WO2026009488A1 - 水素還元システム及び還元鉄の製造方法 - Google Patents

水素還元システム及び還元鉄の製造方法

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WO2026009488A1
WO2026009488A1 PCT/JP2025/005888 JP2025005888W WO2026009488A1 WO 2026009488 A1 WO2026009488 A1 WO 2026009488A1 JP 2025005888 W JP2025005888 W JP 2025005888W WO 2026009488 A1 WO2026009488 A1 WO 2026009488A1
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raw material
hydrogen
reducing gas
shaft furnace
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守利 水谷
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Nippon Steel Corp
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B1/00—Preliminary treatment of ores or scrap
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B5/00—General methods of reducing to metals
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    • C22B5/12—Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes by gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B1/00—Shaft or like vertical or substantially vertical furnaces
    • F27B1/08—Shaft or like vertical or substantially vertical furnaces heated otherwise than by solid fuel mixed with charge

Definitions

  • This application discloses a hydrogen reduction system and a method for producing reduced iron.
  • a direct reduction process using reducing gas is being considered as an alternative technology to the blast furnace process to reduce CO2 emissions.
  • a process using a shaft furnace is being considered as a direct reduction process.
  • a direct reduction process using a shaft furnace for example, a technology is known in which hydrogen gas is brought into contact with an iron oxide raw material to obtain direct reduced iron (DRI).
  • DRI direct reduced iron
  • Green hydrogen production technologies include alkaline water electrolysis and solid polymer membrane water electrolysis, and the development of demonstration technologies for these using large-scale modules is underway.
  • Technology using solid oxide electrolyzer cells (SOECs) has also been developed, and is expected to be put to practical use in the future. While alkaline water electrolysis and solid polymer membrane water electrolysis produce hydrogen from liquid water, SOECs are unique in that they can produce hydrogen directly from high-temperature steam.
  • Patent Document 1 discloses a method for producing hydrogen in a direct reduction process using a shaft furnace, by providing an SOEC in the exhaust gas circulation system and utilizing the water vapor contained in the exhaust gas from the shaft furnace.
  • a hydrogen reduction system comprising: a shaft furnace; a reducing gas supply device; a reducing gas heating device; A raw material pretreatment device; A hydrogen production device; and
  • the shaft furnace is A raw material supply port; a gas supply port provided below the raw material supply port; a reduced iron discharge port provided below the gas supply port; and a gas exhaust port provided above the gas supply port; and the reducing gas supply device supplies a reducing gas containing hydrogen gas to the reducing gas heating device; the reducing gas heating device heats the reducing gas supplied from the reducing gas supply device,
  • the reducing gas heated by the reducing gas heating device is supplied to the gas supply port,
  • the raw material pretreatment device supplies an iron oxide raw material having a temperature of 600°C or higher and 900°C or lower to the raw material supply port,
  • the hydrogen production device has a solid oxide electrolysis cell, the solid oxide electrolysis cell produces hydrogen gas by utilizing the water vapor-containing gas discharged from the gas outlet
  • Hydrogen reduction system ⁇ Aspect 2> 2.
  • the hydrogen reduction system of embodiment 1 or 2 A water removal device is provided. an exhaust gas from a hydrogen electrode of the solid oxide electrolysis cell is supplied to the water removal device; The water removal device removes at least a portion of the water contained in the exhaust gas. Hydrogen reduction system.
  • a method for producing reduced iron comprising: supplying an oxidized iron raw material into a shaft furnace and supplying a reducing gas containing hydrogen gas into the shaft furnace to reduce the oxidized iron raw material inside the shaft furnace to obtain reduced iron; and discharging a water vapor-containing gas produced by the reduction of the oxidized iron raw material outside the shaft furnace.
  • the iron oxide raw material is heated to 600°C or higher and 900°C or lower and then supplied into the shaft furnace,
  • the reducing gas is heated and then supplied into the shaft furnace;
  • the water vapor-containing gas discharged from the shaft furnace is supplied to a solid oxide electrolysis cell, hydrogen gas is produced from the water vapor-containing gas by the solid oxide electrolysis cell;
  • the hydrogen gas produced by the solid oxide electrolysis cell is used as the reducing gas.
  • ⁇ Aspect 6> A method for producing reduced iron according to aspect 5, removing sulfur contained in the oxidized iron raw material before supplying the oxidized iron raw material into the shaft furnace;
  • a method for producing reduced iron comprising: ⁇ Aspect 7> The method for producing reduced iron according to aspect 5 or 6, removing water contained in exhaust gas from the hydrogen electrode of the solid oxide electrolysis cell;
  • a method for producing reduced iron comprising: ⁇ Aspect 8> A method for producing reduced iron according to aspect 7, comprising: removing water from an exhaust gas from a hydrogen electrode of the solid oxide electrolysis cell by cooling the exhaust gas to 100°C or less; and heating the exhaust gas after water removal to use it as the reducing gas.
  • a method for producing reduced iron comprising:
  • the temperature of the iron oxide raw material supplied to the shaft furnace is between 600°C and 900°C, which makes it easier for the temperature of the steam-containing gas discharged from the shaft furnace to be a temperature suitable for operating the SOEC.
  • the electrolysis efficiency of the SOEC can be improved.
  • the hydrogen gas produced by the SOEC can be used as a reducing gas for reducing iron oxide. As a result, for example, the amount of hydrogen gas supplied from an external source can be reduced.
  • 1A and 1B schematically illustrate an example of a hydrogen reduction system and a method for producing reduced iron.
  • 1A and 1B schematically illustrate an example of a hydrogen reduction system and a method for producing reduced iron.
  • 1A and 1B schematically illustrate an example of a hydrogen reduction system and a method for producing reduced iron.
  • 1A and 1B schematically illustrate an example of a hydrogen reduction system and a method for producing reduced iron.
  • 1A and 1B schematically illustrate an example of a hydrogen reduction system and a method for producing reduced iron.
  • 1A and 1B schematically illustrate an example of a hydrogen reduction system and a method for producing reduced iron.
  • a hydrogen reduction system 100 includes a shaft furnace 10, a reducing gas supply device 20, a reducing gas heating device 30, a raw material pretreatment device 40, and a hydrogen production device 50.
  • the shaft furnace 10 includes a raw material supply port 11, a gas supply port 12 provided below the raw material supply port 11, a reduced iron discharge port 13 provided below the gas supply port 12, and a gas discharge port 14 provided above the gas supply port 12.
  • the reducing gas supply device 20 supplies a reducing gas containing hydrogen gas to the reducing gas heating device 30.
  • the reducing gas heating device 30 heats the reducing gas supplied from the reducing gas supply device 20.
  • the reducing gas heated by the reducing gas heating device 30 is supplied to the gas supply port 12.
  • the raw material pretreatment device 40 supplies an iron oxide raw material having a temperature of 600° C. or higher and 900° C. or lower to the raw material supply port 11.
  • the hydrogen production device 50 includes a solid oxide electrolysis cell 51.
  • the solid oxide electrolysis cell 51 produces hydrogen gas by utilizing the water vapor-containing gas discharged from the gas outlet 14.
  • the hydrogen gas produced by the solid oxide electrolysis cell 51 is used as the reducing gas.
  • the shaft furnace 10 has at least a raw material supply port 11, a gas supply port 12 provided below the raw material supply port 11, a reduced iron discharge port 13 provided below the gas supply port 12, and a gas discharge port 14 provided above the gas supply port 12.
  • the raw material supply port 11, the gas supply port 12, the reduced iron discharge port 13, and the gas discharge port 14 are not particularly limited in terms of their specific positions or shapes as long as the above-described positional relationship is satisfied.
  • the raw material supply port 11 may be provided, for example, at the top or upper part of the shaft furnace 10.
  • the gas supply port 12 may be provided, for example, directly below a position that will become the reduction zone of the shaft furnace 10.
  • the reduction zone refers to, for example, the area inside the shaft furnace 10 from the gas supply port 12 to the gas discharge port 14 (i.e., the area between the height positions of the gas supply port 12 and the gas discharge port 14).
  • the reduced iron discharge port 13 may be provided at the bottom or lower part of the shaft furnace 10.
  • the gas discharge port 14 may be provided at a location different from the raw material supply port 11, which is at the top or upper part of the shaft furnace 10.
  • an oxidized iron raw material can be supplied from the raw material supply port 11 into the interior of the shaft furnace 10 to form a packed bed of the oxidized iron raw material inside the shaft furnace 10
  • a reducing gas containing hydrogen gas can be supplied from the gas supply port 12 to the packed bed inside the shaft furnace 10
  • the oxidized iron raw material can be brought into contact with the reducing gas inside the shaft furnace 10 to reduce the iron oxide, thereby obtaining reduced iron from the reduced iron discharge port 13 and discharging a water vapor-containing gas from the gas discharge port 14 to the outside of the shaft furnace 10.
  • the iron oxide raw material supplied to the shaft furnace 10 contains at least iron oxide.
  • the iron oxide raw material may be, for example, at least one selected from iron ore pellets, lump ore, and sintered ore.
  • the iron oxide raw material may contain, in addition to iron oxide, for example, one or both of silicon dioxide and aluminum oxide.
  • the iron oxide raw material may contain various impurities.
  • the iron oxide raw material may contain sulfur. If the iron oxide raw material contains sulfur, it is preferable to reduce the amount of sulfur contained in the iron oxide raw material using the sulfur removal mechanism described below.
  • the iron oxide raw material may have a particle size distribution or a uniform particle diameter.
  • the average particle diameter of the iron oxide raw material may be, for example, 5.0 mm or more and 30.0 mm or less, or 10.0 mm or more and 15.0 mm or less.
  • the "particle diameter" of the iron oxide raw material refers to the sieve diameter of the raw material.
  • the “average particle diameter” of the iron oxide raw material refers to the weighted average particle diameter of the raw material.
  • the average particle size of the iron oxide raw material is measured as follows. Specifically, a mass-based particle size distribution is obtained by the dry sieving test described in JIS Z 8815:1995, and the average of the maximum and minimum particle sizes of each sieve is used as the representative particle size, and the mass-weighted average is then calculated to measure the average particle size of the iron oxide raw material.
  • the iron oxide raw material may be formed into pellets or the like, or may be in powder form, lump form, or other forms.
  • the amount of iron oxide raw material supplied to the shaft furnace 10 may be selected optimally depending on the size and operating conditions of the shaft furnace 10. This embodiment is characterized in that the temperature of the iron oxide raw material supplied to the shaft furnace 10 is adjusted to between 600°C and 900°C by the raw material pretreatment device 40, which will be described later. The temperature of the iron oxide raw material will be described later.
  • reduction of iron oxide by the reducing gas occurs in a reduction zone inside the shaft furnace 10.
  • the temperature of the reducing gas supplied from the gas supply port 12 to the inside of the shaft furnace 10 (the temperature at the gas supply port 12) may be, for example, 700°C or higher and 1100°C or lower.
  • the flow rate of the reducing gas supplied from the gas supply port 12 to the inside of the shaft furnace 10 (the flow rate at the gas supply port 12) may be, for example, 1000 Nm3 /t-DRI or higher and 2200 Nm3 /t-DRI or lower.
  • the temperature of the iron oxide raw material in the reduction zone may be, for example, 600°C or higher and 900°C or lower.
  • the reduction rate of the reduced iron discharged from the reduced iron discharge port 13 after passing through the reduction zone may be, for example, 65% or higher and 98% or lower.
  • the temperature of the water vapor-containing gas discharged from the gas discharge port 14 after passing through the reduction zone corresponds to the temperature of the iron oxide raw material supplied from the raw material supply port 11, i.e., may be 600°C or higher and 900°C or lower.
  • the reducing gas supply device 20 supplies a reducing gas containing hydrogen gas to the reducing gas heating device 30 described later.
  • the reducing gas supply device 20 may supply the reducing gas to the reducing gas heating device 30 while controlling the flow rate, pressure, and temperature of the reducing gas, for example.
  • the reducing gas supply device 20 may include at least one of a flow meter, a pressure gauge, and a thermometer, and may also include a control mechanism for controlling one or both of the flow rate and pressure of the reducing gas.
  • the reducing gas supply device 20 may be connected to a reducing gas source or a solid oxide electrolysis cell (SOEC) 51 described later via a pipe so that a gas containing hydrogen gas is supplied from the reducing gas source or the SOEC to the reducing gas supply device 20, or may be connected to the reducing gas heating device 30 described later via a pipe so that a reducing gas is supplied to the reducing gas heating device 30.
  • SOEC solid oxide electrolysis cell
  • the flow rate of the reducing gas supplied from the reducing gas supply device 20 may be, for example, 1000 Nm 3 /t-DRI or more and 2200 Nm 3 /t-DRI or less.
  • the pressure of the reducing gas supplied from the reducing gas supply device 20 may be, for example, 0.1 MPa or more and 0.8 MPa or less.
  • the temperature of the reducing gas supplied from the reducing gas supply device 20 may be, for example, room temperature or more and 100°C or less.
  • a commercially available reducing gas supply device may be used as the reducing gas supply device 20.
  • An example of a commercially available reducing gas supply device is an on-site supply unit manufactured by Air Water Inc.
  • the reducing gas supplied from the reducing gas supply device 20 contains hydrogen gas and may optionally contain other gases.
  • the reducing gas may contain 40% by volume or more and 100% by volume or less of hydrogen gas.
  • gases other than hydrogen gas include CO gas, hydrocarbon gas, and inert gas.
  • the inert gas may be at least one selected from rare gases such as nitrogen gas and argon gas, CO2 gas, and water vapor.
  • the proportion of hydrogen gas in the reducing gas may be 40% by volume or more, 45% by volume or more, 50% by volume or more, 55% by volume or more, 60% by volume or more, 65% by volume or more, 70% by volume or more, 75% by volume or more, 80% by volume or more, 85% by volume or more, 90% by volume or more, or 95% by volume or more.
  • the proportion of hydrogen gas in the reducing gas is preferably 90% by volume or more and 100% by volume or less.
  • the reducing gas heating device 30 heats the reducing gas supplied from the reducing gas supply device 20.
  • the reducing gas heated by the reducing gas heating device 30 is supplied to the gas supply port 12 of the shaft furnace 10.
  • the reducing gas heating device 30 may, for example, supply the reducing gas to the gas supply port 12 while controlling the flow rate, pressure, and temperature of the reducing gas.
  • the reducing gas heating device 30 may include a heating mechanism for heating the gas and a control mechanism for controlling the gas temperature.
  • the reducing gas heating device 30 may also include at least one of a flow meter, a pressure meter, and a thermometer, and may also include a control mechanism for controlling one or both of the flow rate and pressure of the reducing gas.
  • the heating mechanism may be any mechanism capable of heating the gas, and may be a heat exchanger, an external heater, or a mechanism for partially combusting the gas (a mechanism that reacts and burns part of the hydrogen contained in the reducing gas with oxygen, thereby heating the gas using the combustion heat).
  • the flow rate of the reducing gas supplied from the reducing gas heating device 30 may be, for example, 1000 Nm 3 /t-DRI or more and 2200 Nm 3 /t-DRI or less.
  • the pressure of the reducing gas supplied from the reducing gas heating device 30 may be, for example, 0.1 MPa or more and 0.8 MPa or less.
  • the temperature of the reducing gas supplied from the reducing gas heating device 30 (the temperature at the gas supply port 12) may be, for example, 700°C or more and 1100°C or less.
  • a commercially available reducing gas heating device may be used as the reducing gas heating device 30.
  • An example of a commercially available reducing gas heating device is a gas heater manufactured by Izumi Denetsu Co., Ltd.
  • the raw material pretreatment device 40 supplies the iron oxide raw material having a temperature of 600°C or higher and 900°C or lower to the raw material supply port 11 of the shaft furnace 10.
  • the raw material pretreatment device 40 includes, for example, (1) It may be an apparatus having a heating mechanism for heating the iron oxide raw material, or (2) it may be a raw material production apparatus for producing high-temperature iron oxide raw material.
  • the raw material pre-treatment device 40 may heat the oxidized iron raw material to 600°C or higher and 900°C or lower using a heating mechanism, and then supply the oxidized iron raw material to the raw material supply port 11 of the shaft furnace 10.
  • the heating mechanism may be one that heats the oxidized iron raw material batchwise or continuously.
  • the raw material pre-treatment device 40 may include a hopper, a raw material discharge device, a thermometer, a heating mechanism, and a control mechanism that controls the heating temperature of the raw material.
  • the raw material pre-treatment device 40 may be a calcination furnace that produces pellets as the iron oxide raw material. That is, the raw material pre-treatment device 40 according to one embodiment may be configured so that pellets produced in the pellet calcination furnace are transferred to the raw material supply port 11 of the shaft furnace 10 at a temperature of 600°C or higher and 900°C or lower.
  • the temperature of the iron oxide raw material supplied from the raw material pretreatment device 40 to the raw material supply port 11 of the shaft furnace 10 is 600°C or higher, and may be 650°C or higher, or 700°C or higher, or 900°C or lower, or 850°C or lower, or 800°C or lower.
  • SOEC solid oxide electrolysis cell
  • the oxidized iron raw material may contain sulfur.
  • the sulfur contained in the oxidized iron raw material is gasified and circulated within the hydrogen reduction system.
  • the presence of sulfur in the hydrogen reduction system may cause corrosion of various devices and may poison the catalyst in the solid oxide electrolysis cell (SOEC) 51, which will be described later.
  • SOEC solid oxide electrolysis cell
  • the raw material pretreatment device 40 may have a mechanism 41 that removes sulfur contained in the oxidized iron raw material.
  • the sulfur removal mechanism 41 may be a mechanism that removes sulfur contained in the oxidized iron raw material as sulfur dioxide gas by, for example, heating the oxidized iron raw material in an oxidizing atmosphere.
  • the hydrogen production device 50 includes a solid oxide electrolysis cell (SOEC) 51.
  • SOEC 51 produces hydrogen gas by utilizing the water vapor-containing gas discharged from the gas outlet 14 of the shaft furnace 10.
  • the hydrogen gas produced by the SOEC 51 is used as the reducing gas.
  • the hydrogen gas produced by the SOEC 51 may be supplied to at least one of the reducing gas supply device 20, the reducing gas heating device 30, and the gas supply port 12, or may be supplied to one or both of the reducing gas heating device 30 and the gas supply port 12.
  • the temperature of the hydrogen gas produced by the SOEC 51 is usually high. In this regard, when the hydrogen gas produced by the SOEC 51 is supplied to one or both of the reducing gas heating device 30 and the gas supply port 12, the thermal energy of the hydrogen gas is likely to be effectively utilized.
  • the SOEC 51 includes, for example, a hydrogen electrode, an oxygen electrode, and an electrolyte layer disposed therebetween.
  • the water vapor-containing gas discharged from the gas outlet 14 is supplied to the hydrogen electrode of the SOEC 51.
  • hydrogen electrode hydrogen gas is generated by electrolysis of the water vapor.
  • oxygen electrode electrons are released from oxygen radicals to generate oxygen gas.
  • exhaust gas containing hydrogen gas is discharged from the hydrogen electrode of the SOEC 51, and exhaust gas containing oxygen gas is discharged from the oxygen electrode.
  • the hydrogen electrode may include, for example, a metal catalyst-cocatalyst such as Ni—CeO 2 or a metal catalyst-carrier.
  • the oxygen electrode may include, for example, a ceramic catalyst such as LaCoO 3.
  • the electrolyte layer may include a ceramic electrolyte such as ZrO 2 .
  • a plurality of SOECs 51 may be stacked with metal separators interposed therebetween to form an SOEC stack.
  • the power density when operating the SOECs 51 may be, for example, 0.5 A/ m2 or more and 1.0 A/ m2 or less.
  • the amount of water in the water vapor-containing gas supplied to the SOEC 51 is not particularly limited.
  • the water vapor-containing gas may contain other gases in addition to water vapor.
  • the water vapor-containing gas may contain at least one gas selected from, for example, hydrogen gas, carbon monoxide gas, carbon dioxide gas, hydrocarbon gas, inert gas, etc.
  • the flow rate and pressure of the water vapor-containing gas supplied to the SOEC 51 are also not particularly limited and may be adjusted appropriately depending on the scale of the hydrogen production device 50, etc.
  • the operating temperature of the SOEC 51 is typically 600°C or higher and 900°C or lower.
  • the temperature of the water vapor-containing gas discharged from the gas outlet 14 of the shaft furnace 10 corresponds to the temperature of the iron oxide raw material supplied into the shaft furnace 10 from the raw material supply port 11, i.e., a temperature in the vicinity of 600°C or higher and 900°C or lower.
  • the temperature of the water vapor-containing gas discharged from the gas outlet 14 is likely to be a temperature suitable for operating the SOEC 51. Therefore, in this embodiment, the water vapor-containing gas discharged from the gas outlet 14 of the shaft furnace 10 may be supplied directly to the SOEC without being heated or cooled by an external device.
  • the hydrogen reduction system 100 may include other devices in addition to the above-described shaft furnace 10, reducing gas supply device 20, reducing gas heating device 30, raw material pretreatment device 40, and hydrogen production device 50. An example of the other devices will be described below.
  • the exhaust gas from the shaft furnace 10 contains water vapor.
  • the water vapor-containing gas is supplied to the SOEC 51 to produce hydrogen.
  • some of the water vapor contained in the water vapor-containing gas circulates within the system without being converted to hydrogen, which may result in an increased water vapor concentration within the system.
  • the hydrogen reduction system 100 may include a water removal device 60 as shown in FIG. 3 .
  • exhaust gas (gas containing hydrogen and water vapor) from the hydrogen electrode of the SOEC 51 may be supplied to the water removal device 60, and the water removal device 60 may be configured to remove at least a portion of the water contained in the exhaust gas.
  • the water removal device 60 may be located, for example, downstream of the hydrogen electrode of the SOEC 51 and upstream of the gas supply port 12 of the shaft furnace 10.
  • the water removal device 60 may be located between the hydrogen electrode of the SOEC 51 and the reducing gas heating device 30, as described below.
  • the water removal device 60 may, for example, remove at least a portion of the water contained in the exhaust gas from the hydrogen electrode of the SOEC 51 by cooling the exhaust gas to 100°C or below. In this case, the temperature of the exhaust gas after water removal is low, and if this is supplied directly to the shaft furnace 10 as reducing gas, the efficiency of the iron oxide reduction reaction may decrease.
  • the exhaust gas (containing hydrogen gas) after water removal be supplied to the reducing gas heating device 30, heated, and then used as reducing gas, as shown in Figure 4.
  • the flow rate of the water vapor-containing gas supplied to the water removal device 60 may be, for example, 1000 Nm 3 /t-DRI or more and 2200 Nm 3 /t-DRI or less.
  • the pressure of the water vapor-containing gas supplied to the water removal device 60 may be, for example, 0.1 MPa or more and 0.8 MPa or less.
  • the temperature of the water vapor-containing gas supplied to the water removal device 60 may be, for example, 600°C or more and 900°C or less.
  • a commercially available device may be used as the water removal device 60.
  • An example of a commercially available water removal device is a gas cooling device (quenching) manufactured by Hipotec.
  • the water removal device 60 may be one that separates hydrogen gas and water vapor using a molecular sieve or the like.
  • the water removal device 60 may be one that removes water by selectively reacting with or adsorbing water using a material that is inert to hydrogen but reactive with water.
  • the reducing gas supplied to the shaft furnace 10 and the exhaust gas from the shaft furnace 10 may contain carbon dioxide. Carbon dioxide is inert to the reduction reaction in the direct reduction process. However, when the carbon dioxide concentration in the system increases, the reducing gas concentration decreases relatively, which may result in a decrease in the efficiency of the reduction reaction of iron oxide.
  • the hydrogen reduction system 100 may include a carbon dioxide removal device 70, as shown in FIG. 5 .
  • the hydrogen reduction system 100 may be configured such that exhaust gas (gas containing hydrogen, water vapor, and carbon dioxide) from the hydrogen electrode of the SOEC 51 is supplied to a water removal device 60, which removes at least a portion of the water contained in the exhaust gas.
  • the exhaust gas after water removal may be supplied to the carbon dioxide removal device 70, which removes at least a portion of the carbon dioxide contained in the exhaust gas.
  • the carbon dioxide removal device 70 may be installed anywhere in the gas circulation system of the hydrogen reduction system 100.
  • the carbon dioxide removal device 70 may be disposed, for example, downstream of the hydrogen electrode of the SOEC 51 and upstream of the gas supply port 12 of the shaft furnace 10.
  • the carbon dioxide removal device 70 may be disposed between the hydrogen electrode of the SOEC 51 and the reducing gas heating device 30.
  • the carbon dioxide removal device 70 may be a device that separates hydrogen gas and carbon dioxide gas using a molecular sieve or the like.
  • the carbon dioxide removal device 70 may be a device that removes carbon dioxide by selectively reacting with or adsorbing carbon dioxide using a material that is inert to hydrogen but reactive to carbon dioxide.
  • the hydrogen reduction system 100 may also include a sulfur removal device (not shown) separate from the raw material pretreatment device 40.
  • sulfur may be contained in the steam-containing gas discharged from the shaft furnace 10. In this case, it is preferable that the sulfur in the steam-containing gas discharged from the shaft furnace 10 be removed by the sulfur removal device before the gas reaches the SOEC 51 of the hydrogen production device 50.
  • the hydrogen reduction system 100 may be configured to monitor the sulfur concentration in the gas circulating through the circulation system with a sulfur concentration monitoring device, and, when the sulfur concentration in the circulation gas exceeds a threshold value, remove sulfur from the circulation gas with the sulfur removal device to reduce the sulfur concentration of the circulation gas to below the threshold value.
  • the sulfur concentration in the circulating gas can be monitored by either actual measurement or estimation.
  • Actual measurement methods include measuring the sulfur concentration in the circulating gas or iron oxide raw material using gas chromatography, atomic absorption spectrometry, ultraviolet fluorescence, ICP, etc.
  • Estimation methods include theoretically estimating the amount of sulfur transferred from the iron oxide raw material into the circulating gas.
  • Methods for reducing the sulfur concentration in the circulating gas include: (1) a method for reducing the sulfur concentration in the circulating gas by changing the temperature of the reducing gas; (2) a method for reducing the sulfur concentration in the circulating gas by switching the type of iron oxide raw material supplied to the raw material supply port 11 and supplying an iron oxide raw material with a low sulfur concentration; (3) a method for reducing the sulfur concentration in the circulating gas by switching the type of reducing gas supplied to the gas supply port 12 and supplying a reducing gas with a low sulfur concentration; and (4) a method for reducing the sulfur concentration in the circulating gas by providing a desulfurization mechanism in part of the circulation system.
  • desulfurization mechanisms include those that remove at least a portion of the sulfur (e.g., hydrogen sulfide) in the circulating gas by a filter method or an adsorption method.
  • the hydrogen reduction system 100 may include at least one of a sulfur removal mechanism 41, a water removal device 60, a carbon dioxide removal device 70, and a sulfur removal device (not shown), in addition to the shaft furnace 10, the reducing gas supply device 20s, the reducing gas heating device 30, the raw material pretreatment device 40, and the hydrogen production device 50. Furthermore, the hydrogen reduction system 100 may include devices other than the above-mentioned devices.
  • a method for producing reduced iron includes supplying an oxidized iron raw material into a shaft furnace 10 and supplying a reducing gas containing hydrogen gas into the shaft furnace 10 to reduce the oxidized iron raw material in the shaft furnace 10 to obtain reduced iron, and discharging a steam-containing gas produced by the reduction of the oxidized iron raw material to the outside of the shaft furnace 10.
  • the oxidized iron raw material is heated to 600°C or higher and 900°C or lower and then supplied into the shaft furnace 10.
  • the reducing gas is heated and then supplied into the shaft furnace 10.
  • the steam-containing gas discharged from the shaft furnace 10 is supplied to a solid oxide electrolysis cell (SOEC) 51, and hydrogen gas is produced from the steam-containing gas by the SOEC 51.
  • SOEC solid oxide electrolysis cell
  • the hydrogen gas produced by the SOEC 51 is used as the reducing gas.
  • the shaft furnace 10, the SOEC 51, the iron oxide raw material, the reducing gas, the steam-containing gas, etc. are as described above, and therefore will not be described here
  • the configuration of the hydrogen reduction system 100 described above may be employed as is.
  • the method for producing reduced iron according to one embodiment may include removing sulfur from the oxidized iron raw material before supplying the oxidized iron raw material to the inside of the shaft furnace 10.
  • the method for producing reduced iron according to one embodiment may also include removing water from exhaust gas from the hydrogen electrode of the SOEC 51.
  • the method for producing reduced iron according to one embodiment may also include removing water from exhaust gas from the hydrogen electrode of the SOEC 51 by cooling the exhaust gas from the hydrogen electrode of the SOEC 51 to 100°C or less, and heating the exhaust gas after water removal to use it as the reducing gas.
  • the method for removing sulfur from the oxidized iron raw material and the method for removing water from the gas are as described above, and will not be described here.
  • the water vapor-containing gas discharged from the shaft furnace 10 is supplied to the SOEC 51, and hydrogen gas is produced by a water decomposition reaction in the SOEC 51.
  • the temperature of the iron oxide raw material supplied to the shaft furnace 10 is 600°C or higher and 900°C or lower, the temperature of the water vapor-containing gas discharged from the shaft furnace 10 is likely to be a temperature suitable for operating the SOEC 51.
  • the electrolysis efficiency in the SOEC 51 can be improved without additionally heating the water vapor-containing gas discharged from the shaft furnace 10.
  • the hydrogen gas produced by the SOEC 51 can be used as a reducing gas for reducing iron oxide. As a result, for example, the amount of hydrogen gas supplied from an external source can be reduced. If the electrolysis efficiency of the SOEC 51 can be improved to the maximum extent possible, all of the water vapor discharged from the shaft furnace 10 can be converted into hydrogen, and it will be necessary to supply reducing gas initially, eliminating the need for additional hydrogen to be supplied from outside thereafter.
  • the hydrogen gas produced by the SOEC 51 has a temperature of 600°C or higher and 900°C or lower, which corresponds to the operating temperature of the SOEC 51, and such high-temperature hydrogen gas can be used directly for direct reduction in the shaft furnace 10. In other words, the amount of heating required for the produced hydrogen gas is small, or heating is not even necessary.
  • sulfur contained in the oxidized iron raw material may be removed before the raw material is supplied to the interior of the shaft furnace 10.
  • the sulfur contained in the oxidized iron raw material reacts with the reducing gas to form hydrogen sulfide or the like, which is then discharged to the exterior of the shaft furnace 10.
  • the amount of sulfur (hydrogen sulfide, etc.) contained in the steam-containing gas discharged from the shaft furnace 10 can also be reduced, and when hydrogen gas is produced in the SOEC 51 using the steam-containing gas, poisoning or deterioration of the catalyst in the SOEC 51 by sulfur can also be suppressed.
  • the operating temperature of an SOEC is typically between 600°C and 900°C
  • the temperature of the exhaust gas from the shaft furnace will also be around 600°C and 900°C, which is thought to be a suitable temperature for operating the SOEC.
  • SOEC SOEC
  • Operating temperature 800°C
  • Power density 1.0A/ m2
  • Hydrogen electrode Ni- CeO2 mixed material
  • Electrolyte ZrO2 Oxygen electrode: LaCoO3 Separator: SUS304
  • the hydrogen reduction system includes a shaft furnace, a reducing gas supply device, a reducing gas heating device, a raw material pretreatment device, and a hydrogen production device.
  • the shaft furnace has a raw material supply port, a gas supply port provided below the raw material supply port, a reduced iron discharge port provided below the gas supply port, and a gas discharge port provided above the gas supply port.
  • the reducing gas supply device supplies a reducing gas containing hydrogen gas to the reducing gas heating device.
  • the reducing gas heating device heats the reducing gas supplied from the reducing gas supply device.
  • E1 The reducing gas heated by the reducing gas heating device is supplied to the gas supply port.
  • the raw material pretreatment device supplies an iron oxide raw material having a temperature of 600°C or higher and 900°C or lower to the raw material supply port.
  • the hydrogen production device has a solid oxide electrolysis cell.
  • the solid oxide electrolysis cell produces hydrogen gas by utilizing the water vapor-containing gas discharged from the gas outlet.
  • the hydrogen gas produced by the solid oxide electrolysis cell is used as the reducing gas.
  • a method for producing reduced iron includes supplying an oxidized iron raw material into a shaft furnace and supplying a reducing gas containing hydrogen gas into the shaft furnace to reduce the oxidized iron raw material inside the shaft furnace to obtain reduced iron, and discharging a water vapor-containing gas produced by the reduction of the oxidized iron raw material to the outside of the shaft furnace.
  • B2 The iron oxide raw material is heated to 600°C or higher and 900°C or lower and then supplied into the shaft furnace.
  • C2 The reducing gas is heated and then supplied into the shaft furnace.
  • D2 The water vapor-containing gas discharged from the shaft furnace is supplied to a solid oxide electrolysis cell, and hydrogen gas is produced from the water vapor-containing gas by the solid oxide electrolysis cell.
  • E2 The hydrogen gas produced by the solid oxide electrolysis cell is used as the reducing gas.

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Abstract

シャフト炉を用いた直接還元プロセスにおいてＳＯＥＣを適用するための新たな技術を開示する。本開示の水素還元システムは、シャフト炉と、還元ガス供給装置と、還元ガス加熱装置と、原料前処理装置と、水素製造装置とを有する。本開示の水素還元システムにおいては、還元ガス供給装置及び還元ガス加熱装置を介してシャフト炉へと還元ガスが供給されるとともに、原料前処理装置を介してシャフト炉へと６００℃以上９００℃以下の酸化鉄原料が供給される。水素製造装置は、ＳＯＥＣを有し、当該ＳＯＥＣはシャフト炉から排出された水蒸気含有ガスを利用して、水素ガスを製造する。ＳＯＥＣによって製造された水素ガスは、還元ガスとして利用される。

Description

水素還元システム及び還元鉄の製造方法
　本願は水素還元システム及び還元鉄の製造方法を開示する。
　鉄鋼業界においては、高炉法の代替技術として、還元ガスを用いた直接還元プロセスにより、ＣＯ２排出量を削減することが検討されている。例えば、直接還元プロセスとして、シャフト炉を用いたプロセスが検討されている。シャフト炉を用いた直接還元プロセスとして、例えば、酸化鉄原料に対して水素ガスを接触させて直接還元鉄（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｒｅｄｕｃｅｄ　Ｉｒｏｎ：ＤＲＩ）を得る技術が知られている。ここで、水素ガスを利用した直接還元プロセスにおいては、水素の製造と供給とが課題となる。
　一方で、最近は水素の製造技術の開発が進んでおり、特に製造時にＣＯ２が発生しないグリーン水素の開発が推進されている。グリーン水素の製造技術としては、アルカリ水電解や固体高分子膜形水電解が挙げられ、これらは大規模モジュールにより実証技術の開発が進められている。また、固体酸化物形電解セル（Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ　Ｃｅｌｌ：ＳＯＥＣ）を用いた技術も開発されており、将来的な実用化が期待されている。アルカリ水電解や固体高分子膜形水電解が液体の水から水素を製造するのに対し、ＳＯＥＣは高温蒸気から直接水素を製造できることが特徴である。
　特許文献１には、シャフト炉を用いた直接還元プロセスにおいて、排ガス循環系にＳＯＥＣを設け、シャフト炉からの排ガスに含まれる水蒸気を利用して、水素を製造する方法が開示されている。
国際公開第２０２０／２４７３２８号
　シャフト炉を用いた直接還元プロセスにおいて、シャフト炉からの排ガスに含まれる水蒸気を利用して、グリーン水素製造技術により水素を製造することが出来れば、外部から供給される水素の量を低減することができる。しかしながら、アルカリ水電解や固体高分子形水電解は液体の水から水素を製造するため、シャフト炉からの排ガスを一度冷却する必要があり、エネルギー効率に劣る。一方、ＳＯＥＣは高温の水蒸気から水素を製造するため、冷却が不要となるだけでなく、相転換潜熱が不要となるため、電解の稼働電圧を低減することが可能となる。しかしながら、その作動温度は６００～９００℃と高温であり、シャフト炉を用いた直接還元プロセスに組み込むには、何らかの工夫が必要となる。
　本願は、上記課題を解決するための手段の一つとして、以下の複数の態様を開示する。
＜態様１＞
　水素還元システムであって、
　　シャフト炉と、
　　還元ガス供給装置と、
　　還元ガス加熱装置と、
　　原料前処理装置と、
　　水素製造装置と、
　を有し、
　　前記シャフト炉が、
　　　原料供給口と、
　　　前記原料供給口よりも下方に設けられたガス供給口と、
　　　前記ガス供給口よりも下方に設けられた還元鉄排出口と、
　　　前記ガス供給口よりも上方に設けられたガス排出口と、
　　を有し、
　　前記還元ガス供給装置が、前記還元ガス加熱装置へと、水素ガスを含む還元ガスを供給し、
　　前記還元ガス加熱装置が、前記還元ガス供給装置から供給された前記還元ガスを加熱し、
　　　前記還元ガス加熱装置によって加熱された前記還元ガスが、前記ガス供給口へと供給され、
　　前記原料前処理装置が、前記原料供給口へと、６００℃以上９００℃以下の温度を有する酸化鉄原料を供給し、
　　前記水素製造装置が、固体酸化物形電解セルを有し、
　　　前記固体酸化物形電解セルが、前記ガス排出口から排出された水蒸気含有ガスを利用して、水素ガスを製造し、
　　　　前記固体酸化物形電解セルによって製造された前記水素ガスが、前記還元ガスとして利用される、
　水素還元システム。
＜態様２＞
　態様１の水素還元システムであって、
　　前記原料前処理装置が、前記酸化鉄原料に含まれる硫黄を除去する機構を有する、
　水素還元システム。
＜態様３＞
　態様１又は２の水素還元システムであって、
　　水除去装置を有し、
　　前記固体酸化物形電解セルの水素極からの排ガスが、前記水除去装置へと供給され、
　　前記水除去装置が、前記排ガスに含まれる水の少なくとも一部を除去する、
　水素還元システム。
＜態様４＞
　態様３の水素還元システムであって、
　　前記水除去装置が、前記排ガスを１００℃以下に冷却することによって前記排ガスに含まれる水の少なくとも一部を除去し、
　　水除去後の前記排ガスが、前記還元ガス加熱装置へと供給されて、前記還元ガスとして利用される、
　水素還元システム。
＜態様５＞
　還元鉄の製造方法であって、
　　酸化鉄原料をシャフト炉の内部へと供給するとともに、水素ガスを含む還元ガスを前記シャフト炉の内部へと供給して、前記シャフト炉の内部において前記酸化鉄原料を還元して還元鉄を得ること、及び
　　前記酸化鉄原料の還元によって生じた水蒸気含有ガスを、前記シャフト炉の外部へと排出すること、
　を含み、
　　前記酸化鉄原料が、６００℃以上９００℃以下に加熱されたうえで前記シャフト炉の内部へと供給され、
　　前記還元ガスが、加熱されたうえで前記シャフト炉の内部へと供給され、
　　前記シャフト炉から排出された水蒸気含有ガスが、固体酸化物形電解セルに供給され、
　　前記固体酸化物形電解セルによって前記水蒸気含有ガスから水素ガスが製造され、
　　前記固体酸化物形電解セルによって製造された前記水素ガスが、前記還元ガスとして利用される、
　還元鉄の製造方法。
＜態様６＞
　態様５の還元鉄の製造方法であって、
　　前記酸化鉄原料を前記シャフト炉の内部へと供給する前に、前記酸化鉄原料に含まれる硫黄を除去すること、
　を含む、還元鉄の製造方法。
＜態様７＞
　態様５又は６の還元鉄の製造方法であって、
　　前記固体酸化物電解セルの水素極からの排ガスに含まれる水を除去すること、
　を含む、還元鉄の製造方法。
＜態様８＞
　態様７の還元鉄の製造方法であって、
　　前記固体酸化物電解セルの水素極からの排ガスを１００℃以下に冷却することによって、前記排ガスに含まれる水を除去すること、及び
　　水除去後の前記排ガスを加熱して、前記還元ガスとして利用すること、
　を含む、還元鉄の製造方法。
　本開示の水素還元システム及び還元鉄の製造方法においては、シャフト炉に供給される酸化鉄原料の温度が６００℃以上９００℃以下であることで、シャフト炉から排出される水蒸気含有ガスの温度がＳＯＥＣを作動させるのに好適な温度となり易い。すなわち、本開示の水素還元システム及び還元鉄の製造方法においては、シャフト炉から排出される水蒸気含有ガスを利用してＳＯＥＣによって水素ガスを製造する際、ＳＯＥＣにおける電解効率を高めることができる。ＳＯＥＣによって製造された水素ガスは、酸化鉄を還元するための還元ガスとして利用することができる。その結果、例えば、外部から供給される水素ガスの量が削減される。
水素還元システム及び還元鉄の製造方法の一例を概略的に示している。 水素還元システム及び還元鉄の製造方法の一例を概略的に示している。 水素還元システム及び還元鉄の製造方法の一例を概略的に示している。 水素還元システム及び還元鉄の製造方法の一例を概略的に示している。 水素還元システム及び還元鉄の製造方法の一例を概略的に示している。
　以下、図面を参照しつつ、実施形態に係る水素還元システム及び還元鉄の製造方法について説明するが、本開示の水素還元システム及び還元鉄の製造方法は以下の実施形態に限定されるものではない。
１．水素還元システム
　図１～５に示されるように、一実施形態に係る水素還元システム１００は、シャフト炉１０と、還元ガス供給装置２０と、還元ガス加熱装置３０と、原料前処理装置４０と、水素製造装置５０と、を有する。前記シャフト炉１０は、原料供給口１１と、前記原料供給口１１よりも下方に設けられたガス供給口１２と、前記ガス供給口１２よりも下方に設けられた還元鉄排出口１３と、前記ガス供給口１２よりも上方に設けられたガス排出口１４と、を有する。前記還元ガス供給装置２０は、前記還元ガス加熱装置３０へと、水素ガスを含む還元ガスを供給する。前記還元ガス加熱装置３０は、前記還元ガス供給装置２０から供給された前記還元ガスを加熱する。前記還元ガス加熱装置３０によって加熱された前記還元ガスは、前記ガス供給口１２へと供給される。前記原料前処理装置４０は、前記原料供給口１１へと、６００℃以上９００℃以下の温度を有する酸化鉄原料を供給する。前記水素製造装置５０は、固体酸化物形電解セル５１を有する。前記固体酸化物形電解セル５１は、前記ガス排出口１４から排出された水蒸気含有ガスを利用して、水素ガスを製造する。前記固体酸化物形電解セル５１によって製造された前記水素ガスは、前記還元ガスとして利用される。
１．１　シャフト炉
　シャフト炉１０は、少なくとも、原料供給口１１と、前記原料供給口１１よりも下方に設けられたガス供給口１２と、前記ガス供給口１２よりも下方に設けられた還元鉄排出口１３と、前記ガス供給口１２よりも上方に設けられたガス排出口１４と、を有する。シャフト炉１０において、原料供給口１１、ガス供給口１２、還元鉄排出口１３、及び、ガス排出口１４は、上記の位置関係が満たされる限り、その具体的な位置や形態は特に限定されるものではない。原料供給口１１は、例えば、シャフト炉１０の頂部又は上部に設けられてもよい。また、ガス供給口１２は、例えば、シャフト炉１０の還元ゾーンとなる位置の直下に設けられてもよい。尚、還元ゾーンとは、例えば、シャフト炉１０の内部においてガス供給口１２からガス排出口１４に至るまでの間（ガス供給口１２の高さ位置とガス排出口１４の高さ位置との間）をいう。また、還元鉄排出口１３は、シャフト炉１０の底部又は下部に設けられてもよい。また、ガス排出口１４は、シャフト炉１０の頂部又は上部であって原料供給口１１とは異なる部分に設けられてもよい。原料供給口１１、ガス供給口１２、還元鉄排出口１３、及び、ガス排出口１４が上記の位置関係を満たすことで、原料供給口１１からシャフト炉１０の内部へと酸化鉄原料を供給して、シャフト炉１０の内部に酸化鉄原料の充填層を形成することができ、ガス供給口１２からシャフト炉１０の内部の充填層へと水素ガスを含む還元ガスを供給でき、シャフト炉１０の内部において酸化鉄原料と還元ガスとを接触させて酸化鉄を還元することができ、還元鉄排出口１３から還元鉄を得ることができるとともに、ガス排出口１４からシャフト炉１０の外部へと水蒸気含有ガスを排出することができる。
　シャフト炉１０へと供給される酸化鉄原料は、少なくとも酸化鉄を含む。酸化鉄原料は、例えば、鉄鉱石ペレット、塊鉱石、及び、焼結鉱から選ばれる少なくとも１種であってもよい。酸化鉄原料は、酸化鉄以外に、例えば、二酸化ケイ素及び酸化アルミニウムのうちの一方又は両方を含んでいてもよい。酸化鉄原料は、各種の不純物を含んでいてもよい。例えば、酸化鉄原料は、硫黄を含んでいてもよい。酸化鉄原料が硫黄を含む場合、後述する硫黄除去機構によって、酸化物原料に含まれる硫黄量を低減することが好ましい。酸化鉄原料は、粒度分布を有するものであってもよいし、均一な粒子径を有するものであってもよい。酸化鉄原料の平均粒子径は、例えば、５．０ｍｍ以上３０．０ｍｍ以下であってもよく、１０．０ｍｍ以上１５．０ｍｍ以下であってもよい。尚、酸化鉄原料の「粒子径」とは、当該原料の篩径をいう。また、酸化鉄原料の「平均粒子径」とは、当該原料の粒子径の加重平均値をいう。酸化鉄原料の平均粒子径は、以下の通りにして測定する。すなわち、ＪＩＳ　Ｚ　８８１５：１９９５に記載の乾式ふるい分け試験によって質量基準の粒子径分布を得て、各篩の最大粒径と最小粒径の平均値を代表粒径として、質量で加重平均することによって、酸化鉄原料の平均粒子径を測定することができる。酸化鉄原料は、ペレット等に成形されたものであってもよいし、粉体状であってもよいし、塊状であってもよいし、これら以外の形状であってもよい。シャフト炉１０への酸化鉄原料の供給量は、シャフト炉１０の規模や操業条件等によって最適な量が選択されればよい。本実施形態においては、シャフト炉１０へと供給される酸化鉄原料の温度が、後述する原料前処理装置４０によって、６００℃以上９００℃以下とされることに特徴がある。酸化鉄原料の温度については、後述する。
　本実施形態においては、シャフト炉１０の内部の還元帯において還元ガスによる酸化鉄の還元が生じる。ガス供給口１２からシャフト炉１０の内部へと供給される還元ガスの温度（ガス供給口１２における温度）は、例えば、７００℃以上１１００℃以下であってもよい。ガス供給口１２からシャフト炉１０の内部へと供給される還元ガスの流量（ガス供給口１２における流量）は、例えば、１０００Ｎｍ３／ｔ－ＤＲＩ以上２２００Ｎｍ３／ｔ－ＤＲＩ以下であってもよい。還元帯における酸化鉄原料の温度は、例えば、６００℃以上９００℃以下であってもよい。還元帯を経て還元鉄排出口１３から排出される還元鉄の還元率は、例えば、６５％以上９８％以下であってもよい。還元帯を経てガス排出口１４からシャフト炉１０の外部へと排出される水蒸気含有ガスの温度は、原料供給口１１から供給される酸化鉄原料の温度と対応する温度であり、すなわち、６００℃以上９００℃以下であってもよい。
１．２　還元ガス供給装置
　還元ガス供給装置２０は、後述する還元ガス加熱装置３０へと、水素ガスを含む還元ガスを供給する。還元ガス供給装置２０は、例えば、還元ガスの流量や圧力や温度を制御しつつ、還元ガス加熱装置３０へと還元ガスを供給するものであってもよい。言い換えれば、還元ガス供給装置２０は、流量計、圧力計及び温度計のうちの少なくとも１つを備えるものであってよく、また、還元ガスの流量及び圧力のうちの一方又は両方を制御する制御機構を備えるものであってよい。また、還元ガス供給装置２０は、還元ガス源や後述する固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）５１に配管を介して接続され、当該還元ガス源やＳＯＥＣから還元ガス供給装置２０へと水素ガスを含むガスが供給されるように構成されていてもよく、また、後述する還元ガス加熱装置３０に配管を介して接続され、当該還元ガス加熱装置３０へと還元ガスを供給するように構成されていてもよい。
　還元ガス供給装置２０から供給される還元ガスの流量は、例えば、１０００Ｎｍ３／ｔ－ＤＲＩ以上２２００Ｎｍ３／ｔ－ＤＲＩ以下であってもよい。また、還元ガス供給装置２０から供給される還元ガスの圧力は、例えば、０．１ＭＰａ以上０．８ＭＰａ以下であってもよい。また、還元ガス供給装置２０から供給される還元ガスの温度は、例えば、室温以上１００℃以下であってもよい。尚、還元ガス供給装置２０として、市販のものが用いられてもよい。市販の還元ガス供給装置としては、例えば、エア・ウォーター社製のオンサイト供給ユニット等が挙げられる。
　還元ガス供給装置２０から供給される還元ガスは、水素ガスを含み、任意にその他のガスを含んでいてもよい。還元ガスは、水素ガスを４０体積％以上１００体積％以下含むものであってもよい。水素ガス以外のガスとしては、ＣＯガスや炭化水素ガスや不活性ガス等が挙げられる。不活性ガスは、例えば、窒素ガス、アルゴンガス等の希ガス、ＣＯ２ガス、水蒸気等から選ばれる少なくとも１種であってもよい。還元ガスに占める水素ガスの割合は、４０体積％以上、４５体積％以上、５０体積％以上、５５体積％以上、６０体積％以上、６５体積％以上、７０体積％以上、７５体積％以上、８０体積％以上、８５体積％以上、９０体積％以上、又は、９５体積％以上であってもよい。特に、還元ガスに占める水素ガスの割合は、９０体積％以上１００体積％以下であることが好ましい。
１．３　還元ガス加熱装置
　還元ガス加熱装置３０は、上述の還元ガス供給装置２０から供給された還元ガスを加熱する。還元ガス加熱装置３０によって加熱された還元ガスは、上述のシャフト炉１０のガス供給口１２へと供給される。還元ガス加熱装置３０は、例えば、還元ガスの流量や圧力や温度を制御しつつ、ガス供給口１２へと還元ガスを供給するものであってもよい。言い換えれば、還元ガス加熱装置３０は、ガスを加熱する加熱機構を備え、かつ、ガス温度を制御する制御機構を備えるものであってよい。また、還元ガス加熱装置３０は、流量計、圧力計及び温度計のうちの少なくとも１つを備えるものであってよく、また、還元ガスの流量及び圧力のうちの一方又は両方を制御する制御機構を備えるものであってよい。加熱機構は、ガスを加熱可能な機構であればよく、熱交換によるものであってもよいし、外熱式の加熱器であってもよいし、ガスを部分燃焼させるもの（還元ガスに含まれる水素の一部と酸素とを反応させて燃焼させ、燃焼熱によってガスの加熱を行うもの）であってもよい。
　還元ガス加熱装置３０から供給される還元ガスの流量は、例えば、１０００Ｎｍ３／ｔ－ＤＲＩ以上２２００Ｎｍ３／ｔ－ＤＲＩ以下であってもよい。また、還元ガス加熱装置３０から供給される還元ガスの圧力は、例えば、０．１ＭＰａ以上０．８ＭＰａ以下であってもよい。また、還元ガス加熱装置３０から供給される還元ガスの温度（ガス供給口１２における温度）は、例えば、７００℃以上１１００℃以下であってもよい。尚、還元ガス加熱装置３０として、市販のものが用いられてもよい。市販の還元ガス加熱装置としては、例えば、泉伝熱社製のガス加熱器等が挙げられる。
１．４　原料前処理装置
　原料前処理装置４０は、上述のシャフト炉１０の原料供給口１１へと、６００℃以上９００℃以下の温度を有する酸化鉄原料を供給する。原料前処理装置４０は、例えば、
　（１）酸化鉄原料を加熱する加熱機構を有するものであってもよく、又は
　（２）高温の酸化鉄原料を製造する原料製造装置であってもよい。
　（１）原料前処理装置４０は、加熱機構によって酸化鉄原料を６００℃以上９００℃以下に加熱したうえで、シャフト炉１０の原料供給口１１へと当該酸化鉄原料を供給するものであってもよい。加熱機構に特に制限はなく、酸化鉄原料を６００℃以上９００℃以下に加熱可能なものであれば、いずれも採用可能である。加熱機構は、酸化鉄原料をバッチ式で加熱するものであってもよいし、連続式で加熱するものであってもよい。原料前処理装置４０は、ホッパー、原料排出装置、温度計、加熱機構、及び、原料の加熱温度を制御する制御機構等を備えるものであってもよい。
　（２）原料前処理装置４０は、酸化鉄原料としてのペレットを製造する、焼成炉であってもよい。すなわち、一実施形態に係る原料前処理装置４０は、ペレット焼成炉において製造されたペレットが、６００℃以上９００℃以下の温度を有する状態で、シャフト炉１０の原料供給口１１へと移送されるように構成されてもよい。
　原料前処理装置４０からシャフト炉１０の原料供給口１１へと供給される酸化鉄原料の温度は、６００℃以上であり、６５０℃以上又は７００℃以上であってもよく、９００℃以下であり、８５０℃以下又は８００℃以下であってもよい。このように、シャフト炉１０の内部へと供給される前に酸化鉄原料が加熱されることで、後述するように、シャフト炉１０から排出される水蒸気含有ガスの温度が、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）５１を作動させるのに適した温度となり易い。また、シャフト炉１０の内部へと供給される前に酸化鉄原料が加熱されることで、システム全体としての熱効率が高まるとともに、シャフト炉１０の内部での酸化鉄原料の還元効率も高まるものと考えられる。尚、「酸化鉄原料の温度」とは、酸化鉄原料の表面温度をいう。酸化鉄原料の表面温度は、熱電対等によって測定された実測値であってもよいし、シミュレーションなどによって推定された推定値であってもよい。
　上述の通り、酸化鉄原料は、硫黄を含む場合がある。酸化鉄原料に含まれる硫黄は、ガス化して水素還元システム内を循環する。ここで、水素還元システムにおいて硫黄が存在すると、各装置が腐食する場合があり、また、後述する固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）５１の触媒が被毒する場合がある。この点、酸化鉄原料に硫黄が含まれる場合、酸化鉄原料の硫黄量を低減することが好ましい。例えば、図２に示されるように、原料前処理装置４０は、酸化鉄原料に含まれる硫黄を除去する機構４１を有するものであってもよい。硫黄除去機構４１は、例えば、酸化鉄原料を酸化性雰囲気で加熱することで、酸化鉄原料に含まれる硫黄を亜硫酸ガスとして除去する機構であってもよい。
１．５　水素製造装置
　水素製造装置５０は、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）５１を備える。ＳＯＥＣ５１は、上述のシャフト炉１０のガス排出口１４から排出された水蒸気含有ガスを利用して、水素ガスを製造する。ＳＯＥＣ５１によって製造された水素ガスは、上述の還元ガスとして利用される。例えば、ＳＯＥＣ５１によって製造された水素ガスは、上述の還元ガス供給装置２０、還元ガス加熱装置３０及びガス供給口１２のうちの少なくとも１つに供給されてもよく、還元ガス加熱装置３０及びガス供給口１２のうちの一方又は両方へと供給されてもよい。尚、ＳＯＥＣ５１によって製造された水素ガスの温度は、通常、高温である。この点、ＳＯＥＣ５１によって製造された水素ガスが還元ガス加熱装置３０及びガス供給口１２のうちの一方又は両方へと供給される場合、当該水素ガスの熱エネルギーが有効に利用され易い。
　ＳＯＥＣ５１の構成そのものは公知である（例えば、特開２００５－２３２５２５号公報、特開平７－１０９５９２公報参照）。すなわち、ＳＯＥＣ５１は、例えば、水素極と酸素極とこれらの間に配置された電解質層とを有する。ガス排出口１４から排出された水蒸気含有ガスは、ＳＯＥＣ５１の水素極へと供給される。水素極においては、水蒸気の電解によって水素ガスが生成する。一方、酸素極においては、酸素ラジカルから電子が放出されて、酸素ガスが生成する。すなわち、ＳＯＥＣ５１の水素極からは水素ガスを含む排ガスが排出され、酸素極からは酸素ガスを含む排ガスが排出される。水素極は、例えば、Ｎｉ－ＣｅＯ２等の金属触媒－助触媒又は金属触媒－担体を含むものであってよい。また、酸素極は、例えば、ＬａＣｏＯ３等のセラミック触媒を含むものであってよい。また、電解質層は、ＺｒＯ２等のセラミック電解質を含むものであってよい。また、水素製造装置５０においては、複数のＳＯＥＣ５１が金属セパレータを介して積み重ねられて、ＳＯＥＣスタックとされていてもよい。ＳＯＥＣ５１を作動させる際の電力密度は、例えば、０．５Ａ／ｍ２以上１．０Ａ／ｍ２以下であってもよい。
　ＳＯＥＣ５１へと供給される水蒸気含有ガスの水分量は、特に限定されるものではない。水蒸気含有ガスは、水蒸気以外に、その他のガスを含んでいてもよい。酸化鉄原料や還元ガスの組成にもよるが、水蒸気含有ガスは、例えば、水素ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、炭化水素ガス、不活性ガス等から選ばれる少なくとも１種を含んでいてもよい。ＳＯＥＣ５１へと供給される水蒸気含有ガスの流量や圧力についても、特に限定されるものではなく、水素製造装置５０の規模等に応じて適宜調整されればよい。
　ＳＯＥＣ５１の作動温度は、通常、６００℃以上９００℃以下である。一方、本実施形態において、シャフト炉１０のガス排出口１４から排出される水蒸気含有ガスの温度は、原料供給口１１からシャフト炉１０の内部へと供給される酸化鉄原料の温度と対応しており、すなわち、６００℃以上９００℃以下の近傍の温度である。言い換えれば、本実施形態においては、ガス排出口１４から排出される水蒸気含有ガスの温度が、ＳＯＥＣ５１を作動させるのに適した温度となり易い。そのため、本実施形態においては、シャフト炉１０のガス排出口１４から排出される水蒸気含有ガスを、外部装置によって加熱及び冷却することなく、そのままＳＯＥＣへと供給してもよい。
１．６　その他の構成
　水素還元システム１００は、上述のシャフト炉１０、還元ガス供給装置２０、還元ガス加熱装置３０、原料前処理装置４０、及び、水素製造装置５０に加えて、その他の装置を備えていてもよい。以下、その他の装置の一例について説明する。
１．６．１　水除去装置
　上述の通り、シャフト炉１０からの排出ガスには水蒸気が含まれる。水蒸気含有ガスは、ＳＯＥＣ５１に供給されて水素が製造される。ここで、ＳＯＥＣ５１においては、水蒸気含有ガスに含まれる水蒸気の一部が水素へと転換されることなく系内を循環し、場合によっては系内の水蒸気濃度が高くなる場合がある。この点、一実施形態に係る水素還元システム１００は、図３に示されるように、水除去装置６０を有していてもよい。例えば、水素還元システム１００においては、ＳＯＥＣ５１の水素極からの排ガス（水素のほか、水蒸気を含むガス）が、水除去装置６０へと供給され、水除去装置６０が、当該排ガスに含まれる水の少なくとも一部を除去するように構成されていてもよい。水除去装置６０は、例えば、ＳＯＥＣ５１の水素極よりも下流側、かつ、シャフト炉１０のガス供給口１２よりも上流側に配置されてもよい。例えば、水除去装置６０は、以下に説明する通り、ＳＯＥＣ５１の水素極と、還元ガス加熱装置３０との間に配置されてもよい。
　水除去装置６０における水除去方式に特に制限はない。水除去装置６０は、例えば、ＳＯＥＣ５１の水素極からの排ガスを１００℃以下に冷却することによって、当該排ガスに含まれる水の少なくとも一部を除去するものであってもよい。この場合、水除去後の排ガスの温度が低く、これをそのまま還元ガスとしてシャフト炉１０の内部へと供給すると、酸化鉄の還元反応効率が低下する場合がある。この点、水除去装置６０において冷却によって水を除去する場合、図４に示されるように、水除去後の排ガス（水素ガスを含むもの）は、還元ガス加熱装置３０へと供給されて、加熱されたうえで、還元ガスとして利用されることが好ましい。
　水除去装置６０に供給される水蒸気含有ガスの流量は、例えば、１０００Ｎｍ３／ｔ－ＤＲＩ以上２２００Ｎｍ３／ｔ－ＤＲＩ以下であってもよい。また、水除去装置６０に供給される水蒸気含有ガスの圧力は、例えば、０．１ＭＰａ以上０．８ＭＰａ以下であってもよい。また、水除去装置６０に供給される水蒸気含有ガスの温度は、例えば、６００℃以上９００℃以下であってもよい。尚、水除去装置６０として、市販のものが用いられてもよい。市販の水除去装置としては、例えば、Ｈｉｐｏｔｅｃ社製のガス冷却装置（クエンチング）等が挙げられる。
　或いは、水除去装置６０は、分子篩等によって水素ガスと水蒸気とを分離するようなものであってもよい。或いは、水除去装置６０は、水素に対して不活性で、かつ、水に対して反応性を有する材料によって水を選択的に反応又は吸着させることで、水を除去するものであってもよい。
１．６．２　二酸化炭素除去装置
　上述の通り、シャフト炉１０へと供給される還元ガスや、シャフト炉１０からの排出ガスには二酸化炭素が含まれる場合がある。二酸化炭素は、直接還元プロセスにおける還元反応に対して不活性であるが、系内の二酸化炭素濃度が高くなると、相対的に還元ガス濃度が低下して、酸化鉄の還元反応効率等が低下する場合がある。この点、一実施形態に係る水素還元システム１００は、図５に示されるように、二酸化炭素除去装置７０を有していてもよい。例えば、水素還元システム１００においては、ＳＯＥＣ５１の水素極からの排ガス（水素のほか、水蒸気及び二酸化炭素を含むガス）が、水除去装置６０へと供給され、水除去装置６０が、当該排ガスに含まれる水の少なくとも一部を除去し、さらに、水除去後の排ガスが、二酸化炭素除去装置７０へと供給され、二酸化炭素除去装置７０が、当該排ガスに含まれる二酸化炭素の少なくとも一部を除去するように構成されていてもよい。二酸化炭素除去装置７０は、水素還元システム１００のガス循環系統のどこに設置されてもよい。二酸化炭素除去装置７０は、例えば、ＳＯＥＣ５１の水素極よりも下流側、かつ、シャフト炉１０のガス供給口１２よりも上流側に配置されてもよい。例えば、二酸化炭素除去装置７０は、ＳＯＥＣ５１の水素極と、還元ガス加熱装置３０との間に配置されてもよい。
　二酸化炭素除去装置７０は、分子篩等によって水素ガスと二酸化炭素ガスとを分離するようなものであってもよい。或いは、二酸化炭素除去装置７０は、水素に対して不活性で、かつ、二酸化炭素に対して反応性を有する材料によって二酸化炭素を選択的に反応又は吸着させることで、二酸化炭素を除去するものであってもよい
１．６．３　硫黄除去装置
　上記説明では、原料前処理装置４０が硫黄除去機構４１を備える場合を例示したが、水素還元システム１００は、原料前処理装置４０とは別に硫黄除去装置（不図示）を備えていてもよい。例えば、シャフト炉１０から排出される水蒸気含有ガスに硫黄が含まれる場合もある。この場合、シャフト炉１０から排出された水蒸気含有ガスが水素製造装置５０のＳＯＥＣ５１に至る前に、硫黄除去装置によって当該ガス中の硫黄が除去されることが好ましい。また、水素還元システム１００は、循環系統を循環するガスに含まれる硫黄濃度を硫黄濃度監視装置によって監視し、循環ガス中の硫黄濃度が閾値を上回った場合に、硫黄除去装置によって当該循環ガスから硫黄を除去して、当該循環ガスの硫黄濃度を閾値未満へと低減するように構成されていてもよい。
　循環ガス中の硫黄濃度を監視する方式としては、実測による方式、及び、推定による方式のいずれを採用してもよい。実測による方式としてはガスクロマトグラフ法、原子吸光法、紫外線蛍光法やＩＣＰ等によって循環ガスや酸化鉄原料中の硫黄濃度を測定する方式が挙げられる。推定による方式としては、酸化鉄原料から循環ガス中に移行する硫黄量を理論的に推定する方式が挙げられる。
　循環ガス中の硫黄濃度を低減する方式としては、（１）還元ガスの温度を変化させて循環ガス中の硫黄濃度を低減する方式、（２）原料供給口１１へと供給される酸化鉄原料の種類を切り替えて、硫黄濃度の低い酸化鉄原料を供給することで、循環ガス中の硫黄濃度を低減する方式、（３）ガス供給口１２へと供給される還元ガスの種類を切り替えて、硫黄濃度の低い還元ガスを供給することで、循環ガス中の硫黄濃度を低減する方式、（４）循環系統の一部に脱硫機構を設けて、循環ガス中の硫黄濃度を低減する方式、等が挙げられる。脱硫機構としては、例えば、フィルター法や吸着法によって、循環ガス中の硫黄（例えば、硫化水素）の少なくとも一部を除去するものが挙げられる。
１．７　補足
　水素還元システム１００においては、図１～５に示された構成が任意に組み合わされてもよい。すなわち、水素還元システム１００は、シャフト炉１０、還元ガス供給装置２０ｓ、還元ガス加熱装置３０、原料前処理装置４０、及び、水素製造装置５０に加えて、硫黄除去機構４１、水除去装置６０、二酸化炭素除去装置７０及び硫黄除去装置（不図示）のうちの少なくとも１つを備えていてもよい。また、水素還元システム１００においては、上述の各装置以外のその他の装置を備えていてもよい。
２．還元鉄の製造方法
　図１～５に示されるように、一実施形態に係る還元鉄の製造方法は、酸化鉄原料をシャフト炉１０の内部へと供給するとともに、水素ガスを含む還元ガスを前記シャフト炉１０の内部へと供給して、前記シャフト炉１０の内部において前記酸化鉄原料を還元して還元鉄を得ること、及び、前記酸化鉄原料の還元によって生じた水蒸気含有ガスを、前記シャフト炉１０の外部へと排出すること、を含む。ここで、前記酸化鉄原料は、６００℃以上９００℃以下に加熱されたうえで前記シャフト炉１０の内部へと供給される。前記還元ガスは、加熱されたうえで前記シャフト炉１０の内部へと供給される。前記シャフト炉１０から排出された水蒸気含有ガスは、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）５１に供給され、前記ＳＯＥＣ５１によって前記水蒸気含有ガスから水素ガスが製造される。前記ＳＯＥＣ５１によって製造された前記水素ガスは、前記還元ガスとして利用される。シャフト炉１０、ＳＯＥＣ５１、酸化鉄原料、還元ガス及び水蒸気含有ガス等については、上述の通りであり、ここでは説明を省略する。
　一実施形態に係る還元鉄の製造方法においては、上記の水素還元システム１００における構成がそのまま採用されてもよい。例えば、一実施形態に係る還元鉄の製造方法は、前記酸化鉄原料を前記シャフト炉１０の内部へと供給する前に、前記酸化鉄原料に含まれる硫黄を除去すること、を含んでいてもよい。また、一実施形態に係る還元鉄の製造方法は、前記ＳＯＥＣ５１の水素極からの排ガスに含まれる水を除去すること、を含んでいてもよい。また、一実施形態に係る還元鉄の製造方法は、前記ＳＯＥＣ５１の水素極からの排ガスを１００℃以下に冷却することによって、前記排ガスに含まれる水を除去すること、及び、水除去後の前記排ガスを加熱して、前記還元ガスとして利用すること、を含んでいてもよい。酸化鉄原料に含まれる硫黄の除去方法やガスに含まれる水の除去方法については、上述の通りであり、ここでは説明を省略する。
３．効果
　以上の通り、一実施形態に係る水素還元システム１００及び還元鉄の製造方法においては、シャフト炉１０から排出された水蒸気含有ガスが、ＳＯＥＣ５１へと供給され、ＳＯＥＣ５１における水分解反応によって、水素ガスが製造される。ここで、シャフト炉１０に供給される酸化鉄原料の温度が６００℃以上９００℃以下とされることで、シャフト炉１０から排出される水蒸気含有ガスの温度がＳＯＥＣ５１を作動させるのに好適な温度となり易い。すなわち、シャフト炉１０から排出される水蒸気含有ガスを利用してＳＯＥＣ５１によって水素ガスを製造する際、シャフト炉１０から排出された水蒸気含有ガスに対して追加的な加熱を行わずとも、ＳＯＥＣ５１における電解効率を高めることができる。ＳＯＥＣ５１によって製造された水素ガスは、酸化鉄を還元するための還元ガスとして利用することができる。その結果、例えば、外部から供給される水素ガスの量が削減される。ＳＯＥＣ５１の電解効率を最大限向上させることができれば、シャフト炉１０から排出される水蒸気の全量を水素に転換することができ、初期に還元ガスを供給するだけで、その後、外部から追加供給する水素が不要となる。
　また、ＳＯＥＣ５１によって製造される水素ガスは、ＳＯＥＣ５１の作動温度と対応する６００℃以上９００℃以下の温度を有しており、このような高温の水素ガスは、シャフト炉１０における直接還元にそのまま利用することもできる。すなわち、製造された水素ガスに対する加熱量が少なくてすみ、或いは、加熱が不要となる。
　また、一実施形態に係る水素還元システム１００及び還元鉄の製造方法においては、上述の通り、シャフト炉１０の内部へと供給される前に酸化鉄原料に含まれる硫黄が除去されてもよい。ここで、酸化鉄原料に含まれる硫黄は、還元ガスとの反応によって硫化水素などの形態となってシャフト炉１０の外部へと排出される。酸化鉄原料に含まれる硫黄が予め除去されることで、シャフト炉１０から排出される水蒸気含有ガスに含まれる硫黄（硫化水素等）の量も低減することができ、ＳＯＥＣ５１において水蒸気含有ガスを利用して水素ガスを製造する際、ＳＯＥＣ５１の触媒が硫黄によって被毒又は劣化することも抑えることができる。
　以下、実施例を示しつつ本開示の技術による効果等について、より詳細に説明するが、本開示の技術は以下の実施例に限定されるものではない。
　以下に、１５ｋｇ／ｈｒの還元鉄の製造能力を有する水素還元システムの設計例を示す。
　（１）シャフト炉として、直径０．１ｍ、有効高さ４ｍのものを用意した。
　（２）シャフト炉の頂部に設けられた原料供給口からシャフト炉の内部へと８５０℃に加熱した酸化鉄原料を供給した。
　（３）シャフト炉の側壁に設けられたガス供給口からシャフト炉の内部へと２０００Ｎｍ３／ｔ－ＤＲＩの流量にて還元ガスを供給した。供給される還元ガスの組成及び温度は、下記表１に示される通りである。
　（４）シャフト炉の側壁、かつ、ガス供給口よりも上方に設けられたガス排出口からシャフト炉の外部へと排ガスを排出した。排ガスの組成及び温度は、下記表１に示される通りである。
　（５）上記（２）～（４）を同時に行い、シャフト炉の底部に設けられた還元鉄排出口から還元鉄を連続的に排出した。還元鉄の還元率は９５％であった。
　表１に示されるように、酸化鉄原料を８５０℃に加熱したうえでシャフト炉へと供給することで、シャフト炉からの排ガスの温度を８５０℃近傍（８４０℃）に制御することができた。当該温度は、ＳＯＥＣの作動温度の範囲内であり、すなわち、シャフト炉からの排ガスをそのままＳＯＥＣへと供給することで、排ガスに含まれる水蒸気を水素へと転換可能と考えられる。このように、シャフト炉からの排ガスの温度は、酸化鉄原料の供給温度に対応する。ＳＯＥＣの作動温度が、通常、６００℃以上９００℃以下であることを考慮すると、酸化鉄原料の供給温度を６００℃以上９００℃以下とすることで、シャフト炉からの排ガス温度も６００℃以上９００℃以下の近傍となり、ＳＯＥＣを作動させるのに好適な温度となるものと考えられる。
　ＳＯＥＣの具体例としては、以下のものが挙げられる。
　　作動温度：８００℃
　　電力密度：１．０Ａ／ｍ２
　　水素極：Ｎｉ－ＣｅＯ２混合材料
　　電解質：ＺｒＯ２
　　酸素極：ＬａＣｏＯ３
　　セパレータ：ＳＵＳ３０４
　以上をまとめると、以下の（Ａ１）～（Ｉ１）の構成を備える水素還元システムや、以下の（Ａ２）～（Ｅ２）の構成を備える還元鉄の製造方法によれば、シャフト炉から排出される水蒸気含有ガスの温度がＳＯＥＣを作動させるのに好適な温度となり易く、ＳＯＥＣの電解効率を高めることができ、外部から供給される水素ガスの量を低減することができると考えられる。
（Ａ１）水素還元システムは、シャフト炉と、還元ガス供給装置と、還元ガス加熱装置と、原料前処理装置と、水素製造装置と、を有する。
（Ｂ１）前記シャフト炉は、原料供給口と、前記原料供給口よりも下方に設けられたガス供給口と、前記ガス供給口よりも下方に設けられた還元鉄排出口と、前記ガス供給口よりも上方に設けられたガス排出口と、を有する。
（Ｃ１）前記還元ガス供給装置は、前記還元ガス加熱装置へと、水素ガスを含む還元ガスを供給する。
（Ｄ１）前記還元ガス加熱装置は、前記還元ガス供給装置から供給された前記還元ガスを加熱する。
（Ｅ１）前記還元ガス加熱装置によって加熱された前記還元ガスは、前記ガス供給口へと供給される。
（Ｆ１）前記原料前処理装置は、前記原料供給口へと、６００℃以上９００℃以下の温度を有する酸化鉄原料を供給する。
（Ｇ１）前記水素製造装置は、固体酸化物形電解セルを有する。
（Ｈ１）前記固体酸化物形電解セルは、前記ガス排出口から排出された水蒸気含有ガスを利用して、水素ガスを製造する。
（Ｉ１）前記固体酸化物形電解セルによって製造された前記水素ガスは、前記還元ガスとして利用される。
（Ａ２）還元鉄の製造方法は、酸化鉄原料をシャフト炉の内部へと供給するとともに、水素ガスを含む還元ガスを前記シャフト炉の内部へと供給して、前記シャフト炉の内部において前記酸化鉄原料を還元して還元鉄を得ること、及び、前記酸化鉄原料の還元によって生じた水蒸気含有ガスを、前記シャフト炉の外部へと排出すること、を含む。
（Ｂ２）前記酸化鉄原料は、６００℃以上９００℃以下に加熱されたうえで前記シャフト炉の内部へと供給される。
（Ｃ２）前記還元ガスは、加熱されたうえで前記シャフト炉の内部へと供給される。
（Ｄ２）前記シャフト炉から排出された水蒸気含有ガスは、固体酸化物形電解セルに供給され、前記固体酸化物形電解セルによって前記水蒸気含有ガスから水素ガスが製造される。
（Ｅ２）前記固体酸化物形電解セルによって製造された前記水素ガスは、前記還元ガスとして利用される。
　１０　シャフト炉
　　１１　原料供給口
　　１２　ガス供給口
　　１３　還元鉄排出口
　　１４　ガス排出口
　２０　還元ガス供給装置
　３０　還元ガス加熱装置
　４０　原料前処理装置
　　４１　硫黄除去機構
　５０　水素製造装置
　　５１　固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）
　６０　水除去装置
　７０　二酸化炭素除去装置

Claims (8)

  1. 　水素還元システムであって、
    　　シャフト炉と、
    　　還元ガス供給装置と、
    　　還元ガス加熱装置と、
    　　原料前処理装置と、
    　　水素製造装置と、
    　を有し、
    　　前記シャフト炉が、
    　　　原料供給口と、
    　　　前記原料供給口よりも下方に設けられたガス供給口と、
    　　　前記ガス供給口よりも下方に設けられた還元鉄排出口と、
    　　　前記ガス供給口よりも上方に設けられたガス排出口と、
    　　を有し、
    　　前記還元ガス供給装置が、前記還元ガス加熱装置へと、水素ガスを含む還元ガスを供給し、
    　　前記還元ガス加熱装置が、前記還元ガス供給装置から供給された前記還元ガスを加熱し、
    　　　前記還元ガス加熱装置によって加熱された前記還元ガスが、前記ガス供給口へと供給され、
    　　前記原料前処理装置が、前記原料供給口へと、６００℃以上９００℃以下の温度を有する酸化鉄原料を供給し、
    　　前記水素製造装置が、固体酸化物形電解セルを有し、
    　　　前記固体酸化物形電解セルが、前記ガス排出口から排出された水蒸気含有ガスを利用して、水素ガスを製造し、
    　　　　前記固体酸化物形電解セルによって製造された前記水素ガスが、前記還元ガスとして利用される、
    　水素還元システム。
  2. 　請求項１に記載の水素還元システムであって、
    　　前記原料前処理装置が、前記酸化鉄原料に含まれる硫黄を除去する機構を有する、
    　水素還元システム。
  3. 　請求項１又は２に記載の水素還元システムであって、
    　　水除去装置を有し、
    　　前記固体酸化物形電解セルの水素極からの排ガスが、前記水除去装置へと供給され、
    　　前記水除去装置が、前記排ガスに含まれる水を除去する、
    　水素還元システム。
  4. 　請求項３に記載の水素還元システムであって、
    　　前記水除去装置が、前記排ガスを１００℃以下に冷却することによって前記排ガスに含まれる水の少なくとも一部を除去し、
    　　水除去後の前記排ガスが、前記還元ガス加熱装置へと供給されて、前記還元ガスとして利用される、
    　水素還元システム。
  5. 　還元鉄の製造方法であって、
    　　酸化鉄原料をシャフト炉の内部へと供給するとともに、水素ガスを含む還元ガスを前記シャフト炉の内部へと供給して、前記シャフト炉の内部において前記酸化鉄原料を還元して還元鉄を得ること、及び
    　　前記酸化鉄原料の還元によって生じた水蒸気含有ガスを、前記シャフト炉の外部へと排出すること、
    　を含み、
    　　前記酸化鉄原料が、６００℃以上９００℃以下に加熱されたうえで前記シャフト炉の内部へと供給され、
    　　前記還元ガスが、加熱されたうえで前記シャフト炉の内部へと供給され、
    　　前記シャフト炉から排出された水蒸気含有ガスが、固体酸化物形電解セルに供給され、
    　　前記固体酸化物形電解セルによって前記水蒸気含有ガスから水素ガスが製造され、
    　　前記固体酸化物形電解セルによって製造された前記水素ガスが、前記還元ガスとして利用される、
    　還元鉄の製造方法。
  6. 　請求項５に記載の還元鉄の製造方法であって、
    　　前記酸化鉄原料を前記シャフト炉の内部へと供給する前に、前記酸化鉄原料に含まれる硫黄を除去すること、
    　を含む、還元鉄の製造方法。
  7. 　請求項５又は６に記載の還元鉄の製造方法であって、
    　　前記固体酸化物電解セルの水素極からの排ガスに含まれる水を除去すること、
    　を含む、還元鉄の製造方法。
  8. 　請求項７に記載の還元鉄の製造方法であって、
    　　前記固体酸化物電解セルの水素極からの排ガスを１００℃以下に冷却することによって、前記排ガスに含まれる水を除去すること、及び
    　　水除去後の前記排ガスを加熱して、前記還元ガスとして利用すること、
    　を含む、還元鉄の製造方法。
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