DE102022111390A1

DE102022111390A1 - Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen

Info

Publication number: DE102022111390A1
Application number: DE102022111390.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Carl Weber
Original assignee: Ferrum Decarb GmbH
Current assignee: Ferrum Decarb At GmbH
Priority date: 2022-05-06
Filing date: 2022-05-06
Publication date: 2023-11-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen (1) zur Reduktion eines Metalloxids, insbesondere zur Reduktion von Eisenoxid, aufweisend:- einen Reaktionsraum (2),- eine in dem Reaktionsraum angeordnete Anode (11), und- eine abschnittsweise in dem Reaktionsraum angeordnete erste Hohlkathode (20), wobei die erste Hohlkathode (20) dazu eingerichtet ist, ein Plasmagas, Wasserstoff und Metalloxid, insbesondere Eisenoxid dem Reaktionsraum (2) zuzuführen und mit der Anode (11) zur Ausbildung eines ersten Lichtbogens (21) zusammenzuwirken, um durch elektrische Anregung des Plasmagases und des Wasserstoffes einen ersten Plasmastrahl (22) zu erzeugen. Erfindungsgemäß ist dieser Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen (1) gekennzeichnet durch eine zweite Hohlkathode (30), die dazu eingerichtet ist, ein Plasmagas, Wasserstoff und Metalloxid, insbesondere Eisenoxid dem Reaktionsraum (2) zuzuführen und mit der Anode (11) zur Ausbildung eines zweiten Lichtbogens (31) zusammenzuwirken, um durch elektrische Anregung des Plasmagases und des Wasserstoffes einen zweiten Plasmastrahl (32) zu erzeugen, wobei die erste Hohlkathode (20) und die zweite Hohlkathode (30) derart beabstandet zueinander und zu der Anode (11) angeordnet sind, dass sich der erste Plasmastrahl (22) und der zweite Plasmastrahl (32) infolge einer Lorenzkraft anziehen und zumindest abschnittsweise einen vereinten Plasmastrahl (34) und/oder Plasma ausbilden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, die Verwendung eines solchen Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofens nach dem Oberbegriff von Anspruch 13 und ein Verfahren zur Wasserstoffplasma-Schmelzreduktion von Metalloxid, insbesondere Eisenoxid.
Die Schmelzreduktion von Metalloxiden zu einem Metall, insbesondere von Eisenoxid zu Eisen, insbesondere Stahl, ist allgemein bekannt.
Beim herkömmlichen Reduktionsverfahren für Eisen werden Eisenerze mit Koks und Sauerstoff in einem Hochofen unter einem erheblichen CO₂-Ausstoß und Energiebedarf reduziert. Ferner sind Direktreduktionsverfahren, wie beispielsweise der Midrex-Prozess bekannt, in welchem in einer ersten Stufe Eisen zu festem Eisenschwamm reduziert wird und anschließend in einem Schmelzaggregat (z.B. Elektrolichtbogenofen) eingeschmolzen wird.
Durch die die Verwendung von gasförmigen bzw. molekularem Wasserstoff als Reduktionsmittel, kann der CO2-Ausstoß zwar reduziert werden, gleichzeitig hat jene Prozessabfolge aber auch Nachteile. Zum einen bedingt das Einschmelzen im Elektrolichtbogenofen einen sehr hohen Eisengehalt im Erz, welcher durch die vorhanden globalen Eisenerzressourcen nur teilweise gedeckt werden kann. Weiters bedingt der Einsatz im Schachtofen eine vorhergehende Agglomeration von Fein- und Feinsterzen. Abschließend stellt sich auch die notwendige Reduktionstufe -betreffend Eisen von FeO zu Fe-- als vergleichsweise energieintensiv dar, sofern molekularer Wasserstoff als Reduktionsmittel eingesetzt wird..
Zur Überwindung dieser Nachteile sind Verfahren unter Verwendung von Wasserstoffplasma bekannt, wie beispielsweise in der EP 1 275 739 A2 beschrieben.
In dem Verfahren wird basierend auf einer Plasmareduktion Feinerz, welches Eisenoxid enthält, mit heißem Wasserstoff und gegebenenfalls einem weiteren Reaktions- bzw. Trägergas in ein Reaktorgefäß eingeblasen, wobei das Feinerz durch den heißen Wasserstoff direkt- oder vorreduziert wird. Die reduzierten Eisenteilchen werden anschließend abgesaugt und durch eine Lichtbogenelektrode in einen Schmelzreaktor eingeblasen. In diesem Schmelzreaktor werden diese dann in einem Lichtbogen bzw. einem Plasma eines Plasmabrenners geschmolzen. Die Reduktion des Feinerzes ist somit prozesstechnisch von dem Aufschmelzen der direktreduzierten Eisenteilchen getrennt. Dies erfordert eine aufwändigere Anlagentechnik und vermindert den Umsatz des Prozesses und somit die Effizienz der Stahlherstellung.
Die Reduzierung und das gleichzeitige Aufschmelzen des reduzierten Eisenoxids durch ein Reduktionsplasma bieten demgegenüber unter anderem anlagentechnische Vorteile. Ein anlagentechnisch verbessertes Verfahren ist beispielsweise aus dem Artikel „Reduction of Haematite Using Hydrogen Thermal Plasma“ von Seftejani et al. bekannt. Hierbei wird ein Gasgemisch aus Argon und Wasserstoff durch einen Lichtbogen ionisiert, um ein Reduktionsplasma zu erzeugen. Dieses Reduktionsplasma wird durch Argon und Wasserstoff gebildet, wobei unterschiedliche Spezies des Wasserstoffs (z.B. in atomarer Form) die Eisenoxide reduzieren. Argon sorgt als Plasmagas für die Stabilität des Reduktionsplasmas und ist an der eigentlichen Reduktionsreaktion unbeteiligt. Wasserstoff ist als Reduktionsmittel an der eigentlichen Reduktion beteiligt, kann für sich genommen durch lonisierung jedoch nur schwer ein stabiles Plasma bilden.
Das Gasgemisch aus Argon und Wasserstoff wird dabei durch eine Hohlkathode in einen Reaktionsraum geleitet, wobei ein übertragener Lichtbogen zwischen der Hohlkathode und einer beabstandeten Anode das an der reaktionsraumseitigen Öffnung der Hohlkathode austretende Gasgemisch ionisiert. Ferner wird durch die Hohlkathode ein Pulver aus Fein- bzw. Feinsterzen dem Reaktionsraum zugeführt. Dabei trifft allerdings nur ein begrenzter Anteil des Pulvers aus Fein- bzw. Feinsterzen auf das Reduktionsplasma, um von diesem in einer endothermen Reaktion reduziert und durch den Wärmeeintrag aufgeschmolzen zu werden. Der für die endotherme Reduktionsreaktion notwendige Wärmeeintrag wird dabei in vorteilhafter Weise durch das Reduktionsplasma selbst bereitgestellt. Die dort erläuterte Reduktionsreaktion von Hämatit des Fein- bzw. Feinsterzes ergibt sich dabei in mehreren Stufen. Beispielhaft wird in einer ersten Stufe Hämatit durch das Reduktionsplasma zu FeO reduziert. Fe₂O₃ + 2Hydrogen plasma (2H, 2H⁺, H2 , 2/3H⁺ or H;) ↔ FeO + 2H₂O (g)
In einer zweiten Stufe wird das FeO zu Reineisen reduziert. FeO + Hydrogen plasma (2H, 2H⁺, H2 , 2/3H⁺ or H;) ↔ Fe + H₂O (g)
Aufgrund des Wasserstoffs wird dabei allerdings die Stabilität des Reduktionsplasmas beeinträchtigt und es kommt zu einer räumlichen Inkonsistenz des Reduktionsplasmas entlang des Lichtbogens.
Die Position des Reduktionsplasmas bzw. des Lichtbogens und damit auch des resultierenden Plasmastrahls schwankt somit innerhalb des jeweiligen Reaktors. Da die Fein- bzw. Feinsterze durch die Hohlkathode in den Reaktionsraum eingeblasen bzw. in sonstiger Weise zugeführt werden, sind diese somit örtlich nur teilweise einer definierten Position zugeordnet und bewegen sich im Reaktionsraum. Somit wird ein verhältnismäßig hoher Anteil der die Fein- bzw. Feinsterze nicht von dem räumlich inkonsistenten Plasmastrahl erfasst und folglich nicht reduziert und aufgeschmolzen.
Wünschenswert wäre es die Ausbeute bzw. den Reduktionsgradbei der Wasserstoffplasma-Schmelzreduktion von Metalloxiden zu einem Metall, insbesondere von Eisenoxid zu Eisen, d.h. allgemein Fein- bzw. Feinsterzen, insbesondere Stah, zu verbessern..
Vor diesem Hintergrund lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, zumindest einen der im Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden. Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Effizienz der Wasserstoffplasma-Schmelzreduktion von Metalloxid zu einem Metall, insbesondere von Eisenoxid, insbesondere in Fein- bzw. Feinsterzen zu verbessern.
Die Erfindung löst die zugrundeliegende Aufgabe in einem ersten Aspekt durch einen Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen nach Anspruch 1.
Die Erfindung schlägt dabei für einen Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen der eingangs genannten Art eine zweite Hohlkathode vor, die dazu eingerichtet ist, ein Plasmagas, Wasserstoff und Fein- bzw. Feinsterz dem Reaktionsraum zuzuführen und mit der Anode Ausbildung eines zweiten Lichtbogens zusammenzuwirken, um durch elektrische Anregung des Plasmagases und des Wasserstoffes einen zweiten Plasmastrahl zu erzeugen. Dabei sind die erste Hohlkathode und die zweite Hohlkathode derart beabstandet zueinander und zu der Anode angeordnet, dass sich der erste Plasmastrahl und der zweite Plasmastrahl infolge der Lorenzkraft anziehen und zumindest abschnittsweise einen zu einem Plasmastrahl fusionieren.
Die Lorenzkraft bezeichnet die Kraft, die eine bewegte Ladung in einem magnetischen oder elektrischen Feld erfährt. Sie wirkt immer senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladung und zu den Magnetfeldlinien.
Ein Lichtbogen entsteht bei ausreichend hoher elektrischer Potentialdifferenz und Stromdichte durch Stoßionisation.
Unter dem Zusammenwirken von Hohlkathode und Anode wird vorliegend auch das Zusammenwirken der Kathode mit zusätzlichem, leitend mit der Anode verbundenen Metall, insbesondere Metallschrott oder Stahlschrott verstanden. Vorzugsweise wird zum Erzeugen des Lichtbogens Stahlschrott in den Reaktionsraum eingebracht und leitend mit der Anode verbunden. Durch kurzzeitiges Verbinden der jeweiligen Hohlkathode mit dem Stahlschrott wird der Lichtbogen entzündet.
Bei dem vorliegend zwischen Hohlkathode und Anode ausgebildeten Lichtbogen handelt es sich um einen übertragenen Lichtbogen. Der Lichtbogen zwischen Anode und Kathode kann dabei kontinuierlich oder auch periodisch gezündet werden. Die durch die Stoßionisation verursachte elektrische Anregung bedingt eine Gasentladung. Durch eine solche elektrische Anregung eines plasmafähigen Mediums wird ein den Lichtbogen umgebendes Plasma bzw. ein Plasmagas erzeugt, in dem die Atome oder Moleküle zumindest teilweise ionisiert sind. Bei einem solchen durch Ionisierung des Wasserstoffes und des Plasmagases gebildeten Plasma des übertragenen Lichtbogens kann man also von einem bewegten Strom von Ladungen reden, die grundsätzlich einer Lorentzkraft unterliegen.
Der Erkenntnis der Erfindung folgend mit der erfindungsgemäßen Anordnung der ersten und zweiten Hohlkathode und damit verbundenen gleichen Stromrichtung der bewegten Ströme von Ladungen der gebildeten Plasmen des ersten und zweiten übertragenen Lichtbogens, ziehen sich der erste Plasmastrahl und der zweite Plasmastrahl infolge der Lorenzkraft an. Gemäß dem Konzept der Erfindung ist die gewählte Anordnung und das Ausmaß der gebildeten Plasmen des ersten und zweiten Plasmastrahls der übertragenen Lichtbögen derart, dass der erste und zweite Plasmastrahl sich zumindest abschnittsweise zu einem einzigen gemeinsamen Plasmastrahl oder Plasma vereinen.
Es handelt es sich im Sinne der Erfindung zudem um ein Reduktionsplasma und insbesondere um ein Hochtemperatur-Plasma. Der von dem Plasma bzw. ein Plasmagas umgebene Lichtbogen wird vorliegend als Plasmastrahl bezeichnet.
Der Verlauf des ersten Plasmastrahls und des zweiten Plasmastrahls vereinen sich bzw. Fusionieren zu einem einzelnen, Plasmastrahl infolge der Lorenzkraft. Die Lorenzkraft bedingt die Anziehung des ersten Lichtbogens und des zweiten Lichtbogens zueinander. Der erste Plasmastrahl und der zweite Plasmastrahl treffen somit als ein einziger vereinter Plasmastrahl oder Plasma auf die Anode bzw. ein im Bereich der Anode gebildetes Metallbad auf und verlaufen in einem an die Anode angrenzenden Abschnitt als ein vereinter Plasmastrahl oder Plasma.
Unter einem vereinten Plasmastrahl oder Plasma wird im Sinne der Erfindung somit ein aus dem ersten Plasmastrahl und dem zweiten Plasmastrahl gebildeter, insbesondere fokussierter, Plasmastrahl und/oder Plasma (also Plasmabereich ohne eine weitere Strahlfortsetzung des Plasmastroms) verstanden. Der Verlauf des ersten Plasmastrahls, des zweiten Plasmastrahls und des vereinten Plasmastrahls oder Plasma kann bildlich veranschaulicht in etwa durch ein Y wiedergegeben werden. Die Erfindung macht sich dazu die magnetische Wirkung des Ladungstransportes in Folge der Lorentzkraft zunutze, welche zu einer Anziehung der beiden Plasmastrahlen durch die Wirkung der Lorenzkraft führt.
Der vereinte Plasmastrahl und/oder Plasma weist eine höhere Stabilität und somit eine höhere räumliche Konsistenz auf. Der vereinte Plasmastrahl weist dabei eine verglichen mit dem ersten Plasmastrahl und dem zweiten Plasmastrahl höhere Trägheit auf, sodass die Wahrscheinlichkeit des Aufeinandertreffens des vereinten Plasmastrahls und des zugeführten Metalloxids, insbesondere Eisenoxids bzw. Fein- oder Feinsterzes erhöht wird. Neben der erhöhten Stabilität des vereinten Plasmastrahls ist auch dessen Querschnitt erhöht, sodass der vereinte Plasmastrahl einen verglichen mit den zwei einzelnen Plasmastrahlen erhöhten Wirkradius aufweist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen, welche den Gegenstand der Erfindung in Bezug auf besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Möglichkeiten im Hinblick auf die Aufgabenstellung und mit weiteren Vorteilen versehen weiterbilden.
Vorzugsweise ist das Plasmagas Argon. Bei Argon handelt es sich um ein zweckmäßiges und ausreichend stabiles Plasmagas, welches die nötige Energiezuführung zum Schmelzen des Stahls ermöglicht. Vorzugsweise ist der Argongehalt in dem zugeführten Gasgemisch höher als der Wasserstoffgehalt. Besonders bevorzugt beträgt der Argongehalt 60% oder mehr, sodass das Plasma eine ausreichende Stabilität aufweist.
Vorzugsweise umfasst die Kathode und/oder die Anode Graphit. Weiter bevorzugt ist die Anode als Metallband ausgebildet. Ein Metallband bietet dabei konstruktive Vorteile und reduziert den freien Reaktionsraum nur geringfügig.
Vorzugsweise sind die erste Hohlkathode und die zweite Hohlkathode zum Einblasen von Plasmagas, Wasserstoff und Fein- bzw. Feinsterz in den Reaktionsraum, insbesondere in Richtung der Anode, eingerichtet. Somit wird das Fein- bzw. Feinsterzpulver direkt in den sich am Austritt der Hohlkathode bildenden Plasmastrahl eingeblasen. Die geringe Korngröße des Fein- bzw. Feinsterzes ermöglicht eine feinere Verteilung und einen reduzierten Energieeinsatz zum Aufschmelzen des Fein- bzw. Feinsterzes.
Weiter bevorzugt sind die erste Hohlkathode und die zweite Hohlkathode in vertikaler Richtung über der Anode angeordnet. Somit kann die Schwerkraft genutzt werden, um das Fein- bzw. Feinsterz in den Reaktionsraum einzubringen und in einem Bereich zu fördern, in welchem der erste Plasmastrahl, derzweite Plasmastrahl oder der vereinte Plasmastrahl auf das Fein- bzw. Feinsterz auftrifft.
Weiter bevorzugt sind die erste Hohlkathode und die zweite Hohlkathode jeweils in vertikaler Richtung in einer Höhe und in horizontaler Richtung in einem Abstand von der Anode beabstandet. Mit anderen Worten unterscheidet sich die Höhe der ersten Hohlkathode relativ zu der Anode in vertikaler Richtung sowie deren Abstand in horizontaler Richtung relativ zu der Anode nicht von der entsprechenden Höhe der zweiten Hohlkathode relativ zu der Anode und deren Abstand in horizontaler Richtung. Die erste Hohlkathode und die zweite Hohlkathode sind somit in zwei Raumrichtungen gleichmäßig beabstandet zu der Anode angeordnet. Der erste Plasmastrahl und der zweite Plasmastrahl verlaufen somit im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zueinander, wobei die Symmetrieebene durch die Anode verläuft.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Hohlkathode und die zweite Hohlkathode in einer Längsrichtung bewegbar in einer Wandung des Reaktionsraums aufgenommen, derart, dass die Höhe durch eine Bewegung der ersten Hohlkathode und der zweiten Hohlkathode in Längsrichtung veränderbar ist. Durch eine Veränderung der Höhe der ersten Hohlkathode und der zweiten Hohlkathode relativ zu der Anode ist die Länge des ersten Plasmastrahls und des zweiten Plasmastrahls sowie der Punkt, an welchem sich der erste Plasmastrahl und der zweite Plasmastrahl zu einem gemeinsamen Plasmastrahl vereinen, veränderlich. Somit können die Höhe bzw. die Länge des vereinten bzw. vereinten Plasmastrahls bedarfsgerecht an die zu reduzierende und aufzuschmelzende Menge des Fein- bzw. Feinsterzes angepasst werden.
Vorzugsweise umfasst der Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen ferner eine Lanze, die beabstandet zu der ersten Hohlkathode und der zweiten Hohlkathode angeordnet und dazu eingerichtet ist, Plasmagas und Wasserstoff und/oder Fein- bzw. Feinsterz dem Reaktionsraum zuzuführen, derart, dass zusätzliches Plasmagas und Wasserstoff und/oder Fein- bzw. Feinsterz dem vereinten Plasmastrahl zugeführt wird. Durch eine zusätzliche Zuführung von Plasmagas und Wasserstoff wird die Menge des Plasmas und somit der Energieeintrag sowie das vorhandene Reduktionsmittel erhöht. Durch die zusätzliche Zugabe von Metalloxid, wie Eisenoxid kann der Durchsatz bzw. die Umwandlungsmenge des Fein- bzw. Feinsterzes erhöht werden. Somit kann bedarfsgerecht zusätzliches Fein- bzw. Feinsterz etwa im Bereich des vereinten bzw. vereinten Plasmastrahls zugesetzt werden, welches sich ansonsten bei Zugabe durch die erste Hohlkathode bzw. die zweite Hohlkathode weiter im Reaktionsraum verteilen würde.
Weiter bevorzugt ist die Lanze in einer veränderlichen Lanzenhöhe zu der Anode angeordnet und in Längsrichtung bewegbar in der Wandung des Reaktionsraums aufgenommen, derart, dass die Lanzenhöhe durch eine Bewegung der Lanze in Längsrichtung veränderbar ist. Durch eine Veränderung der Lanzenhöhe relativ zu der Anode wird bedarfsweise abhängig von der Ausbildung und dem Strahlverlauf der Plasmastrahlen die Zuführung von weiterem Fein- bzw. Feinsterz oder dem Wasserstoff-Argon-Gemisch ermöglicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen ferner mindestens einen Aktuator, der zur Aktuierung der Bewegung der ersten Hohlkathode und der zweiten Hohlkathode und/oder der Lanze in Längsrichtung eingerichtet ist. Vorzugsweise umfasst der Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen ferner mindestens eine mit der Wandung und der ersten Hohlkathode und der zweiten Hohlkathode und/oder der Lanze zusammenwirkende Dichtung zum dichtenden Verschließen des Reaktionsraums. Somit wird der Reaktionsraum durch die bewegbar in der Wandung aufgenommenen Hohlkathoden bzw. die Lanze nicht verunreinigt bzw. das Entweichen von Wasserstoff verhindert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen ferner eine Messeinrichtung, insbesondere ein Messsystem, welches zur Überwachung mindestens einer der folgenden Messgrößen eingerichtet ist: Wasserstoffkonzentration, Argonkonzentration, Höhe der ersten Hohlkathode und der zweiten Hohlkathode, Lanzenhöhe.
Weiter bevorzugt kooperiert die Messeinrichtung, insbesondere das Messsystem, mit einer Steuerung, die zur Durchführung zumindest einer der folgenden Steueroperationen in Abhängigkeit von der erfassten Messgröße eingerichtet ist: Ansteuern des mindestens einen Aktuators, Steuern der Zuführung von Wasserstoff und Argon und/oder Fein- bzw. Feinsterz durch die erste Hohlkathode und die zweite Hohlkathode, Steuern der Zuführung von Wasserstoff und Argon und/oder Fein- bzw. Feinsterz durch die Lanze.
Weiter bevorzugt werden das Plasmagas, Wasserstoff und Fein- bzw. Feinsterz mit einem Volumenstrom im Plasmastrahl von bevorzugt 75000 - 200000 Norm-m3 pro Stunde an Wasserstoffgas, sowie bevorzugt 125 - 175 t pro Stunde Fein- und Feinsterze (möglichst vorgewärmt auf 550 - 750 Grad Celsius, inklusive Zuschläge) jeweils durch die erste Hohlkathode und die zweite Hohlkathode dem Reaktionsraum zugeführt. Die Mengenangaben beziehen sich dabei auf eine Produktionsmenge von im Wesentlichen 100 t Stahl oder Metall pro Stunde; entsprechende Abweichungen der Produktionsmenge nach oben oder unten beispielsweise von im Bereich 80t-120t Stahl machen sich in Relation an den Grenzen der vorgenannten Volumenströme bemerkbar. Das Wasserstoffgas sollte dabei in etwa 5-45% des Ar-H2-Gemisches ausmachen, welches auf 550 - 750 Grad Celsius vorgewärmt werden sollte).
Weiter bevorzugt wird an die erste Hohlkathode und die zweite Hohlkathode zur Ausbildung des Plasmastrahls eine Spannung von angelegt, die etwa einer elektrischen Leistung von 100 - 250 MW entsprechen sollte (bezogen auf die vorher genannte Produktionsmenge).. Insbesondere weist der Abstand zwischen den Kathoden 80 - 250cm auf und das Aggregat einen Durchmesser von 3-8m und eine Höhe von 1 ,5-5m auf auf, je nach zu erzielender Produktionsmenge, und ist bevorzugt zumindest abschnittsweise mit einer feuerfesten Ummantelung, insbesondere einer Feuerfestummauerung ausgerüstet. Bevorzugt umfasst der Schmelzreduktionsofen die Feuerfestausmauerung ferner Bereich der Hohlkathoden.
Mit besonderem Vorteil versehen beträgt ein Abstand zwischen der ersten und zweiten Hohlkathode 50cm bis 300cm, bevorzugt 80 - 250cm, insbesondere 100-200cm.
Dieser Abstand zwischen den Kathoden hat sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen bei einer Größe eines Aggregats des Schmelzreduktionsofens, das einen Durchmesser von 3-8m und eine Höhe von 1,5-5m aufweist.
Dieser bei der Kathodenanordnung bevorzugte Abstand ist vorteilhaft insbesondere für einen Schmelzreduktionsofen, bei dem

- Plasmagas, Wasserstoff und Metalloxid, insbesondere Eisenoxid in Fein- und Feinsterzen, mit einem Volumenstrom von 50.000 - 250.000 Norm-m3 pro Stunde, bevorzugt 75.000 - 200.000 Norm-m3 pro Stunde, an Wasserstoffgas (bezogen auf eine Produktionsmenge von 100 t Stahl oder Metall pro Stunde), sowie 125 - 175 t pro Stunde Fein- und Feinsterze (vorteilhaft vorgewärmt auf 550 - 750 Grad Celsius, inklusive Zuschläge, bezogen auf eine Produktionsmenge von 100 t Stahl oder Metall pro Stunde) jeweils durch die erste Hohlkathode und die zweite Hohlkathode dem Reaktionsraum zugeführt werden.

Zusätzlich oder alternativ hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass

- eine Spannung, die einer elektrischen Leistung von 100 - 250 MW entsprechen sollte (bezogen auf eine Produktionsmenge von 100 t Stahl oder Metall pro Stunde) jeweils an die erste Hohlkathode und die zweite Hohlkathode angelegt wird.

Zusätzlich oder alternativ hat es sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, dass - das Wasserstoffgase dabei 5-45% des Ar-H2-Gemisches ausmacht, welches auf 550 - 750 Grad Celsius vorgewärmt wird.
Der von der Wandung umschlossene Reaktionsraum weißt bevorzugt einen runden oder einen ovalen Querschnitt auf. Die auf die Wandung wirkenden thermischen und mechanischen Belastungen werden somit gleichmäßiger eingeleitet.
Bevorzugt weist der Schmelzreduktionsofen ferner eine Kühlvorrichtung, insbesondere eine Wasserkühlung auf, welche zum Kühlen der Wandung eingerichtet ist. Vorzugsweise ist die Kühlvorrichtung mindestens im Bereich der Hohlkathoden bereitgestellt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Schmelzreduktionsofen eine Vielzahl von Hohlkathoden auf, welche in einer gleichmäßigen Distanz zueinander angeordnet sind, wobei die gleichmäßige Distanz insbesondere dem halben Abstand der ersten Hohlkathode und der zweiten Hohlkathode zu der Anode entspricht. Die Vielzahl der Kathoden umfasst somit die erste Hohlkathode und die zweite Hohlkathode. Sämtliche der Hohlkathoden weisen zueinander, also zu jeder der Kathoden der Vielzahl von Hohlkathoden, einen identischen Abstand auf. Insbesondere, aber nicht ausschließlich in Ausführungsformen, in welchen der Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen eine Lanze aufweist, sind die Hohlkathoden bevorzugt gleichmäßig in einer Draufsicht entlang eines Kreises, insbesondere um die Lanze herum, verteilt, also punktsymmetrisch zu der Lanze bzw. einem Kreismittelpunkt angeordnet. Weiter bevorzugt sind die Winkel zwischen den Hohlkathoden konstant. Somit bildet sich zentral zwischen allen Hohlkathoden im Bereich einer Projektionsfläche der Lanze der vereinte Plasmastrahl, welcher dazu eingerichtet ist, das Fein- bzw. Feinsterz zu reduzieren und aufzuschmelzen.
Ein Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen im Sinne der Erfindung weist vorzugsweise eine Breite und eine Länge von mehreren Metern auf, hat also für einen industriellen Einsatz geeignete Abmaße.
Die Erfindung löst die eingangs genannte Aufgabe in einem zweiten Aspekt durch die Verwendung eines Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofens zur Reduktion und zum Schmelzen von Fein- bzw. Feinsterz, wobei der Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen nach dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Durch die Verwendung eines solchen Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofens macht sich die Erfindung gemäß dem zweiten Aspekt die eingangs in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung beschriebenen Vorteile zu eigen. Bevorzugte Ausführungsformen und Vorteile in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung sind somit ebenso bevorzugte Ausführungsformen und Vorteile in Bezug auf den zweiten Aspekt der Erfindung.
Die Erfindung löst die eingangs genannte Aufgabe in einem dritten Aspekt durch ein Verfahren zur Wasserstoffplasma-Schmelzreduktion von Fein- bzw. Feinsterz, wobei das Verfahren insbesondere mittels eines Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofens nach dem ersten Aspekt der Erfindung durchgeführt wird. Das Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung umfasst die Schritte:

- Zuführen, insbesondere Einblasen von Plasmagas, Wasserstoff und Fein- bzw. Feinsterz in einen Reaktionsraum durch eine erste Hohlkathode,
- Zuführen, insbesondere Einblasen von Plasmagas, Wasserstoff und Fein- bzw. Feinsterz in einen Reaktionsraum durch eine zweite Hohlkathode,
- Erzeugen eines ersten Plasmastrahls durch Ionisierung des Plasmagases und des Wasserstoffes an einer Austrittsöffnung der ersten Hohlkathode mittels eines durch Zusammenwirken der ersten Hohlkathode und einer Anode gebildeten ersten Lichtbogens,
- Erzeugen eines zweiten Plasmastrahls durch Ionisierung des Plasmagases und des Wasserstoffes an einer Austrittsöffnung der zweiten Hohlkathode mittels eines durch Zusammenwirken der zweiten Hohlkathode und einer Anode gebildeten zweiten Lichtbogens,
- zumindest abschnittsweises Fusionieren des ersten Plasmastrahls und des zweiten Plasmastrahls zu einem vereinten Plasmastrahl durch Anziehung des ersten Plasmastrahls und des zweiten Plasmastrahls infolge der Lorenzkraft, und
- Reduzieren des Metalloxids, insbesondere des Eisenoxids in dem Fein- bzw. Feinsterz durch den vereinten Plasmastrahl.

Durch das Erzeugen eines zweiten Plasmastrahls durch Ionisierung des Plasmagases und des Wasserstoffes an einer Austrittsöffnung der zweiten Hohlkathode und das Ausbilden eines zumindest abschnittsweise vereinten Plasmastrahls macht sich das erfindungsgemäße Verfahren die eingangs in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung beschriebenen Vorteile zu eigen. Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen sind somit ebenso bevorzugte Ausführungsformen und Vorteile des Verfahrens gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner einen, mehrere oder sämtliche der folgenden Schritte:

- Zuführen, insbesondere Einblasen, von Plasmagas, Wasserstoff und/oder Fein- bzw. Feinsterz in einen Reaktionsraum durch eine Lanze,
- Abziehen eines Prozess-Abgases aus dem Reaktionsraum, wobei das Prozess-Abgases Wasserstoff umfasst, und
- Zuführen des Prozess-Abgases zu einer Vorreduktionsstufe zum Vorreduzieren von Fein- bzw. Feinsterz.

Durch das Abziehen eines Prozess-Abgases, auch als Off-Gas bezeichnet, aus dem Reaktionsraum macht sich das erfindungsgemäße Verfahren die Erkenntnis zunutze, dass dieses Gas sowohl Wasserstoff als auch eine hohe Energiemenge in Form von Wärmeenergie umfasst. Der Wasserstoff und die Energie des Prozess-Abgases können somit für parallele bzw. vorgelagerte Prozessschritte erneut verwendet werden. Beispielsweise ist das Zuführen eines solchen Prozess-Abgases zu einer Vorreduktionsstufe, beispielsweise zum Reduzieren von Metalloxid, insbesondere des Eisenoxids in dem Fein- bzw. Feinsterz vorteilhaft.
Ein solches Off-Gas bei einer beispielhaften Zusammensetzung des dem Reaktionsraum zugeführten Gasgemisches von 60% Argon und 40% Wasserstoff umfasst beispielsweise etwa 50% Ar, 30% H2, 16% H20, 3%CO, 0.5% CO2.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben. Hierbei zeigen:

1: ein Funktionsschema eines Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofens;
2: einen erfindungsgemäßen Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen; und
3: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Wasserstoffplasma-Schmelzreduktion von Eisenoxid.

1 zeigt ein Funktionsschema eines Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofens 1 mit einer ersten Hohlkathode 20 und einer beabstandet zu dieser angeordneten zweiten Hohlkathode 30. Die erste und zweite Hohlkathode 20, 30 sind in einer Höhe H1 zu einer Anode 11 beabstandet angeordnet. Die erste Hohlkathode 20 weist einen Abstand A zu der zweiten Hohlkathode 30 auf. Durch Anliegen einer Spannung wird bei ausreichend hoher Potentialdifferenz und Stromdichte durch Stoßionisation ein erster Lichtbogen 21 zwischen der ersten Hohlkathode 20 und der Anode 11 sowie ein zweiter Lichtbogen 31 zwischen der zweiten Hohlkathode 30 und der Anode 11 gebildet. In dem jeweiligen Lichtbogen 21, 31 werden ähnlich wie in einem stromdurchflossenen Draht negative Ladungsträger von der jeweiligen Hohlkathode 20, 30 zu der Anode 11 transportiert. Der jeweilige Lichtbogen 21, 31 wird dabei wie ein stromdurchflossener Leiter von einem Magnetfeld B umgeben. Die Lorenzkraft F wirkt hierbei in der gezeigten Ansicht nach innen, sodass sich die Lichtbögen infolge der Lorenzkraft aufeinander zu bewegen und sich anziehen. Bei ausreichend hoher Potentialdifferenz und Ladungsdichte ist die Lorenzkraft ausreichend hoch, dass der erste Lichtbogen 21 und der zweite Lichtbogen 31 fusionieren und einen gemeinsamen Lichtbogen 33 ausbilden. Der gemeinsame Lichtbogen 33 ist vorliegend nur angedeutet.
Wird wie in 2 gezeigt ein plasmafähiges Medium M im Bereich des ersten bzw. zweiten Lichtbogens 21, 31 (vgl. 1) eingebracht, kommt es bedingt durch den Lichtbogen 21, 31 zu einer elektrischen Anregung und dadurch zu einer Gasentladung des plasmafähigen Mediums M. Durch eine solche Anregung wird das plasmafähige Medium ionisiert und ein Plasma bzw. Plasmagas erzeugt, welches den Lichtbogen 21, 31 umgibt. Somit wird durch Erzeugung eines Plasmas um den ersten Lichtbogen 21 (vgl. 1) ein erster Plasmastrahl 22 erzeugt und durch Erzeugung eines Plasmas um den zweiten Lichtbogen 31 (vgl. 1) ein zweiter Plasmastrahl 32 erzeugt.
2 zeigt einen Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen 1. Der Schmelzreduktionsofen 1 umfasst eine erste Hohlkathode 20 und eine zweite Hohlkathode 30 sowie eine von den Hohlkathoden 20, 30 in einer Höhe H1 beabstandete Anode 11, die zumindest abschnittsweise in einem Reaktionsraum 2 angeordnet sind. Eine Wandung 7 schließt den Reaktionsraum 2 ein. Die erste Hohlkathode 20 und die zweite Hohlkathode 30 sind beweglich in der Wandung 7 aufgenommen. Die erste und zweite Hohlkathode 20, 30 umfassen bevorzugt Graphit.
Zwischen der ersten Hohlkathode 20 und der zweiten Hohlkathode 30 ist bevorzugt eine Lanze 3 angeordnet, welche vorzugsweise beweglich in der Wandung 7 aufgenommen ist. Durch die Lanze 3 sind bevorzugt bedarfsweise Einsatzmittel, z.B. Zuschlagsstoffe wie CaO, Fein- und Feinsterze oder ein Argon-Wasserstoff-Gemisch in den Reaktionsraum 2 einbringbar.
Durch die elektrische Anregung eines plasmafähigen Mediums M wird ein den jeweiligen Lichtbogen 21, 31 (vgl. 1) umgebendes Plasma bzw. ein Plasmagas erzeugt, in dem die Atome oder Moleküle zumindest teilweise ionisiert sind. Bei einem solchen durch lonisierung des Wasserstoffes und des Plasmagases gebildeten Plasma handelt es sich um ein Reduktionsplasma und insbesondere um ein Hochtemperatur-Plasma. Der von dem Plasma bzw. ein Plasmagas umgebene Lichtbogen 21, 31 bildet jeweils einen Plasmastrahl 22, 32.
Der Verlauf des ersten Plasmastrahls 22 und des zweiten Plasmastrahls 32 vereinen sich zu einem einzelnen Plasmastrahl 34 und/oder Plasma infolge der Lorenzkraft F (vgl. 1). Die Lorenzkraft bedingt die Anziehung des ersten Lichtbogens 21 und des zweiten Lichtbogens 31 zueinander. Der erste Plasmastrahl 22 und der zweite Plasmastrahl 32 treffen somit als ein einziger vereinter Plasmastrahl 34 und/oder Plasma auf die Anode 11 bzw. ein diese umgebendes Stahlbad 14 auf und verlaufen in einem an die Anode 11 bzw. das diese umgebende Stahlbad 14 angrenzenden Abschnitt als ein vereinter Plasmastrahl 34 und/oder Plasma.
Die Wandung 7 umfasst bevorzugt zumindest abschnittsweise eine Feuerfestausmauerung 17. Die Wandung 7 weist bevorzugt ferner eine Dichtung 12 auf, welche die Hohlkathoden 20, 30 dichtend umgibt, sodass der von der Wandung 7 umschlossene Reaktionsraum 2 dichtend verschlossen wird. Der Schmelzreduktionsofen 1 kann ferner eine Vielzahl weiterer Dichtungen 12 aufweisen, welche an geeigneter Stelle angeordnet sind.
Aus dem Reaktionsraum 2 wird bevorzugt über eine Abzugsvorrichtung 9 Prozess-Abgas, also Off-Gas abgezogen.
Bevorzugt umfasst der Schmelzreduktionsofen 1 ferner eine Kühlvorrichtung 8, welche zur Kühlung der ersten Hohlkathode und der zweiten Hohlkathode und vorzugsweise der Wandung 7 im Bereich der Feuerfestausmauerung 17 eingerichtet ist.
Ferner umfasst der Schmelzreduktionsofen 1 eine Zuführung für Einsatzmittel 5, durch welche Einsatzmittel in den Reaktionsraum 2 einbringbar sind.
In der gezeigten Ausführungsform sind die erste und die zweite Hohlkathode 20, 30 in vertikaler Richtung oberhalb der Anode 11 angeordnet. Am Boden des Reaktionsraums bildet sich im Prozess ein Eisen- bzw. Stahlbad 14, welches über einen Abstich 6 aus dem Reaktionsraum 2 abgeführt wird. Oberhalb des Eisen- bzw. Stahlbads 14 bildet sich eine Schlackeschicht 15, welche durch einen in geeigneter Höhe angeordneten Schlackeabstich 10 aus dem Reaktionsraum abführbar ist.
Zur Überwachung des Prozesses und insbesondere der Konzentration des Argons, Wasserstoffs oder der Masse der Fein- und Feinsterze im Reaktionsraum und/oder der Temperatur oder des Druckes oder des dem Reaktionsraum zugeführten Volumenstroms sowie vorzugsweise zur Überwachung der Kathodenhöhe H1 bzw. der Lanzenhöhe H2 umfasst der Schmelzreduktionsofen 1 ferner eine Messeinrichtung 4. Die Messeinrichtung 4 kooperiert beispielsweise mit einem Manometer 13, welches den Druck im Reaktionsraum 2 überwacht. Bevorzugt überwacht das Messsystem bzw. die Messeinrichtung 4 auch die an die Hohlkathoden 20, 30 angelegte Spannung. Ferner kooperiert das Messeinrichtung 4 bevorzugt mit Aktuatoren (nicht gezeigt), durch welche die Hohlkathoden 20, 30 und/oder die Lanze 3 aktuierbar sind. Weiterhin umfasst der Schmelzreduktionsofen 1 bevorzugt mindestens einen Spülstein 16, welcher am Boden des Reaktionsraums 2 angeordnet ist.
Der Spülstein 16 ist dazu eingerichtet, Prozessgase, wie beispielsweise Argon oder Stickstoff, zur Homogenisierung oder Entgasung des Stahlbades 14 einzublasen. Gleichzeitig können Kohlenstoffträger über den Spülstein 16 eingeblasen werden, wodurch es bevorzugt zur Bildung einer Schaumschlacke kommt. Der eingebrachte Kohlenstoff reduziert dabei das in der Schlacke verfügbare Eisenmonoxid, wobei Kohlenstoffmonoxid entsteht, welcher zur Schaumbildung führt. Die Schaumbildung sorgt für ein seitliches Abschirmen der Lichtbögen und bietet damit einen Schutz der Feuerfestausmauerung 17 bzw. der Wandung 7 vor der hohen Wärmestrahlung der Plasmastrahlen 22, 32 und zu geringeren Wärme-Strahlungs-Verlusten.
3 zeigt ein Verfahren 100 zur Wasserstoffplasma-Schmelzreduktion von Fein- bzw. Feinsterzen FE.
Bevorzugt umfasst das Verfahren 100 neben der Wasserstoffplasma-Schmelzreduktion eine Vorreduktionsstufe sowie vorzugsweise die Verwertung bzw. Nachbehandlung von Off-Gas O als Prozessabgas.
Fein- und Feinsterze FE werden in Schritt 117 einem Vorreduktionsaggregat 41 zugeführt. Ferner werden Zuschlagstoffe Z und vorzugsweise zusätzliche Prozessgase P in Schritt 118 dem Vorreduktionsaggregat 41 zugeführt. Bei den Zuschlagstoffen Z handelt es sich bevorzugt um Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Zur Reduktion der Fein- und Feinsterze FE im Vorreduktionsaggregat 41 wird diesem ferner in einem Reinigungsaggregat 47 aufbereitetes und gereinigtes Off-Gas O in Schritt 103 zugeführt. Das in dem Reinigungsaggregat 47 aufbereitete Off-Gas O wird durch Abführung von Off-Gas O in Schritt 102 aus einem Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen 1 bereitgestellt.
Ferner wird dem Vorreduktionsaggregat 41 in Schritt 112 Wärme durch einen Wärmetauscher45 zugeführt. Dem Wärmetauscher 45wird dabei Wasserstoff in Schritt 110 aus einer Elektrolyseeinrichtung 48 zugeführt sowie vorzugsweise in einer Entstaubungsvorrichtung 46 entstaubtes Off-Gas O. Dieses Off-Gas O wird vorzugsweise aus dem Vorreduktionsaggregat 41 in Schritt 105 der Entstaubungsvorrichtung 46 zugeführt. Das entstaubte Off-Gas O wird dann in Schritt 111 dem Wärmetauscher 45 zugeführt.
Dem Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen 1 werden bevorzugt Zuschlags- und Legierungsstoffe und zusätzliche Prozessgase P in Schritt 119 zugeführt. Ferner werden in Schritt 104 vorreduzierte Fein- und Feinsterze FE' zugeführt. Vorzugsweise werden in Schritt 107 ferner aus der Vorreduktion im Vorreduktionsaggregat 41 über das Off-Gas O in der Entstaubungsvorrichtung 46 abgeschiedene feste Reststoffe in Schritt 107 dem Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen 1 zugeführt. Bei diesen festen Reststoffen handelt es sich um eisenoxidhaltige Stäube. Ferner wird dem Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen 1 in Schritt 114 ein Gemisch aus Argon und Wasserstoff zugeführt, wobei zur Herstellung des Gemisches in Schritt 123 Argon sowie in Schritt 116 Wasserstoff bevorzugt mit weiterem Argon einem Misch-Aggregat 43 zugeführt werden, welches zur Feineinstellung des Argon-Wasserstoff-Gasgemisches eingerichtet ist.
Das dem Misch-Aggregat 43 in Schritt 116 zugeführte Argon-Wasserstoff-Gasgemisch wird durch eine Trenneinrichtung 44 bereitgestellt. Der Wärmetauscher 45 leitet ferner Off-Gas O in Schritt 122 an die Trenneinrichtung 44 weiter. Die Trenneinrichtung 44 ist dazu eingerichtet, Wasser über den Wärmetauscher 45 aus dem Vorreduktionsaggregat 41 in Schritt 122 zugeführtes Off-Gas O zu trennen. Das abgetrennte Wasser wird in Schritt 113 der Elektrolyseeinrichtung 48 zugeführt. Das Argon und der Wasserstoff werden in Schritt 116 dann dem Misch-Aggregat 43 zugeführt. Der Elektrolyseeinrichtung 48 werden bevorzugt in Schritt 115 zusätzliches Wasser und in Schritt 121 elektrische Energie E zugeführt. Die Elektrolyseeinrichtung 48 ist dazu eingerichtet, aus dem Wasser und der zugeführten Energie in Schritt 110 dem Wärmetauscher 45 Wasserstoff bereitzustellen
Im Sinne der Erfindung kann auf die Vorreduktionsstufe im Vorreduktionsaggregat 41 verzichtet werden und das Fein- und Feinsterz FE direkt dem Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen 1 zugeführt werden. Das aus diesem abgeführte Off-Gas O kann dann direkt einer Entstaubungsvorrichtung 46 zugeführt werden, welche Feststoffpartikel aus dem Off-Gas O abscheidet, sodass diese erneut dem Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen 1 zugeführt werden können. Das übrige Off-Gas O wird dem Wärmetauscher 45 zugeführt, welcher Off-Gas O an die Trenneinrichtung 44 weiterleitet und ferner die für das Misch-Aggregat 43 zur Feineinstellung des Verhältnisses von Argon und Wasserstoff im Argon-Wasserstoff-Gasgemisch notwendige Energie liefert.
Bei dem Vorreduktionsaggregat 41 handelt es sich bevorzugt um ein Wirbelschicht-Aggregat.
Bezugszeichenliste

1: Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen
2: Reaktionsraum
3: Lanze
4: Messeinrichtung
5: Zuführung für Einsatzmittel
6: Abstich
7: Wandung
8: Kühlvorrichtung
9: Abzugsvorrichtung
10: Schlackeabstich
11: Anode
12: Dichtung
13: Manometer
14: Eisen- bzw. Stahlbad
15: Schlackeschicht
16: Spülstein
17: Feuerfestausmauerung
20: erste Hohlkathode
21: erster Lichtbogen
22: erster Plasmastrahl
30: zweite Hohlkathode
31: zweiter Lichtbogen
32: zweiter Plasmastrahl
33: gemeinsamer Lichtbogen
34: vereinter Plasmastrahl und/oder vereintes Plasma
41: Vorreduktionsaggregat
43: Misch-Aggregat
44: Trenneinrichtung
45: Wärmetauscher
46: Entstaubungsvorrichtung
47: Reinigungsaggregat
48: Elektrolyseeinrichtung
100: Verfahren
H1: Höhe
H2: Lanzenhöhe
A: Abstand
B: Magnetfeld
F: Lorenzkraft
M: plasmafähiges Medium
E: elektrische Energie
O: Off-Gas
FE: Fein- und Feinsterze
FE': vorreduzierte Fein- und Feinsterze
Z: Zuschlags- und Legierungsstoffe
P: zusätzliche Prozessgase

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1275739 A2 [0005]

Claims

Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen (1) zur Reduktion eines Metalloxids, insbesondere zur Reduktion von Eisenoxid, aufweisend: - einen Reaktionsraum (2), - eine in dem Reaktionsraum angeordnete Anode (11), und - eine abschnittsweise in dem Reaktionsraum angeordnete erste Hohlkathode (20), wobei die erste Hohlkathode (20) dazu eingerichtet ist, ein Plasmagas, Wasserstoff und Metalloxid, insbesondere Eisenoxid dem Reaktionsraum (2) zuzuführen und mit der Anode (11) zur Ausbildung eines ersten Lichtbogens (21) zusammenzuwirken, um durch elektrische Anregung des Plasmagases und des Wasserstoffes einen ersten Plasmastrahl (22) zu erzeugen, und gekennzeichnet durch eine zweite Hohlkathode (30), die dazu eingerichtet ist, ein Plasmagas, Wasserstoff und Metalloxid, insbesondere Eisenoxid dem Reaktionsraum (2) zuzuführen und mit der Anode (11) zur Ausbildung eines zweiten Lichtbogens (31) zusammenzuwirken, um durch elektrische Anregung des Plasmagases und des Wasserstoffes einen zweiten Plasmastrahl (32) zu erzeugen, wobei die erste Hohlkathode (20) und die zweite Hohlkathode (30) derart beabstandet zueinander und zu der Anode (11) angeordnet sind, dass sich der erste Plasmastrahl (22) und der zweite Plasmastrahl (32) infolge einer Lorenzkraft anziehen und zumindest abschnittsweise einen vereinten Plasmastrahl (34) und/oder Plasma ausbilden.
Schmelzreduktionsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmagas Argon ist oder mit Argon als überwiegendem Bestandteil gebildet ist.
Schmelzreduktionsofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hohlkathode (20) und die zweite Hohlkathode (30) zum Einblasen von Plasmagas, Wasserstoff und Metalloxid, insbesondere Eisenoxid in Fein- und Feinsterzen in den Reaktionsraum (2), insbesondere in Richtung der Anode, eingerichtet sind.
Schmelzreduktionsofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Hohlkathode (20) und die zweite Hohlkathode (30) in vertikaler Richtung über der Anode (11) angeordnet sind.
Schmelzreduktionsofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hohlkathode (20) und die zweite Hohlkathode (30) jeweils in vertikaler Richtung in einer Höhe (H) und in horizontaler Richtung in einem Abstand (A) von der Anode (11) beabstandet sind, derart dass der erste Plasmastrahl (22) und der zweite Plasmastrahl (32) sich infolge der Lorenzkraft anziehen und zumindest abschnittsweise einen vereinten Plasmastrahl (34) und/oder Plasma ausbilden.
Schmelzreduktionsofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hohlkathode (20) und die zweite Hohlkathode (30) in einer Längsrichtung (L) bewegbar und insbesondere auch schwenkbar in einer Wandung des Reaktionsraums (2) aufgenommen sind, derart, dass die Höhe (H1) durch eine Bewegung der ersten Hohlkathode (20) und der zweiten Hohlkathode (30) in Längsrichtung (L) veränderbar ist.
Schmelzreduktionsofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Lanze, die beabstandet zu der ersten Hohlkathode und der zweiten Hohlkathode angeordnet und dazu eingerichtet ist, Plasmagas und Wasserstoff und/oder Metalloxid, insbesondere in Fein- und Feinsterzen, dem Reaktionsraum (2) zuzuführen, derart, dass zusätzliches Plasmagas und Wasserstoff und/oder Metalloxid dem vereinten Plasmastrahl zugeführt wird.
Schmelzreduktionsofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (3) in einer veränderlichen Lanzenhöhe (H2) zu der Anode angeordnet und in Längsrichtung (L) bewegbar in der Wandung des Reaktionsraums aufgenommen ist, derart, dass die Lanzenhöhe (H2) durch eine Bewegung der Lanze in Längsrichtung (L) veränderbar ist.
Schmelzreduktionsofen nach einem der Ansprüche 6 oder 8, gekennzeichnet durch mindestens einen Aktuator, der zur Aktuierung der Bewegung der ersten Hohlkathode (20) und der zweiten Hohlkathode (30) und/oder der Lanze (3) in Längsrichtung (L) eingerichtet ist, und durch mindestens eine mit der Wandung und der ersten Hohlkathode (20) und der zweiten Hohlkathode (30) und/oder der Lanze (3) zusammenwirkende Dichtung (12) zum dichtenden Verschließen des Reaktionsraumes (2).
Schmelzreduktionsofen nach Anspruch 9, gekennzeichnet eine Messeinrichtung (4), insbesondere ein Messsystem, welches zur Überwachung mindestens einer der folgenden Messgrößen eingerichtet ist: - Wasserstoffkonzentration, - Argonkonzentration, - Masse der Metallschmelze, - Höhe (H1) der ersten Hohlkathode (20) und der zweiten Hohlkathode (30), - Lanzenhöhe (H2), wobei die Messeinrichtung (4) mit einer Steuerung kooperiert, die zur Durchführung zumindest einer der folgenden Steueroperationen in Abhängigkeit von der erfassten Messgröße eingerichtet ist, - Ansteuern des mindestens einen Aktuators, - Steuern der Zuführung von Wasserstoff und Argon und/oder Metalloxid, insbesondere Eisenoxid durch die erste Hohlkathode (20) und die zweite Hohlkathode (30).
Schmelzreduktionsofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen der ersten und zweiten Hohlkathode (20,30) 50cm bis 300cm beträgt, bevorzugt 80 - 250cm beträgt, insbesondere 100-200cm, beträgt.
Schmelzreduktionsofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzreduktionsofen eine Vielzahl von Hohlkathoden aufweist, welche in einergleichmäßigen Distanz (D) zueinander, welche insbesondere dem halben Abstand (A) der ersten Hohlkathode und der zweiten Hohlkathode zu der Anode entspricht, angeordnet sind.
Verwendung eines Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofens für ein Metalloxid, insbesondere zur Reduktion und zum Schmelzen von Eisenoxid, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Verfahren zur Wasserstoffplasma-Schmelzreduktion von Metalloxid, insbesondere Eisenoxid, insbesondere mittels eines Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend die Schritte: - Zuführen, insbesondere Einblasen von Plasmagas, Wasserstoff und Metalloxid, insbesondere Eisenoxid in einen Reaktionsraum (2) durch eine erste Hohlkathode (20), - Zuführen, insbesondere Einblasen von Plasmagas, Wasserstoff und Metalloxid, insbesondere Eisenoxid in einen Reaktionsraum durch eine zweite Hohlkathode (30), - Erzeugen eines ersten Plasmastrahls (22) durch Ionisierung des Plasmagases und des Wasserstoffes an einer Austrittsöffnung der ersten Hohlkathode (20) mittels eines durch Zusammenwirken der ersten Hohlkathode (20) und einer Anode (11) gebildeten ersten Lichtbogens (21), - Erzeugen eines zweiten Plasmastrahls (32) durch Ionisierung des Plasmagases und des Wasserstoffes an einer Austrittsöffnung der zweiten Hohlkathode (30) mittels eines durch Zusammenwirken der zweiten Hohlkathode (20) und einer Anode (11) gebildeten zweiten Lichtbogens (31), - zumindest abschnittsweises Fusionieren des ersten Plasmastrahls und des zweiten Plasmastrahls (22, 32) zu einem vereinten Plasmastrahl (34) und/oder Plasma durch Anziehung des ersten Plasmastrahls und des zweiten Plasmastrahls infolge der Lorenzkraft, und - Reduzieren des Metalloxids, insbesondere des Eisenoxids durch den vereinten Plasmastrahl oder Plasma.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend einen, mehrere oder sämtliche der folgenden Schritte: - Zuführen, insbesondere Einblasen von Plasmagas, Wasserstoff und Metalloxid, insbesondere Eisenoxid in einen Reaktionsraum durch eine Lanze, - Abziehen eines Prozess-Abgases aus dem Reaktionsraum, wobei das Prozess-Abgases Wasserstoff umfasst, und - Zuführen des Prozess-Abgases zu einer Vorreduktionsstufe zum Vorreduzieren von Metalloxid, insbesondere Eisenoxid.