ＮＥＤＯ省エネルギー技術フォーラム 2015 戦略的省エネルギー技術革新プログラム実用化開発＜原料高弾力性高炉の開発による鉄鋼の省エネ達成＞事業実施法人名：JFEスチール(株)、東北大学研究開発期間：平成25年7月～平成27年2月１．研究開発の背景、目的、目標 2 １．１．背景最終エネルギー消費の構成比運輸部門 22.9% 家庭部門 14.4% 業務部門 18.8% 製造業業種別エネルギー消費非素材系 24.2% 紙パルプ 5.5% 産業部門 43.9% 14,974PJ 2010年度窯業土石 5.0% 鉄鋼 28.4% 化学 36.9% 6,145PJ 2010年度出典：資源エネルギー庁「エネルギー白書2012」鉄鋼業の消費エネルギーは製造業の1/4、国内全体エネルギー消費の中で約12%を占め、その省エネは国全体の中で極めて重要鉄鋼製造に使用するエネルギー源は石炭であり、省エネは地球温暖化対策に直結中国を始めとする新興国の資源・エネルギー需要の継続的増大に伴い、鉄鉱石や石炭の価格が高騰しており、最近の円安はさらなる価格高騰要因１．研究開発の背景、目的、目標 3 １．１．背景工程連続化、工程省略（CC,CAPL等) 省エネ、排熱回収設備の導入 (TRT, CDQ, etc.) 排熱回収増強、設備の効率化 Specific energy consumption 新プロセス技術 (SCOPE21) 非微粘炭比率拡大 (微粉炭吹き込み、石炭調湿) 資源リサイクル（廃プラ、廃タイヤ、ダスト利用）エネルギー消費環境投資高付加価値製品排熱回収発電廃プラグロス消費工程連続化など 1973 1980 100 100.0 2012 FY 98 ▽8.0% 96 94.9 94 92.5 92.4 92 91.4 90.8 92.0 90 89.9 88 87.4 87.7 86 1990 2000 05 06 07 08 09 10 11 12 ネット消費 1990 2000 2010 省エネルギーの取り組みとエネルギー消費（総量）推移出典：日本鉄鋼連盟「鉄鋼業の地球温暖化対策への取組自主行動計画進捗状況報告平成２４年１２月」エネルギー原単位（1990年度起点）「鉄鋼業の地球温暖化対策への取組自主行動計画実績報告平成２５年１２月」工程連続化/工程省略、排熱回収設備導入/排熱回収効率向上、個々のプロセス改善によって鉄鋼のエネルギー原単位は20年間で約10%削減したが、現状技術では限界に近い国際的に見てエネルギー効率は既にトップであるが、さらなる省エネには新たな着想に基づく技術開発が必要１．研究開発の背景、目的、目標 4 １．２．従来の課題、目的、目標一定の高強度原料強度緩和原料焼結鉱コークス焼結鉱コークス炉内容積、高さを縮小窒素フリー化による還元の高速化還元時間の短縮生産性倍加荷重の緩和熱風（空気）大型化の歴史最初は高さ、以降径方向に拡大現行高炉荷重の増大、径方向の不均一性緩和を原料性状で対処本提案酸素天然ガスなど水素系ガス１．研究開発の背景、目的、目標１．２．従来の課題、目的、目標 5 コークス炉高炉石炭 ④ 高炉内容積（m3） →原料間最大接触力（N）コークス乾留エネルギー減 -10％炉内容積を1/2 ⑤ 原料間最大接触力（N） →原料強度（MPa）焼結機焼結鉱粉鉱石 ③ 原料強度（MPa） →原料強度指数(%) 原料強度を大幅緩和 ⑥ 焼成エネルギー減 -10％窒素レス →反応速度向上 ② 原料強度指数(%) →塊成化エネルギー（GJ) ① 塊成化エネルギー（GJ) →製鉄所使用ｴﾈﾙｷﾞｰ(GJ/t) 原料秤量系 Oxygen x5 ⑦ 反応シミュレーターと試験高炉の概念設計１．研究開発の背景、目的、目標 6 １．２．従来の課題、目的、目標コークス炉高炉ガスによる発電効率の向上 +10% 高炉ガスの熱量を倍加高炉石炭コークス乾留エネルギー減 -10％焼結機炉内容積を1/2 塊鉱石（塊成不要）焼結鉱粉鉱石焼成エネルギー減 -10％原料強度を大幅緩和微粉炭（塊成不要）還元速度生産性を倍加酸素天然ガスなど水素系ガス全体で4.9%の省エネ大型高炉（4000m3超）では、コークス/焼結鉱が崩壊しない様に十分な塊成化エネルギーが必要空気送風を純酸素送風に切り替えることにより反応に寄与しない窒素を除去し、炉容積を半減 →小型化により炉内荷重を緩和し、塊成化エネルギーを削減２．研究開発体制、研究開発内容 7 ２．１．研究開発体制研究開発責任者（国）東北大学：埜上教授（国）東北大学：加納教授 JFEスチール株式会社（国）東北大学：葛西教授２．研究開発体制、研究開発内容 8 ２．２．研究開発内容（国）東北大学：葛西教授（１）窒素レス雰囲気での反応高速化の研究 Reduction degree (-) 1.0 a) N2-x%(0.8CO-0.2CO2) N2 0 25 0.8 50 0.6 0.4 還元時間半減 0.2 0.0 0 30 60 Reduction time (min) 90 実験値と計算値の整合性を確認し、窒素フリー条件では同一還元率に対して反応時間が約1/2になることを確認 →高生産性の達成が可能２．研究開発体制、研究開発内容２．２．研究開発内容 9 （国）東北大学：埜上教授（２）高炉小型化による炉内荷重緩和の研究軸芯部 35 軸芯部 30 Height (m) 25 f cnk n kPa 1000 2/3 20 15 10 k DP2 0 5 圧縮応力酸素高炉 (2,500 m3) 0 0 1000 2000 3000 4000 Compressive Stress (kPa) 5000 従来高炉 (5,000 m3) 内容積が半減した場合、最大炉内加重は2/3に低減２．研究開発体制、研究開発内容 10 ２．２．研究開発内容（国）東北大学：加納教授（３）炉内荷重緩和と必要原料強度低減の研究 f cnk k n DP2 炉内充填層応力 (MPa) 14 12 10 8 P 6 4 l t d 2 0 0 20 40 60 80 100 引っ張り強度 (MPa) 充填層中の圧縮応力と必要な粒子の引っ張り強度は比例関係 120 2P dl ２．研究開発体制、研究開発内容 11 ２．２．研究開発内容（４）必要原料強度緩和による強度評価基準緩和の研究 84 ◆JISドラム試験実機換算DI15015 (-) DI15015 = 0.39σt+81 150 DI 15 （%） 150回転後の15 mm 以上のコークス量 ×100 = 元のコークス量 83 82 81 80 0 引っ張り強度が2/3に低減→DIで-1.0低減 2 4 6 引張強度 (MPa) 8 ２．研究開発体制、研究開発内容 12 ２．２．研究開発内容（５）強度緩和による塊成化エネルギー削減の研究 DI15015 [-] 85 Ro = 1.01 % (Exp.) Ro = 0.90 % (Exp.) Ro = 1.01 % (Calc.) Ro = 0.90 % (Calc.) 84 83 100 kJ 0.33 pt. 82 81 1400 1450 1500 1550 1600 1650 石炭の享受した熱量 [kJ/kg] 150 DI 15 0.0033Q 10.9 Ro 67.5 DI -1.0の緩和は -303kJ/kg-coalに相当２．研究開発体制、研究開発内容 13 ２．２．研究開発内容（６）削減可能エネルギー推定技術の研究副生ガスｺｰｸｽ下工程へ供給 Nレス副生ガス発電効率向上原料炭塊鉱石使用増 19 凝結材減ｼｬﾌﾄ効率向上焼結鉱熱風炉レス塊鉱石 PC 天然ガス O2 小型酸素高炉純酸素吹き込みヒートロス減 PCR増 CR減酸素高炉化製銑使用エネルギー(GJ/t) 乾留熱量減 18 17.2 -0.2(水素還元) -0.3（焼結鉱比減） -0.3(ﾋｰﾄﾛｽ減) -0.3(凝結材減) -0.2(発電効率増) +1.0 17 16 -0.7(ｺｰｸｽ比減) 16.2 -0.1(乾留熱量減) 15 製銑ﾌﾟﾛｾｽでの使用ｴﾈﾙｷﾞｰを17.2→16.2GJ/t(-5.8％)に削減可能２．研究開発体制、研究開発内容 14 ２．２．研究開発内容（７）反応シミュレーターと試験高炉の開発 10m3試験酸素高炉 100m3～実証酸素高炉製銑設備分野で世界トップ企業であるポールワースグループとIHIに試験高炉のエンジニアリングを依頼高温荷重軟化試験装置で実績のあるサーモテクノ社にエンジニアリングを依頼反応シミュレーター３．成果、実績、展望等 15 ３．１．成果原料高弾力性高炉の開発による鉄鋼の省エネ達成を目的に、省ｴﾈﾙｷﾞｰﾎﾟﾃﾝｼｬﾙの定量化を実施製銑ﾌﾟﾛｾｽでの使用ｴﾈﾙｷﾞｰを-5.8％削減可能との試算を得た実機化に必要な開発設備の予算規模を明確化反応ｼﾐｭﾚｰﾀｰ1.7億円、試験酸素高炉69億円３．成果、実績、展望等３．２．実績等学会発表等１件一般社団法人日本鉄鋼協会第170回秋季講演大会 16 ３．成果、実績、展望等 17 ３．３．今後の展望 H2供給 H2 PSA分離一般炭難利用スクラップ（高Cu, 高Sn）高Cal 高炉ガス (N2無し) ﾌｪﾛｺｰｸｽ炉電力供給場内ガス成型ｺｰｸｽ炉場内電力ﾀﾞｽﾄ・ﾐﾙｽｹｰﾙ転炉連鋳圧延製品供給ｺｰﾙﾄﾞﾎﾞﾝﾄﾞ微粉鉱石鉄源吹込み未利用炭蒸気安価酸素ﾌﾟﾗﾝﾄ（ PSA ）酸素高炉（通常高炉の高O2富化）ｼｪｰﾙｶﾞｽ省エネルギーのみならず、資源対応（未利用資源使用・リサイクル）、水素エネルギー供給の可能性 →鉄鋼業の関わる他のCO2削減、省エネルギーの公的研究開発との協力による実機化、及び相乗効果の最大化をめざす。３．成果、実績、展望等 18 ３．４．原油換算省エネ効果 2018年時点ケース 2030年時点大型高炉１基の20%の国内高炉の生産生産量である84万トン量7500万トン/年の /年相当に部分的適用 1/3まで普及指標Ａ（効果量） 0.026kL/t 0.026kL/t 指標Ｂ（導入量）鉄84万t/年鉄2500万t/年省エネルギー効果量（kＬ/年） 2.20万 65.4万