1.本发明属于钢铁冶炼节能技术领域，具体涉及一种高炉煤粉助燃剂及其制备方法和应用。


背景技术：

2.高炉喷煤粉是冶金炼铁系统结构优化的中心环节，是国内外炼铁技术发展、节能降耗降成本、降排减小环境污染的有利手段。高炉喷煤粉过程中，实现高风温、进行脱湿和富氧鼓风、提高炉料透气性和高炉富氧操作水平、改进喷吹煤粉的缺陷、优化喷吹煤种、均匀喷吹煤粉、改善燃烧条件等技术环节都需添加煤粉助燃剂。
3.添加煤粉助燃剂是一个综合性的冶金反应过程。炉内焦炭在风口前为1000~1300
°
左右的热空气作用，燃烧生成含co、h2、n2的还原性高温混合煤气。风口前端由焦炭填充部分，在强大的鼓风动能作用下被吹松，从而形成燃烧空间。热风中的o2和焦炭中碳的燃烧反应可用以下表示：c+o2→
co2（+8080千卡/公斤）co2+c
→
2co（
‑
3180千卡/公斤）h2o+c
→
co+h2（
‑
2366千卡/公斤）对高炉煤粉助燃剂的使用已有较多研究。如专利文献cn103266190a报道了一种多功能添加剂，使用到了5~30%的稀土氧化物ceo2，成本较高；专利文献cn108504414a报道了一种提高高炉喷吹煤粉燃烧率的助燃剂，以除尘灰、钢渣和白云石为原料制备喷煤助燃剂，实现烧结粉尘和钢渣中fe、ca、mg、al等矿物资源的有效地回收和利用，但是助燃剂中含有35~45%的cao，碱金属元素的使用对于高炉的安全稳定运行产生潜在的威胁；专利文献cn112048349a提供了一种以钢渣粉为主要原料的煤粉助燃剂，使用助燃剂后煤粉在风口回旋区内的燃烧率可以提升2.1％，提升效率不是很高。可以看到，提出一种低含量碱金属、成本低、助燃效果好的高炉煤粉用助燃剂十分必要。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高炉煤粉助燃剂及其制备方法和应用，助燃剂的原料以炼钢废物及常见的物料为原料，含有极低的碱金属，助燃效果好。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高炉煤粉助燃剂，以重量百分比计，由以下原料制得：改性菱铁矿30~40%，铁红30~40%，二氧化锰5~15%，除灰尘5~15%，偏钒酸铵5~15%，铝粉1~4%。
6.优选的，以重量百分比计，一种高炉煤粉助燃剂，由以下原料制得：改性菱铁矿32~35%，铁红32~35%，二氧化锰8~12%，除灰尘8~12%，偏钒酸铵8~12%，铝粉1.5~3.5。
7.优选的，所述改性菱铁矿的制备包括以下步骤：将菱铁矿置于850℃下焙烧5~10h得到。
8.优选的，所述铝粉为工业铝粉；所述铝粉中活性铝的质量分数不低于95%。
9.优选的，所述铝粉中粒度小于等于0.04mm的部分占比不低于96%。
10.优选的，所述除尘灰为烧结机机头灰。
11.同时，本发明还提供一种上述高炉煤粉助燃剂的制备方法，包括如下步骤：将改性菱铁矿、铁红、二氧化锰、除尘灰和偏钒酸铵按比例称取后混合均匀，研磨至粒度小于等于0.04mm的部分占比不小于80%，随后加入铝粉，再次混合均匀，即得助燃剂。
12.同时，本发明还提供一种上述方法制备得到的助燃剂在高炉喷煤助燃中的应用。
13.优选的，所述助燃剂的质量为煤粉总质量的0.5%~1.5%。
14.优选的，所述助燃剂和煤粉混合均匀后，经喷吹进入高炉燃烧。
15.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：（1）本发明选用的原料常见，来源广泛，通过合理的搭配能够从不同阶段促进煤粉的燃烧，提高煤粉的综合燃烧效率。
16.（2）菱铁矿是我国丰富的矿产资源，经过高温焙烧后物相以fe2o3为主，同时还含有部分fe3o4。在燃烧过程中，释放的铁离子能够和煤粉中不稳定的含氧官能团相结合，破坏煤粉的结构，促进煤粉中易挥发成分的挥发，达到优化煤粉的孔道结构，使其更易燃、燃烧的更加充分。
17.（3）偏钒酸铵的分解温度在200
°
左右，分解的产物为高活性的v2o5；其中，钒是可变价金属，按照煤粉燃烧的氧传递理论来看，v2o5中的v能够变价，起到氧传递的作用，加快氧气扩散速度，使得煤粉的燃烧更易于进行。
18.（4）除灰尘是炼钢厂的副产物，通过对除灰尘的使用，能够实现资源的二次利用，降低环境污染。铁红同样是炼钢厂的副产物，铁红的使用，一方面能够起到和菱铁矿类似的作用；同时，还能够释放氧气，强化煤粉在风口回旋区的燃烧，提升煤粉燃烧速率，减少高炉内未燃煤粉含量，达到改善煤粉燃烧的效果。
19.（5）本发明在助燃剂中使用少量的铝粉，铝粉燃烧剧烈，能够显著降低煤粉的点火温度，同时加快煤粉的燃烧过程；同时，铝粉燃烧过程中还可以与高炉中的水蒸气在风口前反应产生少量氢气，气体浓度的增加使得煤粉粘度降低，优化煤粉孔道结构，进一步促进煤粉的充分燃烧。
20.总之，本发明通过合理选用助燃剂的种类，以常见的菱铁矿和铁红为主要原料，复配以少量的二氧化锰、除灰尘、偏钒酸铵和铝粉，既能够降低煤粉的着火点（降幅可达50~60℃），同时能够通过优化煤粉结构以及基于氧传递理论实现煤粉的充分燃烧，从多个维度促进煤粉的燃烧，实现煤粉的高效助燃（助燃效率值高达17%左右）。克服了现有技术中单纯使用钢厂副产物助燃效率低的不足，同时极大的避免了碱金属元素的使用。
具体实施方式
21.下面将结合具体实施方式对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。所有原料均可通过钢厂或市售获得。
22.实施例1一种高炉煤粉助燃剂，以重量百分比计，由以下原料制得：改性菱铁矿35%，铁红
35%，二氧化锰8%，除灰尘10%，偏钒酸铵10%，铝粉2%。
23.其中，所述改性菱铁矿的制备方法如下：将菱铁矿置于850℃下焙烧6h得到。
24.其中，所述铝粉为工业铝粉；所述铝粉中活性铝的质量分数不低于95%；所述铝粉中粒度小于等于0.04mm的部分占比不低于96%。
25.其中，所述除尘灰为烧结机机头灰。
26.本实施例中，高炉煤粉助燃剂的制备方法如下：将改性菱铁矿、铁红、二氧化锰、除尘灰和偏钒酸铵按比例称取后混合均匀，研磨至粒度小于等于0.04mm的部分占比不小于80%，随后加入铝粉，再次混合均匀，即得助燃剂。
27.实施例2一种高炉煤粉助燃剂，以重量百分比计，由以下原料制得：改性菱铁矿34%，铁红34%，二氧化锰9%，除灰尘11%，偏钒酸铵10.5%，铝粉1.5%。
28.其中，所述改性菱铁矿的制备方法如下：将菱铁矿置于850℃下焙烧7h得到。
29.其中，所述铝粉为工业铝粉；所述铝粉中活性铝的质量分数不低于95%；所述铝粉中粒度小于等于0.04mm的部分占比不低于96%。
30.其中，所述除尘灰为烧结机机头灰。
31.本实施例中，高炉煤粉助燃剂的制备方法如下：将改性菱铁矿、铁红、二氧化锰、除尘灰和偏钒酸铵按比例称取后混合均匀，研磨至粒度小于等于0.04mm的部分占比不小于80%，随后加入铝粉，再次混合均匀，即得助燃剂。
32.实施例3一种高炉煤粉助燃剂，以重量百分比计，由以下原料制得：改性菱铁矿32%，铁红35%，二氧化锰9%，除灰尘11%，偏钒酸铵11%，铝粉2%。
33.其中，所述改性菱铁矿的制备方法如下：将菱铁矿置于850℃下焙烧6h得到。
34.其中，所述铝粉为工业铝粉；所述铝粉中活性铝的质量分数不低于95%；所述铝粉中粒度小于等于0.04mm的部分占比不低于96%。
35.其中，所述除尘灰为烧结机机头灰。
36.本实施例中，高炉煤粉助燃剂的制备方法如下：将改性菱铁矿、铁红、二氧化锰、除尘灰和偏钒酸铵按比例称取后混合均匀，研磨至粒度小于等于0.04mm的部分占比不小于80%，随后加入铝粉，再次混合均匀，即得助燃剂。
37.实施例4一种高炉煤粉助燃剂，以重量百分比计，由以下原料制得：改性菱铁矿35%，铁红33%，二氧化锰8.5%，除灰尘12%，偏钒酸铵9%，铝粉2.5%。
38.其中，所述改性菱铁矿的制备方法如下：将菱铁矿置于850℃下焙烧6h得到。
39.其中，所述铝粉为工业铝粉；所述铝粉中活性铝的质量分数不低于95%；所述铝粉中粒度小于等于0.04mm的部分占比不低于96%。
40.其中，所述除尘灰为烧结机机头灰。
41.本实施例中，高炉煤粉助燃剂的制备方法如下：将改性菱铁矿、铁红、二氧化锰、除尘灰和偏钒酸铵按比例称取后混合均匀，研磨至粒度小于等于0.04mm的部分占比不小于80%，随后加入铝粉，再次混合均匀，即得助燃剂。
42.对比例1
一种高炉煤粉助燃剂，以重量百分比计，由以下原料制得：改性菱铁矿37%，铁红35%，二氧化锰8%，除灰尘10%，偏钒酸铵10%。
43.其中，所述改性菱铁矿的制备方法如下：将菱铁矿置于850℃下焙烧6h得到。
44.其中，所述除尘灰为烧结机机头灰。
45.本对比例中，高炉煤粉助燃剂的制备方法如下：将改性菱铁矿、铁红、二氧化锰、除尘灰和偏钒酸铵按比例称取后混合均匀，研磨至粒度为0.04mm的部分占比不小于80%，即得助燃剂。
46.对比例2一种高炉煤粉助燃剂，以重量百分比计，由以下原料制得：改性菱铁矿45%，铁红35%，二氧化锰8%，除灰尘10%，铝粉2%。
47.其中，所述改性菱铁矿的制备方法如下：将菱铁矿置于850℃下焙烧6h得到。
48.其中，所述铝粉为工业铝粉；所述铝粉中活性铝的质量分数不低于95%；所述铝粉中粒度小于等于0.04mm的部分占比不低于96%。
49.其中，所述除尘灰为烧结机机头灰。
50.本对比例中，高炉煤粉助燃剂的制备方法如下：将改性菱铁矿、铁红、二氧化锰和除尘灰按比例称取后混合均匀，研磨至粒度小于等于0.04mm的部分占比不小于80%，随后加入铝粉，再次混合均匀，即得助燃剂。
51.对比例3一种高炉煤粉助燃剂，以重量百分比计，由以下原料制得：菱铁矿35%，铁红35%，二氧化锰8%，除灰尘10%，偏钒酸铵10%，铝粉2%。
52.其中，所述铝粉为工业铝粉；所述铝粉中活性铝的质量分数不低于95%；所述铝粉中粒度小于等于0.04mm的部分占比不低于96%。
53.其中，所述除尘灰为烧结机机头灰。
54.本对比例中，高炉煤粉助燃剂的制备方法如下：将菱铁矿、铁红、二氧化锰、除尘灰和偏钒酸铵按比例称取后混合均匀，研磨至粒度小于等于0.04mm的部分占比不小于80%，随后加入铝粉，再次混合均匀，即得助燃剂。
55.将实施例1~4和对比例1~3制得的助燃剂进行性能测试，包括着火点测试、助燃性能测试。
56.（1）着火点测试参照gb/t 18511
‑
2017进行测试，具体测试方法如下：按照煤粉质量0.6%的比例将助燃剂和煤粉进行混合均匀，随后将煤粉及亚硝酸钠按照质量比1:0.75配好，亚硝酸钠的作用是放大着火点信号。测试试样置于微型电炉的铂片上，通电逐渐升温，用光电管和微机系统测定煤粉开始燃烧的温度。
57.同时，对助燃剂、煤粉的着火点进行单独测试，测试方法同上。五次测试取平均值。
58.（2）助燃性能测试测试方法如下：采用静态坩埚燃烧失重法进行测试。首先量取5g的煤粉，并置于刚玉坩埚中，放入900℃马弗炉内保温30 min，随后立即取出冷却、称重，计算煤粉失重率。接着，取同样质量的煤粉，并加入煤粉质量0.6%的助燃剂，混合均匀，接着置于刚玉坩埚中，放入900℃马弗炉内保温30 min，随后立即取出冷却、称重，计算失重率。最后计算得到助燃剂
的助燃效率值。五次测试取平均值。
59.测试结果汇总见表1。
60.表1其中，助燃效率性的计算方法为：加入助燃剂的煤粉的失重百分比与不加入助燃剂的煤粉的失重百分比所得差值。
61.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。