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炼铁工艺的现状和今后发展方向
对于炼铁与环境相关的内容，首先回顾一下以炼铁为中心的高炉技术开发的变迁。图1总结了高炉技术的进步。虽然历史可以追溯到20世纪30年代，但从技术的发展来看，高炉的研究似乎是循序渐进的。炼铁技术在短期内是无法被替代的。虽然看起来循序渐进，但在宏观上实现了进化。虽然在平面图上只是简单地了解工艺，但在生产效率、还原材比等指标上取得了飞跃性的进步。对于资源、能源等周边的形势变化，炼铁研究都能敏感地做出反应，有时甚至会抢先一步进行改进。几乎所有的技术都源自海外，日本积极引进这些技术，将其共享，促进了日本钢铁行业的整体发展。近来，地球环境问题是非常热的课题，不过，钢铁行业从1970年代就开始了相关的减少还原材、削减CO2 排放的开发。图1还显示了高炉以外的炼铁工艺。与现在氢气炼铁相关的利用天然气的直接还原铁工艺产生于20世纪60年代。
目前的高炉、直接还原铁、废钢熔化工艺，如图2所示。众所周知，高炉法占世界粗钢产量的约7成，在东亚的新锐钢铁厂也采用高炉法，高炉法在应对铁矿石原料、大量生产、制造所有铁制品等方面具有得天独厚的优势。现行的直接还原铁工艺主要以天然气为基础，但受地域资源限制。废钢是重要的铁源，但受供给量制约。而高炉法在资源弹性、生产效率等方面具有优势，成为钢铁发展的原动力。但是，摆脱作为其优势来源的碳是现在最大的课题。
图3从铁源、还原材、CO2 产生量的角度，示意性地显示了高炉-转炉法、天然气基直接还原铁法、废钢熔化的现状和今后的发展方向。CO2 产生量以高炉-转炉法为基准，天然气基的直接还原铁法的CO2 产生量约为70%，而在废钢熔化的电炉（EAF）中大概为30%。可以说，高炉法巧妙地使用了碳元素，但对碳元素的依赖也受到质疑。也有海外企业公布了到2050年高炉不复存在的规划图。烧结机、焦炉也不需要了。图2的构图即将发生改变。而且，现在提倡使用绿色能源氢气的炼铁工艺。还有与高炉相比CO2 产生量在20%以下的估算案例。但是，如果没有来自可再生能源的绿色氢气的大量供给，脱碳的氢气炼铁是不成立的。
氢是二次能源，根据制氢方法的不同，CO2 的削减效果也会发生变化。氢炼铁是未来工艺，但氢气供给量和钢铁生产的匹配性也受到质疑。虽然应该做好过渡到氢炼铁的准备，但氢的供给要实现高效、快速、稳定的供应还需要时间。绿色氢能供给也是日本的国家能源战略课题。首先需要进一步挖掘制约较少的技术。所以提出了从工艺上改善高炉的炉顶煤气循环、强化氢还原等方案。对CCS（Carbon dioxide Capture and Storage）依赖性很强的欧洲ULCOS（ULtra Low CO2 Steelmaking）项目已经中止，但有日本研究者提出了小型化（Down-sizing）的氧气高炉。有发展成为碳循环的CO2 甲烷化高炉等的可能性。但是，日本必须考虑到资源的应对能力。关于资源的应对将在后面叙述，但必须以从现状到将来的顺利过渡为前提，描绘由新方案结合而成的连续“脚本”。
现在，虽然多使用“多路（Multi-track）推进”的说法，但这并不意味着同时采用多种方法作为开发的安全策略，也不是作为可选的意思。应该认为是基于TRL（Technology Readiness Levels）等技术成熟度，考虑顺利阶段性的技术开发。虽然有时也会呼吁需要非连续性的技术思考、打破均衡的破坏性创新，但在没有学术理论的地方不会有创新。也应该着眼于活用至今为止的财产。
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顺利迈向未来
前面讲过，炼铁技术具有经验主义、循序渐进的特点。但是，换句话说，技术积累很丰富，并在至今为止的发展中孕育出新技术。在钢铁领域，人们往往会质疑CO2 对策的延迟，但是有个别项目已经开始了。只是每个技术都有各自的特性，需要有一个作为向未来顺利过渡的行动的总括性路线图。
图4显示了大幅削减CO2 的炼铁工艺构想。也加入了各企业、组织各自发表的项目。SCU（Smart Carbon Usage）是智能碳使用的意思，也包含利用CO2 的CCU。氢气炼铁由于氢的质量受到质疑，所以用直接避免碳排放的CDA（Carbon Direct Avoidance）来表示。遗憾的是，图4的项目大部分来自欧洲。在欧洲，还有与今后的资金引入直接相关的EU分类体系的引入，要把CO2 对策的项目作为企业经营计划公布，外部的消息也很活跃，但缺乏日本的存在。
图4列举出了以碳的更有效利用为目标的SCU，有效利用化学的潜力，把CO2 再资源化的CCU。不过，在CCU里为分离作为稳定物质的CO2 ，氢气是不可缺少的。SCU也有一部分需要氢气。虽然绝对量比氢气炼铁要少，CO2 削减效果较低，但处于现实位置。将氢气、COG吹入高炉在欧洲钢铁企业的2000m3高炉中得到验证。其核心技术是向高炉吹入还原气体等，在炼铁历史中有源头，接近实施领域。氢气炼铁也如图3所示，是直接还原铁法中还原气体种类向氢气的滑动，工艺的原点已经存在。真正的氢气炼铁的主要课题是确保氢气的供给，如果将其自身作为未来技术强调的话，就会失去现有的积累，开发也会变得没有效率。现行的直接还原铁工艺也是在氢气浓度为70%-80%的情况下操作，另外，在还原铁设备设计企业的试验工厂已经验证氢气浓度达到90%。针对粘附（即粒子间粘附）的对策，已经在现行的商用工艺中实施。直接还原铁设备的操作方式和高炉完全不一样。从天然气或COG重整出发，确立工艺基础并掌握技术，逐步转变为氢气的项目构想被认为是明智的策略。在欧洲、中国已经发布了目标为100万吨/年CDA的直接还原铁工厂建设计划。它们采用了现有两种中的一种竖炉工艺，关键技术已经完成。加上已经发布的数字，到2030年左右，仅在欧洲，新的直接还原铁生产能力将达到1500万吨/年。虽然第一步是从天然气开始，但这是迈向氢气炼铁的实质性启动。已经到了商业投资的阶段。虽然这些计划中也有政府补助，但企业方面每个公司都具体提出了从高炉转换为CDA等CO2 削减效果和生产结构转变计划，这对资金的获得能起到积极的作用。此外，欧洲还在MENA（Middle East North Africa）中描绘了确保气源、可再生能源的设立基地的构想。
CCU的开展以蒂森克虏伯提出的Carbon2Chem为代表，不是硬性的CO2 削减工艺，而是活用了产业间合作的“Integrated CO2 Capture”。产品首先是甲醇等化学原料。如果再通过FT合成（Fischer-Tropsch）或MtO（Methanol to Olefine）连接到高附加值产品，则发展前景广阔。如果是之前的甲烷合成，则在钢铁工艺中，作为碳循环的还原材可以在钢铁厂内自行完成。与钢铁领域熟悉的改质反应相反的高压合成反应，甲烷合成、FT合成是20世纪前半叶的技术。虽然在钢铁方面经验不足，必须与化学领域合作，但绝不是未涉足的技术。
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今后的展望与课题
考虑到将来的顺利发展，SCU、CCU、CDA要并行存在，根据开发的进度，权重也会改变。图5是整体构图，是用氢来连接并且利用CO2 作为资源有效利用的协作性结构。瑞典的SSAB、奥地利的奥钢联宣布将在2045-2050年把高炉转换为氢气炼铁。但是两国的水利发电已占50%。根据能源、资源情况的不同，其最优构成比也不同。从整体构图可以看出，用化学合成、电解制氢等拥有固有技术的部门的合作是不可缺少的。另外，不能从初始开始，还应该考虑通过活用积累的现有技术、跨国合作等加速开发。
关于该构图中的CDA，人们往往只关注竖炉的氢还原工序，但今后的资源应对也是必须关注的。现在，提倡的氢气炼铁是直接还原铁（DRI）-电炉（EAF）的组合，前提是使用高品位球团。目前，每年还原铁产量达1亿吨，可海上运输的生产还原铁用的高品位粒状原料的供应量已接近极限。对于今后的氢气炼铁，应该考虑使用普通品位的粒状原料，但在工艺上不能用DRI-EAF的延长来应对。从EAF的特性看，使用普通品位球团，渣比会增加，生成渣接近炼钢渣，无使用之地。精炼作用也很差，铁成品率降低，废钢稀释会产生杂质。考虑到资源扩张和高级产品制造功能，有必要考虑新的工艺路线。与这一课题相呼应，欧洲系的企业提出了经由铁水的工艺，值得考虑。图6示出了其比较。A）是现有的高炉-转炉法，B）是DRI-EAF工艺。像C）的工艺一样，将还原铁经由熔化器暂且作为近似的铁水，与现有的转炉相连，进行精炼。作为熔化器，可以举出主要用于合金铁制造的SAF（Submerged Arc Furnace）。SAF炉使用自焙电极（Soderbergs self-baking electrode），在产生热的同时降低炉内的氧势，还可以一定量地进行还原渗碳。虽然适当的加煤控制、提高生产速度还有待研究，但可与现有的一贯式钢铁厂的炼钢工艺直接相连，实现与现状同样的高度精炼。
熔化炉是一种固定炉，具有和高炉下部类似的功能，可以出与高炉相近的流动性好的铁水，炉渣制成铁渣。此炉渣和高炉渣同等用途广泛。相当于将高炉的上部作为还原铁竖炉，把高炉下部分割成使用清洁电力的渗碳、熔解工艺，也可以成为脱碳的新一代炼铁的原型（图7）。
总的来说，氢气炼铁要考虑资源的应对能力、还原和精炼以及对现有的炼铁厂如何进行修改、再定义等多方面的工艺评价是很重要的。特别是，在容易受到资源和能源制约且以高级钢为导向的日本，为了维持和发展现有的地位，不仅要得到包括选址条件在内的绿色氢气，而且还必须将关系到资源弹性、最终产品性状的精炼纳入视野，作为一贯流程来设计整体体系。另外，SCU、CCU、CDA现在都停留在各个开发阶段。钢铁则由生产者实施，作为工业过程在全球展开，首次实现CO2 减排。制定从开发到商业化的顺利过渡计划也极为重要（图8）。
虽然引进可再生能源被呼吁为世界标准，但是日本没有资源，从地理条件来看也很困难。全球变暖的对策和节约能源不同，对生产者来说不能直接产生利益，容易被解释为负担。但是，从现在开始，全球变暖对策技术的引入者应该被评价为能够提供受社会信赖的高价值产品的生产者，并引起社会共鸣，这样的行动才能获得收益。如果拘泥于残存者利益，就会被产业变革淘汰。变革需要巨大投资，但只要有学术理论依据、获得理解的构想，技术就可以孕育出新技术，吸引支持和投资。应对全球变暖的技术开发不是风险。在追求世界共同课题的过程中，如果强调竞争，就会导致孤立。仅靠图5构图无法达到零排放。工艺是人类共同的财富。从全球视野看，期待进一步加强合作和创造出更多构想。
