(57)【要約】【課題】二酸化炭素の排出量を削減することができるとともに、金属鉄だけで無く高熱量ガスを同時に製造することができる、金属鉄と高熱量ガスの製造方法を提供する。【解決手段】酸化状態の鉄と木質バイオマスとを混合し、８００〜１０００℃に加熱する、金属鉄と高熱量ガスの製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化状態の鉄と木質バイオマスとを混合し、８００〜１０００℃に加熱する、金属鉄と高熱量ガスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属鉄と高熱量ガスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に金属鉄は、高炉において、原料としての鉄鉱石を還元剤としてのコークスと反応させることによって製造されている。しかし、高炉での金属鉄の製造では、１ｔの金属鉄を製造するために約２ｔの二酸化炭素が排出される。そのため、地球温暖化を防止するために製鉄所における二酸化炭素の排出量削減が求められている。
【０００３】
二酸化炭素の排出量を削減する方法の一つとして、例えば、コークスに代えて木炭などの再生可能な炭素質を還元剤として用いることが考えられる。しかし、還元剤として用いられているコークスは、還元剤としての役割だけでなく、高炉内の１０００〜１３００℃という高温の雰囲気下においても、その高い強度を持って、上部に積載されている鉄鉱石およびコークスの重量を支えると共に、高炉内のガス流れを円滑にする役割を有している。木炭を用いた場合、このような高い強度を付与することは困難である。
【０００４】
また、高炉において排出されるガス（高炉ガス）の組成は、主成分としての窒素が５０〜６０％、一酸化炭素および二酸化炭素が２０〜２５％程度である。そのため、高炉ガスの低位発熱量は２．５〜３．２ＭＪ／ｍ3に過ぎず、燃料としての有用性が低いのが実状である。
【０００５】
そこで、高炉を用いた従来の方法に変わる金属鉄の製造方法として、直接還元プロセスが提案されている。直接還元プロセスでは、炭素質と鉄鉱石を混合・成型し、これを熱処理することにより金属鉄を製造する。例えば、非特許文献１で提案されているITmk3プロセスは、直接還元プロセスの１種であり、微粉鉱石と石炭を成型して加熱処理することによって金属鉄を生産するプロセスである。
【０００６】
非特許文献２では、バイオマス物質から製造される炭素質を還元剤として用い、鉄鉱石から金属鉄を製造することが提案されている。
【０００７】
また、特許文献１では、酸化状態の鉄とバイオマス物質とを塊状に成形し、加熱することによって金属鉄を製造することが提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】神戸製鋼技報、Vol.60 (2010), No.1, pp.29-35
【非特許文献２】ISIJ International, Vol.49 (2009), No.10, pp.1505-1512
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特表２００９−５３０４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、非特許文献１の方法によれば、輸送段階を含めた二酸化炭素の排出量を削減できるとされているが、化石資源である石炭を還元剤として用いているため、二酸化炭素の排出量を十分に削減できるとはいえない。
【００１１】
また、非特許文献２の方法では、バイオマス物質を不活性ガス中にて、６００℃以上の高温に加熱して炭化し、さらに粉砕して還元剤を製造する必要があるため、プロセスが複雑であるとともに、エネルギー効率が低いという問題があった。
【００１２】
一方、特許文献１の方法によれば、バイオマス物質をそのまま還元剤として用いることにより、カーボン・ニュートラルな状態で金属鉄の製造が可能であると考えられる。しかし、バイオマス物質を還元剤として用いるために、１３５０〜１４５０℃以上といった高温での処理が必要であるとされている。
【００１３】
さらに、上記従来技術においては、金属鉄の製造に伴って生成するガスの熱量は考慮されておらず、高熱量のガスを得ることは出来ていなかった。
【００１４】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、二酸化炭素の排出量を削減することができるとともに、金属鉄だけで無く高熱量ガスを同時に製造することができる、金属鉄と高熱量ガスの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者らは、上記の課題を解決するため鋭意研究を行った結果、木質バイオマスを還元剤として用いる反応においては、８００〜１０００℃という低温においても金属鉄への還元反応が十分に進行するだけでなく、驚くべきことに、低位発熱量が１０ＭＪ／ｍ3以上であるような高熱量ガスが得られることを見出した。
【００１６】
本発明は、上記知見に立脚するものであり、その要旨構成は次のとおりである。
【００１７】
１．酸化状態の鉄と木質バイオマスとを混合し、８００〜１０００℃に加熱する、金属鉄と高熱量ガスの製造方法。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の金属鉄と高熱量ガスの製造方法によれば、８００〜１０００℃という低温において金属鉄を製造することができる。また、金属鉄と同時に、低位発熱量が１０ＭＪ／ｍ3以上であるような高熱量ガスを得ることができる。前記高熱量ガスは、燃料として極めて有用であり、例えば、製鉄所において行われる各種熱処理などの燃料として好適に利用可能である。さらに、本発明のプロセスは、カーボンニュートラル資源である木質バイオマスを還元剤として用いることにより、ごくわずかな二酸化炭素排出量で金属鉄を製造することが出来る。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を具体的に説明する。
【００２０】
本発明では、酸化状態の鉄と木質バイオマスとを混合し、８００〜１０００℃に加熱することにより、金属鉄と高熱量ガスを同時に製造することができる。
【００２１】
［酸化状態の鉄］
本発明においては、鉄源として、酸化状態の鉄を用いる。前記酸化状態の鉄としては、特に限定されることなく任意の物を用いることができる。前記酸化状態の鉄としては、例えば、鉄鉱石、ならびに製鉄所で副生する製鉄ダスト、製鋼ダスト、電炉ダスト、およびスラッジからなる群より選択される少なくとも１つを用いることができる。特に、鉄鉱石を用いることが好ましい。
【００２２】
前記酸化状態の鉄の形状は特に限定されないが、粉末状とすることが好ましい。粉末状である酸化状態の鉄を用いる場合、その平均粒径は２５０μｍ以下とすることが好ましい。また、前記酸化状態の鉄として鉄鉱石を用いる場合には、平均粒径を１００μｍ以上とすることが好ましい。
【００２３】
［木質バイオマス］
前記木質バイオマスとしては、特に限定されることなく任意の物を用いることができる。前記木質バイオマスとしては、例えば、おがくず、ウッドチップ、稲わらからなる群より選択される少なくとも１つを用いることが好ましい。
【００２４】
前記木質バイオマスの形状は特に限定されないが、粉末状とすることが好ましい。粉末状である木質バイオマスを用いる場合、その粒度は１ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００２５】
［混合］
上記酸化状態の鉄と木質バイオマスとを混合する。前記混合は、特に限定されることなく任意の方法で行うことができる。本発明においては、前記混合の際に、酸化状態の鉄と木質バイオマスのみを混合することが好ましい。言い換えると、水やバインダなどの第三成分（酸化状態の鉄と木質バイオマス以外の成分）を添加しないことが好ましい。
【００２６】
［成形］
さらに、ハンドリングの容易性の観点から、上記混合工程で得られた酸化状態の鉄と木質バイオマスとの混合物を、成形して成形体とすることが望ましい。前記成形の方法としては、圧粉成形が一般的であるが、前述の通り水やバインダを添加せず成形できる方法であれば、特に限定されない。
【００２７】
また、前記成形体の形状はペレット、ブリケット等特に限定されず、該成形体の寸法も特に限定はされないが、成形体の最長部分の寸法が後述する加熱処理をする反応容器の内径の１／２以下であることが好ましい。これは、加熱処理の際に発生するガスを滞留させないために、反応容器内に空隙を形成させるためである。
【００２８】
［加熱］
次いで、混合された酸化状態の鉄と木質バイオマスを加熱する。その際の加熱温度は８００〜１０００℃とすることが重要である。前記加熱温度が８００℃未満であると、酸化状態の鉄と木質バイオマスとの反応が十分に進行しない。前記加熱温度は８５０℃以上とすることが好ましく、８８０℃以上とすることがより好ましい。一方、前記加熱温度が１０００℃を越えると、発生するガスに含まれるメタンの比率が低下し、該ガスの熱量が低下する。前記加熱温度は９８０℃以下とすることが好ましく、９５０℃以下とすることがより好ましい。
【００２９】
［高熱量ガス］
上記温度で加熱することにより、酸化状態の鉄が金属鉄に還元されるとともに、高熱量の可燃性ガス（高熱量ガス）が発生する。前記高熱量ガスの熱量は特に限定されないが、通常は、１０ＭＪ／ｍ3以上、１５ＭＪ／ｍ3以下である。得られた高熱量ガスは、高熱量であるため各種燃料として好適に用いることができる。例えば、製鉄プロセスにおける各種熱処理のための燃料として用いることができる。
【実施例】
【００３０】
以下、実施例に基づいて本発明の構成および作用効果をより具体的に説明する。なお、本発明は下記の例に限定されるものではない。
【００３１】
（実施例１）
以下の手順で酸化状態の鉄と木質バイオマスとを混合、加熱し、発生したガスおよび残留物を分析した。
【００３２】
酸化状態の鉄としては、鉄鉱石を使用した。具体的には、前記鉄鉱石として、１００〜２５０μｍに粉砕・分級したローブリバー鉱石を用いた。また、木質バイオマスとしては、杉のおがくずを１ｍｍ以下に粉砕したものを使用した。
【００３３】
前記鉄鉱石とおがくずとを、質量比１：１で、他の成分を添加することなく混合し、圧粉成形してペレットとした。前記ペレットの形状は、直径約１４ｍｍ、高さ約２０ｍｍの円筒形とした。
【００３４】
上記ペレットを２００℃で乾燥させた後、９００℃で加熱した。具体的には、９００℃に加熱した石英反応管中に前記ペレットを挿入し、３０分間保持した。前記加熱の間、前記石英管中にはキャリアガスとしてのＮ2ガスを供給した。
【００３５】
３０分の保持時間の間に発生したガスを分析した結果、水素（Ｈ2）、一酸化炭素、メタン、および二酸化炭素が、それぞれ２３．５％、４３．２％、１０．２％、２３．１％含まれていた。前記ガスの低位発熱量は１２．５ＭＪ／ｍ3であり、発生量はおがくず１ｋｇあたり８．４ＭＪであった。
【００３６】
また、３０分間保持した後の残留物をＸ線回折法で測定した結果、金属鉄のピークのみが観察され、酸化鉄種のピークは検出されなかった。
【００３７】
（実施例２）
杉のおがくずに代えてヒノキのおがくずを用いた点以外は、実施例１と同じ方法で試験を行った。生成ガスを分析した結果、水素、一酸化炭素、メタン、および二酸化炭素が、それぞれ２２．６体積％、４５．３体積％、１０．７体積％、２１．４体積％含まれていた。前記ガスの低位発熱量は１２．９ＭＪ／ｍ3であり、発生量はおがくず１ｋｇあたり９．５ＭＪであった。
【００３８】
また、３０分間保持した後の残留物をＸ線回折法で測定した結果、金属鉄のピークのみが観察され、酸化鉄種のピークは検出されなかった。
【００３９】
（実施例３）
杉のおがくずに代えて桜のおがくずを用いた点以外は、実施例１と同じ方法で試験を行った。生成ガスを分析した結果、水素、一酸化炭素、メタン、および二酸化炭素が、それぞれ２３．３％、４０．９％、１１．３％、２４．５％含まれていた。前記ガスの低位発熱量は１２．６ＭＪ／ｍ３であり、発生量は杉１kgあたり９．０ＭＪであった。
【００４０】
また、３０分間保持した後の残留物をＸ線回折法で測定した結果、金属鉄のピークのみが観察され、酸化鉄種のピークは検出されなかった。
【００４１】
以上の実験結果から分かるように、本発明の金属鉄と高熱量ガスの製造方法によれば、８００〜１０００℃という低温において金属鉄を製造することができる。また、金属鉄と同時に、低位発熱量が１０ＭＪ／ｍ3以上であるような高熱量ガスを得ることができる。前記高熱量ガスは、燃料として極めて有用であり、例えば、製鉄所において行われる各種熱処理などの燃料として好適に利用可能である。さらに、本発明のプロセスは、カーボンニュートラル資源である木質バイオマスを還元剤として用いることにより、ごくわずかな二酸化炭素排出量で金属鉄を製造することが出来る。
【００４２】
金属鉄は、全世界で年間約３０億ｔ生産されている重要な素材であり、これを再生可能な木質バイオマスのみを還元剤として製造することには、大きな意味がある。さらにカーボン・ニュートラルな高熱量ガスが同時に得られることは、地球温暖化を防止する観点からも重要である。