高炉製鉄におけるCO₂排出削減技術

高炉製鉄とCO₂排出

大気中の二酸化炭素（CO₂）が温室効果を通じて地球温暖化に影響する主要成分であることは広く認識されています。1896年以来、大気中CO₂濃度は25%増加。鉄鋼業はエネルギー集約型産業として知られ、重要なCO₂排出源です。したがって、気候変動は鉄鋼業にとって主要な環境課題と認識されています。2007年のIPCC（気候変動に関する政府間パネル）調査結果より 훨씬 前から、主要鉄鋼メーカーは鉄鋼業からのCO₂排出に対する長期的解決策の必要性を認識していました。そのため、鉄鋼業はエネルギー消費改善と温室効果ガス（GHG）排出削減に非常に積極的です。

現在の気候変動環境下で、鉄鋼業内ではエネルギーコスト削減、排出削減、廃棄物エネルギー最大再利用への継続的な取り組みがあります。鉄鋼製造伝統プロセスではCO₂排出は避けられず、特に高炉（BF）プロセスでは燃料と還元剤として炭素（C）を必要とし、鉄酸化物を金属状態に還元するため、統合製鉄所でのCO₂生成主要プロセスとなっています。気候政策は実際、BF製鉄技術の更なる開発の重要な推進要因です。

BF運営が直面する課題の中で重要なのは脱炭素化です。鉄鋼業はBF運転熱効率向上で大きな進歩を遂げましたが、化学還元剤としてCが必要であることに関連する脱炭素化のハードリミットが存在します。1950年代以来、BF製鉄技術効率化のため多大なR&D（研究開発）努力がなされました。これには（i）コークスとシンター品質改善、（ii）酸素（O₂）濃厚吹込み、（iii）微粉炭や天然ガスなど他還元剤注入、（iv）装荷分布、（v）計測技術などが含まれます。1950年代還元剤率は約1,000 kg/t-HMでしたが、R&D努力と成果実装により半減させました。

従来BFでの還元剤消費は現在約500 kg/t-HMで、古典的BF運転下での最低熱力学的可能値からわずか5%上に接近しています。BFプロセスは現在、熱効率の熱力学的限界近くで動作する高度に開発されたプロセスです。C需要を根本的に削減したり熱効率を大幅に改善したりする明確な主要改良は期待できませんが、BFが主要排出源であるため、業界の環境影響緩和努力は必然的にBF製鉄プロセスに焦点を当てざるを得ません。

ブレイクスルー製鉄技術

C消費またはCO₂排出の更なる大幅削減には、ブレイクスルー製鉄技術が必要です。BFプロセス自体での化石C使用削減とCO₂排出削減のため、いくつか技術が提案されています：（i）BFトップガスからのCOリサイクル、（ii）バイオマス利用、（iii）還元剤としてCOをH₂で置換、（iv）CリーンDRI、HBI（ホットブリケット鉄）、LRI（低還元鉄）使用、（v）C複合材料使用、（vi）Cリーン電力利用、（vii）CO₂回収・貯蔵（CCS）など。しかし、必要なアプローチは、現行プロセス内に存在するポテンシャルから排出削減や生産増加への段階的ステップを提供する漸進的改良を提案することです。

このような技術検討時、経済性と全体CO₂排出に関する複数の横断的テーマを考慮することは避けられません。例えば、CO₂とプロセスガスを化学原料として利用するには再熱炉用燃料追加購入が必要となり、統合製鉄所コスト、鋼品質、総CO₂排出に影響可能。検討対象とする解決策は、これら個別側面のマルチコンポーネント最適化達成ポテンシャルを持つ必要があります。

将来BF運営が直面する主要課題は：（i）資本的支出と運営費を大幅削減し、経済サイクル通じて持続可能な資本支出回収を実現、（ii）従来コークスベースプロセス化学熱力学から決定される値を下回るレベルまで実効CO₂排出削減。これら課題対応には、複数技術機会の特定が不可欠。以下に説明します。

トップガスリサイクルと炭素回収技術

投入C削減はBF内ガス還元平衡で制限されます。トップガスの脱炭素化とリサイクルによる炉内注入でガス還元を強化し、直接還元比（吸熱反応）を低下させることで投入C削減可能。トップガスリサイクル（TGR）付き高炉典型フローシートを図1に示します。

BFルート脱炭素化ソリューションには何らかのC回収要素が必要。実質的CO₂削減（50%以上）達成にはCCS技術適用必要だが、業界コンセンサスでは80%以上削減は不可能とされています。C回収の前向きな変形の一つが、BF製鉄プロセスでのトップガスリサイクルです。これはCO₂排出大幅削減可能な最も有望技術で、BFトップから排出ガス中のCOとH₂をリサイクルするものです。

TGR技術は、トップガスからCO₂除去後、還元剤（COとH₂）を再利用することで化石C（コークス）使用量を低減させることに基づきます。これによりエネルギー要求低下。TGR-BF主要技術：

• トップガスからCO₂スクラビングし、残留還元成分COとH₂をBFシャフトと炉床タイヤーに注入
• コークス率低下による化石C投入低減
• 炉床タイヤーで熱風代わりに純粋O₂使用（プロセスからN₂除去）
• トップガスから純粋CO₂回収し地下貯蔵

ほとんどのC回収スキームは一般的に貯蔵と関連付けられますが、利用も考慮可能。C回収と利用のこの関連性は、現在関心領域であるプロセス統合という重要研究分野を浮き彫りにします。収集・輸送・貯蔵など側面と比較し、既存BFへのC回収システムレトロフィットによるプロセス統合領域はほとんど検討されていません。

BF操業サイト大多数で、数十年運転されたBFと並行してC回収導入されることが予想されます。ガス品質、圧力、運転プロトコル、BFとC利用プラント相対最適化など側面に関連するプロセス干渉の大きな可能性があります。レトロフィットとその後運転は、既存資産の運転効率や製品品質を損なうことなく達成される必要があります。

このプロセス統合領域では、高度プロセスシミュレーションとモデリング技術を導入し、統合BFとC回収システムの組み合わせ最適化が必要。熱流体モデリング、プロセス反応速度論、スループロセス経済モデリングを組み合わせ、主要製鉄プロセスパラメータ理解と整合させる必要あり。このような焦点で、既存BF操業へのC回収適用が実現可能。

水素還元

BFプロセスの重要環境課題は、化学還元剤としてCを使用すること。これにはハードな熱力学的限界があり、プロセス大幅変更なしにこれ以上C削減不可能。そのようなプロセス変更の一つが、還元剤としてCから水素（H₂）への部分的切替です。H₂含有量高い還元剤例は廃プラスチック（CnHm）や天然ガス（主成分CH₄）。H₂はDRI製造の直接還元プロセスで既に使用されており、メカニズムと化学熱力学基本理解ありますが、炉内でのH₂還元とC還元バランスをどこまでシフトできるか、さらなるプロセス研究と革新の機会があります。

廃プラスチック（WP）を用いたBFでのH₂還元促進は、WPをBFに注入することで行われます。WPは微粉炭（PC）と同様に固体としてタイヤーから注入。通常WPと石炭の共注入で実施。WP燃焼エネルギーは通常注入PC以上で、H₂/C比高いためBF内燃焼と鉄鉱石還元プロセスからのCO₂生成量減少。またH₂はCより有利な還元剤のためエネルギー消費低減。WP注入で炉腹ガスH₂濃度上昇。H₂還元化学反応速度はCOより高いため、炉腹ガスH₂増加に伴いブードアール反応程度低減。BF上部では鉄酸化物還元によりCO₂とH₂O存在。

BFでのH₂還元促進のため別手法が日本のCOURSE50プロジェクトで調査中、2008年開始。このプロジェクトは、コークス炉ガス改質によるH₂増幅と組み合わせ、BFシャフトへの還元ガス注入技術をさらに発展させCO₂排出削減を試みるもの。同プロジェクト提案H₂還元技術：

1. コークス炉ガスガス改質によるH₂増加
2. H₂鉱石還元技術
3. H₂還元高炉向けコークス製造技術

このプロジェクトでは還元ガスをBFシャフトに注入。2ガス運動量収支から、シャフト注入ガス浸透領域が注入ガス率に比例し、鉄鉱石還元がH₂で促進されること判明。しかしH₂還元は吸熱反応のため、炉頂温度維持に特別注意必要。

代替炭素含有材料

代替C含有材料はC複合焼結体（CCA）やC鉄複合体（CIC）。これらは炭素質材料と鉄酸化物混合物の焼結体で、金属鉄含有形成コークス一種。炭素質材料はコークス微粉、石炭、木炭、C豊富プラント内微粉、バイオマス、廃プラスチックなど。鉄酸化物は低品位鉄鉱石、鉄豊富プラント内微粉など。C複合材料は鉄粒子触媒効果により、冶金コークス比較でCO₂ガスに対する反応性が著しく高い。通常C複合材料は冶金コークスより約150℃低い温度からCO₂ガスと反応開始。

鉱石還元反応はC複合材料で促進される理由：

1. これら材料の高反応性
2. 溶解損失反応がより低温から開始

このような焼結体利用はCO₂排出緩和だけでなくコークス・省エネにも寄与。鉄とCが近接することで反応速度論大幅改善。利用時の他メリット：

• 鉄および/またはC豊富プラント内微粉利用可能
• ガス化反応と鉄酸化物（ウォスサイト）還元の相互作用効果によるガス化温度低下
• CO₂とエネルギー集約的鉱石準備プロセスへの依存度低下

C複合材料製造法：安価鉄含有材料と非コークス化または微コークス化石炭を破砕・混合・ブリケット成形、シャフト炉で加熱・炭化。これら材料強度はBF原料重要特性で、ブリケット成形密着効果とシャフト炉内比較的高精度温度制御により、低品質原料からでも冶金コークス同等強度達成可能。

C含有材料はBFプロセスへ複数方法で導入可能。シンター工程でバイオマスやWPがコークスブリーズ部分代替。プラント内微粉をCと鉄両源として利用。コークス製造でバイオマスやWPをコークス配合石炭ブレンド添加試み実施。代替C含有材料は、装荷材料とともにBFトップから塊状投入、またはC豊富プラント内微粉やバイオマスをタイヤーからBFへ注入可能。

BF熱風炉内排ガスリサイクル

熱風炉向け新技術「排ガスリサイクル」（FGR）開発中。空気燃料燃焼から酸素燃料燃焼へ炉転換し、排ガス中CO₂%増加。生成炎温度を廃ガスリサイクルでストーブバーナーに還流し緩和。従来空気燃料ストーブ運転とFGR採用強化酸素燃料運転の概略比較を図2に示します。

ストーブFGR運転は、燃焼生成物の定質量流量または定体積流量ベースで可能。定質量流量は対流熱伝達が従来空気燃料運転比で変化せず、熱排ガスリサイクルでストーブ燃焼エネルギー要求低減。定体積流量オプションは、排ガスリサイクル時燃焼生成物密度増加由来。このモードでは熱回収とバーナーガス流量増加組み合わせ可能で、より高い熱風温度とBFコークス消費低減ポテンシャルに変換。

C回収ポテンシャル考慮時、排ガスCO₂含有量は従来ストーブ加熱慣習比で実質的に倍増。質量ベースで排ガスは0.8トンCO₂/トン銑鉄（HM）含有、現在比排出レベル3分の1以上。これを可能にするO₂生成は、空気分離プラント運転動力消費によりC回収メリットをわずかに減少（約6%ネット排出削減ポテンシャル低減）。

ストーブ内排ガスリサイクルは、燃焼プロセスでの空気とコークス炉ガス使用両方排除。したがって硫黄酸化物と窒素酸化物生成大幅削減。この開発中新技術の具体的目的：

1. 改質排ガス中CO₂含有量40〜50%確認
2. 廃熱回収とストーブ熱効率向上検証
3. 新運転条件がBFへ供給熱風温度維持・向上し、BF運転へ悪影響回避確認