JP7809209B2 - 製鋼方法及び関連するプラントのネットワーク - Google Patents

Description

本発明は、製鋼方法及び関連するプラントのネットワークに関する。

鋼は、現在、２つの主な製造経路を通して製造することができる。現在、最も一般的に使用されている「ＢＦ－ＢＯＦ経路」と呼ばれる製造経路は、還元剤、主にコークスを使用することによって高炉内で溶銑を製造し、コンバータプロセス、例えば塩基性酸素転炉（ＢＯＦ）において酸化鉄を還元し、次いで溶銑を鋼に転換することである。この経路は、コーキングプラントにおける石炭からコークスの製造及び溶銑の製造の両方において、大量のＣＯ_２を放出する。

第２の主な経路は、いわゆる「直接還元法」を含む。中でも、ＭＩＤＲＥＸ、ＦＩＮＭＥＴ、ＥＮＥＲＧＩＲＯＮ／ＨＹＬ、ＣＯＲＥＸ、ＦＩＮＥＸ等のブランドによる方法であって、酸化鉄担体の直接還元からＨＤＲＩ（熱間直接還元鉄）、ＣＤＲＩ（冷間直接還元鉄）、又はＨＢＩ（熱間ブリケット鉄）の形態で海綿鉄が、製造される方法がある。ＨＤＲＩ、ＣＤＲＩ、及びＨＢＩの形態の海綿鉄は、通常、電気炉内でさらなる加工を受ける。

現在主流となっている、高炉－塩基性酸素転炉（ＢＦ－ＢＯＦ）経路は、還元剤及び燃料としての石炭に依存するため、気候変動目標を達成するためにＣＯ_２排出を削減することは困難である。製鋼からのＣＯ_２排出を削減するには２つの選択肢がある。すなわち、ＢＦ－ＢＯＦ経路を維持し、炭素回収利用及び／又はＣＯ_２の貯留（ＣＣＳ又はＣＣＵ）技術を実施すること、又は新しい低排出プロセスを探すことである。

したがって、ＣＯ_２排出量削減の第１歩は、ＢＦ－ＢＯＦ経路からＤＲＩ経路に切り替えることであり得る。これは、設備に関してもプロセスに関しても大きな変化に相当するので、全ての高炉を一度に直接還元設備に置き換えられることはない。また、この１つの経路から他の経路への切り替えは、カーボンニュートラル製造経路が利用可能になる前に最初に解決されなければならない技術的及び経済的課題の両方に相当する。したがって、異なる設備が共存するプラントも存在するであろう。

また、鋼需要の増え続ける部分はスクラップ／ＤＲＩベースの製造でカバーされるが、鋼製造の必要性は依然として高く、従来のＢＦ技術は、今後何十年もの間主要な製造経路であることが依然として予想される。

したがって、ＣＯ_２フットプリントが低減されたハイブリッドＢＦ／ＤＲＩ経路に従って鋼を製造することを可能にする方法が必要とされている。

この課題は、ここで、本発明による方法によって解決される。直接還元プラントにおいて還元ガスを用いて直接還元鉄及び還元炉頂ガスを、製造し、該方法では還元炉頂ガスは、少なくとも部分的に還元ガスとして再利用される、高炉内で溶銑及び高炉の炉頂ガスを製造することであって、製造される溶銑１トン当たり２００Ｎｍ^３～７００Ｎｍ^３の水素が注入され、高炉の炉頂ガスが少なくとも部分的に生化学プラントに送られて炭化水素が製造され、製造された直接還元鉄の少なくとも一部を用いて電気炉内で溶融金属及び電気炉ガスを製造する。

本発明の方法はまた、別々に又は全ての可能な技術的組み合わせに従って考慮される以下の任意選択の特徴を有していてもよい。
－ 水素は、７５０～１１００℃の間に含まれる温度で高炉内に注入される、
－ 水素が高炉のシャフトに注入される、
－ 高炉に注入される水素の水素源又はそのうちの１つは、化学産業からの廃ガスである、
－ 方法は、コークスプラントにおいてコークス及びコークス炉ガスを製造する工程をさらに含み、該コークスは、溶銑の製造工程のために高炉に少なくとも部分的に装入され、該コークス炉ガスは、高炉に注入される水素の水素源又はそのうちの１つである、
－ 直接還元鉄製造工程のための還元ガスは、コークス炉ガスを含む、
－ 還元炉頂ガスは、高炉に注入される水素の水素源又はそのうちの１つである、
－ 還元炉頂ガスは、少なくとも部分的に還元剤として高炉のシャフトに注入される、
－ 還元炉頂ガスは、少なくとも部分的に生化学プラントに送られて炭化水素を製造する、
－ 水素は、生化学プラントにおけるその使用前に高炉頂ガスに添加される、
－ 直接還元鉄製造工程のための還元ガスは、少なくとも７０％ｖの水素を含む、
－ 前記水素はグリーン水素である、
－ 電気炉内で製造された溶融金属は、コンバータ内で溶鋼に変換される、
－ 高炉にグリーン水素が注入される、
－ 高炉頂ガスは、高炉内で還元剤として再利用される、
－ 本方法は、鋼製造中に放出された全てのガスをガスハブ内で回収し、鋼製造プロセス内での再利用のためにそれらを方向転換する工程をさらに含む、
－ 全ての工程に再生可能エネルギーが供給される、
－ 溶銑は、溶融金属を製造するために電気炉内で使用される、
－ スクラップは、溶融金属を製造するために電気炉内で使用される。

本発明はまた、還元ガスを用いて直接還元鉄及び還元炉頂ガスを製造する直接還元プラントと、製造される溶銑１トン当たり２００Ｎｍ^３～７００Ｎｍ^３の間の水素を注入する手段を備えた、溶銑及び高炉頂ガスを製造する高炉と、製造された直接還元鉄の少なくとも一部を用いて溶融金属及び電気炉ガスを製造する電気炉と、炭化水素を製造することができる生化学プラントと、還元炉頂ガスは少なくとも部分的に直接還元プラント内で還元ガスとして再利用されること、水素が高炉の水素注入手段に供給されること、高炉頂ガスは、炭化水素製造のために生化学プラントに少なくとも部分的に送られることを可能にするように設計されたガス分配システムとを含むプラントのネットワークに関する。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、例示として以下に示すが、決して限定的ではない本発明の説明から明らかになる。

本発明による方法を実施することを可能にするプラントのネットワークを示す図である。

図中の要素は例示であり、縮尺通りに描かれていないことがある。

図１は、直接還元プラント１、高炉２、電気炉３及び生化学プラント４を備えるプラントのネットワークを示す。

直接還元プラント１は、シャフト炉９及びガス調製装置５を備える。作業モードでは、３０重量％程度の酸素を含む酸化鉄鉱石及びペレット１０をシャフト炉９の頂部に装入し、還元ガス１１を介して重力により降下させる。ガス調製装置５によって調製されたこの還元ガス１１は、装入された酸化鉄から向流で流れるように炉９内に注入される。鉱石及びペレットに含まれる酸素は、ガスと酸化物との向流反応において、酸化鉄を段階的に還元することで除去される。ガスの酸化剤含有量は、ガスが炉の頂部に移動している間に増加する。ＤＲＩ生成物１２とも呼ばれる還元鉄は炉９の底部から出るが、還元頂部ガス１３は炉９の頂部から出る。この還元炉頂ガス１３は、第１のガス処理ユニット７において捕捉され、処理される。この還元炉頂ガス１３の組成は、シャフト炉９内に注入される還元ガス１１の組成に応じて変化する。

高炉２は、ガス－液体－固体向流化学反応器であり、その主な目的は、溶銑２２を製造することであり、次いで、溶銑は、その炭素含量を低下させることによって鋼に変換される。高炉２には、従来、高炉のスロートと呼ばれる上部に装入された固体材料、主に焼結物、ペレット、鉄鉱石、及び炭素質材料、一般にコークスが供給される。溶銑及びスラグからなる液体は、高炉２の底部の湯だまりから取り出される。鉄を含有する、高炉の装入原料（焼結体、ペレット及び鉄鉱石）は、従来、酸化鉄を還元ガス（特にＣＯ、Ｈ_２及びＮ_２を含む）で還元することによって溶銑２２に変換され、この還元ガスは、通常１０００～１３００℃の間の温度で、高炉の下部に位置する羽口によって注入される熱風２０のおかげで炭素質材料の部分燃焼によって形成される。還元剤の注入はまた、高炉の上部で、羽口の上方で行われてもよく、これはシャフト注入と呼ばれる。

得られるガスは、高炉の頂部で排出され、高炉頂ガス２１と呼ばれる。この高炉頂ガス２１は、第２のガス処理ユニット８において捕捉され、処理される。この高炉頂ガス２１の組成は、高炉２に注入される還元剤の組成によって変化する。

電気炉３の種類は異なっていてもよい。特に、電気炉は電気アーク炉（ＥＡＦ）、製錬炉、サブマージドアーク炉（ＳＡＦ）又は開放スラグ浴炉（ＯＳＢＦ）であってもよい。この炉の目的は、装入材料を溶融することであり、装入材料は直接還元プラント１によって製造された直接還元鉄１２の少なくとも一部である。この直接還元鉄１２は、直接還元プラント１の出口で直接高温で装入するか、又は低温で装入することができる。電気炉３にはまた、高炉によって製造された溶銑２２及び／又はスクラップが装入されてもよい。使用される技術及び装入材料によれば、製造された溶融金属は、炭素含有量を低減するためにコンバータに送られるか、及び／又は鋼を精製し、さらなる処理工程のためにそれを適切な組成にするために二次冶金に送られるかのいずれかであり得る。

生化学プラント４は、生物学を利用して高炉頂ガス２１Ａをアルコールに変換するプラントである。それは、微生物、細菌又は藻類を使用してＢＦＧのＣＯ又はＣＯ_２及びＨ_２内容物を炭化水素、例えばエタノールに変える発酵又は電気発酵プラントであり得る。

図１の実施形態では、プラントは、本発明による方法を実施するのに任意選択であるコークスプラント６をさらに含む。コークス６１は、断熱チャンバであるいわゆる「コークス炉」において、石炭を非常に高い温度、通常は約１０００℃に加熱することによって製造される。石炭の処理中、石炭ブレンド中の有機物質は蒸発又は分解し、コークス炉ガス（ＣＯＧ）６２及びコールタール（産業及び医薬品で使用される濃厚な暗色液体）を製造する。

好ましい実施形態では、これらのプラントは全て、太陽光、風、雨、潮、波、及び地熱等の源を含む、人間の時間尺度で自然に補充される再生可能資源から収集されるエネルギーとして規定される再生可能エネルギーで運転される。いくつかの実施形態では、製造されるＣＯ_２を放出しないので、原子力源に由来する電気を使用することができる。

本発明による方法では、直接還元炉頂ガスの少なくとも一部１３Ａが還元ガス１１として再利用され、製造されるべき溶銑１トン当たり２００～７００Ｎｍ^３の間の水素が高炉２に注入され、高炉の炉頂ガスの少なくとも一部１２Ａが生化学プラント４に送られる。

Ｎｍ^３は、通常の温度及び圧力（０℃及び１気圧）の条件下でのガスについて、１立方メートルの体積の内容物に対応するガスの量の測定単位である。

これらの異なる特徴の組み合わせは、ＤＲＩ及び高炉プロセスの両方を使用しながら、プロセスの全体的なカーボンフットプリントを低減することを可能にする。

直接還元炉頂ガス１３の少なくとも一部１３Ａは、還元ガス１１として再利用される。好ましい実施形態では、直接還元炉頂ガス１３は、とりわけ、水除去装置及びＣＯ_２分離ユニットを備え得る第１のガス処理ユニット７内で捕捉され、処理される。処理されたガスは、少なくとも２つの流れに分割されてもよく、第１の流れ１３Ａは、直接還元プラント内で還元ガス１１として再利用され、第２の流れ１３Ｂは、生化学プラント４に送られて炭化水素に変換される。別の実施形態では、この第２の流れ１３Ｃはまた、熱風２０で使用されるために高炉２に送られてもよく、又は加熱後に還元剤として高炉シャフトに注入されてもよい。直接還元頂部ガス１３はまた、３つ以上の流れに分割され、以前の実施形態で説明されたように使用されてもよい。

製造される溶銑１トン当たり２００～７００Ｎｍ^３の水素が還元ガスとして高炉２に注入される。この水素は、７５０～１１００℃の間、優先的には９００～１０００℃の間に含まれる温度で優先的に注入される。この水素は、高炉２のシャフト内に及び／又は熱風の一部として羽口レベルで注入されてもよい。

この水素の導入は、炉内への初期段階における鉄系の、高炉の装入原料のウスタイトの部分的低減を可能にし、したがって、炉内の鉄装入物のインサイチュ金属化を実施する。したがって、それは、粉末石炭及びコークスの形態の化石炭素の必要な装入量を削減し、したがって、プロセスのＣＯ_２排出及びカーボンフットプリントを低減（ｒｅｃｕｅ）する。

２００Ｎｍ^３／ｔｈｍ未満では、高炉の周囲にわたる還元ガスの均質な分布に関するいくつかの問題があり、鉄系の、高炉の装入原料の不均質な金属化によって引き起こされる外乱につながる可能性がある。一方、７００Ｎｍ^３／ｔｈｍの水素を注入すれことは、鉄系の、高炉の装入原料の全ての酸化鉄を注入レベルで金属鉄に変換するのに十分である。７００Ｎｍ^３／ｔｈｍを超える水素を注入することは、この水素が酸化鉄と反応しないのでさらなる利点をもたらさず、高炉頂ガスの加熱に寄与するだけである。

この水素は、いくつかの供給源に由来し得る。それは、コークス炉ガス６１によってもたらされるか、又はそこから抽出され得る。それはまた、直接還元頂部ガス１３Ｃ及び／又は高炉頂ガス２１Ｃから、それぞれ高炉２内に注入される還元ガス１１及び還元剤２０の組成に依存する前記ガスの組成に従って生じ得る。

別の実施形態では、水素は、炭化水素製造のためのプラント等の化学プラントに由来する廃ガスによって提供される。この化学プラントは製鋼プラントと無関係であってもよい。これは、製鋼プラントの既存の産業環境との相乗効果を生み出すことを可能にし、カーボンフットプリントをさらに世界的に低減することを可能にする。廃ガスは、化学プラント内で使用されない化学物質製造から生じるガスであり、例えば、ガスを廃棄する目的でフレアに導かれ得る。

さらなる実施形態では、水素はグリーン水素である。グリーン水素は、特に先に規定された再生可能源からの電気を含む、低炭素電源によって製造された電気による水の電気分解から得られる水素製造燃料である。

前述の水素のこれらの異なる供給源は全て、高炉内で必要な還元条件を得るために互いに混合することができる。

ＢＦ中の溶銑１トン当たり２００～７００、好ましくは２００～６７０Ｎｍ^３の水素の使用は、粉末石炭及びコークスの形態の化石炭素の必要な装入量を削減し、したがってプロセスのＣＯ_２排出及びカーボンフットプリントを低減する。

好ましい実施形態では、直接還元プラント１で使用される還元ガス１１はまた、少なくとも７０体積％の水素を含む。この水素は、前述の全ての水素源に由来し得るが、優先的にはグリーン水素である。

本発明による方法では、高炉頂ガス２１又はＢＦＧは、少なくとも部分的に生化学プラント４に送られて炭化水素を製造する。前記高炉頂ガス２１は、第２のガス処理ユニット８において回収され、処理される。この第２のガス処理ユニット８は、とりわけ、ダストフィルタユニットと、水除去装置と、圧力スイング吸着装置等のＣＯ_２分離ユニットとを備えることができる。ＢＦＧは２つの流れ２１Ａ、２１Ｂに分割することができ、第１の流れ２１Ａは生化学プラント４に送られ、残りの流れ２１Ｂは直接還元プラント１に送られる。そこでは、第２の流れは直接熱交換によって又はバーナー内の燃料としての使用によって、ガス調製装置５内の還元ガス１１を加熱するために使用することができる。別の実施形態では、この第２の流れ２１Ｃは、羽口レベルで高炉に再注入される。ＢＦＧは、前の実施形態で説明したように、使用される３つの流れに分割することもできる。

好ましい実施形態では、コークス炉ガス６２Ａ、６２Ｂのような前述の供給源のうちの１つに由来する水素は、高炉頂ガス２１Ａに、及び任意選択で直接還元炉頂ガス１３Ｂに添加されて、生化学プラント４に送られる前に水素含量を増加させることができる。これは、生化学プラント４における炭化水素の製造を最適化することを可能にする。

好ましい実施形態では、鋼プラントは、ガスハブ（図示せず）を備え、ガスハブは、鋼製造プロセスにおいて放出される全てのガスだけでなく、利用可能な外部ガスも回収し、各ガス組成及び各プロセスが反応物及びエネルギーの両方に関して必要とすることに従って、鋼製造プロセス内で再利用するためにそれらを方向転換することができる。ハブは、いくつかの流れ間の互換性を可能にするトレーディングポイントとして規定される。ガスハブは、内部及び外部廃棄物並びに排ガス、回収水素又はグリーン水素等の複数のエネルギー担体のための変換、調整及び貯蔵設備である。ガス供給のためのそのような相互接続された入口／出口システムの存在は、システムの異なるガス及びエネルギーの必要性の改善された全体的な管理、したがってカーボンフットプリントの低減を可能にする。

好ましい実施形態では、製鋼プラントで放出される全てのガスをガス処理ユニットで処理して水素を製造することができ、次いで、該水素は、鋼プラント内で、例えば高炉又は直接還元炉内の還元剤として再使用される。

本発明による方法を用いると、カーボンフットプリントが低減されたハイブリッドＢＦ／ＤＲＩ経路を用いて鋼を製造することが可能である。この方法は、また、最も一般的に使用されるＢＦ／ＢＯＦ経路からＤＲＩベースのカーボンニュートラル経路への移行を持続可能な方法で行うことを可能にする。

図１の実施形態では、全てのプラントが一緒に表されているが、それらは異なる製造現場に位置してもよく、異なるガス及び材料が適切な手段によってプラントから別のプラントに輸送されてもよい。

記載される全ての異なる実施形態は、技術的に可能な場合、互いに組み合わせて使用され得る。

Claims (17)

1. 鋼の製造方法であって、以下の工程、
   ａ． 直接還元プラント（１）において還元ガス（１１）を用いて直接還元鉄（１２）及び還元炉頂ガス（１３）を製造し、還元炉頂ガス（１３）は、少なくとも部分的に（１３Ａ）還元ガス（１１）として再利用される工程、
   ｂ． 高炉（２）内で溶銑及び高炉頂ガス（２１）を製造する工程であって、製造されるべき溶銑１トン当たり２００Ｎｍ^３～７００Ｎｍ^３の水素（２０）が高炉に注入され、高炉頂ガス（２１Ａ）が少なくとも部分的に生化学プラント（４）に送られて炭化水素が製造され、還元炉頂ガス（１３Ｃ）が、高炉（２）に注入される水素（２０）の水素源又はそのうちの一つである、工程、
   ｃ． 製造された直接還元鉄（１２）の少なくとも一部及び高炉で製造された溶銑を用いて電気炉（３）で溶融金属及び電気炉ガスを製造する工程、
   を含む方法。
2. 水素（２０）が、７５０～１１００℃の間に含まれる温度で高炉（２）に注入される、請求項１に記載の方法。
3. 水素（２０）が高炉（２）の上部、かつ、羽口の上方に位置するシャフトに注入される、請求項１に記載の方法。
4. 水素（２０）が高炉（２）の上部、かつ、羽口の上方に位置するシャフトに注入される、請求項２に記載の方法。
5. 高炉（２）に注入される水素（２０）の水素源又はそのうちの１つは、化学産業からの廃ガスである、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
6. コークスプラント（６）においてコークス（６１）及びコークス炉ガス（６２）を製造する工程であって、該コークス（６１）は、溶銑の製造工程のために高炉（２）に少なくとも部分的に装入され、該コークス炉ガス（６２）は、高炉（２）に注入される水素（２０）の水素源又はそのうちの１つである工程をさらに含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
7. 直接還元鉄製造工程のための還元ガス（１１）が、コークス炉ガス（６２）を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記還元炉頂ガス（１３）が、少なくとも部分的に還元剤として高炉（２）の上部、かつ、羽口の上方に位置するシャフトに注入される、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記還元炉頂ガス（１３Ｂ）が、少なくとも部分的に生化学プラント（４）に送られて、炭化水素を製造する、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
10. 高炉頂ガス（２１）が生化学プラント（４）で使用される前に、前記水素が、当該高炉頂ガス（２１）に添加される、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
11. 直接還元鉄製造工程のための還元ガス（１１）が、少なくとも７０％ｖの水素を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記水素が、低炭素電源によって製造された電気による水の電気分解から得られるグリーン水素である、請求項１１に記載の方法。
13. 電気炉（３）内で製造された溶融金属が、転炉内で溶鋼に変換される、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
14. 高炉（２）にグリーン水素が注入され、当該グリーン水素が低炭素電源によって製造された電気による水の電気分解から得られる水素である、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
15. 高炉頂ガス（２１Ｃ）が、高炉内で還元剤として再利用される、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
16. スクラップが、溶融金属を製造するために電気炉（３）内で使用される、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
17. プラントであって、
    ａ． 還元ガス（１１）を用いて直接還元鉄（１２）及び還元炉頂ガス（１３）を製造する直接還元プラント（１）と、
    ｂ． 製造される溶銑１トン当たり２００Ｎｍ^３～７００Ｎｍ^３の間の水素（２０）を注入する手段を備えた、溶銑及び高炉頂ガス（２１）を製造する高炉（２）と、
    ｃ． 製造された直接還元鉄（１２）の少なくとも一部及び高炉で製造された溶銑を用いて溶融金属及び電気炉ガスを製造する電気炉と、
    ｄ． 炭化水素を製造することができる生化学プラント（４）と、
    ｅ． ガス分配システムであって、
    ｉ． 還元炉頂ガス（１３）は、少なくとも部分的（１３Ａ）に直接還元プラント（１）内で還元ガス（１１）として再利用されること、
    ｉｉ． 水素が高炉（２）の水素注入手段に供給されること、
    ｉｉｉ． 高炉頂ガス（２１Ａ）は、炭化水素製造のために生化学プラント（４）に少なくとも部分的に送られること、
    ｉｖ． 還元炉頂ガス（１３）は、高炉に注入される水素源として使用されること
    を可能にするように設計されたガス分配システムと
    を含むプラント。