ガス式シャフト炉直接還元プロセスにおける金属Fe収率とCO2排出の熱力学的計算

廃ガスを有用な金属に変える

鉄鋼は現代社会を支える基盤だが、その製造は大量の二酸化炭素を排出する。世界の鋼の半分超を生産する中国では、排出削減が気候目標達成のために不可欠だ。本研究は、製鋼用に石炭をコークス化する際に発生する未利用副産物であるコークス炉ガスを、燃料かつ化学的還元剤として利用し、シャフト炉と呼ばれるタイプの反応器でより効率的に鉄を生産しつつ炭素汚染を低減できるかを検討する。

なぜ製鉄の煙突が重要か

鉄鋼の生産は通常、高炉と呼ばれる大型設備で石炭を使用し、高い炭素排出を伴う。同時に、コークス工場では水素やメタンを多く含む大量のガスが発生するが、多くは燃焼されるか浪費されている。単位エネルギーあたりの気候影響は天然ガスに近いため、この副産物を賢く活用すれば、採掘や輸入に頼る化石燃料の代替に寄与しうる。著者らが問いかけるのは、コークス炉ガスがガスベースのシャフト炉で鉄鉱石を固形の鉄に変える運転にどこまで使えるか、そしてそれが二酸化炭素排出にどのような意味を持つか、という点だ。

仮想の鉄工場を構築する

高価なパイロットプラントを稼働させる代わりに、研究者たちは詳細な熱力学モデル、すなわちエネルギーと物質保存の法則に基づく仮想工場を作成した。モデルはコークス炉ガスがまず別の加熱炉で加熱・改質されて水素を豊富に含む混合ガスとなり、次にシャフト炉に送り込まれて鉱石ペレットから酸素を奪う過程を追跡する。モデルは生成される金属鉄の量、化学反応や加熱に消費されるガス量、排気とともに出る二酸化炭素量を記録する。鉱石の鉄含有率、金属化の割合、金属鉄が形成される温度といった主要入力を変化させることで、各選択が収率と排出にどのように影響するかを明らかにした。

細かい調整より鉱石の品位が効く

明確な結果の一つは、鉱石の鉄品位が最大の操作レバーだということだ。鉄含有率が比較的低い45％の鉱石から高品位の70％に上がると、一定量のコークス炉ガスあたりで生成される金属鉄の質量は60％以上増加する。同時に、金属1トン当たりの二酸化炭素排出は約1.2トンから約0.74トンへと大きく低下する。これは、高品位鉱石には鉄にならない加熱だけが必要な不純物が少ないためである。不要な石質が少なければ、純粋に加熱のためだけに燃やされるガスが減り、より多くのガスを酸化鉄を金属に還元することに振り向けられる。

炉内条件の微調整

研究チームはシャフト炉内部の2つの操作ノブ、すなわち鉱石がどれだけ完全に金属になっているか（メタリゼーション率）と、還元の最終段階が起きる温度を検討した。メタリゼーション率を高めると、固形生成物1トン当たりの鉄収率と二酸化炭素は共に増える傾向があるが、同じ量のガスから得られる有用な鉄量が増えるため、純粋な金属1トン当たりの排出は低下する。一方、金属鉄形成温度をわずかに上げると金属収率は減り排出は増える。高温運転は加熱のために追加のガスを必要とするためである。全体として、これらの要因は影響を持つが、高品位鉱石を使うことほど大きな差は生まない。

廃熱ガスのリサイクルで無駄を削減

モデルは、化学反応だけでなく熱収支がシステムのガス必要量を大きく支配していることを示す。シャフト炉上部から出る高温の排気を加熱炉で燃焼させると、その浄化後のガスのうち約5分の1だけで加熱需要を賄える。残る5分の4は理論的には二酸化炭素を除去して新しい還元ガスとして系に戻すことができる。年間120万トンのコークスからガスを生産するコークス炉を例に取ると、利用可能なガスはシャフト炉で年間約490万トンの金属鉄生産を支え得る一方で、年間の二酸化炭素排出量は生成されるガス量によって決まり、結果として単位鉄当たりの排出は低下する可能性がある。

よりクリーンな鉄鋼のために意味すること

気候に配慮した産業に関心のある読者への要点は、既存の副産物ガスを慎重に活用し、鉱石の品質を向上させることで、製鉄のカーボンフットプリントに顕著な改善をもたらせるということだ。本研究はゼロ排出を約束するものではないが、コークス炉ガスを基盤とするシャフト炉が熱力学的に達成し得る限界を描き出している。高品位鉱石を優先し、高温排気ガスの大部分をリサイクルし、不必要な過加熱を避けることで、同じ燃料からより多くの金属を得つつ大気中への二酸化炭素放出を減らすことが可能だ。

引用: Jiang, X., Deng, X., Fan, X. et al. Thermodynamic calculation of metallic Fe yield and CO₂ emissions in gas-based shaft furnace direct reduction process. Sci Rep 16, 15263 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45162-4

キーワード: コークス炉ガス, シャフト炉, 直接還元鉄, 製鉄の脱炭素化, 熱力学モデリング