VPSA酸素製造応用の推進：インドのスクラップ鉄鋼供給と利用の拡大

1. 背景
インドは石炭や石油などの化石燃料に大きく依存しているため、インド鉄鋼産業では主にコークス炭を高炉製鉄に、非コークス炭を直接還元と発電に使用している。石油は燃料（再加熱用）と社内輸送の両方に使用されている。インド鉄鋼産業からのCO2排出量は、同国の産業排出総量の約12%を占め、世界全体の約7%～9%を占めている。BF-BOF（高炉-転炉）プロセスがインドの粗鋼生産量の50%未満であるにもかかわらず、インドのCO2排出原単位は世界平均より30%以上高い。
カーボンニュートラルは、現在世界が直面する最も緊急の課題の一つである。インド政府もカーボンニュートラルを議題に掲げ、2070年までにネットゼロ排出を達成することを提案している。この目標を達成するため、インド鉄鋼産業は排出原単位削減のための対策を講じている。短期的な選択肢としては、現在使用しているプロセスにおけるエネルギー消費の削減とスクラップ鉄鋼の利用増加が含まれる。CCUS（二酸化炭素回収・有効利用・貯留）も選択肢の一つだが、設備投資を伴う。インド鉄鋼省は、主要鉄鋼メーカーが2050年までにスクラップ比率を50%に引き上げることを目標としている。
2. インド主要鉄鋼メーカーの生産状況
2.1 製鋼プロセス 現在のインド主要鉄鋼メーカーの能力と製鋼プロセスを以下の表1に示す。2023年度において、主要メーカーの粗鋼生産量は全体の60.7%を占め、その約70%が転炉（BOF）で、残りの30%が電気炉（EAF）で生産された。
表1 - インド主要鉄鋼メーカーの現在の能力と製鋼プロセス
2.2 鉄鉱石とスクラップ鉄鋼の使用
インドでは、主要鉄鋼メーカーのスクラップ鉄鋼利用率は10%未満にとどまり、2022年度の8.44%から2023年度の7.27%に減少した。全体として、輸入量は増加したものの、スクラップ鉄鋼の総鉄鋼投入量に占める割合は、主にスクラップ鉄鋼価格の上昇により、2022年度の22.76%から2023年度の21.16%に低下した。2023年度の国内スクラップ鉄鋼消費量は2164.9万トンで、2022年度の2783.7万トンから減少した。
スクラップ鉄鋼使用量の減少は、国内生産の減少、価格上昇、および輸入スクラップ鉄鋼の入手制限によるものである。インド鉄鋼省は、現在のスクラップ鉄鋼使用レベルは炭素排出削減に対する政府の期待に応えていないと指摘している。約60の国がスクラップ鉄鋼の輸出を禁止または禁止手続き中である。インド国内のスクラップ鉄鋼生産は増加する可能性があるが、排出量を大幅に削減する可能性は低い。スクラップ鉄鋼の入手不足のため、電気炉（EAF）製鉄所は溶銑の使用を余儀なくされており、その割合は全鉄鋼投入量の40%以上を占め、2022年度は42.2%、2023年度は43.2%を超えている。直接還元鉄（DRI）の使用量増加（石炭ベース）は排出削減に大きく貢献しない。スクラップ鉄鋼の割合が低いことは、インドの排出原単位が高い理由の一つである。スクラップ鉄鋼1トンあたり、CO2排出量を1.5トン削減し、鉄鉱石1.4トン、石炭740キログラム、石灰石120キログラムを節約できる。
3. 2030年および2050年の予想鉄鋼生産量とプロセス
3.1 鉄鋼生産量
2017年に発表されたインド国家鉄鋼政策によると、2031年度の粗鋼生産量は2億5500万トンに達すると予想されている。これには、2023年度から2031年度までの粗鋼生産量の年平均成長率（CAGR）が9.2%必要である。
Crisilの予測によると、インドは2024～2030年度にインフラ開発に約1430億ルピーを支出すると見込まれ、これは2017年からの過去7年度（2024～2030年度）に支出された6700億ルピーの2倍以上である。2016～2031年度の15年間の平均CAGRは7%と予測され、2008～2023年度の15年間の実際のCAGRは5.8%、2018～2023年度の5年間（影響を受けた2021年度を除く）のCAGRは7.2%であった。したがって、インド政府のインフラ開発重視を考慮すると、2031年度のCAGRは8%と推定される。8%のCAGRに基づくと、2031年度の粗鋼生産量は2億3370万トンに達すると予測される。複数の予測を考慮すると、インドの粗鋼生産量は2050年には約5億トンになると推定される。
3.2 鉄鋼プロセス
国家鉄鋼政策によると、2031年度までにインドの粗鋼生産の60%～65%がBF-BOFルートで、35%～40%がDRI-EAFプロセスで行われる。現在インドには71基の高炉があり、5基が建設中で、さらに22基の新高炉が発表されているという現状を考慮すると、2050年になってもインドには相当なBF-BOF生産能力が存在すると予想され、高炉が引き続き重要な役割を果たすことが示唆される。
4. 2030年および2050年のインドにおけるスクラップ鉄鋼の入手可能性予測
インドでのスクラップ鉄鋼発生量は、2022年度に約2800万トン、2023年度に約2200万トンと推定されている。発展途上国として、インドの鉄鋼生産の60%以上は約50年の寿命を持つインフラ・建設部門に投入されており、発生するスクラップ鉄鋼の量はそれほど多くない。
廃車はスクラップ鉄鋼の供給源の一つである。インド政府は2022年に車両スクラップ政策を実施し、20年を超える乗用車と15年を超える商用車は廃車されるべきと定めた。廃車からのスクラップ鉄鋼は、2023年度に460万トン、2025年度に530万トン、2030年までに730万トンになると推定されている。2050年までにこの数字は約1500万トンに上昇する可能性がある。
その他のスクラップ鉄鋼の供給源には、解体船、建設現場、工場、作業場、および製鉄所内で発生する内部スクラップ鉄鋼が含まれる。2030年までに、船舶解体により700～750万トンのスクラップ鉄鋼が発生する可能性があり、製鉄所内の内部スクラップ鉄鋼は粗鋼生産量の約8%を占める。2030年と2050年には、この供給源からそれぞれ約2000万トンと4000万トンのスクラップ鉄鋼が発生する可能性があると推定されている。
世界的には、2030年までに粗鋼生産量が19億5000万トンに達し、スクラップ鉄鋼消費量が8億2800万トン、スクラップ鉄鋼利用率が35%～36%になると推定されている。BFとEAFの比率は60:40になると予想され、現在の比率70:30から変化する。
5. 2030年度および2050年度の予想鉄鋼投入構造とプロセス
インドの2023年度の鉄鋼プロセスは、BF-BOFが46%、BF/DRI-EAFが22%、IF（DRIとスクラップ）が32%で構成されている。高炉、電気炉、誘導炉におけるスクラップ鉄鋼の使用率はそれぞれ約8%、27%、30%であり、溶銑の割合はそれぞれ92%、43%、0%、DRIの割合はそれぞれ0%、30%、70%である。電気炉で使用されるDRIの約85%はガスベース、残りの15%は石炭ベースであり、誘導炉は100%石炭ベースのDRIを使用する。溶銑には、溶融還元炉からの生産量も含まれる。
将来のプロセスを計画する際、2つの重要なポイントがある。第一に、CO2排出量削減のためにBF-BOFの高い割合を低減すること、第二に、より高級な鋼種を生産するために誘導炉の割合を低減することである。以下の表2に示すプロセスを採用することを推奨する。
表2 - 推奨される鉄鋼プロセス（%）
表3は、2030年度と2050年度における主要製鉄所およびその他メーカーの予想粗鋼生産量、投入原料必要量とその割合（溶銑：直接還元鉄：スクラップ鉄鋼）、および2023年度の実績データを示している。
表3 - インド鉄鋼メーカーの予想粗鋼生産量、投入原料必要量と割合（百万トン、%）
6. 結論
現在、インド鉄鋼産業のCO2排出原単位は世界平均より30%高く、スクラップと天然ガスの入手不足という二重の課題に直面している。その結果、溶銑と石炭ベースの直接還元鉄（DRI）の多用が高い排出原単位につながっている。さらに、ほとんどの国が国内のスクラップ利用率を高めるためにスクラップ輸出を制限または禁止しているため、スクラップの輸入も極めて困難である。
一部の高炉は最近稼働を開始したばかりであり、他の高炉はまだ建設中であるため、2050年までにすべての高炉を置き換えることは困難である。したがって、2050年までにスクラップ使用量を50%に増やすことは、インドの主要鉄鋼メーカーにとって実現可能ではない。
2050年までに、インドのスクラップ比率は25%（現在約20%）、主要鉄鋼メーカーは20%（現在約10%）に達する可能性があると予測されている。
従来のスクラップ鉄鋼生産は石炭と石炭ベースのDRIに大きく依存しており、高い炭素排出につながる。対照的に、EAF製鋼は電気を使用してスクラップ鉄鋼と鉄を加熱するため、石炭の需要が減り、炭素排出量が大幅に削減される。
短工程EAF製鋼において、 真空圧力スイング吸着（VPSA） 酸素ユニットの適用は、炉の制御と生産効率の向上に不可欠である。VPSA酸素プラントは、モレキュラーシーブを使用して空気から酸素を濃縮する。従来の極低温システムと比較して、VPSA酸素システムは建設費と運転費が低く、製鋼中の需要変動に応じて酸素流量を調整でき、炉内雰囲気と溶融物の化学反応を最適化するのに役立つ。 これにより炉の運転効率が向上し、 鋼製品の品質が向上し、エネルギー消費と排出量の大幅な削減に貢献し、全体的なカーボンフットプリントを低減する。
ガス分離において25年の専門知識を持つPKU Pioneerは、酸素容量、装置性能、エネルギー効率の面でVPSA酸素製造技術において国際的にリードしている。PKU Pioneerは、宝鋼などの世界的な大手鉄鋼企業を含む世界70以上の鉄鋼企業に高品質の酸素発生ソリューションを提供し、ユーザーの製鋼プロセス最適化、エネルギー消費削減、グリーンな持続可能な発展の実現を支援してきた。