ULCOREDプロセス：CO₂回収を備えた先進的直接還元鉄製造

ULCOREDプロセスの概要

ULCOREDは直接還元（DR）プロセスの一種で、シャフト炉において天然ガス（NG）または石炭ガス化から得られる還元ガスからDRI（直接還元鉄）を製造します。シャフト炉からの排ガスは、二酸化炭素（CO₂）を回収した後、プロセスにリサイクルされます。回収されたCO₂は濃縮ストリームとしてDRプラントを離れ、貯蔵されます。DRI工程で生産された固体製品は、電気炉（EAF）で溶解されます。このプロセスは2006年にLKAB、フォエストアルピネ、MEFOSが主導するチームによって主に設計されました。

目的と特徴

ULCOREDプロセスの目的は、DRI製造に必要な天然ガス消費量を削減することです。これは、従来の改質技術を天然ガスの部分酸化（POx）に置き換えることで達成されました。CCS装置と組み合わせることで、ULCOREDは高炉ルートの平均と比較してCO₂排出量を70%削減できます。

ULCOREDプロセスのコンセプトは、プロセスガスからCO₂を分離することです。CO₂回収・貯蔵（CCS）技術を用いてガスベースのDRプロセスを温室効果ガス（GHG）排出最小化に適応させ、同時にエネルギー使用を最小化することを特徴とします。プロセスはCO₂の抽出と貯蔵を可能にするように設計されており、同様のプロセス内回収を伴うCCSに依存しています。

プロセスは、シャフト炉からの一酸化炭素（CO）ガスをシフターで水素（H₂）に変換し、CO₂除去ユニットを通すことに基づいています。これにより、プロセスコンセプトの新たな革新的進化が開かれます。

ULCORED DRプロセスの主な特徴

• 空気の代わりに酸素（O₂）を使用し、ほぼ100% CO₂の排ガスを得る（圧縮のみ必要）
• 天然ガス必要量を15〜20%削減可能
• 石炭、バイオマス、バイオ廃棄物ガス化、水素を天然ガスの代替として使用可能

ULCOREDのコンセプトは、鉄鉱石とガスベースの直接還元によるDRI製造でCO₂排出削減要求を満たすことです。100%酸素使用、改質器の代わりにPOx、CO₂フリー還元/過剰ガス生成のためのシフター、還元剤として天然ガスまたは石炭/バイオマスガス化からの合成ガスを使用します。石炭ガス化で生産される還元ガスも天然ガスの代わりに使用できます。

天然ガスベースのULCORED DRプロセス

主な特徴

• 改質器なし
• ヒーターなし
• 高圧力運転

高圧力のため、DRシャフト内のガス速度が低く、流動化が少なく、シャフトから排出される微粉が少ないです。また、高圧力によりCO₂除去ユニットとPOxユニットが小型化し、リサイクル圧縮機に必要な動力も少なくて済みます。

このコンセプトの独自性は、空気の代わりにO₂を使用することで、ガス中に窒素（N₂）がほとんどまたは全く含まれない点にあります。改質は、還元ガス調整のためのPOxユニットで行われます（図1）。この技術は、従来の天然ガス改質を部分酸化に置き換え、DRI製造に必要な天然ガス消費を削減します。POx反応は CH₄ + 0.5O₂ = CO + 2H₂（ΔH = -8.6 kcal/mol）です。

部分酸化のパイロットユニットは、リンデ社でH₂豊富な原料ガス用に新設計されたバーナーで2回のキャンペーンで試験されました。予熱ガス（60% H₂、40% CH₄）を用いたチューブリアクターが使用されました。試験結論：

1. バーナーとリアクターは問題なく運転可能
2. 著しい騒音なしで安定した炎が得られる
3. すす生成量は300〜460 mg/Nm³（湿りガス体積）以下と予想
4. 大気圧運転のため、CO₂とCH₄含有量が平衡仮定に基づく事前計算より高かった。7 kg/cm²までの高圧運転でこの含有量を低減可能

DRシャフトとガス処理

DRシャフトでは、タイヤーから還元ガスが逆流的に注入され、鉄鉱石はトップから冷たい状態で供給されます。炉は6 kg/cm²圧力、約900℃で運転されます。シャフト排ガスは主にCO、CO₂、H₂、H₂Oを含みます。

シャフト排ガス（主にCO、CO₂、H₂O）はシフター（1段または2段）を通過し、COをH₂に変換します。水ガスシフターの使用により、還元シャフト内のH₂含有量が高まります。水ガスシフト反応：CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂ + H₂。シャフト排ガス中のほぼ全COがH₂にシフトされ、CO₂はCO₂除去ユニットで除去されます。過剰ガス生成が増えると、CO₂除去ユニットとO₂製造の動力需要が増加します。適切な過剰ガスレベルの計算は反復的プロセスです。この理由で推定過剰ガスレベルは高くなります。2.2 Gcal/t-DRIの過剰レベルで追加動力需要を補償できると推定されます。これは一部ガスを直接シフターにバイパスさせることで達成可能です。バイパス量は還元シャフトへの還元ガス特性に基づいて決定されます。システム内ガス量増加により、シフターとCO₂除去ユニットに追加投資が必要です。

シフターユニットでは、COシフト反応が発熱的で、高蒸気/ガス比と低温で平衡がCO変換に有利になり、圧力の影響を受けません。断熱系では、達成可能なCOスリップは出口温度で決まります。単層触媒での変換は平衡限界があり、反応進行に伴う高温がさらなる反応を制限します。この制限は、高温シフトに続き低温シフト、間に冷却を挟んだ2段システムで克服できます。低温運転が最も有利な熱力学的平衡を与え、COスリップを最小化します。最新のH₂プラントの多くは、低温シフトリアクター上流に冷却システムを持ち、プロセスガスの露点近くで運転できます。露点以上の安全マージンを確保し、冷却器で形成される水滴の完全蒸発を保証する必要があります。

蒸気比に依存しますが、低温シフトリアクターは結露の懸念なく190℃程度で運転可能です。本コンセプトでは、トップガスが高温・低温シフターを通過し、その間で熱回収を行います。高温シフターでCOの97.2%を変換し、低温シフターで99.5%まで完了させます。熱交換器はリサイクルガスを加熱し、その容量は高温側の設定温度差50℃に基づいて計算されます。熱交換器の余剰熱は凝縮器/再沸騰器を通じて蒸気ネットワークに蒸気を生産します。

CO₂除去ユニット

CO₂除去ユニットは、ガスからCO₂を除去し、H₂豊富な還元ガスをプロセスにリサイクルするために使用されます。CO₂除去ユニットは、CO₂除去効率、H₂とN₂回収率の分配で決定されます。使用可能な2つのCO₂除去プロセスは、真空圧力スイング吸着（VPSA）プロセスとアミン洗浄プロセスです。CO₂除去ユニット（VPSAまたはアミン）の選択は地域要件によります。蒸気余剰があれば、エネルギーを要するCO₂ストリッピングをプラント内蒸気エネルギーで行え、VPSAに必要な電力を節約できます。両技術とも長所短所があり、さらなる分析が必要ですが、どちらもULCOREDコンセプトで機能します。プロセスですでに高圧力が得られているため、VPSAの代わりに圧力スイング吸着（PSA）をCO₂除去に使用する可能性もあります。

選択プロセスはプロセスフローシートとレイアウトに影響します。VPSAプロセスは、クライオジェニクスと110 kg/cm²圧縮を含め、捕捉CO₂ 1トンあたり260 kWhの動力を必要とします。アミン洗浄プロセスでは、高性能アミン（活性化メチルジエタノールアミン、aMDEA）を用いる場合、完全プロセス（アミンと110 kg/cm²圧縮）で捕捉CO₂ 1トンあたり約1.6トンの低圧蒸気と160 kWhの動力を必要とします。

清浄化されたH₂豊富ガスのうちN₂を含む部分は、還元ガス中のN₂蓄積を防ぐためにプロセスからブリードされます。ブリードガスは貴重で、系内での蒸気生産や加熱に利用できます。

天然ガスベースのULCOREDプロセスフローシートを図2に示します。

石炭ガス化ベースのULCORED DRプロセス

ULCOREDで最もCO₂削減効果が高いのは、DRプラント用の合成ガスとプラント内全ユーザー向けのCO₂リーンH₂ガスを生産する石炭ガス化装置を使用するオプションです。このコンセプトは既存システムとレトロフィットシステムの両方に適応可能です。

石炭ベースのコンセプトは、既存の石炭ガス化技術とコールド脱硫（既存技術ベース）またはホットガス脱硫を用いた還元ガス生産に基づきます。コンセプトは空気の代わりにO₂を使用し、CO₂貯蔵を含みます。水ガスシフターにより還元シャフト内で高H₂含有量を達成し、過剰H₂ガスをプラント内の他ユーザーに供給します。

石炭ガス化はよく知られた技術で、石油・ガス枯渇後の将来のエネルギー変換プロセス技術の一つと期待されています。石炭ガス化にはいくつかの技術が開発されており、技術間に差異はありますが、一般的に比較的高いC変換効率（通常80%以上）で動作します。石炭ガス化の大きな利点は、合成ガスを使用前に効率的に精製（硫黄、水銀など除去）できる点です。

DRI製造用シャフト炉が6 kg/cm²で運転されるため、ガス化装置からのガス圧力は膨張タービンで降圧され（30 kg/cm²から6 kg/cm²）、動力も回収されます。

ULCORED DRプロセスは石炭ガス化ユニットと容易に統合でき、プロセスコンセプトの独自性の利点を取り込めます。石炭をガス化プラントに供給し、合成ガスから硫黄をホットまたはコールド脱硫で除去します。清浄合成ガスは、DRIクーラーで予熱されるか、高温・低温シフター間の熱交換器からの清浄H₂豊富リサイクルガスとブレンドされます。

ガス化装置をULCORED DRプロセスと統合するには3つの異なる方法があります。ガス化装置をコールド合成ガスとして統合するか、ガス化装置からの高温ガスの熱エネルギーを利用する形で統合します。3つの異なるセットアップを図3に示します。清浄合成ガスを直接シフターユニットにバイパスさせることで、システム向けの過剰H₂生産が可能になります。

酸素は主に石炭ガス化装置で消費されますが、シャフト炉手前の小型POxでも消費され、還元ガスの適正温度を確保します。シフトガスは、還元ガスの適正組成（H₂量増加）を確保するためにシフターにバイパスされるガスです。CO₂除去は、メインプロセスストリームからCO₂除去プロセスで分離されるCO₂量です。石炭ベースULCOREDプロセスのフローシートを図4に示します。

石炭ガス化装置とシフターをシステムに用いることで、一部合成ガスを直接シフターにバイパスし、直接還元プラントに必要以上のガスを生成できます。この特徴により、製鉄所向けのCO₂リーン燃料を生成可能になります。システムからCO₂排出源を実質的に1つにできるため、製鉄システムで発生するほぼ全CO₂を回収・貯蔵することが可能になります。

ULCORED DRプロセスの現状

ULCORED DRプロセスの詳細な基礎モデル研究が完了しています。これらにはペレットスケールモデル、シャフトモデル、フローシートシミュレーションによるプロセスモデルが含まれます。モデル研究により、DRプロセスの動力学を含む基礎的理解が深まりました。フローシートモデリングにより、ULCORED DRプロセスを製鉄所環境に適合させるプロセスレイアウトの最適化が可能になりました。モデリング研究で採用された異なるアプローチが類似結果を示し、様々なシナリオでのコンセプト評価の信頼できる基盤が作られました。冷DRI 1トン出力（金属化度92%、C 2.76%）に対する物質収支、質量収支、エネルギー収支、CO₂排出量計算が実施されました。

興味深いオプションの一つは、ULCORED DRプラントでLRI（低還元鉄）を製造し、従来またはN₂フリー高炉（BF）で銑鉄（HM）を製造することで、さらなるCO₂排出削減を図ることです。LRIは、LKAB実験高炉での成功試験を考慮すると、DRIの代替選択肢となります。金属化度65%までしか還元されていないDR製品（LRI）を用いた試験では、BFで非常に安定した炉状態と、200 kg/t-HM以下の極めて低いコークス消費量という非常に好ましい結果が得られました。

これらの研究結果から、ULCORED DRプロセスは、天然ガスが比較的安価な場所では、既設設備のCO₂排出削減のための「クイックフィックス（即効性のある対策）」となり得ます。高炉ルートの統合製鉄所では、LKAB実験高炉での成功試験を考慮するとLRIが選択肢となります。

ULCORED DRプロセスはまずパイロット試験が必要です。このステップでは、LKABがスウェーデン・ルレオの実験高炉の補完として今後数年で建設予定のEDRP（実験的直接還元パイロット）炉の機会を活用できる可能性があります。EDRP仕様：

• 生産能力：鉄 1トン/時
• トップガスリサイクル機能
• シャフト炉作業圧力範囲：0〜8 kg/cm²
• ガス流量範囲：1,700〜3,100 Nm³/時
• シャフト炉温度範囲：900〜1,050℃

ULCOREDは、パイロットそしてデモスケールで実証可能性が示されれば（これには10〜15年以上かかる）、既存直接還元プラントへのレトロフィット候補となるでしょう。