33産業機械 2011.2

特集 製鉄機械

１．はじめに

　製鋼用アーク炉（電炉）から発生するダストには、高

濃度の亜鉛、鉛、鉄分と有害な有機化合物が含まれる。

このダストの投棄は環境面から許されず、有価金属回収

の点からも望ましくない。多くの処理プロセスが稼動し

ているが、ダスト中の高濃度の塩素と亜鉛のために、金

属回収と無害化処理は不完全なレベルである。当社は台

湾の嘉徳技術開発股份公司（以下、KATEC）と協力して

この問題に取り組み、電炉ダストからの金属回収と無害

化が高レベルに可能なプロセス（Electric Smelting

Reduction Furnace 以下、ESRF）を実機化した。台

湾の桃園県に設置された５ton/hプラントは2010（平

成22）年９月から順調に稼動している。このプラントで

は高濃度粗酸化亜鉛の回収、鉄分の回収、排ガス中のダ

イオキシン濃度とスラグ中の重金属溶出値の規制値以下

への低減という所期の目的が達成された。本プロセスは

電気エネルギーを使用する電炉方式であり、類似プロセ

スはこれまでにも稼動しているが、ESRFは高濃度の塩

素と亜鉛分に起因する排ガス処理系のトラブル回避のた

めに特に工夫を凝らしている。

２．電炉から発生するダスト

　電炉発生ダスト量は製鋼量の２％程度であり、日本の

年間発生量は約50万トンである。ダストには有害有機

物と金属酸化物及び塩化物が含まれ、平均的な成分は、

表１に示すように亜鉛20％、鉄30％、塩素５％等であ

る。ダイオキシン濃度は0.5～5.0ng－TEQ/g－dustと

報告されている。

　表２は高温処理時に発生する塩化物の融点と沸点であ

る。塩素分はほぼNaClとKClとして固定され、凝縮・

固化温度の低いZnCl₂の生成量はわずかである。塩化物

は発生ガス冷却段階で凝固して閉塞を起こし、この現象

が多くの電炉ダスト処理プラントで発生しているトラブ

ルの原因の一つである。

　日本で発生するダストの60％はロータリーキルンで

亜鉛回収されているが、残りの40％は化学的に無害化

処理して埋め立てられている。しかし、このロータリー

キルンでも鉄分の回収は実施されていない。電炉工場が

支払うダスト処理費はダスト１トン当たり18,000～

25,000円であり、日本全体で年間100億円に達する。

表１　電炉ダストの成分例（重量％）

T－Zn T－Fe C Cl Pb Na K Mn

22.3 30.9 3.9 5.1 1.9 1.5 1.4 3.0

表２　金属塩化物の融点と沸点（℃）

融点（℃） 大気圧における凝縮温度（℃）

ZnCl₂ 318 732

NaCl 801 1465

KCl 772 1407

溶融還元による電炉ダスト処理プロセス

スチールプランテック株式会社技術開発センター　技術開発推進室

主席技師　中山　道夫

34 INDUSTRIAL MACHINERY 2011.2

亜鉛はメッキ材料や合金素材として重要で、日本の年間

亜鉛消費量は約60万トンである。鉄鋼ダストからのリ

サイクルは消費量の10％程度であるが、ダストからの

亜鉛回収を高効率で行うことにより、20％まで上げる

ことができる。世界の亜鉛資源を長持ちさせるにはリサ

イクルを増やすことが重要である。

３．既存電炉ダスト処理プロセス

　既存の実用プロセスには⑴ロータリーキルン（Waelz

Kiln）、⑵回転炉床炉（RHF：Rotary Hearth Furnace）、

⑶多段炉床炉等がある。以下に先行プロセスについて説

明する。

⑴　ロータリーキルン

　最も普及しているプロセスであり、日本で４基が稼

動中である。このプロセスはダストと還元剤を混合し

てキルンに供給し、キルン内空間の燃料燃焼熱で原料

の加熱還元を行う。発生する亜鉛蒸気は、空間で酸化

されて固体のZnOとなって燃焼排ガスと共に排出さ

れ、集塵機で捕集される。このプロセスの特徴は以下

の通りである。

　①　エネルギーコストが安く設備規模が大きい。

　酸化物還元の熱源に燃料燃焼熱を使用して電熱を

使用しないため、エネルギーコストが安い。また、

小型キルンは操業が困難なため年間処理量５万トン

クラスの大型設備となり、複数電炉工場のダストを

集めて処理することになる。

　② 　粗酸化亜鉛中のZnO濃度が低く、排ガス中のダ

イオキシン濃度が高い。

　多量の燃焼排ガスにより原料ダストが飛散して回

収ZnOに混入するため、回収物中のZnO濃度が低

くなる。またこの際、ダスト中のダイオキシンは熱

分解されないために排ガス中のダイオキシン濃度が

高く、排ガス浄化設備が必要になる。

　③　キルン排出物中の残留金属濃度が高い。

　キルン内融着防止のために比較的低温で操業さ

れ、亜鉛の分離回収は不十分で、キルン排出物（ク

リンカ）中の鉄分は十分に還元されずにFeOとして

排出される。クリンカ中には高濃度の鉛が残り、埋

立や屋外貯蔵は許可されない。最近ではクリンカは

電炉工場に戻されているが、電炉では鉄源として使

用しにくいため、クリンカ問題が本プロセスの最大

の課題となっている。

⑵　回転炉床炉及び多段炉床炉（PRIMUS）

　ダストに炭材を内装造粒し、可動炉床上で上面から

燃焼熱で加熱を行う。ダスト中の亜鉛分は蒸気となっ

て炉内空間で酸化され、酸化亜鉛として集塵機で回収

される。鉄分は固体還元されて還元鉄として排出され、

溶解製錬される。本プロセスは高炉転炉ダストからの

鉄分回収に普及して国内外に10基以上の実績がある

が、電炉ダスト処理用には普及が遅れている。

　電炉ダストで予想される問題点は、排ガス冷却過程

で塩化物が凝固温度に達して付着が促進されること

や、金属亜鉛が固体層下部で凝縮固化すること等が懸

念されるが、詳しくは報告されていない。炉内温度は

還元鉄と塩化物の軟化付着を防止するためにあまり高

温にできず、還元率を高くできない。このため後段の

溶解炉では還元機能が必要である。

４．電炉ダスト処理のプロセス・ESRF法

　ESRFは既存プロセスの難点を考慮して開発された新

プロセスである。図１にプロセスの概念を示す。ダスト

は造粒して炭材と共に溶解炉内に投入し、炉内で電気エ

ネルギーにより溶解と還元が進行する。このプロセスの

特徴は以下の通りである。

① 　熱源は電気エネルギーであり燃料は使用しない。発

生ガス量が少なく原料の飛散が少ないため、粗酸化亜

鉛中のZnO濃度は70％に達し、高価格で販売可能で

ある。

② 　高温排ガスのエネルギーは積極的には利用しない

（熱エネルギーの一部は炉内で原料予熱に使用）。

③ 　鉄分も完全に還元して溶銑で回収するため、電炉鉄

源としての利益が大きい。

④ 　1250℃を超える高温炉内でダスト中のダイオキシ

ンは完全に熱分解される。

⑤ 　スラグ中の有害金属分は微小でPb等の重金属の溶

出データは非常に低い。

⑥ 　設備サイズがコンパクトなため電炉工場内に設置で

きる。

　溶融還元炉はこれまでにも類似プロセスの実績があ

り、ステンレスダストからの金属回収等に応用されてい

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る。プラントの設計に当たって特に注意を払ったのは、

他のプロセスで塩化物によるトラブル事例が報告されて

いる排ガス処理系の部分である。図２に排ガス処理系の

概要を示す（特許出願中）。

　COとZn蒸気は炉内と２次燃焼室内で燃焼酸化され

る。２次燃焼室の構造は単純な竪型であり、付着物の成

長を防止し清掃が容易な構造とした。燃焼室は、廃棄物

焼却炉の排ガス系設計指針である「ガス温度850℃で２

秒以上滞留」を満たすように設計されている。炉から飛

散する原料ダストは２次燃焼室で沈降して再度炉に供給

される。２次燃焼後の粗酸化亜鉛と金属塩化物は気相析

出のため微粒であり、燃焼室では沈降しない。この微粒

子を含む高温ガスは多管式ガス冷却塔で急速冷却され、

バグフィルタに送られる。塩化物の凝固温度は排ガスの

管内通過温度域に設計され、垂直壁と下降ガス流の働き

により付着塩化物の剥離は容易である。このため、安定

図２　ESRF排ガス処理系の概要

バグフィルタ

ガス冷却塔２次燃焼室

原料リサイクル

ZnO回収

Slag

２次空気

原料シュート

1次空気

MetalESRF

図１　ESRFプロセスの概念

Pelletized EAF dust（ZnO＋FeOx＋C）

High temperaturereduction atmosphere

ZnO

ZnZn

Fe Fe

HOT METAL

Electric EnergyZnO＋Exhaust gas

Air（O₂）

Zn（g）＋O₂/2→ZnO（S）CO（g）＋O₂/2→CO₂（g）

ZnO（S）＋CO（g）→Zn（g）＋CO₂（g）ZnO（S）＋C（S）→Zn（g）＋Co（g）Fe₂O₃（S）＋3CO（g）→2Fe（l）＋3CO₂（g）Fe₂O₃（S）＋3C（S）→2Fe（l）＋3CO（g）

特集：製鉄機械

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操業と高濃度ZnOの回収が可能となった。

５．�ESRFプロセス開発の経緯と�初号機の建設

⑴　ESRF プロセスの開発

　ESRFプラントの初号機は、台湾の桃園県に建設さ

れて2010（平成22）年９月から商業運転中である。

この建設の経緯は以下の通りである。

① 　プロセスの概念は旧・NKK（現・JFEスチール㈱）

の研究所で、製鋼用アーク炉、合金鉄用サブマージ

アーク炉、ゴミ焼却灰抵抗溶融炉等の経験をベース

に確立され、1990年代にパイロットテストが同社

で実施された。

② 　KATECはESRFプロセスによる電炉ダスト処理

を決定して当社との間に技術協力協定を2006（平

成18）年に締結した。当社はプロセスノウハウの提

供と設備の基本設計を担当し、KATECはこの情報

に基づきプラントを建設した。

③ 　ESRF新工場を建設・操業するために新会社、嘉

徳創資源㈱（KATEC Creative Resources Corp.

以下、KCR社）が設立された。

④ 　2008（平成20）年４月に建設が開始され、2009

（平成21）年12月に試験操業を開始し、2010（平

成22）年９月から商業運転が開始された。

⑤ 　プラントの計画能力は電炉ダスト処理能力５

ton/h（36,000ton/y）で、電炉ダスト以外に医療

廃棄物や廃乾電池等の処理が可能である。

⑵　初号機の外観

　写真１に溶融還元炉本体の外観を示す。

　炉体は傾動せず炉体側面に開口して出銑と出滓を行

うため、開口機とマッドガンを備えている。

　写真２に原料ダストをブリケット化したものと、粗

酸化亜鉛及び回収銑鉄を示す。電炉工場に設置する場

合は銑鉄を溶銑のままで電炉に装入することになり、

鋳銑機は不要で電炉の省エネルギーに寄与できる。

⑶　生成物の化学成分

　表３にESRFプラント生成物の成分の一例を示す。

データは原料ダストの成分と操業条件により変動する

写真１　ESRF炉本体

写真２　原料と回収物

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が、粗酸化亜鉛中のZnOは他プロセスに比べて高濃

度である。

　スラグの重金属溶出量測定は、台湾標準とJISの両

方で行った。表４にその結果を示す。結果は非常に良

好で、両方とも規制値よりもかなり低い。また、排ガ

ス中のダイオキシン濃度は0.1ng－TEQ/m³N以下と

いう低レベルであった。

⑷　有価物の回収率と原単位

　表５に経済性評価のために回収物回収率と原単位の

一例を示す。高濃度の粗酸化亜鉛は有価物で、台湾で

は亜鉛LME価格の25％で亜鉛精錬企業に販売されて

いる。

⑸　台湾のESRFプラントの特徴

　台湾のESRFプラントは、グリーンフィールドに建

設し複数の電炉企業ダストを処理する計画のため、以

下のような不利な点が生じた。

① 　土地、建屋、ユーティリティ等が新たに必要とな

った。

②　保全や管理の要員が独立に必要となった。

③ 　建設用地が「環境科学ハイテク工業団地」である

ため、建設許可と操業許可の入手が煩雑で時間を要

した。

　当社は、集中処理ではなく設備を各電炉工場内に設

置して、その工場の発生ダストを処理する方法を推奨

している。本設備を既存の電炉工場内に設置する場合、

次のような利点がある。

①　 既存の土地、建屋、ユーティリティ等が使用できる。

②　保全や管理要員の追加が不要である。

③　建設と操業の認可が簡単である。

④ 　溶銑を電炉に戻すことによる省エネルギー効果が

大きい。

６．おわりに

　台湾のKCR社で１号機が稼動開始した溶融還元方式

電炉ダスト処理プロセス（ESRFプロセス）は、従来プロ

セスの難点であった環境問題と資源回収問題及びダスト

中の塩素分による設備トラブルを解決できる画期的な新

技術である。今後当社は、日本及び近隣諸国向けに本設

備の普及を図っていく所存である。

表３　ESRFプラントの生成物化学成分例

表４　ESRFプラントスラグの重金属溶出値

表５　ESRFプラントの生成物回収率と操業原単位の例

粗酸化亜鉛 銑鉄 スラグ

ZnO 63.30％ （50.2～73.7％） C 3.29％ CaO 28.61％

Pb 4.21％ （0.35～7.22％） Si 0.47％ MgO 9.16％

Cd 0.06％ （0.01～0.18％） Mn 1.02％ SiO₂ 20.86％

Fe 3.49％ P 0.36％ Al₂O₃ 9.02％

Cu 0.13％ S 0.27％ FeO 2.86％

Si 1.12％ Cu 0.47％ Zn 0.48％

Ca 5.18％ Ni 0.05％ Pb 0.04％

Cl 6.51％ Cr 1.26％ Cu 0.03％

Na 2.46％ Cr 0.54％

K 2.35％

KCR社スラグの台湾分析による溶出量 （USA EPA 準拠） 台湾の埋立規制値

mg/L procedure mg/L

Cd 0.008 USA EPA 1.00

Pb 0.29 USA EPA 5.00

Cr（+6） N.D. USA EPA 2.50

Cr 0.014 USA EPA 5.00

Hg N.D. USA EPA 0.20

As 0.0012 USA EPA 5.00

KCR社スラグのJIS分析による溶出量 日本の埋立規制値

mg/L procedure mg/L

Cd < 0.005 JIS K 0102 0.01

Pb < 0.005 JIS K 0103 0.01

Cr（+6） < 0.02 JIS K 0104 0.05

Hg < 0.0005 other standard 0.0005

As < 0.005 JIS K 0106 0.01

Se < 0.005 JIS K 0107 0.01

項目 データ 備考

電炉ダスト処理費 18,000～25,000¥/ton-dust 外部処理委託費

粗酸化亜鉛回収率 0.35～0.42ton/ton-dust 販売価格例は亜鉛LME価格 （2,400US$/ton）の25％

銑鉄回収率 0.20～0.25ton/ton-dust

電力原単位 1,600kWh/ton-dust 補機電力込み

還元剤原単位 0.15～0.17ton/ton-dust コークス

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