WO2021220555A1 - 製鉄設備および還元鉄の製造方法 - Google Patents

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功一 ▲高▼橋
純仁 小澤
雄基 川尻
祐哉 守田
泰平 野内
道貴 佐藤
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Ｊｆｅスチール株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to iron-making equipment and a method for producing reduced iron using the iron-making equipment.
  • the raw material of iron is mainly iron oxide, and a reduction process for reducing this iron oxide is indispensable.
  • the most popular and common reduction process in the world is the blast furnace.
  • coke or pulverized coal and oxygen in hot air air heated to about 1200 ° C.
  • CO and H 2 gas reduced gas
  • iron ore, etc. is being reduced.
  • the reducing agent ratio the amount of coke and pulverized coal used per 1 ton of hot metal
  • the reducing agent ratio has been reduced to about 500 kg / t, but the reduction of the reducing agent ratio has already reached its limit. No further significant reduction in the ratio of reducing agents can be expected.
  • iron oxide agglomerated iron ore
  • a method of producing reduced iron by blowing a reducing gas containing carbon oxide to reduce iron oxide is also often used.
  • natural gas or the like is used as the raw material gas for the reducing gas.
  • the raw material gas is heated and reformed in the reformer together with the top gas discharged from the top of the reduction furnace to generate a reduction gas.
  • the generated reducing gas is blown into the reduction furnace and reacts with the iron oxide raw material supplied from the upper part of the reduction furnace, and the iron oxide is reduced to become reduced iron.
  • the produced reduced iron is discharged from the lower part of the reduction furnace.
  • the gas after the iron oxide is reduced is discharged from the top of the reduction furnace as the top gas, and after dust collection and cooling, a part of the gas is sent to the reformer as a raw material for the reforming gas.
  • the remaining furnace top gas is used as fuel gas for the heater / reformer.
  • the exhaust gas of the reduction furnace and the natural gas are reformed by a reformer to generate a reduced gas mainly composed of CO and H 2 gas, and this reduction is performed. It is described that gas is blown into a reduction furnace to reduce iron oxide in the reduction furnace to produce reduced iron.
  • Patent Document 2 describes a method of producing reduced iron by reforming coke oven gas and the top gas of a reducing furnace from which CO 2 has been removed to produce reducing gas and blowing it into the reducing furnace. ing.
  • the reduced iron production method described in Patent Document 1 uses natural gas for producing reduced gas, and therefore has a problem that a certain amount of CO 2 emission is unavoidable, although it is lower than that of a blast furnace.
  • Patent Document 2 is to produce a reducing gas by using a coke oven gas or a linz-Donaw gas generated in a steel mill.
  • coke oven gas and linz-Donaw gas are indispensable as fuel gas for the lower process of heating furnaces and anointing furnaces in integrated steelworks, so if they are diverted to the reduced iron production process, there will be a shortage of fuel gas in the lower process. Will cause.
  • natural gas was supplied externally to compensate for the shortage of gas in the lower process, and reduction of CO 2 emissions remained an issue without being realized.
  • the coke oven gas is reformed as a raw material to obtain a reducing gas, but since the coke oven gas contains a large amount of sulfur, it is attached to equipment with a reaction such as a reformer. There is a concern that the catalyst will be damaged. Further, it is said that the reduced iron production process can be operated properly when the ratio of H 2 to CO is around 1.5. However, the H 2 content of the linz-Donaw gas is low, and the H 2 / CO value of the reduced gas produced is too low, so that the composition deviates from the proper operating composition of the reduced iron process. In order to avoid this, it is necessary to perform CO 2 separation on the linz-Donaw gas, and there is also a problem that extra CO 2 separation energy is required.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned current situation, and contributes to the realization of energy saving and reduction of CO 2 emissions when producing reduced iron from iron oxide.
  • the purpose is to make a proposal in conjunction with the iron-making equipment to be manufactured.
  • the gist of the present invention is as follows. 1.
  • a blowing device that blows methane gas synthesized by the methane synthesizer into the blast furnace, and A heating and reforming apparatus that heats or heat-modifies the blast furnace gas and / or the furnace top gas and the methane gas synthesized by the methane synthesizer to obtain a reducing gas containing carbon monoxide gas and hydrogen gas.
  • a reduction gas blowing device that blows the reducing gas into the reduction furnace, A supply path for supplying the furnace top gas to the methane synthesizer and / or the heat reformer, and Steel making equipment characterized by having.
  • a steelmaking facility having a carbon dioxide separating device for separating carbon dioxide from the furnace top gas in the supply path.
  • a method for producing reduced iron using the iron-making equipment according to 1, 2 or 3 above The iron oxide filling process, which fills the reduction furnace with iron oxide, The reduction gas blowing step of blowing the reducing gas into the reduction furnace and A methane synthesis process for synthesizing methane from a mixed gas or carbon dioxide gas containing carbon dioxide and carbon monoxide and hydrogen gas, A gas reforming step of using the methane gas and the mixed gas as a raw material gas and heating the raw material gas to reform it into the reduced gas.
  • a method for producing reduced iron using the iron-making equipment according to 1, 2 or 3 above The iron oxide filling process, which fills the reduction furnace with iron oxide, The reduction gas blowing step of blowing the reducing gas into the reduction furnace and A carbon dioxide separation step of separating carbon dioxide from the top gas containing carbon dioxide, carbon monoxide, and hydrogen discharged from the top of the reduction furnace and recovering the mixed gas containing carbon monoxide and hydrogen.
  • the methane gas is a part of the top gas containing carbon dioxide, carbon monoxide and hydrogen discharged from the top of the reduction furnace and / or a blast furnace containing carbon dioxide, carbon monoxide and hydrogen produced as a by-product from the blast furnace. It is a regenerated methane gas synthesized in the methane synthesis process that synthesizes methane from a part of the gas and hydrogen gas.
  • methane is synthesized from a mixed gas or carbon dioxide gas containing carbon dioxide and carbon monoxide, and hydrogen gas, whereas the reduced gas as a raw material for iron oxide is conventionally produced using natural gas.
  • a reduced iron production process using, for example, a blast furnace gas is realized, in which the methane gas and the mixed gas are used as a raw material gas and heated to produce a reduced gas, and the reduced gas is used for the reduction treatment of iron oxide.
  • CO 2 emissions in the reduced iron production process can be significantly reduced.
  • FIG. 1 shows an example of the steelmaking equipment of the present invention. That is, in FIG. 1, reference numeral 1 is a reduction furnace, 2 is iron oxide, 3 is reduced iron, 4 is a dust removing device for the blast furnace gas from the reduction furnace 1, 5 is a supply path of the blast furnace gas, and 6 is methane described later.
  • a heat reformer that heats or heat reforms methane gas and / or carbon monoxide gas from a synthesizer to obtain a reduced gas containing carbon monoxide gas and hydrogen gas, 7a is a first dehydrator, and 7b is a second.
  • 7c is a third dehydrator
  • 8 is a carbon dioxide separator that separates carbon dioxide from the top gas
  • 9 is a methane synthesizer that synthesizes methane from top gas or blast furnace gas and hydrogen
  • 10 is It is a reduction gas blowing device that supplies reduction gas to the reduction furnace 1.
  • reference numeral 21 is a blast furnace
  • 22 is a methane blowing device (tuyere)
  • 23 is a dehydrating device on the blast furnace side
  • 24 is a burner.
  • the method for producing reduced iron of the present invention is to produce reduced iron according to various forms by partially or wholly using the above iron making equipment, and is a step of filling iron oxide into a reduction furnace.
  • it has a gas reforming step of heating the raw material gas and reforming it into the reducing gas using the gas as a raw material gas, and a reduction step of reducing the iron oxide with the reducing gas in the reducing furnace. Is to be.
  • the reduction furnace referred to here refers to a process in which the input iron oxide raw material is reduced as a solid and the iron after the reduction is discharged, and a process for producing high-temperature melted iron such as a blast furnace is used. Not included.
  • the method for producing reduced iron of the present invention will be described in detail for each embodiment.
  • the first embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the configuration used as the first embodiment is selected and shown in FIG. 1, and the iron-making equipment shown in FIG. 1 is used.
  • reduced iron is produced according to the following procedure. First, iron oxide 2 is charged from above into the reduction furnace 1 which is the center of the reduced iron production process, and the iron oxide 2 is gradually lowered. In the process of lowering the iron oxide 2, the iron oxide 2 is reduced by blowing a reducing gas containing high temperature CO, H 2 and hydrocarbons from the reducing gas blowing device 10 from the intermediate portion of the reducing furnace 1, and the iron oxide 2 is reduced. The reduced iron 3 is discharged from the lower part of the.
  • the furnace top gas containing CO, CO 2 , H 2 and H 2 O is mainly discharged from the upper part of the reduction furnace 1.
  • This furnace top gas is dust-removed by the dust removing device 4, and then a part of the gas is sent to the heat reforming device 6 as a raw material gas after adjusting the water content by the second dehydrating device 7b.
  • the remaining furnace top gas is dehydrated by the first dehydrating device 7a and then used as heating fuel in the combustion chamber of the heating reforming device 6. It is preferable to use oxygen gas instead of air as the combustion assisting gas when burning the furnace top gas in the combustion chamber of the heating reformer 6.
  • the top gas components CO, CO 2 , H 2 and H
  • a hydrocarbon gas for adjusting 2 O to a reducing component (CO, H 2 and a hydrocarbon) into the heat reforming apparatus 6.
  • this hydrocarbon gas natural gas has been conventionally supplied from the outside, but in the first embodiment according to the present invention, instead of the hydrocarbon gas supplied from the outside such as natural gas, It is important to use the regenerated methane gas (regenerated CH 4 in FIG. 1) produced by using the methane synthesizer 9 in the above-mentioned iron making facility.
  • a raw material for synthesizing methane gas hydrogen gas supplied from the outside and a gas containing CO, CO 2 and hydrocarbons are used.
  • the gas containing CO, CO 2 and hydrocarbon is applicable as long as it is a gas available in the steelworks, but in the first embodiment, as shown in FIG. 2, the combustion of the heat reformer 6 is performed.
  • the synthesized regenerated methane is supplied to the heat reformer 6 together with the gas at the top of the furnace, which is the raw material gas, and the water content is adjusted by the second dehydrator 7b, and is heated in the heat reformer 6. It is supplied to the reduction furnace 1 as a high-temperature reducing gas.
  • the furnace top gas used as the raw material gas is adjusted in water content in order to properly adjust the composition of the reducing gas, but CO 2 may be separated by the carbon dioxide separator 8 at the same time.
  • regenerated methane and furnace top gas are used as the raw material gas for the reducing gas, water or steam may be added to adjust the composition.
  • a mechanism for promoting a reaction such as a catalyst may be provided to generate a reforming reaction, and the reforming gas may be mainly composed of CO and H 2, or in the heating reforming apparatus. It may be heated only and then blown into the reduction furnace as it is.
  • the CO 2 rich gas after separation can be used as the raw material gas for the methane synthesizer 9, but the residual gas containing combustible gas such as CO can be used for the heat reforming device 6. It may be used as fuel gas in the above, or it may be supplied to other processes in the steel mill and used as fuel gas.
  • the hydrogen gas used for the synthesis of regenerated methane CO 2- free hydrogen supplied from the outside, for example, hydrogen gas generated by electrolyzing water with photovoltaic power may be used.
  • the above oxygen gas used as a combustion assisting gas in the combustion chamber of the heat reformer 6 does not necessarily have to be pure oxygen having an oxygen concentration of 100%, and some gas other than oxygen, such as nitrogen, carbon dioxide, argon, etc. May be included.
  • the oxygen concentration is too low, the gas volume increases, which causes a problem that the heat reformer 6 and the methane synthesizer 9 for methane synthesis must be enlarged. Therefore, it is preferable to set the oxygen concentration to 80% or more. ..
  • CO 2- free electric power for example, electric power generated by solar power generation or nuclear power generation may be used.
  • FIG. 1 A second embodiment of the present invention is shown in FIG.
  • the portion used for heating the heating reformer 6 in the first embodiment is water-adjusted by the dehydrating device 7e and then the methane synthesizer.
  • a required amount of regenerated methane is synthesized in the heat reformer 6 by pouring it into 9 and using it as a raw material for regenerated methane gas (regenerated CH 4 in FIG. 3).
  • an external CO 2- free heat source for example, an external heat source that heats using CO 2-free electric power can be used as an alternative. ..
  • CO 2- free electric power is used for heating and hydrogen production in the heating reformer 6, CO 2 emissions can be reduced to zero in principle.
  • the nitrogen concentration is monitored regularly in the system, and when the nitrogen concentration rises to a certain extent, for example, when the nitrogen concentration reaches 20% or more, the furnace top gas or combustion exhaust gas that temporarily flows into the methane synthesizer 9 is discharged. It is good to carry out an operation to discharge to the outside of the system. At this time, since recycled methane gas cannot be generated, it is possible to temporarily blow natural gas or the like instead of recycled methane gas.
  • hydrogen gas supplied from the outside as a raw material for methane synthesis is preferably produced by a production method that does not generate CO 2 as much as possible.
  • a production method that does not generate CO 2 as much as possible.
  • electrolysis of water may be used.
  • the H 2 gas does not necessarily have to be an H 2 gas having a concentration of 100%, but in order to keep the methane concentration in the generated regenerated methane gas high, the higher the H 2 concentration is, the better.
  • the H 2 concentration is 80% by volume or more.
  • a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 described above.
  • the third embodiment is a method that is advantageously established when a reduced iron production process according to the present invention is installed in a steel mill having a blast furnace for producing hot metal.
  • the top gas discharged from the top of the reduction furnace 1 is dust-removed by the dust removing device 4, and then a part of the gas is removed.
  • the water content of the raw material gas is adjusted by the second dehydrator 7b and sent to the heat reformer 6, and the remaining furnace top gas is dehydrated by the first dehydrator 7a and then burned by the heat reformer 6. Used as heating fuel in the room.
  • the blast furnace top used in the second embodiment is not used as the raw material for methane synthesis in the methane synthesizer 9, and the combustion exhaust gas from the heat reformer 6 used in the first embodiment is not used.
  • the blast furnace gas discharged from the blast furnace 21 is used. The operation method of the blast furnace in the third embodiment will be described below.
  • blast furnace operating method In the blast furnace operating method according to the third embodiment of the present invention, sinter, lump ore, pellets (hereinafter, also referred to as ore raw material), coke, etc., which are raw materials, are charged into the blast furnace from the top of the blast furnace 21. (Not shown). Further, the blowing gas, the reducing agent, and the regenerated methane gas are blown into the blast furnace 21 from the blowing device (tuyere) 22 installed in the lower part of the blast furnace 21. The reducing agent blown from the blowing device 22 into the blast furnace 21 is also referred to as a blowing reducing material in order to distinguish it from coke.
  • the ore raw material charged in the blast furnace 21 is reduced by the carbon monoxide gas and hydrogen gas generated by the reaction between the blower gas and the reducing agent.
  • carbon dioxide is generated, and it is discharged from the top of the blast furnace as a by-product gas together with carbon monoxide and hydrogen that did not react with the ore raw material.
  • the blast furnace gas (by-product gas) discharged from the top of the blast furnace is condensed by expansion and cooling when it returns to normal pressure. Therefore, the condensed water is removed in the dehydrator 23.
  • the blast furnace gas is introduced into the above-mentioned methane synthesizer 9.
  • carbon monoxide and carbon dioxide contained in the blast furnace gas are reacted with hydrogen gas to generate methane (CH 4) gas.
  • methane gas obtained by reacting the blast furnace gas is referred to as regenerated methane gas (regenerated CH 4 in FIG. 1).
  • regenerated methane gas regenerated CH 4 in FIG. 1
  • the water vapor in the regenerated methane gas is condensed, and the by-product water is removed in the third dehydrator 7c described above.
  • this by-product water it is preferable to supply this by-product water to a water electrolyzer and use it for electrolysis of water.
  • At least a part of the blast furnace gas supplied to the methane synthesizer 9 does not have to have the composition discharged from the blast furnace gas.
  • carbon dioxide may be separated by a carbon dioxide gas separation and recovery device, and only carbon dioxide may be supplied to the methane synthesizer.
  • the regenerated methane gas thus obtained is supplied to the heating reformer 6 together with the above-mentioned raw material gas, the furnace top gas, and is heated in the heating reforming device 6 to be supplied to the reduction furnace 1 as a high-temperature reducing gas. ..
  • the blowing device 22 it is preferable to supply a part of the regenerated methane gas to the blowing device 22 as a blowing reducing agent.
  • the regenerated methane gas By diverting the regenerated methane gas as the blown reducing material, it is possible to reduce the amount of other blown reducing materials used, for example, pulverized coal, waste plastic, hydrogen gas, carbon monoxide gas, and the like.
  • the total amount of the blown reducing agent blown into the blast furnace is 150 kg / t or less of the regenerated methane gas and other blown reducing materials.
  • the unit of "kg / t" is the amount of other blown reducing agent blown into the blast furnace when 1 t of hot metal is manufactured.
  • the hydrogen gas used to generate the regenerated methane gas does not have to be a gas having a hydrogen concentration of 100% by volume, but since the methane concentration of the regenerated methane gas is high, a gas having a high hydrogen concentration, specifically, a gas having a high hydrogen concentration. , It is preferable to use hydrogen gas having a hydrogen concentration of 80% by volume or more. It is more preferably 90% by volume or more, still more preferably 95% by volume or more. Examples of the residual gas other than hydrogen include CO, CO 2 , H 2 S, CH 4 , N 2, and the like.
  • hydrogen gas produced by electrolysis of water as at least a part of the hydrogen gas used in the generation of regenerated methane gas, for example, in a water electrolysis device.
  • a water electrolysis device it is preferable to use hydrogen gas produced by electrolysis of water as at least a part of the hydrogen gas used in the generation of regenerated methane gas, for example, in a water electrolysis device.
  • by-product water that is secondarily produced in the process of producing regenerated methane gas can be used.
  • the by-product oxygen gas generated secondarily in the electrolysis of water can be used as the oxygen gas used as the blower gas of the tuyere 22. Therefore, by combining with the operating conditions of this blast furnace (oxygen gas is used as the blowing gas and recycled methane gas is used as the reducing agent), it is possible to construct an extremely efficient resource recycling system, and the operation is also possible. This is because the flexibility is also improved.
  • the by-product oxygen gas is preferably used as an oxygen gas to be used as a blower gas in its entirety, but another oxygen-using facility (for example, a converter, an electric furnace, or a combustion device (heating)) depends on the supply amount. It may be supplied to a furnace burner, a sintered ignition burner, etc.).
  • hydrogen gas generated by electrolysis of water in its entirety as the hydrogen gas used for the generation of regenerated methane gas, but the shortage can be obtained from another facility outside or in the steel mill. You just have to supply it.
  • the hydrogen gas supply source in the steel mill include coke oven gas (by-product gas discharged from the coke oven).
  • PSA physical adsorption
  • hydrocarbons in coke oven gas are reformed (partially oxidized). Examples thereof include a method of separating and recovering hydrogen from gas by PSA (physical adsorption) or the like.
  • the hydrogen gas supplied from the outside includes, for example, hydrogen gas produced by reforming hydrocarbons such as natural gas by steam reforming, hydrogen gas obtained by vaporizing liquefied hydrogen, and organic substances. Examples include hydrogen gas produced by dehydrocarbonizing hydride.
  • the electric power used for electrolysis of water is not particularly limited, but it is preferable to use electric power derived from renewable energy or electric power generated by a power generation facility in a steel mill.
  • electricity derived from renewable energy it is possible to further reduce carbon dioxide emissions.
  • the renewable energy is energy that is constantly present in the natural world, and examples thereof include solar power, wind power, hydropower, geothermal power, and biomass.
  • the electric power generated by the power generation equipment in the steelworks it is possible to construct a more efficient resource recycling system.
  • examples of the power generation equipment in the steelworks include a blast furnace top pressure power generation equipment and a power generation equipment using blast furnace gas as fuel (heat source).
  • blast furnace gas fuel
  • coke oven gas coke oven gas
  • converter gas by-product gas discharged from converter
  • city gas can be used as fuel according to the operating conditions of the blast furnace. can.
  • a blowing reducing agent such as regenerated methane gas and oxygen gas are mixed, and the mixed gas is rapidly ignited and rapidly gasified immediately after being blown into the blast furnace 21 from the blowing device 22. Then, in the blast furnace at the tip of the blowing device 22, a raceway is formed, which is a region where a blowing reducing agent such as regenerated methane gas or coke reacts with oxygen gas.
  • a part of the blast furnace gas downstream of the dehydrator 23 is partially burned by the burner 24 so as to be about 800 ° C. to 1000 ° C., and then blown into the blast furnace shaft portion. It is preferable to blow in preheated gas.
  • oxygen gas as the blowing gas for the blowing device 22 instead of hot air (air heated to about 1200 ° C.). That is, when hot air (air heated to about 1200 ° C.) is used as the blowing gas, the combustion gas contains about 50% by volume of nitrogen that does not contribute to the combustion reaction, so that the temperature of the flame in the raceway becomes high. hard. Therefore, when most of the reducing material blown into the blast furnace is replaced with methane gas from pulverized coal, the difference between the reaction heat in the pulverized coal-oxygen reaction and the reaction heat in the methane gas-oxygen reaction described above causes the blowing device 22.
  • the tuyere temperature drops below 2000 ° C., which is the lower limit of the appropriate temperature.
  • operational troubles such as insufficient heat transfer at the lower part of the blast furnace, increased pressure loss, and poor slag discharge are caused.
  • the blast furnace gas contains a large amount of nitrogen, a step of separating nitrogen from carbon monoxide and carbon dioxide is required in the pre-step of the step of generating methane gas from the blast furnace gas.
  • oxygen gas as the blast gas
  • Oxygen gas other than by-product oxygen gas can be produced by, for example, a deep-cooled air separation device.
  • the oxygen concentration of the oxygen gas is preferably 80% by volume or more. That is, if the oxygen gas concentration is low, the amount of gas introduced into the blast furnace and, by extension, the pressure loss of the blast furnace may increase, resulting in a decrease in productivity. Further, while the above gas circulation is repeated, the concentration of methane gas in the regenerated methane gas decreases relatively. Therefore, the oxygen concentration in the oxygen gas is preferably 80% by volume or more. It is more preferably 90% by volume or more, still more preferably 95% by volume or more.
  • the concentration of methane gas in the regenerated methane gas is high (about 90% by volume) even when the blast furnace is operated beyond the normal operating period without supplying external methane gas. It is very advantageous because it can be kept at.
  • the oxygen concentration may be 100% by volume.
  • the residual gas other than oxygen in the oxygen gas may contain, for example, nitrogen, carbon dioxide, etc., but nitrogen should be as low as possible. That is, since the blast furnace gas of a general blast furnace contains about 50% by volume of nitrogen gas, the methane concentration in the regenerated methane gas may be low, which is not preferable. In this respect, the blast furnace gas discharged from the blast furnace that blows oxygen gas has a nitrogen concentration of almost zero and has a composition of almost CO, CO 2 and H 2 , and is therefore suitable for methane synthesis.
  • the methane concentration is preferably 80% by volume or more. If the regenerated methane gas is insufficient, methane gas from the outside may be used. That is, if the methane concentration in the blown methane gas is low, the amount of gas blown into the blast furnace and, by extension, the pressure loss of the blast furnace may increase, resulting in a decrease in productivity. Further, while repeating the above-mentioned gas circulation, the methane concentration in the regenerated methane gas relatively decreases. Therefore, the methane concentration of the blown methane gas is preferably 80% by volume or more.
  • the methane concentration of the blown methane gas may be 100% by volume.
  • the methane concentration of the regenerated methane gas (and external methane gas) is preferably 80% by volume or more. It is more preferably 90% by volume or more, still more preferably 95% by volume or more.
  • the methane concentration of the regenerated methane gas (and external methane gas) may be 100% by volume.
  • the remaining gas other than methane in the blown methane gas and the regenerated methane gas (and the external methane gas) may include, for example, carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen and hydrocarbons, and impurity gases such as nitrogen. good.
  • the methane concentration of the regenerated methane gas decreases, for example, the ratio of the regenerated methane gas in the blown methane gas is reduced, while the ratio of the external methane gas having a high methane concentration is increased, so that the methane concentration in the blown methane gas is reduced. Can be kept high.
  • the produced reduced iron 3 can be supplied to the blast furnace 21 as a raw material.
  • the ratio of reducing agents in the blast furnace can be reduced, and CO 2 can be further reduced.
  • the CO 2 emission amount of the reduced iron production process can be set to zero in principle, and the CO 2 from the blast furnace can be reduced to zero. Since it is reused as recycled methane gas, it has the advantage of reducing CO 2 emissions from the blast furnace.
  • a fourth embodiment will be described with reference to FIG.
  • the configuration used as the fourth embodiment is selected and shown in FIG. 1, and the iron-making equipment shown in FIG. 1 is used.
  • reduced iron is produced according to the following procedure.
  • iron oxide 2 is charged from above into the reduction furnace 1 which is the center of the reduced iron production process, and the iron oxide 2 is gradually lowered.
  • the iron oxide 2 is reduced by blowing a reducing gas containing high-temperature CO and H 2 and hydrocarbons from the reducing gas blowing device 10 from the intermediate portion of the reducing furnace 1, and the iron oxide 2 is reduced.
  • the reduced iron 3 is discharged from the lower part of the.
  • the furnace top gas containing CO, CO 2 , H 2 and H 2 O is mainly discharged from the upper part of the reduction furnace 1.
  • the furnace top gas is dust-removed by the dust remover 4
  • a part of the carbon dioxide is separated as a raw material gas by the carbon dioxide separator 8, and then the moisture is adjusted by the second dehydrator 7b to heat and reformer. It is sent to 6.
  • the remaining furnace top gas is dehydrated by the first dehydrating device 7a and then used as heating fuel in the combustion chamber of the heating reforming device 6.
  • blast furnace gas discharged from the blast furnace 21 can be used in addition to the furnace top gas discharged from the reduction furnace 1.
  • the furnace top gas supplied to the heat reformer 6 is heated in the heat reformer 6 together with the synthesized regenerated methane to obtain a high-temperature reducing gas.
  • the furnace top gas and the blast furnace gas used as the raw material gas are adjusted in water content in order to properly adjust the composition of the reducing gas, but CO 2 may be separated by the carbon dioxide separator 8 at the same time.
  • recycled methane, furnace top gas and blast furnace gas are used as the raw material gas for the reduction gas, water or steam may be added to adjust the composition.
  • a mechanism for promoting a reaction such as a catalyst may be provided to generate a reforming reaction to use a reforming gas mainly containing CO and H 2 , or in the heating reforming apparatus. It may be heated only and then blown into the reduction furnace as it is.
  • the operation of the blast furnace is the same as that of the third embodiment. At least a part of the blast furnace gas is introduced into the above-mentioned methane synthesizer 9, and the methane synthesizer 9 reacts carbon monoxide and carbon dioxide contained in the blast furnace gas with hydrogen gas to generate regenerated methane gas. ..
  • the regenerated methane gas is supplied to the heat reformer 6 together with the raw material gas, and is converted into a reducing gas by the heat reformer 6.
  • the remaining regenerated methane gas may be blown from the tuyere as a reducing agent for the blast furnace.
  • a carbon dioxide gas separation / recovery device that separates and recovers carbon dioxide gas from the blast furnace gas and carbon dioxide gas recovered by this carbon dioxide gas separation / recovery device are methane on the upstream side of the methane synthesis device 9.
  • the residual gas of the carbon dioxide gas separation and recovery device containing fuel components such as carbon monoxide and hydrogen can be taken out, and other processes in the steel mill, such as a coke oven and a power plant, can be taken out.
  • the hydrogen gas used for the synthesis of regenerated methane CO 2- free hydrogen supplied from the outside, for example, hydrogen gas generated by electrolysis with photovoltaic power may be used.
  • the above oxygen gas used as a combustion assisting gas in the combustion chamber of the heat reformer 6 does not necessarily have to be pure oxygen having an oxygen concentration of 100%, and some gas other than oxygen, such as nitrogen, carbon dioxide, argon, etc. May be included.
  • the oxygen concentration is too low, the gas volume increases, which causes a problem that the heat reformer 6 and the methane synthesizer 9 for methane synthesis must be enlarged. Therefore, it is preferable to set the oxygen concentration to 80% or more. ..
  • CO 2- free electric power for example, electric power generated by solar power generation or nuclear power generation may be used.
  • the furnace top gas used as a raw material gas was introduced into the heating reformer 6 after removing 86 kg / t of water for moisture adjustment.
  • the furnace top gas used as the heated fuel gas was dehydrated and then burned in the combustion chamber of the heating reformer 6 using pure oxygen generated by a deep cold separation process driven by CO 2-free power. ..
  • the synthesized regenerated methane gas was poured into the heating reformer 6 and used as a raw material for the reducing gas. At that time, since the heating fuel of the heating reformer 6 was not supplied, CO 2- free electric power was supplied from the outside instead, and electric heating was performed. In the above operations , CO 2 emissions were zero because no energy source other than hydrogen and electric heating by CO 2-free power was supplied from the outside.
  • the amount of blast furnace gas supplied in the plant is reduced by the amount used in the reduced iron production process, but since blast furnace gas has low calories, it is rarely used in heating furnaces in the lower process, and is mainly used for power generation. be. Therefore, if the power shortage due to the shortage of supplied blast furnace gas in the steelworks is supplemented with CO 2 free power, the steelworks can be operated without increasing CO 2.
  • Comparative Example 1 A general reduction furnace operation was carried out using the reduced iron production equipment shown in FIG. This general reduction furnace operation is Comparative Example 1 in which the raw material added to the furnace top gas as the raw material gas is natural gas instead of recycled methane gas in the above-mentioned Invention Example 1. That is, the reduction furnace was operated by blowing 2200 Nm 3 / t (H 2 : 62% by volume, CO: 38% by volume) of high-temperature reduction gas heated to 800 ° C. from the middle portion of the reduction furnace 1. At this time, 2200Nm 3 / t from the furnace top (H 2: 46 vol%, CO: 29 vol%, CO 2: 10 vol%, H 2 O: 15% by volume) furnace top gas is discharged.
  • 2200Nm 3 / t H 2: 46 vol%, CO: 29 vol%, CO 2: 10 vol%, H 2 O: 15% by volume
  • Comparative Example 2 A general reduction furnace operation was carried out using the reduced iron production equipment shown in FIG.
  • This general reduction furnace operation is Comparative Example 2 in the above-mentioned Invention Example 1 in which the raw material to be added to the furnace top gas as the raw material gas is coke oven gas instead of recycled methane gas. That is, in Comparative Example 2, in Comparative Example 1, reduced iron is produced by pouring 524 Nm 3 / t coke oven gas into the heating reformer 6 instead of natural gas. Therefore, as in Comparative Example 1, the CO 2 emitted as the combustion exhaust gas of the heating reformer 6 is 456 kg-CO 2 / t, which is a part of the coke oven gas generated in the steelworks.
  • the coke oven gas used in Comparative Example 2 is an important process gas used as a fuel for the lower process process, for example, a burner fuel for a heating furnace in an integrated steel mill, it is used in a large amount in the reduced iron process. If this happens, there will be a problem of running out of fuel in the lower process.
  • the amount of coke oven gas generated during the production of coke used in steelworks with a blast furnace of 10000 t / day is 1.69 million Nm 3 / day. Assuming that the production amount of reduced iron is 3000 tons / day, the coke oven gas consumed in the reduced iron production process of the present invention is 1.57 million Nm 3 / t, and almost all of the generated coke oven gas is used up. become. Therefore, the method of Comparative Example 2 cannot be applied to an actual steel mill.

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Abstract

酸化鉄から還元鉄を製造する際に、省エネルギー化並びにＣＯ２排出量の削減が可能となる方途の実現に寄与する製鉄設備を提案する。　酸化鉄を還元する高炉と、酸化鉄を還元する還元炉と、前記高炉から副生する二酸化炭素、一酸化炭素、水素を含む高炉ガスおよび／または前記還元炉の炉頂より排出される二酸化炭素、一酸化炭素、水素を含む炉頂ガス並びに、水素ガスからメタンを合成するメタン合成装置と、前記メタン合成装置で合成されたメタンガスを前記高炉に吹き込む吹込み装置と、前記高炉ガスおよび／または前記炉頂ガス並びに、前記メタン合成装置で合成されたメタンガスを加熱または加熱改質し一酸化炭素ガスおよび水素ガスを含む還元ガスとする加熱改質装置と、前記還元ガスを前記還元炉に吹き込む還元ガス吹込み装置と、前記炉頂ガスを前記メタン合成装置および／または前記加熱改質装置へ供給する供給経路と、を有する。

Description

製鉄設備および還元鉄の製造方法
　本発明は、製鉄設備および該製鉄設備を用いる還元鉄の製造方法に関する。
　近年、地球環境問題や化石燃料枯渇問題を背景として、様々な分野において省エネルギー化並びに二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量低減が強く求められている。これらのことは、製鉄所においても例外ではなく、製鉄所の各工程にて省エネルギー化への努力がなされている。
　さて、鉄の原料は主に酸化鉄であり、この酸化鉄を還元する、還元プロセスが必須となる。世界的に最も普及している、一般的な還元プロセスは高炉である。この高炉では、羽口においてコークスや微粉炭と熱風（１２００℃程度に加熱した空気）中の酸素とを反応させてＣＯおよびＨ２ガス（還元ガス）を生成させ、これらの還元ガスにより炉中の鉄鉱石等の還元を行っている。近年の高炉操業技術の向上により、還元材比（溶銑１ｔの製造あたりのコークスおよび微粉炭の使用量）は５００ｋｇ／ｔ程度まで低減したが、還元材比の低減はすでに限界に達しており、これ以上の大幅な還元材比の低減は期待できない。
　一方、天然ガスが産出される地域では、竪型の還元炉に酸化鉄原料として焼結鉱、ペレット等の塊成化した鉄鉱石（以下、酸化鉄と総称する）を充填し、水素及び一酸化炭素を含む還元ガスを吹き込んで酸化鉄を還元して還元鉄を製造する方法もよく用いられている。この方法では、還元ガスの原料ガスとして天然ガスなどが用いられる。原料ガスは、還元炉の炉頂から排出される炉頂ガスとともに改質器内で加熱・改質されて還元ガスが生成される。生成された還元ガスは還元炉に吹き込まれ、還元炉の上部から供給される酸化鉄原料と反応し、酸化鉄が還元され、還元鉄となる。製造された還元鉄は還元炉の下部から排出される。なお、酸化鉄の還元に供した後のガスは還元炉の炉頂から炉頂ガスとして排出され、集塵・冷却ののち、一部は改質ガスの原料として改質器に送りこまれる。また、残りの炉頂ガスは、加熱・改質器の燃料ガスとして用いられる。
　上記の還元鉄製造プロセスとして、例えば特許文献１には、還元炉の排ガスと天然ガスとを改質器にて改質し、主にＣＯとＨ２ガスからなる還元ガスを生成し、この還元ガスを還元炉に吹込み還元炉内の酸化鉄を還元し、還元鉄を製造することが記載されている。
　また、特許文献２には、コークス炉ガスとＣＯ２除去した還元炉の炉頂ガスを改質して還元ガスを製造し、それを還元炉に吹き込むことで還元鉄を製造する方法が記載されている。
特開２０１７－８８９１２号公報 特許第６１９０５２２号公報
　特許文献１に記載の還元鉄製造方法では、還元ガス製造のために天然ガスを用いるため、高炉よりは低位ではあるものの、ある程度のＣＯ２排出が避けられないという、問題がある。
　また、特許文献２に記載の方法は、製鉄所内で生成されるコークス炉ガスもしくは転炉ガスを用いて還元ガスを製造するものである。ここで、一貫製鉄所においてコークス炉ガスや転炉ガスは加熱炉や焼鈍炉などの下工程の燃料ガスとして不可欠であるため、還元鉄製造プロセスに転用してしまうと、下工程において燃料ガス不足を引き起こすことになる。その結果、結局は下工程の不足ガス補償のために天然ガスを外部供給することになり、ＣＯ２排出量の削減は実現されずに課題として残るものであった。
　さらに、特許文献２の方法では、コークス炉ガスを原料として改質して還元ガスとしているが、コークス炉ガスには硫黄分が多く含まれるため、改質器などの反応を伴う設備に付随する触媒を痛める懸念がある。また、還元鉄製造プロセスは、Ｈ２とＣＯとの比を１．５前後とすると適正な操業ができるといわれている。しかしながら、転炉ガスはＨ２含有量が少なく、生成された還元ガスのＨ２／ＣＯの値が低くなりすぎるため、還元鉄プロセスの操業適正組成から外れてしまう。これを回避するためには、転炉ガスに対してＣＯ２分離を行う必要があり、余分なＣＯ２分離のエネルギーが必要となってしまう問題もある。
　本発明は、上記の現状に鑑みなされたものであって、酸化鉄から還元鉄を製造する際に、省エネルギー化の実現並びに、ＣＯ２排出量の削減が可能となる方途を、その実現に寄与する製鉄設備に併せて提案することを目的とする。
　発明者らは、従来技術が抱えている前述の課題を解決するために鋭意研究した結果、以下に述べる新規な製造設備並びに還元鉄の製造方法を開発するに至った。
　即ち、本発明の要旨は、次のとおりである。
１．酸化鉄を還元する高炉と、
　酸化鉄を還元する還元炉と、
　前記高炉から副生する二酸化炭素、一酸化炭素、水素を含む高炉ガスおよび／または前記還元炉の炉頂より排出される二酸化炭素、一酸化炭素、水素を含む炉頂ガス並びに、水素ガスからメタンを合成するメタン合成装置と、
　前記メタン合成装置で合成されたメタンガスを前記高炉に吹き込む吹込み装置と、
　前記高炉ガスおよび／または前記炉頂ガス並びに、前記メタン合成装置で合成されたメタンガスを加熱または加熱改質し一酸化炭素ガスおよび水素ガスを含む還元ガスとする加熱改質装置と、
　前記還元ガスを前記還元炉に吹き込む還元ガス吹込み装置と、
　前記炉頂ガスを前記メタン合成装置および／または前記加熱改質装置へ供給する供給経路と、
を有することを特徴とする製鉄設備。
２．前記１において、前記供給経路に、前記炉頂ガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離装置を有する製鉄設備。
３．前記１または２において、前記メタン合成装置の上流側に前記高炉ガスから二酸化炭素ガスを分離回収する二酸化炭素ガス分離回収装置と、
　前記二酸化炭素ガス分離回収装置で回収された二酸化炭素ガスを前記メタン合成装置へ供給する経路と、を有する製鉄設備。
４．前記１、２または３に記載の製鉄設備を使用する還元鉄の製造方法であって、
　酸化鉄を還元炉へ充填する酸化鉄充填工程と、
　前記還元炉へ還元ガスを吹込む還元ガス吹込み工程と、
　二酸化炭素および一酸化炭素を含む混合ガスまたは二酸化炭素ガスと、水素ガスとからメタンを合成するメタン合成工程と、
　前記メタンガスおよび前記混合ガスを原料ガスとして、前記原料ガスを加熱して前記還元ガスに改質するガス改質工程と、
　前記還元炉内で前記還元ガスにより前記酸化鉄を還元する還元工程と、
を有する還元鉄の製造方法。
５．前記混合ガスが、高炉から副生される高炉ガスおよび／または前記還元炉の炉頂から排出される炉頂ガスである前記４に記載の還元鉄の製造方法。
６．前記メタン合成工程で合成されたメタンガスの一部を前記高炉に吹き込む前記５に記載の還元鉄の製造方法。
７．前記高炉が、送風に酸素ガスを用いる高炉である前記５または６に記載の還元鉄の製造方法。
８．前記１、２または３に記載の製鉄設備を使用する還元鉄の製造方法であって、
　酸化鉄を還元炉へ充填する酸化鉄充填工程と、
　前記還元炉へ還元ガスを吹込む還元ガス吹込み工程と、
　前記還元炉の炉頂より排出される二酸化炭素、一酸化炭素、水素を含む炉頂ガスから二酸化炭素を分離し、一酸化炭素と水素を含む混合ガスを回収する二酸化炭素分離工程と、
　前記混合ガスを原料ガスとして、前記原料ガスを加熱して前記還元ガスとするガス加熱工程と、
　前記還元炉内で前記還元ガスにより前記酸化鉄を還元する還元工程と、
を有する還元鉄の製造方法。
９．前記原料ガスの一部にメタンガスを使用する前記８に記載の還元鉄の製造方法。
１０．前記メタンガスが、前記還元炉の炉頂より排出される二酸化炭素、一酸化炭素、水素を含む炉頂ガスの一部および／または前記高炉から副生する二酸化炭素、一酸化炭素、水素を含む高炉ガスの一部と、水素ガスとからメタンを合成するメタン合成工程で合成された再生メタンガスであり、
　前記再生メタンガスの一部を前記高炉に吹き込む前記９に記載の還元鉄の製造方法。
１１．前記高炉が、送風に酸素ガスを用いる高炉である前記１０に記載の還元鉄の製造方法。
　本発明によれば、従来天然ガスを用いて酸化鉄原料の還元ガスを製造していたのに対し、二酸化炭素および一酸化炭素を含む混合ガスまたは二酸化炭素ガスと、水素ガスとからメタンを合成し、このメタンガスおよび前記混合ガスを原料ガスとして、これを加熱して還元ガスを製造し、この還元ガスを酸化鉄の還元処理に供するという、例えば高炉ガスを利用する還元鉄製造プロセスが実現される結果、還元鉄製造プロセスにおけるＣＯ２排出量を大幅に削減することができる。
本発明の製造設備を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に用いる還元鉄製造設備を示す模式図である。 本発明の第２実施形態に用いる還元鉄製造設備を示す模式図である。 本発明の第４実施形態に用いる還元鉄製造設備を示す模式図である。 比較例に用いる還元鉄製造設備を示す模式図である。 比較例に用いる還元鉄製造設備を示す模式図である。
　本発明の製鉄設備の一例を図１に示す。すなわち、図１において、符号１は還元炉、２は酸化鉄、３は還元鉄、４は還元炉１からの炉頂ガスに対する除塵装置、５は炉頂ガスの供給経路、６は後述のメタン合成装置からのメタンガスおよび／または一酸化炭素ガスを加熱または加熱改質して一酸化炭素ガスおよび水素ガスを含む還元ガスとする加熱改質装置、７ａは第１の脱水装置、７ｂは第２の脱水装置、７ｃは第３の脱水装置、８は炉頂ガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離装置、９は炉頂ガスや高炉ガスと水素とからメタンを合成するメタン合成装置、１０は還元炉１へ還元ガスを供給する還元ガス吹込み装置である。さらに、符号２１は高炉、２２はメタン吹込装置（羽口）、２３は高炉側の脱水装置、２４はバーナーである。
　本発明の還元鉄の製造方法は、以上の製鉄設備を部分的または全面的に用いて、種々の形態に従って還元鉄を製造するものであり、酸化鉄を還元炉へ充填する酸化鉄充填工程と、前記還元炉へ還元ガスを吹込む還元ガス吹込み工程と、二酸化炭素および一酸化炭素を含む混合ガスまたは二酸化炭素ガスと水素ガスとからメタンを合成するメタン合成工程と、前記メタンガスおよび前記混合ガスを原料ガスとして、前記原料ガスを加熱して前記還元ガスに改質するガス改質工程と、前記還元炉内で前記還元ガスにより前記酸化鉄を還元する還元工程と、を有することを基本とするものである。なお、ここで言う還元炉とは、投入した酸化鉄原料を固体のまま還元し、該還元後の鉄を排出するまでのプロセスを指し、高炉のような高温溶解させた鉄を製造するプロセスは含まない。
　以下に、本発明の還元鉄の製造方法について実施形態毎に詳しく説明する。
［第１実施形態］
　第１の実施形態について、図２を参照して説明する。図２には、図１において第１の実施形態として用いる構成を選択して示してあり、図１に示した製鉄設備を用いている。
　本発明の第１実施形態では、次の手順に従って還元鉄を製造する。まず、還元鉄製造プロセスの中心となる還元炉１に、上部から酸化鉄２を装入し、該酸化鉄２を徐々に降下させる。その酸化鉄２の降下過程において、還元炉１の中間部から高温のＣＯ、Ｈ２および炭化水素を含む還元ガスを還元ガス吹込み装置１０から吹き込むことによって酸化鉄２を還元し、還元炉１の下部から還元鉄３を排出する。この還元炉１内での還元処理において、還元炉１の上部からは主にＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２およびＨ２Ｏを含む炉頂ガスが排出される。この炉頂ガスは除塵装置４にて除塵されてから、一部は原料ガスとして第２の脱水装置７ｂにて水分調整して加熱改質装置６に送り込まれる。残りの炉頂ガスは、第１の脱水装置７ａにて脱水ののち、加熱改質装置６の燃焼室において加熱用燃料として用いる。なお、加熱改質装置６の燃焼室にて炉頂ガスを燃焼させる際の助燃ガスとしては、窒素が混入しないように空気ではなく酸素ガスを用いることが好ましい。
　加熱改質装置６に供給する炉頂ガスを加熱改質装置６内において加熱して高温の還元ガスとするには、炉頂ガスと共に、炉頂ガス成分（ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２およびＨ２Ｏ）を還元成分（ＣＯ、Ｈ２および炭化水素）に調整するための炭化水素ガスを加熱改質装置６内に供給する必要がある。この炭化水素ガスとして、従来は天然ガスを外部から供給していたことは上述の通りであるが、本発明に従う第１実施形態では、天然ガス等の外部から供給される炭化水素ガスの代わりに、上記した製鉄設備内において、メタン合成装置９を用いて生成した再生メタンガス（図１において再生ＣＨ４）を用いることが肝要である。
　ここで、メタンガスを合成するための原料は、外部から供給する水素ガスと、ＣＯ、ＣＯ２および炭化水素を含むガスを用いる。ＣＯ、ＣＯ２および炭化水素を含むガスは、製鉄所内で入手可能なガスであれば適用可能であるが、この第１実施形態では、図２に示すように、上記加熱改質装置６の燃焼室からの燃焼排ガスを用いる。すなわち、加熱改質装置６の燃焼室にて炉頂ガスを助燃ガスとして好ましくは酸素ガスと共に燃焼させる際に発生する、燃焼排ガスを、第４の脱水装置７ｄにて脱水した後、水素と共にメタン合成装置９に供給し、ここでメタン合成を行う。合成された再生メタンは、原料ガスである炉頂ガスを第２の脱水装置７ｂにて水分調整したガスと共に、加熱改質装置６内に供給し、加熱改質装置６内にて加熱を行って高温の還元ガスとして還元炉１へ供給する。
　上記原料ガスとして用いる炉頂ガスは、還元ガスの組成を適正に調整するために水分調整を行うが、併せて二酸化炭素分離装置８にてＣＯ２分離を行ってもよい。また、還元ガスの原料ガスには再生メタンおよび炉頂ガスを用いているが、組成調整のために水もしくは水蒸気を添加してもよい。また、加熱改質装置６においては、触媒等反応を促進する機構を設けて改質反応を発生させ、ＣＯ、Ｈ２を主とする改質ガスとしてもよいし、或いは加熱改質装置内では加熱のみを行い、そのまま還元炉に吹き込んでもよい。なお、ＣＯ２分離を行った際は、分離後のＣＯ２リッチなガスをメタン合成装置９の原料ガスとして用いることができるが、ＣＯ等の可燃ガスを含む残ガスは、加熱改質装置６の燃料ガスとして用いるか、製鉄所内の他プロセスへ供給して燃料ガス等に用いればよい。
　ちなみに、再生メタンの合成に用いる水素ガスは、外部から供給するＣＯ２フリーの水素、例えば太陽光発電電力にて水を電気分解して生成される水素ガスなどを用いればよい。また、加熱改質装置６の燃焼室において助燃ガスとして用いる、上記の酸素ガスは必ずしも酸素濃度１００％の純酸素である必要はなく、多少の酸素以外のガス、例えば窒素、二酸化炭素、アルゴン等が含まれていてもよい。ただし、酸素濃度が低すぎるとガス体積が増大し、加熱改質装置６やメタン合成を行うメタン合成装置９を大型化しなければならない問題が生じるため、酸素濃度を８０％以上とすることが好ましい。第１実施形態では、酸素製造や水素製造にＣＯ２フリーの電力を用いれば、原理的にはＣＯ２排出をゼロとすることができる。ちなみに、ＣＯ２フリーの電力としては、例えば太陽光発電、原子力発電によって発生させた電力を用いればよい。
［第２実施形態］
　本発明の第２の実施形態を図３に示す。第２実施形態では、還元炉１から発生した炉頂ガスのうち、第１実施形態において加熱改質装置６の加熱に用いていた分を、脱水装置７ｅにて水分調整してからメタン合成装置９に流し込み、再生メタンガス（図３において再生ＣＨ４）の原料とすることによって、加熱改質装置６において必要な量の再生メタンを合成する。このとき、加熱改質装置６の加熱用燃料が不足するようであれば、代替として外部よりＣＯ２フリーの熱源、例えばＣＯ２フリー電力を利用して加熱する外部熱源を用いることも可能である。この第２実施形態において、加熱改質装置６での加熱や水素製造にＣＯ２フリーの電力を用いれば、原理的にはＣＯ２排出をゼロとすることができる。
　なお、以上の第１および第２の実施形態において、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、Ｈ２Ｏ、炭化水素以外の少量の不要ガス、例えばパージ用の窒素ガス等が混入すると、還元鉄製造プロセス内に不要ガスが徐々に蓄積してきてしまい、還元ガス濃度が低下してしまう問題がおこる。よって、系内にて窒素濃度を定期的に監視し、ある程度まで窒素濃度が上昇したら、例えば窒素濃度２０％以上となったら、一時的にメタン合成装置９に流入する炉頂ガスもしくは燃焼排ガスを系外に排出する操業を行うと良い。このときは再生メタンガスが生成できなくなるため、一時的に再生メタンガスの代わりに天然ガス等を吹き込む操業を行うことも可能である。
　また、メタン合成の原料として外部から供給される水素ガスに関しては、ＣＯ２を極力発生しない製法で製造することが好ましい。例えば、水の電気分解などを用いればよい。このとき、Ｈ２ガスは必ずしも濃度１００％のＨ２ガスでなくてもよいが、生成された再生メタンガス中のメタン濃度を高く保つためにはＨ２濃度が高いほど良い。好ましくは、Ｈ２濃度が８０体積％以上である。
［第３実施形態］
　本発明の第３の実施形態について、上記した図１を参照して説明する。
　第３実施形態は、溶銑を製造する高炉のある製鉄所において、本発明に従う還元鉄製造プロセスを併設する場合に有利に成立する方法である。まず、第３実施形態は、還元鉄製造プロセスとして、例えば図１に示すように、還元炉１の炉頂から排出される炉頂ガスは、除塵装置４にて除塵されてから、一部は原料ガスとして第２の脱水装置７ｂにて水分調整して加熱改質装置６に送り込まれ、残りの炉頂ガスは、第１の脱水装置７ａにて脱水ののち、加熱改質装置６の燃焼室において加熱用燃料として用いる。
　ここで、第３実施形態では、メタン合成装置９におけるメタン合成の原料として、第１実施形態において用いた加熱改質装置６からの燃焼排ガスは用いずに、第２実施形態において用いた炉頂ガスに加えて、高炉２１から排出される高炉ガスを用いるところに特徴がある。以下に、第３実施形態における、高炉の操業方法について説明する。
［高炉の操業方法］
　本発明の第３実施形態に従う高炉の操業方法では、高炉２１の炉頂部から高炉内へ原料となる焼結鉱や塊鉱石、ペレット（以下、鉱石原料ともいう）やコークスなどが装入される（図示せず）。また、高炉２１下部に設置された吹込装置（羽口）２２から高炉２１内へ、送風ガスと還元材および再生メタンガスとが吹込まれる。なお、吹込装置２２から高炉２１内へ吹込む還元材を、コークスと区別するため、吹込み還元材ともいう。
　そして、送風ガスと還元材の反応により生じた一酸化炭素ガスや水素ガスによって、高炉２１内に装入した鉱石原料が還元される。この鉱石原料の還元反応において、二酸化炭素が発生し、鉱石原料と反応しなかった一酸化炭素や水素などとともに、副生ガスとして、高炉の炉頂部から排出される。高炉２１の炉頂部は２．５気圧程度の高圧条件となっているので、この高炉の炉頂部から排出される高炉ガス（副生ガス）が、常圧に戻る際の膨張冷却で水蒸気が凝縮するため、脱水装置２３において、その凝縮水が除去される。
　ついで、高炉ガスの少なくとも一部を、上記したメタン合成装置９に導入する。そして、メタン合成装置９において、高炉ガスに含まれる一酸化炭素および二酸化炭素と、水素ガスとを反応させて、メタン（ＣＨ４）ガスを生成する。ここで、高炉ガスを反応させて得たメタンガスを、再生メタンガス（図１において再生ＣＨ４）と称する。得られた再生メタンガスを常温まで冷却することにより、再生メタンガス中の水蒸気が凝縮され、上記の第３の脱水装置７ｃにおいて副生水が除去される。なお、上述したように、この副生水を、水の電気分解装置に供給し、水の電気分解で使用することが好ましい。なお、メタン合成装置９に供給する高炉ガスの少なくとも一部は、高炉ガスから排出された組成のままでなくともよい。例えば、二酸化炭素ガス分離回収装置により二酸化炭素を分離し、二酸化炭素のみをメタン合成装置に供給するようにしてもよい。
　かくして得られた再生メタンガスは、上記した原料ガスである炉頂ガスと共に加熱改質装置６に供給し、加熱改質装置６内にて加熱を行って高温の還元ガスとして還元炉１へ供給する。
　さらに、再生メタンガスの一部は、吹込み装置２２に吹込還元材として供給することが好ましい。吹込還元材に再生メタンガスを流用することによって、その他の吹込み還元材、例えば、微粉炭や廃プラスチック、水素ガスや一酸化炭素ガス等の還元ガスの使用量を抑えることができる。ちなみに、吹込み還元材の高炉内への吹込み量は、再生メタンガスおよび、その他の吹込み還元材の、合計で１５０ｋｇ／ｔ以下とすることが好適である。ここで、「ｋｇ／ｔ」という単位は、溶銑１ｔを製造する際に高炉内へ吹込むその他の吹込み還元材の量である。
　なお、再生メタンガスの生成に使用する水素ガスは、水素濃度：１００体積％のガスでなくてもよいが、再生メタンガスのメタン濃度を高濃度とするため、水素濃度が高いガス、具体的には、水素濃度が８０体積％以上の水素ガスを用いることが好ましい。より好ましくは９０体積％以上、さらに好ましくは９５体積％以上である。水素以外の残部ガスとしては、例えば、ＣＯやＣＯ２、Ｈ２Ｓ、ＣＨ４、Ｎ２などが挙げられる。
　ここで、再生メタンガスの生成の際に使用する水素ガスの少なくとも一部に、例えば水の電気分解装置において、水の電気分解により生成する水素ガスを用いることが好ましい。　というのは、
・水の電気分解で使用する水に、再生メタンガスを生成する工程において副次的に生成する副生水を使用することができ、
・また、水の電気分解において副次的に生成する副生酸素ガスを、羽口２２の送風ガスとして用いる酸素ガスに使用することができる、
ことから、この高炉の操業条件（送風ガスとして酸素ガスを用い、かつ、還元材として再生メタンガスを用いる）と組み合わせることにより、極めて高効率な資源循環システムを構築することが可能となり、また、操業柔軟性も向上するからである。
　また、水の電気分解で使用する水には、上記したように、副生水を使用することが好適であるが、不足分については、製鉄所内から、適宜、供給すればよい。
　さらに、副生酸素ガスは、全量、送風ガスとして用いる酸素ガスとして使用することが好適であるが、供給量に応じて、別の酸素使用設備（例えば、転炉や電気炉、燃焼機器（加熱炉バーナーや焼結点火バーナー）など）に供給してもよい。
　加えて、再生メタンガスの生成の際に使用する水素ガスは、全量、水の電気分解で発生する水素ガスを用いることが好適であるが、不足分については、外部や製鉄所内の別の設備から供給すればよい。
　製鉄所内の水素ガスの供給源としては、例えば、コークス炉ガス（コークス炉から排出される副生ガス）などが挙げられる。コークス炉ガスから水素ガスを供給する場合、コークス炉ガス中の水素をＰＳＡ（物理吸着）などで分離回収する方法や、コークス炉ガス中の炭化水素を改質（部分酸化）し、この改質ガスから、水素をＰＳＡ（物理吸着）などで分離回収する方法、などが挙げられる。
　また、外部から供給される水素ガスとしては、例えば、天然ガスなどの炭化水素を水蒸気改質などによって改質することで製造される水素ガスや、液化水素を気化させて得られる水素ガス、有機ハイドライドを脱水素して製造される水素ガスなどが挙げられる。
　なお、水の電気分解で使用する電力としては、特に限定されるものではないが、再生可能エネルギー由来の電力や製鉄所内の発電設備で発電した電力を使用することが好ましい。
　再生可能エネルギー由来の電力を使用する場合、二酸化炭素の排出量の一層の削減が可能となる。ここで、再生可能エネルギーとは、自然界に定常的に存在するエネルギーであり、例えば、太陽光や風力、水力、地熱、バイオマスなどが挙げられる。
　また、製鉄所内の発電設備で発電した電力を使用する場合、より高効率な資源循環システムを構築することが可能となる。ここで、製鉄所内の発電設備としては、例えば、高炉の炉頂圧発電設備や、高炉ガスを燃料（熱源）とする発電設備が挙げられる。なお、高炉ガスを燃料（熱源）とする発電設備では、高炉の操業状態に合わせて、コークス炉ガスや転炉ガス（転炉から排出される副生ガス）、都市ガスを燃料に用いることができる。
　吹込み装置２２では、再生メタンガス等の吹込み還元材および酸素ガスが混合され、この混合ガスが、吹込み装置２２から高炉２１内に吹込まれた直後に、急速着火・急速ガス化する。そして、吹込み装置２２の先の高炉内に、再生メタンガス等の吹込み還元材やコークスと酸素ガスとが反応する領域であるレースウェイが形成される。
　なお、送風ガス中の酸素濃度が増加すると、炉内ガス量が少なくなり、高炉上部における装入物の昇温が不十分となる場合がある。この場合には、図１に示すように、脱水装置２３の下流の高炉ガスの一部を、８００℃～１０００℃程度となるようにバーナー２４により部分燃焼させた後、高炉シャフト部に吹込む予熱ガス吹込みを行うことが好ましい。
　ここで、第３実施形態において、吹込み装置２２には、送風ガスとして、熱風（１２００℃程度に加熱した空気）ではなく、酸素ガスを使用することが重要である。
　すなわち、送風ガスとして、熱風（１２００℃程度に加熱した空気）を使用する場合、燃焼ガス中に燃焼反応に寄与しない５０体積％程度の窒素が含まれるため、レースウェイにおける火炎の温度は高温となり難い。そのため、高炉内に吹込む還元材の多くを微粉炭からメタンガスに置換すると、上記した微粉炭－酸素の反応における反応熱と、メタンガス－酸素の反応における反応熱との差によって、吹込み装置２２の羽口先温度が低下して、羽口先温度が適正温度の下限である２０００℃を下回ってしまう。その結果、高炉下部の着熱不足や圧損上昇、出滓不良などの操業トラブルを招く。また、高炉ガスに窒素が多量に含まれるようになるので、高炉ガスからメタンガスを生成する工程の前工程で、窒素と、一酸化炭素および二酸化炭素とを分離する工程が必要となる。
　一方、送風ガスとして、酸素ガスを使用することにより、燃焼反応に寄与しない窒素ガスの混入を抑制できるので、羽口先温度を十分な温度まで昇温することが可能となる。すなわち、レースウェイにおける火炎の温度を、熱風を使用する場合と比べて高温とすることができるため、羽口から還元材として多量のメタンを吹込む場合にも、羽口先温度を適正範囲である２０００℃～２４００℃の範囲に制御することが可能となる。
　そのため、第３実施形態における高炉の操業方法では、送風ガスとして、酸素ガスを使用することが重要となる。
　また、上述したように、水の電気分解において、副次的に生成する副生酸素ガスを、送風ガスとして用いる酸素ガスとして使用することが好適であり、これによって、高効率な資源循環システムを構築することが可能となる。なお、副生酸素ガス以外の酸素ガスは、例えば、深冷式空気分離装置により製造することができる。
　また、酸素ガスの酸素濃度は、８０体積％以上とすることが好ましい。すなわち、酸素ガス濃度が低いと、高炉内への導入するガス量、ひいては、高炉の圧力損失が増大して、生産性が低下するおそれがある。また、上記のガス循環を繰り返す間に、再生メタンガス中のメタンガスの濃度が相対的に低下する。そのため、酸素ガスにおける酸素濃度は８０体積％以上とすることが好ましい。より好ましくは９０体積％以上、さらに好ましくは９５体積％以上である。特に、酸素濃度が９０％以上であれば、通常の高炉の操業期間を超えて操業する場合にも、外部メタンガスの供給などなしに、再生メタンガス中のメタンガス濃度を高濃度（９０体積％程度）に保つことができるので、非常に有利である。酸素濃度は１００体積％であってもよい。
　なお、酸素ガス中の酸素以外の残部ガスとしては、例えば、窒素や二酸化炭素等が含まれていてもよいが、窒素は極力低いほうがよい。すなわち、一般的な高炉の高炉ガスでは約５０体積％の窒素ガスが含まれているため、再生メタンガス中のメタン濃度が低くなる可能性があり好ましくない。この点、酸素ガスを送風する高炉から排出される高炉ガスは、窒素濃度がほぼゼロとなり、ほぼＣＯ、ＣＯ２およびＨ２の組成となるため、メタン合成に好適である。
　また、再生メタンガスの一部を吹込みメタンガスとして用いる場合、メタン濃度は８０体積％以上とすることが好ましい。なお、再生メタンガスが不足する場合は、外部からのメタンガスを使用してもよい。
　すなわち、吹込みメタンガス中のメタン濃度が低いと、高炉内への吹込むガス量、ひいては、高炉の圧力損失が増大して、生産性が低下するおそれがある。また、上記したガス循環を繰り返す間に、再生メタンガス中のメタン濃度が相対的に低下する。そのため、吹込みメタンガスのメタン濃度は、８０体積％以上とすることが好ましい。より好ましくは９０体積％以上、さらに好ましくは９５体積％以上である。吹込みメタンガスのメタン濃度は１００体積％であってもよい。
　同様の理由から、再生メタンガス（および外部メタンガス）のメタン濃度も、８０体積％以上とすることが好ましい。より好ましくは９０体積％以上、さらに好ましくは９５体積％以上である。再生メタンガス（および外部メタンガス）のメタン濃度は１００体積％であってもよい。
　なお、吹込みメタンガス、再生メタンガス（および外部メタンガス）中のメタン以外の残部ガスとしては、例えば、一酸化炭素、二酸化炭素、水素および炭化水素、ならびに、窒素などの不純物ガスが含まれていてもよい。
　また、再生メタンガスのメタン濃度が低下した場合には、例えば、吹込みメタンガスにおける再生メタンガスの割合を低下させる一方、メタン濃度の高い外部メタンガスの割合を増加させることによって、吹込みメタンガス中のメタン濃度を高く保つことが可能である。
　以上で述べた第３実施形態では、製造された還元鉄３を高炉２１に原料として供給することができる。その結果、高炉の還元材比を削減でき、さらなるＣＯ２削減を行うことも可能である。また、この第３実施形態においても、第１および第２の実施形態と同様に、還元鉄製造プロセスのＣＯ２排出量は原理的にゼロとすることができるのに加え、高炉からのＣＯ２も再生メタンガスとして再利用されるから、高炉からのＣＯ２排出も削減できる利点がある。
［第４実施形態］
　第４の実施形態について、図４を参照して説明する。図４には、図１において第４の実施形態として用いる構成を選択して示してあり、図１に示した製鉄設備を用いている。
　本発明の第４実施形態では、次の手順に従って還元鉄を製造する。まず、還元鉄製造プロセスの中心となる還元炉１に、上部から酸化鉄２を装入し、該酸化鉄２を徐々に降下させる。その酸化鉄２の降下過程において、還元炉１の中間部から高温のＣＯおよびＨ２および炭化水素を含む還元ガスを還元ガス吹込み装置１０から吹き込むことによって酸化鉄２を還元し、還元炉１の下部から還元鉄３を排出する。この還元炉１内での還元処理において、還元炉１の上部からは主にＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２およびＨ２Ｏを含む炉頂ガスが排出される。この炉頂ガスは除塵装置４にて除塵されてから、一部は原料ガスとして二酸化炭素分離装置８にて二酸化炭素を分離後、第２の脱水装置７ｂにて水分調整して加熱改質装置６に送り込まれる。残りの炉頂ガスは、第１の脱水装置７ａにて脱水ののち、加熱改質装置６の燃焼室において加熱用燃料として用いる。また、原料ガスには還元炉１から排出される炉頂ガスに加え高炉２１から排出される高炉ガスを使用することができる。
　次いで、加熱改質装置６に供給する炉頂ガスを、合成された再生メタンとともに加熱改質装置６内において加熱して高温の還元ガスとする。
　上記原料ガスとして用いる炉頂ガスおよび高炉ガスは、還元ガスの組成を適正に調整するために水分調整を行うが、併せて二酸化炭素分離装置８にてＣＯ２分離を行ってもよい。また、還元ガスの原料ガスには再生メタン、炉頂ガスおよび高炉ガスを用いているが、組成調整のために水もしくは水蒸気を添加してもよい。また、加熱改質装置６においては、触媒等反応を促進する機構を設けて改質反応を発生させ、ＣＯ、Ｈ２を主とする改質ガスとしてもよいし、また加熱改質装置内では加熱のみを行い、そのまま還元炉に吹き込んでもよい。
　なお、高炉の操業は第３実施形態と同一である。高炉ガスの少なくとも一部を、上記したメタン合成装置９に導入し、メタン合成装置９において、高炉ガスに含まれる一酸化炭素および二酸化炭素と、水素ガスとを反応させて、再生メタンガスを生成する。再生メタンガスは、加熱改質装置６に原料ガスとともに供給され、加熱改質装置６にて還元ガスとする。残った再生メタンガスは、高炉の還元材として羽口から吹き込んでもよい。
　また、図４の設備において、メタン合成装置９の上流側に高炉ガスから二酸化炭素ガスを分離回収する二酸化炭素ガス分離回収装置と、この二酸化炭素ガス分離回収装置で回収された二酸化炭素ガスをメタン合成装置９へ供給する経路とを、さらに設けることによって、一酸化炭素、水素などの燃料成分を含む二酸化炭素ガス分離回収装置の残ガスを取り出し、製鉄所内の他工程、例えばコークス炉や発電所の燃料として用いることができる。すなわち、製鉄所内へのエネルギー供給を行いつつ、本発明を実施することも可能である。
　ちなみに、再生メタンの合成に用いる水素ガスは、外部から供給するＣＯ２フリーの水素、例えば太陽光発電電力にて電気分解して生成される水素ガスなどを用いればよい。また、加熱改質装置６の燃焼室において助燃ガスとして用いる、上記の酸素ガスは必ずしも酸素濃度１００％の純酸素である必要はなく、多少の酸素以外のガス、例えば窒素、二酸化炭素、アルゴン等が含まれていてもよい。ただし、酸素濃度が低すぎるとガス体積が増大し、加熱改質装置６やメタン合成を行うメタン合成装置９を大型化しなければならない問題が生じるため、酸素濃度を８０％以上とすることが好ましい。第１実施形態では、酸素製造や水素製造にＣＯ２フリーの電力を用いれば、原理的にはＣＯ２排出をゼロとすることができる。ちなみに、ＣＯ２フリーの電力としては、例えば太陽光発電、原子力発電によって発生させた電力を用いればよい。
　以下、本発明の実施例を記載する。なお、ここでは、還元鉄（ＤＲＩ）１ｔ製造あたりの原単位として操業諸元を記載する。たとえば、３０００ｔ／日の還元鉄プラントを考える場合は、下記を３０００倍すれば１日当たりの諸元となる。
［発明例１］
　図２に模式的に示した還元鉄製造設備を用いて、次に示す還元炉操業を行った。すなわち、還元炉１の上部から酸化鉄２として１３９４ｋｇ／ｔの焼結鉱を装入し、炉１の中間部からは８００℃に加熱した高温還元ガス２２００Ｎｍ３／ｔ（Ｈ２：６２体積％、ＣＯ：３８体積％）の吹き込みを行った。このとき、炉１の上部からは２２００Ｎｍ３／ｔ（Ｈ２：４６体積％、ＣＯ：２９体積％、ＣＯ２：１０体積％、Ｈ２Ｏ：１５体積％）の炉頂ガスが排出された。この炉頂ガスを除塵したのち、１５０１Ｎｍ３／ｔを原料ガスとして、残りの６９９Ｎｍ３／ｔを加熱改質装置６の加熱燃料ガスとして用いた。原料ガスとする炉頂ガスは、水分調整のために８６ｋｇ／ｔの水を取り除いたのち、加熱改質装置６に導入した。一方、加熱燃料ガスとする炉頂ガスは、脱水ののち、加熱改質装置６の燃焼室にて、ＣＯ２フリー電力で駆動する深冷分離プロセスによって生成された純酸素を用いて燃焼させた。そして、加熱改質装置６の燃焼室からの排ガスを全量回収し、これを脱水した燃焼排ガス２６９Ｎｍ３／ｔ（ＣＯ２：１００体積％）はメタン合成装置９に送給した。さらにメタン合成装置９には、ＣＯ２フリー電力による電気分解で生成した水素１０７５Ｎｍ３／ｔを加えて再生メタンガス２６９Ｎｍ３／ｔを合成した。そして、合成された再生メタンガスは前記原料ガスとする炉頂ガスとともに加熱改質装置６に流し込まれ、還元ガスの原料として利用した。
　以上の操業では、ＣＯ２フリー電力による水素以外のエネルギー源を外部から供給することはないため、ＣＯ２排出量はゼロであった。
［発明例２］
　図３に模式的に示した還元鉄製造設備を用いて、次に示す還元炉操業を行った。すなわち、還元炉１に装入する焼結鉱、還元炉１に吹き込む還元ガス、炉頂から排出される炉頂ガス、および原料ガスの条件は、上記した発明例１と同一である。原料ガスに供した残りの炉頂ガス６９９Ｎｍ３／ｔは、脱水した後、メタン合成の原料としてメタン合成装置９に送給した。さらにメタン合成装置９に、ＣＯ２フリー電力による電気分解で生成された水素５５１Ｎｍ３／ｔを加えて、再生メタンガス２６９Ｎｍ３／ｔを合成した。合成された再生メタンガスは加熱改質装置６に流し込み、還元ガスの原料として利用した。その際、加熱改質装置６の加熱用燃料が供給されなくなるため、代わりにＣＯ２フリー電力を外部から供給し、電気加熱を行った。
　以上の操業では、ＣＯ２フリー電力による水素および電気加熱以外のエネルギー源を外部から供給することはないため、ＣＯ２排出量はゼロであった。
［発明例３］
　図１に模式的に示した製鉄設備を用いて、次に示す高炉並びに還元炉の操業を行った。すなわち、上記の発明例２と類似の還元鉄製造プロセスであるが、メタン合成装置９には炉頂ガスに加えて高炉ガスを用いる、事例である。高炉２１では、高炉ガスを窒素レスとするべく、送風ガスを純酸素とした。この条件において発生する高炉ガスのうち、２４２Ｎｍ３／ｔ（Ｈ２：２４体積％、ＣＯ：３３体積％、ＣＯ２：４３体積％）を、炉頂ガス２２０Ｎｍ３／ｔおよびＣＯ２フリー電力による電気分解で生成された水素７７２Ｎｍ３／ｔとともにメタン合成のためのメタン合成装置９に流し込んだ。メタン合成装置９では２６９Ｎｍ３／ｔの再生メタンガスが生成され、この再生メタンガスは原料ガスとする炉頂ガスとともに加熱改質装置６に流し込まれ、還元ガスの原料として利用した。また、再生メタンガスの一部は、高炉２１の吹込み装置２２に吹込み還元材として送給した。加熱改質装置６の燃焼室には、還元炉の炉頂ガスの一部を燃料として燃焼させるが、この排ガスは回収しなかった。また、加熱改質装置の燃料ガスが不足する分は、図示していないがＣＯ２フリー電力を外部から供給し、電気加熱を行った。
　上記の操業によれば、メタン合成のためのメタン合成装置９に投入される水素ガスはＣＯ２フリー電力によるものであったため、水素製造においてＣＯ２は発生しない。また、加熱改質装置６の燃焼排ガスは系外に排出されるため、ここで３６２ｋｇ／ｔのＣＯ２が発生したが、同時に高炉ガスの一部を回収して再生メタンガスとして再利用していることから、高炉２１からのＣＯ２を３６２ｋｇ／ｔ削減することに成功している。よって、既設の高炉がある製鉄所に本発明に従う還元鉄製造プロセスを付加した場合は、発明例３の操業の適用によりＣＯ２の総排出量は差し引きゼロになり、還元鉄は実質ＣＯ２排出量ゼロでの製造を実現した。なお、本発明により還元鉄製造プロセスで使用した分、高炉ガスの所内供給分が減少するが、高炉ガスはカロリーが低いため下工程プロセスの加熱炉等ではほとんど用いられず、発電用途が主である。よって、製鉄所内の供給高炉ガス不足に伴う電力不足分はＣＯ２フリー電力で補えば、ＣＯ２の増加を招くことなく製鉄所の運用が可能である。
　また、再生メタンガスの一部は、高炉２１の羽口２２に吹込み還元材として送給したところ、羽口から吹き込む微粉炭を削減することができ、さらなるＣＯ２削減となった。
　さらに、上記した還元鉄製造プロセスで得られた還元鉄を高炉２１に原料として装入して高炉操業を行ったところ、高炉におけるコークス使用量を削減でき、さらなるＣＯ２削減効果を得られた。
［比較例１］
　図５に示す還元鉄製造設備を用いる、一般的な還元炉操業を行った。この一般的な還元炉操業は、上記した発明例１において、原料ガスとする炉頂ガスに加える原料を再生メタンガスではなく天然ガスとする比較例１である。すなわち、還元炉１の中間部から８００℃に加熱した高温還元ガス２２００Ｎｍ３／ｔ（Ｈ２：６２体積％、ＣＯ：３８体積％）を吹き込み、還元炉操業を行った。このとき、炉上部からは２２００Ｎｍ３／ｔ（Ｈ２：４６体積％、ＣＯ：２９体積％、ＣＯ２：１０体積％、Ｈ２Ｏ：１５体積％）の炉頂ガスが排出された。この炉頂ガスを除塵したのち、１５０１Ｎｍ３／ｔを原料ガスに、残りの６９９Ｎｍ３／ｔを加熱改質装置６の加熱燃料ガスとして用いた。原料ガスとしては水分調整のために８６ｋｇ／ｔの水が取り除かれ、加熱改質装置６に送り込んだ。加熱燃料ガスは、脱水ののち、加熱改質装置６の燃焼室にて空気で燃焼され、燃焼排ガスは大気放散した。加熱改質装置６では、前記プロセスガスとともに天然ガス２６９Ｎｍ３／ｔが流し込まれ、還元ガスを製造した。
　以上の操業において、加熱改質装置６の燃焼排ガスとして放出されるＣＯ２を換算すると、５２８ｋｇ－ＣＯ２／ｔとなり、ＣＯ２の排出を抑制できなかった。
［比較例２］
　図６に示す還元鉄製造設備を用いる、一般的な還元炉操業を行った。この一般的な還元炉操業は、上記した発明例１において、原料ガスとする炉頂ガスに加える原料を再生メタンガスではなくコークス炉ガスとする比較例２である。すなわち、比較例２は、比較例１において、天然ガスの代わりに５２４Ｎｍ３／ｔのコークス炉ガスを加熱改質装置６に流し込むことで還元鉄を製造するものである。従って、比較例１と同様に、加熱改質装置６の燃焼排ガスとして放出されるＣＯ２を換算すると、４５６ｋｇ－ＣＯ２／ｔとなるが、これは製鉄所内で発生したコークス炉ガスの一部を還元鉄プロセスに流用したものなので、コークス炉側のＣＯ２排出も４５６ｋｇ－ＣＯ２／ｔ減少しており、製鉄所としては差し引きゼロとなる。しかし、コークス炉ガスは高炉ガスとは異なり下工程でプロセスガスとして用いられているものなので、ＣＯ２フリー電力やＣＯ２フリー電力を用いた水電解によって得られる水素によって代替することはできない。したがって、比較例２の方法では下工程で２８４Ｎｍ３／ｔの外部メタン（天然ガス等）を導入する必要がある。これにより製鉄所全体としてみると５５７ｋｇ／ｔのＣＯ２排出増となる計算となり、ＣＯ２の排出を抑制できなかった。また、コークス炉ガスは硫黄を多量に含んでおり、加熱改質装置の中に設けた反応促進用触媒は硫黄に弱いため、追加で大規模な脱硫設備も設ける必要があった。
　なお、この比較例２にて使用したコークス炉ガスは、一貫製鉄所において下工程プロセスの燃料、例えば加熱炉のバーナー燃料などに用いられる重要なプロセスガスであるから、還元鉄プロセスで多量に使ってしまうと下工程の燃料が不足してしまう問題が起こる。１００００ｔ／日の高炉を持つ製鉄所において使用される、コークスを製造する際に発生するコークス炉ガスは１６９万Ｎｍ３／日となる。還元鉄の製造量を３０００ｔ／日とすると、本発明の還元鉄製造プロセスにて消費されるコークス炉ガスは１５７万Ｎｍ３／ｔであり、発生するコークス炉ガスのほぼ全量を使い切ってしまうことになる。よって、比較例２の方法は実際の製鉄所に適用することは不可能である。
　１　還元炉
　２　酸化鉄
　３　還元鉄
　４　除塵装置
　５　供給経路
　６　加熱改質装置
　７ａ　第１の脱水装置
　７ｂ　第２の脱水装置
　７ｃ　第３の脱水装置
　７ｄ　第４の脱水装置
　８　二酸化炭素分離装置
　９　メタン合成装置
　１０　還元ガス吹込み装置
　２１　高炉
　２２　吹込み装置
　２３　高炉側の脱水装置
　２４　バーナー

Claims (11)

  1. 　酸化鉄を還元する高炉と、
    　酸化鉄を還元する還元炉と、
    　前記高炉から副生する二酸化炭素、一酸化炭素、水素を含む高炉ガスおよび／または前記還元炉の炉頂より排出される二酸化炭素、一酸化炭素、水素を含む炉頂ガス並びに、水素ガスからメタンを合成するメタン合成装置と、
    　前記メタン合成装置で合成されたメタンガスを前記高炉に吹き込む吹込み装置と、
    　前記高炉ガスおよび／または前記炉頂ガス並びに、前記メタン合成装置で合成されたメタンガスを加熱または加熱改質し一酸化炭素ガスおよび水素ガスを含む還元ガスとする加熱改質装置と、
    　前記還元ガスを前記還元炉に吹き込む還元ガス吹込み装置と、
    　前記炉頂ガスを前記メタン合成装置および／または前記加熱改質装置へ供給する供給経路と、
    を有することを特徴とする製鉄設備。
  2. 　請求項１において、前記供給経路に、前記炉頂ガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離装置を有する製鉄設備。
  3. 　請求項１または２において、前記メタン合成装置の上流側に前記高炉ガスから二酸化炭素ガスを分離回収する二酸化炭素ガス分離回収装置と、
    　前記二酸化炭素ガス分離回収装置で回収された二酸化炭素ガスを前記メタン合成装置へ供給する経路と、を有する製鉄設備。
  4. 　請求項１、２または３に記載の製鉄設備を使用する還元鉄の製造方法であって、
    　酸化鉄を還元炉へ充填する酸化鉄充填工程と、
    　前記還元炉へ還元ガスを吹込む還元ガス吹込み工程と、
    　二酸化炭素および一酸化炭素を含む混合ガスまたは二酸化炭素ガスと、水素ガスとからメタンを合成するメタン合成工程と、
    　前記メタンガスおよび前記混合ガスを原料ガスとして、前記原料ガスを加熱して前記還元ガスに改質するガス改質工程と、
    　前記還元炉内で前記還元ガスにより前記酸化鉄を還元する還元工程と、
    を有する還元鉄の製造方法。
  5. 　前記混合ガスが、高炉から副生される高炉ガスおよび／または前記還元炉の炉頂から排出される炉頂ガスである請求項４に記載の還元鉄の製造方法。
  6. 　前記メタン合成工程で合成されたメタンガスの一部を前記高炉に吹き込む請求項５に記載の還元鉄の製造方法。
  7. 　前記高炉が、送風に酸素ガスを用いる高炉である請求項５または６に記載の還元鉄の製造方法。
  8. 　請求項１、２または３に記載の製鉄設備を使用する還元鉄の製造方法であって、
    　酸化鉄を還元炉へ充填する酸化鉄充填工程と、
    　前記還元炉へ還元ガスを吹込む還元ガス吹込み工程と、
    　前記還元炉の炉頂より排出される二酸化炭素、一酸化炭素、水素を含む炉頂ガスから二酸化炭素を分離し、一酸化炭素と水素を含む混合ガスを回収する二酸化炭素分離工程と、
    　前記混合ガスを原料ガスとして、前記原料ガスを加熱して前記還元ガスとするガス加熱工程と、
    　前記還元炉内で前記還元ガスにより前記酸化鉄を還元する還元工程と、
    を有する還元鉄の製造方法。
  9. 　前記原料ガスの一部にメタンガスを使用する請求項８に記載の還元鉄の製造方法。
  10. 　前記メタンガスが、前記還元炉の炉頂より排出される二酸化炭素、一酸化炭素、水素を含む炉頂ガスの一部および／または前記高炉から副生する二酸化炭素、一酸化炭素、水素を含む高炉ガスの一部と、水素ガスとからメタンを合成するメタン合成工程で合成された再生メタンガスであり、
    　前記再生メタンガスの一部を前記高炉に吹き込む請求項９に記載の還元鉄の製造方法。
  11. 　前記高炉が、送風に酸素ガスを用いる高炉である請求項１０に記載の還元鉄の製造方法。
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