(57)【要約】【課題】安価に、炭酸ガス排出量を大幅に低減させることのできる高炉の操業方法を提供すること。【解決手段】高炉の羽口から吹き込む還元材として藻類を使用することを特徴とする高炉の操業方法を用いる。藻類が微細藻類であること、藻類から抽出した脂質及び／又は炭化水素を還元材として使用すること、製鉄所より排出される炭酸ガスによって培養された藻類を使用することが好ましい。藻類の培養は培養池１に培養液２を満たし、パドル３で流速を形成することにより、藻類の攪拌・混合を行う、オープンポンドリアクター等により行なうことができる。培養池１の底部に炭酸ガスを導き、散気装置４などを通じて散気することによって炭酸ガス５を培養液に溶解させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉の羽口から吹き込む還元材として藻類を使用することを特徴とする高炉の操業方法。
【請求項２】
前記藻類が微細藻類であることを特徴とする請求項１に記載の高炉の操業方法。
【請求項３】
前記藻類から抽出した脂質及び／又は炭化水素を還元材として使用することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高炉の操業方法。
【請求項４】
製鉄所より排出される炭酸ガスによって培養された藻類を使用することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の高炉の操業方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉羽口から補助還元材を吹き込む高炉操業方法に関し、安価に炭酸ガス発生を抑制する高炉の操業方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、炭酸ガス排出量の増加による地球温暖化問題が深刻さを増しており、我が国における炭酸ガス総排出量の１５％近くを占めている鉄鋼業においても、排出ＣＯ2の抑制は重要な課題となっている。
【０００３】
銑鉄を製造する高炉において炭酸ガスの発生を抑制するために、主たる還元材として用いているコークスの使用量を低減し、水素含有率の高い還元材（例えば重油、ＬＮＧなど）を補助還元材として羽口から吹き込む技術が知られている（例えば、特許文献1〜３参照。）。
【０００４】
また、これらの水素含有率の高い液体・気体の補助還元材を使用することで、併用する固体還元材の燃焼性向上および鉱石の還元性・溶け落ち性の改善により高炉の下部通気性が改善され、高出銑比を達成できることも知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公昭４０−２３７６３号公報
【特許文献２】特公平１−２９８４７号公報
【特許文献３】特開平３−２４０９０６号公報
【特許文献４】特開２００６−２０７００９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】J.Biotechnol.、１２６、２００６年、ｐ．４９９−５０７
【非特許文献２】Biotechnol. Lett.、３１、２００９年、ｐ．１３６７−１３７２
【非特許文献３】環境省  「温室効果ガス排出量算定・報告マニュアル  第II編  温室効果ガス排出量の算定方法」２０１０年
【非特許文献４】National Renewable Energy Laboratory (NREL), NREL/TP-580-24190、１９９８年、ｐ．２３９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のコークス代替の水素含有率の高い補助還元材も化石燃料であることには違いなく、炭酸ガス排出抑制について抜本的な改善になっているとは言えない。また、原油やＬＮＧなどは、今後数十年の間で枯渇が危惧されている資源であり（可採年数  原油：４１年、ＬＮＧ：６３年）、取引価格もここ数年で急激に上昇している。従って、銑鉄製造コストの観点からも、原油やＬＮＧの使用は、好ましいとはいえない。
【０００８】
したがって本発明の目的は、上述のような課題を解決し、安価に、炭酸ガス排出量を大幅に低減させることのできる高炉の操業方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記した課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）高炉の羽口から吹き込む還元材として藻類を使用することを特徴とする高炉の操業方法。
（２）前記藻類が微細藻類であることを特徴とする（１）に記載の高炉の操業方法。
（３）前記藻類から抽出した脂質及び／又は炭化水素を還元材として使用することを特徴とする（１）または（２）に記載の高炉の操業方法。
（４）製鉄所より排出される炭酸ガスによって培養された藻類を使用することを特徴とする（１）ないし（３）のいずれか１つに記載の高炉の操業方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高炉の操業において、安価に、炭酸ガス排出量を大幅に減少させることが可能となり、これにより地球温暖化問題の解決に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】藻類の培養方法の一実施形態を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明について詳細に説明する。
【００１３】
高炉は、鉄鉱石から銑鉄を製造するための溶鉱炉である。高炉には通常、鉄鉱石およびコークスが炉上部から装入され、さらに燃焼用の空気が炉下部の羽口から吹き込まれる。鉄鉱石から鉄分を取り出すには酸素を除去（還元）する必要があり、そのための還元材として使われるのがコークスである。高炉内で、コークスは炉の下部から吹き込まれる熱風や酸素と反応して一酸化炭素や水素などのガス（還元ガス）を発生し、鉄鉱石を溶かしながら酸素を奪い、還元する。溶けた鉄はさらにコークスの炭素と接触し還元され、銑鉄となって炉底から取り出される。
【００１４】
近年、上記背景技術で記述したように、炭酸ガスの発生抑制、高炉の効率的な操業による高出銑比の実現のために、還元材であるコークスの一部を代替する形で、補助還元材として重油やＬＮＧなどを吹き込む技術が開発されている。
【００１５】
本発明は、高炉の羽口から吹き込む微粉炭や、これら重油やＬＮＧなどの補助還元材を、藻類（特に微細藻類）あるいは藻類から抽出、製造した脂質及び／又は炭化水素（例えば、バイオディーゼル）で代替することで、より安価で、高効率に炭酸ガス発生を抑制する高炉操業技術を提供するものである。
【００１６】
まず、高炉の還元材として使用する藻類について説明する。
【００１７】
藻類は、脂質や炭化水素を含有しているため、高炉の還元材として使用可能である。藻類の中には、特に真核の単細胞微細藻類の多くは、藻類の細胞内に油滴を蓄積することが知られており、これらを用いることが好ましい。油滴の多くは脂質の一種であるトリグリセリドであり、メチルエステル化することによってディーゼル燃料としての利用が期待されている。例えば、化１に示すように、トリグリセリドとメタノールから、化学反応によりグリセリンとメチルエステル（バイオディーゼル）を製造することができる。
【００１８】
【化１】
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【００１９】
一般に高炉の補助還元材としては、
（Ａ）発熱量が高いこと、
（Ｂ）水素含有率が高いこと、
（Ｃ）アッシュ分などを含まないこと、
などの性質を有することが好ましいと考えられている。以下、これらの項目に関する藻類、あるいは藻類から抽出した脂質及び／又は炭化水素の高炉での使用について述べる。
【００２０】
（Ａ）発熱量：
高炉の補助還元材として必要な発熱量について、現状では明確な基準はないが、目安としては、最低でも石炭と同等の発熱量（約６０００Ｋｃａｌ／ｋｇ）が必要であると考えられる。発熱量は高いほど好ましいが、発熱量が低い場合であっても、発熱量の高いＬＮＧなどの気体還元材と併用することで補助還元材全体としての発熱量を高めることができる。
【００２１】
藻類は下記に述べるように乾燥状態で補助還元材として使用することが好ましいが、トリグリセリドや炭化水素の含有率の高い微細藻類の乾燥藻類自体は、約６４００Ｋｃａｌ／ｋｇと、石炭とほぼ同程度の発熱量を有しており、脂質や炭化水素の抽出を行わず、藻類そのものを固形還元材として利用することができる。この場合、大型藻類などでは高炉への吹き込みにあたり燃焼性の向上のために乾燥後粒径１００μm以下程度まで粉砕することが好ましい。一方微細藻類の場合には乾燥するだけで粒径数μm〜数十μmの粉体となるため、粉砕の必要はない。
【００２２】
補助還元材として用いる藻類の発熱量をより高めるためには、藻類から、脂質及び／又は炭化水素を抽出し、例えばバイオディーゼルを生産することが好ましい。微細藻類から生産されるトリグリセリド由来のバイオディーゼルは、炭素数が１２〜２０程度のメチルエステルであり、発熱量は９０００Ｋｃａｌ／ｋｇ前後であり、良質のものでは９８００Ｋｃａｌ／ｋｇという報告がある（非特許文献１参照。）。これは、重油の発熱量：約９８４０Ｋｃａｌ／ｋｇ、ＬＮＧの発熱量：約１１７８０Ｋｃａｌ／ｋｇと比較しても遜色ない数値であり、藻類由来のバイオディーゼルが十分な発熱量を有していることが分かる。
【００２３】
（Ｂ）水素含有率：
まず藻類をそのまま補助還元材として使用する場合について説明する。藻類の化学式は一般にはｎ（ＣＯ0.48Ｈ1.83Ｎ0.11Ｐ0.01）程度であり、水素と炭素のモル比Ｈ／Ｃ＝１．８となり、これは補助還元材として有効であるとされているＨ／Ｃ＝１．５以上を満たしている（Ｈ／Ｃ＝１．５以上で補助還元材として有効であることについては特許文献４参照。）。
【００２４】
次に、脂質及び／又は炭化水素を抽出する場合として、バイオディーゼルを藻類の細胞内から抽出、製造して使用する場合について説明する。藻類から製造されるバイオディーゼルの代表物質として炭素数１８のオレイン酸を例に考えると、構造式はＣ18Ｈ34Ｏ2であり、水素と炭素のモル比Ｈ／Ｃは１．９となり、この場合も上記Ｈ／Ｃ＝１．５以上の基準を満たしている。
【００２５】
したがって、藻類をそのまま使用する場合も、バイオディーゼルとして使用する場合も、水素含有率は十分に高いことが分かる。
【００２６】
（Ｃ）アッシュ分などの不純物：
上記したように藻類の化学式はｎ（ＣＯ0.48Ｈ1.83Ｎ0.11Ｐ0.01）程度であり、このことから明らかなように、藻類は大部分が有機物で構成されており、アッシュ分などはほとんど含まれていない。また、ＳＯxの発生原因となる硫黄分もほとんど含まれおらず、補助還元材として使用する際には問題にならないと考えてよい。また当然のことながら、このような藻類の細胞内から抽出、製造した脂質及び／又は炭化水素についても、アッシュ分や硫黄が問題となることはない。
【００２７】
これらの事実から、脂質や炭化水素の含有率の高い藻類は、発熱量が高く、かつ水素含有率が高く、アッシュを含まない補助還元材として、高炉で好適に使用できることが分かる。藻類をそのまま使用してもよいが、液体・気体の補助還元材の代替として使用する場合、または発熱量の高い気体還元材などと併用する場合は、より高い発熱量を得るために、藻類の細胞内から脂質及び／又は炭化水素（例えば、バイオディーゼル）を抽出、製造して使用することがより好ましい。
【００２８】
これら藻類の高炉への吹き込み方法としては、従来の高炉羽口からの補助還元材の吹き込み方法をそのまま用いればよい。乾燥（粉砕）藻類は粉状であるため微粉炭と同様に、バイオディーゼル等の抽出物は液体であるため重油と同様の方法によって、高炉に吹き込むことが可能である。
【００２９】
本発明に用いる藻類の具体例としては、Chlorella sp.、Porphyridium sp.、Tetraselmis sp.、Phaeodactylum sp.、Nannochloropsis sp.、Ellipsoidea sp.、Isochrysis sp.、Pavlova sp.、Skeletonema sp.、Thalassiosira sp.、Chaetoceros sp.、Chlorococcum sp.、Monodus sp.などがあげられる。
【００３０】
通常、上記の藻類がその細胞内に蓄積する脂質の割合は、藻類の乾燥質量あたり２０〜４０％程度であるが、炭化水素を乾燥質量あたり７０％以上も蓄積するScenedesmus sp.やBotryococcus brauniiといった微細藻類も発見されている（非特許文献２参照。）。したがって、これらの微細藻類は本発明に用いるのに好適である。
【００３１】
当然のことながら、使用可能な藻類は上記の藻類に限定されるものではない。
【００３２】
藻類を、そのまま補助還元材として使用する場合には、乾燥して、水分含有量を１０質量％以下とすることが好ましい。藻類は水系で培養を行うため、乾燥して使用する場合には、通常は回収後、水分を除去する乾燥工程が必要となるが、特別な技術は必要とせず、公知の乾燥方法を用いて乾燥すればよい。
【００３３】
乾燥には多大なエネルギーが必要でコストが大きくなる場合があるが、製鉄所内では、１００〜５００℃程度、特に１５０〜２５０℃程度の比較的温度の低い熱が大量に廃熱として廃棄されており、藻類の乾燥工程にこれらの熱を利用して、低コストで乾燥を行なうことが好ましい。
【００３４】
これら藻類は当然のことながら光エネルギーを利用して大気中の炭酸ガスを固定することによって増殖しており、この増殖産物である藻類を還元材として利用してもカーボンニュートラルとみなされるため、藻類由来の還元材による炭酸ガスの発生量は見かけ上０となる。
【００３５】
次に、藻類の培養方法について説明する。着床して増殖する大型藻類などの培養については、天然海域をそのまま利用していわゆる藻場を造成して行ってもよいし、網やロープなどの支持体に海藻の種苗を付着させ、その支持体を固定して養殖する方法などを用いることができる。これらの方法は、安価で、天然海域を利用するため広大な面積の使用が可能であるが、着床して増殖する藻類の増殖速度自体が微細藻類などと比較して緩慢であり、また炭酸ガスや栄養塩、ｐＨなど、増殖に関わる因子の人為的な制御がほとんど不可能であることから、生産効率は低く、収穫量も不安定になりがちである。
【００３６】
一方、非着床の藻類や、微細藻類の培養については、高効率、安定生産のために藻類培養装置（リアクター）を使用した培養を行うことが一般的である。リアクターは、光エネルギーの効率的な取り込み、炭酸ガスの高効率な溶解などを考慮して種々の形状が検討、開発されているが、大規模培養を考えた場合には、建設コストの安価さや形状のシンプルさ、維持管理の容易さなどから、オープンポンド形状での培養が微細藻類の培養などで広く行われている。図１に、オープンポンドリアクターの一例を示す。
【００３７】
太陽光の効率的な取り込みを考え、数十センチ程度の浅い水深にて循環状の培養池１を作成する。ここに培養液２を満たし、パドル３で培養液２の流れを形成することにより、藻類の攪拌、混合を行う。培養池１の底部に炭酸ガス５を導き、散気装置４などを通じて散気することによって炭酸ガス５を培養液に溶解させる。藻類の増殖を観察しながら一定期間ごとに、増殖した藻類混合液となった培養液２を回収し、新たに培養液２を補充することにより、連続的に培養を継続させる。
【００３８】
このようにして培養される藻類の増殖速度は、微細藻類などでは通常１０〜３０ｇ−乾燥藻類／ｍ2／日程度の数値が得られる。培養する藻類の種類や、培養条件などにより増殖速度は変動するが、５ｇ−乾燥藻類／ｍ2／日を下回ると、コスト、培養面積の点などからメリットが見出しにくくなり、現実的ではない、従って、培養する藻類の増殖速度は５ｇ−乾燥藻類／ｍ2／日以上が好ましく、１０ｇ−乾燥藻類／ｍ2／日以上の速度が得られればより好ましい。
【００３９】
回収した培養液は、重力沈降や遠心分離など、公知の濃縮方法によって藻類を濃縮することが好ましい。濃縮した培養液内の藻類は、乾燥後、そのまま、あるいは粉砕して、あるいはさらに脂質や炭化水素の抽出を行ない、還元材として使用する。藻類の乾燥、粉砕、脂質や炭化水素の抽出、精製なども、公知の技術を用いて簡便に行うことができる。
【００４０】
このようにして、光エネルギーと炭酸ガスから、藻類、特に微細藻類を培養し、バイオディーゼル等の補助還元材を生産することが可能となる。
【００４１】
また、図１において、藻類増殖のために散気装置４に導く炭酸ガス５に、製鉄所において発生する炭酸ガスを用いれば、製鉄所内で文字通りの炭素サイクルが成立し、製鉄所からの実質的な炭酸ガス発生量の削減にも貢献できる。製鉄所において発生する炭酸ガスにＳＯXなどのガス成分が含まれている場合で、培養しようとしている藻類に有害である場合には事前に除去が必要であるが、基本的には、製鉄所において発生する排ガスの配管を、藻類培養装置の散気装置４の配管に接続するだけでよい。
【００４２】
また一般に、国内において高炉を有するような大規模製鉄所は、原料の入荷、製品の出荷の便宜ために、海岸や埋立地に立地していることがほとんどであることから、藻類の培養に必要な海水の取得は容易で、培養面積の確保も実現可能である。また、炭酸ガス発生抑制方法として藻類による炭酸ガス固定を考えた場合、炭酸ガスを固定することで大量の藻類が増殖するため、その大量増殖した藻類をどのようにして利用するのかについても大きな課題の一つとなっていたが、高炉の還元材として用いることで、莫大な量の藻類の有効利用が可能となる。これらのことから、藻類の高炉還元材利用は非常に合理的で、炭酸ガス削減効果の高い方法であると考えられる。
【００４３】
次に、高炉の還元材として、ＬＮＧ、重油、藻類、藻類由来のバイオディーゼルを用いた場合の単位熱量あたりの炭酸ガス排出量、コストの比較を行った。結果を表１に示す。なお、炭酸ガス排出量は非特許文献４から引用したものである。また、コストについては、重油のコストを１として、その他については重油に対する相対値で示した。バイオディーゼル生産に関するコスト試算は数多く発表されているが、ここでは、アメリカのＮＲＥＬ（National Renewable Energy Laboratory）が発表している試算の中で、最も詳細に検討されていると思われる試算結果を参照した（非特許文献４参照。）。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
藻類、藻類由来のバイオディーゼルは大気中のＣＯ2を固定して生産した還元材であるため、カーボンニュートラルとなり、見かけ上発生するＣＯ2は０とみなせ、これらを還元材として用いることで、炭酸ガス排出抑制について抜本的な改善を実現することが可能となることが明らかである。またコスト面においても、重油、ＬＮＧよりも安価に供給することが可能であることが分かる。
【符号の説明】
【００４６】
１    培養池
２    培養液
３    パドル
４    散気装置
５    炭酸ガス
【図１】
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