JP2022535446A

JP2022535446A - 放出を減らした鋼または溶鉄含有材料を生産する方法及びシステム

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Publication number: JP2022535446A
Application number: JP2021572351A
Authority: JP
Inventors: エスカレニョ，パブロエンリエケドゥアーテ
Original assignee: Tenova SpA
Current assignee: Tenova SpA
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2020-06-01
Publication date: 2022-08-08
Also published as: CN113924372A; IT201900008019A1; US20220235426A1; WO2020245070A1; EP3980566A1

Abstract

本発明は、一般的に直接還元鉄（ＤＲＩ）または海綿鉄としても知られる、事前に還元された鉄鉱石を利用する溶解または製錬炉に鋼または同様な溶鉄含有材料を生産する方法及びシステムに関し、ＣＯ２及び他の温室効果ガスの放出が著しく低い。そのような方法及びシステムは、水素を含む還元ガスによって直接還元炉でＤＲＩを生産し、熱いガスを発生するために溶解炉でＤＲＩの少なくとも一部を溶解し、熱いガスに含まれる熱を用いて蒸気及び／または熱水を生産することに基づく。蒸気及び／または熱水から水素は、電気分解によって生産され、水素の少なくとも一部は、還元ガスの成分として直接還元炉に供給されＤＲＩを生産する。【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に直接還元鉄（ＤＲＩ）または海綿鉄としても知られる、事前に還元された鉄鉱石を利用する溶解または製錬炉に鋼または同様な溶鉄含有材料を生産する方法及びシステムに関し、ＣＯ_２及び他の温室効果ガスの放出が著しく低い。

鋼の生産は、高炉と高炉酸素変換器を備える統合製鋼プラントでエネルギ源として石炭と原料の使用によって、主にＣＯ_２産業排出の重要な割合で貢献する。鋼は、また鉄鉱石の直接還元を含む別のルートによって生産される。

蒸気と電力を生産するために熱いガスから熱回収のための方法とシステムのいくつかの提案が従来技術において発見されたが、本発明は、「グリーン」製鋼のための統合システムを提供し、還元剤は、鉄還元設備の水に変換される水素であり、当該水は、電気分解によって水素を生産するために用いられ、大きな経済利点があるので、ＣＯ_２の消費量を大幅に減少する。そのような統合システムは、本発明の概要である。

出願人は、電気を発生するために金属の溶解プロセスと鉱石の製錬で発生された熱を利用するいくつかの提案の例として、スタットラーらの米国特許第８，５８７，１３８号を発見した。しかしながらスタットラーは、製鋼プロセスのＣＯ_２排出を最小にするために、金属溶解プラントと直接還元プラントの一体化を開示または示唆していない。

製鋼でＣＯ_２放出を減らすいくつかの提案された方法は、電気分解によって水素を生産するために用いられる電気を生産するために例えば太陽、風、及びバイオマスエネルギなど、再生可能エネルギ源の利用に言及するが、これらのシステムは、まだ開発中であり、そのような電気のコストは、他のソースから利用可能なグリッドパワーと比較してまだ高い。

ＥＡＦ（電気アーク炉）製鋼のエネルギロスの約７０％は、エネルギ入力の約１５％が顕熱として失われる排出ガスと関連付けられる。ＥＡＦで実行される溶解及び精錬法の間、放出される未燃焼ＣＯは、排出ガスのための後燃焼チャンバで空気と燃焼される。ＥＡＦ（電気アーク炉）の層エネルギ入力の２５％以上は、回収され利用されることが見積もられる。しかしながら、このＥＡＦ排出ガスの熱回収は、ＥＡＦプロセスがバッチプロセスであるので、ＥＡＦの蒸気システムの厳しい環境とガス発生の不連続によって広く実行されない。

ＥＡＦ（電気アーク炉）排出ガスの熱は、１５から４０ｂａｒの圧力の蒸気システム条件に耐え、２１６℃の高圧蒸気を生産するように設計された高圧管を用いて回収される。熱回収ステップ後の排出ガスの温度は、約６００℃に下がる。蒸気蓄積器を用いて、高圧蒸気の生産は、ＥＡＦ（電気アーク炉）プロセスの循環性と関係なく連続方法で利用される。１４０ｔ／ｈのＥＡＦ（電気アーク炉）から平均２０ｔ／ｈの蒸気生産が、ＴｅｎｏｖａＳ．ｐ．Ａによって実証された。蒸気生産後、蒸気ガスの熱量を用いるために、第２の熱回収段階が追加され、排出ガスの温度は、標準的な廃熱ボイラを用いて約６００℃から約２００℃に下げられる。２つの熱回収段階を利用して、ＥＡＦ排出ガスの総エネルギ量の約７５％から８０％が回収される。この回収エネルギは、約２４０００メガワットアワー（ＭＷｈ／ｙｅａｒ）に達する。

本発明は、さもなければ水素を発生するためにＤＲＩ溶解炉、ＤＲＩ生産プラント及び電気分解ユニットの統合によって廃棄される製鋼プロセスで生産される熱エネルギを利用し、それにより当該ＤＲＩを生産するために炭化水素の使用と、したがって大気へのＣＯ_２放出を減らす。

米国特許第８，５８７，１３８号

本発明は、水素を含む還元ガスで、直接還元炉のＤＲＩを生産するステップを備える二酸化炭素の放出を減少した鋼または溶鉄含有材料を生産する方法であって、溶解炉で当該ＤＲＩの少なくとも一部を溶解し、熱いガスを生成し、当該熱いガスに含まれる熱を用いて、蒸気及び／または熱水を生産する方法を提供する。当該蒸気から電気分解によって水素及び／または熱水が生産され、当該水素の少なくとも一部は、還元ガスの成分として、当該直接還元炉に供給され、当該ＤＲＩ（直接還元鉄）を生産する。

本発明は、また鋼または溶鉄含有材料を生産するシステムを提供し、ＤＲＩ溶解設備からのエネルギを用いて電気分解によって生産されるＤＲＩ生産設備の水素を用いることによってＣＯ_２放出を最小にする。

１つの実施形態において、本発明のシステムは、ＤＲＩを生産するための直接還元炉、熱いガスを発生する当該ＤＲＩを溶解するためのＤＲＩ溶解炉（ＥＡＦ）、当該熱いガスに含まれる熱を用いて蒸気及び／または熱水を生産するための熱回収ユニット、及び当該蒸気及び／または熱水から水素を生産するための電気分解ユニットを備え、水素は、当該直接還元炉に供給されてＤＲＩを生産する。

１つの実施形態において、本発明のシステムは、さらに熱回収ユニットからの蒸気を利用して電気エネルギを生産するための発電機を備え、電気は、水素を生産するために当該電気分解ユニットで用いられる。

ＤＲＩを生産するための直接還元プラント、高温のガスを発生するＤＲＩ溶解炉、蒸気が当該直接還元プラントで利用された水素を生産するために電気分解ユニットで用いられる電気を発生するために生産される熱回収ユニットを備える鋼を生産するシステムを示す。図１の製鋼システムの１つの実施形態を示し、製鋼システムの主構成要素のいくつかのさらなる詳細を有する。

図１を参照すると、符号１０は、一般的に直接還元設備１２を備えるＣＯ_２放出を減少する製鋼システムを指定し、酸化鉄１４は、例えば水素１６など還元剤によって固体形態で化学的に還元され、金属鉄を含む固体形態の直接還元鉄（ＤＲＩ）１８に変えられる。ＤＲＩ１８は、さらに、通常冶金処理のために電気アーク炉（ＥＡＦ）及び取鍋炉を備える溶解工場２０で単独または鋼くずと混合されて処理され、鋼２２または例えば銑鉄または合金鉄などの他の溶鉄含有製品を生産する。溶解工場２０のＥＡＦは、１０００℃から１４００℃のオーダの高温の重要な量のガス２４を生産する。これらの熱いガス２４の熱は、適切な熱交換器によって熱回収ユニット２６に回収されて蒸気２８を生産する及び／または水供給装置３０及び冷たい送気管ガス３２からの約１００℃以下の温度の熱い液体の水は、適切に大気に放出される前に技術分野で既知の方法で処理される。

熱いガス２４の熱を利用して生産された蒸気２８及び熱い液体の水は、水が水素蒸気１６と酸素蒸気３６に分割される電気分解ユニット３４に供給される。水素蒸気１６は、直接還元設備１２に供給されて酸化鉄を有する材料１４からＤＲＩ１８を生産する。酸化鉄１４は、水素１６によって金属鉄（ＤＲＩ）１８に化学的に還元され、それにより水３８は、反応：Ｆｅ_ｘＯ_ｙ＋ｙＨ_２→ｘＦｅ＋ｙＨ_２Ｏによって生産される。酸素３６は、直接還元プラント１２及び／またはＤＲＩ溶解炉２０で及び製鋼システム１０の多くの他の目的で用いられる。

本発明に従う製鋼システムにおいて、酸化鉄と水素の還元反応によって生産された水３８は、浄化され、適切に取り扱われ、加熱され及び酸化鉄の還元のために再利用される水素１６に再び分割される蒸気２８に変換され、そのため水素リサイクルループを形成する。熱回収ユニット２６及び電気分解ユニット３４を備える直接還元プラント１２のこの相乗効果は、製鋼プロセスの炭素消費を著しく減らす。

本発明の別の実施形態において、熱回収ユニット２６で生産された蒸気４０の全てまたは一部は、発電機４４で電気４２を発生するために用いられ、その電気は、その後、他の電気源４３と一緒にまたは他の電気源４３の代わりに電気分解ユニット３４で用いられる。電気の発生後、凝縮された水４５は、また水素発生のために電気分解ユニット３４で利用される。

図２を参照すると、直接還元プラント１２は、還元領域５２とＤＲＩ１８が、例えばロータリスターフィーダ、バイブレーションフィーダ、スクリュフィーダなど、適切な排出機構５６によって調整された速度で排出される低排出領域５４を有する直接還元シャフト炉５０を備える。ペレット、塊またはその混合物１４の形態の酸化鉄は、還元炉５０に供給され、還元領域５２を通って重力で下降し、還元領域においてＤＲＩ含有金属鉄が約８００℃から約１０５０℃の範囲の高温で、主に水素１６からなり、また例えば天然ガスまたは石炭から得られる合成ガスなど炭化水素が還元ガス６のソースとして用いられるそれらの実施形態において、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、窒素を含む、還元ガス流６と当該酸化鉄の反応によって形成される。

排出還元ガスの流れは、還元反応の化学平衡及び反応速度論の制限によって非反応水素を含む上部ガス５８、当該還元反応の副生成物として生産される水、いくつかの実施形態において、また例えば天然ガスまたは石炭から得られる合成ガスなどの炭化水素は、直接還元炉５０の還元ガス６のソースとして用いられる場合において、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン及び窒素として、当該還元炉５０から引き出される。上部ガス５８は、約３００℃から４５０℃の範囲の温度で直接還元炉５０から出て、適切な流体６２、例えば水などが加熱される熱交換器６０を通り、蒸気６４を生産する。蒸気６４は、任意のＣＯ_２除去ユニットで利用されるまたは電気分解ユニット３４の水素を生産するために利用される、または代わりに上部ガス５８の熱は、還元炉に供給される還元ガス流６を予熱するために利用される。

導管１５８を通って熱交換器６０を出た後の上部ガス５８は、浄化され、水によってガス冷却器６６で冷却される。上部ガス５８に含まれる水蒸気は、水の流れ６８として冷却器６６で凝縮され、技術分野で既知の方法で適切な処理の後、導管１６８を通って電気分解ユニット３４に供給される。

図２で追加された清浄な冷却された上部ガス７０の一部は、ガス流７２として還元システムから引き抜かれ、該当する場合、還元ガスリサイクルの不活性ガスの蓄積を防ぐ。弁７４は、還元プラント１２から除去された上部ガスの量を調整する及びまた還元プラント１２の動作圧力を調整するために用いられる。清浄な上部ガス７０の大部分７６は、還元炉５０に当該上部ガス７０を再利用するためにその圧力を上昇するコンプレッサ７８を通って再利用される。

主に水素からなる再利用ガス流８０は、酸化鉄との還元反応が、還元炉５０の内部で起こるように、その後ガスヒータ８５を通ってその温度を約８００℃から約１０００℃の範囲に上げる。

任意に、作り上げた炭化水素ガス８２の流れは、適切なソース８４から再利用ガス流８０に追加され、還元炉５０に供給される還元ガス６の一部を形成する水素と一酸化炭素を発生する。

１つの実施形態において、例えば天然ガスなどの炭化水素ガス８２は、触媒式改質装置８５で再利用ガス流８０に含まれる水と二酸化炭素との反応によって水素と一酸化炭素に変えられ、そのため還元ガス流６を形成する。

さらなる実施形態において、水素と一酸化炭素への炭化水素ガス８２の改質は、還元反応と共に還元炉５０で行われ、そのような場合において、再利用ガス８０と作り上げた水素ガス８２の組み合わされた流れ８６は、当該ユニット８５が改質装置である場合と比較して触媒なく加熱ユニット８５で加熱される。

炭化水素ガス８２がまた還元ガス６のソースとして利用される本発明の実施形態において、再利用ガス流８０は、ＣＯ_２除去ユニット８８で処理され、酸化鉄と一酸化炭素の還元反応の副生成物として生産されたＣＯ_２８９を分離する。ＣＯ_２除去ユニットは、ＣＯ_２が、例えばアミンや炭酸カリウムの溶液などの溶媒の作用によって選択的に除去されるタイプまたはＣＯ_２がＰＳＡ（圧力スイング吸着）、ＶＰＳＡ（真空圧力スイング吸着）またはガスメンブレンユニットの物理吸着によって分離されるタイプである。

任意に、作り上げた炭化水素ガス８２は、コークス炉ガス、天然ガス、バイオマスからの合成ガス、その他のメタン含有及び／またはＨ_２またはＣＯ含有ガスである。

任意に、ＤＲＩの炭素量は、炭化水素ガス、コークス炉ガス、天然ガス、バイオマスからの合成ガス、またはその混合物、または他のメタン含有及び／またはＣＯ含有合成ガス、またはその他のＤＲＩに炭素を堆積させる炭素含有ガスである、適切なソース４８から浸炭ガス４６を吹き込むことによって約０．５％から約６％、好ましくは約２．５％から３．５％の広範囲で溶解炉９０でその更なる処理のために調整される。

１つの実施形態において、ＤＲＩは、技術分野で知られた方法で還元炉５０の下部５４の冷却ガスを循環することによって、還元炉５０から冷却して排出される。この場合において、ＤＲＩの炭素量は、炭化水素ガス、コークス炉ガス、天然ガス、バイオマスからの合成ガス、またはその混合物、または他のメタン含有及び／またはＣＯ含有合成ガス、またはその他のＤＲＩに炭素を堆積させる炭素含有ガスであるＤＲＩ浸炭ガスを、冷却ガスを用いることによってもたらされる。

通常、ＤＲＩは、約３００℃から約７５０℃、好ましくは約６００℃から約７００℃の範囲の高温で当該還元炉５０から排出され、電極９２とＤＲＩ及び任意に鋼くずの装入、融解、精錬の間、生産される熱いガスを集めるためのガス抽出ダクト９４を有する溶解炉９０、通常電気アーク炉に熱して装入される。これらの熱いガスは、１０００℃から１４００℃の範囲の高温で電気アーク炉９０から出る。

ダクト９４を通る溶解炉９０から引き出される熱いガス２４に含まれる熱は、水９８が適切なソース１００から供給される熱交換器９６の蒸気１０８を生産するために利用される。蒸気ドラム１０２は、蒸気を集め、水が１またはいくつかのポンピングユニット１０４及びパイプ１０６，１０８及び１１０によって循環される熱回収ループの一部を形成する。

任意に、熱水は、またパイプ１１２及びポンピングユニット１１４を通って蒸気ドラム１０２から引き出され、電気分解ユニット３４に供給される。

電気分解ユニット３４に集められた水は、上記説明された代替の実施形態による、符号８５で示されるガスヒータまたは触媒式改質装置に入る、組み合わされた流れ８６の再循環ガス流８０及び炭化水素ガス８２と混合した後、直接還元炉５０にパイプ１１６を通って供給される水素１６を生産するために用いられる。

別の実施形態において、蒸気ドラム１０２から引き抜かれた蒸気４０のエネルギは、発電機１２０を駆動し、水素１６の発生のために電気分解ユニット３４で用いられる電気１２２を生産するためにタービン１１８に供給される。

任意に、タービン１１８から出る熱水は、技術分野で知られた方法で適切な処理の後、導管１６８を通って電気分解ユニット３４に供給される。

電気分解ユニット３４において、酸素１２４の流れは、作り出され、任意にパイプ１２６を通ってパイプ１１６に還元ガスを供給する部分燃焼によって還元ガス６の温度を上げるため、または電気アーク炉９０で実行されるＤＲＩ溶解または精錬プロセスにおいて、またはさもなければ直接還元プラント１２または溶解炉設備２０において、用いられる。

電気分解ユニット３４は、産業使用のために利用可能な任意のタイプであり、また水が水素と酸素に分解され、ＣＯ_２が、また一酸化炭素と酸素に分離される両方の共電気分解ユニットである。発電機１２０によって生産された電気１２２は他の利用可能な電気源４３と一緒にまたは他の利用可能な電気源４３の代わりに電気分解ユニット３４で用いられる。

別の実施形態において、本発明のシステムは、高分子電解質膜電気分解機（ＰＥＭ）または水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムの液体アルカリ溶液が電解質として用いられるアルカリ電気分解機、または高温で選択的に負に荷電した酸素イオンを伝導する電解質として固体セラミック材料を用いる固体酸化物電気分解機（ＳＯＥ）を備える。

本発明は、したがって現在用いられている製鋼システムよりＣＯ_２放出が低い直接還元プラント１２、ＤＲＩ溶解炉２０、熱回収ユニット２６、蒸気タービン発電機４４及び電気分解ユニット３４を統合することによって鋼または溶鉄含有材料を生産するための相乗効果のあるシステムを提供する。

もちろん、本発明の上記記載は、説明の目的のために記載され、本発明の範囲は、本明細書に記載された実施形態に制限されず、添付された特許請求の範囲によって定義され、多くの変更及び改良は、これらの請求項の範囲によって含まれる本発明の実施形態になされることが理解されるべきである。

Claims

水素（１６）を含む還元ガス（６）で、直接還元炉（１２，５０）のＤＲＩ（１８）を生産するステップを備える二酸化炭素の放出を減少した鋼または溶鉄含有材料（２２）を生産する方法であって、
溶解炉（２０）で前記ＤＲＩの少なくとも一部を溶解し、熱いガス（２４）を生成し、
前記熱いガス（２４）に含まれる熱を用いて、蒸気及び／または熱水（２８，４０）を生産し、
電気分解によって前記蒸気及び／または熱水（２８，４０）から水素（１６）を生産し、
前記還元ガス（６）の成分として、前記直接還元炉（１２，５０）に前記水素（１６）の少なくとも一部を供給し、前記ＤＲＩ（１８）を生産する、鋼または溶鉄含有材料（２２）を生産する方法。
さらに、前記蒸気（４０）を利用して電気エネルギ（４２）を発生し、
前記電気エネルギ（４２）を用いて電気分解によって前記水素（１６）を生産する、請求項１に記載の鋼または溶鉄含有材料（２２）を生産する方法。
前記溶解炉（２０）は、電気アーク炉（ＥＡＦ）である、請求項１に記載の鋼または溶鉄含有材料（２２）を生産する方法。
さらに、電気分解によって酸素（３６，１２４）を生産し、前記酸素（３６，１２４）の少なくとも一部を用いて還元反応器（１２，５０）に還元ガス（６）を供給する前に、還元ガス（６）の温度を上げる、請求項１に記載の鋼または溶鉄含有材料（２２）を生産する方法。
さらに、電気分解によって酸素（３６，１２４）を生産し、前記電気アーク炉（２０）に前記酸素の一部を用い、前記鋼または溶鉄含有材料（２２）を生産する、鋼または溶鉄含有材料（２２）を生産する方法。
さらに、上部ガス（５８）として前記直接還元炉から引き出された排出還元ガス流に含まれる凝縮した水蒸気から電気分解によって水素を生産するために用いられる水の少なくとも一部を得る、請求項１に記載の鋼または溶鉄含有材料（２２）を生産する方法。
二酸化炭素の放出を減少した鋼または溶鉄含有材料（２２）を生産するシステム（１０）であって、
水素（１６）を含む還元ガス（６）でＤＲＩ（１８）を生産するための直接還元炉（１２，５０）と、
熱いガス（２４）を発生する前記ＤＲＩ（１８）を溶解するためのＤＲＩ溶解炉（２０）と、
前記熱いガス（２４）に含まれる熱を用いて蒸気及び／または熱水（２８，４０）を生産するための熱回収ユニット（２６）と、
前記蒸気及び／または熱水（２８）から水素（１６）を生産するための電気分解ユニット（３４）と、を備え、
水素（１６）は、前記還元ガス（６）の成分として前記直接還元炉（１２，５０）に供給され、ＤＲＩ（１８）を生産する、鋼または溶鉄含有材料（２２）を生産するシステム（１０）。
さらに前記熱回収ユニット（２６）からの蒸気（４０）を利用して電気エネルギ（４２）を生産する発電機（４４）を備え、
前記電気は、前記電気分解ユニット（３４）で用いられ、水素（１６）を生産する、請求項７に記載の鋼または溶鉄含有材料（２２）を生産するシステム（１０）。
前記ＤＲＩ（１８）は、電気アーク炉（２０）で溶解され、高温ガス（２４）を発生し、
さらに、前記電気アーク炉から流出する前記高温ガス（２４）から熱を用いて水蒸気または熱水（２８，４０）を生産するための第１の熱交換ユニット（２６）と、
さらに、前記水蒸気または熱水（２８）から水素（１６）を生産する電気分解ユニット（３４）と、
前記水素（１６）の少なくとも一部を供給し前記ＤＲＩを生産するために前記電気分解ユニット（３４）と前記直接還元炉（１２，５０）を接続する第１の導管（１１６）と、
前記ＤＲＩ（１８）溶解し、前記鋼または溶鉄含有材料（２２）を生産するための電気アーク炉（２０，９０）と、を備える請求項７に記載の鋼または溶鉄含有材料（２２）を生産するシステム（１０）。
さらに、前記蒸気（４０）を用いて電気エネルギ（４２）を生産する発電機（４４）と、
電気分解によって前記水素（１６）を生産するために前記発電機（４４）と前記電気分解ユニット（３４）を接続する導電手段と、を備える請求項７に記載の鋼または溶鉄含有材料（２２）を生産するシステム（１０）。
さらに、前記電気分解ユニット（３４）で電気分解によって生産された酸素（３６，１２４）の少なくとも一部を供給して、前記直接還元炉（１２，５０）に供給される前に還元ガス（６）の温度を上げるために前記電気分解ユニット（３４）と前記第１の導管手段（１１６）を接続する第２の導管（１２６）を備える、請求項９に記載の鋼または溶鉄含有材料（２２）を生産するシステム（１０）。
さらに、酸化鉄の金属鉄への還元によって形成される水を含む上部ガス（５８）として前記直接還元炉（１２，５０）から引き出された排出還元ガスの少なくとも一部を冷却するために、前記直接還元炉（１２，５０）に接続されたガス冷却器（６６）と、
前記直接還元炉と前記ガス冷却器を接続する第４の導管（１５８）と、
前記ガス冷却器と前記電気分解ユニット（３４）を接続する第５の導管（１６８）と、を備える請求項９に記載の鋼または溶鉄含有材料（２２）を生産するシステム（１０）。
さらに、前記電気分解ユニット（３４）に用いられる前に前記凝縮した水（６８）を浄化及び調整するための水処理ユニットを備える、請求項１２に記載の鋼または溶鉄含有材料（２２）を生産するシステム（１０）。