JP5593883B2 - 炭酸ガス排出量の削減方法 - Google Patents

Description

本発明は炭素含有燃料や炭素含有還元材を吹き込み使用する設備で用いる、炭酸ガス排出量の削減方法に関する。

近年、炭酸ガス排出量の増加による地球温暖化が問題となっており、製鉄業においても排出ＣＯ₂の抑制は重要な課題である。

従来、製鉄業では鉄鉱石を、炭素を還元材として鉄に還元し、鉄鋼製品を製造している。わが国の製鉄業においては、鉄鉱石は主に豪州、ブラジルより海上輸送により輸入し、鉄鉱石還元材としてコークス用の原料炭（強粘結炭）、補助還元剤として羽口吹込み用一般炭も海上輸送で輸入している。原料炭はコークス炉にて約１０００℃で乾留し、コークスとし、一般炭は粉砕処理を行い微粉炭として利用している。以上のように、日本の鉄鋼業は海外より製鉄原料資源を輸入し、鉄鋼製品を生産しているのが現状である。

このような環境にある国内製鉄業は省エネルギー、省資源などの技術開発により積極的にＣＯ₂削減に取り組んでいる。特に、最近の高炉操業では低還元材比操業においてＣＯ₂排出量を削減する方法が強力に推進されている。高炉は主にコークスおよび微粉炭を還元材として使用しており、低還元材比、ひいては炭酸ガス排出抑制を達成するためにはコークス等を廃プラスチック、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas：液化天然ガス）、重油等の水素含有率の高い還元材で置換する方策が有効である。炭素の代わりに水素を還元材として利用することにより、発生するＣＯ₂を大幅に削減することが可能と考えられている。水素含有率の高い還元材を高炉で用いる技術として、高炉にＬＮＧを羽口より吹き込み、製銑工程で排出される炭酸ガスを低減させる低炭酸ガス排出製鉄法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。

また、水素ガスを補助還元材として利用する方法も知られている（例えば、特許文献３参照。）

特開平０３−２４０９０６号公報 特開２００６−２４１５８６号公報 特開２００８−０８２５１６号公報 特開２０１０−０４７８１２号公報

日本エネルギー学会誌 ２００９年、第８８巻第５号、ｐ．３９１ 日本エネルギー学会誌 ２００９年、第８８巻第５号、ｐ．３８５ 尚、特許文献４、非特許文献１、２については、下記の発明を実施するための形態で参照する。

上記のように、海外より石炭（原料炭、一般炭）を国内に海上輸送し、コークス炉等で事前処理後、鉄鉱石の還元材として使用し、鉄鋼製品を製造する、従来技術のままでは炭酸ガスの多量発生は避けることができない。また、石炭等資源の有限性を考慮すると、炭酸ガス排出量を大幅に削減可能な、従来方法によらない新たな鉄鉱石還元方法が必要である。

そこで上記のように、水素含有率の高い還元材を高炉の羽口から補助還元材として吹き込むことで、コークス、微粉炭等の炭素系還元材を削減し、排出ＣＯ₂を抑制することが可能となるが、例えばＬＮＧの主成分はメタン（ＣＨ₄）であり、ＣＨ₄由来の炭素も還元材として利用されることから、大幅な炭酸ガス削減量は期待できない。これに対して、水素ガス単体を補助還元材として用いれば、炭酸ガス削減量を大幅に増やすことができることになる。

しかし、水素は輸送が困難であるという問題がある。気体還元材として用いるものであっても、気体の状態での輸送は体積が大きく効率的でないため、ＬＮＧのように液体の状態で輸送することが望ましいが、このためには低温の貯蔵タンクが必要となる。ＬＮＧの場合、主成分のＣＨ₄の沸点が−１６２℃であるのに対し、水素の沸点は−２５３℃であるため、水素の輸送には極低温の貯蔵タンクが必要となり、このようなタンクを用いてトラック等で輸送を行なうことは非常にコスト高であり現実的でない。したがって、水素ガスの利用は、製鉄所内に水素ガスの発生設備があるような、限られた場合にのみ有効な手段であり、炭素を含まない補助還元材を高炉の羽口から大量に吹き込み、排出ＣＯ₂を抑制することは現状では困難である。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、高炉操業のような、炭素含有還元材及び／又は炭素含有燃料を吹き込み使用する設備において、還元材や燃料の輸送コストを大幅に増加させること無く、従来以上に炭酸ガスの削減効果の大きい、炭酸ガス排出量の削減方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明では極低温で液化させる必要がないため輸送が容易であり、炭素を含有しないアンモニア（ＮＨ₃）を還元材または燃料として用いることに想到し、本発明を完成した。アンモニアは沸点が−３３℃であるため水素に比較して安価な設備を用いた簡単な方法で液化することができ、ＬＮＧに比較しても液化が容易である。したがって液化したアンモニアも、輸送に用いる設備が安価となり、貯蔵の際の設備も低コストで建設することができる。またＨ₂に比較して、単位体積あたりの水素含有率が高いという特徴もある。

本発明はこのような知見に基づきなされたもので、その特徴は以下の通りである。
（１）水素ガスを原料としてアンモニアを製造し、
該製造したアンモニアを冷却して液体アンモニアとし、
該液体アンモニアを、炭素含有還元材及び／又は炭素含有燃料を吹き込み使用する設備まで輸送し、
前記炭素含有還元材及び／又は前記炭素含有燃料の少なくとも一部の代替として前記液体アンモニアを気化して前記設備に吹き込むことを特徴とする炭酸ガス排出量の削減方法。
（２）水素ガスが自然エネルギーを利用して製造されたものであることを特徴とする（１）に記載の炭酸ガス排出量の削減方法。
（３）水素ガスが太陽エネルギーを用いた水の電気分解により製造されたものであることを特徴とする（２）に記載の炭酸ガス排出量の削減方法。
（４）液体アンモニアを鉄鉱石還元材の代替として鉄鉱石還元プロセスで用いることを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の炭酸ガス排出量の削減方法。

本発明によれば、炭素を含有する還元材や燃料を用いる設備において、還元材や燃料としてアンモニアを用いることで、還元材や燃料の輸送コストを大幅に増加させること無く、炭素を含有する還元材や燃料を用いる場合に比較して、排出ＣＯ₂量を大幅に削減することが可能となる。

アンモニア原料としてカーボンフリーのクリーンな水素を用いる場合には、地球全体としての排出ＣＯ₂量削減に一層貢献できる。

本発明の一実施形態を示すフロー図。 アンモニア電解合成法の説明図。

本発明では、まず、液化が困難である水素ガス（Ｈ₂）を原料としてアンモニア（ＮＨ₃）を製造し、製造したアンモニアを冷却して液体アンモニアとする。アンモニアは沸点が−３３℃であるため、沸点以下に冷却することが比較的容易である。水素の製造は、例えばアルカリ水電解や、水蒸気電解等により行なうことができる。水素からアンモニアを製造するには、通常のアンモニア合成法を用いればよい。具体的なアンモニア合成は、例えば二重促進鉄触媒（Ｆｅ−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｋ₂Ｏ）を用いて、圧力３．４〜１４．７ＭＰａ、温度：４００〜４７０℃で行えばよい。また、図２に示すような電解合成法によりアンモニアを合成してもよい。図２において、１１は電源、１２は陽極、１３は陰極、１４は溶融塩化物（電解質）であり、電解質にプロトン伝導性固体電解質（例えば、ＳｒＣｅ_0.95Ｙｂ_0.05Ｏ₃）を用い、常圧、８５０ＫでＮＨ₃を合成できる。

アンモニアの液化は冷却して、液化しても良い。または、アンモニアは２０℃、０．８５７ＭＰａ（８．４６気圧）に加圧することで液化する。したがって、加圧することで液体アンモニアを製造することが可能である。

この液体アンモニアを、炭素含有還元材及び／又は炭素含有燃料を吹き込み使用する設備まで輸送する。液体であれば、気体の状態に比較して単位体積あたりの輸送質量を大幅に増加させることが可能となる。輸送に用いる輸送手段には、車両、船舶等を用いることができる。

本発明の炭酸ガス排出量の削減方法では、水素をアンモニアに変換することで輸送が容易となるために、遠隔地の水素ガスであっても、例えば外国で製造された水素ガスであっても日本国内でアンモニアとして大量に使用することが可能となる。

輸送された液体アンモニアを気化して、炭素含有還元材及び／又は炭素含有燃料を吹き込み使用する設備で、炭素含有還元材及び／又は炭素含有燃料の少なくとも一部の代替として吹き込み使用する。炭素含有還元材及び／又は炭素含有燃料を吹き込み使用する設備とは、例えば微粉炭や廃プラスチックのような炭素を含有する固体やＬＮＧ等の炭素含有ガスを還元材として吹き込む高炉等の竪型炉や、ＬＮＧや重油等の炭素含有燃料を燃焼する設備であり、このような設備で炭素含有還元材及び／又は炭素含有燃料の少なくとも一部の代替としてアンモニアガスを用いることで、炭素の使用を削減して、炭酸ガス排出量を削減できる。

アンモニアの原料である水素ガスは、自然エネルギーを利用して製造されたものであることが好ましい。太陽エネルギー、水力、風力などの自然エネルギ−を利用して、水電気分解により水素を製造することができる。あるいは原子力エネルギーを利用して水電気分解により水素を製造することもできる。太陽エネルギーを用いて水を原料として電気分解して製造された水素ガスを用いることが特に好ましい。自然エネルギーを利用して製造された水素を用いることが好ましいのは、製造過程で炭素が発生するような方法で製造された水素を用いると、実質的には排出ＣＯ₂量削減とならないような場合があるので、炭素に由来しない、カーボンフリーのクリーンな水素を用いて本発明方法を実施することが望ましいためである。太陽エネルギーの利用が効果的な地域、例えば砂漠地帯などで水素を製造することで、低コストで大量に水素を製造することが可能となる。太陽エネルギーは電力等に変換した形で水素ガスの製造に利用することができる。また、太陽熱を集光し、その熱を利用して水素を製造してもよい（例えば、非特許文献１参照。）。太陽エネルギーを利用する以外に、実施的にＣＯ₂を排出しない原子力エネルギーを用いて水素を製造することも可能である（例えば、非特許文献２参照。）。炭酸ガスを排出しない、太陽エネルギー以外の自然エネルギー（水力、風力、波力、海洋の温度差等）を利用して、電気を生産し、水を電気分解し水素を製造してもよい。風力を用いる場合は常時風速が５ｍ／ｓ以上である立地が好ましく、風力発電により電気を製造し、該電気を用いた水電気分解により水素を製造する。

上記のように、本発明方法は炭素含有還元材及び／又は炭素含有燃料を吹き込み使用する様々な設備で用いることが可能であるが、炭素含有還元材を大量に使用する鉄鉱石還元プロセスに用いると、特に効果的である。鉄鉱石還元プロセスに用いる場合の一実施形態を図１を用いて説明する。

図１は本発明の一実施形態を示すフロー図であり、水素製造工程１において、水（Ｈ₂Ｏ）を太陽エネルギーを用いて分解して水素ガスを製造する。そしてこの水素ガス（Ｈ₂）を用いて、アンモニア合成工程２でアンモニア（ＮＨ₃）を製造する。製造したアンモニアはアンモニア液化工程３で液化する。液体アンモニアを輸送手段４により製鉄所に輸送する。そして製鉄所内の鉄鉱石還元プロセス５で石炭や天然ガスの代わりに使用し、鉄鋼製品を製造する。鉄鉱石還元プロセス５として高炉を用いる場合には、アンモニアガスを高炉の羽口から吹き込んで使用する。

鉄鉱石還元プロセス５として転炉を用いる場合には、通常底吹転炉ではプロパンを羽口から吹き込み、その分解熱で羽口を冷却するとともに熱源としても利用しているので、プロパンの代替としてアンモニアを用いることができる。焼結機を用いる場合には、鉄鉱石粉、石灰石及びドロマイトなどの含ＣａＯ系副原料、生石灰等の造粒助剤など、およびコークス粉などで造粒した造粒物の点火材に用いることが可能であり、希釈気体燃料として吹き込むことでコークス粉の使用量を減らすこともできる（例えば、特許文献４参照。）。また、粉鉱石を造粒して還元鉄を製造するプロセスでは、通常、天然ガスあるいは石炭を改質してＣＯおよびＨ₂に変換し、これを還元材として還元鉄を製造する。この還元鉄製造プロセスにＣＯ、Ｈ₂の代替としてアンモニアを還元材として用いることができる。

太陽電池を用いて発電し、得られた電気によりアルカリ水の電気分解を行ない、製造した水素ガスを原料として、二重促進鉄触媒（Ｆｅ−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｋ₂Ｏ）を用いたアンモニア合成法で、圧力：２０ＭＰａ、温度：５００℃、空間速度（ＳＶ）：１０００ｈ^-1でアンモニアガスを製造した。このアンモニアガスを−３３℃に冷却して液体とし、トラックに積載した保冷容器で液体のまま製鉄所に輸送し、炉内容積約５０００ｍ³の高炉の側に設置した貯蔵タンクに保管し、吹き込みの際に気化して、羽口からの吹き込み原料として用いた。

アンモニア以外の補助還元材としては微粉炭を１３０ｋｇ／ｔ−ｐ（溶銑）とし、羽口先理論燃焼温度は２２４９℃になるように酸素富化率を調整して、条件１〜３の操業試験を実施した。表１に各操業条件と結果を示す。条件１は比較例であり、アンモニア（ＮＨ₃）吹込みを行なわない従来の操業の場合である。アンモニア吹込み量は条件２で２５ｋｇ／ｔ−ｐ（溶銑）、条件３で５０ｋｇ／ｔ−ｐ（溶銑）、条件４で１００ｋｇ／ｔ−ｐ（溶銑）、条件５で１３０ｋｇ／ｔ−ｐ（溶銑）である。

アンモニアを吹き込むことで、還元材比（ＲＡＲ）は上昇するが、Ｃ投入量は減少する。これに伴い、条件２ではＣＯ₂発生削減量は１６ｋｇ−ＣＯ₂／ｔ−ｐ（溶銑）、条件３では３２ｋｇ−ＣＯ₂／ｔ−ｐ（溶銑）、条件４では６３ｋｇ−ＣＯ₂／ｔ−ｐ（溶銑）、条件５では８２ｋｇ−ＣＯ₂／ｔ−ｐ（溶銑）となり、ＣＯ₂発生量を大幅に削減することができた。

また、炉内ボッシュ部でのガス密度は、条件１（比較例）で１．１７ｋｇ／Ｎｍ³、条件２で１．１３ｋｇ／Ｎｍ³、条件３で１．０９ｋｇ／Ｎｍ³、条件４で１．００ｋｇ／Ｎｍ³、条件５で０．９４ｋｇ／Ｎｍ³となり、ガス密度の低下から炉内通気性が改善されたものと考えられる。

１ 水素製造工程
２ アンモニア合成工程
３ アンモニア液化工程
４ 輸送手段
５ 鉄鉱石還元プロセス
１１ 電源
１２ 陽極
１３ 陰極
１４ 溶融塩化物

Claims (3)

1. 水素ガスを原料としてアンモニアを製造し、
   該製造したアンモニアを冷却して液体アンモニアとし、
   該液体アンモニアを、炭素含有還元材及び／又は炭素含有燃料を吹き込み使用する高炉まで輸送し、
   前記炭素含有還元材及び／又は前記炭素含有燃料の少なくとも一部の代替として、前記液体アンモニアを気化して前記高炉に吹き込み、該高炉内の鉄鉱石を還元することを特徴とする炭酸ガス排出量の削減方法。
2. 水素ガスが自然エネルギーを利用して製造されたものであることを特徴とする請求項１に記載の炭酸ガス排出量の削減方法。
3. 水素ガスが太陽エネルギーを用いた水の電気分解により製造されたものであることを特徴とする請求項２に記載の炭酸ガス排出量の削減方法。

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