HYL I & HYL III：主要な水素ベースの製鋼プロセスと技術
共有
Table Of Content
Table Of Content
定義と基本概念
HYL IおよびHYL IIIは、スチール製造においてスポンジ鉄（直接還元鉄、DRIとも呼ばれる）を生産するために使用される高度な直接還元プロセスです。これらのプロセスは、主に水素と一酸化炭素で構成される還元ガスを使用して、鉄鉱石ペレットまたは塊鉱石を高温のシャフト炉で還元することを含みます。これらのプロセスの主な目的は、電気アーク炉（EAF）や統合鋼製造ルートで直接使用できる高品質の金属鉄を生産することであり、これにより高炉の運用への依存を減らします。
全体の鋼製造チェーンの中で、HYL IおよびHYL IIIは、原料の鉄鉱石を溶融および精製に適した形態に変換する重要な一次還元ステップとして機能します。これらは通常、電気アーク炉（EAF）または基本酸素炉（BOF）鋼製造の上流に位置し、従来の高炉ルートに対する柔軟でエネルギー効率の高い代替手段を提供します。彼らの役割は、より持続可能でエネルギー効率の高い鋼生産を可能にし、排出量を低減する上で重要です。
技術設計と運用
コア技術
HYLプロセスの背後にあるコアエンジニアリング原則は、高温（通常800°Cから1050°Cの間）での還元ガス混合物を使用した鉄鉱石の直接還元です。このプロセスは、制御された環境で金属鉄への鉄酸化物の還元の熱力学的好適性に依存し、炭素消費と排出を最小限に抑えます。
主要な技術コンポーネントには、還元が行われるシャフト炉と、ガス生成およびリサイクルシステムが含まれます。シャフト炉は、高温および腐食性ガスに耐えるために耐火材料で内張りされた垂直の円筒形容器です。プロセスは、シャフトの上部に鉄鉱石ペレットまたは塊鉱石を導入し、ガス発生器から供給される還元ガス混合物と共に始まります。
還元ガスは、主に水素と一酸化炭素で構成されており、天然ガスや他の炭化水素の改質またはガス化によって現場で生成されます。このガスは予熱され、シャフト炉に注入され、鉱石の動きに対して逆流します。鉱石が下降するにつれて、還元ガスと反応し、徐々に酸素を失い、スポンジ鉄に変わります。還元された材料はシャフトの底から取り出され、冷却され、次の鋼製造ステップのために準備されます。
プロセスパラメータ
重要なプロセス変数には、温度、還元ガスの組成、圧力、滞留時間が含まれます。典型的な運転温度は850°Cから1050°Cの範囲で、焼結や溶融を伴わない効率的な還元のために最適化されています。
還元ガスの組成は一般的に70-85%の水素と一酸化炭素を含み、残りは窒素などの不活性ガスです。ガス流量は、通常20分から60分の滞留時間内で完全な還元を確保するために調整されます。
圧力条件は通常、大気圧またはわずかに加圧（最大2バール）であり、反応動力学とガス利用効率に影響を与えます。高い金属化率（> 90%）を達成し、エネルギー消費を最小限に抑えるためには、最適な温度とガス組成を維持することが重要です。
制御システムは、温度、ガス組成、圧力、材料の流れを監視するために高度なセンサーと自動化を使用します。リアルタイムデータ取得により動的な調整が可能になり、安定した運転と一貫した製品品質が確保されます。
設備構成
典型的なHYL設置は、直径3メートルから6メートル、高さ20メートルから50メートルの垂直シャフト炉を特徴とし、容量に応じて異なります。炉は、均一なガス分布を確保するために、その高さに沿って分布された一連のチュイールまたはガスインジェクターを備えています。
ガス生成ユニットは、通常、改質器またはガス化装置であり、シャフト炉の隣に位置し、還元ガスを継続的に供給します。補助システムには、鉱石用の予熱器、スポンジ鉄用の冷却システム、排出を制御するための集塵装置が含まれます。
設計のバリエーションは、初期のHYL I構成から、改善されたガスリサイクル、自動化、エネルギー回収機能を組み込んだより高度なHYL IIIシステムへと進化しています。現代のプラントは、排出基準を満たすためにスクラバーやフィルターなどの環境制御ユニットも統合しています。
プロセス化学と冶金
化学反応
主な化学反応は、鉄酸化物（Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO）を金属鉄（Fe）に還元することを含みます。主な反応は次のとおりです：
- Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O
- Fe₃O₄ + 4H₂ → 3Fe + 4H₂O
- FeO + H₂ → Fe + H₂O
同様に、一酸化炭素は鉄酸化物を還元します：
- Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
- Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂
- FeO + CO → Fe + CO₂
これらの反応は高温で熱力学的に好まれ、還元はガス-固体相互作用を介して進行します。プロセスは動力学的に制御され、反応速度は温度、ガス組成、鉱石粒子サイズに影響されます。
反応生成物には金属スポンジ鉄と水蒸気（H₂O）や二酸化炭素（CO₂）などの気体副産物が含まれます。これらのガスの管理は、プロセスの効率と環境遵守にとって重要です。
冶金的変化
還元中、鉄酸化物はヘマタイト（Fe₂O₃）またはマグネタイト（Fe₃O₄）からマグネタイト、次にウースタイト（FeO）、そして最終的に金属鉄へと相変化を遂げます。微細構造的には、このプロセスは高い表面積を持つ多孔質のスポンジ鉄の形成を伴い、さらなる還元を促進します。
微細構造は、密な酸化物粒子から多孔質の金属鉄へと進化し、最終製品の