CO2を減らす技術

鉄鉱石を水素で還元し、H2Oを発生させることで、CO2の排出を削減。

CO2を減らす技術のアイコン
水素還元を用いた製鉄のプロセスの解説図

水素還元によるメリット

通常、COガスを用いて鉄鉱石を還元するとCO2ガスが発生します。しかし、水素を用いて還元するとH2Oが発生するだけでCO2は発生しません。従って、水素を用いる鉄鉱石還元法は、地球に優しい製鉄法と言えます。また、水素ガスによる還元速度は、COガスを用いた場合よりも5倍も速いのです。

鉄鉱石中の酸素は鉄の原子と化学的に結合しており、その酸素を他の元素で鉄から切り離すことをいいます。
下図アニメーション参照。

日本の高炉では、一部石ころ状の鉄鉱石も使用しますが、殆どの鉄鉱石は粉状なので、このままで高炉に装入するとガスの通路がふさがれてしまいます。そこで高炉の中で砕けてしまわないように、一旦焼き固め、焼結鉱として強度を持たせて高炉に装入します。下の写真にあるように、焼結鉱には100〜500ミクロンの細孔があり、この中を還元ガス(COあるいはH2ガス)が通って焼結鉱の内部に侵入し、焼結鉱細孔内壁表面、および、さらに鉱石内部のより微細な組織に侵入し、還元反応を起こします。

焼結鉱とその内部の細孔写真
化学反応が起こる界面の解説図

従来の高炉製鉄法では鉄鉱石中の酸素を除去(=還元)するのに、COガスを利用しています。
COガスは分子のサイズが大きいために、鉄鉱石中の内部まで浸透することが困難でした。
H2ガスは分子のサイズが極めて小さいため、容易に鉄鉱石内部まで浸透していくことができ、その浸透速度はCOガスの約5倍とも言われています。よって、H2を高炉で用いることにより急速な還元が可能です。

CO還元と水素還元の比較図

水素還元技術の現状

世界的には、天然ガスを用いた直接製鉄法(鉄鉱石から固体還元鉄を直接製造する方法)が稼動しています。
日本は天然ガスに乏しいため、直接製鉄法による生産を行っている企業は国内にありません。また、コスト競争力のあるレベルでH2を製造することが困難なことから、高炉製鉄法でH2を用いる技術はこれまでにありませんでした。COURSE50では、水素還元の実現に向けての技術課題を乗り越えるための挑戦を行っています。

水素還元実現に向けての課題

水素による還元は吸熱反応(反応により熱が吸収される)であり、高炉への水素通入量を増加して行くと高炉内で熱不足が生じます。これをどのようして防止するかがポイントです。
水素による還元では、鉄鉱石の還元に伴う粉化が起こり、高炉内のガスの通路がふさがれてしまいます。従って、この対策が必要です。

改質コークス炉ガス(COG*)を高炉へ吹き込む

改質コークス炉ガス(COG*)を高炉へ吹き込む解説図

高炉では、鉄鉱石(焼結鉱)を炉上部から装入し、還元ガスを炉の下部から吹き込みます。そうすることで、鉄鉱石が上から下へ降りてくる過程で還元反応により鉄を製造できるのです。今回の技術開発では、コークスの乾留過程で発生する水素リッチなガス(コークス炉ガス)を改質して、さらにH2濃度を高め、高炉の下部、あるいは中部からの吹き込みをします。これにより、従来よりも高速、高効率でCO2発生の少ない製鉄法を実現します。

Coke Oven Gas

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