化石水素の鋼鉄生産における役割、プロセスおよび設備

定義と基本概念

化石水素とは、主に天然ガス（メタン）を用いて、蒸気メタン改質（SMR）などの熱プロセスを通じて生成される水素を指します。鉄鋼生産の文脈において、化石水素は、特に水素が還元剤として機能する直接還元鉄（DRI）などのプロセスにおいて、従来の炭素源に対する低炭素の代替手段としてますます考慮されています。

基本的に、化石水素の目的は、鉄鋼製造においてクリーンまたは低排出の還元剤として機能し、従来の高炉で使用されるコークスや石炭を置き換えることです。その役割は、炭素集約型プロセスに関連する温室効果ガスの排出を削減することによって、鉄鋼業界の脱炭素化に向けた移行において重要です。

全体の鉄鋼製造チェーンの中で、化石水素は主に直接還元プロセスに統合され、鉄鉱石と反応して直接還元鉄（DRI）を生成します。このDRIは、その後、電気アーク炉（EAF）で溶融されるか、さらに処理され、より環境に優しい鉄鋼生産への道の一部を形成します。

技術設計と運用

コア技術

化石水素の生産は、主に蒸気メタン改質（SMR）を通じて天然ガスの改質に依存しています。このプロセスは、メタン（CH₄）を高温の蒸気（H₂O）と触媒、通常はニッケルベースの触媒と反応させて水素（H₂）と一酸化炭素（CO）を生成します。主な化学反応は次の通りです：

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

その後、水-ガスシフト反応がCOを追加のH₂に変換します：

CO + H₂O → CO₂ + H₂

コアエンジニアリング原則は熱化学変換であり、高温（700–1000°C）と触媒を利用して水素の収率を最大化します。

主要な技術コンポーネントには、改質器反応器、熱交換器、シフトコンバータ、ガス精製ユニットが含まれます。改質器反応器は中心的なコンポーネントであり、メタンと蒸気が導入されて反応します。プロセスフローは、天然ガスと蒸気の予熱、改質器を通過し、ガス混合物をシフトさせて水素含量を増加させ、最後に圧力スイング吸着（PSA）または膜分離を介して水素を精製することを含みます。

主要な運用メカニズムは、高水素生産効率を確保するために、最適な温度、圧力、および触媒活性を維持することを含みます。物質フローには、改質器に入る天然ガスと蒸気が含まれ、水素豊富なガスが鉄鋼製造に使用されるために排出され、CO₂やその他の副産物が排出または捕集されます。

プロセスパラメータ

重要なプロセス変数には、改質器の温度（通常は800–950°C）、圧力（20–30バール）、および触媒活性が含まれます。水素生産率は原料の流量に依存し、典型的な天然ガス消費量は水素1kgあたり約3–4 m³です。

運転温度は反応動力学と触媒の寿命に影響を与え、圧力は変換効率に影響を与えます。水素の純度目標は一般的に99.9%以上であり、PSAユニットを通じて達成されます。

制御システムは、温度、圧力、ガス組成のリアルタイムセンサーを利用し、プロセスの安定性のために自動化システムに統合されています。触媒の性能と排出の監視は、効率とコンプライアンスを維持するために不可欠です。

設備構成

典型的な化石水素プラントは、系列または並列構成で配置された改質器反応器、関連する熱交換器、シフトコンバータ、および精製ユニットを特徴としています。改質器は、容量に応じて数メートルの長さと直径を持つチューブ型またはプレート型の反応器であることが多いです。

設計の進化は、熱統合と触媒の耐久性を向上させたコンパクトでモジュール式の改質器に向かっています。補助システムには、供給ガスの予熱器、水処理ユニット、およびCO₂捕集システムなどの排出制御装置が含まれます。

改質器の構成は、従来の蒸気改質器から部分酸化と改質を組み合わせた自熱改質器（ATR）に変わり、運用の柔軟性と効率の向上を提供します。

プロセス化学と冶金

化学反応

化石水素生産における主要な化学反応は次の通りです：

• 蒸気メタン改質：CH₄ + H₂O → CO + 3H₂（吸熱反応）
• 水-ガスシフト：CO + H₂O → CO₂ + H₂（発熱反応）

全体のプロセスは、メタンと水を水素と二酸化炭素に変換します。熱力学は最大変換のために高温を好みますが、触媒の活性と熱管理が効率にとって重要です。

副産物にはCO₂が含まれ、環境への影響を最小限に抑えるために管理する必要があります。硫黄化合物などの微量不純物は、触媒の中毒を防ぐために精製中に除去されます。

冶金的変化

化石水素自体は鉄鋼の微細構造を直接変化させることはありませんが、直接還元におけるその使用は冶金的変化を引き起こします。鉄鉱石（Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO）の金属鉄への還元は、水素を介して行われます：

Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O

このプロセスは、微細構造が多孔質でスポンジ状の鉄粒子で特徴付けられる直接還元鉄（DRI）を生成します。微細構造は、その後の溶融挙動と機械的特性に影響を与えます。

水素還元は約800–1050°Cの温度で行われ、酸化物から金属相への相変化を促進し、炭素汚染を最小限に抑え、よりクリーンな鉄鋼製品を生み出します。

材料相互作用

水素ベースの還元中、金属鉱石、スラグ、および耐火ライニング間の相互作用は最小限ですが重要です。プロセス環境は還元的であり、耐火材料の酸化を防ぎますが、腐食に強いライニングが必要です。

水素は耐火