ゼロカーボン製鉄への途
エネルギー研究会
2021年1月18日
原 晋一

概 要•••••••

産業部門のマイナスカーボンの実現には、鉄鋼生産の方法を、文明が誕生して以来使われていた、石炭（炭素）を還元剤として使用する方法を、再生エネルギーを源にした還元剤、すなわち再エネ由来の水素と再エネ由来の電気を利用した電炉による方法に変化することが必要と考えられている。
この時、鉄鋼品質調整の為使用される石灰石からの炭酸ガスや、一部の化石資源を使用する製鉄プラントから排出される炭酸ガスはCCSに頼る必要がある。しかし、炭酸ガスの貯蔵容量の限られる我が国では炭素による還元は最後の選択肢である。
幸い、近年の中国の巨大な鉄鋼需要と生産能力の拡大により、鉄スクラップの発生が増えており、石炭を使う高炉による鉄鋼生産は頭打ちであり、今後電炉による鉄鋼生産が増加すると考えられる。
唯、増加する新たな需要に対しリサイクルだけでは対応が出来ないので、小規
模・多数の直接還元法により生産される直接還元鉄が、電炉の原料として使用されると考えられている。
現在日本は既存高炉に、水素や一酸化炭素を吹込み、排出を30%削減する技術に方向をそろえて開発中である。
低排出の直接還元製鉄法としては、現在天然ガス改質ガスによる還元を行う方法が急増している。また、再エネ由来の水素のみによる還元法も考えられているが、多量の水素が必要であると考えられ、CCSへの依存は不可避であろう。
ここでは、現在開発中の低排出製鉄法につき、各方法の特徴とゼロカーボン状態におけるコストをCCSも含めて検討・比較し、今後の製鉄法の方向を考察する。

高炉(BF:Blast Furnace)の鉄・炭素のバランス(2005年)
石炭830kg/PT*
(DAF)
C:84%

粉鉱石
1120

石灰石
200

塊鉱石
210

ペレット
70

非粘結炭
100

コークス炉
CO

焼結機
SP

COG 発電等
CO

1600kg/PT

コークス
400

高炉
BF
FeO3+3C→
Fe+3CO銑鉄1000kg
PT:Pig Ton

スラグ

300

Fe:94%
C:4.5%
Si:0.5%

CO2CO2排出（2005年)：
830*0.84-(1000*0.045(CinPT))*(44/12)=2390kg/PT
排出係数：2.17(t-CO2/t-CS)
2018年 排出係数：1.8

粗鋼(crude steel)
1100kg

転炉BAF
O2

スクラップ
10%

富士石（ユリカ-ピッチ（加炭材）販売）関係者から、原が聞き取り(2007年)

高炉での反応①COによる直接還元（コークス、微粉炭からのガス）
3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2 －12650kcal/kgmol (25℃)＋ 6250Fe3O4+CO=3FeO+CO2－ 3330
FeO+CO=Fe+CO2(Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2) －5,140 kcal/kgmol-H.Fe (発熱)②H2による直接還元（湿分、微粉炭中の水素分）
3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O － 2800
＋16100Fe3O4+H2=3FeO+H2O＋ 6500
FeO+H2=Fe+H2O(Fe2O3+3H2→2Fe+3H2O) ＋8,700 kcal/kgmol-H.Fe (吸熱)③炭素による間接還元（コークス、微粉炭中の炭素）
FeO+C=Fe+CO(吸熱)＋37,880 kcal/kgmo④カーボンソリューション反応 (Boudoir反応）
CO2+C=2CO＋41,220 kcal/kgmol⑤水素ガス化反応
H2O+C=H2+CO＋31,564 kcal/kgmol⑥カーボンの燃焼（コークス、微粉炭中の炭素）C+1/2O2=CO－26,416 kcal/kgmol
全体「では吸熱https://www.nipponsteel.com/company/nssmc/science/pdf/V9.pdf

BFでの各還元物質による還元割合：
CO : 60%
H2 : 10%
C : 30%「製鋼用高炉における燃焼と模型実験」篠竹明彦、日本燃焼学会、vol.56、(2014)

現在の製鉄における炭酸ガス排出• 日本における2018年の鉄鋼生産量は99.0百万トン/年であり、CO2排出量は176.4百万トン/年であった。
• これは日本のGHG総排出量(1244百万トン/年の14.6%であり、産業部門（284.8百万トン/年）の61.9%である。
• 日本の鉄鋼は3/4が高炉法で生産(他は鉄リサイクルにおける電炉法）されており、製造エネルギーは石炭で賄われている。
• 高炉法では製造エネルギーの約70%が高炉における鉄鉱石の還元に消費（他は加熱・動力に消費）されており、高炉法における還元法の改善や、高炉法に代わって、水素や一酸化炭素で直接鉄鉱石を還元する方法への転換や、開発が進められている。

世界の鉄鋼生産構造の将来予測••

これまで、世界の鉄鋼需要は、中国の消費増により3%/年強の伸びであり、中国における高炉設備の増強による鉄鉱石から鉄鋼を生産することにより、賄ってきた。
しかし、今後中国の消費増が一段落するのと、スクラップの蓄積が多くなり（2010年230億t)、高炉による鉄鉱石からの鉄の生産は低下し、電炉による鉄鋼のリサイクル生産が伸びてくると考えられている。

•すなわち、鉄鉱石からの新しい鉄需要対応には、高炉による鉄鋼生産ではなく、規模が小さく炭酸ガス排出の少ない、鉄鉱石の直接還元法により行われると考えられている。
• 因みに下図の予測から推算される2050年の日本の鉄鉱石からの製鉄量と炭酸ガス排出量は：(99(2018全鉄鋼生産)* 0.75)*(1‒0.05(年減少率））^32 = 14.4百万トン/年、GHG排出量：34百万トン/年
世界の鉄鋼需要と生産予測
電炉比率の推移
世界需要

高炉・電炉
CO2排出係数

高炉「資源動向と還元鉄を利用した鉄鋼製造方法」神鋼技報、Vol.64、2014、田中英年

電炉（HBI_Scrup)ゼロ及び低カーボン製鉄技術• 間接還元製鉄★高炉へのH2/CO吹込み(COURSE50) [日本鉄鋼連盟開発]• 直接還元製鉄（DRI)★シャフト炉天然ガス改質ガス吹込み(Midrex、HYL等)★シャフト炉等再エネ水素吹込み（HDRI)• その他（省エネ技術）★直接還元溶解製鉄(Fastmet、ITkm3等)

尚、直接還元法には電炉（Electric Arc Furnace:EAF)が付随され、シャフト炉等からのHBI(Hot Buriqueted Iron)を溶解し鉄鋼製品に加工している。

COURSE-50（高炉法の改良） [日本鉄鋼連盟]
4千トン/年Pilot Plant、2016年～ 実行中、2030年～2050年実証化予定

COG組成：
CH4: 30%
CO: 60%
このCH4からSMRによりH2とCOを製造

2050年までに、COGのシフト反応による水素化による吹込みガスの水素濃度上昇とCCSにより、CO2の排出を30%削減「環境調和型プロセス技術の開発/水素還元等プロセス技術の開発」 NEDO, 2020, Aug. 20thCOURSE 50 開発

4千トン/年Pilot Plant、2016年～ 富津で実行中、(2030年～2050年実証化予定)

水素吹込み増：
吸熱反応増により1000℃～1400℃のFe/FeO平衡域降下

還元割合
CO:60%(不変)
H2:20%(10%up)
C:20%(10%down)

H2:0%

15%

30%

43%

「多相対高炉シミュレーターによる水素吹込み操業の解析」
柏谷等、2014、鉄と鋼、Vol.100、No2