	93	93
3	DRI温度	℃	40	40	700	700	700
4	鉄原料	t/t	1.36	1.39	1.41	1.36	1.39
5	天然ガス	Gcal/t	2.25	2.20	2.23	2.35	2.25
6	電力	kWh/t	65	65	80	65	65
7	酸素	Nm³/t	42	53	53	48	53
8	水	m³/t	0.8	0.8	1.1	0.8	0.8
9	窒素	Nm³/t	12	12	19	18	18

エナジロンZRプロセスからの典型的な排出は表3に示されています。

表3 エナジロンZRプロセスからの典型的な排出
No.		排出物質	単位	値
1		超低NOxバーナー使用時のNOx	mg/Nm³	50-80
2		選択的触媒除去使用時のNOx	mg/Nm³	10-50
3		CO	mg/Nm³	20-100
4		ヒーター/リフォーマースタックからのダスト	mg/Nm³	1-5
5		原料取扱い集塵からのダスト	mg/Nm³	5-20

エナジロンZRプロセスの特長

エナジロンZRプロセスは、直接還元プラントのサイズを縮小し、効率を向上させました。還元シャフト炉内で天然ガスの炭化水素をインシチュリフォーミングすることで還元ガスが生成され、NGを還元ガス回路へのメイクアップとして供給し、シャフト炉入口でO₂を注入します。このプロセスでは、還元ガスが還元セクションで生成されるため、最適な還元効率が達成されます。このため、外部還元ガスリフォーマーは不要です。通常、エナジロンZRプロセスの全体的なエネルギー効率は80%以上で、シャフト炉内のインシチュリフォーミングによって最適化されます。製品はプロセスに供給されるエネルギーの大部分を取り込み、大気へのエネルギー損失を最小限に抑えます。

外部ガスリフォーマーを排除することによるプラントサイズへの影響は大きいです。年間100万トン能力の場合、面積要件が約60%削減されます。これにより、DRプラントを製鋼溶解工場に隣接して配置することが容易になります。

エナジロンZRプロセスの追加的利点は、DRI浸炭の柔軟性で、Cレベルを最大5%まで達成できます。これは、シャフト内のガスの改善された浸炭ポテンシャルにより、主にFe₃Cの生産を可能にするためです。高Fe₃C含有量のDRIは、Fe₃Cの解離により高い熱が必要なため、通常のDRIよりもはるかに低い反応性を示します。

エナジロン直接還元プロセスに存在する運転条件は、高温（1050℃超）、還元ガスの部分燃焼とO₂注入によって生成されるH₂OとCO₂の酸化剤としての存在が特徴です。これらの条件は炭化水素のインシチュリフォーミングを促進します。H₂とCOが一度生成されると、鉄鉱石の同時還元とDRIの後続浸炭がリアクター内で起こり、このプロセススキームをエネルギー利用と全体的なエネルギー消費の観点から非常に効率的なものにしています。

基本的なエナジロンZRスキームでは、NGの直接使用が可能です。エナジロンプロセスを直接還元に使用するプラントは、従来の蒸気-NGリフォーミング設備を還元ガスの外部供給源として使用することもできます。これは長くガスベース直接還元プロセスを特徴づけてきました。NGの代わりに、H₂、石炭ガス化システムから生成される合成ガス、ペットコークや類似の化石燃料、コークス炉ガス（COG）などを、特定の状況と可用性に応じて還元ガスの潜在的供給源として使用できます。いずれの場合も、還元ガス源に関わらず同じ基本プロセススキームが使用されます。

エナジロンZR技術のユニークな特徴は、DRI中の制御された高炭素レベルを鉄炭化物（Fe₃C）の形で（通常90%以上）生産できる能力です。還元ゾーンのリアクター内に存在する条件により、DRI炭素レベルを最大5%まで得られます。これらの条件は、H₂とCOとともに高メタン（CH₄）濃度（約20%）と床の高温で構成されます。これらの条件は、鉄マトリックスへのCの拡散とFe₃Cの析出を促進します。高Fe₃C含有量のDRIは、通常のDRIよりもはるかに低い反応性を示します。

エナジロン直接還元プラントの重要な特徴の一つは、ゼロ・メイクアップ水要件でプロセスを設計できる可能性です。これは主に、水が還元反応の副生成物であり、凝縮されてガスストリームから除去されるためです。その結果、従来の冷却塔の代わりに水熱交換器を使用する閉鎖循環水システムを採用することで、フレッシュなメイクアップ水は不要となり、実際にはバッテリーリミットで少量の水ストリームが利用可能になります。

エナジロン直接還元プラントからの排出

エナジロンプラントの排出は、最も厳しい環境規制に準拠しています。これは主にプロセス自体の性質によるものです。エナジロン技術はプロセス構成によって設計上効率的です。したがって、プラントで高い全体熱効率を達成しながら、リフォーマー（使用時）またはヒーターで燃焼空気を高温に予熱する必要がなく、高NOx生成の可能性を排除しています。NOx排出は超低NOxバーナーの採用によりさらに削減可能です。SCR（選択的触媒還元）技術の適用によりさらなる改善が得られます。

エナジロンは利用可能な最もクリーンな直接還元技術です。構成により、エナジロンプラントは総CO₂排出量の60〜90%を除去できます。CO₂排出量は、DRI生産に採用される2つの技術間でかなり異なる可能性があります。NG、合成ガス、COGのいずれを使用するかに関わらず、直接還元プラントへの還元ガスメイクアップにはCが含まれ、炭化水素および/または炭素化合物（CO、CO₂）の形をとります。また、直接還元プロセス構成に関わらず、全体の15〜40%（DRI中のC含有量による）のみが結合CとしてDRIでプロセスから離れ、残りはCO₂として離れます。

エナジロンZRプロセスで生産されるDRIはより高いC%を含むため、CO₂として除去されるCの量は少なくなります。CO₂ガス生成の差は、外部触媒リフォーマーを直接還元シャフト炉に統合した直接還元構成で還元ガスメイクアップ源として使用される場合のCO₂ガス生成と比較すると明らかです。外部触媒リフォーマー統合構成の場合、プロセスNGメイクアップ総量に含まれる140kg C/t-DRIのうち、約25kg C/t-DRI（17%）がDRIの一部としてプロセスから離れ、残りがリフォーマーからの排ガスとして放出されます。これらの数値は、エナジロンZRプロセスの場合、110kg C/t-DRIから40kg C/t-DRI（36%）がDRIに含まれ、残りの70kg C/t-DRIのうち65kg Cが純粋なCO₂として選択的に除去され、他の用途や隔離に使用可能であることと比較されます。さらに、還元プロセスから生成される両副生成物H₂OとCO₂の除去により、プロセスでのガス利用率が95%以上に改善されます。要するに、エナジロンプロセスは総C投入量の約65%（約240kg CO₂/t-DRI）をCO₂として組み込み選択的に除去します。

エナジロンプラントはCO₂の選択的回収というユニークなオプションを提供します。CO₂吸収システムはCO₂を回収するだけでなく、プロセスガスストリームに存在する場合は硫黄も回収し、プラントからの全SO₂排出量を約99%削減します。

H₂を還元ガスとして

製鉄所では、近い将来、鉄鉱石還元プロセスのエネルギー源としてCに代わってH₂が使用されることが予想されています。ガスベース直接還元プロセスの場合、H₂がNGに取って代わることになります。エナジロンZRプロセスは、主要な設備調整なしで、NGに置きわる任意の量のH₂を使用する準備ができています。実際、エナジロンZRプロセススキームでは、NGガスのインシチュリフォーミング要件が低くなるため、H₂の使用はよりスムーズな操作と生産性の向上に反映されます。

還元シャフト入口での70%という高いH₂濃度の使用は、既存のエナジロン直接還元プラントで既に実証済みで、これは還元ガス（H₂とCO）を生成する蒸気リフォーマーを伴います。

しかし、H₂をNGに代わるエネルギー入力として使用すると、DRIの%Cが低下します。これは還元ガス中のCH₄濃度を希釈するためです。しかし、エナジロンZRスキームの柔軟なプロセス構成（還元回路へのメイクアップ分配と燃料利用の観点から）により、35%のエネルギー入力をH₂として（または体積ベースで約64% - Nm³/t-DRI）でも3.5%Cを達成可能です。70%H₂をエネルギーとして（体積ベースで約88% - Nm³/t-DRI）使用する場合、DRI中の予想Cは2.0%未満になります。

NSENGIとの提携

2014年、テノバHYLとダニエリは、日本製鉄住金エンジニアリング株式会社（NSENGI）と、エナジロン直接還元技術と最適化された高炉技術、およびNSENGIが開発・保有する合成ガス技術（高効率石炭ガス化と製鉄所副生ガス利用技術）を組み合わせて商業化する契約を締結しました。新提携の目的は、それぞれの専門知識であるエナジロンDR、高炉、合成ガス技術と研究開発活動を組み合わせ、統合製鉄設備のCO₂排出量と運転コストを削減しながら、生産性向上と/または資本支出削減を実現する新しい製鉄技術を開発することです。