DD203073A5

DD203073A5 - Verfahren zur reinigung eines zinkdampf enthaltenden gasstromes

Info

Publication number: DD203073A5
Application number: DD82244195A
Authority: DD
Inventors: Sune Eriksson; Gotthard Bjoerling; Sven Santen
Original assignee: Skf Steel Eng Ab
Priority date: 1982-06-21
Filing date: 1982-10-21
Publication date: 1983-10-12
Also published as: GB2122647A; CA1200396A; IT8223852A0; FR2528718A1; FI823478L; JPS58224129A; IT1153275B; DE3233772C2; NO159396B; GB2122647B; AU9005982A; FR2528718B1; FI823478A0; SE8203831L; PL239083A1; SE8203831D0; DE3249573C2; US4508566A; NO823342L; SE450582B

Abstract

Bei einem Verfahren zur Reinigung einer Gasmischung, welche bei der Reduktion von Zinkoxid enthaltendem Material in einem Schachtofen, dem begleitenden Dampf von Metallen oder Verbindungen mit einem hoeheren Siedepunkt als Zink sowie den begleitenden Staubteilchen entsteht, wird die heisze Gasmischung nahezu auf die Saettigungstemperatur von Zinkdampf abgekuehlt, indem festes oder fluessiges Metall in die Mischung eingebracht wird.

Description

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Verfahren zur Reinigung eines Zinkdampf enthaltenden Gasstromes

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung einer Gasmischtang, welche bei der Reduktion von Zinkoxid enthaltendem Material in einem Ofen, dem begleitenden Dampf von Metallen oder Verbindungen mit einem höheren Siedepunkt als Zink und aus begleitenden Staubteilchen entstanden ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei der Herstellung von Zink auf thermischem Wege durch Reduktion von Zinkoxid erhält man eine Gasmischung, aus welcher flüssiges Zink alsdann durch Kondensation zurückgewonnen wird. Dieser zunächst äußerst einfach erscheinende Prozeß ist in Wirklichkeit reichlich kompliziert. Beispielsweise darf erwähnt werden, daß eine Reoxidierung von Zinkdampf infolge des Einflusses von Kohlendioxid und Wasserdampf bei einem Temperaturabfall unbedingt verhindert werden muß.

Die Gasmischung, welche Zinkdampf enthält und die Reduktion verläßt, wird in Relation zum Sättigungsdruck des Zinks überhitzt. Sie enthält auch Dämpfe von anderen Metallen und Verbindungen sowie Staubteilchen. Alle diese Paktoren komplizieren die nachfolgende Kondensation, da sie die Schaumbildung, an der Oberfläche des Metalls im Kondensator verursachen. Schaum oder Metallschaum bedeutet hier die beim Temperaturabfall ausgeschiedenen festen Verunreinigungen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist'es, die Komplikationen bei der Kondensation zu überwinden.

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zu verwirklichen, durch welches die Zinkdampf enthaltende Gasmischung vorgekühlt werden kann, so daß der Kondensator nicht in großem Ausmaß als Gaskühler wirken und als solcher ausgelegt werden muß und welches außerdem eine potentiell wirksame Kondensation und die Erzeugung von reinerem, flüssigem Zink im Kondensator ermöglicht, Normalerweise hat die eine Reduktionszone für Zinkoxid verlassende Gasmischung eine Temperatur von wenigstens 1200 ⁰G,

Der Raum in einem Reduktionsofen ist beschränkt, und da beträchtliche Wärmemengen schnell entfernt werden müssen, muß eine große Kühlfläche zur Verfügung stehen. Dies läßt sich in der Praxis nicht durch Einsatz von Kühlelementen in den Gasstrom erreichen, und zwar teilweise, da diese zu viel Platz benötigen würden, und teilweise, da es kein geeignetes Material für eine wirksame Wärmeübertragung bei Wärmetemperaturen in der Uähe von 1200 ⁰G gibt·

Dies wird erfindungsgemäß bei dem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß die heiße Gasmischung fast auf die Sättigungstemperatur des Zinkdampfes abgekühlt wird, indem aine Menge von kaltem, relativ leicht schmelzbarem Metall, wie beispielsweise Zink oder Blei, in die heiße Gasmischung eingebracht wird· Sin derartiges Metall wird nachstehend als Kühlmetall oder Kühlzink bzw. Kühlblei bezeichnet und kann in fester oder flüssiger Form eingebracht werden. Das Kühlmetall kann zweckmäßigerweise auch aus einem Teil des verfahrensgemäß hergestellten Metalls bestehen.

Die Gasmischung wird durch die beträchtliche Wärmeübertragung vom heißen Gas an das kalte, fein pulverisierte Kühlmetall' abgekühlt. Als Kühlmetall eignet sich besonders gut

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Zink, da es nach möglichem Schmelzen und Erhitzen auf Yerdampfungstemperatur große Wärmemengen durch Verdampfung absorbieren kann, bis sein Wärmegleichgewicht erreicht ist, wenn die Gasmischung gesättigten Zinkdampf enthält. Bs kann vorteilhaft sein, einen leichten Überschuß an Kühlzink zu verwenden, da dieser Überschuß Metalldampfe mit einem niedrigeren Dampfdruck als Zink lösen kann wie beispielsweise Blei und Zinn· .

Der verdampfte Kühlzink wird im Kondensator zurückgewonnen und kann nach Abkühlung wieder in Umlauf gebracht werden« In diesem Pail muß der Kondensator derart dimensioniert werden, daß sein Kühlsystem die überschüssige Wärme im heißen Gichtgas entfernen kann»

Wenn das Kühlmetall aus Blei besteht, muß eine größere Menge eingesetzt werden, da das Kühlblei nicht verdampft werden sollte· Dies kann als Hachteil angesehen werden, doch ist es sehr einfach, Blei durch Verwendung einer Pumpe in Umlauf zu bringen, und außerdem läßt sich die überschüssige Hitze in die Reaktionszone zurückführen, in welcher die endotherme- . sehen Reaktionen stattfinden, so daß das Kühlblei die Temperaturverteilung in dieser Zone glättet. Bach Abkühlung auf Kondensationstemperatur kann, das Kühlblei Zinkmetall absorbieren und, wie für das Kühlzink beschrieben, wirken. Ss sollte auch nicht unerwähnt bleiben, daß zur Entfernung überschüssiger Hitze aus der Gasmischung die Konstruktion eines Kühlers für Zirkulationsblei einfacher sein kann als die Abmessungen eines Zinkkondensators zu vergrößern.

Da die Gasmischung schnell auf eine temperatur unter dem Kondensationspunkt für Zink abgekühlt wird, wird der Zinkdampf kurzzeitig unterkühlt. 3p.neigt daher dazu, an Staubteilchen im Gas zu kondensieren, wodurch deren Abmessung vergrößert wird und diese mechanisch aus der Gasmischung beispielsweise in einem Zyklon entfernt werden können, ^as auf diese Weise

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vor dem eigentlichen KondensationsprozeS extrahierte Produkt kann dann, νorteilhafterweise in den Reduktionsprozeß.zurückgeführt werden.

Der Zinkgehalt kann dann aus der gereinigten Gasmischung, welche gesättigten Zinkdampf enthält, in einem herkömmlichen Sondensator kondensiert werden und es ergibt sich eine zufriedenstellende Ausbeute.

In der Praxis kann das Kühlmetall dem heißen Gas auf verschiedene V/eise zugesetzt werden» Nach einem Vorschlag der Erfindung wird das Kühlmetall in den Reduktionsofen über der tatsächlichen Reduktionszone eingebracht, so daß das Kühlmetall im Gegenfluß zur hochsteigenden Gasmischung nach unten läuft und diese Mischung dadurch kühlt, Metalle mit einem niedrigeren Dampfdruck als Zink, beispielsweise Blei, Zinn und Silber, werden so in dem Kühlmetall kondensiert und, sobald das überschüssige Zink, d. h· das Kühlzink und das im Kühlmetall kondensierte Zink, während seines Abwärtslaufes durch die heißeren Zonen destilliert ist, können diese Metalle am Boden des Ofens aufgefangen werden, wo sie zusammen mit dem Werkblei abgezapft werden können. Um ihre mechanische Ausscheidung zu erleichtern, kann durch eine weitere leichte Temperatursenkung in einem getrennten Schnitt eine geringe Zinkmenge, auf Staubteilchen, die in der Gasmischung enthalten sind, kondensiert v/erden«

Uach einem anderen Vorschlag der Erfindung wird das Kühlmetall in einer späteren Stufe in einem getrennt vom Reduktionsofen angeordneten Teil zugesetzt, so daß das durch, die Abkühlung verschmutzte Kühlmetall nicht in den Reduktionsofen zurückfließen kann. Dies ist dann ratsam, wenn die Charge Substanzen wie Arsen und Chloride enthält, welche die Zinkqua-Iitat beeinträchtigen können, '^enn Kühlzink verwendet wird,

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kann Blei nach. Trennung von den schädlichen Bestandteilen isoliert und dem Reduktionsprozeß wieder zugeführt werden. Auch das während der Entstaubung des Gases aufgefangene Produkt kann wieder in den Prozeß zurückgeführt werden.

Die Erfindung läßt sich bei allen Arten von Zinkreduktionsöfen einsetzen. In gewisser Beziehung eignet sie sich am besten für Öfen oder Reaktoren, durch welche die Charge kontinuierlich infolge des Gewichtes hindurchläuft, wie dies bei Uew Jersey-Vertikalretorten der Pail ist, ferner bei Öfen, welche dadurch, erhitzt werden, daß elektrischer Strom durch die Charge hindurchgeleitet wird entsprechend den St. Joseph Zinc, Imperial Smelting-Schachtöfen. Die Erfindung ist besonders wertvoll bei Verfahren, bei welchen der Rest nach Reduktion und Verdampfung des Zinks in flüssiger Porm abgezapft wird.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Pig. 1: ein erstes Durchführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung, wobei die Kühlung am Kopf des Reaktors selbst erfolgt; und

Flg. 2: ein zweites Durchführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem die Kühlung getrennt von dem Reduktionsofen erfolgt.

Pig. 1 zeigt einen Ofen. 1 zur Reduktion von Zinkoxid enthaltendem Material. Der Reaktor enthält eine Charge 2 aus Koks.

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- Sa-

Di e Plasmabrenner 3, von denen nur einer in der Figur dargestellt ist, sind im unteren Teil des Reaktors mit Zufuhreinrichtungen 4, 5 für das Zinkoxid und das Reduktionsmittel enthaltende Material angeordnet« Die Plasmabrenner sind normalerweise in Dreiergruppen, d. h. drei oder sechs, in einem Reduktionsofen der beschriebenen Art angeordnet. Im Oberen Teil des Reaktors befindet sich eine Gicht 6 für die Zufuhr von Koks, um die Kokscharge 2 kontinuierlich auf einen bestimmten Mindestabstand zu halten. Sine Auslaßleitung 7 leitet das Gas, welches den Prozeß verläßt, von der Gicht des Reaktors ab.

Am Boden des Reaktors, wo auch nichtflüssige Metalle entfernt werden können, ist ein Schlackenabstich 8 angeordnet.

Srfindungsgemäß sind Sihrichtungen 9» 10 für die Zufuhr von Kühlmetall über der Kokscharge im Reaktor angeordnet. Die Plasmabrenner können asymmetrisch angeordnet werden, so daß eine kühlere Zone nahe einem Teil der Reaktorwand gebildet wird. Die Arbeitsweise der Einrichtung wird nachstehend im einzelnen beschrieben.

Im Plasmabrenner 3 wird durch Hindurchleitung eines geeigneten Gases wie beispielsweise Luft, aurückgeleitetes Reduktionsgas usw., ein Plasma erzeugt und eine extrem heiße Gasmasse erhalten. Bei dem Ausgangsmaterial kann es sich beispielsweise um geröstete Zinkkonzentrate mit einem typischen Gehalt von 50 % ZnO, 20 % PbO oder um Gichtstaub von anderen Prozessen handeln, der 20 % ZnO und 2 % PbO enthält. Das Reduktionsmittel soll Kohlenstoff wie beispielsweise Kohlenwasserstoff in flüssiger oder gasförmiger Form oder Koksstäub enthalten.

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Vor dem Plasmabrenner 3 wird ein Reaktionsraum ausgebrannt, in welchem eingebrachte Oxide reduziert werden und flüchtige Metalle verdampft werden. Die dort herrschende Temperatur beträgt etwa 1800 ⁰C.

Schwer zu verdampfende Metalle werden in der Schlacke am Boden des Reaktors aufgefangen und durch den Abstich 8 abgelassen, Metalle, welche reduzierbar sind, Vielehe jedoch einen geringen Dampfdruck haben, werden am Boden des Ofens unter dieser Schlacke aufgefangen. Die hochsteigende Gasmischung wird etwas abgekühlt, besitzt im allgemeinen jedoch eine Temperatur von wenigstens 1200 ⁰C beim Erreichen der Gicht des Reaktors und muß daher vorgekühlt werden. Nebenbei enthält Zinkdampf, die verwendete Gasmischung zur Behandlung relevanter Zinkrohprodukte, auch Dampf von anderen Metallen und zumeist von Blei«

Erfindungsgemäß wird flüssiges oder festes Kühlmetall durch die Zuführeinrichtungen 9 und 10 derart zugeführt, daß das herabströmende zerstäubte Metall auf das hochsteigende Gas trifft. Das Gas wird abgekühlt, wobei es das Metall erhitzt und evtl. schmilzt und bei Verwendung von Kühlzink das Zink verdampft. Metalle mit einem hohen Siedepunkt wie Blei und Silber werden auf diese Weise kondensiert. Da die Kühlzone im Reaktor selbst liegt, können diese kondensierten Phasen wieder durch den Reaktor nach unten laufen, und zwar vorzugsweise neben der Hochtemperaturzone dichter an der Ofenwand, so daß sie dann vom Boden des Reaktors durch einen Auslaß entfernt werden können. Jegliches diese kondensierten Phasen begleitende Zink wird 7</ährend des Durchlaufs durch das heiße Reaktionsgas, welches im Gegenstrom fließt, erneut verdampft,

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Die Temperatur der Gasmischung nach der Abkühlung soll so hoch sein, daß darin enthaltener Zinkdampf im wesentlichen gesättigt ist. Bei staubreiehern Gas sollte er sogar wie vorstehend erwähnt übersättigt sein.

Mach der Türkühlung verläßt die Gasmischung den Reaktor durch das Auslaßrohr 7. Vorzugsweise wird das Gas dann noch etwas weiter gekühlt, so daß ein geringer Anteil des Zinks sich auf den vorhandenen Staubteilchen niederschlägt. Diese können dann leicht in einem Zyklon 12 abgeschieden werden. Bas Gas wird dann in einen Kondensator herkömmlicher Ausbildung geleitet, so daß das Problem der Schaumbildung wesentlich verringert , wenn nicht sogar vollständig ausgeschaltet wird.

Pig. 2 zeigt ein zweites Durchführungsbeispiel der Erfindung,· bei welchem die Gasmischung außerhalb des Reduktionsofens abgekühlt wird. Dieses Verfahren empfiehlt sich besonders dann, wenn die Gasmischung stark verschmutzt ist, wie bereits eingangs erwähnt. Bei Verschmutzungen, welche nicht im Reaktor konzentriert werden sollten, handelt es sich beispielsweise um Chloride und bestimmte andere Substanzen wie beispielsweise Arsen. In diesem· !Fall läßt man die Gasmischung durch die Rohrleitung 7 ausströmen und in einen getrennten Kühler 13 einströmen. Der Kühler 13 kann naturgemäß.einen Teil der Reaktorgicht bilden, doch muß er vom tatsächlichen Reaktorraum getrennt sein, so daß die kondensierte Phase nicht erneut durch den Reaktor nach unten fließen kann·

Dieser Kühler 13, welcher vorzugsweise die Form einer mit Koks 14 gefüllten Säule hat, wird durch die Zufuhreinrichtung 15, Ιό in geeigneter Weise, vorzugsweise im Gegenstrom zur Gasmischung mit zerstäubtem, festem oder flüssigem Kühlmetall versorgt. Überschüssiges Kühlmetall mit den Metallen usw.,

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welche darin kondensiert werden, wird ausgeschieden und fließt in der Säule nach unten. Das Kühlmetall verläßt die Säule durch einen Bodenauslaß 17 und wird dann durch einen Kühler geleitet, bevor es erneut der Zufuhreinrichtung T5, 16 im Oberteil der Säule 13 durch eine mit einer Pumpe 19 versehene Rohrleitung 20 zugeführt wird. Die Gasmischung setzt ihren Weg zu einem Zyklon 21 zur Abtrennung 22 von Staub entsprechend dem vorbeschriebenen Verfahren fort.

Das im Kühler 13 extrahierte Material wird dann in geeigneter Weise weiterbehandelt, ^er mit im Zyklon 21 extrahiertem Zink vermischte Staub kann nach entsprechender Behandlung zur Entfernung unerwünschter Bestandteile erneut in die Reduktionszone des Reduktionsofens zurückgeführt werden. .

Die Temperatur des den Reaktor oder den Kühler verlassenden Gases kann zweckmäßigerweise zur Steuerung des Prozesses ausgenutzt werden. Die Leistung in den Plasmageneratoren liegt im allgemeinen fest. Der regelbare Paktor ist die Menge an Kühlmetall, welche in Bezug auf die Menge des Ausgangsmaterials zugesetzt wird. Die gewünschte Temperatur des ausströmenden Gases wird, wenn die Plasmaenergie konstant ist, durch die Menge an Bestandteilen bestimmt, welche endothermische Reaktionen erfahren können. Falls der Wärmeverbrauch in der Reaktionszone aus irgendeinem Grund abnehmen sollte, wird das Abgas überhitzt, was sehr schnell durch Zusatz von mehr Kühlmetall ausgeglichen werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier Beispiele weiter erläutert.

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Beispiel 1

Sin Staub, welcher 10 % Zn, 2 % Pb und 50 % Pe in Form von Oxiden enthielt, wurde in einen koksgefüllten Schachtofen eingebracht und behandelt.

Das erzeugte Gas hatte eine Semperatür von 1200 ⁰C im oberen Teil des Schachtofens und folgende Zusammensetzung:

co	(s)	71	,8
H₂		23
2T₂	1
Zn	4
Pb	0	,2

Der Wärmegehalt des vorgenannten Gases bei 1200 ⁰C betrug 1708 MJ/1000m³(n), was 474 kWh/1000 m³(n) entspricht.

Wie die Dampfdruckkurve für Zinkdampf zeigt, ist dieses Gas extrem in bezug auf den 'Teildruck von Zinkdampf überhitzt und muß daher vor der Kondensation drastisch abgekühlt werden. Bisher erfolgte dies in einem Kondensator, welcher zu diesem Zweck überdimensioniert werden mußte. Durch die erfindungsgemäße Abkühlung des Gases auf-beispielsweise 950 ⁰C oder 750 ⁰C kann der Kondensator um ein Vielfaches kleiner ausgebildet werden.

Bei 950 ⁰G besitzt dieses Gas einen V/ärmegehalt von 1393MJ/ 10Ö0 nr(n),und bei 750 ⁰G hat es einen Wärmegehalt von 1144MJ/tOOO m³(n).

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Der Kühlbedarf bei einer Abkühlung von 1200 C auf 950 beträgt daher 315 MJ und voi rechnet auf 1000 nr(n) Gas.

beträgt daher 315 MJ und von 1200 ⁰C auf 750 ⁰G 564 MJ, be-

liachstehende Tabelle zeigt die Menge an benötigtem Zirkulationsmetall zur Abkühlung in den beiden vorgenannten Fällen, wenn Blei bzw. flüssiges Zink verwendet wird.

Tabelle

'S

kg umgewälztes Metall / 1000 m (n). Gas

' " Pb Zn

1200 °C - _ 3600 161

950 ⁰C

10400 314

Wie die Tabelle deutlich zeigt, ist Zink ein wirksameres Kühlmedium als Blei.

Beispiel 2

Sin Staub, welcher 20 % Zn, 5 % ?b und 25 % Fe in Form von Oxiden enthielt, wurde in einen Schachtofen genau wie im Beispiel 1 eingebracht und ebenfalls entsprechend behandelt.

Im oberen Teil des Schachtofens hatte das erzeugte Gas eine Temperatur von 1200 ⁰C und nachstehende Zusammensetzung:

GO 67 % H₂ . 21 % ^₂ 1 % -

^2η(ο·) ^O ^

1 %

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Der Wärmegehalt pro 1000 m (n) im vorgenannten Gas betrug

bei 1200 ⁰C 2065 MJ, bei 950 ⁰C 1745 MJ und bei 750 ⁰C 1496 MJ.

Der Kühlbedarf zur Abkühlung von 1000 nr (n) Gas auf 950 ⁰C beträgt daher 320 MJ und zur Abkühlung auf 750 ⁰C 569 MJ.

Der Kühlbedarf für diese Gaszusammensetzung ist daher annähernd der gleiche wie für die Gasmischung im Beispiel 1, und zur-Abkühlung werden die gleichen Mengen an Blei bzw. Zink benötigt.

Claims

61 529/17 4. 2. 1983 Erfindung s ana pru c Ja

1. Verfahren zur Reinigung einer Gasmischung, weiche bei der Reduktion von Zinkoxid enthaltendem Material in einem Schachtofen, dem begleitenden Dampf von Metallen oder Verbindungen mit einem höheren Siedepunkt als Zink sowie den begleitenden Staubteilchen entsteht, gekennzeichnet dadurch, daß die heiße Gasmischung nahezu auf die Sättigungsteinperatur von Zinkdampf abgekühlt wird, indem festes oder flüssiges Metall in die Mischung eingebracht wird·

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das zu Kühlzwecken zugesetzte Metall aus Zink besteht, welches dadurch verdampft wird und dann in einem Kondensator zurückgewonnen wird.

3· Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet.dadurch, daß das zu Kühlzwecken zugesetzte Metall aus Blei besteht, welches anschließend aus dem System entfernt wird und nach Abkühlung und eventueller Reinigung zurückgeführt wird»

4. Verfahren nach den Punkten 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß eine weitere leichte üemperatursenkung in einem getrennten Schritt durchgeführt wird, um eine geringe Zinkmenge auf Staubteilchen zu kondensieren, welche in der Gasmischung enthalten sind, um ihre mechanische Ausscheidung zu erleichtern.

5. Verfahren nach den Punkten 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das zur Kühlung verwendete Metall in den Reduktionsofen über dem Abschnitt eingeführt wird, in welchem der Reduktionsprozeß selbst stattfindet, so daß die kondensierten Phasen direkt in den Reduktionsofen zurücklaufen können.

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6. Verfahren nach den Punkten 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das zur Kühlung verwendete Metall in einer vom Reduktionsofen getrennten Stufe eingebracht wird.

7. Verfahren nach den Punkten 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das während der Entstaubung des Gases aufgefangene Produkt v/i ed er in den Prozeß zurückgeführt wird.

Hierzu 1 Seite Zeichnung