太陽地球システム・エネルギー学講座
資源利用プロセス学分野

Solar and Terrestrial Systems and Energy Sciences

Process Engineering for Advanced Resources Utilization

高度資源利用・環境保全のためのプロセス研究
Process Engineering Research for Advanced Resource Utilizationand Environmental Conservation

教授 葛西 栄輝

准教授 村上 太一

助教 丸岡 大佑

Professor

Associate Professor

Assistant Professor

Eiki Kasai

Base materials industry are now facing several difficult issues, e.g., strong demand to reduce CO2 emissions, and property-degradations andprice-fluctuations of the mineral and fuel resources. Our research group is mainly carrying out the studies to search for new process
principles for base metal/material productions aiming at efficient utilization of lower grade mineral and energy resources also considering

Taichi Murakamiを実現するため、主に以下に示す研究テーマを実施した。
1. 予備還元鉱石による低温還元の実現
2. 浸炭・溶融高速化に対する硫黄の影響

utilization of low-grade energies and recovery of waste energies. A number of unique ideas have been tried to apply such as high temperature

Fig.3 は試薬へマタイト（Fe2O3）を予備還元したウスタイト（FeO）

and pressure conditions, and optimum process combinations. In addition, we are studying innovative researches, such as the production- グラファイト炭材内装鉱の還元挙動を示す。比較材として Fe2O3 - グ

process of a new porous and fibrous metal, and development of unique self-healing ceramics applicable to extreme harsh environment.

新日鐵住金（株）
波崎研究開発センターにて

Daisuke Maruoka

ラファイト炭材内装鉱の還元挙動も併せて示す。ここで還元率は、試料中の Fe が Fe2O3 として存在するときの酸素量に対する試料中酸素量の割合によって求められる。FeO を用いた炭材内装鉱では、比較いて調査し、高水素濃度下で還元性状の良い塊成鉱が具備する特性概要を調査している。また、塊成鉱の主要相のひとつであるカルシウムフェライトを実験室的に作製し、高水素条件を含む様々なガス雰囲気下の本研究分野では、資源・エネルギーの社会的および環境的インパクトが大きい基幹素材の製造・リサイクルプロセスに関して、その高効率材より低温で還元率が最大値に達している。したがって、予備還元によって低温還元が可能なことを示している。また、硫黄は浸炭・溶融被還元性を調査することで、上記原料製造指針を提示することを目的極限環境利用下における自己治癒セラミックスの高温腐食挙動としている。
本年は、様々なガス組成に制御可能な還元装置を用い、多様な焼究を行っている。特に高温反応が関与するプロセスの効率化と環境負結鉱の還元挙動を調査し、高水素条件における還元促進を達成するた荷低減に関するテーマに主眼を置き、波及効果の大きい製鉄プロセスめに有効な相を明らかにした。また、Fig.2 に示す高温Ｘ線回折装置の原料自由度の拡大や燃料のグリーン化、廃熱利用など、基礎から実を用いた。本装置は 2 次元検出器を搭載しており、実験中の鉱物相の機を想定した研究まで幅広くテーマを設定している。加えて、ポーラス、変化を非常に短い時間間隔で同定することが可能である。構造や組成繊維状金属製造など新しい材料プロセッシング法や極限環境に適用可の異なるカルシウムフェライト相の被還元性には違いがあることを明ら能な自己治癒セラミックス材料の開発に関する研究を行っている。

かにした。

構造用セラミックスの強度信頼性を大幅に向上できる自己治癒セラミックスが開発され、ジェットエンジン用タービン翼部材への応用が検討されている。自己治癒セラミックスにおいては、マトリックスに分散して存在する金属微粒子の酸化によりき裂が消滅することにより、自発的に機械的強度が回復する機能が発現する。回復した強度の維持には自己治癒層の安定性が重要であるが，実際の高温酸化環境でFig.3 Change in reduction degree of iron oxide-graphite
composite with temperature.

は溶融塩による高温腐食が起こりうる。そのため，自己治癒層の高温腐食挙動を調査することは重要である。
本年は Ni/Al2O3 自己治癒セラミックスを用い、Na2SO4 による高カーボンニュートラルに位置づけられるバイオマスを燃料として積極

Fig.1 Methods of reducing CO2 emission from ironmaking process.

利用することで、化石燃料由来の CO2 排出量が削減できる。一方、水素利用製鉄に適した製鉄塊成原料製造原理の創成
高炉では鉄鉱石から粗鉄（銑鉄）を製造するため、石炭を乾留して製造されるコークスを主な還元材および熱源として用いており、そのため大量の CO2 ガスが発生する。還元材を部分的に水素で代替する

Fig.2 High temperature X-ray diffractometer with 2-dimensional detector.

温室効果ガス排出量削減と劣質原料使用が可能な画期的製鉄プロセスにおける原料研究
我が国の鉄鋼産業は国内エネルギー使用量のおよそ 15％を占める

原著論文
Yuki Takyu, Taichi Murakami, Sang Han Son and Eiki Kasai, “Reduction Mechanismが期待できる。しかし、これらの排熱は高濃度のダストや腐食性ガス

of Composite Consisted of Coal and Hematite Ore by Volatile Matter at 700-1100K”,を含む場合が多く、直接使用するとバイオマス炭に悪影響を及ぼす可能性が考えられる。本研究では Fig4 に示すような、金属球を蓄熱媒体として排熱回収し、バイオマスの炭化と粉砕を同時に行う新しいプロセスを提案している。

ため CO2 排出量削減が求められている。さらに、良質鉄鉱石資源の本年は独自設計した小型炭化装置にモデルバイオマスを投入し、作きる。水素は石炭乾留時に副次的に生成されるため、原料を一貫して製したチャー特性を調査した。炭化温度が高くなるに従い、チャーの製鐵所内で利用することができ、安全面、輸送面からも有効である。

における重要な反応である酸化鉄還元反応や炭材ガス化反応の低温総量が少なくなったが、乾燥状態のチャー収率は高くなった。またバ

一方で、CO では発熱反応である還元が、水素の場合吸熱となるため、化、および還元された鉄への浸炭・溶融の高速化による問題解決を実イオマスのガス化挙動の調査から、水分や木酢液の低沸点ガス種とター水素濃度増加による高炉内シャフト部の低温化が懸念される。そのた現する具体的な方法として、高い反応性を有することが知られている

ルといった揮発種のガス化温度を明らかにした。バイオマスと蓄熱体

め、低温でも高い被還元性を有する原料（塊成鉱）の製造が望まれる。

鉱石－炭材コンポジット（炭材内装鉱）の使用が注目されている。との衝突挙動を粒子シミュレーションによって計算し、粉砕頻度や蓄40 Coexistence Activity Report 2015

学生の活躍が必要であるため、これを未利用排熱で代替できればさらなる効率化枯渇や原燃料価格の高騰にも対応しなければならない。製鉄プロセス

本年は、炭材内装鉱コンポジットを使用する低温・高速製鉄プロセス

NiAl2O4 が、Na2SO4 溶融塩に溶解している様子を詳細に観察した。

バイオマスを効率的に利用するためには、炭化プロセス等の事前処理ことができれば生成ガスは H2O となり、その分 CO2 排出量が削減で本研究では、各種塊成鉱の被還元性を水素濃度の異なる条件にお温腐食挙動について調査し、自己治癒セラミックス表面に生成した

ISIJ International, vol.55, 2015, No.6, 1188-1196.
受賞
四ノ宮裕士君（B4）：日本鉄鋼協会第 169 回春季講演大会学生ポスターセッ
ション努力賞 (March, 2015)

Department of Frontier Sciences for Advanced Environment

蓄熱体を用いた未利用排熱利用型バイオマス
迅速炭化プロセスの開発

先端環境創成学専攻

化と低環境負荷化を同時達成するための新しい技術原理を探索する研Fig.4 Schematic diagram for rapid carbonization process ofbiomass utilizing waste energy.

を遅らせる働きがあることを明らかにした。

熱体の衝突強度などを得ることができた。

Coexistence Activity Report 201541