现在主要的炼钢法——高炉―转炉法，每生产1吨钢就会排放约2吨CO₂，因此一直要求其减排CO₂。但是，高炉是一种能效非常高的设备，而且高炉煤气可作为钢铁厂内其他工序的能源被有效利用。高炉的碳源使用干馏煤生产的焦炭，焦炭不仅是能源，而且还对确保炉内透气性起着重要作用，因此是不可缺少的。另一方面，对部分减排技术进行了多次研究，目前COURSE50和铁焦等的开发仍在继续。

为了大幅度减排钢铁业的CO₂，必须使用化石燃料以外的能源，其中具有代表性的是绿色氢和生物质等可再生能源。关于氢，现在日本政府的绿色创新基金已经启动了氢还原炼铁项目，本文将着眼于利用生物质的可能性。

炼铁利用生物质的主要问题是低能量密度和难收集性，前者通过碳化来提高能量密度。但是，其瓶颈在于炭的收得率非常低，只有20%左右。使用炭的炼铁工艺研究有许多，例如有作为生产高炉主要原料烧结矿的热源的研究，但存在资源量的问题。为了研究更有效的利用方法，本文介绍几种关于未碳化生物质利用的基础研究案例。

使用蓄热体的回转窑还原铁矿石

本研究团队提出了图1所示的在热交换器内用蓄热体回收工厂未利用的废气显热，与木质生物质一起装入回转窑的生物质快速碳化工艺。在该工艺中，木质生物质通过蓄热体的传热快速被加热，进行碳化。碳化的部分通过与蓄热体碰撞被粉碎，新出现的未碳化部分再次被快速加热，碳化继续进行。与此同时装入铁矿石，有可能通过生物质热分解产生的气体和碳化的炭材来还原铁矿石。此外，蓄热球是用高炉生产的铁水铸造而成，如果在高温状态加以利用，那么即使在没有充分余热的钢铁厂也有可能适用。因此，本研究利用实验室规模的外热式窑炉进行了还原试验。将澳大利亚产铁矿石50g和10mm3的木制块装入在惰性气氛下升温到1000℃的窑炉内（加热长度155mm，10rpm），在规定时间内进行反应并冷却。图2是还原率及窑炉内残留碳量随时间的变化。还原开始30min，还原率为45%，随着时间的推移，还原率增加，残留碳量降低。通过木制块碳化时产生的气体与碳化的炭反应，使还原反应进行，从而减少了残留碳量。经过120min处理，还原率达到64%。这说明通过直接利用木质生物质可以实现金属铁的还原。另外，为了获得更高的还原率，还需进一步优化条件。但是，考虑到在日本国内生产，数十万吨规模的木质生物质用量已达到极限，难以达到替代高炉的规模。

内装炭材矿高速生产铁水的还原和渗碳行为

考虑到每年数万吨到数十万吨规模的木质生物质的利用量，可以作为小规模电炉炼钢的铁源利用。日本国内电炉的铁源是废钢，在严格控制混入元素（Cu和Sn）对钢铁材料质量的不良影响的同时，生产产品。如果可以将木质生物质作为还原剂用于生产直接还原铁，就可以生产高品质且CO₂排放量非常少的钢铁材料。另一方面，在电炉的精炼中还原铁的熔化是必须的，为此还原铁中的碳含量最好高，例如熔化的铁―碳合金铁水是最有效的。因此，本文研究了利用木质生物质高速生产铁水的可能性。

作为生物质的利用方法，是将粉末状的氧化铁（铁矿石等）与炭材混合成型的原料加以利用，本研究着眼于反应性高的内装炭材矿。将其还原行为与其他炭材进行了比较。图3是等速升温加热时，石墨、煤炭和木质生物质（木块）内装炭材矿还原率的变化。用固定碳换算，与碳和氧化铁来源氧的摩尔比为0.8的石墨和煤炭相比，使用碳添加量少的总碳量和氧化铁来源的氧的摩尔比为1.0的木块，在更低的温度下还原情况更好。即，木块是一种能够用少量碳在低温下进行还原的炭材。此外，在900℃还原率的增加停滞不前。这是因为添加的碳全部被用于还原。图4示出了碳添加量与加热到1300℃时的还原率的关系，同时示出了与还原的铁中碳含量的关系。随着总碳量的增加，到达1300℃时的还原率增加，如总碳量为2.0，还原率达到95%。另一方面，使用煤炭时，相同总碳量的到达还原率比木块的低。此外，总碳量低时，由于还原没有完成而将碳全部消耗掉，因此还原后的铁不会发生渗碳反应，碳含量低。随着总碳量的增加，未用于还原的残留碳会加剧渗碳，还原铁中的碳含量也在增加。但是，当总碳量增加到3.0时，未反应的碳大量残留，需要进一步进行优化研究。

作为钢铁业减排CO₂的手段，本文研究了直接利用木质生物质。从日本可收集的量考虑，难以替代传统高炉法。但可以部分置换和作为小规模电炉炼钢的替代铁源是可能的。