高炉と二酸化炭素排出による製鉄

高炉と二酸化炭素排出量による製鉄

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を与える主成分であることが広く認識されています。 1896年以降、大気中のCO2濃度は25％増加しています。鉄鋼業は、エネルギー集約型産業として、またCO2の重要な排出者として知られています。したがって、気候変動は、鉄鋼業界によって主要な環境問題として認識されています。 2007年の気候変動に関する政府間パネルの調査結果のずっと前に、鉄鋼の主要な生産者は、鉄鋼業界からのCO2排出に取り組むために長期的な解決策が必要であることを認識していました。したがって、鉄鋼業界は、エネルギー消費の改善と温室効果ガス（GHG）排出量の削減に非常に積極的に取り組んできました。

気候変動の現在の環境では、鉄鋼業界内で、エネルギーコストを削減し、排出量を削減し、廃棄物エネルギーの再利用を最大化するための絶え間ない推進力があります。鉄鋼を製造する従来のプロセスでは、特に、酸化鉄を金属状態に変換するための燃料および還元剤として炭素（C）を必要とするブラストファーネス（BF）プロセスでは、CO2の排出が避けられません。統合された鉄鋼プラントでCO2を生成するための主なプロセス。実際、気候政策は、BFによる製鉄技術のさらなる発展のための重要な推進力です。

重要なことに、BF操作が直面する課題の中には脱炭素化があります。鉄鋼業界では、BF操作の熱効率を高めるために重要な措置が講じられていますが、最終的には、化学還元剤としてのCの必要性に関連して、脱炭素化に厳しい制限があります。 1950年代以降、BF製鉄技術をより効率的にするために、多大な研究開発（研究開発）の取り組みが行われてきました。これらの研究開発の取り組みには、（i）コークスと焼結鉱の品質の向上、（ii）酸素（O2）の濃縮、（iii）微粉炭や天然ガスなどの他の還元剤の注入、（iv）負荷分散、（v）測定技術などが含まれます。の上。 1950年代には、還元剤の割合は溶銑1トンあたり約1000キログラム（kg / tHM）でしたが、それ以降、研究開発の取り組みと研究開発の成果の実施により、2分の1に削減されました。

従来のBFでの還元剤の消費量は、現在、約500 kg / tHMであり、従来のBF操作で可能な最低の熱力学的値をわずか5％上回っています。 BFプロセスは現在、熱力学的効率限界近くで動作する高度に開発されたプロセスです。 C需要を削減したり、熱効率を大幅に改善したりすることが基本的に期待される明らかな主要な機能強化はありませんが、BFが主要な排出源であるため、業界の環境への影響を軽減するための取り組みは必然的に必要です。 BF製鉄プロセスに焦点を当てています。

C消費量やCO2排出量をさらに大幅に削減するには、画期的な製鉄技術が必要です。化石Cの使用量をさらに削減し、BFプロセス自体のCO2排出量を削減するために、いくつかの技術が提案されています。これらには、（i）BFトップガスからのCOのリサイクル、（ii）バイオマスの使用、（iii）還元剤としてのH2によるCOの置換、（iv）C-lean直接還元鉄（DRI）の使用、高温が含まれます。ブリケット鉄（HBI）、または低還元鉄（LRI）、（v）C複合材料の使用、（vi）Cリーン電気エネルギーの使用、および（vii）CO2回収および貯蔵（CCS）など。ただし、必要なアプローチは、排出量を削減するか、現在のプロセス内に存在する可能性からより多くを生み出すためのステップを提供する段階的な改善を提案することです。

そのような技術を検討する際には、経済学と全体的なCO2排出量に関する多くの分野横断的なテーマを検討する必要があることは避けられません。たとえば、化学原料としてCO2とプロセスガスを使用すると、再加熱炉用の燃料を追加購入する必要があり、統合作業コスト、鉄鋼品質、および総CO2排出量に影響を与える可能性があります。検討のためにさらに検討する必要のあるソリューションには、これらの個々の側面のマルチコンポーネント最適化を実現する可能性がある必要があります。

したがって、将来のBF運用が直面する主な課題は、（i）資本支出と運用支出を大幅に削減して、景気循環全体を通じて持続可能な資本支出の見返りを生み出すこと、および（ii）化学熱力学から決定されるよりもさらに低いポイントまで実効CO2排出量を削減することです。従来のコークスベースのプロセス。これらの課題に直面するためには、多くのテクノロジーの機会を特定することが不可欠です。これらについて以下に説明します。

トップガスリサイクルおよび炭素回収技術

入力Cの減少は、BF内のガスの減少平衡によって制限されます。入力Cの減少は、炉への注入によるトップガスの脱炭素化と再循環によってBF内のガス還元を強化することにより、直接還元率（吸熱反応）を下げることによって達成できます。トップガスリサイクル（TGR）を備えた高炉の典型的なフローシートを図1に示します。

図1トップガスリサイクルを備えた高炉の典型的なフローシート

BFルートの脱炭素化のソリューションには、Cキャプチャーの要素が必要です。大幅なCO2削減（50％以上）を実現するには、CCS技術の適用が必要ですが、業界では80％以上の削減は不可能であるという一般的なコンセンサスがあります。 C捕獲の有望なバリエーションの1つは、BFプロセスによる製鉄プロセスでのトップガスリサイクルです。これは、CO2排出量を大幅に削減できる最も有望な技術であり、ガスからのCOとH2のリサイクルで構成され、BFを上から排出します。

TGR技術は主に、トップガスからCO2を除去した後、還元剤（COおよびH2）を再利用することにより、化石C（コークス）の使用量を削減することに基づいています。これにより、必要なエネルギーが少なくなります。 TGR-BFの主な技術は、（i）トップガスからのCO2のスクラビングと、BFシャフトおよび炉床羽口のトップガス成分COおよびH2を削減するバランスの注入、（ii）コークスの減少による化石Cの投入量の減少です。率、（iii）炉床羽口での熱風の代わりに純粋なO2を使用する、つまりプロセスから窒素（N2）を除去する、（iv）地下貯蔵用のトップガスから純粋なCO2を回収する。

ほとんどのCキャプチャスキームは一般にストレージに関連付けられていますが、使用率も考慮することができます。 Cキャプチャと使用率の間のこの関係は、現在関心のある重要な研究分野がプロセス統合に関するものであることを浮き彫りにします。収集、輸送、保管などの側面と比較して、既存のBFをCキャプチャシステムに後付けすることによるプロセス統合の領域は、ほとんど考慮されていません。

BFが稼働しているサイトの大部分では、何十年も稼働しているBFと一緒にCキャプチャが委託されることが予想されます。ガスの品質、圧力、運用プロトコル、BFとCの両方の利用プラントの相対的な最適化などの側面に関連する、かなりのレベルのプロセス干渉の可能性があります。既存の資産の運用効率や製品品質を損なうことなく、改造とその後の運用を実現する必要があります。

プロセス統合のこの領域では、統合されたBFおよびCキャプチャシステムの組み合わせを最適化するために、高度なプロセスシミュレーションおよびモデリング技術が展開されます。この点で、熱流体モデリングとプロセス速度論およびプロセス経済モデリングの組み合わせが、主要な製鉄プロセスパラメータの理解に合わせて調整される必要があります。このような焦点を当てると、既存のBF操作へのCキャプチャの適用を実現できます。

水素削減

BFプロセスの重要な環境上の課題は、化学還元剤としてのCの使用です。これには熱力学的極限があり、それを下回ると、大幅なプロセス変更なしにCをさらに削減することはできません。そのようなプロセス変更の1つは、還元剤としてのCから水素（H2）への部分的な切り替えです。 H2含有量の高い還元剤の例としては、廃プラスチック（CnHm）や天然ガス（主成分CH4）があります。 H2はすでにDRIの直接還元プロセスで使用されているため、メカニズムと化学熱力学の基本的な理解はありますが、H2還元とCのバランスの程度について、さらなるプロセス研究と革新の機会があります。還元は炉内でシフトできます。

廃プラスチック（WP）を使用してBFのH2削減を促進するには、BFにWPを注入します。 WPは、微粉炭（PC）と同様の方法で、羽口から固体として注入されます。通常、それはWPと石炭のBFへの同時注入として行われます。 WPの燃焼エネルギーは一般に少なくとも通常注入されるPCの燃焼エネルギーと同じくらい高く、Cに対するH2の比率が高いということは、燃焼および鉄鉱石還元プロセスからBF内で生成されるCO2が少ないことを意味します。また、H2はCよりも好ましい還元剤であるため、エネルギー消費量が少なくなります。WPの注入により、ボッシュガスのH2濃度が増加します。 H2還元の化学反応速度はCOの化学反応速度よりも速いため、ボッシュガスH2が増加すると、Boudouard反応の程度は減少します。 CO2とH2Oは、酸化鉄の還元によりBFの上部に存在します。

高炉でのH2削減を促進するために、2008年に開始された日本のCOURSE50プロジェクトを通じて別の方法が検討されています。このプロジェクトは、還元ガスをBFに注入する技術をさらに開発することによってCO2排出量を削減する試みです。コークス炉ガスを改質することによるH2増幅と組み合わせたシャフト。本プロジェクトで提案するH2還元技術は、（i）コークス炉ガスのガス改質、（ii）H2鉱石還元技術、（iii）H2還元高炉用コークス製造技術によるH2増加である。このプロジェクトでは、還元ガスがBFシャフトに注入されます。 2つのガスの運動量バランスから、シャフト注入ガスの浸透面積は注入ガス速度に比例し、鉄鉱石の還元はH2によって促進されることがわかりました。ただし、H2の還元は吸熱反応であるため、炉の上部の温度を維持するために特別な注意が必要です。

代替カーボンベアリング材料

代替のCベアリング材料は、C複合凝集体（CCA）またはC鉄複合材料（CIC）です。これらは、炭素質材料と酸化鉄混合物の凝集体であり、金属鉄を含む一種の形成されたコークスです。炭素質材料は、コークス微粉、石炭、木炭、Cに富む工場内微粉、バイオマス、廃プラスチックなどであり、酸化鉄は、低品位鉄鉱石、鉄に富む工場内微粉などである。鉄粒子の触媒効果による材料は、冶金用コークスと比較して、CO2ガスとの反応性が著しく高い。通常、C複合材料は、冶金用コークスよりも約150℃低い温度からCO2ガスと反応します。

鉱石還元反応は、（i）これらの材料のより高い反応性、および（ii）これらの材料の溶液損失反応がより低い温度から始まるという事実のために、C複合材料によって促進されます。このような凝集体の利用は、CO2排出量の削減に役立つだけでなく、コークスやエネルギーの節約にも役立ちます。このような凝集体中の鉄とCの間の距離が近いと、反応速度が大幅に向上します。このような凝集体を利用することで視覚化できる他の利点は、（i）鉄および/またはCに富むプラント内微粉を使用する可能性、（ii）ガス化反応と酸化鉄（ウスタイト）削減、および（iii）CO2およびエネルギー集約型の鉱石調製プロセスへの依存度の低下。

C複合材料の製造方法は、安価な鉄含有材料と非粘結性またはわずかに粘結性の石炭を粉砕、混合、練炭化した後、シャフト炉で加熱および炭化することで構成されます。これらの材料の強度はBFフィードにとって重要な特性であり、練炭の緻密化効果とシャフト炉での比較的高精度の温度制御により、低品質の原料でも冶金コークスと同程度の強度を実現できます。 。

Cベアリング材料は、いくつかの方法でBFプロセスに導入することもできます。焼結プロセスでは、バイオマスまたはWPがコークスのそよ風を部分的に置き換えることができます。プラント内の罰金は、Cと鉄の両方の供給源として使用できます。コークス製造では、バイオマスとWPを原料炭ブレンドに添加する試みがなされてきました。代替の炭素含有材料は、塊として負担材料とともに上からBFに投入するか、Cが豊富なプラント内微粉またはバイオマスを羽口からBFに注入することができます。

高炉ガスストーブ内での煙道ガスのリサイクル

「煙道ガスリサイクル」（FGR）として知られる新技術は、熱風ストーブ用に開発中です。この技術には、ストーブを空中燃料から酸素燃焼に変換して、煙道ガスのCO2パーセントを増加させることが含まれます。発生する火炎温度は、ストーブバーナーへの廃ガス再循環によって緩和されます。従来の空気燃料ストーブ操作と煙道ガスリサイクルを採用した強化されたオキシ燃料操作の概略比較を図2に示します。

図2従来の空気燃料ストーブ操作と煙道ガスリサイクルを採用した強化されたオキシ燃料操作の概略比較

ストーブのFGR動作は、燃焼生成物の一定の質量または一定の体積流量に基づくことができます。一定の質量流量により、対流熱伝達が従来の空気燃料操作と比較して変化しないことが保証され、高温の煙道ガスのリサイクルにより、ストーブの燃焼エネルギー要件が削減されます。煙道ガスがリサイクルされるとき、燃焼生成物の密度が増加するため、定体積流量オプションが発生します。このモードでは、熱回収とバーナーガス発生率の増加を組み合わせることができます。これにより、熱風温度が高くなり、BFでのコークスの消費量が少なくなる可能性があります。

C捕捉の可能性を考慮すると、煙道ガスのCO2含有量は、ストーブの従来の加熱方法と比較して本質的に2倍になります。質量で見ると、煙道ガスには0.8トンのCO2 /トンの溶銑（HM）が含まれており、これは現在の特定の排出レベルの3分の1以上です。これを促進するために必要なO2の生成は、空気分離プラントを操作するために消費される電力のために、C捕捉の利点をわずかに減らします。これにより、正味排出削減の可能性が約6％削減されます。

ストーブでの煙道ガスのリサイクルにより、燃焼プロセスでの空気とコークス炉ガスの両方の使用が排除されます。したがって、硫黄酸化物および亜酸化窒素の生成が大幅に減少します。開発中のこの新技術の具体的な目的には、（i）改質煙道ガス中の40％から50％のCO2含有量の確認、（ii）廃熱回収とストーブの熱効率の向上の検証、および（iii）新しい動作条件により、BFに供給される熱風の温度が維持または上昇し、BF動作への悪影響が回避されることを確認します。