JP2023013386A - 製鉄装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素の発生を抑制した、電気炉を用いた製鉄装置を提供する。【解決手段】電気炉１０及びその前段の予備還元炉１１で使用する還元剤を再生可能エネルギー由来のバイオマスとして、バイオマスを電気炉に投入して加熱して、精製された還元性のガスで予備還元炉を稼動させる。予備還元炉から排出されるガスは水素にシフト反応で変換して燃料電池１８で電力に変換して電気炉を運転する。【選択図】図１

Description

本発明は、製鉄装置に関し、詳しくは二酸化炭素の発生を抑制した電気炉を用いた製鉄装置に関する。

近年、地球の温暖化につながる温室効果ガスの排出をゼロにすることを目指し、「脱炭素社会」の実現が社会上の問題として取り上げられている。一方、多くの製鉄所において鉄の生産過程で二酸化炭素（ＣＯ_２）が副産物として生じることが問題視されている。

従来の製鉄技術として高炉を取り上げて、二酸化炭素（ＣＯ_２）の発生について説明する。
高炉を持つ一貫製鉄所では、コークスと鉄鉱石を高炉上部から入れ、下部から熱風を吹き込むと、熱風でコークスが燃焼して還元ガスが発生する。この還元ガスが炉内を吹き昇り、鉄鉱石中の酸素を奪い取り鉄が精製される。還元ガスに含まれる一酸化炭素と、鉄鉱石に含まれていた酸素が結びつき二酸化炭素（ＣＯ_２）が発生する。鉄の原料である鉄鉱石が、酸素と結びついた酸化鉄として存在するため、鉄鉱石から鉄を生み出すために、鉄鉱石中の酸素を除去するときに二酸化炭素（ＣＯ_２）が発生する。

特許文献１には、予備還元炉内に分散板を有する流動層式の予備還元設備において、分散板内部に冷却流体が流通可能な流路を設けるとともに、予備還元炉からの排ガス導管の途中に除塵機を設け、当該除塵機で捕集された粒子を予備還元炉と溶融還元炉に対し任意に送給可能な配管系を設けることにより鉄鉱石の還元率を制御することができる溶融還元製鉄用の予備還元設備が開示されている。

特許文献２には、アイアンカーバイドを溶融炉で溶融して銑鉄を製造するに際し、前処理として、アイアンカーバイドを５００～１０００℃に加熱して水蒸気と接触させ、水素及び一酸化炭素を含む還元性ガスを発生させるとともに、アイアンカーバイドの少なくとも一部を鉄に転換し、前記還元性ガスによって別途供給する鉄鉱石を還元してその少なくとも一部を鉄に転換し、生成した鉄を未反応のアイアンカーバイド及び鉄鉱石とともに溶融炉に供給してより多くの銑鉄を製造する技術が開示されている。

特許文献３には、スクラップを溶解するための電気炉を備えた製鉄所において、内部要因として、粗鋼生産量、ＣＯ_２発生量、前記発電設備による発電量、前記製鉄所で使用する電力量を入力し、外部要因として、スクラップの購入量、電力の購入量、還元材の購入量を入力して、製鉄所内の余裕電力量を算定し、余裕電力量を用いて「出力」として高炉の還元材比等を決定する還元材比の最適制御方法が示されていて、これにより、製鉄所全体でのエネルギーバランスを考慮して、二酸化炭素ガス排出量を設定することができる、還元材比の制御方法が記載されている。

特開平４－３２５６１２号公報 特開２００４－１９００７７号公報 特開２００９－１７４０３０号公報

現状の一環製鉄には石炭の使用が必要であり、石炭を使用する限り製鉄過程において二酸化炭素の発生は避けられない。脱炭素社会を目指す今日の社会的趨勢に反することとなる。

鉄の製造に高炉を使用せずに電気炉を使用すれば二酸化炭素の発生を抑制することが可能になる。しかし、電気炉で使用する電力を天然ガス等の化石燃料を使用すれば間接的に二酸化炭素が発生することになる。電気炉に使用する電力を再生可能エネルギー由来にしないと二酸化炭素の排出を止めることができない。

太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギー由来の電力は、その性質上、日照や風力等の気象条件に左右されるという意味で制約がある。必ずしも使い勝手の良い電力とはいえない。

前記した「脱炭素社会の実現」を目指すために、本発明に係る製鉄装置は、燃料電池からの電力により運転される電気炉を備え、前記電気炉に供給されるバイオマスを還元剤とし、前記バイオマスの生成ガスを由来とする水素ガスが前記燃料電池に供給され前記電気炉の電源となる。

この構成において、電気炉を加熱する電気ヒーターの電力を燃料電池からの電力を用いて賄う。

本発明に係る製鉄装置は、前記バイオマスを熱分解することにより固形炭素および前記生成ガスが得られ、当該加熱手段が前記バイオマスの燃焼に寄らない。この構成において、バイオマスの加熱はバイオマスの燃焼の熱によるものでなく、電気炉を加熱する電気ヒータによる熱で熱分解を受けて、固形分の炭素と気体である生成ガスを生成する。

本発明に係る製鉄装置は、前記水素ガスが前記バイオマスの生成ガスのシフト反応により得られる。また、本発明に係る製鉄装置は、鉄鉱石が予備還元炉を介して前記電気炉に供給され、前記生成ガスが前記予備還元炉に流れるようになっている。

本発明に係る製鉄装置は、前記生成ガスが前記鉄鉱石の予備還元に利用される。また、本発明に係る製鉄装置は、前記鉄鉱石が前記電気炉において前記バイオマスを還元剤として直接還元により銑鉄を製造する。

本発明に係る製鉄装置は、予備還元炉発生ガスがシフト反応器により前記水素ガスを生成する。また、本発明に係る製鉄装置は、前記還元剤がプラスチックを含んでいる。

バイオマスは再生可能な生物由来の有機性資源で化石資源を除いたものと定義される。バイオマスはその成長過程で光合成により大気中から吸収した二酸化炭素に由来する。そのため、バイオマスを利用しても地球全体としてみれば、大気中の二酸化炭素を増加させないと考えることができる。

本発明に使用される電気炉は、バイオマスの固形炭素を還元剤として利用して鉄鉱石を溶融還元して銑鉄を製造する。銑鉄は電気炉の下部に溜まり、銑鉄の上部にスラグが溜まる。電気炉に投入されたバイオマスは、電気炉の上部空間で加熱分解されて、固形炭素と生成ガスを生成する。

本発明によれば、バイオマスを部分燃焼させることなく加熱してガス化する。そして、その生成ガスを精製して燃料電池の燃料として用い、燃料電池で発電した電力で電気炉を運転する。このプロセスには燃焼過程が存在しないので二酸化炭素が発生することがない。

バイオマス自体が大気中の二酸化炭素を増加させない再生可能エネルギー源であるので、バイオマスを還元剤として用いて電気炉を運転して製鉄装置を運転しても、実質的に二酸化炭素の増加につながらないと考えることができる。また、本発明の製鉄装置によれば、副産物として水素ガスと電力を得ることができる。

本発明に係る製鉄装置の全体構成を説明する図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

本発明の製鉄装置１は、主な構成要素として、電気炉１０と、予備還元炉１１と、シフト反応器１５および燃料電池１８とを備えている。電気炉１０は鉄鉱石を直接還元する製鉄装置１の中心的役割を果たす。電気炉１０の下流に位置する予備還元炉１１は原料である鉄鉱石を加熱すると共に一部還元を行う。

予備還元炉１１の下流に位置するシフト反応器１５は、バイオマスから生成したガスから水素ガスを精製する。燃料電池１８はシフト反応で得られた水素ガスを用いて発電し電気炉１０の加熱用電源となる。

従来技術の流動層ガス化炉においては、バイオマスの部分燃焼による熱を利用してバイオマスのガス化を図っている。バイオマスを部分燃焼させれば、その分生成されるガス量が減少するし、二酸化炭素が発生する。

しかし、本願発明においては、電気炉１０には空気が供給されず燃焼過程が存在しないので、二酸化炭素の発生が抑制されるという特徴を有する。更には、バイオマスが燃焼により減量されないので生成されるガスが減少することがなく、水素ガス等の収量に低下を招かない。

本願発明の製鉄装置１によれば、バイオマスのガス化に必要な熱は、燃料電池の発電により得られた電力を利用する。燃料電池の発電で得られた電力を電気炉内に設置した電気ヒーター１９に供給して、電気炉を高温にすることによりバイオマスが加熱分解されガス化される。燃料電池に余剰電力があれば別途利用することができる。

バイオマスは電気炉１０の熱により加熱されることにより熱分解されて、固形分とガス分とに分かれる。前者には固定カーボンである炭素が含まれており、後者には炭化水素およびタール分が含まれている。固形分である炭素とガス分である熱分解ガスに分離され、前者は電気炉において還元剤として使用され、後者は後述する予備還元炉１１に流れる。

バイオマスはバイオマスホッパー３から電気炉１０に供給さる。バイオマスは電気炉１０の熱により加熱されて熱分解を受け、固形分とガス分とに分かれる。バイオマス中に混在した不燃物は電気炉１０の上部に浮揚して集まり、電気炉１０から排出される。

電気炉１０で生成されたガス（電気炉生成ガス２１）には二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素、水素、ダストが含まれており、電気炉上部空間２０を経由してサイクロン式の第１集塵機１３に送られる。４００℃～６５０℃の温度域では、第１集塵機１３としてバグフィルターを用いることができる

第１集塵機１３で除去された灰及びアルカリ金属塩類等の固形分は排出路から系外に排出される。灰分等が除去された電気炉生成ガス２１は、予備還元炉１１の底部から炉内に導かれる。

原料である鉄鉱石は原料ホッパー２から予熱器１２を介して予備還元炉１１に供給される。予熱器１２内の鉄鉱石は、予備還元炉１１からの予備還元炉発生ガス２２により予熱される。予備還元炉１１は流動層の形式を有している。予備還元炉１１で電気炉生成ガス２１に含まれる一酸化炭素により一部還元され鉄鉱石はその下流に位置する電気炉１０に送られる。

予備還元炉１１からの鉄鉱石は電気炉１０において更に加熱され、バイオマスの固形炭素により還元されて電気炉底部に銑鉄として溜まる。鉄鉱石の還元により生じた電気炉生成ガス２１は予備還元炉１１に流れる。

電気炉生成ガス２１は予備還元炉１１で鉄鉱石を加熱して、予備還元炉１１の上部空間から予熱器１２に送られる。予熱器１２で鉄鉱石が予熱される。予熱器１２を出た予備還元炉発生ガス２２は第２集塵機１４に送られる。

予備還元炉発生ガス２２にはダスト等の固形物の他、予備還元炉１１で消費されなかった一酸化炭素および水素ガスの他水蒸気(水)を含み、予備還元炉１１における還元により生じた二酸化炭素および水蒸気を含む。

第２集塵機１４としてはフィルター方式を採用してもよい。フィルター方式は集塵性が高い。バグフィルターを用いてもよく、セラミックフィルターなどをサイクロン式集塵機の下流に用いても良い。

第２集塵機１４で除去された灰及びアルカリ金属塩類等の固形分は排出路から系外に排出される。灰分等のダストが除去された予備還元源炉発生ガス２２は、配管を介してシフト反応器１５に送られる。第２集塵機１４とシフト反応器１５の間に、予備還元炉発生ガス２２に含まれる塩化水素や硫化水素といった腐食性ガスを除去するための腐食性ガス除去装置（図示せず）を設けてもよい。

シフト反応器１５には、予備還元炉発生ガス２２が流通する配管内に反応速度を高めるための触媒、例えばマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）もしくは白金等が充填されている。なお、燃料電池１８で反応（発電）により生じた高温の蒸気は、シフト反応器１５に送られる。高温の蒸気により、シフト反応器１５は、予備還元炉発生ガス中の一酸化炭素と水を反応させて水素ガスを生成して燃料電池１８のアノード（負極）に供給する。シフト反応の反応式を下記に示す。
ＣＯ ＋ Ｈ_２Ｏ → Ｈ_２ ＋ ＣＯ_２

シフト反応器１５で生成された水素ガスを主成分とする燃料ガスは、配管を介して水素分離装置１６に送られる。ここで水素ガスは二酸化炭素ガスや水蒸気と分離されて、水素タンク１７に送られる。二酸化炭素は系外に排出される。

系外に排出された二酸化炭素は、圧縮、液化もしくは固化して地中に保存することができる。これは、地中の帯水層に貯留することで、大気中への二酸化炭素の排出を削減することができる。上部に水やガスを透さない不透水層が存在する帯水層を選んで二酸化炭素を圧入すれば、長期間にわたって安全に貯留できるといわれている。天然ガスや石油は、このような地層構造に長期間蓄えられている。

水素タンク１７に蓄えられた水素ガスを主成分とした燃料ガスは、燃料電池１８のアノードへと送られる。燃料電池１８のカソードへは酸素タンク（図示せず）から酸素ガスが供給される。

通常、燃料電池内部での水素ガスの利用効率は１００％ではないので、燃料電池１８のアノードからの排気には、主成分である水蒸気と多少の未反応の水素ガスを含んでいる。燃料電池１８の排気は水素分離装置１６に流れ、ここで水蒸気は分離されて廃棄され、水素ガスは水素タンク１７に戻され再度燃料電池に供給される。

予備還元炉における反応の分子式は下記の通りとなる。
Ｆｅ_２Ｏ_３ ＋ ２ＣＯ → Ｆｅ_２Ｏ ＋ ２ＣＯ_２ （１）
Ｆｅ_２Ｏ_３ ＋ ２Ｈ_２ → Ｆｅ_２Ｏ ＋ ２Ｈ_２Ｏ （２）
電気炉のおける反応の分子式は下記の通りとなる。
２Ｆｅ_２Ｏ ＋ Ｃ → ４Ｆｅ ＋ ＣＯ_２ （３）
Ｈ_２Ｏ ＋ Ｃ → ＣＯ ＋ Ｈ_２ （４）
予備還元炉および電気炉における反応の分子式を合わせると下記通りとなる。
２Ｆｅ_２Ｏ_３＋５Ｃ → ４Ｆｅ＋２ＣＯ＋２Ｈ_２＋３ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ （５）
これにシフト反応の分子式を加味すると、その分子式は下記の通りとなる。
２Ｆｅ_２Ｏ_３＋５Ｃ＋３Ｈ_２Ｏ → ４Ｆｅ＋５ＣＯ_２＋４Ｈ_２ （６）

本発明の製鉄過程において、電気炉での反応により生じた高温の還元性のガス（電気炉生成ガス）を、予備還元炉における還元反応に有効に利用して、電気炉における還元を２/３とし予備還元炉における還元を１/３として還元過程を分けることにより熱バランス的に消費エネルギーを最小にすることができる。

反応式（１）～（６）を見てもわかるように、本発明に係る製鉄過程の反応において酸化反応がなく燃焼過程が存在しない。プロセスに燃焼過程が関与すれば、エクセルギー損失が発生して、エクセルギー率ΔＧ／ΔＨの低下を招く。しかし、本発明に係る製鉄装置においては燃焼過程がないので、エクセルギー率ΔＧ／ΔＨの値の低下を防ぐことができる。この結果、プロセスの効率は理論効率であるエクセルギー率ΔＧ／ΔＨになる。ここで燃焼とは、部分燃焼を含む広い燃焼過程を意味する

鉄鉱石に２６９ｋｇの炭素と２４１ｋｇの水と１５０ｋＷｈの電力を投入すれば、１ｔｏｎの鉄と３５．８ｋｇ（１２６０ｋＷｈ）の水素と９８６ｋｇの二酸化炭素が生成される。

通常、製鉄過程において石灰石を副原料として加える。副原料ホッパー４から供給される石灰石は、製鉄プロセスにおいて必要不可欠な副原料である。鉄を還元する際には、鉄鉱石に含まれるシリカやアルミナなどの鉄以外の成分を取り除く必要がある。石灰石を加えることによりそれらの成分と溶融し融点が下がるため、鉄と分離・回収しやすくなり、この回収物が鉄鋼スラグとなる。鉄鋼スラグは、電気炉で鉄鉱石を溶融・還元する際に発生するスラグは、鉄鉱石に含まれるシリカなどの鉄以外の成分や還元材として使われるバイオマスの灰分が、副原料の石灰石と結合したものである。

以上、本発明の製鉄装置によれば再生可能なエネルギーのみで製鉄することができる。更に、副産物として水素ガスと電気が生産される。

本発明に係る製鉄装置は、製鉄装置として好適に用いることができる。また、製鉄装置としても好適に用いることができる。

１ 製鉄装置
２ 原料ホッパー
３ バイオマスホッパー
４ 副原料ホッパー
１０ 電気炉
１１ 予備還元炉
１２ 予熱装置
１３ 第１集塵機
１４ 第２集塵機
１５ シフト反応器
１６ 水素分離装置
１７ 水素タンク
１８ 燃料電池
１９ 電気ヒーター
２０ 電気炉上部空間
２１ 電気炉生成ガス
２２ 予備還元炉発生ガス

Claims (8)

1. 燃料電池からの電力により運転される電気炉を備え、前記電気炉に供給されるバイオマスを還元剤とし、前記バイオマスの生成ガスを由来とする水素ガスが前記燃料電池に供給され前記電気炉の電源となる製鉄装置。
2. 前記バイオマスを熱分解することにより固形炭素および前記生成ガスが得られ、当該加熱手段が前記バイオマスの燃焼に寄らない請求項１に記載の製鉄装置。
3. 前記水素ガスが前記バイオマスの生成ガスのシフト反応により得られる請求項１又は２に記載の製鉄装置。
4. 鉄鉱石が予備還元炉を介して前記電気炉に供給され、前記生成ガスが前記予備還元炉に流れる請求項１～３のいずれか一項に記載の製鉄装置。
5. 前記生成ガスが前記鉄鉱石の予備還元に利用される請求項４に記載の製鉄装置。
6. 前記鉄鉱石が前記電気炉において前記バイオマスを還元剤として直接還元により銑鉄を製造する請求項１～５のいずれか一項に記載の製鉄装置。
7. 予備還元炉発生ガスがシフト反応器により前記水素ガスを生成する請求項３に記載の製鉄装置。
8. 前記還元剤がプラスチックを含む請求項１に記載の製鉄装置。
   
   
   
   

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