(57)【要約】  本発明は、スチールを製造する方法に関し、鉄鉱が水素によって還元され、これによって得られる還元鉄鉱の中間生成物とオプションの付随物質とが冶金処理され、前記水素は水の電気分解によって得られ、この電気分解に必要な電気エネルギは、水力および／又は風力および／又は光発電又はその他の再生エネルギ形態から由来する再生エネルギである。前記水素および／又は前記中間製品は、十分な再生生成電気エネルギが利用可能である時にはいつでも、現在の需要とは独立して製造される。需要されない量の中間製品はすべて、需要又は使用されるまで、貯蔵され、それにより、その中に貯蔵される前記再生エネルギも貯蔵される。本発明は、又、不連続に生成されるエネルギを貯蔵する方法にも関し、この不連続に生成されたエネルギは、利用可能な時、又は、その生成時に、貯蔵可能な中間生成物が出発材料から作り出され、前記貯蔵可能中間生成物が最終製品の製造のために必要とされるまで又は需要されるまで貯蔵される処理に供給される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鉱が水素によって還元され、それによって得られる還元鉄の中間生成物とオプションとしての付随物質が更なる冶金処理を受けるスチールの製造方法において、
前記水素が水の電気分解によって作り出され、前記電気分解に必要な電気エネルギが、水力発電および／又は風力発電および／又は太陽光源、又は、その他の再生可能な形態のエネルギからの再生エネルギであり、
前記水素および／又は前記中間生成物が、十分な再生生成電気エネルギが利用可能である時にはいつでも現在の需要とは無関係に作り出され、そして、
必要とされない前記中間生成物が需要が生じるまで、または使用されるまで貯蔵され、それによって、その中に貯蔵された前記再生エネルギもまた貯蔵されることを特徴とするスチールの製造方法。
【請求項２】
前記中間生成物を作り出すための前記鉄鉱の還元において、前記中間生成物に炭素を組み込むために、前記水素に対して、炭素含有又は水素含有ガスが添加される請求項１に記載のスチール製造方法。
【請求項３】
炭素含有又は水素含有ガスメタン又はその他の炭素含有ガスが、工業処理からのもの、又は、バイオガス製造又は熱分解からのもの、又はバイオマスからの合成ガスである請求項１または２に記載のスチール製造方法。
【請求項４】
前記還元のための前記水素には、少なくとも前記中間生成物中の炭素含有率を０．０００５質量％〜６．３質量％、好ましくは１質量％〜３質量％にするのに十分な炭素含有又は水素含有ガスが添加されている請求項１〜３の何れか一項に記載のスチール製造方法。
【請求項５】
前記水素と、オプションとしての炭素含有ガスとから成る還元ガスは、４５０℃〜１２００℃、好ましくは、６００℃〜１２００℃、特に７００℃〜９００℃の温度で還元処理に導入される請求項１〜４の何れか一項に記載のスチール製造方法。
【請求項６】
前記還元における過剰圧は、０ｂａｒ〜１５ｂａｒである請求項１〜５の何れか一項に記載のスチール製造方法。
【請求項７】
再生生成由来の水素と、炭素含有又は水素含有ガス流との間の比率が、利用可能性の関数として連続的に変化され、十分な再生エネルギがある場合には再生エネルギで生成された水素が使用され、再生エネルギ不在の場合には、前記システムは純粋に前記炭素含有又は水素含有ガス流にスイッチングされる請求項１〜６の何れか一項に記載のスチール製造方法。
【請求項８】
前記ガス流全体における水素および／又は炭素含有又は水素含有ガス流の含有率の調節が予測制御によって行われ、前記予測制御を使用して、水素および／又は再生エネルギおよび／又はバイオガス製造から或いは再生可能エネルギの熱分解からの前記炭素含有又は水素含有ガス流、および／又は、再生エネルギの推定への予想流、そして、前記処理への外部消費者の需要予想を判定し、それによって、再生源からの電気エネルギの流通を最適化し最も経済的にする請求項１〜７の何れか一項に記載のスチール製造方法。
【請求項９】
直接還元システムによって排出物として放出されるガス流は、炭素含有又は水素含有ガス流として前記処理に搬入される請求項１〜８の何れか一項に記載のスチール製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分によるスチール製造方法と、不連続に作り出されるエネルギの貯蔵方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
スチールの製造は、現在、様々な方法で行われている。古典的なスチール製造は、主として、酸化鉄キャリアから銑鉄を熱炉処理で作り出すことによって行われる。この方法において、銑鉄毎メートルトンあたり約４５０〜６００ｋｇの還元剤、通常、コーク、が消費され、この方法は、石炭からのコークの製造と銑鉄の製造との両方において、大量のＣＯ２を放出する。更に、所謂「直接還元法」も知られ（ＭＩＤＲＥＸ，ＦＩＮＭＥＴ，ＥＮＥＲＧＩＲＯＮ／ＨＹＬ等の商標名の方法）、そこでは、主として、ＨＤＲＩ（熱間直接還元鉄）、ＣＤＲＩ（冷間直接還元鉄）、又はいわゆるＨＢＩ（熱間ブリケット鉄）の形態における酸化鉄キャリアから海綿鉄が作られる。
【０００３】
又、所謂、溶融還元法もあるが、そこでは、例えばＣＯＲＥＸ，ＦＩＮＥＸ，ＨｉＳｍｅｌｔ又はＨｉＳａｒｎａの商標名の方法である、溶融処理と、還元ガスの製造と、直接還元とが互いに組み合わされる。
【０００４】
ＨＤＲＩ，ＣＤＲＩおよびＨＢＩの形態の海綿鉄は、電気炉で更に処理されるが、これは極めてエネルギ集約的である。直接還元は、メタンからの水素と一酸化炭素、そして、必要な場合は、合成ガス、を使用して行われる。例えば、所謂ＭＩＤＲＥＸ法では、まず、以下の反応によってメタンを変換する。
【０００５】
ＣＨ４＋ＣＯ２＝２ＣＯ＋２Ｈ２
【０００６】
そして、たとえば下記の式に従って、酸化鉄が還元ガスと反応する。
【０００７】
Ｆｅ２Ｏ３＋６ＣＯ（Ｈ２）＝２Ｆｅ＋３ＣＯ２（Ｈ２Ｏ）＋３ＣＯ（Ｈ２）
【０００８】
この方法もＣＯ２を放出する。
【０００９】
特許文献１は、還元が、水素又は別の還元ガスと、水平乱流層（horizontal turbulence layer）で行われる粉鉱の直接還元のための統合方法を開示している。
【００１０】
特許文献２は、太陽発電、電解装置、工業冶金処理を含む発電所を開示し、この工業処理はボーキサイトからのアルミニウムの電力集約的な金属製造に関連するか、もしくは、タングステン、モリブデン、ニッケル等の非鉄金属の製造における還元剤としての水素による冶金処理を意図するものであるか、もしくは、鉄金属の製造に直接還元法を使用する、還元剤としての水素による冶金処理を意図するものである。しかしながら、上に挙げた文献はこのことについて詳細に説明していない。
【００１１】
特許文献３は、二酸化炭素を使用し、再生電気エネルギと化石燃料とを使用する、貯蔵可能で、輸送可能な炭素性エネルギ源を作り出すための方法とシステムを開示している。この場合、再生的に作られたメタノール部分が、非再生的電気エネルギおよび／又は直接還元および／又は部分酸化および／又は改質、によって製造されたメタノール部分と共に作られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】ドイツ登録特許１９８５３７４７号明細書
【特許文献２】ドイツ公開特許１９７１４５１２号明細書
【特許文献３】国際公開第２０１１／０１８１２４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
現時点までにおいて知られているスチール製造方法のすべてにおいて、工業規模でのスチールの製造のための再生資源に基づく持続可能で総合的な製造概念が欠如しているという問題がある。
【００１４】
本発明の課題は、銑鉄、特に、スチールを、ＣＯ２中性的に工業規模で製造することが可能な方法を作り出すことにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記課題は、請求項１の特徴構成を有する方法によって達成される。その有利な改造構成は従属項に開示される。
【００１６】
本発明に依れば、スチール製造は、少なくとも部分的に、好ましくは、完全に、再生エネルギによって行われ、この場合、一方においては、直接還元法が使用され、他方においては前記直接還元法によって得られた中間生成物が、たとえば、アーク炉において、それに対応して更に処理される。しかしながら、ＬＤ処理および／又は溶鉱炉に使用することも可能であろう。その一つの具体的利点は、再生エネルギによって作り出された前記中間生成物を、それが更に処理されるまで貯蔵することが可能であることにあり、これは、本発明による前記方法が再生エネルギの貯蔵を可能にするということを意味している。今日まで、この再生エネルギの貯蔵には、風又は太陽から生成される電気エネルギが常に同じではない気候条件に依存するという非常に大きな問題があった。水力発電される電気エネルギでさえも常に利用可能であるとは限らない。多くの場合、消費者は再生エネルギの製造と同じ場所にはいない。この貯蔵の問題と貯蔵されたエネルギの輸送の問題は、本発明に依れば、本発明によって作り出された中間生成物はたとえば、海上輸送によって、任意の場所へ小さな単位で任意の量、効率的に輸送することが可能であることによって、解決される。
【００１７】
本発明の方法において、風、水又は太陽エネルギから作り出されたこの電気エネルギは、電解によって水から水素を作るために使用される。好ましくは、前記水素製造の場所において、直接還元が行われ、これは、同様にこのようにして電気エネルギによって作り出される鉄鉱の還元のために使用される。このようにして得られた中間生成物は、この再生エネルギを貯蔵するための理想的な方法であり、それが利用されまで貯蔵することが可能であり、特に、それがそこで必要となった時、それを更に処理するためのシステムへ任意の態様の輸送によってアクセス可能である。特に、この中間生成物は、その製造場所において、現在の必要を超える多量に、対応の電気エネルギが十分な量、利用可能となった時に、製造することができる。このエネルギが利用可能でない場合には、多量の前記中間生成物と、多量のエネルギとがこの順番でその必要を満たすたことができる。
【００１８】
同様に特に好ましくは、風、水力発電、又は太陽エネルギから作り出されたエネルギのみを使用して、対応のアーク炉を運転することによって、ＣＯ２の無いスチール製造を達成し、かつ、再生エネルギを貯蔵することが可能となる。あるいは、前記中間生成物を、溶鉱炉又はＬＤ処理と併用することも可能である。
【００１９】
本発明に依れば、前記再生処理からの水素は、直接還元システムにおいて、ＣＨ４、ＣＯＧ、合成ガス等の炭素含有又は水素含有ガス流と併用することができる。炭素含有又は水素含有ガス流に対する再生処理由来の水素の比率は、利用可能性の関数として連続的に変化させることができる。例えば、大量の水素ガスが利用可能であるならば、これは、前記直接還元のほとんど１００％まで使用可能である。その残余は、炭素の率を調節するために必要な最小限の炭素含有又は水素含有ガス流から成る。但し、必要な場合、純粋に炭素含有又は水素含有ガス流（例えば天然ガス、バイオガス、熱分解・再生可能資源由来のガス）にスイッチングすることも可能である。
【００２０】
但し、好ましくは、前記方法は、利用可能な既存のエネルギと同量の水素を作り出すために、再生エネルギが利用され、この水素が直接還元のために使用される、ように実行される。炭素含有又は水素含有ガス流はバイオガス製造と再生可能資源の熱分解からのガス流も含むことは言うまでもない。
【００２１】
すぐに利用することのできない余剰水素は一時的に貯蔵することができる。
【００２２】
この水素の一次的貯蔵は、たとえば、ガスタンクを使用して行うことができ、炭素含有又は水素含有ガス流の内容物の調節は、予測制御によって行うことができる。この予測制御は、水素または再生エネルギの予想産出量／製造量を測定することが可能であるが、但し、これは、たとえば、天気予報に基づいて再生エネルギの製造量を推定するためにも利用可能である。他の外部消費者の需要予測も、この予測制御に組み入れることができ、それによって、再生エネルギから作り出される電気エネルギは最も経済的な方法で最適利用される。
【００２３】
この場合に主要な前記ガス流の温度は、例えば改質器、ヒータ、又は部分酸化による加熱によって、４５０℃〜１２００℃、好ましくは６００℃〜１２００℃、特に７００℃〜９００℃に調節され、その後、そこで化学反応を行うために前記直接還元法に導入される。更に、前記直接還元法から出るガス流を、炭素含有又は水素含有ガス流として前記処理に戻し供給することも可能である。
【００２４】
本発明による結果得られる可能性のある中間生成物としては、ＨＢＩ，ＨＤＲＩ又はＣＤＲＩがある。
【００２５】
この場合、０ｂａｒ〜１５ｂａｒの過剰圧力が調節される。例えばＭＩＤＲＥＸ法においては約１．５ｂａｒの過剰圧力が好適であり、Energiron法において約９ｂａｒの過剰圧力が好適である。
【００２６】
再生式に作り出された水素が炭素含有又は水素含有ガス流と混合される場合、炭素含有率を理想的に調節することが可能であり、実際には０．０００５％〜６．３％、好ましくは１％〜３％に調節し、これをＣ又はＦｅ３Ｃとして前記中間生成物に組み込むことができる。この種の中間生成物は、炭素含有率に関して理想的に調節され、それは冶金処理のために必要とされる炭素含有率に寄与するため、その後の処理に特に適している。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施例（アーク炉）における本発明の方法の概観を示す図である。
【図２】第２の実施例（ＬＤ法）における本発明の方法の概観を示す図である。
【図３】材料とエネルギとの流れを略示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明について説明する。
本発明に依れば、主として酸化鉄からなるキャリアの還元が、水素と、必要な場合、ＣＯ２放出が不可避な工業処理由来のＣＯ２又は特にバイオガス製造等の再生処理由来のメタン、によって行われる。
【００２９】
知られているように、鉄の還元は、三つの方法によって可能である。
【００３０】
−「古典的」な溶鉱炉処理−鉄キャリアと還元剤、特にコークからの銑鉄の製造。
−直接還元−例えばＭＩＤＲＥＸ−海綿鉄（ＨＤＲＩ，ＣＤＲＩおよびＨＢＩ）。
−溶融還元−溶融処理、還元ガス製造、直接還元の組み合わせ、例えばＣＯＲＥＸやＦＩＮＥＸ。
【００３１】
鉄還元（ヘマタイト、鉄（ＩＩＩ）酸化物は以下によって行われる。
【００３２】
一酸化炭素：Ｆｅ２Ｏ３＋６ＣＯ→２Ｆｅ＋３ＣＯ＋３ＣＯ２
水素：Ｆｅ２Ｏ３＋６Ｈ２→２Ｆｅ＋３Ｈ２＋３Ｈ２Ｏ
【００３３】
この場合、前記直接還元法において得られる前記中間生成物は、所謂ＤＲＩ（直接還元鉄）またはＨＢＩ（熱間ブリケット鉄）、から構成することができ、これを、図１において、アーク炉において、たとえばスクラップを添加しながら、スチールに溶融することができる。
【００３４】
図１は、又、ＨＤＲＩ又はＣＤＲＩを、ＨＢＩ製造の「回り道」無く、電気炉に直接搬入することが可能であることも示している。
【００３５】
本発明に依れば、前記アーク炉処理の他に、例えば溶融炉処理等のその他の冶金処理にも、又はＬＤ処理におけるスクラップの代用物として、ＨＢＩを使用することが可能である。
【００３６】
そのような実施例が図２に図示されている。この場合、ＣＤＲＩおよびＨＤＲＩも、溶鉱炉処理又はＬＤ処理に、直接に搬入することが可能であることを銘記しておかなければならない。
【００３７】
好適実施例において、再生可能エネルギ製造における温度変動を相殺するために、その余剰が存在する場合、このエネルギを、水素の形態で貯蔵することができる。この貯蔵は、例えばガスタンク内に行うことができる。そして、その貯蔵を、変動があった時に使用することができる。一時的変動は、例えば太陽設備においては夜間は予想可能であり、もしくは例えば風力エネルギプラントにおける風の強度の変動のように予想不能である。
【００３８】
とりわけ季節の違いによって生じうるより長期的変動を、好ましくは、ＨＢＩ形態でのエネルギ貯蔵に考慮に入れることができる。
【００３９】
必要な場合、天然ガス等の炭素含有又は水素含有ガスの使用も利用することができ、オプションとして、水素の使用は、十分な再生電力が存在する場合にのみ、行われる。
【００４０】
これにより、このエネルギを対応の形態のエネルギの利用可能性の関数として連続的に使用することが可能となり、不足している残りのエネルギを必要に応じて他のエネルギキャリアによって補給することが可能となるので、再生エネルギの最適な利用が提供される。これにより、ＣＯ２の放出を再生エネルギ源の利用によってこの時点における可能な最小限にまで低減することがいつでも可能となる。
【００４１】
本発明のもう一つの利点は、再生エネルギの製造場所と、このエネルギの使用場所との間の空間的な切り離しにある。例えば製鉄工場は多くの場合、川や海の近くに見られるのに対して、太陽エネルギ発電所を、太陽光線が豊富に入手可能なより暖かい地域に建設することが可能となる。
【００４２】
作り出されるエネルギが例えばＨＢＩに貯蔵されるので、それを容易かつ効率よく輸送することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年7月14日(2014.7.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鉱が水素によって還元され、それによって得られる還元鉄の中間生成物とオプションとしての付随物質が更なる冶金処理を受けるスチールの製造方法において、
前記水素が水の電気分解によって作り出され、前記電気分解に必要な電気エネルギが、水力発電および／又は風力発電および／又は太陽光源、又は、その他の再生可能な形態のエネルギからの再生エネルギであり、
前記水素および／又は前記中間生成物が、十分な再生生成電気エネルギが利用可能である時にはいつでも現在の需要とは無関係に作り出され、そして、
必要とされない前記中間生成物が需要が生じるまで、または使用されるまで貯蔵され、それによって、その中に貯蔵された前記再生エネルギもまた貯蔵され、
前記中間生成物を作り出すための前記鉄鉱の還元において、前記中間生成物に炭素を組み込むために、前記水素に対して、炭素含有又は水素含有ガスが添加され、そして、前記還元のための前記水素には、少なくとも、前記中間生成物中の炭素含有率を０．０００５質量％〜６．３質量％にするのに十分な前記炭素含有又は水素含有ガスが添加されていることを特徴とするスチールの製造方法。
【請求項２】
前記炭素含有又は水素含有ガス、メタン又はその他の炭素含有ガスが、工業処理からのもの、又は、バイオガス製造又は熱分解からのもの、又はバイオマスからの合成ガスである請求項１に記載のスチール製造方法。
【請求項３】
前記還元のための前記水素には、少なくとも前記中間生成物中の炭素含有率を１質量％〜３質量％にするのに十分な前記炭素含有又は水素含有ガスが添加されている請求項１または２に記載のスチール製造方法。
【請求項４】
前記水素と、オプションとしての炭素含有ガスとから成る還元ガスは、４５０℃〜１２００℃、好ましくは、６００℃〜１２００℃、特に７００℃〜９００℃の温度で還元処理に導入される請求項１〜３の何れか一項に記載のスチール製造方法。
【請求項５】
前記還元における過剰圧は、０ｂａｒ〜１５ｂａｒである請求項１〜４の何れか一項に記載のスチール製造方法。
【請求項６】
再生生成由来の水素と、炭素含有又は水素含有ガス流との間の比率が、利用可能性の関数として連続的に変化され、十分な再生エネルギがある場合には再生エネルギで生成された水素が使用され、再生エネルギ不在の場合には、前記システムは純粋に前記炭素含有又は水素含有ガス流にスイッチングされる請求項１〜５の何れか一項に記載のスチール製造方法。
【請求項７】
前記ガス流全体における水素および／又は炭素含有又は水素含有ガス流の含有率の調節が予測制御によって行われ、前記予測制御を使用して、水素および／又は再生エネルギおよび／又はバイオガス製造から或いは再生可能エネルギの熱分解からの前記炭素含有又は水素含有ガス流、および／又は、再生エネルギの推定への予想流、そして、前記処理への外部消費者の需要予想を判定し、それによって、再生源からの電気エネルギの流通を最適化し最も経済的にする請求項１〜６の何れか一項に記載のスチール製造方法。
【請求項８】
直接還元システムによって排出物として放出されるガス流は、炭素含有又は水素含有ガス流として前記処理に搬入される請求項１〜７の何れか一項に記載のスチール製造方法。
【国際調査報告】
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