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特表2024-519148直接還元鉄を製造するための方法

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-05-08

(54)【発明の名称】直接還元鉄を製造するための方法

(51)【国際特許分類】

C21B 13/00 20060101AFI20240426BHJP

F27D 17/00 20060101ALI20240426BHJP

【ＦＩ】

C21B13/00

F27D17/00 104G

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023572812

(86)(22)【出願日】2022-05-19

(85)【翻訳文提出日】2024-01-22

(86)【国際出願番号】 IB2022054664

(87)【国際公開番号】W WO2022248987

(87)【国際公開日】2022-12-01

(31)【優先権主張番号】PCT/IB2021/054583

(32)【優先日】2021-05-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IB

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】515214729

【氏名又は名称】アルセロールミタル

(74)【代理人】

【識別番号】110001173

【氏名又は名称】弁理士法人川口國際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】サラメ，サラ

(72)【発明者】

【氏名】カリエ，オディール

(72)【発明者】

【氏名】バロス・ロレンソ，ホセ

(72)【発明者】

【氏名】レイエス・ロドリゲス，ジョン

(72)【発明者】

【氏名】アンドレード，マルセロ

(72)【発明者】

【氏名】ブラーノフ，ドミトリー

(72)【発明者】

【氏名】ルゥ，デニス

(72)【発明者】

【氏名】ツビク，ジョージ

【テーマコード（参考）】

4K012

4K056

【Ｆターム（参考）】

4K012DC03

4K012DC05

4K012DC06

4K056AA01

4K056CA02

4K056CA07

4K056DB04

4K056FA08

(57)【要約】

直接還元鉄を製造するための方法であって、酸化鉄が、還元性ガスによって直接還元炉内で還元され、前記直接還元炉が、還元ゾーン、移行ゾーン及び冷却ゾーンを備え、炭素含有液体が、前記還元ゾーンの下に注入される、方法。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

【請求項2】

炭素含有液体が、少なくとも移行ゾーンに注入される、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

炭素含有液体が、少なくとも冷却ゾーンに注入される、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

炭素含有液体が、移行ゾーン及び冷却ゾーンに注入される、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記炭素含有液体が、バイオ燃料である、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記炭素含有液体が、液体アルコールである、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記炭素含有液体が、エタノールである、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

前記炭素含有液体が、液体炭化水素である、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

還元性ガスが、体積で５０％を超える水素を含む、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

還元性ガスが、体積で９９％を超える水素を含む、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項11】

還元性ガスの水素が、電気分解によって少なくとも部分的に生成される、請求項８又は９に記載の方法。

【請求項12】

前記電気分解が、再生可能エネルギーによって動力供給される、請求項１０に記載の方法。

【請求項13】

頂部還元ガスが、直接還元炉の出口で捕捉され、ＣＯ２リッチガスとＨ２リッチガスとの間で分割されるように少なくとも１つの分離ステップに供され、前記Ｈ２リッチガスが、還元ガスとして少なくとも部分的に使用される、請求項１～１２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項14】

前記ＣＯ２リッチガスが、炭化水素生成ステップに供される、請求項１２に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直接還元鉄（ＤＲＩ）を製造するための方法及びＤＲＩ製造設備に関する

【背景技術】

【0002】

現在、鋼は、２つの主要な製造経路を通じて生成することができる。今日、最も一般的に使用されている生成経路は、酸化鉄を還元するために還元剤、主にコークスを使用して高炉で銑鉄を生成することにある。この方法では、銑鉄１メートルトン当たり約４５０～６００ｋｇのコークスが消費され、この方法は、コークス化プラントにおける石炭からのコークスの生成及び銑鉄の生成の両方において、大量のＣＯ２を放出する。

【0003】

第２の主要経路は、いわゆる「直接還元法」を伴う。それらの中には、ブランドＭＩＤＲＥＸ、ＦＩＮＭＥＴ、ＥＮＥＲＧＩＲＯＮ／ＨＹＬ、ＣＯＲＥＸ、ＦＩＮＥＸなどによる方法があり、海綿鉄が、酸化鉄担体の直接還元からＨＤＲＩ（高温直接還元鉄）、ＣＤＲＩ（低温直接還元鉄）又はＨＢＩ（高温ブリケット化鉄）の形態で生成される。ＨＤＲＩ、ＣＤＲＩ及びＨＢＩの形態の海綿鉄は、通常、電気アーク炉でさらに加工される。

【0004】

低温ＤＲＩ放電を伴う各直接還元シャフトには、頂部の還元ゾーン、中央の移行ゾーン、円錐形の底部の冷却ゾーンの３つのゾーンがある。高温放電ＤＲＩでは、この底部部分は、主に放電前の製品の均質化に使用される。

【0005】

酸化鉄の還元は、最大９５０℃の温度で炉の上部セクションで起こる。約３０重量％の酸素を含有する酸化鉄鉱石及びペレットを直接還元シャフトの頂部に装入し、還元性ガスを通じて重力によって降下させる。この還元性ガスは、還元ゾーンの底部から炉に入り、帯電した酸化鉄と向流に流れる。鉱石及びペレットに含有される酸素は、ガスと酸化物との向流反応における酸化鉄の段階的な還元で除去される。ガスが炉の頂部に移動している間、ガスの酸化体含有量は、増加している。

【0006】

還元性ガスは、一般に、水素及び一酸化炭素（合成ガス）を含み、天然ガスの接触改質によって得られる。例えば、いわゆるＭＩＤＲＥＸ法では、第１のメタンは、以下の反応によって改質剤に変換され、合成ガス又は還元ガスを生成する：
ＣＨ４＋ＣＯ２→２ＣＯ＋２Ｈ２
酸化鉄は、例えば以下の反応に従って還元ガスと反応する：
３Ｆｅ２０３＋ＣＯ／Ｈ２→２Ｆｅ３Ｏ４＋ＣＯ２／Ｈ２Ｏ
Ｆｅ３Ｏ４＋ＣＯ／Ｈ２→３ＦｅＯ＋ＣＯ２／Ｈ２Ｏ
ＦｅＯ＋ＣＯ／Ｈ２→Ｆｅ＋ＣＯ２／Ｈ２０
還元ゾーンの端部で、鉱石は、金属化される。

【0007】

移行セクションは、還元セクションの下に見られ、このセクションは、還元セクションを冷却セクションから分離するのに十分な長さであり、両方のセクションの独立した制御を可能にする。このセクションでは、金属化生成物の炭化が生じる。炭化は、以下の反応によって還元炉内部の金属化生成物の炭素含有量を増加させる工程である：
３Ｆｅ＋ＣＨ４→Ｆｅ３Ｃ＋２Ｈ２（吸熱）
３Ｆｅ＋２ＣＯ→Ｆｅ３Ｃ＋ＣＯ２（発熱）
３Ｆｅ＋ＣＯ＋Ｈ２→Ｆｅ３Ｃ＋Ｈ２Ｏ（発熱）

【0008】

移行ゾーン内への天然ガスの注入は、移行ゾーン内の金属化生成物の顕熱を使用して、炭化水素クラッキング及び炭素堆積を促進する。酸化体の濃度が比較的低いため、移行ゾーンの天然ガスは、Ｈ２及びＣＯへの改質よりも、Ｈ２及び炭素へクラッキングされる可能性が高い。天然ガスクラッキングは、ＤＲＩ炭化のための炭素を提供し、同時にガスに還元剤（Ｈ２）を添加してガス還元電位を上昇させる。

【0009】

ガス注入は、冷却ゾーンにも実行され、通常、冷却ガス及び添加された天然ガスを再循環することからなる。冷却ガスへの天然ガス（ＮＧ）の添加は、オペレータがメタン中の含有量が高い再循環冷却ガス回路を維持することを可能にし、そうでなければ、冷却ガス中の主な成分は、窒素である。天然ガスの熱容量は、Ｎ２よりもはるかに大きい：冷却ガス再循環フローは、ＮＧを伴って５００～６００Ｎｍ３／ｔ、ＮＧなしで８００Ｎｍ３／ｔである。冷却ゾーンにはあまり多くの炭素堆積はないが、より高いレベルの炉への冷却ガスの上昇フローは、クラッキングのためのより多くの炭化水素を提供する。

【0010】

前世紀の始まりから大気中のＣＯ２濃度の大幅な増加及びその後の温室効果を考慮すると、ＣＯ２が大量に生成される場所、したがって特に、ＤＲＩ製造中にＣＯ２の排出量を削減することが不可欠である。

【0011】

現在開発されている解決策の１つは、純粋な水素還元性ガスに達することを考慮して、還元性ガスへの水素含有量を漸進的に増加させることである。次いで、以下の還元反応が起こり：
Ｆｅ２Ｏ３＋３Ｈ２＝２Ｆｅ＋３Ｈ２Ｏ
したがって、温室効果ガスＣＯ２の代わりに無害なＨ２Ｏを放出する。

【0012】

しかしながら、これは、還元性ガス中の炭素の含有量が減少し、ある時点で、それ以上の炭素がシャフトに注入されないことを示唆する。上で説明したように、これは、炭素含有量がますます少なくなるＤＲＩ生成物に影響を及ぼす。

【0013】

ＤＲＩ生成物中の炭素の含有量は、それにおける重要なパラメータであり、電気アーク炉でのスラグ発泡などの後続のステップに重要な役割を果たすが、ＤＲＩ生成物の輸送性を改善するのにも役立つ。

【0014】

溶液は、生成物の炭素含有量を増加させることが既に知られており、それらは、主に炭化水素、通常はＣＨ４、又はコークス炉ガスをシャフトに注入することからなる。しかし、これらのガスは、純粋なＨ２還元への切り替えと一致しないＤＲＩ工程のカーボンフットプリントの増加に寄与する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

ＤＲＩ生成物中の炭素含有量を増加させることを可能にする方法が必要とされている。工程のカーボンフットプリントをさらに低減することを可能にする方法も必要とされている。

【課題を解決するための手段】

【0016】

この問題は、酸化鉄が還元性ガスによって直接還元炉内で還元され、前記直接還元炉が、還元ゾーン、移行ゾーン及び冷却ゾーンを備え、炭素含有液体が、還元ゾーンの下に注入される、本発明による方法によって解決される。

【0017】

本発明の方法はまた、別々に又はすべ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的な特徴を含み得る：
－炭素含有液体は、少なくとも移行ゾーンに注入され、
－炭素含有液体は、少なくとも冷却ゾーンに注入され、
－炭素含有液体は、移行ゾーン及び冷却ゾーンに注入され、
－炭素含有液体は、バイオ燃料であり、
－炭素含有液体は、液体アルコールであり、
－炭素含有液体は、液体炭化水素であり、
－炭素含有液体は、液体エタノールであり、
－還元性ガスは、体積で５０％を超える水素を含み、
－還元性ガスは、体積で９９％を超える水素を含み、
－還元性ガスの水素は、電気分解によって少なくとも部分的に生成され、
－電気分解は、再生可能エネルギーによって動力供給され、
－頂部還元ガスは、直接還元炉の出口で捕捉され、ＣＯ２リッチガスとＨ２リッチガスとの間で分割されるように少なくとも１つの分離ステップに供され、前記Ｈ２リッチガスは、還元ガスとして少なくとも部分的に使用され、
－ＣＯ２リッチガスは、炭化水素生成ステップに供される。

【0018】

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、指示として以下に与えられ、決して限定的ではない本発明の説明から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明による方法を実行することを可能にする直接還元プラントのレイアウトを示す図である。

【図2A】液体エタノール又はメタノールを注入した場合のＤＲＩ生成物中の炭素含有量の増加をシミュレートする曲線を示す図である。

【図2B】液体エタノール又はメタノールを注入した場合のＤＲＩ生成物中の炭素含有量の増加をシミュレートする曲線を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

図中の要素は、例示であり、縮尺通りに描かれていない場合がある。

【0021】

図１は、本発明による方法を実行することを可能にする直接還元プラントのレイアウトを示す。

【0022】

ＤＲＩ製造設備は、重力によってシャフト１を通って移動する鉄鉱石用の入口１０と、シャフトの上部に位置する還元セクションと、シャフトの中央部に位置する移行セクションと、底部に位置する冷却セクションと、そこから直接還元鉄１２が最終的に抽出される出口と、を頂部から底部に備える、ＤＲＩシャフト１を含む。

【0023】

本発明による方法では、直接還元炉（又はシャフト）１は、その頂部に酸化鉄１０が装入される。この酸化鉄１０は、炉内に注入され、酸化鉄と向流に流れる還元性ガス１１によって炉１内に還元される。還元鉄１２は、その後の製鋼ステップで使用される前に、ブリケット化などのさらなる加工のために炉１の底部を出る。還元性ガスは、鉄を還元した後、炉の頂部で頂部還元ガス２０（ＴＲＧ）として出る。

【0024】

冷却ガス１３は、炉の冷却ゾーンから捕捉され、スクラバなどの洗浄装置３０への洗浄ステップに供され、圧縮機３１内で圧縮され、次いでシャフト１の冷却ゾーンに送り戻され得る。

【0025】

本発明による方法では、炭素含有液体４０は、シャフト１の還元ゾーンの下に注入される。これは、流れ４０Ａによって示されるように移行ゾーンに、かつ／又は流れ４０Ｂ及び４０Ｃによって示されるように冷却ゾーンに注入されてもよい。それは、単独４０Ｂ又は冷却ガス１３との組み合わせ４０Ｃで注入されてもよい。

【0026】

炭素含有液体とは、炭素を含む液体生成物を意味する。それは、メタノール若しくはエタノールなどのアルコール、又はメタンなどの炭化水素であってもよい。それは、化石起源であっても非化石起源であってもよく、好ましい実施形態では、バイオ燃料である。バイオ燃料とは、石油などの化石燃料の形成に関与する非常に遅い地質学的工程ではなく、バイオマスからの工程によって生成される燃料を意味する。バイオ燃料は、植物（すなわち、エネルギー作物）から、又は農業、商業、家庭及び／若しくは産業廃棄物（廃棄物が生物学的起源を有する場合）から生成することができる。このバイオ燃料は、好ましくは、製鋼ガスの転化によって生成され得る。

【0027】

シャフトに注入されると、炭素含有液体４０は、高温ＤＲＩによって放出された熱によってクラッキングされ、これが還元性ガスを生成し、ＤＲＩ生成物を炭化してその炭素含有量を増加させる。さらに、気化エンタルピーは、ＤＲＩ冷却にさらに寄与する。

【0028】

この液体の注入は、直接還元鉄の炭素含有量を０．５～３重量％、好ましくは１～２重量％の範囲まで増加させるために行われ、これは、容易に取り扱うことができ、その将来の使用のために良好な燃焼ポテンシャルを維持する直接還元鉄を得ることを可能にする。

【0029】

好ましい実施形態では、還元性ガス１１は、少なくとも５０％ｖの水素、より優先的には９９％ｖを超えるＨ２を含む。Ｈ２流４０を供給して、電解プラントなどの専用のＨ２生成プラント９によって前記還元性ガス１１を生成し得る。それは、水又は蒸気電解プラントであってもよい。それは、好ましくは、太陽光、風、雨、潮汐、波及び地熱のような発生源を含む人間のタイムスケール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定義される再生可能資源からの電気を特に含むＣＯ_２ニュートラル電気を使用して動作する。いくつかの実施形態では、生成されるＣＯ_２を排出しないため、核源由来の電気の使用を使用することができる。

【0030】

別の実施形態では、Ｈ２流４０を頂部還元ガス２０の一部と混合して還元性ガス１１を形成し得る。天然ガスで動作する場合、頂部還元ガス２０は、通常、１５～２５％ｖのＣＯ、１２～２０％ｖのＣＯ２、３５～５５％ｖのＨ２、１５～２５％ｖのＨ２Ｏ、１～４％のＮ２を含む。それは、２５０～５００℃の温度を有する。純粋な水素が還元性ガスとして使用される場合、前記頂部還元ガスの組成は、むしろ４０～８０％ｖのＨ２、２０～５０％ｖのＨ２０及びシャフトのシールシステム由来か又は水素流４０中に存在するいくつかの可能なガス不純物で構成される。還元性ガス中のＨ２量が変動し、炭素含有液体４０が注入されると、頂部ガス２０は、前述の２つの場合の間の組成を有する。

【0031】

本発明による方法のさらなる実施形態では、スクラバ及びデミスタなどの洗浄装置５におけるダスト及びミスト除去ステップ後の頂部還元ガス２０は、分離ユニット６に送られ、そこで２つの流れ２２、２３に分割される。この分離ユニット６は、吸収装置、吸着装置、極低温蒸留装置又は膜であってもよい。それは、それらの異なる装置の組み合わせであってもよい。

【0032】

第１の流れ２２は、異なる化学工程で捕捉して使用することができるＣＯ２リッチガスである。好ましい実施形態では、このＣＯ２リッチガス２２は、メタン化ステップに供される。第２の流れ２３は、Ｈ２リッチガスであり、調製装置７に送られ、そこで他のガスと混合され、任意選択的に改質され、加熱されて還元性ガス１１を生成する。好ましい実施形態では、調製装置７は、加熱器である。

【0033】

前述のすべての異なる実施形態は、互いに組み合わせてもよい。

【0034】

図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ１００ｋｇ／トンの液体エタノールのＤＲＩ（図２Ａ）又は４３０ｋｇ／トンの液体メタノールのＤＲＩ（図２Ｂ）を注入した場合の温度に対する直接還元鉄生成物への炭素の重量パーセンテージの漸進的な変化をシミュレートする曲線である。どちらの場合も、本発明者らは、液体が炉の移行ゾーン及び／又は冷却ゾーンに注入されると、重量で約２％の固体生成物中の炭素含有量に達することが可能であることが分かる。エタノールの利点は、メタノールと比較して必要な量が少なく、より利用可能であることである。シミュレーションは、熱力学モデルを使用して実行した。

【0035】

本発明による方法は、必要な炭素含有量を有するＤＲＩ生成物を得ることを可能にする。

【図1】