型煤及其制备方法和铁水制备方法与流程
本发明涉及一种型煤及其制备方法和铁水制备方法。更具体地，本发明涉及一种对纤维素醚化合物、糖蜜、固化剂的混合顺序进行控制以求均匀混合并提高粘合剂性能的型煤及其制备方法和铁水制备方法。
背景技术：
在熔融还原炼铁法中使用用于还原铁矿石的还原炉和用于熔化经过还原的铁矿石的熔融气化炉。在熔融气化炉中熔化铁矿石时，型煤作为熔化铁矿石的热源被装入熔融气化炉中。还原铁在熔融气化炉中经过熔化而转化为铁水及熔渣之后，被排出至外部。被装入熔融气化炉的型煤形成煤填充床。氧气通过设置在熔融气化炉上的风口吹入之后，燃烧煤填充床而生成燃烧气体。燃烧气体通过煤填充床上升的同时转化为高温还原气体。高温还原气体排出至熔融气化炉的外部，并作为还原气体被供应到还原炉。
型煤是将粉煤和粘合剂混合后压缩而成。为了制备铁水，需要制备出具有优异的冷强度和热强度的型煤。因此，使用具有优异的粘度的粘合剂如糖蜜等制备型煤。
技术实现要素：
技术问题
本发明提供一种型煤，对纤维素醚化合物、糖蜜、固化剂的混合顺序进行控制，以具有优异的热强度和冷强度。本发明还提供一种所述型煤的制备方法。另外，本发明提供一种包含所述型煤的制备方法的铁水制备方法。
技术方案
根据本发明的一个实施例的型煤，所述型煤装入铁水制备装置中熔融气化炉的穹顶部被快速加热，所述铁水制备装置包含i)装入还原铁的熔融气化炉、以及ii)连接于熔融气化炉且提供还原铁的还原炉。型煤制备方法包含：i)提供粉煤的步骤；ii)在粉煤中混入粉末型纤维素醚化合物以提供混煤的步骤；iii)在混煤中加入水进行混合的步骤；iv)在加入水的混煤中混入固化剂和糖蜜以提供混合物的步骤；以及v)对混合物进行成型以提供型煤的步骤。
在提供型煤的步骤中，所述型煤中包含的纤维素醚化合物的量可为0.1wt％至0.7wt％，固化剂的量可为0.5wt％至3.0wt％，以及糖蜜的量可为3wt％至12wt％。更优选地，纤维素醚化合物的量可为0.2wt％至0.5wt％，固化剂的量可为1.0wt％至2.5wt％，以及糖蜜的量可为5wt％至10wt％。
在提供型煤的步骤中，型煤中包含的水分的量可为3wt％至13wt％。更优选地，型煤中包含的水分的量可为5wt％至11wt％。
型煤中包含的水分的量与型煤中包含的纤维素醚化合物的量之比可为5至40。再者，型煤中包含的水分的量与型煤中包含的纤维素醚化合物的量之比可为7至20。
在提供混煤的步骤中，纤维素醚化合物的平均粒度可为50μm至100μm。更优选地，在提供混合物的步骤中，粉煤的平均粒度与纤维素醚化合物的平均粒度之比可为7至30。粉煤的平均粒度与纤维素醚化合物的平均粒度之比可为10至20。
纤维素醚化合物可包含选自甲基纤维素(mc)、羟乙基纤维素(hec)、羟丙基纤维素(hpc)、羟丙基甲基纤维素(hpmc)及羟乙基甲基纤维素(hemc)中的至少一种化合物。
纤维素醚化合物的粘度可为4，000cps至80，000cps。固化剂可以使用生石灰、消石灰、碳酸钙、石灰石、水泥、膨润土、黏土(clay)、二氧化硅、硅酸盐、白云石、磷酸、硫酸或氧化物。
根据本发明的一个实施例的型煤制备方法，在对混合物进行成型以提供型煤的步骤之前，还可包含对混合物进行干燥的步骤，或者在提供型煤的步骤之后，可包含对型煤进行干燥的步骤。
根据本发明的一个实施例的铁水制备方法包含：i)提供根据所述型煤制备方法制备的型煤的步骤；ii)提供铁矿石在还原炉中还原而成的还原铁的步骤；以及iii)将型煤和还原铁装入熔融气化炉以提供铁水的步骤。在提供还原铁的步骤中，还原炉可为流化床还原炉或填充床还原炉。
根据本发明的一个实施例的型煤，所述型煤装入铁水制备装置中熔融气化炉的穹顶部被快速加热，所述铁水制备装置包含：i)装入还原铁的熔融气化炉、以及ii)连接于熔融气化炉且提供还原铁的还原炉。型煤包含0.1wt％至0.7wt％的纤维素醚化合物、0.5wt％至3.0wt％的固化剂、3wt％至12wt％的糖蜜、3wt％至13wt％的水分及余量的粉煤。更优选地，可包含0.2wt％至0.5wt％的纤维素醚化合物、1.0wt％至2.5wt％的固化剂、5wt％至10wt％的糖蜜、5wt％至11wt％的水分及余量的粉煤。
发明效果
通过控制纤维素醚化合物、糖蜜、固化剂的混合顺序，可以大大提高型煤的热强度和冷强度。此外，混合使用几乎没有碱成分的纤维素醚化合物，以降低碱含量高的糖蜜的使用量，从而可以减轻型煤因碱成分而附着在还原炉上的现象。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的型煤制备方法的流程示意图。
图2是使用图1中制备的型煤的铁水制备装置的示意图。
图3是使用图1中制备的型煤的另一铁水制备装置的示意图。
具体实施方式
本文中术语第一、第二、第三等用于描述各种部分、成分、区域、层和/或段，但这些部分、成分、区域、层和/或段不应该被这些术语限制。这些术语仅用于区分某一部分、成分、区域、层和/或段与另一部分、成分、区域、层和/或段。因此，在不脱离本发明的范围内，以下描述的第一部分、成分、区域、层和/或段也可以描述为第二部分、成分、区域、层和/或段。
本文所使用的术语只是出于描述特定实施例而不意在限制本发明。除非上下文中另给出明显相反的含义，否则本文所使用的单数形式也意在包含复数形式。还应该理解的是，术语“包含”具体指某一特性、领域、整数、步骤、动作、要素及/或成分，但是并不排除其他特性、领域、整数、步骤、动作、要素、成分及/或组的存在或附加。
虽然没有另作定义，但本文使用的所有术语(包含技术术语和科学术语)的含义与所属领域的技术人员通常理解的意思相同。对于辞典里面有定义的术语，应该被解释为具有与相关技术文献和本文中公开的内容一致的意思，而不应该以理想化或过于正式的含义来解释它们的意思。
下面，参照附图详细说明本发明的实施例，以使所属领域的技术人员容易实施本发明。本发明能够以各种不同方式实施，并不局限于下述实施例。
图1示意性地示出了根据本发明的一个实施例的型煤制备方法的流程图。图1的型煤制备方法的流程图只是用于例示本发明，本发明不限于此。因此，可以对型煤制备方法作出各种变形。
如图1所示，型煤制备方法包含：提供粉煤的步骤s10；在粉煤中混入粉末型纤维素醚化合物以提供混煤的步骤s20；在混煤中加入水进行混合的步骤s30；在加入水的混煤中混入固化剂和糖蜜以提供混合物的步骤s40；以及对混合物进行成型以提供型煤的步骤s50。除此之外，根据需要，型煤制备方法还可包含其他步骤。
首先，在步骤s10中提供粉煤。作为粉煤可以使用烟煤(bituminouscoal)、次烟煤(subbituminouscoal)、无烟煤(anthracite)、焦煤等含碳原料。粉煤的粒度可以控制在小于或等于4mm。
接下来，在步骤s20中粉煤中混入纤维素醚化合物以提供混煤。即，将纤维素醚化合物加入到粉煤后，搅匀混煤使其均匀地混合。
在此，使用非液态的粉末型纤维素醚化合物。如果使用粘合剂溶液，则可以使用粘合剂本身的粘度低的羧甲基纤维素(carboxymethylcellulose，cmc)溶液，以提高流动性。然而，由于使用粘度低的粘合剂，存在型煤的强度降低的问题。另外，溶液形式的粘合剂因层分离而难以均匀地保持粘合剂成分，而且运输时需要液罐车等特殊的运输车辆，因此存在运输费用高的缺陷。此外，粘合剂溶液在冬季会结冰，因此不易储藏。
相比之下，使用粉末型纤维素醚化合物作为粘合剂时，由于纤维素醚化合物本身的粘度高，可以制备出强度优异的型煤。另外，由于所使用的纤维素醚化合物为粉末型，可以将体积降至最小，从而易于保存，运输也方便。再者，冬季也不需要担心结冰等问题。因此，适合使用粉末型纤维素醚化合物。
纤维素醚化合物的粘度可为4,000cps至80,000cps。纤维素醚化合物的粘度是指使用博勒飞(brookfield)公司的dv-ii+pro(spindleha)在20±0.1℃下测定浓度为2重量％的纤维素醚化合物水溶液的粘度的值。当纤维素醚化合物的粘度过低时，包含纤维素醚化合物的溶液如水溶液的粘度会过低，从而导致对粉煤的粘结力下降，其结果是型煤的强度会降低。另外，当纤维素醚化合物的粘度过高时，纤维素醚化合物的分子量过高导致水溶性下降，对粉煤的粘结力不够充分。因此，优选将纤维素醚化合物的粘度控制在前述的范围。
纤维素醚化合物可包含甲基纤维素(mc)、羟乙基纤维素(hec)、羟丙基纤维素(hpc)、羟丙基甲基纤维素(hpmc)或羟乙基甲基纤维素(hemc)等。
甲基纤维素(mc)具有18wt％～32wt％的甲基取代度，羟乙基纤维素(hec)具有20wt％～80wt％的羟乙基取代度。另外，羟丙基纤维素(hpc)具有20wt％～80wt％的羟丙基取代度，羟丙基甲基纤维素(hpmc)具有18wt％～32wt％的甲基取代度及2wt％～14wt％的羟丙基取代度。此外，羟乙基甲基纤维素(hemc)具有18wt％～32wt％的甲基取代度及2wt％～14wt％的羟乙基取代度。纤维素醚化合物可以不包含羧甲基纤维素(carboxymethylcellulose，cmc)。
另外，粉末型纤维素醚化合物的平均粒度可为50μm至100μm。当粉末型纤维素醚化合物的粒度过小时，其制备工艺费用会上升。另外，当纤维素醚化合物的粒度过大时，纤维素醚化合物的比表面积变小，其水溶性下降，用此制备出的型煤的强度会降低。因此，优选将粉末型纤维素醚化合物的粒度控制在前述的范围。更具体地，粉末型纤维素醚化合物的平均粒度可为78μm。此时，粉末型纤维素醚化合物的粒度为0.18mm以下的可占97％以上。
粉煤的平均粒度与纤维素醚化合物的平均粒度之比可为7至30。更具体地，粉煤的平均粒度与纤维素醚化合物的平均粒度之比可为10至20。当平均粒度之比过大或过小时，纤维素醚化合物作为粘合剂在粉煤中无法充分地发挥粘结能力。因此，优选将平均粒度之比保持在前述的范围。
接着，在步骤s30中混煤中加入水进行混合。当粉末型纤维素醚化合物均匀分布的混煤中加入水时，分散于粉煤中的纤维素醚化合物溶解在水中，其结果纤维素醚化合物被溶解而发挥与粉煤的粘结力，从而可以大大提高后续工艺中制备的型煤的强度。如上所述，不是将液态粘合剂直接混入粉煤，而是先将粉末型纤维素醚化合物混入粉煤而得到的混合物中再混入水，从而分开各工艺，由此可以制备出具有优异的强度且工艺费用降至最低的型煤。
接下来，在步骤s40中，加入水的混煤中混入固化剂和糖蜜以提供混合物。具体地，将0.5wt％至3.0wt％的固化剂和3wt％至12wt％的糖蜜进行混合以制备混合物。作为固化剂可以使用生石灰、消石灰、碳酸钙、石灰石、水泥、膨润土、黏土(clay)、二氧化硅、硅酸盐、白云石、磷酸、硫酸或氧化物等。当固化剂的量过少时，不会充分地发生粘合剂和固化剂的化学键合，因此无法确保充分的型煤强度。此外，当固化剂的量过多时，型煤中的灰分(ash)成分增多，因而在熔融气化炉中型煤作为燃料无法发挥充分的作用。因此，可以将固化剂的量控制在前述的范围。
当糖蜜的量过少时，型煤的强度可能会变差。此外，当糖蜜的量过多时，在对混合物进行成型的过程中会发生附着等问题。因此，可以将糖蜜的量控制在前述的范围。更具体地，固化剂的量可为1.0wt％至2.5wt％，糖蜜的量可为5wt％至10wt％。
此时，混合物中包含的水分的量可为1wt％至13wt％。
另外，步骤s30中的加入水进行混合之后，步骤s40中的混合固化剂和糖蜜的顺序也很重要。对于与水的亲和性，固化剂和糖蜜好于纤维素醚化合物。不同于本发明的一个实施例，先将纤维素醚化合物与固化剂和糖蜜进行混合后，再加入水时，水分先与亲和性好的固化剂和糖蜜进行反应，从而可能会出现无法使纤维素醚化合物完全溶解的情况。
也就是说，步骤s20中将粉末型纤维素醚化合物均匀地分散于粉煤，而步骤s30中加入液态水使其与混合在粉煤中的粉末型纤维素醚化合物接触，以在粉煤中使粉末型纤维素醚化合物均匀地溶解，然后在步骤s40中提供均匀地混合固化剂和糖蜜的混合物，这样才能制备出具有优异的强度的型煤。
另外，虽然图1中未示出，但是在步骤s40之后，还可以增加对混合物进行干燥的步骤。也是就是说，当需要调节加入粉煤、粉末型纤维素醚化合物、水、固化剂和糖蜜的混合物的成型性时，可以对混合物进行干燥以去除部分水分。其结果，后续工艺中可以大大提高制备型煤的操作性及型煤的强度。
最后，步骤s50中对混合物进行成型以提供型煤。例如，将混合物装入一对压辊之间进行压制，从而可以制备小块(pocket)或条状型煤。其结果，可以制备具有优异的热强度及冷强度的型煤。
在此，型煤中包含的纤维素醚化合物的量可为0.1wt％至0.7wt％。更优选地，纤维素醚化合物的量可为0.2wt％至0.5wt％。当纤维素醚化合物的量过多时，型煤制备成本会上升。此外，当纤维素醚化合物的量过少时，无法表现出充分的结合力，因而型煤的强度会降低。因此，优选将纤维素醚化合物的量控制在前述的范围。
另外，型煤中包含的固化剂的量可为0.5wt％至3.0wt％。更优选地，固化剂的量可为1.0wt％至2.5wt％。当固化剂的的量过少时，不会充分地发生粘合剂和固化剂的化学键合，因此无法确保充分的型煤强度。此外，当固化剂的量过多时，型煤中的灰分(ash)成分增多，因而在熔融气化炉中型煤作为燃料无法发挥充分的作用。因此，优选将固化剂的量控制在前述的范围。
另一方面，型煤中包含的糖蜜的量可为3wt％至12wt％。更优选地，糖蜜的量可为5wt％至10wt％。当糖蜜的的量过少时，型煤的强度会变差。此外，当糖蜜的量过多时，在对混合物进行成型的过程中会发生附着等问题。因此，优选将糖蜜的量控制在前述的范围。
另外，型煤中包含的水分的量可为3wt％至13wt％。更优选地，水分的量可为5wt％至11wt％。当水分的量过多时，存在混合物难以成型的问题。此外，当水分的的量过少时，型煤的冷强度可能会降低。因此，优选将水分的量控制在前述的范围。
因此，通过前述的方法制备的型煤包含0.1wt％至0.7wt％的纤维素醚化合物、0.5wt％至3.0wt％的固化剂、3wt％至12wt％的糖蜜、3wt％至13wt％的水分及余量的粉煤。更优选地，可包含0.2wt％至0.5wt％的纤维素醚化合物、1.0wt％至2.5wt％的固化剂、5wt％至10wt％的糖蜜、5wt％至11wt％的水分及余量的粉煤。
图2示意性地示出了使用图1中制备的型煤的铁水制备装置100。图2的铁水制备装置100的结构只是用于例示本发明，本发明不限于此。因此，可以将图2的铁水制备装置100变形为各种形式。
图2的铁水制备装置100包含熔融气化炉10和填充床还原炉20。除此之外，根据需要，可以包含其他装置。填充床还原炉20中装入铁矿石进行还原。装入填充床还原炉20的铁矿石被预干燥后经过填充床还原炉20制成还原铁。填充床还原炉20作为填充床还原炉从熔融气化炉10接收还原气体而在其内部形成填充床。
通过图1的制备方法来制备的型煤装入熔融气化炉10，因而在熔融气化炉10的内部会形成煤填充床。熔融气化炉10的顶部形成有穹顶部101，即相对于熔融气化炉10的其他部分形成较宽的空间，其中存在高温还原气体。因此，由于高温还原气体，装入穹顶部101的型煤通过热解反应变成煤焦(char)。通过型煤的热解反应而产生的煤焦移至熔融气化炉10的下方与通过风口30供应的氧气进行发热反应。其结果，型煤可以作为将熔融气化炉10保持高温的热源来使用。另外，煤焦提供透气性，因此在熔融气化炉10的下方产生的大量气体和从填充床还原炉20供应的还原铁可以更容易且均匀地通过熔融气化炉10内的煤填充床。
除了所述的型煤之外，还可以根据需要将块煤或焦煤装入熔融气化炉10。熔融气化炉10的外壁上设置风口30用于吹入氧气。氧气被吹入煤填充床而形成燃烧带。型煤在燃烧带燃烧会产生还原气体。
图3示意性地示出了使用图1中制备的型煤的铁水制备装置200。图3的铁水制备装置200的结构只是用于例示本发明，本发明不限于此。因此，可以将图3的铁水制备装置200变形为各种形式。图3的铁水制备装置200的结构类似于图2的铁水制备装置100的结构，因此相同的部分采用相同的附图标记，并省略其详细说明。
如图3所示，铁水制备装置200包含熔融气化炉10、流化床还原炉22、还原铁压缩装置40及压缩还原铁储存槽50，其中压缩还原铁储存槽50可以省略。
所制备的型煤装入熔融气化炉10。型煤在熔融气化炉10产生还原气体，而产生的还原气体供应到流化床还原炉22。粉铁矿供应到具有流化床的多个还原炉22，从熔融气化炉10供应到流化床还原炉22的还原气体使粉铁矿流动并还原成还原铁。还原铁被还原铁压缩装置40压缩后储存到压缩还原铁储存槽50。压缩后的还原铁与型煤一起装入熔融气化炉10，从压缩还原铁储存槽50装入的还原铁在熔融气化炉10中熔化。型煤供应到熔融气化炉10变成具有透气性的煤焦，因此在熔融气化炉10的下方产生的大量气体和压缩后的还原铁会更容易且均匀地通过熔融气化炉10内的煤填充床，从而可以提供优质的铁水。
另外，型煤中使用糖蜜和几乎没有碱成分的纤维素醚化合物作为混合粘合剂，从而可以减少碱成分。因此，可以缓解因碱成分含量高的糖蜜而在流化床还原炉22内的分配板(未图示)或旋流器(未图示)上沉积钾等碱金属造成堵塞的现象。
下面通过实验例更详细地说明本发明。下述实验例只是用于例示本发明，本发明不限于下述实验例。
实验例
将3.4mm以下的粉煤和0.2mm以下的纤维素醚化合物粉末、水、固化剂生石灰、糖蜜按顺序进行混合，从而制备出混合物。作为粉煤混合使用硬焦煤、软焦煤和粉焦煤，而纤维素醚化合物使用了三星精密化学株式会社的羟丙基甲基纤维素(hpmc，
实验例1
先将水分含量为7.6％、平均粒度为1.1mm的100重量份的粉煤和平均粒度为78μm、粘度为28,000cps的0.3重量份的hpmc粉末进行混合，然后加入3重量份的水再进行混合。接下来，混合1.89重量份的生石灰后，再混合7重量份的糖蜜，从而制备出混合物。然后，将混合物装入一对压辊之间，从而制备出型煤。其余实验过程与前述的实验例相同。
实验例2
先将水分含量为7.5％、平均粒度为1.1mm的100重量份的粉煤和平均粒度为78μm、粘度为28,000cps的0.5重量份的hpmc粉末进行混合，然后加入5重量份的水再进行混合。接下来，混合1.35重量份的生石灰后，再混合5重量份的糖蜜，从而制备出混合物。然后，将混合物装入一对压辊之间，从而制备出型煤。其余实验过程与前述的实验例1相同。
对比例1
将水分含量为7.6％、平均粒度为1.1mm的100重量份的粉煤和平均粒度为78μm、粘度为28,000cps的0.3重量份的hpmc粉末及1.89重量份的生石灰进行混合。接下来，加入3重量份的水及7重量份的糖蜜再进行混合，从而制备出混合物。然后，将混合物装入一对压辊之间，从而制备出型煤。其余实验过程与前述的实验例1相同。
对比例2
将水分含量为7.7％、平均粒度为1.1mm的100重量份的粉煤和平均粒度为78μm、粘度为28,000cps的0.5重量份的hpmc粉末及1.35重量份的生石灰进行混合。接下来，加入5重量份的水及5重量份的糖蜜再进行混合，从而制备出混合物。然后，将混合物装入一对压辊之间，从而制备出型煤。其余实验过程与前述的实验例1相同。
对比例3
同时加入水分含量为7.5％、平均粒度为1.1mm的100重量份的粉煤和平均粒度为78μm、粘度为28,000cps的0.3重量份的hpmc粉末、3重量份的水、1.89重量份的生石灰及7重量份的糖蜜进行混合，从而制备出混合物。然后，将混合物装入一对压辊之间，从而制备出型煤。其余实验过程与前述的实验例1相同。
实验结果
测定了根据前述的实验例1至实验例2、对比例1至对比例3制备的型煤的落下强度和压缩载荷。型煤的落下强度如下计算：将型煤2kg从5m高度自由落下4次后，由具有+20mm以上粒度的型煤比例来计算。此外，对于型煤的压缩载荷，测定了以50mm/min的速度压缩时的最大载荷，将20个型煤试样的平均值作为压缩载荷，其结果示于下表1中。
【表1】
如表1所示，实验例1至实验例2中，先将粉煤和hpmc粉末进行混合后，加入水再进行混合，然后依次混合生石灰和糖蜜，从而制备出型煤的情况下，型煤的落下强度及压缩载荷优异。相比之下，根据对比例1至对比例3制备的型煤的落下强度及压缩载荷远小于根据实验例1至实验例2制备的型煤的落下强度及压缩载荷。因此，对纤维素醚化合物、糖蜜、固化剂的混合顺序进行控制以求均匀混合，从而制备出型煤时，落下强度及压缩载荷更为优异。
本发明能以各种不同方式实施并不局限于所述的实施例，所属领域的普通技术人员可以理解在不变更本发明的技术思想或必要特征的情况下通过其他具体方式能够实施本发明。因此，应该理解以上所述的实施例是示例性的，而并非用来限制本发明。
符号说明
10：熔融气化炉
20：填充床还原炉
22：流化床还原炉
30：风口
40：还原铁压缩装置
50：压缩还原铁储存槽
100、200：铁水制备装置
101：穹顶部
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