还原熔体的设备及其操作方法 本发明涉及一种通过将含铁材料、碳素材料和熔剂送入熔体还原炉并向其中喷吹纯氧和/或富氧气体，以直接生产铁水或生铁水的还原熔体的设备，和操作该设备的方法。
还原熔体是一种通过将含铁材料、碳素材料和熔剂送入炉体中，向其中喷吹纯氧和/或富氧气体并将炉渣中的含铁材料的氧化铁还原，以直接生产铁水或生铁水的方法。按照这一方法，可在高至1600-1800℃左右的温度下从熔体还原炉中生产出可燃气体。
这类还原熔体的方法通常可分为两段法和一段法。按照两段法，将经过预还原的含铁材料、碳素材料和熔剂送入炉体中，并用从炉体中产生的可燃气体中所含的CO气和H2气将铁矿石预还原。按照一段法，将未经还原地含铁材料、碳素材料和熔剂送入炉体中，含铁材料中的氧化铁在炉渣中被还原，从炉体中产生的可燃气体中的CO气和H2气在废热锅炉中被空气燃烧，可燃气体的显热和潜热通过汽化作用回收而发电(参看例如日本未经审查专利公报(kokai)No.1-502276，No.63-65011，No.63-65007，等)。
两段法的优点为比一段法有较高的能量效率，但是需要有象密实床型或流化床型这样的预还原炉，以致使设备更复杂，需要加大对设备的投资，同时，由于预还原炉中的反应不均匀，对含铁材料的形状作了限制(例如，密实床系统只允许用大块的含铁材料，而流化床系统只允许用粉状的含铁材料)。因此，简单的一段法近年来引起人们的注意。
众所周知，在一段法中，通过加大在炉渣中产生的CO气和H2气在炉渣上方的炉子空间中的燃烧率(以后称为炉子的二次燃烧率，它被定义为(CO2％+H2O％)/(CO2％+CO％+H2O％+H2％)，以将燃烧热有效地传至炉渣，即可提高效率，亦即减少碳素材料的单位需要量，另外，可燃气体的热量，即从炉体产生的显热与潜热之和减少一个碳素材料的单位需要量所减少的量。
在一段法中，如图4所示，重要的是，通过用汽化作用回收从炉体中大量产生的可燃气体的显热和潜热而发出电力，以补偿低于二段法的能量效率，该电力可以出售给公用事业或用于厂中的其它设备，从而有助于减少必须购置的用电量。
但是，为了修补熔体还原炉的炉体耐火材料，必须定期暂停运行，例如如图5所示，每3至12个月一次。这就是说，在运行暂停期间不发电，从而从稳定地供应电力的观点，留下一个问题。例如，当将电力出售给公用事业时，必须将价格定成低的，或是当将电力用于工厂中的其它设备时，工厂中的其它设备的运行就必须中断。
本发明的实施就是为了解决上述问题，其目的在于，即使在为了修补熔体还原炉中的炉体耐火材料而定期地暂停运行时，也能稳定地供应电力。
本发明涉及一种通过将含铁材料、碳素材料和熔剂送入炉体并向其中喷吹纯氧和/或富氧气体，以直接生产铁水或生铁水的熔体还原设备，其中，通过可以自由打开或关闭的导管将废热锅炉和发电设备连在多个炉体上，该废热锅炉能通过汽化作用回收从炉体中产生的可燃气体的显热与潜热。本发明进一步涉及操作熔体还原设备的方法，其特征为，例如，当两个炉子工作时，提高炉子中的二次燃烧率，以减少每个炉子的可燃气体的热量，而当一个炉子工作时，要减少炉子中的二次燃烧率，使一个炉子中的可燃气体的热量成为两倍，以致在一个炉子工作时的热量与两个炉子的可燃气体的总热量相同。
这就是说，在本发明的熔体还原炉中，通常有多个炉子，例如两个炉子，炉子A和炉子B工作，当炉子A的运行暂停，以便修补时，则只有炉子B工作。当炉子B的运行暂停，以便修补时，则只有炉子A工作。这样，通过利用废热而产生的电力可以连续供应而不中断。
当炉子A和炉子B都正常工作时，就提高炉子中的二次燃烧率，以减少每个炉子的可燃气体的热量，而当只有炉子A或炉子B工作时，要减少炉子中的二次燃烧率，使炉子中的可燃气体的热量成为两倍，以致热量与两个炉子的可燃气体的总热量相同。这样，就有可能通过利用废热而恒定地供应电力。
图1是一正剖视图，示意地示出了本发明的一个实施例。
图2是一正剖视图，示意地示出了本发明的另一实施例。
图3(A)和3(B)是曲线图，示出了可燃气体的热量与两个炉子按照本发明工作和暂停时的时间之间的关系。
图3(C)是曲线图，示出了本发明的两个炉子的时间与可燃气体的总热量之间的关系。
图4是正剖视图，示意地示出了现有技术；和
图5是曲线图，示出了当传统的炉子工作和暂停时的时间与可燃气体的热量之间的关系。
现在参考图1至图3(A)、3(B)和3(C)描述本发明的一个实施例。
此实施例涉及一个具有两个炉体、一个通过汽化作用回收从炉体中产生的可燃气体的显热与潜热的废热锅炉和一个发电设备。不用点出，本发明可进一步用于具有三个或更多的炉体的熔体还原设备。
下面参考图1和2说明的首先是当两个炉子A和炉子B都按照本发明在一有一个锅炉、两个炉子的熔体还原设备中工作时的炉子状况和气体流动。熔体还原炉有两个炉子，即炉子A和炉子B，具有外壳的炉体1-a和1-b衬以耐火材料2-a和2-b和用水冷却的板3-a和3-b。在炉体1-a和1-b的上部设有用于投放含铁材料、碳素材料和熔剂的原材料投放口4-a和4-b，和用于排放从炉体中产生的可燃气体的气体排放口5-a和5-b。
在炉体1-a和1-b的底部存放有生铁水7-a、7-b，在铁水上存有其比重小于生铁水7-a，7-b的炉渣8-a和8-b。生铁水7-a和7-b通过生铁口20-a和20-b放出，炉渣8-a和8-b通过出渣口21-a和21-b放出，它们可以是连续地或间歇地进行。
通过原材料投放口4-a和4-b投入的含铁材料中的氧化铁(FeO和Fe2O3)被经过原材料投放口投入的碳素材料中的碳成份在炉渣8-a和8-b中按下式(1)和(2)还原，
……………(1)
………(2)
通过原材料投放口4-a和4-b投入的碳素材料中的一部分碳成分通过炉体1-a和1-b并被通过朝着炉渣8-a和8-b排列的下风嘴9-a和9-b吹入炉渣8-a和8-b的氧气按照下式(3)的反应氧化，
………(3)
熔体还原炉的效率，即碳素材料的单位需要量由式(1)、(2)和(3)的反应所需要的碳成份的和确定。
另外，用上述式(1)、(2)和(3)表示的在炉渣8-a和8-b中产生的CO气，和碳素材料中的氢成份通过炉体1-a和1-b并被通过朝着二次燃烧区排列的上风嘴10-a和10-b吹入二次燃烧区11-a和11-b的氧气按照下式(4)和(5)氧化，
………(4)
………(5)
式(4)和(5)的反应称为炉子中的二次燃烧。众所周知，二次燃烧程度由下式(6)所定义的炉子中的二次燃烧率表示，而且，二次燃烧率随通过上风嘴10-a和10-b吹入二次燃烧区的氧气的流量的增加而加大。
炉子中的二次燃烧率
＝(CO2％+H2O％)/(CO2％+CO％+H2O％+H2％)……(6)
式中，CO2％、CO％、H2O％和H2％代表气体排放口6-a和6-b的可燃气体的成分的体积百分数。
当加大炉子中的二次燃烧率时，用式(4)和(5)表示的二次燃烧区11-a和11-b中的反应热部分地传到炉渣8-a和8-b上。当减少由式(3)表示的为炉渣中的放热反应所需要碳成份时，碳素材料的单位需要量减少，而且可燃气体的热量也减少。
图1示出了炉子A和炉子B都工作时的状况。从炉子A和炉子B产生的高温可燃气体通过设在炉体1-a和1-b的上部的气体排放口5-a和5-b、排放气体导管6-a和6-b、都打开的排放气体风挡19-a和19-b和联合的排放气体导管16被导入废热锅炉12中。在显热和潜热被汽化作用回收以后，可燃气体通过集尘器13、风扇14和烟囱15被排放至系统外面。另一方面，在用可燃气体的显热与潜热加热的废热锅炉12中产生的高压蒸汽通过蒸汽导管16被导入透平17中并由发电机18转变成电能。
图2示出了炉子A在工作而炉子B不工作的状况。从炉子A产生的高温可燃气体通过设在炉体2-a的上部的气体排放口5-a、排放气体导管6-a和打开的排放气体风挡19-a被导入废热锅炉12中。在显热和潜热被汽化作用回收以后，可燃气体通过集尘器13、风扇14和烟囱15被排放至系统外面。
另一方面，在用可燃气体的显热与潜热加热的废热锅炉12中产生的高压蒸汽通过蒸汽导管16被导入透平17中并由发电机18转变成电能。在此情况下，废气风档19-b关闭。因此，即使炉子B不工作，也不妨碍炉子A的运行或妨碍通过汽化作用回收可燃气体的显热和潜热。
下面描述的是具有两个炉体(炉子A和炉子B)、一个废热锅炉和一个发电设备的熔体还原设备的运行的一个实施例。
首先是两个炉子的炉子A和炉子B都按一般方式工作。在此情况下，首先将两个炉子的可燃气体的总热量设定为300Gcal/h，将产生的动力设定为与上述热量对应的120KW，含铁材料与碳素材料按表1所示的量投入，纯氧气通过上风嘴按氧气量以28000m3/h的流量喷吹，从炉体中产生的可燃气体在炉子的二次燃烧区中以高的二次燃烧率(70％)燃烧。
其结果为，如表1所示，两个炉子的可燃气体的总热量为304Gcal/h，所发出电力量为124KW。
其次，如图2所示，炉子B的运行暂停，含铁材料与碳素材料按表1所示的量只送入炉子A中。所得到的可燃气体的热量的目标值同两个炉子工作时的情况一样设定为300Gcal/h，纯氧气通过上风嘴按氧气量以2400m3/h的流量喷吹，从炉体中产生的可燃气体在炉子中的二次燃烧区以低的二次燃烧率(40％)燃烧。
表1
当两个炉子工作时 当一个炉子工作时二次燃烧率 高 低含铁材料量 每个炉子 69.0 69.0(t/h) 两个炉子总共 138.0 69.0碳素材料量 每个炉子 38.6 58.8(t/h) 两个炉子总共 77.2 58.8废气的热量 每个炉子 152 304(Gcal/h) 两个炉子总共 304 304发出的动力量 两上炉子总共 124 124(KW)
其结果为，如表1所示，所得到的可燃气体的热量为304Gcal/h，所发出的电力为124KW。
这样，一个炉子工作所发出的电力量与两个炉子工作所发出的电力量相同。因此，尽管炉子B的运行暂停，仍然可以稳定地供应电力。
图3(A)与3(B)示出了工作时间和可燃气体在上述运行条件下的热量之间的关系。
参看图3(A)，首先是炉子B的工作暂停一预定的时间，在此期间，可燃气体在炉子A中以低的二次燃烧率燃烧，以如图3(A)所示将热量加大至A1，该热量以后就供往废热锅炉。
然后，使炉子A和炉子B的两个炉子工作，使可燃气体以高的二次燃烧率在这些炉子中燃烧，将总热量A2和热量B2送往废热锅炉。
然后，如图3(A)所示，使炉子A的工作暂停一预定的时间，在此期间，可燃气体以低的二次燃烧率在炉子B中燃烧，以如图3(B)所示将热量加大至B1，该热量以后就送往废热锅炉。
重复上述作业，就可如图3(C)所示在整个运行期间从可燃气体得到恒定的热量。
在本发明的熔体还原炉中，通常是炉子A和炉子B都工作。当炉子A的工作暂停，以便修补时，只有炉子B工作。当炉子B的工作暂停，以便修补时，只有炉子A工作。此外，当两个炉子A和炉子B都工作时，要加大炉子中的二次燃烧率，以减少每个炉子中的可燃气体的热量。当炉子A或炉子B中的一个工作时，要减少炉子中的二次燃烧率，以使炉子中的可燃气体的热量加倍。这样，两个炉子中的可燃气体的总热量被定为恒定的。因此，可以预期有下列效果。
(1)可以以较高的价格将电力出售给公用事业。
(2)可以在不妨碍它们的运行的前提下由其它设备使用电力。
(3)即使当任意一个炉子的运行暂停，以便修补时，也可以向生产生铁水的阶段的后面的阶段供给生铁水。