特表 2024-533425 製鉄及び製鋼プラント用の直接還元鉄の生産方法

(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】2024-09-12

(54)【発明の名称】製鉄及び製鋼プラント用の直接還元鉄の生産方法

(51)【国際特許分類】

   C21B 13/00 20060101AFI20240905BHJP

【ＦＩ】

C21B13/00

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024515574

(86)(22)【出願日】2022-05-06

(85)【翻訳文提出日】2024-03-08

(86)【国際出願番号】 EP2022062354

(87)【国際公開番号】W WO2023036475

(87)【国際公開日】2023-03-16

(31)【優先権主張番号】21196359.0

(32)【優先日】2021-09-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】591036572

【氏名又は名称】レール・リキード－ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード

(74)【代理人】

【識別番号】100090398

【弁理士】

【氏名又は名称】大渕 美千栄

(74)【代理人】

【識別番号】100090387

【弁理士】

【氏名又は名称】布施 行夫

(72)【発明者】

【氏名】ヴルツェル，トーマス

(72)【発明者】

【氏名】グラント，ミカエル

【テーマコード（参考）】

4K012

【Ｆターム（参考）】

4K012DA03

4K012DA05

(57)【要約】

【解決手段】 ＮＨ_３含有ガス供給物（２４ａ）がガス改質器（２５）に供給され、そこで改質されることにより水素含有還元性ガス（２５ａ、２５ｂ）が得られ、その少なくとも一部分が直接還元反応器（１）に供給され、そこで鉄鉱石（２）が還元性ガス（２５ａ、２５ｂ）による直接還元に付されることにより直接還元鉄（３０）が得られ、水素含有還元性ガス（２５ａ）の改質時、ガス供給物（２４ａ）中のＮＨ_３が解離反応２ＮＨ_３→Ｎ_２＋３Ｈ_２に付される、直接鉄鉱石還元プロセス。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

・ ガス供給物（２４ａ）をガス改質器（２５）に供給するステップと、
・ 水素含有還元性ガス（２５ａ、２５ｂ）を得るために前記ガス供給物（２４ａ）を前記ガス改質器（２５）で改質するステップと、
・ 前記還元性ガス（２５ａ、２５ｂ）を前記ガス改質器（２５）から排出するステップと、
・ 鉄鉱石（２）を直接還元反応器（１）に供給するステップと、
・ 前記還元性ガス（２５ａ、２５ｂ）の少なくとも一部を前記直接還元反応器（１）に供給するステップと、
・ 直接還元鉄（３０）を得るために前記直接還元反応器（１）で前記鉄鉱石（２）を前記還元性ガス（２５ａ、２５ｂ）による直接還元に付すステップと、
・ 前記直接還元反応器（１）から前記直接還元鉄（３０）を排出するステップと、
を含む直接鉄鉱石還元プロセスであって、
・ 前記ガス改質器（２５）への前記ガス供給物はＮＨ_３を含有することと、
・ 前記ガス改質器（２５）で前記ガス供給物（２４ａ）中のＮＨ_３は解離反応（１）
２ＮＨ_３→Ｎ_２＋３Ｈ_２ （１）
に付されることと、
を特徴とする、直接鉄鉱石還元プロセス。

【請求項2】

前記直接還元反応器（１）が連続直接還元反応器である、請求項１に記載の直接鉄鉱石還元プロセス。

【請求項3】

前記ガス改質器（２５）が触媒的改質器である、請求項１又は２に記載の直接鉄鉱石還元プロセス。

【請求項4】

前記ガス改質器（２５）がニッケル又はニッケル合金含有触媒を含む、請求項３に記載の直接鉄鉱石還元プロセス。

【請求項5】

前記改質プロセスが部分酸化を介して達成される、請求項１又は２に記載の直接鉄鉱石還元プロセス。

【請求項6】

前記ガス改質器（２５）への前記ガス供給物（２４ａ）が少なくとも１種の炭化水素（２０）を含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の直接鉄鉱石還元プロセス。

【請求項7】

前記ガス改質器（２５）への前記ガス供給物（２４ａ）が、ガス状炭化水素、特定的には、メタン、エタン、プロパン、ブタン、及びペンタンからなる群から選択されるガス状炭化水素からなる群から選択される炭化水素（２０）、又は前記炭化水素の２種以上の組合せ、好ましくは天然ガスを含む、請求項６に記載の直接鉄鉱石還元プロセス。

【請求項8】

前記ガス改質器（２５）への前記ガス供給物（２４ａ）がスチームをさらに含む、請求項６又は７に記載の直接鉄鉱石還元プロセス。

【請求項9】

前記ガス改質器（２５）への前記ガス供給物（２４ａ）がＣＯ_２を含む、請求項６～８のいずれか一項に記載の直接鉄鉱石還元プロセス。

【請求項10】

前記ガス改質器（２５）から排出された前記還元性ガス（２５ａ、２５ｂ）が、前記直接還元反応器（１）に供給される前に加熱される、請求項１～９のいずれか一項に記載の直接鉄鉱石還元プロセス。

【請求項11】

前記還元性ガス（２５ａ、２５ｂ）が、６００℃～１１００℃、好ましくは７５０℃～１１００℃、より好ましくは９５０℃～１０５０℃の温度で前記直接還元反応器（１）に供給される、請求項１～１０のいずれか一項に記載の直接鉄鉱石還元プロセス。

【請求項12】

前記直接還元反応器（１）からの煙道ガス（５）又はその画分が、前記ガス改質器（２５）を加熱するための燃料として使用される、請求項１～１１のいずれか一項に記載の直接鉄鉱石還元プロセス。

【請求項13】

前記直接還元反応器（１）が、シャフト炉、好ましくは移動床シャフト炉及び流動床シャフト炉からなる群から選択されるもの、より好ましくは向流移動床シャフト炉である、請求項１～１２のいずれか一項に記載の直接鉄鉱石還元プロセス。

【請求項14】

前記直接還元鉄が、前記直接還元反応器（１）から取り出された後でブリケット化される、請求項１～１３のいずれか一項に記載の直接鉄鉱石還元プロセス。

【請求項15】

直接還元鉄（３０）が、請求項１～１３のいずれか一項に記載の直接鉄鉱石還元プロセスを利用して生産され、且つ任意に前記直接還元鉄がブリケット化された後、鋼が電気アーク炉で前記直接還元鉄（３０）から生産される、鋼の生産プロセス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直接還元による鉄の生産に関する。

【背景技術】

【0002】

生産鉄の融点未満での鉄鉱石中の酸化鉄の還元により鉄を生産するプロセスは、直接還元プロセスとして知られる。それにより得られる生産物は、直接還元鉄又はＤＲＩとして知られる。非常に高い比表面積を有するその構造に起因して、直接還元鉄は海綿鉄とも呼ばれる。

【0003】

実用上、ＤＲＩは、多くの場合、当技術分野で熱間ブリケット化鉄又はＨＢＩといわれるより緻密なブリケットにコンパクト化される。実際には、非コンパクト化ＤＲＩの比表面積が高いため、自然燃焼を受けやすくなり、したがって、それが水と反応すると輸送が危険になる。不動態化は、ＤＲＩをかなり低い比表面積を有するかなり緻密なブリケットにブリケット化することにより、少なくとも部分的には達成される。

【0004】

本発明は、より具体的には、還元性ガスが鉄還元反応器又は炉の外部で生成される直接還元プロセスに関する。

【0005】

かかる直接還元プロセスの既知の例は、ウィーベルグ・ゼーダーフォルス（Ｗｉｂｅｒｇ－Ｓｏｄｅｒｆｏｒｓ）プロセス、ミドレックスプロセス、ＨＹＬ ＺＲプロセス、ＨＹＬ ＩＩＩプロセス、アームコプロセス、ＮＳＣプロセス、プロファープロセス、ＨＹＬ Ｉ及びＨＹＬ ＩＩプロセス、フィオールプロセス、並びにＨＩＢプロセスである。

【0006】

これらの既知の直接還元プロセスの大多数では、天然ガスは、鉄還元反応器から排出されたスチーム及び／又はガス状還元生成物により触媒床で改質されて還元性ガスを生成し、これは鉄還元反応器に供給されて鉄鉱石中の酸化鉄と反応し、還元金属鉄を発生する。液状炭化水素、重質残留物、又は石炭をガス化する部分酸化プロセスもまた、還元性ガスの生成のために提案されてきた。

【0007】

両方の場合とも、ＣＯとＨ_２とを含有する還元性ガスが得られる。

【0008】

直接還元プロセスは、好適な鉄鉱石並びに割安な天然ガス、非コーキング石炭、及び／又は再生可能エネルギー源、たとえば水力発電電力を利用できる地域で、これまでとくに関心が払われてきた。

【0009】

鉄鋼産業でＣＯ_２排出を低減する動きが本格化するので、非石炭ベース直接還元プロセスの重要性が増すことが予想される。

【0010】

しかしながら、ＤＲＩ生産の、又はより一般的にはＤＲＩ生産及び鋼生産用電気アーク炉（ＥＡＦ）での後続溶融の、ＣＯ_２排出を低減するニーズが依然として存在する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本発明の目的は、ＣＯ_２排出が低減されたかかる直接還元プロセス及び対応する鋼生産プロセスを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

それに対して、本発明は、新しい直接鉄鉱石還元プロセスを提案する。

【0013】

前記プロセスによれば、ガス供給物はガス改質器に供給される。ガス改質器では、前記ガス供給物は、ガス改質器から排出される水素含有還元性ガスを得るために改質される。

【0014】

鉄鉱石は、直接還元反応器に供給される。還元性ガスの少なくとも一部もまた、直接還元反応器に供給される。前記直接還元反応器内では、鉄鉱石は、還元性ガスとの反応による内蔵酸化鉄の還元に付される。こうして得られた直接還元鉄は、直接還元反応器から排出される。

【0015】

本発明によれば、ガス改質器に供給されるガス供給物は、ＮＨ_３を含有する。ガス改質器では、ガス供給物中のＮＨ_３は、下記解離反応を受ける。
２ＮＨ_３→Ｎ_２＋３Ｈ_２ （１）。

【0016】

水素含有還元性ガスはこうして得られる。

【0017】

前記水素含有還元性ガスは、ガス改質器から排出されるとともに、前記水素含有還元性ガスの少なくとも一部は、直接還元反応器に供給される。

【0018】

直接還元反応器では、還元性ガス中に存在する水素は、直接還元による鉄鉱石中の酸化鉄の金属鉄への還元用の還元剤として作用する。

【0019】

還元性ガス中の窒素は、バラストガスとして作用し、直接還元に関与しない。直接還元反応器内では、ガス組成物は還元性があり、したがって、ＮＯｘ形成に資することはない。ＮＯｘは、環境にきわめて望ましくない汚染物質である。

【0020】

ガス改質器に供給されるアンモニアは、いずれの起源のものであってもよい。好ましい実施形態によれば、アンモニアは、低カーボンフットプリントの水素を用いて生産され、且つ／又は再生可能エネルギー源を用いて生産される。そのため、アンモニアは、有利にはブルー水素を用いて、又はより好ましくはグリーン水素を用いて生産される。

【0021】

直接還元反応器で現在使用されている還元剤を１００％グリーン水素に置き換えることが可能であれば、伝統的高炉／ＢＯＦルートと対比してＤＲＩ／ＥＡＦルートによりＣＯ_２排出を潜在的に６３％～９５％低下可能であろう。

【0022】

しかしながら、グリーン水素の入手可能性は、水力発電力、風力、ソーラーパワー、潮力、及び／又はさらには議論の余地はあるにしても原子力であるかにかかわらず、地域の持続可能エネルギー資源に依存する。

【0023】

製鋼でグリーン水素を使用する生態学的利益をそれほど持続可能でないエネルギー源を有する他の地域に拡大することが望ましいであろう。

【0024】

本発明によれば、これは、アンモニアを生産するためにグリーン水素が使用されるという点で、及び以上に記載のように直接還元反応器で還元剤としての使用のために前記水素がアンモニアから回収されるという点で、達成されうる。

【0025】

アンモニアは水素よりも簡単に輸送できるので、本発明は、製鉄及び製鋼でグリーン水素のより広範にわたる費用効果的使用を可能にする。

【0026】

同一の利点は、それほどではないにせよ、アンモニアを生産するためにブルー水素が使用されるときに得られる。

【0027】

アンモニア解離により得られるとともに直接還元反応器で還元剤として使用される水素は、ＤＲＩ生産での還元剤としてのＣＯ及び／若しくは炭化水素ベース水素又は他の高カーボンフットプリント水素の使用を部分的に又は完全に置き換えることが可能である。

【0028】

好ましい実施形態によれば、直接還元反応器は連続直接還元反応器である。

【0029】

ガス改質器は、有利には触媒的ガス改質器、特定的にはたとえばニッケル又はニッケル合金を含有する触媒を有するガス改質器である。

【0030】

ガス改質器へのガス供給物は、ＮＨ_３に加えて少なくとも１種の炭化水素を含みうる。ガス供給物は、特定的には、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタンなどのガス状炭化水素からなる群から選択される炭化水素、又は前記炭化水素の２種以上の組合せ、たとえば、天然ガスを含む。

【0031】

かかる炭化水素含有ガス供給物がガス改質器で改質されたとき、得られる還元性ガスはＣＯをさらに含有し、これは直接還元反応器で直接還元による鉄鉱石中の酸化鉄の金属鉄への還元用のさらなる還元剤として作用する。

【0032】

ガス改質器へのガス供給物はまた、スチーム及び／又はＣＯ_２も含みうる。

【0033】

ガス改質器へのガス供給物は、たとえば、ガス改質器へのガス供給物が直接還元反応器からのＣＯ_２含有煙道ガス又はそのＣＯ_２含有画分を含むとき、ＣＯ_２を含有しうる。

【0034】

還元性ガスは、典型的には周囲温度超の温度、たとえば７００～９００℃でガス改質器から排出される。有用実施形態によれば、直接還元反応器に供給される排出還元性ガスの少なくとも一部は、直接還元反応器に導入される前にさらに加熱されうる。ガス改質器を加熱するために及び／又は直接還元反応器の上流で排出還元性ガスを加熱するために、好ましくは、現場で利用可能な廃熱が使用される。

【0035】

還元性ガスは、特定的には６００℃～１１００℃、好ましくは７５０℃～１１００℃、より好ましくは９５０℃～１０５０℃の温度で直接還元反応器に有利に供給される。

【0036】

「トップガス」ともいわれる直接還元反応器からの煙道ガス又はその画分はまた、ガス改質器を加熱するための燃料としても使用されうる。そのため、具体的実施形態によれば、直接還元反応器の煙道ガスの一画分は、ガス改質器を加熱するための燃料として使用されるとともに、前記煙道ガスの他の一画分は、ガス改質器のガス供給物に添加される。他の燃料、たとえば、未解離アンモニアを含むものは、ガス改質器を加熱するための燃料として使用されうる。

【0037】

直接還元反応器はシャフト炉でありうる。本発明で使用するのに好適なシャフト炉の例としては、移動床シャフト炉及び流動床シャフト炉が挙げられる。向流移動床シャフト炉では、ガス相は、鉄鉱石の固形装入物に対して向流で流動し、ＤＲＩは、かかる移動床シャフト炉のとくに有用な例である。

【0038】

反応器で生産されて反応器から排出された直接還元鉄は、ＨＢＩを得るためにブリケット化されうる。

【0039】

反応器で生産されて反応器から排出された直接還元鉄は、任意にＨＢＩにブリケット化された後、鋼を生産するために使用されうる。

【0040】

本発明はまた、鋼の生産プロセスもカバーし、その際、直接還元鉄は、本発明に係る直接鉄鉱石還元プロセスを利用して、任意にＨＢＩにブリケット化されて生産され、鋼は、たとえば電気アーク炉で、前記直接還元鉄から生産される。

【0041】

本発明は、本明細書ではＤＲＩ反応器ともいわれる直接還元反応器、好ましくは連続操作ＤＲＩ反応器で、低い／低減されたＣＯ_２排出量で、直接還元鉄（ＤＲＩ）を生産する方法又はプロセスに関し、その際、水素（Ｈ_２）は、任意に一酸化炭素（ＣＯ）との組合せで、鉄鉱石に含有される酸化鉄の還元用の還元剤として作用する。鉄鉱石は、たとえば、鉄鉱石ランプ及び／若しくは鉄鉱石ペレット又はそれらの混合物の形態でありうる（これ以降では識別することなく「鉄鉱石」といわれる）。還元剤として使用される水素の少なくとも一部は、ガス改質器でアンモニア（ＮＨ_３）の解離により生産される。

【0042】

ガス改質器は、非触媒的サーマルガス改質器であっても触媒的ガス改質器であってもよい。触媒的ガス改質器は、たとえば、触媒としてニッケル又はニッケル合金を含有しうる。

【0043】

ガス改質器へのガス供給物は、Ｈ_２及び／又はＣＯ及び／又はＣＯ_２及び／又はＨ_２Ｏと共に、ガス状炭化水素（たとえば天然ガス）との組合せで、アンモニアを含有しうる。

【0044】

反応：
（ａ）ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ⇔ＣＯ＋３Ｈ_２
（ｂ）ＣＨ_４⇔Ｃ_（ｓ）＋２Ｈ_２
（ｃ）ＣＯ_２＋ＣＨ_４⇔２Ｈ_２＋２ＣＯ
（ｄ）Ｃ_（ｓ）⇔［Ｃ］
（ｅ）３Ｆｅ＋［Ｃ］⇔Ｆｅ_３Ｃ
（式中、［Ｃ］は、鉄と共に固溶体に溶解された炭素を表す）
（ｆ）３Ｆｅ_２Ｏ_３＋ＣＯ_（ｇ）⇔２Ｆｅ_３Ｏ_４＋ＣＯ_２（ｇ），Ｔ＝４００～７００℃
（ｇ）２Ｆｅ_３Ｏ_４＋２ＣＯ_（ｇ）⇔６ＦｅＯ＋２ＣＯ_２（ｇ），Ｔ＝７００～９００℃
（ｈ）ＦｅＯ＋ＣＯ_（ｇ）⇔Ｆｅ＋ＣＯ_２（ｇ），Ｔ＝８５０～１０００℃
（ｉ）３Ｆｅ_２Ｏ_３＋Ｈ_２（ｇ）⇔２Ｆｅ_３Ｏ_４＋Ｈ_２Ｏ_（ｇ），Ｔ＝４００～７００℃
（ｊ）２Ｆｅ_３Ｏ_４＋２Ｈ_２（ｇ）⇔６ＦｅＯ＋２Ｈ_２Ｏ_（ｇ），Ｔ＝７００～９００℃
（ｋ）６ＦｅＯ＋６Ｈ_２（ｇ）⇔６Ｆｅ＋６Ｈ_２Ｏ_（ｇ），Ｔ＝８５０～１０００℃

【0045】

ＤＲＩ生産及びＥＡＦでの後続溶融は、この鋼生産方法に典型的な現在の排出量未満に組合せＤＲＩ反応器／ＥＡＦのＣＯ_２排出量を低減するために、還元剤として低炭素又は再生可能水素の使用を必要とするであろう。

【0046】

グリーン水素の入手可能性は地域の資源に依存し、それは水力発電力、風力、ソーラーパワー、潮力、及び／又はさらには原子力であるかにかかわらず、産業量のグリーン水素の入手可能性を持続可能エネルギーに富む地域に限定するおそれがある。グリーン水素を効率的且つ安全に輸送する方法が見いだされない限り、産業活動、特定的には製鋼からのＣＯ_２排出を軽減するグリーン水素の使用は、依然としてかかる地域に限定されるであろう。

【0047】

世界中に効率的且つ安全に水素を輸送するためのより有望な方法の１つは、１個の窒素原子に化学結合された３個の水素原子で作られたアンモニアの形態を取る。ブルー水素から作られたアンモニアは、本明細書ではブルーアンモニアともいわれ、グリーン水素からのアンモニアは、グリーンアンモニアともいわれる。

【0048】

次いで、ブルー又はグリーン水素でありうる水素は、アンモニアをユーザー地域に輸送するために使用される輸送の方法／手段のカーボンフットプリントを保つように及び吸熱アンモニア分解／解離反応に使用されるエネルギーをできる限り低くするようにしかるべき注意が払われる限り、アンモニア、特定的にはブルー又はグリーンアンモニアを分解することにより回収可能である。

【図面の簡単な説明】

【0049】

【図1】図１は、本発明に係る直接鉄鉱石還元プロセスの実施形態の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0050】

ガス供給物ストリーム２４は、ストリーム２４に対する割合で０％ｖｏｌ超且つ１００％ｖｏｌ（アンモニアのみ）まで、好ましくは５０％ｖｏｌ～１００％ｖｏｌのアンモニア１９を含有する。

【0051】

ガス供給物ストリーム２４は、炭化水素含有ガス２０、たとえば、天然ガス若しくはコークス炉ガス又はそれらの混合物などをさらに含みうる。炭化水素含有ガス２０中の天然ガス及びコークス炉ガスの各々の割合は、０～１００％ｖｏｌでありうる。ストリーム２４中の炭化水素含有ガス２０の割合は、０％ｖｏｌ～５０％ｖｏｌで変動可能である。ガス供給物ストリーム２４はまた、特定的にはストリーム２４に対して０％ｖｏｌ～５０％ｖｏｌの割合で、追加のガス状水素２１（たとえばグレーＨ_２、好ましくはブルーＨ_２、より好ましくはグリーンＨ_２）を含有しうる。ガス供給物ストリーム２４はまた、追加のスチーム２２も含有しうる。かかる追加のスチームは、改質用ストリーム２４に対してそれに含まれるいずれのガス状炭化水素含有ガス２０（たとえば、天然ガス及び／又はコークス炉ガス）も含めて、ストリーム２４中に好適量の水素原子を提供するように添加されうる。ガス供給物ストリーム２４はまた、ストリーム２４に対する割合で０％ｖｏｌ～５０％ｖｏｌで変動可能な改質ガス２３を含有しうる。ガス供給物ストリーム２４はまた、ガス改質器２５での還元性ガス生産の効率を改善するために又はこうして生産された還元性ガスの組成を調整するためにガス供給物ストリーム２４に有利に添加可能ないずれの他のガスも含有しうる。

【0052】

ガス供給物ストリーム２４の成分の割合の和は、厳密にガス供給物ストリーム２４に対して１００％ｖｏｌになること、及びガス供給物ストリーム２４に対するアンモニア以外のいずれの化合物の割合の和も１００％ｖｏｌ未満になり、残部はアンモニアであること（合計で１００％ｖｏｌを形成すること）は、分かるであろう。

【0053】

ガス改質器２５では、ガスストリーム２４のアンモニアは、解離反応（ｍ）：

【数1】

を受ける。

【0054】

ガスストリーム２４がメタンなどの炭化水素を含有するとき、前記炭化水素は、スチーム改質器又はドライ改質器でありうるガス改質器２５で化学反応する（反応（ａ）及び（ｃ）を参照されたい）。
（ａ）ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ⇔ＣＯ＋３Ｈ_２
（ｂ）ＣＨ_４⇔Ｃ_（ｓ）＋２Ｈ_２
（ｃ）ＣＯ_２＋ＣＨ_４⇔２Ｈ_２＋２ＣＯ
（ｄ）Ｃ_（ｓ）⇔［Ｃ］
（ｅ）３Ｆｅ＋［Ｃ］⇔Ｆｅ_３Ｃ

【0055】

触媒は、反応のキネティクスを増加させるためにガス改質器２５で使用可能である。特定的には、ニッケル又はニッケル合金ベース触媒は、反応（（ｍ）及び／又は（ａ）及び／又は（ｃ））の反応速度を増加させるためにガス改質器２５に存在可能である。さらに、ＤＲＩ反応器１で生産される金属鉄は、解離反応（ｍ）用の触媒として有用でありうるが、反応（ａ）及び／又は（ｃ）にも有用でありうる。

【0056】

ガス改質器２５で発生された還元性ガス２５ａ、２５ｂは、ＤＲＩ反応器１に供給される。

【0057】

ＤＲＩ反応器１には、鉄鉱石２がさらに装入される。

【0058】

例示実施形態では、ＤＲＩ反応器１は移動床反応器であり、その場合、鉄鉱石２は、反応器のトップでＤＲＩ反応器１に供給され、次いで、ＤＲＩ反応器１内を下方に移動する。

【0059】

ＤＲＩ反応器１内では、鉄鉱石２は還元性ガス３ａと接触される。結果として、未還元鉄鉱石の混合物、部分還元鉄鉱石、及び金属鉄（ＤＲＩ）が得られる。

【0060】

還元性ガス３ａが鉄鉱石２と接触したときに起こる反応は、ＤＲＩ反応器１に供給された還元性ガスストリーム２５ｃの組成に依存し、反応（ｆ～ｈ）及び（ｉ～ｋ）に記載される。
（ｆ）３Ｆｅ_２Ｏ_３＋ＣＯ_（ｇ）⇔２Ｆｅ_３Ｏ_４＋ＣＯ_２（ｇ），Ｔ＝４００～７００℃
（ｇ）２Ｆｅ_３Ｏ_４＋２ＣＯ_（ｇ）⇔６ＦｅＯ＋２ＣＯ_２（ｇ），Ｔ＝７００～９００℃
（ｈ）６ＦｅＯ＋６ＣＯ_（ｇ）⇔６Ｆｅ＋６ＣＯ_２（ｇ），Ｔ＝８５０～１０００℃
（ｉ）３Ｆｅ_２Ｏ_３＋Ｈ_２（ｇ）⇔２Ｆｅ_３Ｏ_４＋Ｈ_２Ｏ_（ｇ），Ｔ＝４００～７００℃
（ｊ）２Ｆｅ_３Ｏ_４＋２Ｈ_２（ｇ）⇔６ＦｅＯ＋２Ｈ_２Ｏ_（ｇ），Ｔ＝７００～９００℃
（ｋ）６ＦｅＯ＋６Ｈ_２（ｇ）⇔６Ｆｅ＋６Ｈ_２Ｏ_（ｇ），Ｔ＝８５０～１０００℃

【0061】

ＤＲＩ反応器１は、直接鉱石還元反応に好適な温度範囲内に鉄鉱石２及び還元性ガス３ａを維持するために加熱手段を備えうる（図示せず）。

【0062】

トップガス５は、１００℃～６００℃、好ましくは２５０℃～５００℃、より好ましくは３００℃～４５０℃の温度でＤＲＩ反応器１のトップを離れる。

【0063】

トップガス５は、ダストキャッチャー及び／又はスクラバー６で脱塵されうる。［図１］に例示される有利な実施形態によれば、任意に脱塵されたトップガス６ａは、次いで、熱回収システム７に移動し、そこでトップガスの温度は、２５℃～１００℃、ただし好ましくは２５℃～４０℃の温度に低減される。熱回収システム７で回収されたエネルギーは、さまざまな目的のいずれかで、たとえば、限定されるものではないが、スチームを作製するために又はガス改質器２５で使用されうる空気及び／若しくは燃料を予熱するために使用可能である。冷却されたトップガス７ａは、任意に脱水されて、脱水及び冷却されたガスストリーム８ａを生成する。

【0064】

冷却及び脱水されたトップガスストリーム８ａは、ストリーム１１及びストリーム９ａにスプリットされる。

【0065】

ストリーム１１の流量は、ストリーム８ａの０～１００％ｖｏｌでありうるが、ただし好ましくはストリーム８ａの２０％ｖｏｌ～９０％ｖｏｌ、より好ましくはストリーム８ａの３０％ｖｏｌ～８０％ｖｏｌである。可燃性ガス、たとえば、天然ガス８ｂ及び／又はさらにはアンモニア８ｃは、必要に応じてストリーム１１の発熱量を修正するためにストリーム１１に添加されうる。ストリーム１１は、ガス改質器２５にひいてはその中で行われる化学反応にも熱を提供するために、ガス改質器２５の１１ａ、１１ｂ、１１ｃにより図に提示される１つ又は複数の燃焼チャンバーで燃やされる。ＤＲＩ反応器１からのトップガスの画分を含有しない代替可燃性ガスは、ガス改質器２５を加熱するために使用されうる。任意の熱交換器１２は、ガス改質器２５の上流のストリーム１１を予熱するために使用されうる。例示実施形態では、燃焼チャンバー１１ａ、１１ｂ、及び１１ｃから出る煙道ガス１３ａ、１３ｂ、及び１３ｃは、任意の熱交換器１２を通り抜けてストリーム１１を予熱するとともにより冷たい煙道ガスストリーム１３を生成し、その後、後者は、スタック１４に流れて大気１５中に出る。天然ガス、コークス炉ガス、又はいずれかの他のガス状炭化水素が混合物１１の一部として使用される場合、煙道ガス１３は、ＣＯ_２を含有するであろうから、これは大気１５中への放出前にストリーム１３から好ましくは抽出されるべきである（抽出は示されていない）。

【0066】

例示実施形態では、冷却及び脱水されたトップガスストリーム８ａの他の一部は、コンプレッサー９で圧縮されて圧縮ストリーム９ａを生成する。

【0067】

ストリーム９ａは、真空圧力スイング吸着（ＶＰＳＡ）機又は圧力スイング吸着（ＰＳＡ）機を用いてストリーム９ａからＣＯ_２を分離してＣＯ_２リーンストリーム１０ａを生成するために、２～１０Ｂａｒ（すなわち、２００～１０００ｋＰａ）、好ましくは４～８Ｂａｒ（すなわち、４００～８００ｋＰａ）の圧力である必要がある。さらなる選択肢は、化学吸収ユニットを用いて、たとえば、アミンの使用を介して、ストリーム９ａからＣＯ_２を分離してＣＯ_２リーンストリーム１０ａを生成することである。ＣＯ_２はまた、高分子メンブレンを利用して又は深冷分離を介して、ストリーム９ａから分離可能である。

【0068】

ＣＯ_２は、ガス改質器２５での還元性ガスの生成に有利に寄与し、反応（ｃ）に関与するので、ＣＯ_２分離ステップ１０はまた、省略されうるか、又はステップ１０でストリーム９ａから除去されるＣＯ_２の量は、限定されうる。その場合には、反応（ｂ）を回避又は限定するために、しかるべき注意が払われるであろう。

【0069】

ＤＲＩ反応器１は、有利には１００～４００ｋＰａゲージ、より好ましくは１００～２００ｋＰａゲージの圧力で操作される。

【0070】

例示実施形態では、ストリーム１０ａは、アンモニア含有ガス供給物ストリーム２４に添加される。天然ガス、コークス炉ガス、他の炭化水素含有ガス、又はそれらの混合物２０もまた、ストリーム２４の一部、典型的にはストリーム２４の０％ｖｏｌ～５０％ｖｏｌの量である。水素（グレーＨ_２、好ましくはブルーＨ_２、より好ましくはグリーンＨ_２）２１もまた、ストリーム２４に対して０％ｖｏｌ～５０％ｖｏｌの割合でストリーム２４に含まれうる。追加のスチーム２２は、特定的には、ガス改質器２５での炭化水素改質に役立つように所要によりストリーム２４に添加されうる。

【0071】

改質ガス２３もまた、ストリーム２４に対して０％～５０％の割合でストリーム２４に含まれうる。

【0072】

ストリーム２４は、任意にストリーム１０ａの添加と共に、複数のサブストリーム２４ａでガス改質器２５に供給され、反応（１）並びに任意に前記サブストリームの組成に依存して反応（ａ）及び（ｃ）の１つ以上を利用することにより、ガス改質器２５で還元性ガスを生成する。

【0073】

得られる還元性ガス２５ａ及び２５ｂは、ＤＲＩ反応器１で鉄鉱石を還元するのに好適である。

【0074】

本発明のとくに有利な際立った実施形態によれば、ストリーム２４のアンモニア１９は、グリーン（又は低炭素）アンモニア１９であり、そのため、従来の炭化水素ベースＤＲＩ操作と比較してＣＯ_２排出量／カーボンフットプリントの著しい低減を付与する。

【0075】

ストリーム２４は、予熱されたガスストリーム２４ａを生成するために熱交換器１２で任意に予熱される。かかる予熱は、ガス改質器２５の燃焼チャンバーから出た過剰の熱を有利に利用するので、ガス改質器２５を加熱するのに必要とされる追加のエネルギーを低減する。

【0076】

任意に予熱されたガス混合物２４ａは、触媒を利用して反応（１）、（ａ）、及び（ｃ）に従ってガスストリーム２４ａをＤＲＩ反応器１での鉄鉱石２の還元に好適な還元性ガス２５ａ及び２５ｂに改質するガス改質器２５で改質される。

【0077】

還元性ガス２５ａ及び２５ｂは、ＤＲＩ反応器１の上流で追加のガス状炭化水素２３ｂ及び／又は酸素２３ａと任意に混合されて最終還元性ガス２５ｃの組成及び温度がさらに調整された後、ＤＲＩ反応器１のバッスル管３に導入される。混合物２５ｃがＤＲＩ反応器１に導入される温度は、６００℃～１１００℃、好ましくは７５０℃～１１００℃、より好ましくは９５０℃～１０５０℃でありうる。これは、ＤＲＩ反応器１内での還元反応のキネティクスを増加させるうえで望ましい。バッスル管は、ＤＲＩ反応器１の外周の周りに一様に最終還元性ガス２５ｃを分配するマニホールドとしての働きをする。

【0078】

ＤＲＩ反応器１のボトムで、ＤＲＩ反応器１の上側部分からの未還元、部分還元、及び完全還元鉄鉱石の混合物４は、反応（ｆ）～（ｋ）が実質的に完了した後、鉄鉱石のすべてが実質的に還元された熱間金属ＤＲＩ２６ａに実質的に変換された。ＤＲＩ２６ａ中の鉄分の８５％～９９％、好ましくは９０％～９７％、より好ましくは９４％～９７％は、金属鉄であり、残りの鉄は、非金属酸化鉄（Ｆｅ_ｘＯ_ｙ）の形態である。

【0079】

たとえ原理的に望ましいとしても、鉄鉱石を完全に反応させてそれに含まれる鉄の１００％を金属鉄として得ることは、現実には一般に非実用的である。というのは、そうして得たとしても、ＤＲＩプロセスの生産性が有意に低減し、プロセスの還元性ガス消費が有意に増加するからである。したがって、鉄鉱石還元の程度に関して妥協点を探すべきである。

【0080】

熱間ＤＲＩ２６ａは、円錐状冷却用ゾーン２６に入り、そこでＤＲＩ反応器１からの排出後のＤＲＩの即時使用に依存する温度に冷却用ガス２７で冷却される。ＤＲＩ３０が４００℃～８００℃、より好ましくは６００℃～８００℃の範囲内の温度で隣接ＥＡＦ（図示せず）にただちに装入される場合、熱間ＤＲＩにすでに存在する顕熱をうまく利用しつつＥＡＦへのＤＲＩ３０の安全輸送に必要な温度への冷却に限定することが有利である。代替的に、熱間ＤＲＩは、ブリケット（ＨＢＩ）として形成される前に限定された冷却に付すことが可能である。かかるブリケット化は、ＤＲＩを貯蔵及び／又はＤＲＩ反応器１から離れて位置する（ＥＡＦ）現場への輸送により好適なものにする。

【0081】

冷却用ガス２７は、熱間ＤＲＩ２６ａと反応しないように実質的にイナートでありうる。冷却用ガス２７はまた、冷却しつつＤＲＩに所望の性質を付与するガスでありうるか又はそうしたガスを含有しうる。かかるガスの例は、反応（ｂ）に従って分解してＤＲＩ中に炭素を堆積可能な天然ガスであり、その際、炭素は固溶体として鉄に溶解する。上述したように、炭素は、ＤＲＩの溶融時にＥＡＦプロセスに操作上及びエネルギー節約上の利益を付与する。冷却用ガス２７はまた、トップガス５の一部分も含みうる。

【0082】

ＤＲＩ反応器１の冷却用ゾーン２６のトップで、冷却用ガス２７は、スペント冷却用ガスストリーム２８として冷却用ゾーン２６から抽出され、その後、ストリーム２８は冷却されてから、冷却用ゾーン２６のボトムでの再注入のためにメイクアップ冷却用ガスで強化され圧縮される。

【0083】

ＤＲＩ３０は、その後続使用に最も適する温度で円錐状冷却用ゾーン２６のボトムで抽出される。

【0084】

本発明の利点及び際立った特徴は、以下を含む。
１．炭素担持炭化水素を部分的又は完全に置き換えるためにブルー又はグリーンアンモニアを使用可能であるので、ＤＲＩ反応器並びに製鉄及び製鋼プラントのＣＯ_２排出量が低下する。
２．低排出ＤＲＩを生産する方法としてブルー又はグリーンアンモニアによりブルー又はグリーン水素を部分的又は完全に置き換える。
３．（ブルー／グリーン）水素と比較して、（ブルー／グリーン）アンモニアは、より簡単に貯蔵可能であり、且つグリーン水素を生産する天然資源／十分な天然資源を有していない世界中の地域に輸送可能である。

【0085】

輸送に必要とされる液状水素の温度が極低温（－２５３℃）であるため、液状水素は、調製及び長い航海での貯蔵に非常にコストがかかる。液状アンモニアは（－３３℃）で沸騰する。液状アンモニアは、その輸送及び貯蔵温度がより高いため、輸送にそれほどコストがかからない。そのうえ、世界スケールの既存のインフラでは、ＮＨ_３は、液状水素と比較してより簡単に入手可能である。
１．アンモニアは、ガス状炭化水素、たとえば、天然ガス、コークス炉ガス、スチーム、及びシンガスと９０％ｖｏｌまでのアンモニアの割合で混合可能であるとともに、反応（ｅ）を介して所望の制御可能量の溶存炭素（固溶体中）及び／又は炭化鉄（Ｆｅ_３Ｃ）を有利に含有するＤＲＩを依然として生産する。ＤＲＩの所望の炭素含有率は、ＤＲＩの最終使用に依存する。
２．ＤＲＩ反応器は、改質プロセスで従来のガス状成分（炭化水素、天然ガス、コークス炉ガス、及び他の炭素含有ガス）を１００％アンモニア解離生成物に置き換えることにより、直接ＣＯ_２排出が１００％フリーの状態で有利に操作可能である。
３．水素は、単位体積（Ｎｍ^３）当たり限定量の熱／熱エネルギーのみを担持／輸送可能な軽質ガスである。したがって、水素は、未還元鉄鉱石、還元鉄鉱石、又は完全還元鉱石４の混合物への熱伝達用の伝熱媒体として効果的でない。したがって、ＤＲＩ反応器への還元性ガスとしての１００％水素の供給は、１００℃に近い低トップガス温度をもたらすであろう。ＤＲＩトップガスは多くの水蒸気を含有するので、かかる湿分の凝縮が発生しうるという危険性が存在する。従来のＤＲＩ操作は、３００～６００℃の範囲内のトップガス温度を呈する。

【0086】

アンモニアがガス改質器で解離すると、生成された水素と窒素との混合物が得られる。水素と比較して、窒素は、単位体積（Ｎｍ^３）当たり有意により多量の熱／熱エネルギーを担持／輸送可能である。ＤＲＩ反応器への還元性ガスとして供給される水素と窒素との混合物（及び任意に他の成分）は、ＤＲＩ反応器への熱エネルギーの供給用の効果的伝熱媒体として使用可能であるので、以上に記載の問題は簡単に回避可能である。

【0087】

注釈：
とくに指示がない限り、ガスストリーム中の化合物のパーセンテージは、体積パーセンテージ（％ｖｏｌ）である。

【0088】

連続操作ＤＲＩ反応器／プロセスとバッチＤＲＩ反応器／プロセスとは、区別される。

【0089】

連続操作ＤＲＩ反応器に注入されるガスストリームは、ＤＲＩ反応器の操作時に一般に継続して注入される。

【0090】

本発明に係る方法の実施形態
本発明は、鉄鉱石中に含有される酸化鉄を還元するために還元性ガスとして水素（Ｈ_２）を用いて、（好ましくは連続）ＤＲＩ反応器で、直接還元鉄（ＤＲＩ）を生産する方法を含み、その方法では、水素の少なくとも一部は、ガス改質器で窒素（Ｎ_２）及び水素（Ｈ_２）へのアンモニア（ＮＨ_３）の解離（反応（１））により生産される。

【0091】

本方法での使用に好適な連続ＤＲＩ反応器は、当技術分野で公知である。

【0092】

そのため、アンモニア含有ストリームは、ＤＲＩ反応器の上流で解離反応（１）に付され、そして水素及び窒素を含有する解離生成物ストリームは、ＤＲＩ反応器に注入され、その際、解離反応により生成された水素が、ＤＲＩ反応器内の鉄鉱石中の酸化鉄の還元用の還元剤として使用される。

【0093】

ＤＲＩ反応器の上流でアンモニア含有ストリームが付され解離反応（１）は、非触媒的又は触媒的でありうる。

【0094】

反応のための熱エネルギーは、たとえば、以上に記載の燃焼ヒーター中での燃焼により提供されうる。

【0095】

解離生成物（還元性ガス）ストリームの温度は、ＤＲＩ反応器の上流のストリームに燃料及び／又は酸化剤を注入することによりＤＲＩ反応器の上流で調整されうる。

【0096】

アンモニア解離により発生された水素以外の水素もまた、鉄鉱石中の酸化鉄の還元用の還元性ガスとしてＤＲＩ反応器に注入されうる。

【0097】

アンモニア解離により発生されない水素は、以上に挙げた解離生成物ストリームとは別々にＤＲＩ反応器に注入されうる。アンモニア解離により発生されない水素もまた、アンモニア含有ストリーム及び／又は解離生成物ストリームと混合されうる。

【0098】

このサプリメント水素は、好ましくは、低カーボンフットプリントを有し、たとえば、再生可能エネルギー源からの電気で電解により生成された水素である。

【0099】

他の有用な一サプリメント水素源は、コークス炉ガスである。

【0100】

さらなるサプリメント水素源は、シンガスである。

【0101】

最後の２種のガスはまた、酸化鉄の還元用の還元剤としても有用なＣＯも含有する。

【0102】

本方法のある実施形態によれば、ＣＯは、以上に記載のアンモニアの解離により発生されたＨ_２に加えてさらなる還元剤としてＤＲＩ反応器で使用される。

【0103】

前記ＣＯは、解離生成物ストリームとは別々にＤＲＩ反応器に注入されうる、及び／又は解離生成物ストリームと混合されうる。

【0104】

有用なＣＯ源は、コークス炉ガス、シンガス、及びＤＲＩ反応器からのリサイクルトップガスである。

【0105】

そのため、ＣＯ含有ガス、たとえば、コークス炉ガス及び／又はシンガスは、解離生成物ストリームと混合されうる。

【0106】

好ましくは、ＣＯとＨ_２との混合物を含むシンガスは、発生される。

【0107】

ＣＯ含有シンガスは、好ましくは、炭化水素、特定的にはガス状炭化水素、たとえば、ＣＨ_４／天然ガスのドライ改質又はスチーム改質により、好ましくは触媒的ドライ改質又は触媒的スチーム改質により発生される。シンガスはまた、好ましくは燃焼酸化剤として酸素を用いて、炭化水素ガスの部分酸化によっても形成可能である。

【0108】

シンガスは、アンモニア解離とは別々に生成されうるとともに、生成されたシンガスは、解離生成物ストリームと混合されうる。

【0109】

ガス状炭化水素もまた、典型的にはスチーム及び／又はＣＯ_２と一緒に、ガス改質器に注入されうるとともに、ガス改質器内でアンモニア解離と一緒にシンガスへの改質を受ける。

【0110】

ガス状炭化水素、特定的にはＣＨ_４／天然ガスは、ガス改質器に別々に供給されうるか、又はアンモニア含有ストリームと混合されうる。

【0111】

本方法では、Ｈ_２及びある特定の実施形態では有意レベルのＣＯを含有するＤＲＩ反応器により発生されたトップガスは、ＤＲＩ反応器内での酸化鉄の還元用の追加／サプリメント還元性ガスとして使用可能である。

【0112】

トップガス中に存在するＨ_２及び任意にＣＯは、特定的には、ＤＲＩ反応器への導入前にガス改質器を加熱するために及び／又はガス改質器に供給されるガスを予熱するために及び／又は還元性ガスを予熱するために、燃料として使用されうる。

【0113】

本発明との関連では、「トップガス」という表現は、前記反応器で鉄鉱石の直接還元に使用された後にＤＲＩ反応器から排出されたスペント還元性ガスを意味する。

【0114】

トップガス中に存在するＨ_２及び任意にＣＯはまた、たとえば、前記Ｈ_２及び任意のＣＯと、ガス改質器へのアンモニア含有ストリームと、又はＤＲＩ反応器の上流の解離生成物ストリームと、を混合することにより、ＤＲＩ反応器に還元性ガスとしてリサイクルされうる。

【0115】

Ｈ_２及び任意のＣＯの濃度を増加させるために、トップガスが燃料として使用される前及び／又は還元性ガスとしてリサイクルされる前、水は典型的には凝縮によりトップガスから除去される。

【0116】

同様に、トップガスが有意量のＣＯ_２を含有するとき、トップガスが燃料として使用される前及び／又は還元性ガスとしてリサイクルされる前、特定的にはトップガスが還元性ガスとしてリサイクルされる前、ＣＯ_２もまた、トップガスから除去されうる。

【0117】

鉄鉱石は、特定的には、ランプ及び／又はペレットの形態でＤＲＩ反応器に供給されうる。

【0118】

生成されたＤＲＩは、ブリケット化に付されうる。

【0119】

生成されたＤＲＩは、ブリケット化されるか否かにかかわらず、典型的には鋼の生産に使用される。

【図1】

【国際調査報告】