ヒサルナ製鉄プロセス

HIsarna製鉄プロセスは、鉄鉱石をほぼ直接液体鉄（銑鉄）に加工する直接還元鉄プロセスです。このプロセスは、鉱石の溶融と予備還元のためのサイクロン転炉（CCF）と、液体鉄への最終還元段階が行われる溶融還元容器（SRV）の2つのプロセスユニットを組み合わせています。このプロセスでは、高炉プロセスに必要なペレットや焼結物などの鉄鉱石凝集体の製造やコークスの製造は必要ありません。これらのステップがないため、HIsarnaプロセスは従来の製鉄プロセスよりもエネルギー効率が高く、炭素排出量が低くなります。^{[1] [2] [3] [4]} 2018年にタタスチールは、HIsarnaテクノロジーを使用して、炭素回収テクノロジーを必要とせずに50％以上のCO2排出量削減が可能であることを実証したと発表しました_。^{[5] [6]}

HIsarnaプロセスは、 1986年に開始され、 Koninklijke Hoogovens / Corus IJmuiden / Tata Steel IJmuidenで段階的に開発され、中断されました。最終段階は、超低炭素二酸化鉄製鉄 (ULCOS) ^{[7]コンソーシアムと、旧}Corus (現在のTata Steel ) とRio Tinto Groupの協力により実現しました。^[8]後者は、HIsmelt (「高強度製錬」の略) 技術^[9]を設備の最終設計に提供したため、このプロセスはHIsarnaと名付けられました (「HI」は「高強度」から、「sarna」はケルト語で鉄を意味するIsarnaから来ています)。^{[4] [10] [11]}

HIsarnaは鉄鋼業界からのCO2排出量を削減する上で最も有望な開発の一つと考えられています。_[ 12 ^]

鉄鉱石の還元にサイクロン炉技術を適用する最初の試みは、 1960年代にホーゴフェンス社で行われました。サイクロン技術は既にさまざまな工業、化学プロセスで効果的に使用されており、ホーゴフェンス社の設計者はそれが自社のプロセスの改善戦略になるかもしれないと考えました。しかし、当時は適切に動作させることができず、実験はすぐに中止されました。^[2]

最初の本格的な復活は 1986 年に起こりました。このとき、ホーゴベンスはペレットや焼結物などの鉄鉱石凝集体を製造せずに鋼鉄を製造する方法を模索していました。当時の要望は、厳しい経済状況でプロセスをより安価にするためのコスト削減策がほとんどでした。しかし、厳しい時代は長くは続かず、プロジェクトは 1990 年代初頭まで棚上げされていました。

1990 年代初頭までに、石炭からコークスを生産していた西側諸国の主要コークス製造施設の多くが経済寿命を迎えたため、コークスの供給が制限されるようになった。環境規制が厳しく、新しい施設を建設するのは魅力的ではなくなったため、鉄鋼メーカーはコークスの必要性を減らす方法を模索した。ホーゴベンスはこの問題の解決策としてサイクロン技術に力を入れ始め、サイクロン部分の試験施設は 1 時間あたり 20 トンの銑鉄を生産できることが証明された。しかし、残りのプロセスはあまりうまく機能しなかったため、^{鉄鋼メーカーが}コークスの一部を粉末石炭の注入に置き換える動きに大きく移り、中国がコークスの大量生産を開始すると、プロジェクトは再び勢いを失った。1999 年頃の商品価格の急落により、プロジェクトは中止された。^[2]

しかし、2004年に欧州連合は鉄鋼業界に炭素排出量の削減を迫り、その結果ULCOSコンソーシアムが設立され、2005年から2007年にかけてサイクロン技術は4つの有望技術の1つに選ばれた。サイクロン炉のサイクロン後部分の以前の問題に対する理論的な答えは、溶融還元容器の形で見つかり、リオティントグループはHIsmeltと呼ばれる必要なプロセスで産業規模の経験を持っていた。彼らとULCOSの間の合意により、サイクロン炉にHIsmelt技術が追加され、その結果HIsarnaプロセスが生まれた。^[2] 2017年にタタスチールはリオティントから製錬所の知的財産権を取得し、現在はHIsarnaの知的財産をすべて完全に所有している。^[13]

外観イメージ
ヒサルナパイロットプラント

2010年にタタ・スチール・エイマイデンにHIsarnaパイロットプラントが建設された。このパイロットプラントは、年間65,000トンの銑鉄を生産する能力がある。^{[10] [11]}最初の実験キャンペーンは2011年春に完了し、その後さらに3つの実験キャンペーンが成功した。2番目と3番目のキャンペーンは、石炭鉄鋼研究基金（RFCS）の共同資金提供を受けた。^[14] 4番目のキャンペーンは2014年6月に終了した。5番目のキャンペーンは2017年秋に開始された。^{[15] [16]}このプロジェクトは、 EUのHorizo​​n 2020フレームワークプログラムによって、第2回持続可能な低炭素産業（SILC-II）資金提供ラウンドの一部として部分的に資金提供されている。^{[17] [18] [19]}

外部画像
ヒサルナプロセスの概略図（リオ・ティント）[8]
ヒサルナプロセスの概略図（タタ・スチール）[4]
ヒサルナパイロットプラントの制御室
ヒサルナパイロットプラントの鋳造所と金属の取り出し
ヒサルナパイロットプラントでのスラグ採取

HIsarna プロセスは、溶融銑鉄の生産が行われる 2 つのプロセス段階が直接結合された製錬還元プロセスです。

これは、サイクロンコンバーター炉 (CCF) ^[20]と溶融還元容器 (SRV) の組み合わせで、連続した一回通しのプロセスを形成します。HIsarna プラントはワインボトルのような形をしており、底に「ボトル」があり、上部に細い「首」があります。この炉の形状により、粉砕された鉄鉱石が酸素とともにこのサイクロンに注入されると、首にサイクロンが形成されます (したがって、酸素は底ではなく上部に注入されます)。サイクロンの温度により解離反応が起こり、直後に投入された石炭が鉄鉱石を鉄に還元します。^{[2] [4]}

溶融鉄の滴は、その後、炉壁を伝って「首」が「ボトル」に広がる場所まで滴り落ちる。ここで滴は壁から溶融スラグに落ち、溶融スラグは炉の底にある液体鉄槽の上に溜まる。サイクロンとスラグ層の間には、スラグ内で起こる最終還元反応段階から放出されるガスを部分的に燃焼させることで熱を発生させるため、水冷ランスを通して酸素が注入される。粉末石炭は、再び水冷ランスを通してスラグ層に注入される。還元反応は炉の底で「通常通り」継続し、部分的に還元された鉄鉱石は通常の銑鉄にさらに還元され、全体が 2 つの溶融層 (スラグの上層と溶融銑鉄の下層) に分離する。両方の層は個別に取り出すことができ、銑鉄は残りの酸素製鋼プロセスですぐに使用できる。^{[2] [4]}

技術的な意味では、HIsarna プロセスの利点は、高炉用の多孔質負荷物を作成するために鉄鉱石凝集体とコークスを作成するステップを省くことです。従来のプロセスでは、負荷物を支えるためにコークスの強度が必要なため、粉末状の石炭だけを使用することはできません。これと比較して、HIsarna では、石炭と鉱石が粉末状であることが利点です。表面積が増加するため、サイクロンでの還元反応の速度と品質が向上するためです。^{[2] [4]}

しかし、このプロセスの主な利点は、上で述べたものから派生したものである。鉱石凝集体とコークスを作成するための個別のステップがプロセスからなくなるため、プロセスのエネルギー効率が向上し、炭素排出量が削減される。^{[2] [3] [4] [10] [11]}このことは、プロセスをより環境に優しいものにするよう圧力をかけられている鉄鋼メーカーにとって、このプロセスの魅力となっている。特に、政府の規制により、二酸化炭素排出量が多い場合に金銭的なペナルティが課せられるようになっているヨーロッパではそうだ。HIsarnaプロセスは、従来の銑鉄生産と比較して、エネルギー消費量が20％少なく、鉄鋼1トンあたりのCO _{2排出量が少なくとも20％少ない。} ^{[4] [21]さらなる環境上の利点には、NO} _x、SO _x、微粒子粉塵などの他の排出量が大幅に削減されることが含まれる。 ^[22]石炭の一部を持続可能なバイオマスに置き換え、プロセスで鉄スクラップを使用することで、 CO ₂排出量を50％以上削減できる。^{[5] [6]}

直接的な環境的利益に加えて、ヒサルナは経済的利益ももたらします。^[22]このプロセスは、低コストの鉱石と石炭を扱うことができ、投資コストが低く抑えられます。ヒサルナで生産される溶銑は、製鉄プロセスにも利点があり、BOFコンバーターでのスラグと金属リンのレベルを下げたり、電気アーク炉での溶銑の投入量を増やしたりすることができます。^[23]

タタ・スチールはまた、 EIT RawMaterialsの支援を受けて亜鉛を回収し、^[24] _CO2を回収して利用または貯蔵できるようなプロセスの開発を計画している。 ^[22]

2018年11月には、インドのジャムシェドプルにあるタタ・スチールの敷地内に、より大規模なHIsarnaパイロット施設を建設できることが発表されたが^{[25] [26]、}エイマイデンの施設は、この技術のさらなる産業実装のための潜在的な場所である。^{[27] [28]}

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• ULCOS 2008-11-21にWayback Machineでアーカイブ超低CO2_製鉄コンソーシアム
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