JP6590007B2 - Steelmaking coke blending coal, ironmaking coke forming coal, ironmaking coke and method for producing ironmaking coke forming coal - Google Patents
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Description
本発明は、製鉄コークス用配合炭、製鉄コークス用成型炭、製鉄コークスおよび製鉄コークス用成型炭の製造方法に関する。 The present invention relates to a blended coal for iron making coke, a forming coal for iron making coke, an iron making coke, and a method for producing a forming coal for iron making coke.
石炭を乾留して行う製鉄コークスの製造においては、石炭の乾留過程で生成されるセミコークスの再固化後の収縮にともなって発生する熱応力が基質強度を上回ると亀裂が発生し、これによって生成する製鉄コークスの粒度(コークス粒径)が決定される。したがって、製鉄コークスの粒径を大きくするためには、熱応力を小さくするか、あるいは基質強度を高くする必要がある。 In the production of iron coke produced by carbonizing coal, cracks are generated when the thermal stress generated by the shrinkage after resolidification of semi-coke produced during the coal carbonization process exceeds the substrate strength. The particle size (coke particle size) of the iron coke to be determined is determined. Therefore, in order to increase the particle size of the iron coke, it is necessary to reduce the thermal stress or increase the substrate strength.
熱応力を下げるためには、コークス炉壁温度を下げる、コークス炉の稼働率を下げる、あるいは粉コークス等を添加する方法が知られている。しかしながら、炉壁温度の低下やコークス炉の稼働率の低下は生産性の低下を招き、粉コークス等の添加は強度低下を招くという問題がある。また、基質強度を高めるためには、高価な粘結炭を原料の石炭に配合する必要があるが、石炭の膨張圧上昇により炉壁とのクリアランスが狭くなるという懸念があり、押し詰まりによる生産性の低下とコストアップとが問題となる。なお、炉壁とのクリアランスとは、石炭乾留後におけるコークスケーキと炉壁との距離であり、クリアランスが大きいほど、コークスケーキの押出し性がよいので、窯詰まりがすくなく安定操業が可能となる。 In order to lower the thermal stress, methods are known in which the coke oven wall temperature is lowered, the operating rate of the coke oven is lowered, or powder coke is added. However, there is a problem that a decrease in the furnace wall temperature and a reduction in the operating rate of the coke oven cause a decrease in productivity, and the addition of powdered coke or the like causes a decrease in strength. Moreover, in order to increase the substrate strength, it is necessary to add expensive caking coal to the raw material coal, but there is a concern that the clearance with the furnace wall will be narrowed due to an increase in the expansion pressure of the coal. Decrease in performance and cost increase become problems. The clearance with the furnace wall is the distance between the coke cake and the furnace wall after coal dry distillation. The larger the clearance, the better the extrudability of the coke cake.
このような問題に対して、製鉄コークスの粒径拡大と製鉄コークスの強度向上の取り組みは従来から行われている。例えば、特許文献1には、配合炭に炭素長繊維を添加して乾留し、これにより、コークス強度を損なうことなくコークス粒度を向上させる技術が開示されている。また、特許文献2には、配合炭に炭素短繊維を添加して乾留し、これにより、コークスの冷間強度を向上させる技術が開示されている。 In response to such problems, efforts have been made in the past to increase the particle size of iron coke and improve the strength of iron coke. For example, Patent Document 1 discloses a technique in which carbon long fibers are added to coal blend and dry-distilled, thereby improving the coke particle size without impairing the coke strength. Patent Document 2 discloses a technique for adding carbon short fibers to coal blend and dry distillation, thereby improving the cold strength of coke.
さらに、特許文献3には、ケラチンを含む繊維を配合炭に添加し、コークスの製造時にこれを炭素繊維に変換する技術が開示されている。これにより、高強度で粒径の大きいコークスを、コークス炉の炉壁とのクリアランスを大きくさせながら製造できるとされている。 Furthermore, Patent Document 3 discloses a technique in which a fiber containing keratin is added to blended coal, and this is converted into carbon fiber during the production of coke. As a result, it is said that coke having a high strength and a large particle size can be produced while increasing the clearance with the furnace wall of the coke oven.
特許文献1には、添加率1%で炭素長繊維を配合炭に添加して製鉄コークスの製造を行った場合に製鉄コークスの強度が維持されることが開示されている。しかしながら、炭素繊維は、乾留中に軟化溶融しないので、通常の方法で配合炭に1%添加した場合には、石炭と炭素繊維が融着しないので製鉄コークスの強度は低下すると推察される。すなわち、特許文献1に開示された技術は、炭素繊維をできる限り分散させて添加した特殊な場合と考えられる。長い炭素繊維は、一般に単繊維(フィラメント)同士が接着剤等で束にされて製造されているので、1本ずつ分離することは困難であり、炭素繊維を束状のまま配合炭に添加した場合には、上述したように、製鉄コークスの品質の大幅な低下は免れない、という課題があった。 Patent Document 1 discloses that the strength of iron coke is maintained when iron coke is produced by adding carbon long fibers to the blended coal at an addition rate of 1%. However, since carbon fiber does not soften and melt during dry distillation, when 1% is added to blended coal by a normal method, it is presumed that the strength of iron-coke is reduced because coal and carbon fiber are not fused. That is, the technique disclosed in Patent Document 1 is considered to be a special case in which carbon fibers are dispersed and added as much as possible. Since long carbon fibers are generally manufactured by bundling single fibers (filaments) with an adhesive or the like, it is difficult to separate them one by one, and the carbon fibers are added to the blended coal as a bundle. In this case, as described above, there has been a problem that the quality of the steelmaking coke is inevitably deteriorated.
一方、特許文献2には、炭素短繊維を添加することが開示されている。炭素短繊維は、通常、紡糸・焼成して製造された炭素長繊維を切断して製造される。炭素短繊維の形状は、ほぼ直状で短く高温処理されているので表面が不活性であり、製鉄コークスから炭素繊維が抜けやすい。このため、製鉄コークスの強度向上幅が小さく、製鉄コークスの粒径を大きくすることやクリアランスの拡大があまり期待できない、という課題があった。また、炭素繊維は、原料を紡糸した後、高温での熱処理を行って製造する必要があり、容易に入手できない、という課題があった。 On the other hand, Patent Document 2 discloses adding a carbon short fiber. Carbon short fibers are usually produced by cutting carbon long fibers produced by spinning and firing. The shape of the short carbon fiber is almost straight and short and is treated at a high temperature, so that the surface is inactive, and the carbon fiber is easily removed from the steelmaking coke. For this reason, there existed a subject that the intensity | strength improvement width | variety of iron-making coke was small and the particle size of steel-making coke was enlarged, and expansion of clearance could not be expected very much. In addition, the carbon fiber has to be manufactured by spinning a raw material and then performing a heat treatment at a high temperature, which makes it difficult to obtain the carbon fiber.
また、特許文献3には、ケラチンを含む繊維を配合炭に添加することが開示されているが、ケラチンの原料である鳥類の羽根および/または羽毛は天然物のため、その種類や入手ルートによっては、繊維の分散性が低下するので、得られる製鉄コークスの強度が低下するとともに、粒径は小さくなり、コークスケーキと炉壁とのクリアランスは狭くなる、という課題があった。本発明は、このような従来技術の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、繊維類を添加物として配合炭に添加して製鉄コークスを製造する際に、入手が容易な繊維を用いて強度の高いコークスを製造できる製鉄コークス用配合炭、製鉄コークス用成型炭、これらを用いて製造された製鉄コークスおよび製鉄コークス用成型炭の製造方法を提供することにある。 Further, Patent Document 3 discloses that a fiber containing keratin is added to blended coal. However, since bird wings and / or feathers, which are raw materials for keratin, are natural products, depending on the type and route of acquisition. However, since the dispersibility of the fibers is reduced, the strength of the steelmaking coke obtained is reduced, the particle size is reduced, and the clearance between the coke cake and the furnace wall is reduced. The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and its purpose is to add easily available fibers when manufacturing steelmaking coke by adding fibers to blended coal as an additive. An object of the present invention is to provide a blended coal for iron making coke that can be used to produce high-strength coke, a forming coal for iron making coke, a manufacturing method for iron making coke produced using these, and a forming coal for iron making coke.
このような課題を解決する本発明の特徴は、以下の通りである。
(1)数平均繊維径が2nm以上300nm以下の範囲内であるセルロースナノファイバーが添加されている、製鉄コークス用配合炭。
(2)数平均繊維径が2nm以上20nm以下の範囲内であるセルロースナノファイバーが添加されている、製鉄コークス用配合炭。
(3)前記セルロースナノファイバーは0.1mmol/g以上のカルボキシル基を有する、(1)または(2)に記載の製鉄コークス用配合炭。
(4)(1)から(3)の何れか1つに記載の製鉄コークス用配合炭を乾留してなる、製鉄コークス。
(5)数平均繊維径が2nm以上300nm以下の範囲内であるセルロースナノファイバーが混合されている、製鉄コークス用成型炭。
(6)数平均繊維径が2nm以上20nm以下の範囲内であるセルロースナノファイバーが混合されている、製鉄コークス用成型炭。
(7)前記セルロースナノファイバーは0.1mmol/g以上のカルボキシル基を有する、(5)または(6)に記載の製鉄コークス用成型炭。
(8)(5)から(7)の何れか1つに記載の製鉄コークス用成型炭を乾留してなる、製鉄コークス。
(9)溶媒に分散させた数平均繊維径が2nm以上300nm以下の範囲内であるセルロースナノファイバーをバインダーとし、前記バインダーと石炭とを混合し、成型することで成型炭を製造する、製鉄コークス用成型炭の製造方法。
(10)溶媒に分散させた数平均繊維径が2nm以上20nm以下の範囲内であるセルロースナノファイバーをバインダーとし、前記バインダーと石炭とを混合し、成型することで成型炭を製造する、製鉄コークス用成型炭の製造方法。
(11)前記セルロースナノファイバーは0.1mmol/g以上のカルボキシル基を有する、(9)または(10)に記載の製鉄コークス用成型炭の製造方法。
The features of the present invention that solve such problems are as follows.
(1) A coal blend for iron-making coke, to which cellulose nanofibers having a number average fiber diameter in the range of 2 nm to 300 nm are added.
(2) A coal blend for iron-making coke, to which cellulose nanofibers having a number average fiber diameter of 2 nm or more and 20 nm or less are added.
(3) The blended carbon for iron making coke according to (1) or (2), wherein the cellulose nanofiber has a carboxyl group of 0.1 mmol / g or more.
(4) Steelmaking coke obtained by dry-distilling the steelmaking coke blended coal according to any one of (1) to (3).
(5) A coal char for iron-making coke, in which cellulose nanofibers having a number average fiber diameter in the range of 2 nm to 300 nm are mixed.
(6) A coal char for iron-making coke, in which cellulose nanofibers having a number average fiber diameter of 2 nm or more and 20 nm or less are mixed.
(7) The cellulose nanofiber is a coal for iron-making coke according to (5) or (6), which has a carboxyl group of 0.1 mmol / g or more.
(8) Steelmaking coke obtained by dry distillation of the coal for ironmaking coke according to any one of (5) to (7).
(9) Iron-manufactured coke, in which a carbon nanofiber having a number average fiber diameter in a range of 2 nm or more and 300 nm or less dispersed in a solvent is used as a binder, and the binder and coal are mixed and molded to produce a molded coal. Of manufacturing coal for coal.
(10) Iron-manufactured coke, in which a carbon nanofiber having a number average fiber diameter in a range of 2 nm to 20 nm dispersed in a solvent is used as a binder, and the binder and coal are mixed and molded to produce a molded coal. Of manufacturing coal for coal.
(11) The method for producing a coal for iron-making coke according to (9) or (10), wherein the cellulose nanofiber has a carboxyl group of 0.1 mmol / g or more.
本発明の製鉄コークス用配合炭、製鉄コークス用成型炭は、入手が容易なセルロースナノファイバーが添加されるので、製鉄コークス用配合炭および製鉄コークス用成型炭の製造が容易となる。また、セルロースナノファイバーが添加された製鉄コークス用配合炭、製鉄コークス用成型炭を用いることで強度の高い製鉄コークスを製造できる。 Since the easily available cellulose nanofiber is added to the iron-making coke blended coal and iron-making coke coal blend of the present invention, the production of the iron-making coke blending coal and the iron-making coke coal becomes easy. Moreover, high strength steel-manufactured coke can be produced by using blended coal for iron-making coke to which cellulose nanofibers are added and coal-forming coal for iron-making coke.
本発明者らは、配合炭に添加する繊維として、数平均繊維径が2nm以上300nm以下の範囲内であるセルロースナノファイバーを用いることで、当該セルロースナノファイバーが添加された配合炭を乾留して製造された製鉄コークスの強度を高め、粒径を大きくでき、また、コークスケーキと炉壁とのクリアランスを拡大できることを見出して本発明を完成させた。以下、発明の実施形態を通じて本発明を説明する。なお、本実施形態において製鉄コークスとは製鉄工程で用いられるコークスであって、主に高炉に装入されるコークスである。 The present inventors use carbon nanofibers having a number average fiber diameter in the range of 2 nm or more and 300 nm or less as the fibers to be added to the coal blend, thereby carbonizing the blended coal to which the cellulose nanofibers are added. The present invention was completed by finding that the strength of the manufactured iron-making coke can be increased, the particle size can be increased, and the clearance between the coke cake and the furnace wall can be increased. Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention. In the present embodiment, the iron making coke is coke used in the iron making process and is mainly coke charged into a blast furnace.
図1は、セルロースナノファイバーのTEM写真である。本実施形態に係る配合炭に添加する繊維は、図1に示したような数平均繊維径が2nm以上300nm以下であるセルロースナノファイバーである。セルロースナノファイバーは、近年、軽量かつ高強度な新しい素材として注目されており、脱臭剤などの機能材や、樹脂複合材料の補強材への用途開発が進められている。本実施形態において、配合炭に添加するセルロースナノファイバーは、ウォータージェット法などの機械的な解繊で植物を構成するセルロース繊維を解繊したセルロースナノファイバー、または、セルラーゼによる加水分解などの化学的処理で植物を構成するセルロース繊維を解繊したセルロースナノファイバーである。これらのセルロースナノファイバーは、さまざまな植物から得られるので、炭素繊維やケラチンなどに比べて容易かつ大量に入手できる。セルロース繊維は、植物や機械パルプ、化学パルプやその処理物であるパルプ類、紙などのセルロースを含む原料から得られる。 FIG. 1 is a TEM photograph of cellulose nanofibers. The fibers added to the blended coal according to this embodiment are cellulose nanofibers having a number average fiber diameter of 2 nm to 300 nm as shown in FIG. In recent years, cellulose nanofibers have been attracting attention as a new lightweight and high-strength material, and application development for functional materials such as deodorizers and reinforcing materials for resin composite materials is being promoted. In the present embodiment, the cellulose nanofiber added to the blended coal is a cellulose nanofiber obtained by defusing a cellulose fiber constituting a plant by mechanical defibration such as a water jet method, or chemical such as hydrolysis by cellulase. Cellulose nanofibers obtained by defibrating cellulose fibers constituting plants by treatment. Since these cellulose nanofibers are obtained from various plants, they can be obtained easily and in large quantities compared to carbon fibers and keratin. Cellulose fibers are obtained from raw materials containing cellulose, such as plants, mechanical pulp, chemical pulp, pulps that are processed products thereof, and paper.
また、最近では、特許文献4に開示されているように、セルロース繊維を2、2、6、6−テトラメチル−1−ピペリジン−N−オキシル(TEMPO)触媒の存在下で酸化剤を作用させることで、セルロース繊維の最小単位であるミクロフィブリルまで解繊し、これを水中に分散させたセルロースナノファイバーの製造が可能になっている。このようなTEMPO触媒酸化処理で植物を構成するセルロース繊維を解繊したセルロースナノファイバーも、配合炭に添加するセルロースナノファイバーとして好適に使用できる。 Recently, as disclosed in Patent Document 4, an oxidizing agent is allowed to act on cellulose fibers in the presence of a 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine-N-oxyl (TEMPO) catalyst. Thus, it is possible to produce cellulose nanofibers in which microfibrils, which are the smallest unit of cellulose fibers, are defibrated and dispersed in water. Cellulose nanofibers obtained by defusing cellulose fibers constituting plants by such TEMPO catalytic oxidation treatment can also be suitably used as cellulose nanofibers added to blended coal.
セルロースナノファイバーは、解繊されて水に分散された状態、水に分散されたものをタールなどの有機溶媒に置換した状態または水や有機溶媒を除去して乾燥された状態のいずれの状態で配合炭に添加されてよい。但し、セルロースナノファイバーを配合炭表面に分散させて添加するには、水または有機溶媒に分散された状態のセルロースナノファイバーを配合炭に向けて噴霧して、セルロースナノファイバーを配合炭に添加することが好ましい。水に分散された状態のセルロースナノファイバーを噴霧して配合炭に添加した場合には、その後、当該配合炭を調湿してもよい。配合炭を調湿することで、セルロースナノファイバーに伴ってコークス炉に持ち込まれる水分を減らすことができるので、コークス炉での水分除去に必要な熱量および乾留時間を節約できる。 Cellulose nanofibers are either defibrated and dispersed in water, the one dispersed in water is replaced with an organic solvent such as tar, or the water and organic solvent are removed and dried. It may be added to the blended coal. However, in order to disperse cellulose nanofibers on the surface of the blended coal, spray the cellulose nanofibers dispersed in water or an organic solvent toward the blended coal, and add the cellulose nanofibers to the blended coal. It is preferable. When the cellulose nanofibers dispersed in water are sprayed and added to the blended coal, the blended coal may be conditioned thereafter. By conditioning the blended coal, the moisture brought into the coke oven along with the cellulose nanofibers can be reduced, so the amount of heat and the carbonization time required for removing the moisture in the coke oven can be saved.
セルロースナノファイバーを添加した配合炭を乾留して製鉄コークスを製造すると、製造された製鉄コークスの強度が高くなるとともに粒径は大きくなり、また、コークスケーキと炉壁とのクリアランスは拡大する。そして、コークスケーキと炉壁とのクリアランスの拡大により、製鉄コークスの炉内からの押出し性は向上する。これらの要因は明らかではないが、セルロースナノファイバーは、配合炭の表面に分散されて添加されるので、セルロースナノファイバーから生成した微細炭素繊維と軟化溶融した石炭とが接触・接着し、当該微細炭素繊維によるコークスケーキの亀裂進展抑制効果が発現され、これにより、コークスケーキと炉壁とのクリアランスが拡大し、また、当該コークスケーキが粉砕されて製造される製鉄コークスの強度が高められ、製鉄コークスの粒径が大きくなったと考えられる。 When iron-mixed coke is produced by dry distillation of blended coal to which cellulose nanofibers are added, the strength of the produced steel-making coke increases and the particle size increases, and the clearance between the coke cake and the furnace wall increases. And the extrudability from the furnace of iron-making coke improves by the expansion of the clearance between a coke cake and a furnace wall. Although these factors are not clear, since cellulose nanofibers are dispersed and added to the surface of blended coal, the fine carbon fibers produced from cellulose nanofibers and softened and melted coal contact and adhere to each other, and The effect of suppressing the crack growth of coke cake by carbon fiber is expressed, which increases the clearance between the coke cake and the furnace wall, and increases the strength of iron-making coke produced by pulverizing the coke cake. It is thought that the particle size of the coke has increased.
セルロースナノファイバーを配合炭に添加することで、当該配合炭を乾留して製造される製鉄コークスの強度を高めることができるが、TEMPO触媒酸化処理で解繊されて製造されたセルロースナノファイバーを配合炭に添加した場合には、機械的な解繊により製造されたセルロースナノファイバーを添加した場合よりも製鉄コークスの強度をさらに高めることができる。 By adding cellulose nanofibers to the coal blend, the strength of iron coke produced by dry distillation of the coal blend can be increased, but cellulose nanofiber blended with TEMPO catalytic oxidation treatment is blended. When added to charcoal, the strength of iron-made coke can be further increased as compared with the case where cellulose nanofibers produced by mechanical defibration are added.
機械的な解繊により製造されたセルロースナノファイバーの数平均繊維径は、20nm以上300nm以下である。一方、TEMPO触媒酸化処理で解繊されて製造されたセルロースナノファイバーの数平均繊維径は、2nm以上20nm以下であり、TEMPO触媒酸化処理で製造されたセルロースナノファイバーの数平均繊維径は、機械的な解繊により製造されたセルロースナノファイバーよりも小さくなる。なお、セルロースナノファイバーの数平均繊維径は、0.0001〜0.1質量%のセルロースナノファイバー溶液をキャストして作成されたTEM観察試料を用いてTEM観察し、観察された複数のセルロースナノファイバーの繊維径を平均することで算出してよい。 The number average fiber diameter of the cellulose nanofiber produced by mechanical defibration is 20 nm or more and 300 nm or less. On the other hand, the number average fiber diameter of cellulose nanofibers produced by fibrillation by TEMPO catalytic oxidation treatment is 2 nm to 20 nm, and the number average fiber diameter of cellulose nanofibers produced by TEMPO catalytic oxidation treatment is mechanical It becomes smaller than the cellulose nanofiber manufactured by the regular defibration. In addition, the number average fiber diameter of the cellulose nanofiber is TEM observed using a TEM observation sample prepared by casting a 0.0001 to 0.1% by mass cellulose nanofiber solution, and a plurality of cellulose nanofibers observed. You may calculate by averaging the fiber diameter of a fiber.
セルロースナノファイバーの数平均繊維径が小さいということは、セルロースナノファイバーがより解繊され分散されているといえる。したがって、TEMPO触媒酸化処理で解繊されて製造されたセルロースナノファイバーは、機械的な解繊により製造されたセルロースナノファイバーよりも高分散されているといえる。 The fact that the number average fiber diameter of the cellulose nanofibers is small means that the cellulose nanofibers are defibrated and dispersed. Therefore, it can be said that the cellulose nanofiber manufactured by fibrillation by TEMPO catalytic oxidation treatment is more highly dispersed than the cellulose nanofiber manufactured by mechanical defibration.
このように高分散されたセルロースナノファイバーが炭素表面に添加された場合には、セルロースナノファイバーから生成した微細炭素繊維よる亀裂進展抑制効果が高くなる。一方、低分散のセルロースナノファイバーが炭素表面に添加された場合には、セルロースナノファイバー同士が凝集し、セルロースナノファイバーから生成した微細炭素繊維と軟化溶融した石炭との接触・接着性が悪化してしまい、製鉄コークスから抜けてしまう微細炭素繊維が増える。このため、微細炭素繊維による亀裂進展抑制効果は低くなり、セルロースナノファイバーを添加しない場合よりは、製鉄コークス粒径および製鉄コークス強度が向上し、コークスケーキと炉壁とのクリアランスが拡大するものの、TEMPO触媒酸化処理で解繊されて製造されたセルロースナノファイバーを添加した場合よりも製鉄コークスの粒径および製鉄コークスの強度が向上せず、コークスケーキと炉壁とのクリアランスは拡大しなかった。 When cellulose nanofibers thus highly dispersed are added to the carbon surface, the effect of suppressing crack propagation by fine carbon fibers generated from cellulose nanofibers is enhanced. On the other hand, when low-dispersion cellulose nanofibers are added to the carbon surface, the cellulose nanofibers agglomerate with each other and the contact / adhesion between the fine carbon fibers produced from the cellulose nanofibers and the softened and melted coal deteriorates. As a result, the number of fine carbon fibers that escape from steelmaking coke increases. For this reason, the crack growth suppression effect by fine carbon fibers is low, and compared with the case where cellulose nanofibers are not added, the iron coke particle size and iron coke strength are improved, and the clearance between the coke cake and the furnace wall is expanded, The particle size of the iron coke and the strength of the iron coke were not improved and the clearance between the coke cake and the furnace wall did not increase as compared with the case where cellulose nanofibers produced by fibrillation by TEMPO catalytic oxidation were added.
セルロースナノファイバーの配合炭への添加量は、配合炭質量に対して外枠で0.01質量%以上3.00質量%以下の範囲内とすることが好ましく、セルロースナノファイバーの添加量を配合炭質量に対して0.10質量%以上1.00質量%以下の範囲内にすることがより好ましい。セルロースナノファイバーの添加量を配合炭質量に対して0.01質量%未満にすると、製鉄コークス粒径、製鉄コークス強度が向上せず、コークスケーキと炉壁とのクリアランスを拡大できないので好ましくない。一方、セルロースナノファイバーの添加量を配合炭質量に対して3.00質量%より多くしてもこれ以上の製鉄コークス強度の向上は見られず、セルロースナノファイバーを添加することによる製鉄コークスの製造コストが上昇するので好ましくない。なお、上述したように、高分散のセルロースナノファイバーを添加することによるコークスの性能の向上効果が高いので、高分散のセルロースナノファイバーの添加量は、低分散のセルロースナノファイバーの添加量よりも少なくしてよい。 The amount of cellulose nanofiber added to the blended coal is preferably within the range of 0.01% by mass to 3.00% by mass of the outer frame with respect to the blended coal mass. More preferably, it is in the range of 0.10% by mass or more and 1.00% by mass or less with respect to the mass of charcoal. If the amount of cellulose nanofiber added is less than 0.01% by mass with respect to the blended coal mass, the iron coke particle size and iron coke strength are not improved, and the clearance between the coke cake and the furnace wall cannot be increased. On the other hand, even if the addition amount of cellulose nanofibers is more than 3.00% by mass with respect to the blended coal mass, no further improvement in steelmaking coke strength is seen, and the production of ironmaking coke by adding cellulose nanofibers is not observed. This is not preferable because the cost increases. As described above, since the effect of improving the performance of coke by adding highly dispersed cellulose nanofibers is high, the added amount of highly dispersed cellulose nanofibers is more than the added amount of lowly dispersed cellulose nanofibers. May be less.
配合炭質量に対して0.01質量%以上3.00質量%以下の範囲内となる量のセルロースナノファイバーが添加された配合炭を乾留した後のコークスケーキは、炭化室内で崩れずに安定していた。これは、セルロースナノファイバーから生成した微細炭素繊維がコークスケーキ内を架橋することでコークスケーキ内に生じた亀裂の進展が抑制され、これにより、コークスケーキと炉壁とのクリアランスを拡大できたと考えられる。 The coke cake after dry-blending the blended charcoal added with cellulose nanofibers in the range of 0.01% to 3.00% by weight with respect to the blended coal mass is stable without collapsing in the carbonization chamber. Was. This is because the fine carbon fibers produced from cellulose nanofibers cross-linked inside the coke cake, and the progress of cracks that occurred in the coke cake was suppressed, which enabled the clearance between the coke cake and the furnace wall to be expanded. It is done.
TEMPO触媒酸化処理で解繊されたセルロースナノファイバーは、カルボキシル基を有する。配合炭に添加するセルロースナノファイバーとしては、0.1mmol/g以上のカルボキシル基を有するセルロースナノファイバーを用いることが好ましく、0.3mmol/g以上のカルボキシル基を有するセルロースナノファイバーを用いることがより好ましい。0.1mmol/g以上のカルボキシル基を有するセルロースナノファイバーを配合炭に添加することで、当該配合炭を用いて製造される製鉄コークスの強度が向上する。 The cellulose nanofibers defibrated by the TEMPO catalytic oxidation treatment have a carboxyl group. As the cellulose nanofibers added to the blended charcoal, it is preferable to use cellulose nanofibers having a carboxyl group of 0.1 mmol / g or more, more preferably cellulose nanofibers having a carboxyl group of 0.3 mmol / g or more. preferable. By adding cellulose nanofibers having a carboxyl group of 0.1 mmol / g or more to the blended coal, the strength of iron-made coke produced using the blended coal is improved.
なお、本実施形態においては、製鉄コークスの原料となる配合炭にセルロースナノファイバーを添加する例を示したが、これに限られない。例えば、溶媒に分散させたセルロースナノファイバーをバインダーとして製鉄コークス用成型炭の成型に用いてもよい。これにより、当該製鉄成型炭を用いて製造される製鉄コークスの強度が向上する。 In addition, in this embodiment, although the example which adds a cellulose nanofiber to the coal mix used as the raw material of iron-making coke was shown, it is not restricted to this. For example, cellulose nanofibers dispersed in a solvent may be used as a binder for forming coal for iron-making coke. Thereby, the intensity | strength of the iron-making coke manufactured using the said steel-making coal is improved.
また、本実施形態においては、配合炭にセルロースナノファイバーを添加する例を示したが、配合炭と成型炭を混合した原料にセルロースナノファイバーを添加してもよい。また、成型炭と配合炭を混合した原料を用いた場合であって、成型炭のバインダーとして、成型炭と配合炭の質量和の0.01質量%以上3.00以下の範囲内となる量のセルロースナノファイバーが成型炭に混合されている場合には、当該原料にセルロースナノファイバーを添加しなくてよい。 Moreover, in this embodiment, although the example which adds a cellulose nanofiber to blended charcoal was shown, you may add a cellulose nanofiber to the raw material which mixed blended charcoal and cast charcoal. Moreover, it is a case where the raw material which mixed coal and combination charcoal is used, Comprising: The quantity which exists in the range of 0.01 mass% or more and 3.00 or less of the mass sum of coal formation and combination coal as a binder of coal formation When the cellulose nanofibers are mixed with the formed charcoal, it is not necessary to add the cellulose nanofibers to the raw material.
次に、セルロースナノファイバーを配合炭に添加し、当該配合炭を用いて製鉄コークスを製造した実施例1を説明する。本実施例では、TEMPO触媒酸化処理で解繊され、溶媒である水に分散されたセルロースナノファイバー(CNF(A))と、機械的な解繊であるウォータージェット法で解繊され、溶媒である水に分散されたセルロースナノファイバー(CNF(B))を用いた。CNF(A)は、パルプをTEMPO酸化して得られたCNF(数平均繊維径3nm、数平均繊維長さ500nm)である。また、CNF(B)は、株式会社スギノマシン社製のBiNFi−s(登録商標)の品番WMa−1002(数平均繊維径20nm以上50nm以下、数平均繊維長さ数μm)である。製鉄コークスの製造には、ビトリニット平均最大反射率1.02%、ギーセラー最高流動度196ddpm、全イナート量31.1容積%である配合炭を用いた。 Next, Example 1 which added the cellulose nanofiber to the charcoal and manufactured iron-made coke using the charcoal will be described. In this example, cellulose nanofibers (CNF (A)) that have been defibrated by TEMPO catalytic oxidation treatment and dispersed in water as a solvent, and defibrated by a water jet method that is mechanical defibration, Cellulose nanofiber (CNF (B)) dispersed in a certain water was used. CNF (A) is CNF (number average fiber diameter 3 nm, number average fiber length 500 nm) obtained by TEMPO oxidation of pulp. CNF (B) is BiNFi-s (registered trademark) product number WMa-1002 (number average fiber diameter of 20 nm to 50 nm, number average fiber length of several μm) manufactured by Sugino Machine Co., Ltd. For the production of iron coke, blended coal having a vitrinite average maximum reflectance of 1.02%, a Gieseler maximum fluidity of 196 ddpm, and a total inert amount of 31.1% by volume was used.
TEMPO触媒酸化処理は次のように行った。セルロースを含む原料として木材由来の化学パルプを漂白処理した漂白パルプ(乾燥重量1.0g)を、蒸留水および0.01M塩酸で洗浄後、2,2,6,6−テトラメチルピペリジン1−オキシル(TEMPO)0.0156g、臭化ナトリウム0.10gを含む水溶液100mLに懸濁させた。TEMPO触媒酸化反応は、次亜塩素酸ナトリウム水溶液を加えることで開始した。次亜塩素酸ナトリウム量は、10.0mmolとし、セルロースナノファイバーを得た。本反応は、室温条件下で撹拌しながら3時間行った。また、TEMPO触媒酸化反応は、アルカリ性条件下で進行するが、反応液のpHは、カルボキシル基の生成により低下するので、水酸化ナトリウム水溶液を加えてpHを9.8〜10.2に維持した。反応終了後、エタノールを加え、遠心分離機を用いて沈殿物を回収した。沈殿物を蒸留水で洗浄し、薬液を取り除くことでCNF(A)を得た。 The TEMPO catalytic oxidation treatment was performed as follows. Bleached pulp obtained by bleaching wood-derived chemical pulp as a raw material containing cellulose (dry weight 1.0 g) is washed with distilled water and 0.01 M hydrochloric acid, and then 2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO) Suspended in 100 mL of an aqueous solution containing 0.0156 g and 0.10 g of sodium bromide. The TEMPO catalyzed oxidation reaction was started by adding an aqueous sodium hypochlorite solution. The amount of sodium hypochlorite was 10.0 mmol to obtain cellulose nanofibers. This reaction was performed for 3 hours with stirring at room temperature. The TEMPO catalytic oxidation reaction proceeds under alkaline conditions, but the pH of the reaction solution decreases due to the formation of carboxyl groups, so the aqueous solution of sodium hydroxide was added to maintain the pH at 9.8 to 10.2. . After completion of the reaction, ethanol was added and the precipitate was collected using a centrifuge. The precipitate was washed with distilled water and the chemical solution was removed to obtain CNF (A).
配合炭質量に対するCNF(A)またはCNF(B)の添加量を1.00質量%とし、これらが添加された配合炭を試験コークス炉で乾留して製鉄コークスを製造した。CNF(A)は、1質量%、CNF(B)は2質量%の濃度となるように水に分散させた状態で配合炭に添加した。乾留は、炉壁温度を1050℃とした試験炉に、乾留缶(幅360mm×奥行き270mm×高さ400mm)に入れた配合炭16kg(無水ベース)を装入して4時間乾留し、得られたコークスを窒素気流中で乾式消火した。製造された製鉄コークスの強度、製鉄コークスの平均粒径および乾留後のコークスケーキとコークス炉とのクリアランスを測定し、CNF(A)またはCNF(B)の添加効果を確認した。製鉄コークスの強度は、JIS K2151に規定されるドラム強度(DI150 15)で測定した。なお、ドラム強度(DI150 15)は、製鉄コークスをJIS K2151に規定される試験設備の回転ドラム内に入れ、15rpmで150回転させた後に目開き15mmの篩で篩分けし、篩上となった粒径15mm以上の製鉄コークスの質量割合で規定された強度である。なお、製鉄コークスの平均粒径は、製造されたコークスを篩い分けし、各粒度の質量比率から求めた平均値である。また、コークスケーキとコークス炉とのクリアランスは、特許文献5に記載の方法で測定した。 The amount of CNF (A) or CNF (B) added to the blended coal mass was 1.00 mass%, and the blended coal to which these were added was dry-distilled in a test coke oven to produce iron-made coke. CNF (A) was added to the blended coal in a state of being dispersed in water so that the concentration was 1% by mass and CNF (B) was 2% by mass. Carbonization is obtained by charging a test furnace with a furnace wall temperature of 1050 ° C. and charging 16 kg (anhydrous base) of coal blended in a carbonization can (width 360 mm × depth 270 mm × height 400 mm) for 4 hours. The coke was fire extinguished in a nitrogen stream. The strength of the manufactured iron-making coke, the average particle size of the iron-making coke, and the clearance between the coke cake after the carbonization and the coke oven were measured, and the effect of adding CNF (A) or CNF (B) was confirmed. The strength of the iron-made coke was measured by the drum strength (DI 150 15 ) defined in JIS K2151. The drum strength (DI 150 15 ) was measured by putting iron coke into a rotating drum of a test facility specified in JIS K2151, rotating 150 rpm at 15 rpm, and sieving with a 15 mm sieve. The strength is defined by the mass ratio of iron coke having a particle diameter of 15 mm or more. In addition, the average particle diameter of iron-made coke is the average value calculated | required from the mass ratio of each particle size by sifting manufactured coke. The clearance between the coke cake and the coke oven was measured by the method described in Patent Document 5.
図2は、製鉄コークスのドラム強度と、平均粒径と、コークスケーキと炉壁とのクリアランスを示すグラフである。図2(a)は、ドラム強度(DI150 15)を示し、図2(b)は、平均粒径(mm)を示し、図2(c)は、コークスケーキと炉壁とのクリアランス(mm)を示す。図2(a)(b)(c)に示すように、CNF(A)、CNF(B)のいずれであっても、セルロースナノファイバーを配合炭に添加することで、製鉄コークスのドラム強度(DI150 15)は高くなり、製鉄コークスの平均粒径は大きくなり、さらに、コークスケーキと炉壁とのクリアランスは拡がった。このように、セルロースナノファイバーを配合炭に添加し、当該配合炭を乾留して製鉄コークスを製造することで、製鉄コークスの強度および平均粒径を向上でき、コークスケーキと炉壁とのクリアランスを拡げることができることが確認された。そして、このように、コークスケーキと炉壁とのクリアランスを拡大することにより、コークスの押出し性を向上させることができる。なお、図2(a)(b)(c)における製鉄コークスのドラム強度(DI150 15)、製鉄コークスの平均粒径および製鉄コークスのクリアランスの各値を表1に示す。 FIG. 2 is a graph showing the drum strength, average particle diameter, and clearance between the coke cake and the furnace wall of the iron coke. FIG. 2 (a) shows the drum strength (DI 150 15 ), FIG. 2 (b) shows the average particle size (mm), and FIG. 2 (c) shows the clearance (mm) between the coke cake and the furnace wall. ). As shown in FIGS. 2 (a), (b), and (c), by adding cellulose nanofibers to the blended charcoal in either CNF (A) or CNF (B), the drum strength ( DI 150 15 ) increased, the average particle size of the iron-made coke increased, and the clearance between the coke cake and the furnace wall increased. In this way, by adding cellulose nanofibers to the coal mix and producing the iron coke by dry distillation of the coal mix, the strength and average particle size of the iron coke can be improved, and the clearance between the coke cake and the furnace wall can be improved. It was confirmed that it could be expanded. And the extrudability of coke can be improved by expanding the clearance between the coke cake and the furnace wall in this way. Table 1 shows values of the drum strength (DI 150 15 ), the average particle diameter of the iron coke, and the clearance of the iron coke in FIGS. 2 (a), 2 (b), and 2 (c).
また、CNF(A)とCNF(B)で比較すると、高分散のCNF(A)を添加した方が、低分散のCNF(B)を添加するよりも製鉄コークスのドラム強度(DI150 15)は高くなり、製鉄コークスの平均粒径は大きくなり、さらに、コークスケーキと炉壁とのクリアランスは拡がった。このように、セルロースナノファイバーの数平均繊維径が20nm以下となるTEMPO触媒酸化処理で解繊されたセルロースナノファイバーを配合炭に添加し、当該配合炭を乾留して製鉄コークスを製造することで、製鉄コークスの強度および平均粒径をさらに向上でき、コークスケーキと炉壁とのクリアランスをさらに拡げることができることが確認された。なお、数平均繊維径が大きい場合でも、添加するセルロースナノファイバー中に繊維径50nm以下のセルロースナノファイバーが含まれていれば製鉄コークスの強度および平均粒径の向上効果や、クリアランスの拡大効果が得られる。ただし、添加するセルロースナノファイバーの数平均繊維径が300nmを超えると繊維径50nm以下の繊維の含有量が極めて少なくなるので、添加するセルロースナノファイバーの数平均繊維径の上限を300nm以下とした。 Further, when compared with CNF (A) and CNF (B), the drum strength of steel coke is higher when CNF (A) with high dispersion is added than when CNF (B) with low dispersion is added (DI 150 15 ). The average particle size of steel coke increased, and the clearance between the coke cake and the furnace wall increased. Thus, by adding cellulose nanofibers defibrated by TEMPO catalytic oxidation treatment in which the number average fiber diameter of cellulose nanofibers is 20 nm or less to blended coal, the blended coal is dry-distilled to produce iron coke. It was confirmed that the strength and average particle size of the iron-made coke could be further improved and the clearance between the coke cake and the furnace wall could be further expanded. In addition, even when the number average fiber diameter is large, if the cellulose nanofiber having a fiber diameter of 50 nm or less is contained in the added cellulose nanofiber, the effect of improving the strength and average particle diameter of the iron-making coke and the effect of expanding the clearance are obtained. can get. However, when the number average fiber diameter of the cellulose nanofibers to be added exceeds 300 nm, the content of fibers having a fiber diameter of 50 nm or less is extremely reduced. Therefore, the upper limit of the number average fiber diameter of the cellulose nanofibers to be added is set to 300 nm or less.
次に、セルロースナノファイバーを成型炭のバインダーとして用いた実施例2を説明する。本実施例では、性状がビトリニット平均最大反射率0.99%、ギーセラー最高流動度2〜8ddpm、全イナート量38容積%の原料炭に、実施例1で用いたCNF(A)、CNF(B)または従来のバインダーである軟ピッチ(SOP)を混合させた混合物を、成型圧30MPaで直径10mm、高さ12mmの円筒形の成型炭にそれぞれ成型し、製造された成型炭を粉コークス中に埋め、昇温速度3℃/分で900℃まで昇温し、その温度を0.5h保持して乾留を行い、窒素雰囲気下で冷却して製鉄コークスを製造した。 Next, Example 2 in which cellulose nanofibers are used as a binder for forming charcoal will be described. In this example, the properties of CNF (A) and CNF (BNF) used in Example 1 were applied to coking coal having a vitrinite average maximum reflectance of 0.99%, a Gieseler maximum fluidity of 2 to 8 ddpm, and a total inert amount of 38% by volume. ) Or a mixture in which soft pitch (SOP), which is a conventional binder, is mixed, is formed into cylindrical shaped charcoal having a diameter of 10 mm and a height of 12 mm at a molding pressure of 30 MPa, and the produced charcoal is put into the powdered coke. Then, the temperature was raised to 900 ° C. at a temperature rising rate of 3 ° C./min, the temperature was maintained for 0.5 h, dry distillation was performed, and cooling was performed in a nitrogen atmosphere to produce iron-made coke.
このようにして製造された製鉄コークスの強度を、デュロメーターを用い、タイプDの円錐状圧子を押し込んだ際の破壊に至るまでの押し込み量で評価した。1水準あたり3検体程度の測定を行い、その平均値を測定結果とし、バインダーを添加しなかった場合に対する、それぞれの製鉄コークスの強度の比を相対強度として算出した。図3は、バインダーの混合量と、当該バインダーが混合された成型炭から製造された製鉄コークスの相対強度との関係を示すグラフである。図3において、横軸は成型炭の原料となる原料炭質量に対するバインダーの混合量(外枠質量%)であり、縦軸は製鉄コークスの相対強度(−)である。また、丸プロットで示したプロファイルは、バインダーとしてCNF(A)を用いた場合の相対強度を示し、三角プロットで示したプロファイルは、バインダーとしてCNF(B)を用いた場合の相対強度を示し、四角プロットで示したプロファイルは、バインダーとしてSOPを用いた場合の相対強度を示す。 The strength of the iron coke produced in this way was evaluated by the amount of indentation until the type D conical indenter was broken using a durometer. About 3 specimens were measured per level, and the average value was taken as the measurement result, and the ratio of the strength of each steelmaking coke to the case where no binder was added was calculated as the relative strength. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the mixing amount of the binder and the relative strength of the iron-making coke produced from the coal coal mixed with the binder. In FIG. 3, the horizontal axis represents the amount of binder mixed (outer frame mass%) with respect to the mass of raw coal serving as the raw material for the formed coal, and the vertical axis represents the relative strength (−) of the steelmaking coke. Moreover, the profile shown by the circle plot shows the relative strength when CNF (A) is used as the binder, and the profile shown by the triangle plot shows the relative strength when CNF (B) is used as the binder, The profile shown by the square plot shows the relative strength when SOP is used as the binder.
図3に示すように、バインダーとしてTEMPO触媒酸化処理で解繊・製造された高分散のCNF(A)を用いた場合には、従来のバインダーである軟ピッチ(SOP)を用いた場合よりもコークスの相対強度が高くなった。具体的には、バインダーとして原料炭質量に対して0.5質量%となるCNF(A)を混合して成型した成型炭を用いて製造された製鉄コークスの強度は、従来のバインダーであるSOPを同量用いて製造された製鉄コークスの強度の約1.3倍になった。また、バインダーとして原料炭質量に対して1.0質量%となるCNF(A)を混合して成型した成型炭を用いて製造された製鉄コークスの強度は、従来のバインダーであるSOPを同量用いて製造された製鉄コークスの強度の約2.4倍になった。 As shown in FIG. 3, when using a highly dispersed CNF (A) defibrated and manufactured by TEMPO catalytic oxidation treatment as a binder, compared to using a soft pitch (SOP) as a conventional binder The relative strength of coke increased. Specifically, the strength of steelmaking coke produced using molded charcoal formed by mixing and molding CNF (A), which is 0.5% by mass with respect to the mass of raw coal as a binder, is SOP, which is a conventional binder. It became about 1.3 times the strength of the iron-making coke produced using the same amount. In addition, the strength of iron coke produced using cast charcoal formed by mixing and molding CNF (A), which is 1.0% by mass with respect to the raw coal mass, is the same as that of SOP, which is a conventional binder. It was about 2.4 times the strength of the steel coke produced using the same.
一方、バインダーとしてCNF(B)を混合して成型した成型炭を用いて製造された製鉄コークスの強度は、CNF(A)を混合した場合よりは強度の向上効果は小さかったが、従来のバインダーであるSOPを同量用いて製造された製鉄コークスの強度よりも高くなった。 On the other hand, the strength of steelmaking coke produced using coking charcoal formed by mixing CNF (B) as a binder was less effective than the case of mixing CNF (A). It became higher than the intensity | strength of the iron-making coke manufactured using the same amount of SOP.
これらのことから、成型炭のバインダーとしてSOPを用いた場合と比較して、成型炭のバインダーとしてセルロースナノファイバーを用いることで、当該成型炭を乾留して製造された製鉄コークスの強度が高くなることが確認された。また、製鉄コークスの強度が高くなれば製鉄コークスの平均粒径も大きくなる。これらの結果から、成型炭のバインダーとしてセルロースナノファイバーを用いることで、当該成型炭を用いて製造された製鉄コークスの強度を高めることができ、製鉄コークスの粒径も大きくできるといえる。 From these things, compared with the case where SOP is used as a binder for coal, the strength of iron coke produced by dry distillation of the coal is increased by using cellulose nanofiber as the binder for coal. It was confirmed. Moreover, if the intensity | strength of iron-making coke becomes high, the average particle diameter of iron-making coke will also become large. From these results, it can be said that by using cellulose nanofibers as a binder for the coal, the strength of the iron-making coke produced using the coal-forming can be increased, and the particle size of the iron-making coke can be increased.
コークス製造用の配合炭(ビトリニット平均最大反射率1.02%、ギーセラー最高流動度163ddpm)に対し、CNF(A)を外枠で所定量添加して混練し、44mm×44mm×13mm(片側)のマセック型成型モールドを有するダブルロール成型機を用いて成型炭を製造した。製造された成型炭を粉コークス中に埋め、昇温速度3℃/分で900℃まで昇温し、その温度を0.5h保持して乾留を行い、窒素雰囲気下で冷却して製鉄コークスを製造した。成型炭および製鉄コークスの圧潰強度は、島津製作所製オートグラフ圧潰強度測定機(AGS−X)を用いて加圧速度1mm/minで加圧を行って求め、1水準あたり3検体程度の測定を行い、その平均値を測定結果とした。 CNF (A) is added to the blended coal for coke production (Vitrinite average maximum reflectance 1.02%, Gieseller maximum fluidity 163ddpm) with a predetermined amount of CNF (A) and kneaded, 44mm x 44mm x 13mm (one side) The charcoal was produced using a double roll molding machine having a Macek mold. The produced coking coal is buried in powdered coke, heated to 900 ° C at a heating rate of 3 ° C / min, maintained at that temperature for 0.5 h, dry-distilled, and cooled in a nitrogen atmosphere to produce iron coke. Manufactured. The crushing strength of coking coal and iron coke is obtained by applying pressure at a pressure rate of 1 mm / min using an autograph crushing strength measuring machine (AGS-X) manufactured by Shimadzu Corporation, and measuring about 3 specimens per level. The average value was taken as the measurement result.
図4は、セルロースナノファイバーの添加量と、成型物の圧潰強度との関係を示すグラフである。図4において、横軸はCNF(A)の添加量(dry−外枠質量%)であり、縦軸は成型物の圧潰強度(kN/個)である。図4に示すように、CNF(A)の添加量を増やすとCNF(A)が添加されて成型された成型物の圧潰強度も向上した。この結果から、CNF(A)の添加量を増やすとCNF(A)が添加されて製造された成型物の強度も高まることが確認された。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the amount of cellulose nanofiber added and the crushing strength of the molded product. In FIG. 4, the horizontal axis represents the amount of CNF (A) added (dry—outer frame mass%), and the vertical axis represents the crushing strength (kN / piece) of the molded product. As shown in FIG. 4, when the amount of CNF (A) added was increased, the crushing strength of the molded product formed by adding CNF (A) was also improved. From this result, it was confirmed that when the amount of CNF (A) added was increased, the strength of the molded product produced by adding CNF (A) was also increased.
図5は、バインダーの種類と、成型物を乾留して得られた製鉄コークスの圧潰強度との関係を示すグラフである。図5において、横軸はバインダーの種類を示す。また、縦軸は製鉄コークスの圧潰強度(kN/個)である。横軸の「SOP+タールピッチ」は、バインダーとして石炭に対してSOPを外枠で3質量%、タールピッチを外枠で6質量%添加して製造した成型炭から得られた製鉄コークスである。「CNF」は、バインダーとして石炭に対してCNF(A)を外枠で0.5質量%添加して製造した成型炭から得られた製鉄コークスである。図5に示すように、石炭に対するバインダーの添加量はCNF(A)の方が少ないにも関わらず、CNF(A)をバインダーとして用いた成型物から製造された製鉄コークスの圧潰強度は、SOPとタールピッチをバインダーとして用いた成型炭から製造された製鉄コークスの圧潰強度よりも高くなった。この結果から、バインダーとしてCNF(A)を用いることで、強度の高い製鉄コークスが製造できることが確認された。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the type of binder and the crushing strength of iron-made coke obtained by dry distillation of a molded product. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the type of binder. The vertical axis represents the crushing strength (kN / piece) of the iron-made coke. “SOP + tar pitch” on the horizontal axis is iron-making coke obtained from formed coal produced by adding 3% by mass of SOP in the outer frame and 6% by mass of tar pitch to the coal as a binder. “CNF” is iron-making coke obtained from formed coal produced by adding 0.5% by mass of CNF (A) to the coal as a binder with an outer frame. As shown in FIG. 5, although the amount of binder added to coal is smaller in CNF (A), the crushing strength of iron coke produced from a molded product using CNF (A) as a binder is SOP. And the crushing strength of iron coke produced from coking coal using tar pitch as a binder. From this result, it was confirmed that high strength steel-making coke can be produced by using CNF (A) as a binder.
実施例1〜実施例3において、TEMPO酸化したCNF(A)を添加することで製鉄コークスの強度が向上したことから、CNFの酸化の程度が成型物およびコークス強度に与える影響を確認した。酸化の方法は実施例1と同じであり、次亜塩素酸ナトリウムの添加量を1〜15mmolに変化させて酸化の度合いの異なるCNF(A)を製造した。酸化の度合いは、CNFに含まれるカルボキシル基の量を測定することで評価した。なお、CNFに含まれるカルボキシル基の量は、特許文献4に記載された以下の方法で測定した。 In Examples 1 to 3, the strength of iron coke was improved by adding TEMPO-oxidized CNF (A), so the effect of the degree of oxidation of CNF on the molded product and coke strength was confirmed. The oxidation method was the same as in Example 1, and CNF (A) with different degrees of oxidation was produced by changing the amount of sodium hypochlorite added to 1 to 15 mmol. The degree of oxidation was evaluated by measuring the amount of carboxyl groups contained in CNF. In addition, the quantity of the carboxyl group contained in CNF was measured by the following method described in Patent Document 4.
まず、乾燥重量を精秤した酸化セルロース試料から0.5〜1.0質量%のスラリーを60ml調製し、0.1Mの塩酸水溶液によってpHを約2.5とした後、0.05Mの水酸化ナトリウム水溶液を滴下して電気伝導度を測定する。測定は、pHが11になるまで続ける。そして、電気伝導度の変化が緩やかな弱酸の中和段階において消費された水酸化ナトリウム(V)から下記(1)式を用いて官能基量を決定する。この官能基量がカルボキシル基の量である。 First, 60 ml of a 0.5 to 1.0 mass% slurry was prepared from an oxidized cellulose sample whose dry weight was precisely weighed, adjusted to pH 2.5 with a 0.1 M hydrochloric acid aqueous solution, and then 0.05 M water A sodium oxide aqueous solution is dropped and the electrical conductivity is measured. The measurement is continued until the pH is 11. And the amount of functional groups is determined using the following formula (1) from sodium hydroxide (V) consumed in the neutralization step of the weak acid whose electrical conductivity changes slowly. This amount of functional groups is the amount of carboxyl groups.
官能基量(mmol/g)=V(ml)×0.05/セルロースの質量(g)・・・(1) Functional group amount (mmol / g) = V (ml) × 0.05 / mass of cellulose (g) (1)
成型炭およびその乾留物である成型コークスの製造は、実施例2と同じ方法で実施した。なお、バインダーとしてはSOPやタールピッチは用いず、配合炭の質量に対し、酸化の度合の異なるCNF(A)をそれぞれ外枠で0.5質量%添加して成型炭を製造し、当該成型炭を用いて製鉄コークスを製造した。成型炭および成型コークスの強度は、島津製作所製オートグラフ圧潰強度測定機(AGS−X)を用いて、加圧速度1mm/minで成型物の円柱高さ方向に加圧し、測定された最大強度を圧潰強度(N/個)とした。1水準あたり3検体程度の測定を行い、その平均値を測定結果とした。 Manufacture of the forming coal and the forming coke which is the carbonized product thereof was carried out in the same manner as in Example 2. Note that SOP and tar pitch are not used as the binder, and CNF (A) having a different degree of oxidation is added to the mass of the blended coal by adding 0.5% by mass of the outer frame, respectively, to produce a molded coal. Steelmaking coke was produced using charcoal. The strength of the cast charcoal and the cast coke was measured using a Shimadzu autograph crushing strength measuring machine (AGS-X) at a pressurization speed of 1 mm / min in the column height direction of the molded product. Was the crushing strength (N / piece). About 3 samples were measured per level, and the average value was taken as the measurement result.
図6は、セルロースナノファイバーに含まれるカルボキシル基の量と、成型物の圧潰強度との関係を示すグラフである。図6において、横軸はCNFに含まれるカルボキシル基の量(mmol/g)であり、縦軸は成型物の圧潰強度(kN/個)である。また、図7は、セルロースナノファイバーに含まれるカルボキシル基の量と、成型物を乾留して得られた製鉄コークスの圧潰強度との関係を示すグラフである。図7において、横軸はCNFに含まれるカルボキシル基の量(mmol/g)であり、縦軸は製鉄コークスの圧潰強度(kN/個)である。なお、図6および図7において、カルボキシル基の量が0の点は、CNF(A)を添加せずに成型した成型物および製鉄コークスの圧潰強度である。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the amount of carboxyl groups contained in cellulose nanofibers and the crushing strength of the molded product. In FIG. 6, the horizontal axis represents the amount of carboxyl groups contained in CNF (mmol / g), and the vertical axis represents the crushing strength (kN / piece) of the molded product. Moreover, FIG. 7 is a graph which shows the relationship between the quantity of the carboxyl group contained in a cellulose nanofiber, and the crushing strength of the iron-making coke obtained by dry-distilling a molding. In FIG. 7, the horizontal axis represents the amount of carboxyl groups contained in CNF (mmol / g), and the vertical axis represents the crushing strength (kN / piece) of iron coke. 6 and 7, the point where the amount of carboxyl group is 0 is the crushing strength of a molded product and iron coke formed without adding CNF (A).
図6および図7に示すように、0.1mmol/g以上のカルボキシル基を有するCNF(A)を原料炭に添加すると、当該原料炭を用いて製造された成型物および当該成型物を用いて製造された製鉄コークスの強度が向上した。また、0.3mmol/g以上のカルボキシル基を有するCNF(A)を原料炭に添加すると、当該原料炭を用いて製造された成型物および当該成型物を用いて製造された製鉄コークスの強度がさらに向上した。この結果から、0.1mmol/g以上のカルボキシル基を有するように酸化されたCNFを用いることが好ましく、0.3mmol/g以上のカルボキシル基を有するように酸化されたCNFを用いることがより好ましいことがわかる。カルボキシル基はマイナス荷電を有し、このマイナス電荷によって互いに反発し合う。カルボキシル基を多く含むCNFは、マイナス電荷による反発力が大きくなって繊維が解繊されやすくなり、CNFの分散がよくなったことが成型物および製鉄コークスの強度向上に寄与したと考えられる。なお、セルロースの酸化が進みすぎるとCNFの繊維状の構造が維持できなくなり、CNF添加の効果が低下する。このため、CNFに含まれるカルボキシル基の量は、3.0mmol/g以下であることが好ましい。 As shown in FIGS. 6 and 7, when CNF (A) having a carboxyl group of 0.1 mmol / g or more is added to the raw coal, a molded product produced using the raw coal and the molded product are used. The strength of the manufactured steel coke was improved. Moreover, when CNF (A) having a carboxyl group of 0.3 mmol / g or more is added to the raw coal, the strength of the molded product produced using the raw coal and the iron coke produced using the molded product is increased. Further improved. From this result, it is preferable to use CNF oxidized to have a carboxyl group of 0.1 mmol / g or more, and more preferable to use CNF oxidized to have a carboxyl group of 0.3 mmol / g or more. I understand that. Carboxyl groups have a negative charge and repel each other by this negative charge. It is considered that CNF containing a large amount of carboxyl groups has a large repulsive force due to a negative charge, and the fibers are easily defibrated, and the improved dispersion of CNF contributed to the improvement of the strength of the molded product and iron coke. In addition, if the oxidation of cellulose proceeds too much, the fibrous structure of CNF cannot be maintained, and the effect of CNF addition is reduced. For this reason, it is preferable that the quantity of the carboxyl group contained in CNF is 3.0 mmol / g or less.
Claims (8)
外枠で0.5質量%以上3.00質量%以下の前記バインダーと石炭とを混合し、成型することで成型炭を製造する、製鉄コークス用成型炭の製造方法。 Cellulose nanofibers having a number average fiber diameter in a range of 2 nm or more and 20 nm or less dispersed in a solvent are used as a binder,
The manufacturing method of the forming coal for iron-making cokes which mixes the said binder and coal of 0.5 mass% or more and 3.00 mass% or less with an outer frame, and manufactures forming coal by shaping | molding.
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