本发明涉及高炉喷煤技术领域，具体涉及一种高炉喷吹兰炭添加剂及其制备和使用方法。
背景技术：
随着高炉喷吹量的不断增长，钢铁企业对无烟煤的需求量日益增长。而无烟煤储量仅占我国煤炭储量的10.9％，稀缺性不断凸显，价格也逐渐升高。用低价燃料替代部分价格昂贵的无烟煤是降低炼铁成本的有效措施之一。因此各钢铁厂迫切寻求既能保证降低焦比，又能达到降低生产成本的低价燃料作为炼铁系统中的燃料。
兰炭是低变质煤中低温干馏梯级转化的固体产物，被认定为一种清洁能源，具有固定碳高、化学活性高，低灰分、低铝、低硫、低磷等特点。兰炭不仅质量和性能均优于无烟煤，而且价格也低于无烟煤。同时，我国低阶煤储量丰富，发展兰炭产业是国家能源优化战略的需求，兰炭产业前景广阔，因此，兰炭的市场供应充足。基于兰炭的以上优良特性，兰炭作为一种替代燃料引起了国内外企业的高度重视，纷纷开始探索将价格低廉的兰炭作为替代燃料应用于高炉喷吹中。国内的宝钢、包钢、首钢、鞍钢、酒钢、宁钢、南钢等企业已经开展了前期工业喷吹试验，结果表明，半焦具有输送性能良好、无爆炸性和发热量高的优势，是潜在的优良高炉喷吹燃料之一，具有良好的应用前景。但是，目前兰炭并没有大规模应用于高炉喷吹中，只是在个别企业中试验性投入使用，这主要是因为在使用兰炭过程中存在着突出的一些问题，主要表现在如下几个方面：
(1)当前通用的高炉喷吹煤粉制粉工艺，对烟煤与无烟煤的混合煤磨粉过程中具有良好效果，但是当使用兰炭代替无烟煤之后，由于兰炭可磨性差，出现烟煤已达到粒度要求而兰炭颗粒仍然较大的情况，造成制粉效率低下，影响高炉制粉的出力，导致兰炭只能替代部分无烟煤用于高炉喷吹，多数控制兰炭配比仅在20～40％。
(2)利用当前系统制成的兰炭粉末，兰炭颗粒大，呈现出明显的尖锐棱角，这使得兰炭粉末对布袋收粉器、输送管道以及喷枪的磨损效果远远的大于烟煤无烟煤粉末，导致相关设备服役周期大幅降低，从而影响了生产效率，同时增加了安全生产隐患风险。
(3)煤灰熔融特性是高炉喷煤的一个重要指标，煤灰的熔融温度可反映出煤中矿物质在高炉中的动态。一些兰炭变形温度(dt)、软化温度(st)、半球温度(ht)和流动温度(ft)四种温度均很低。较低的熔融特性温度极可能造成煤灰在风口高温区熔融结渣阻塞煤枪，同时也会包裹煤粉影响燃烧率，对高炉冶炼造成不利。
(4)目前的高炉喷吹配煤方案多采用无烟煤掺配少量烟煤，一般控制挥发份在18-24％，这样既保证了配合煤的着火燃烧性能，同时，控制配合煤的爆炸性在合理范围。但是，兰炭的挥发份一般在10％左右，如果进一步提高兰炭的配入量或者完全替代烟煤，势必影响燃料的燃烧性能。
技术实现要素：
发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种高炉喷吹兰炭添加剂，该添加剂能够提高兰炭的可磨性和灰熔点，增强兰炭的燃烧效果，进而提高兰炭在高炉中的喷吹量。
本发明的第二目的是提供一种上述高炉喷吹兰炭添加剂的制备方法。
本发明的第三目的是提供一种上述高炉喷吹兰炭添加剂的使用方法。
技术方案：本发明所述的一种高炉喷吹兰炭添加剂，成分组成以质量百分比计含有助磨剂0.1～0.25％、复合废渣型催化剂58～80％、复合化合物型催化剂18～40％以及分散剂1～4％。
具体的，所述助磨剂的成分组成以质量百分比计含有木质素磺酸钙45～55％、糖钙45～55％。木质素磺酸钙和糖钙有良好的助磨作用，这些助磨剂吸附在颗粒表面上，颗粒表面的强度和硬度发生改变。当完全吸附时，颗粒的耐磨性最小，表面硬度也最小，使研磨更易进行，且大大提高了细度。加入助磨剂后，有效提高了工业废渣研磨的细度，进一步提高了添加剂的效果。同时，助磨剂的添加，也有效提高了兰炭的可磨性，使兰炭与煤粉的可磨性相当，保证了磨机的出力与制粉效果。
所述复合废渣型催化剂的成分组成以质量百分比计含有钢渣30～40wt％、冷轧氧化铁渣20～30％、铬渣5～15％、锰渣5～15％以及钡渣5～15％。复合废渣型催化剂利用工业废渣做催化剂，大大降低了原料成本，节约资源，环境友好。并且，本发明采用的钢渣、冷轧氧化铁渣、铬渣、锰渣和钡渣含有大量过渡金属氧化物和少量的碱金属氧化物，这些氧化物的加入，在两相间形成极性相反的离子化电位差，从而减弱了原有的电动势，降低了燃烧所需的活化能，使反应的着火温度降低，燃烧更易进行，从而加快了兰炭燃烧速率，促进兰炭的完全燃烧，提高了燃烧效率。
所述复合化合物型催化剂的成分组成以质量百分比计含有氧化钙30～40％、二氧化锰为40～50％以及碳酸钡20～30％。这些碱性氧化物和过渡金属氧化物起到了高效的催化助燃作用，由于化合物价格相对较高，在本发明的添加剂中主要起到调节复合废渣型催化剂催化助燃效果的作用。
所述分散剂为粒度小于100nm的气相白炭黑。气相白炭黑起到的是分散作用，加入后，添加剂中其他助剂能更好的分散在水中，混合更均匀，提高了添加剂的利用效率。
对应于上述高炉喷吹兰炭添加剂，本发明提供的制备方法所采用的技术方案包括如下步骤：
(1)将助磨剂中的20～40％溶解到2～4倍质量的水中，制得助磨剂溶液；
(2)将助磨剂溶液均匀地喷洒在复合废渣型催化剂和复合化合物型催化剂的表面，并研磨至粒径小于100μm，得到细粉；
(3)将细粉、分散剂以及剩余60～80％的助磨剂作为原料，配加2～5倍质量的水混合，搅拌后得到添加剂。
而本发明提供的上述高炉喷吹兰炭添加剂的使用方法，所采用的技术方案，以兰炭质量的0.3～0.6％配加添加剂，配加前将添加剂充分搅拌均匀，然后通过雾化喷嘴喷洒在入磨机的输送皮带兰炭上部，通过中速磨研磨，并将其混匀，然后通过喷吹罐流化，并经煤枪将混合燃料喷入高炉回旋区内。
有益效果：该高炉喷吹兰炭添加剂，改善了当前高炉喷吹的煤粉制粉工艺中存在的兰炭难以磨碎的情况，提高兰炭使用率与生产效率；减少了兰炭大颗粒与不规则边角颗粒的数量，从而有效减轻输送管道以及喷枪的磨损情况，延长了这些设备的寿命；通过改变煤灰化学成分的性质和数量，提高兰炭的灰熔点，减轻喷枪口结渣现象，提高了兰炭喷吹的可行性和喷吹效率；同时，将兰炭代替无烟煤、烟煤作为高炉喷吹原材料，不仅可以降低生产成本，而且减少了污染排放；此外，该添加剂同时促进了工业固体废渣的高附加值利用，通过高炉的还原性气氛和高温环境，可以将铬渣、钡渣等危险废渣达到无害化处理；添加剂中的工业废渣含有极少量的k、na等高炉炼铁有害元素，因此，不会对高炉生产产生不利影响；该添加剂是一种液体添加剂，与兰炭混合时便于喷洒均匀，使用方便，不需要对现有高炉喷吹的制粉工艺进行大的改造。添加剂的添加量小，效果好；兰炭种类适应性好，易于推广应用。
综合而言，本发明的高炉喷吹兰炭添加剂具有成本低廉、节约资源和环境友好的特点，用该方法制备的兰炭添加剂能够使兰炭的可磨性和灰熔点提高、燃烧效果向好，大大提高了兰炭在高炉中喷吹量，适用于高炉喷吹兰炭的大规模的推广应用。
具体实施方式
下面，结合具体的实施例对本发明做进一步详细说明。
需要说明的是，以下各实施例均为实施过程中若干个例组合搭配的形成的试验组，为了避免重复描述，各组实施例的高炉喷吹兰炭添加剂中：助磨剂的成分组成以质量百分比计均为木质素磺酸钙45～55％、糖钙45～55％；复合废渣型催化剂的成分组成以质量百分比计均为钢渣30～40wt％、冷轧氧化铁渣20～30％、铬渣5～15％、锰渣5～15％以及钡渣5～15％；复合化合物型催化剂的成分组成以质量百分比计均为氧化钙30～40％、二氧化锰为40～50％以及碳酸钡20～30％。具体各组分的含量在不同个例中各有区别，但均控制在本发明的要求范围内。而分散剂为粒度小于100nm的气相白炭黑。
实施例1：该组实施例中高炉喷吹兰炭添加剂的成分组成为：助磨剂0.15～0.20wt％，复合废渣型催化剂67～75wt％，复合化合物型催化剂22～30wt％，分散剂为2～3wt％。
其制备步骤如下：
(1)将助磨剂中的25～30％溶解到2～4倍质量的水中，制得助磨剂溶液；
(2)将助磨剂溶液均匀地喷洒在复合废渣型催化剂和复合化合物型催化剂的表面，并研磨至粒径小于100μm，得到细粉；
(3)将细粉、分散剂以及剩余的助磨剂作为原料，配加3～4倍质量的水混合，搅拌后得到添加剂。
将该组实施例制得的添加剂配加至高炉喷吹兰炭中，具体以兰炭质量的0.3％配加添加剂，在行星球磨机中以200r/min研磨30min。结果表明，大颗粒兰炭比例显著降低，小于200μm的兰炭粉比例提高了2.2～5.1％，灰熔点提高了10.3～28.5℃；显微镜下观察发现大颗粒的数量减少，且兰炭边角更为圆滑；在沉降炉和热重上进行模拟燃烧实验，结果表明：兰炭的着火温度降低了10.4～16.5℃；燃尽度提高了2.3～4.5％。
实施例2：该组实施例中高炉喷吹兰炭添加剂的成分组成为：助磨剂0.2～0.25wt％，复合废渣型催化剂72～77wt％，复合化合物型催化剂20～25wt％，分散剂为2～3wt％。
其制备步骤如下：
(1)将助磨剂中的30～35％溶解到2～4倍质量的水中，制得助磨剂溶液；
(2)将助磨剂溶液均匀地喷洒在复合废渣型催化剂和复合化合物型催化剂的表面，并研磨至粒径小于100μm，得到细粉；
(3)将细粉、分散剂以及剩余的助磨剂作为原料，配加3～4倍质量的水混合，搅拌后得到添加剂。
将该组实施例制得的添加剂配加至高炉喷吹兰炭中，具体以兰炭质量的0.3％配加添加剂，在行星球磨机中以200r/min研磨30min。结果表明，大颗粒兰炭比例显著降低，小于200μm的兰炭粉比例提高了2.1～4.9％，灰熔点提高了11.6～29.5℃；显微镜下观察发现大颗粒的数量减少，且兰炭边角更为圆滑；在沉降炉和热重上进行模拟燃烧实验，结果表明：兰炭的着火温度降低了10.8～14.5℃；燃尽度提高了1.9～3.8％。
实施例3：该组实施例中高炉喷吹兰炭添加剂的成分组成为：助磨剂0.1～0.17wt％，复合废渣型催化剂75～80wt％，复合化合物型催化剂18～23wt％，分散剂为1～2wt％。
其制备步骤如下：
(1)将助磨剂中的20～28％溶解到2～4倍质量的水中，制得助磨剂溶液；
(2)将助磨剂溶液均匀地喷洒在复合废渣型催化剂和复合化合物型催化剂的表面，并研磨至粒径小于100μm，得到细粉；
(3)将细粉、分散剂以及剩余的助磨剂作为原料，配加2～3倍质量的水混合，搅拌后得到添加剂。
将该组实施例制得的添加剂配加至高炉喷吹兰炭中，具体以兰炭质量的0.5％配加添加剂，在行星球磨机中以200r/min研磨30min。结果表明，大颗粒兰炭比例显著降低，小于200μm的兰炭粉比例提高了2.7～5.3％，灰熔点提高了10.6～29.1℃；显微镜下观察发现大颗粒的数量减少，且兰炭边角更为圆滑；在沉降炉和热重上进行模拟燃烧实验，结果表明：兰炭的着火温度降低了10.2～13.9℃；燃尽度提高了1.8～3.6％。
实施例4：该组实施例中高炉喷吹兰炭添加剂的成分组成为：助磨剂0.13～0.21wt％，复合废渣型催化剂58～64wt％，复合化合物型催化剂32～40wt％，分散剂为1～4wt％。
其制备步骤如下：
(1)将助磨剂中的35～40％溶解到2～4倍质量的水中，制得助磨剂溶液；
(2)将助磨剂溶液均匀地喷洒在复合废渣型催化剂和复合化合物型催化剂的表面，并研磨至粒径小于100μm，得到细粉；
(3)将细粉、分散剂以及剩余的助磨剂作为原料，配加4～5倍质量的水混合，搅拌后得到添加剂。
将该组实施例制得的添加剂配加至高炉喷吹兰炭中，具体以兰炭质量的0.6％配加添加剂，在行星球磨机中以200r/min研磨30min。结果表明，大颗粒兰炭比例显著降低，小于200μm的兰炭粉比例提高了2.2～5.0％，灰熔点提高了13.1～29.7℃；显微镜下观察发现大颗粒的数量减少，且兰炭边角更为圆滑；在沉降炉和热重上进行模拟燃烧实验，结果表明：兰炭的着火温度降低了12.6～15.1℃；燃尽度提高了2.6～4.9％。
通过上述各组实施例，可以证明，通过添加本发明的添加剂，可以使得兰炭的可磨性提高、粒度降低、颗粒边角圆滑、灰熔点提高、燃烧效果更好；从而使兰炭更加适用于高炉制粉及喷吹的工业应用中，为在高炉喷吹系统中最终实现兰炭完全替代煤，实现去煤化奠定良好基础。