JP7184867B2 - 製鉄又は製鋼プラントの運転する方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄鉱石から鉄が製造される製鉄又は製鋼プラントにおける鉄又は鋼の製造に関する。

現在、鉄鉱石から鉄を製造するための２つの方法がある。
・鉄鉱石及びコークスが装填され、且つその中に石炭などの可燃性物質も燃料及び還元剤として注入され得る溶鉱炉（ＢＦ）中での鉄鉱石からの溶鉄の製造；及び
・鉄鉱石の酸化鉄が溶融することなく固体状態で還元される、いわゆる直接還元プロセスにおける海綿鉄又は直接還元鉄（ＤＲＩ）の製造。

溶鉱炉からの液体又は凝固鉄（「銑鉄」として既知である）は、高濃度の炭素を含有する。製鋼において銑鉄が使用される場合、それは、例えば、変換器、特に当技術分野で塩基性酸素転炉（ＢＯＦ）としても既知であるＬｉｎｚ－Ｄｏｎａｗｉｔｚ変換器（略してＬ－Ｄ変換器）において部分的に脱炭酸化され、且つ精製されなければならない。

直接還元プロセス中、特別な処置がない場合、ＤＲＩは、炭素をわずかに含有するか又は全く含有しない。ＤＲＩから鋼を製造するためにＤＲＩを溶鉱炉又は電気アーク炉（ＥＡＦ）中で溶融し、且つ必要とされる組成を有する鋼を得るために溶融体に添加剤を添加する。

溶鉱炉中での鉄の製造は、依然として鉄鉱石から鉄を製造するための最も重要な方法であり、溶鉱炉において製造された鉄は、依然として製鋼のための主要な鉄の供給源である。

鉄鋼業は、世界のＣＯ_２排出の有意な割合を占めている。

これらの排出、したがって鉄鋼業の「カーボンフットプリント」を削減するために有意な努力が行われてきた。

例えば、鉄鉱石還元炉において還元として水素を注入することが提案されている。

例えば、国際公開第Ａ－２０１１／１１６１４１号パンフレットにおいて、２段階還元プロセス：
３Ｆｅ_２Ｏ_３＋Ｈ_２→２Ｆｅ_３Ｏ_４＋Ｈ_２Ｏ、及び
Ｆｅ_３Ｏ_４＋４Ｈ_２→３Ｆｅ＋４Ｈ_２Ｏ
において水素を使用して鉄鉱石から海綿鉄を製造することが提案されている。

国際公開第２０１１／１１６１４１号パンフレットによると、約１：１～５：１のＨ_２：Ｏ_２比及び約２８００℃未満の温度で運転される別個の酸水素炎発生器を使用して、鉄鉱石直接還元炉に熱が供給される。前記直接還元炉は、副産物として蒸気を発生させ、いずれのＣＯ_２排出も生じないものとして記載されている。

国際公開第２０１１／１１６１４１号パンフレットには、前記直接還元炉の構造又は運転に関するさらなる詳細が提供されておらず、提案された技術は、これまで工業的に利用されていない。

コークス加えて、相補的な還元剤として、単独で又は他の還元ガスと組み合わせて水素を溶鉱炉に注入するという多くの提案が同様にあった。

溶鉱炉における水素注入を伴う種々の上記技術による工業的製鉄又は製鋼設備における種々の試みにより、溶鉱炉の一定の溶融速度における有意なコークス若しくは他の炭化水素燃料消費を達成すること、又は一定のコークス／炭化水素装填における有意な製造増加を達成することのいずれもできなかった。この理由のため、溶鉱炉中への水素の注入による工業的成功は、これまでのところ果たされていない。

ここで、上記にもかかわらず、且つ特定の条件下において、工業用炉中で鉄鉱石から溶鉄を製造するプロセスにおいて、注入された水素が有効な還元剤となることが可能であることが見出された。より具体的には、本発明によると、特定の条件下で炉に鉄鉱石及びコークスが装填され、炉からのオフガスが脱炭酸化され、脱炭酸化されたオフガスの少なくとも有意な部分が炉にリサイクルされて戻されるプロセスにおいて、注入された水素が有効な鉄鉱石還元剤となることが可能であることが見出された。

本発明は、より具体的には、鉄鉱石還元、溶融及びオフガス発生を含むプロセスによって鉄鉱石が液体溶銑に変換される１つ以上の炉からなる製鉄炉の組合せを含む製鉄又は製鋼プラントを運転する方法に関する。前記製鉄又は製鋼プラントは、任意選択的に、製鉄炉の組合せの下流に変換器も含む。

この種類の方法は、Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎによって資金供給されたＥｕｒｏｐｅａｎ ＵＬＣＯＳ（Ｕｌｔｒａ Ｌｏｗ ＣＯ_２ Ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ）研究プロジェクト中に開発され、且つ一般に「トップガスリサイクリング溶鉱炉」又は「ＴＧＲＢＦ」と呼ばれる。

ＴＧＲＢＦにおいて、ＣＯ_２の実質的に全ては、トップガスとしても知られる溶鉱炉ガス（ＢＦＧ）から除去され、脱炭酸化された残りの溶鉱炉ガスの実質的全ては、溶鉱炉にリサイクル及び再注入される。

この様式では、コークス消費及びＣＯ_２排出が削減される。

さらに、ＴＧＲＢＦにおいて、従来の（非ＴＧＲＢＦ）噴射空気又は酸素濃度の高い噴射空気の代わりに、燃焼のための酸化剤として酸素が使用される。

ＴＧＲＢＦ概念の有効性は、パイロット規模の溶鉱炉で証明されている。

ＵＬＣＯＳプロジェクトによると、脱炭酸化されたＢＦＧのリサイクルによってプロセスからのＣＯ_２排出の約２５％を回避できることが明示された。

ＣＯ_２排出５０％削減の目標を達成するために、ＴＧＲＢＦの（ＢＦＧ）から除去されたＣＯ_２は、隔離及び再利用又は（例えば、地下に）貯蔵されなければならない。ＣＯ_２に関するわずかな需要及び利用可能なＣＯ_２の圧倒的過剰を考慮すると、貯蔵は、現在実行可能な主要な選択肢である。しかしながら、その貯蔵場所へのＣＯ_２の輸送及び貯蔵自体が専門的且つ社会的な理由のために有意な費用を必要とし得るのみならず、ＣＯ_２の有意な量の貯蔵が地質学的に適切であり、且つ法的に許可される場所は、不十分である。

したがって、炉の生産性及び生産物の品質を維持しながら、鉄鉱石からの製鉄中にＣＯ_２排出のさらなる削減を達成するための他の方法を見出す必要が残っている。

それに対して、本発明は、鉄鉱石還元、溶融及びオフガス発生を含むプロセスによって鉄鉱石が液体溶銑に変換される１つ以上の炉からなる製鉄炉の組合せ（又はＩＦＳ）を含む製鉄又は製鋼プラントを運転する方法を提供する。

オフガスは、当技術分野において、炉又は炉の組合せが溶鉱炉である場合、「トップガス」（ＴＧ）又は「溶鉱炉ガス」（ＢＦＧ）としても参照される。

製鉄又は製鋼プラントは、任意選択的に、変換器、特にＩＦＳによって発生された鉄を鋼に変換するための変換器も含む。プラントは、鋼再加熱炉、ＥＡＦなどの他の製鉄又は製鋼装置も含み得る。

本発明に従い、
（ａ）ＩＦＳに鉄鉱石及びコークスが装填される。
（ｂ）酸化ガスがＩＦＳに注入される。酸化ガスは、当技術分野において、炉又は炉の組合せが溶鉱炉である場合、「噴射」としても参照される。
（ｃ）発生されたオフガスがＩＦＳの下流で脱炭酸化される。それにより、ＣＯ_２濃度の高い廃ガス流及び脱炭酸化されたオフガス流が得られる。本発明によれば、脱炭酸化されたオフガス流は、１０体積％以下のＣＯ_２を含有する。発生されたオフガス流の脱炭酸化は、好ましくは、脱炭酸化されたオフガス流が３体積％以下のＣＯ_２を含有するように実行される。
（ｄ）脱炭酸化されたオフガス流の少なくとも一部が還元ガスリサイクル流としてＩＦＳに注入して戻される。本発明によれば、脱炭酸化されたオフガス流の少なくとも５０％は、そのようにしてＩＦＳに注入して戻される。

加えて、本発明に従い、
（ｅ）水分解によって水素及び酸素が発生され、
（ｆ）そのようにして発生された水素の少なくとも一部が製鉄炉の組合せに注入される。
（ｇ）発生された酸素の少なくとも一部も酸化ガスとして製鉄炉の組合せ及び／又は存在する場合には変換器に注入される。

好ましくは、製鉄炉の組合せに注入される発生された水素の全部又は一部は、そのようにして得られるリサイクルされた還元ガス及び発生された水素のガス混合物が製鉄炉の組合せに注入される前に還元ガスリサイクル流と混合される。

本発明により、コークス及び他の炭化水素ベースの燃料への依存は、製造される溶銑１トンあたりのＣＯ_２排出と同様に減少する。

「ＩＦＳ中への注入」は、ＩＦＳを構成する１つ以上の炉中への注入を意味することが理解されるであろう。

したがって、本発明による方法は、水素注入によるＩＦＳの運転の最適化のために非炭素ベースの水素供給源を使用し、それによりＩＦＳのＣＯ_２排出が削減される。加えて、同じ非炭素ベースの水素供給源は、酸素も発生させ、これは、同様に、ＩＦＳ及び／又は変換器などのプラントにおける他の製鉄装置の運転を最適化するために使用される。発生された水素及び発生された酸素を組み合わせて使用することにより、ＩＦＳ中への水素注入に関連する費用が有意に削減される。加えて、水素供給源として水分解を使用することにより、廃棄生産物の発生がなくなり、それにより再び廃棄物処理の費用が削減される。

羽口を使用して還元流をＩＦＳに注入することができる。溶鉱炉に関して、前記還元流は、より具体的には、炉床羽口を介して且つ任意選択的にシャフト羽口も介して注入され得る。

上記の通り、ＩＦＳは、１つ以上の溶鉱炉を含み得るか、又は１つ以上の溶鉱炉からなり得る。そのような場合、溶鉱炉に注入される酸化ガスの少なくとも一部又は全ては、噴射の形態、好ましくは熱噴射の形態で注入される。

ステップ（ｂ）においてＩＦＳに注入される酸化ガスの一部のみが、発生された酸素からなる場合、すなわちＩＦＳに注入される酸化ガスが、部分的に、ステップ（ｅ）において発生された酸素からなり、且つ部分的に、異なる供給源からの酸素含有ガスからなり、それにより前記酸素含有ガスが特に空気、酸素又は酸素濃度の高い空気であり得る場合、ステップ（ｅ）において発生された酸素は、
・前記酸素含有ガスとは別個に、
・前記酸素含有ガスと混合されて、又は
・酸素含有ガスとは部分的に別個に且つ前記酸素含有ガスと部分的に混合されて
ＩＦＳに注入され得る。

したがって、１つ以上の溶鉱炉の場合、ステップ（ｂ）において溶鉱炉に注入される噴射、好ましくは熱噴射は、ステップ（ｅ）で発生される酸素の少なくとも一部又はさらに全部を有利に含み得る。

同様に、プラントが変換器を含む場合、金属溶融体を脱炭酸化するための変換器に注入される酸化ガスは、有用には、ステップ（ｅ）において発生される酸素の少なくとも一部又は全部からなる。

ステップ（ｂ）においてＩＦＳに注入される酸化ガスは、好ましくは、Ｎ_２などの不活性ガスを実質的に含まない。酸化ガスは、有利には、２０体積％未満、より好ましくは１０体積％未満、なおより好ましくは最大で５体積％のＮ_２を含有する。加えて、酸化ガスは、有利には、少なくとも７０体積％、より好ましくは少なくとも８０体積％、なおより好ましくは少なくとも９０体積％及び１００体積％のＯ_２を含有する。

水分解中、通常、酸素及び水素の別個の流れが発生される。したがって、それぞれ本発明による方法のステップ（ｇ）における溶鉱炉及び／又は変換器への発生された酸素の少なくとも一部の注入前に、ステップ（ｆ）における少なくとも一部の発生された水素と還元ガスリサイクル流とを混合する前の、発生された水素からの発生された酸素の分離のためのステップ（ｅ）後に追加的な分離ステップが必要とされない。加えて、酸素及び水素流は、一般に高純度の流れであり、典型的に少なくとも８０体積％、好ましくは少なくとも９０体積％、より好ましくは少なくとも９５体積％及び最大で１００体積％のＯ_２及びＨ_２をそれぞれ含有する。

ステップ（ｅ）における水素及び酸素発生のために適切な水分解方法としては、生物学的及び／又は電解水分解が含まれる。

生物学的水分解の周知の形態は、光分解性生物学的（又は光生物学的）水分解であり、それにより緑藻類（ｇｒｅｅｎ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ）又は藍藻類（ｃｙａｎｏｂａｃｔｅｒｉａ）などの微生物が日光を利用して水を酸素及び水素イオンに分離する。現在、技術が十分に確立されており、且つ大量の水素及び酸素の生産のために適切であるため、電解水分解法が好ましい。

当技術分野で既知であるように、電解水分解を促進するために電解質が有利に水に添加される。そのような電解質の例は、ナトリウム及びリチウムカチオン、硫酸、水酸化カリウム及び水酸化ナトリウムである。

ステップ（ｅ）中の水素及び酸素発生のため、当技術分野で既知である水電解の異なる種類が使用され得る。これらとしては、
・アルカリ水溶液中で水電解が実行されるアルカリ水電解、
・気圧より高い圧力、典型的に超高圧水電解に関して５～７５ＭＰａ、好ましくは３０～７２ＭＰａ、高圧水電解（超高圧水電解ではない）に関して１０～２５ＭＰａで水電解が実行される超高圧水電解を含む高圧水電気分解。高圧電気分解の重要な利点は、水電解を操作するために必要とされる追加的なエネルギーが、同一の圧力まで周囲圧力水分解によって発生された水素及び／又は酸素を加圧するために必要とされるエネルギーより低いことである。水素又は酸素が発生される圧力が、ガスが使用される圧力より高い場合、例えば、発生されたガスをエキスパンダーで所望の圧力まで脱圧することが常に可能である。
・水電解が周囲温度より高い温度、典型的に５０℃～１１００℃、好ましくは７５℃～１０００℃、より好ましくは１００℃～８５０℃において実行される高温水電解。高温水電解は、一般に周囲温度水電解よりエネルギー効率が良い。加えて、水素及び／又は酸素が溶鉱炉に注入される場合、又は酸素が変換器に注入される場合などの鉄又は鋼産業における適用に関してよくあるように、水素又は酸素が周囲温度より高い温度で使用されるか、又は好ましくは使用される適用に関してガスを所望の温度にするためにエネルギーが必要とされないか又はわずかに必要とされる。
・Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃによって最初に導入され、且つそれによって固体ポリマー電解質がプロトンの伝導、水素及び酸素の分離並びに電極の電気絶縁に対して確実であるポリマー－電解質－膜水電解。

前記水電解技術の組み合わせも可能である。

したがって、ステップ（ｅ）において、水電解が周囲圧力で実行され得るのに対して、周囲圧力より実質的に高い圧力、例えば５～７５ＭＰａ、特に３０～７２ＭＰａ又は１０～２５ＭＰａの圧力で水素及び／又は酸素を発生させるために高圧水電解が使用され得る。

ステップ（ｅ）において、水電解が周囲温度で実行され得るのに対して、５０℃～１１００℃、好ましくは７５℃～１０００℃、より好ましくは１００℃～８５０℃の温度において水素及び／又は酸素を発生させる高温水分解も有利に使用され得る。

ステップ（ｅ）における水分解のために使用される電気は、好ましくは、低いカーボンフットプリントで、より好ましくはＣＯ_２排出を生じることなく得られる。ＣＯ_２を発生させない発電の例としては、水力発電、太陽光発電、風力発電及び潮汐発電が含まれるが、地熱エネルギー回収及び核エネルギーも含まれる。

この方法は、有利には、
（ｈ）ＩＦＳの上流において、７００℃～１３００℃、好ましくは８５０℃～１０００℃、より好ましくは８８０℃～９２０℃の温度まで熱風炉中で還元ガスリサイクル流又は発生された水素と還元ガスリサイクル流との混合物を加熱するステップ
も含む。

その場合、この方法は、好ましくは、
（ｉ）（ｉ）廃ガス流の少なくとも一部と、（ｉｉ）発生された水素の第２の部分とを含有する、２．８～７．０ＭＪ／Ｎｍ^３、好ましくは５．５～６．０ＭＪ／Ｎｍ^３の発熱量を有する低発熱量ガス燃料であって、熱風炉を加熱するために使用される低発熱量ガス燃料を製造するステップ
も含む。

ＣＯ_２濃度の高い廃ガスの少なくとも一部は、隔離及び／又はさらなるプロセスでの使用のために捕捉され得る。製鉄又は製鋼プラントは、隔離又はさらなる使用前に、本発明による方法のステップ（ｃ）において分離されたＣＯ_２を貯蔵するための１つ以上の貯蔵所を含み得る。

発生された水素及び／又は発生された水素とトップガスリサイクル流との混合物は、典型的に、炉床羽口を介して且つ任意選択的にシャフト羽口も介して溶鉱炉に注入される。

ＩＦＳに注入される酸化ガスは、典型的に、高酸素酸化ガス、すなわち空気の酸素含有量より高い酸素含有量を有する酸化ガス、好ましくは上記で定義される高酸素酸化ガスである。それにもかかわらず、熱風炉を加熱するための低発熱量気体燃料を燃焼するために空気が使用され得る。

脱炭酸化されたオフガス流又は脱炭酸化された溶鉱炉ガス流の８０～９０体積％は、好ましくは、そのように熱風炉中で加熱され、且つＩＦＳに注入される。

ステップ（ｃ）におけるオフガス、溶鉱炉ガスのそれぞれの脱炭酸化のために、ＶＰＳＡ（減圧スイング吸着）、ＰＳＡ（圧力スイング吸着）又は化学吸収ユニット、例えばアミンの使用によるものが使用され得る。

ステップ（ｅ）において発生された水素は、好ましくは、少なくとも７０体積％、好ましくは少なくとも８０体積％、より好ましくは少なくとも９０体積％、最大で１００体積％についてＨ_２分子からなる。ステップ（ｅ）の水素発生プロセスは、出発材料として炭化水素に依存しないため、これは、容易に達成可能である。

好ましい実施形態によれば、ＩＦＳ及び／又は変換器に注入される酸素の全ては、ステップ（ｅ）で発生された酸素からなる。ＩＦＳに注入される酸素の全てが、ステップ（ｅ）において発生された酸素からなる実施形態は、特に有用である。

しかしながら、他の供給源から、特に空気分離ユニットからの酸素もＩＦＳ及び／又は（存在する場合）変換器に注入され得る。例えば、低温蒸留を使用するＡＳＵ、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）又は減圧スイング吸着（ＶＳＡ）により、発生された酸素をＩＦＳ及び／又は変換器に注入し得る。製鉄又は製鋼プラントは、酸素がプラントで使用されるまで酸素を貯蔵するための１つ以上の貯蔵所を含み得る。

本方法のステップ（ｅ）において発生された酸素の一部は、例えば、存在する場合、電気アーク炉（ＥＡＦ）及び／若しくは連続鋼鋳造機において又は酸素を必要とするプラント中の他の設備／プロセスにおいて、酸化ガスとしてなど、製鉄又は製鋼プラントの他の設置で有利に使用され得る。代わりに又はそれと組み合わせて、溶鉱炉又は変換器に注入されなかった発生された酸素の一部を販売し、追加的な収入を得ることができる。

水分解により、２：１の水素対酸素比で水素及び酸素が発生される。

本発明の好ましい実施形態によると、オフガスリサイクル流中に存在する水素以外のＩＦＳに注入される全ての水素は、ステップ（ｅ）における水分解によって発生された水素である。同様に、ステップ（ｇ）においてＩＦＳ及び／又は変換器に注入される好ましくは全ての酸素は、ステップ（ｅ）における水分解によって発生された酸素である。好ましくは、ＩＦＳに注入されるステップ（ｅ）において発生された全ての水素は、製鉄炉の組合せに注入される前にオフガスリサイクル流と混合される。

換言すると、これらの場合、ステップ（ｅ）の水分解は、ＩＦＳ、変換器、ＩＦＳ及び変換器のそれぞれの全酸素需要量を満たすことができる。

有用な実施形態によると、（ｉ）ステップ（ｅ）において発生され、且つＩＦＳに注入される水素（すなわちオフガスリサイクル流に存在するいずれの水素も除く）と、（ｉｉ）ステップ（ｅ）において発生され、且つステップ（ｇ）においてＩＦＳ及び／又は変換器に注入される酸素（すなわち酸化ガスとしてＩＦＳに注入され得る噴射空気などの空気中に存在するいずれかの酸素など、他の供給源からの酸素を除く）との間の比率は、実質的に２に等しく、すなわち１．５０～２．５０、好ましくは１．７５～２．２５、より好ましくは１．８５～２．１５である。

特定の有利な実施形態によると、ＩＦＳに注入される全ての酸素は、ステップ（ｅ）における水分解によって発生された酸素であり、及び（ｉ）ステップ（ｅ）において発生され、且つＩＦＳに注入される水素と、（ｉｉ）ステップ（ｅ）において発生され、且つステップ（ｇ）においてＩＦＳに注入される酸素との間の比率は、実質的に２に等しく、すなわち１．５～２．５、好ましくは１．７５～２．２５、より好ましくは１．８５～２．１５である。

そのような場合、ステップ（ｅ）の水分解以外の外部酸素又は水素供給源に対する前記ガス注入に関する依存を実質的に回避することができる。それにもかかわらず、製鉄又は製鋼プラントには、例えば、水素バックアップとしてプラント中で使用するための水素又は金属（溶銑）に関する需要がより高い場合など、製鉄又は製鋼プロセスの特定の段階におけるより高い水素需要に適合するための水素を貯蔵するための１つ以上の貯蔵所が含まれ得る。

（ｉ）ＩＦＳに注入される発生された水素と、ＩＦＳ及び／又は変換器に注入される発生された酸素との間の比率が実質的に２に等しくない場合、プラントの他の設備又はプロセスにおいて、（発生された酸素又は発生された水素であり得る）発生されたガスのいずれかの過剰量を使用することにより、実質的に２に等しい発生された全水素対発生された酸素消費の比率に到着することがなお可能であり得る。したがって、発生された水素の少なくとも一部及び／又は発生された酸素の少なくとも一部が、ＩＦＳ、それぞれＩＦＳ及び／又は変換器以外の製鉄又は製鋼プラントのプロセス又は設備において使用（消費）される本発明の実施形態において、（ｉ）プラントで使用されるステップ（ｅ）において発生された水素と、（ｉｉ）プラントで使用されるステップ（ｃ）において発生された酸素との間の比率は、なお有用に実質的に２に等しく、すなわち１．５～２．５、好ましくは１．７５～２．２５、より好ましくは１．８５～２．１５であり得る。

ＩＦＳが１つ以上の非ＴＧＲＢＦからなる従来技術の製鋼プラント（１つのみの溶鉱炉が概略的に示されており、且つ対応する記述において１つのみの非ＴＧＲＢＦが参照される）を概略的に示す。 ＩＦＳが１つ以上のＴＧＲＢＦからなる製鋼プラントに適用される、本発明による方法の実施形態（１つのみのＴＧＲＢＦが示され、且つ対応する記述においても１つのみのＴＧＲＢＦが参照される）を概略的に示す。

本発明及びその利点は、図１及び図２を参照することにより、以下の例でさらに明確にされる。図１は、ＩＦＳが１つ以上の非ＴＧＲＢＦからなる従来技術の製鋼プラント（１つのみの溶鉱炉が概略的に示されており、且つ対応する記述において１つのみの非ＴＧＲＢＦが参照される）を概略的に示し、図２は、ＩＦＳが１つ以上のＴＧＲＢＦからなる製鋼プラントに適用される、本発明による方法の実施形態（１つのみのＴＧＲＢＦが示され、且つ対応する記述においても１つのみのＴＧＲＢＦが参照される）を概略的に示す。同一又は同様の特徴を示すために２桁の同一の参照番号が使用される。

図１は、トップガス脱炭酸化又はリサイクルのない従来技術による従来溶鉱炉１を示す。上部から溶鉱炉１にコークス及び鉄鉱石２を装填し、これらは、溶鉱炉１を下降する。

炉床羽口１ｂを介して溶鉱炉１に注入される前に空気２８を熱風炉２０において予熱する。炉床羽口１ｂを介して又は熱風炉２０の上流において、実質的に純粋な酸素２２を噴射空気２８に添加することができる。

微粉炭（又は別の有機可燃性物質）２３も典型的に炉床羽口１ｂによって溶鉱炉１に注入される。

空気２８並びに添加される場合には実質的に純粋な酸素２２及び微粉炭（又は別の有機燃料）２３は、溶鉱炉内部で組み合わされて、（固体装填２において存在するコークスとの接触において）燃焼及び還元ガス１ｄによって熱を発生させる。還元ガス１ｄは、溶鉱炉１内部を上昇し、且つ鉱石に含まれる酸化鉄を金属鉄に還元する。この金属鉄は、溶鉱炉１の底部に降下し続け、そこで酸化物不純物を含有するスラグと一緒に除去（タップ）１ａされる。

溶鉱炉ガス（ＢＦＧ）としてよく知られているオフガス３は、溶鉱炉１を出て、粉塵の大粒子が除去される初期の粉塵除去ユニット４まで移動する。それは、微細粉塵粒子を除去して「クリーンガス」６を生じる第２の粉塵除去システム５に続く。クリーンガス６は、それが燃料として使用される熱風炉２０にクリーンガス６の一部を分配送付することができ、且つクリーンガス６の部分８を様々な用途のための製鋼プラントの他の位置８ａに送付することができるＢＦＧ分配システム７ａに入る前に任意選択的に脱水される。１つ以上の他の位置８ａへのＢＦＧの流れは、制御バルブシステム８ｂによって制御される。

水素、ＣＯ又は水素及びＣＯの混合物も追加的還元ガスとして炉床羽口１ｂを介して溶鉱炉１に注入され得る（単一羽口が図に概略的に示されているが、実際には、溶鉱炉は、複数の羽口を含む）。

既知の溶鉱炉運転のカーボンフットプリントを制限するために、水素、ＣＯ又は水素及びＣＯの混合物は、生物燃料部分燃焼又は改質などの環境上好ましい供給源から入手可能である。

上記の通り、溶鉱炉によるＣＯ_２排出を制限するために、水素は、好ましい追加的な還元ガスであるように思われ得る。残念ながら、実質的に純粋な水素ガスの費用は、通常、この種類の工業的用途のために抑制的である。

溶鉱炉中への水素（及びＣＯ）注入に関するさらなる技術的問題は、溶鉱炉プロセスの熱力学、すなわち溶鉱炉における水素（及びＣＯ）使用の効率が５０％を超えることが少ないという事実に関する。したがって、溶鉱炉に注入される水素の５０％は、反応に関与せず、溶鉱炉の上部から出る。この事実は、従来の溶鉱炉において水素の使用を制限する。

表１は、その水素が、コークス速度定数を保持しながら、石炭と置き換えるために使用される場合、粉末石炭注入（ＰＣＩ）と一緒に標準溶鉱炉に１３０、２６１及び３６２Ｎｍ^３水素／トン溶銑（ｔｈｍ）を注入する従来の溶鉱炉の運転中のプロセスシミュレーションに基づく理論的な比較を示す。石炭注入（ＰＣＩ）速度定数を保持しながら、１３０及び１９７Ｎｍ^３の水素がコークスと置き換えられる場合も表１に示される。

表３は、図２において例示されるように、水分解プロセスからの酸素が製鋼プラントにおいて使用される場合、溶鉱炉及びＬ－Ｄ変換器において外部酸素の必要性が減少することを示す。

表３に示されるように、水分解プロセスからの酸素を溶鉱炉及びＬ－Ｄ変換器のために使用する場合、製鋼プラントの酸素必要条件を満たすための典型的に空気分離プラントからの外部酸素に対する必要性は、大幅に減少するか又は存在しない。

表３に例示される実施形態のほとんどに関して、追加的な水素に関する溶鉱炉の全必要条件を満たすための水分解の使用は、溶鉱炉及び変換器（追加的な）酸素必要条件を満たすために不十分な酸素の発生をもたらす。したがって、前記必要条件を満たすために、ＡＳＵなどのさらなる酸素供給源から追加的な酸素が得られなければならない。しかしながら、前記さらなる酸素供給源から得られる酸素の量は、劇的に少ない。

しかしながら、溶鉱炉及び／又は（存在する場合）変換器の全必要条件を満たすための水分解の使用により、溶鉱炉（及び適応可能である場合には変換器）の追加的な酸素必要条件の過剰量での酸素の発生がもたらされる場合、余剰の発生された酸素は、製鉄又は製鋼プラントの他のプロセス／設備において有利に使用され得、且つ／又は販売されて収入を得ることができる。したがって、本発明は、より低い総原価の非炭素ベース還元剤のＩＦＳ中への注入による、製鉄炉の組合せ（ＩＦＳ）を含む製鉄又は製鋼プラントからのＣＯ_２排出を削減するための方法を提供する。それにより、ＡＳＵ、ＶＳＡ、ＶＰＳＡ又は製鉄若しくは製鋼プラントの酸素必要条件を完了する他のいずれかの方法によって生じる外部酸素の量も大いに減少される。これにより、酸素製造からの間接的なＣＯ_２排出量も回避又は削減される。上記の低カーボンフットプリント電気を使用することにより、製鉄又は製鋼プラントのカーボンフットプリントをさらに削減することができる。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］ 鉄鉱石還元、溶融及びオフガス（３）発生を含むプロセスによって鉄鉱石が液体溶銑に変換される１つ以上の炉からなる製鉄炉の組合せ（１）を含む製鉄又は製鋼プラントを運転する方法であって、前記製鉄又は製鋼プラントは、任意選択的に、前記製鉄炉の組合せ（１）の下流に変換器を含み、前記方法は、
ａ．前記製鉄炉の組合せ（１）に鉄鉱石及びコークスを装填するステップ、
ｂ．前記製鉄炉の組合せ（１）に酸化ガスを注入するステップ、
ｃ．ＣＯ _２ 濃度の高い廃ガス流（８）及び１０体積％以下のＣＯ _２ 、好ましくは３体積％以下のＣＯ _２ を含有する脱炭酸化されたオフガス流（９）を得るために、前記オフガス（３）を前記製鉄炉の組合せ（１）の下流で脱炭酸化するステップ、
ｄ．前記脱炭酸化されたオフガス流（９）の少なくとも５０％を還元ガスリサイクル流として前記製鉄炉の組合せ（１）に注入して戻すステップ
を含む、方法において、
ｅ．水分解によって水素及び酸素を発生させるステップと、
ｆ．ステップ（ｅ）において発生された前記水素の少なくとも一部を前記製鉄炉の組合せ（１）に注入するステップと、
ｇ．前記発生された酸素の少なくとも一部を酸化ガスとして前記製鉄炉の組合せ（１）及び／又は変換器に注入するステップと
を含むことを特徴とする方法。
［２］ 前記製鉄炉の組合せ（１）に注入される、ステップ（ｅ）において発生された前記水素の少なくとも一部は、そのようにして得られるガス混合物が前記製鉄炉の組合せ（１）に注入される前に前記還元ガスリサイクル流と混合される、［１］に記載の方法。
［３］ ｈ．前記ガスリサイクル流又はステップ（ｅ）において発生された水素と前記ガスリサイクル流との前記混合物は、前記製鉄炉の組合せ（１）の上流において、７００℃～１３００℃、好ましくは８５０℃～１０００℃、より好ましくは８８０℃～９２０℃の温度まで好ましくは熱風炉（２０）中で加熱される、［１］又は［２］に記載の方法。
［４］ （ｉ）前記廃ガス流（８）の少なくとも一部（２５）と、（ｉｉ）ステップ（ｅ）において発生された前記水素の第２の部分とを含有する、２．８～７．０ＭＪ／Ｎｍ ^３ 、好ましくは５．５～６．０ＭＪ／Ｎｍ ^３ の発熱量を有する低発熱量ガス燃料であって、前記ガスリサイクル流を加熱するために使用される前記熱風炉を加熱するために使用される低発熱量ガス燃料が製造される、［３］に記載の方法。
［５］ （ｉ）ステップ（ｅ）において発生され、且つ前記製鉄炉の組合せ（１）に注入される前記水素と、
（ｉｉ）ステップ（ｅ）において発生され、且つステップ（ｇ）において前記製鉄炉の組合せ（１）及び／又は前記変換器に注入される前記酸素と
の間の比率は、１．５０～２．５０、好ましくは１．７５～２．２５、より好ましくは１．８５～２．１５である、［１］～［４］のいずれか一項に記載の方法。
［６］ （ｉ）ステップ（ｅ）において発生され、且つ前記製鉄炉の組合せ（１）に注入される前記水素と、
（ｉｉ）ステップ（ｅ）において発生され、且つステップ（ｇ）において前記製鉄炉の組合せ（１）に注入される前記酸素と
の間の比率は、１．７５～２．２５、好ましくは１．８５～２．１５である、［１］～［５］のいずれか一項に記載の方法。
［７］ 微粉炭及び／又は別の有機可燃性物質は、羽口（１ｂ）によって前記溶鉱炉（１）に注入される、［１］～［６］のいずれか一項に記載の方法。
［８］ 前記製鉄炉の組合せ（１）に注入される前記発生された水素の全て又は一部は、羽口を介して前記製鉄炉の組合せ（１）に注入される、［１］～［７］のいずれか一項に記載の方法。
［９］ ステップ（ｅ）において発生された前記酸素の全て又は一部は、前記製鉄炉の組合せ（１）に酸化ガスとして注入される混合物を得るために、ステップ（ｅ）において発生されない酸素含有ガスと混合される、［１］～［８］のいずれか一項に記載の方法。
［１０］ ステップ（ｂ）において前記製鉄炉の組合せ（１）に注入される前記酸化ガスは、ステップ（ｅ）において発生された酸素からなる、［１］～［８］のいずれか一項に記載の方法。
［１１］ ステップ（ｅ）において、水素及び酸素は、生物学的及び／又は電解水分解、好ましくは電解水分解によって発生される、［１］～［１０］のいずれか一項に記載の方法。
［１２］ ステップ（ｅ）において、水素及び酸素は、大気圧より高い圧力及び／又は周囲温度より高い温度における電解水分解によって発生される、［１１］に記載の方法。
［１３］ 前記還元ガスは、羽口を介して前記製鉄炉の組合せに注入される、［１］～［１２］のいずれか一項に記載の方法。
［１４］ 前記製鉄炉の組合せ（１）は、１つ以上の溶鉱炉を含み、好ましくは１つ以上の溶鉱炉からなる、［１］～［１３］のいずれか一項に記載の方法。
［１５］ ステップ（ｅ）において発生された前記水素は、少なくとも７０体積％、好ましくは少なくとも８０体積％、より好ましくは少なくとも９０体積％についてＨ _２ 分子からなる、［１］～［１４］のいずれか一項に記載の方法。

Claims (15)

1. 鉄鉱石還元、溶融及びオフガス（３）発生を含むプロセスによって鉄鉱石が液体溶銑に変換される１つ以上の炉からなる製鉄炉の組合せ（１）を含む製鉄又は製鋼プラントを運転する方法であって、前記製鉄又は製鋼プラントは、任意選択的に、前記製鉄炉の組合せ（１）の下流に変換器を含み、前記方法は、
   ａ．前記製鉄炉の組合せ（１）に鉄鉱石及びコークスを装填するステップ、
   ｂ．前記製鉄炉の組合せ（１）に酸化ガスを注入するステップ、
   ｃ．ＣＯ_２濃度の高い廃ガス流（８）及び１０体積％以下のＣＯ_２、好ましくは３体積％以下のＣＯ_２を含有する脱炭酸化されたオフガス流（９）を得るために、前記オフガス（３）を前記製鉄炉の組合せ（１）の下流で脱炭酸化するステップ、
   ｄ．前記脱炭酸化されたオフガス流（９）の少なくとも５０％を還元ガスリサイクル流として前記製鉄炉の組合せ（１）に注入して戻すステップ
   を含む、方法において、
   ｅ．水分解によって水素及び酸素を発生させるステップと、
   ｆ．ステップ（ｅ）において発生された前記水素の少なくとも一部を前記製鉄炉の組合せ（１）に注入するステップと、
   ｇ．前記発生された酸素の少なくとも一部を酸化ガスとして前記製鉄炉の組合せ（１）及び／又は変換器に注入するステップと
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記製鉄炉の組合せ（１）に注入される、ステップ（ｅ）において発生された前記水素の少なくとも一部は、前記還元ガスリサイクル流と混合され、得られたガス混合物が前記製鉄炉の組合せ（１）に注入される、請求項１に記載の方法。
3. ｈ．前記還元ガスリサイクル流又はステップ（ｅ）において発生された水素と、前記還元ガスリサイクル流とのガス混合物は、前記製鉄炉の組合せ（１）の上流において、７００℃～１３００℃、好ましくは８５０℃～１０００℃、より好ましくは８８０℃～９２０℃の温度まで、好ましくは熱風炉（２０）中で加熱される、請求項１又は２に記載の方法。
4. （ｉ）前記廃ガス流（８）の少なくとも一部（２５）と、（ｉｉ）ステップ（ｅ）において発生された前記水素の第２の部分とを含有する、２．８～７．０ＭＪ／Ｎｍ^３、好ましくは５．５～６．０ＭＪ／Ｎｍ^３の発熱量を有する低発熱量ガス燃料（２７）であって、前記還元ガスリサイクル流を加熱するために使用される前記熱風炉を加熱するために低発熱量ガス燃料（２７）が使用される、請求項３に記載の方法。
5. （ｉ）ステップ（ｅ）において発生され、且つ前記製鉄炉の組合せ（１）に注入される前記水素と、
   （ｉｉ）ステップ（ｅ）において発生され、且つステップ（ｇ）において前記製鉄炉の組合せ（１）及び／又は前記変換器に注入される前記酸素と、
   の間の比率は、１．５０～２．５０、好ましくは１．７５～２．２５、より好ましくは１．８５～２．１５である、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
6. （ｉ）ステップ（ｅ）において発生され、且つ前記製鉄炉の組合せ（１）に注入される前記水素と、
   （ｉｉ）ステップ（ｅ）において発生され、且つステップ（ｇ）において前記製鉄炉の組合せ（１）に注入される前記酸素と、
   の間の比率は、１．７５～２．２５、好ましくは１．８５～２．１５である、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 微粉炭及び／又は別の有機可燃性物質は、羽口（１ｂ）によって前記製鉄炉の組合せ（１）に注入される、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記製鉄炉の組合せ（１）に注入される前記発生された水素の全て又は一部は、羽口を介して前記製鉄炉の組合せ（１）に注入される、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
9. ステップ（ｅ）において発生された前記酸素の全て又は一部は、前記製鉄炉の組合せ（１）に酸化ガスとして注入される混合物を得るために、ステップ（ｅ）において発生されない酸素含有ガスと混合される、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
10. ステップ（ｂ）において前記製鉄炉の組合せ（１）に注入される前記酸化ガスは、ステップ（ｅ）において発生された酸素からなる、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
11. ステップ（ｅ）において、水素及び酸素は、生物学的及び／又は電解水分解、好ましくは電解水分解によって発生される、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。
12. ステップ（ｅ）において、水素及び酸素は、大気圧より高い圧力及び／又は周囲温度より高い温度における電解水分解によって発生される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記還元ガスリサイクル流は、羽口を介して前記製鉄炉の組合せに注入される、請求項１～１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記製鉄炉の組合せ（１）は、１つ以上の溶鉱炉を含み、好ましくは１つ以上の溶鉱炉からなる、請求項１～１３のいずれか一項に記載の方法。
15. ステップ（ｅ）において発生された前記水素は、少なくとも７０体積％、好ましくは少なくとも８０体積％、より好ましくは少なくとも９０体積％についてＨ_２分子からなる、請求項１～１４のいずれか一項に記載の方法。

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