DE102022113765A1

DE102022113765A1 - Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen, Verwendung und Verfahren mit diesem

Info

Publication number: DE102022113765A1
Application number: DE102022113765.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Carl Weber
Original assignee: Ferrum Decarb GmbH
Current assignee: Ferrum Decarb At GmbH
Priority date: 2022-05-31
Filing date: 2022-05-31
Publication date: 2023-11-30

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 Gegenelektrode , und- eine abschnittsweise in dem Reaktionsraum angeordnete erste Hohlelektrode, wobei die erste Hohlelektrode dazu eingerichtet ist, ein Plasmagas, Wasserstoff und Metalloxid, insbesondere Eisenoxid, dem Reaktionsraum (2) zuzuführen und mit der Gegenelektrode zur Ausbildung eines ersten Lichtbogens (21) zusammenzuwirken, um durch elektrische Anregung des Plasmagases und des Wasserstoffes einen ersten Plasmastrahl (22) zu erzeugen.Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Gegenelektrode als Kathode (11) ausgebildet ist, und die erste Hohlelektrode als Hohlanode (20) ausgebildet ist, und- eine zweite Hohlanode (30) angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, ein Plasmagas, Wasserstoff und Metalloxid, insbesondere Eisenoxid dem Reaktionsraum (2) zuzuführen und mit der Kathode (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 Hohlanode (20) und die zweite Hohlanode (30) derart beabstandet zueinander und zu der Kathode (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 und ein Verfahren zur Wasserstoffplasma-Schmelzreduktion von Metalloxid, insbesondere Eisenoxid, mit dem Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen.
Die Erfindung betrifft insofern einen Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen zur Reduktion eines Metalloxids, insbesondere zur Reduktion von Eisenoxid, aufweisend:

- einen Reaktionsraum,
- eine in dem Reaktionsraum angeordnete Gegenelektrode, und
- eine abschnittsweise in dem Reaktionsraum angeordnete erste Hohlelektrode,

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; es wird insbesondere das direkt reduzierte Eisen mittels Wasserstoffströmungspumpen abgesaugt und durch einen Plasmabrenner oder die genannte Lichtbogenelektrode in den Schmelzreaktor eingeblasen. In diesem Schmelzreaktor werden diese reduzierten Eisenteilchen dann in dem Lichtbogen bzw. dem Plasma des Plasmabrenners oder der genannten Lichtbogenelektrode geschmolzen. Die Reduktion des Feinerzes ist somit prozesstechnisch quasi 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 mittels einem Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen der eingangs genannten Art erfolgende Reduzierung und das gleichzeitige Aufschmelzen des reduzierten Eisenoxids durch ein Reduktionsplasma in einem Reaktionsraum bieten demgegenüber unter anderem anlagentechnische Vorteile. Ein solches anlagentechnisch verbessertes Verfahren der Wasserstoff-Plasma-Schmelzreduktion (HPSR) ist beispielsweise aus dem Artikel „Reduction of Hematite Using Hydrogen Thermal Plasma“ von Seftejani et al. vom 23. April 2019 bekannt, veröffentlicht als doi:10.20944/preprints201904.0261.v1. Ein dazu verwendeter Plasmabogen-Reaktor hat eine in einem dem Reaktionsraum angeordnete Anode als Gegen- und Bodenelektrode und eine einzige zur Ausbildung eines Lichtbogens damit zusammenwirkende Hohlelektrode als Hohlkathode in Form einer Hohl-Graphitelektrode. Diese HPSR-Anordnung ist dazu eingerichtet, ein Plasmagas, Wasserstoff und Eisenoxid dem Reaktionsraum zuzuführen und durch elektrische Anregung des Plasmagases und des Wasserstoffes einen ersten Plasmastrahl zu erzeugen in dem Reaktionsraum. Hierbei wird konkret 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 mit Argon und Wasserstoff wird dabei durch die Hohlkathode in den Reaktionsraum geleitet, wobei ein übertragener Lichtbogen zwischen der Hohlkathode als Graphit-Hohlelektrode und der beabstandeten Anode als Bodenelektrode das an der reaktionsraumseitigen Öffnung der Hohlkathode austretende Gasgemisch ionisiert. Kohlenstoff aus der Hohl-Graphitelektrode, dem Stahltiegel und dem Zündstift wird in die Schmelze eingebracht und trägt zum Reduktionsprozess der Eisenoxide bei. 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. ${Fe}_{2} O_{3} + 2 Hydrogen plasma (2 H, 2 H^{+}, H_{2}^{+}, 2 / 3 H_{3}^{+} {or H}_{2}^{*}) \leftrightarrow FeO + 2 H_{2} O (g)$
In einer zweiten Stufe wird das FeO zu Reineisen reduziert. $FeO + Hydrogen plasma (2 H, 2 H^{+}, H_{2}^{+}, 2 / 3 H_{3}^{+} {or H}_{2}^{*}) \leftrightarrow Fe + H_{2} O (g)$
Aufgrund des Wasserstoffs wird dabei allerdings die Stabilität des Reduktionsplasmas beeinträchtigt und es kommt zu einer räumlichen Inkonsistenz des Reduktionsplasmas entlang des Lichtbogens.
Da die Fein- bzw. Feinsterze durch die Hohlkathode in den Reaktionsraum eingeblasen bzw. in sonstiger Weise zugeführt werden, sind diese örtlich größtenteils einer definierten Position zugeordnet. Die Position des Reduktionsplasmas bzw. des Lichtbogens und damit auch des resultierenden Plasmastrahls schwankt allerdings innerhalb des jeweiligen Reaktors. Somit wird ein verhältnismäßig hoher Anteil der die Fein- bzw. Feinsterze nicht von dem räumlich inkonsistenten Plasmastrahl erfasst und folglich nicht reduziert und aufgeschmolzen. Dies führt zu einer relativ hohen Eisenverschlackung und einem hohen Anteil an Eisenoxid in der Schlacke.
In einem weiteren Artikel von Seftejani et al. in „Metals" aus 2018, 8, 1051 (11. Dezember 2018) ist beschrieben, dass bei der Wasserstoff-Plasma-Schmelzreduktion (HPSR), um den Wasserstoff-Ionisationsgrad zu erhöhen und entsprechend um die Reduktionsrate der Eisenerzpartikel zu erhöhen, die Reduktionsreaktionen im Plasmabogen stattfinden sollten infolge der hohen Temperaturen des Plasmabogens beim HPSR. Auch hier liegt bei dem dazu verwendeten Plasmabogen-Reaktor eine obere Graphit-Hohlelektrode als Kathode einer Bodenelektrode als Anode in der Schmelze im Reaktionsraum des Plasmabogen-Reaktors gegenüber.
Wünschenswert wäre es die Ausbeute bzw. den Reduktionsgrad bei der Wasserstoffplasma-
Schmelzreduktion von Metalloxiden zu einem Metall, insbesondere von Eisenoxid zu Eisen, d.h. allgemein Fein- bzw. Feinsterzen, insbesondere Stahl, 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 Stahl zu verbessern.
Die Erfindung löst die zugrundeliegende Aufgabe in einem ersten Aspekt durch einen Wasserstoffplasma- Schmelzreduktionsofen nach Anspruch 1.
Die Erfindung geht aus von einem Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen der eingangs genannten Art. Die Erfindung folgt dabei dem grundlegenden allgemeinen Ansatz, eine erste und zweite Hohlelektrode und eine Gegenelektrode vorzusehen, insbesondere eine erste und zweite Hohlelektrode gegenüber einer Gegenelektrode im Reaktionsraum eines Plasmabogen-Reaktors vorzusehen.
Die erste bzw. zweite Hohlelektrode ist erfindungsgemäß jeweils dazu eingerichtet, ein Plasmagas, Wasserstoff und Metalloxid, insbesondere Eisenoxid dem Reaktionsraum zuzuführen und mit der Gegenelektrode zur Ausbildung eines ersten bzw. zweiten Lichtbogens zusammenzuwirken, um durch elektrische Anregung des Plasmagases und des Wasserstoffes einen ersten bzw. zweiten Plasmastrahl zu erzeugen.
Es kann in einer besonders bevorzugten Weiterbildung die Gegenelektrode als Bodenelektrode ausgebildet sein; d.h. im unteren Aggregatsbereich des Plasmabogen-Reaktors. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist die erste und zweite Hohlelektrode oben --d.h. im oberen Aggregatsbereich des Plasmabogen-Reaktors-- gegenüber und oberhalb der Bodenelektrode angeordnet..
Die erste Hohlelektrode und die zweite Hohlelektrode sind nach dem Konzept der Erfindung derart beabstandet zueinander und zu der Gegenelektrode angeordnet, dass sich der erste Plasmastrahl und der zweite Plasmastrahl infolge einer Lorenzkraft anziehen und zumindest abschnittsweise einen vereinten Plasmastrahl und/oder Plasma ausbilden.
Erfindungsgemäß ist vorliegend vorgesehen, dass die Gegenelektrode als Kathode ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß ist vorliegend weiter vorgesehen, dass die erste Hohlelektrode als Hohlanode ausgebildet ist.
Die Erfindung schlägt maßgeblich des Weiteren vorliegend erfindungsgemäß eine zweite Hohl-Elektrode vor, --in diesem erfindungsgemäßen Ansatz also eine zweite Hohl-Anode- - vor--. Insbesondere ist also eine abschnittsweise in dem Reaktionsraum angeordnete zweite Hohlelektrode vorgesehen. Erfindungsgemäß ist die zweite Hohlelektrode als zweite Hohl-Anode ausgebildet.
ie zweite Hohl-Anode ist dazu eingerichtet, ein Plasmagas, Wasserstoff und Fein- bzw. Feinsterz dem Reaktionsraum zuzuführen und mit der Gegenelektrode, hier also der erfindungsgemäßen Kathode, zur Ausbildung eines zweiten Lichtbogens zusammenzuwirken, um durch die elektrische Anregung des Plasmagases und des Wasserstoffes einen zweiten Plasmastrahl zu erzeugen. Dabei sind die erste Hohlanode und die zweite Hohlanode derart beabstandet zueinander und zu der Kathode 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.
Die Erfindung schlägt für einen Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen der eingangs genannten Art die im Unterschied zum Stand der Technik „umgekehrte“ Elektrodenanordnung vor; sehr vereinfacht mit anderen Worten ist an Gegenelektrode einerseits und der ersten und zweiten Hohlelektrode andererseits „eine im Unterschied zum Stand der Technik umgekehrte Spannung“ vorgesehen, also die Schaltung der Bodenelektrode als Kathode und die im oberen Aggregatsbereich angeordneten Hohlelektroden als Anoden. Gleichwohl ist dieses Bild stark vereinfachend für die tatsächlich „umgekehrte“ Elektrodenanordnung, die zu einer „Umkehrung“ der Bewegungsrichtung der geladenen Teilchen (v.a. Wasserstoff-Kationen und Elektronen) führt.
Somit bewegen sich die Wasserstoff-Kationen vermehrt nach unten und damit in Richtung der Schlacke bzw. des Metallbades. Das Zusammentreffen von Eisenoxid aus bzw. in der Schlacke und den genannten Wasserstoff-Kationen wird dadurch stark begünstigt. Da Wasserstoff-Kationen weiters ein enorm effektives Reduktionsmittel in Bezug auf Eisenoxid darstellen, kann dadurch zudem der Reduktionsgrad gesteigert werden.
Unter dem Zusammenwirken der ersten und zweiten Hohlanode und der Kathode als Gegenelektrode wird vorliegend auch das Zusammenwirken der ersten und zweiten Hohlanode mit zusätzlichem, leitend mit der Kathode verbundenem Metall, insbesondere Metallschrott oder Stahlschrott, verstanden. Vorzugsweise wird zum Erzeugen des Lichtbogens Stahlschrott in den Reaktionsraum eingebracht und leitend mit der Kathode verbunden. Durch kurzzeitiges Verbinden der jeweiligen ersten bzw. zweiten Hohlanode mit dem Stahlschrott wird der Lichtbogen entzündet.
Bei dem vorliegend zwischen der ersten bzw. zweiten Hohlanode und der Kathode ausgebildeten ersten bzw. zweiten Lichtbogen handelt es sich jeweils um einen übertragenen Lichtbogen. Ein solcher Lichtbogen zwischen der Anode und einer 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 einen Lichtbogen (des ersten bzw. zweiten Lichtbogens) 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 (bzw. des ersten und zweiten) übertragenen Lichtbogens kann man also jeweils von einem bewegten Strom von Ladungen reden, die grundsätzlich einer Lorentzkraft unterliegen.
Der Erkenntnis der Erfindung folgend ergibt es sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung der ersten und zweiten Hohlanode und der damit verbundenen gleichen Stromrichtung der bewegten Ströme von Ladungen der gebildeten Plasmen des ersten und zweiten übertragenen Lichtbogens, dass sich der erste Plasmastrahl und der zweite Plasmastrahl infolge der Lorenzkraft anziehen. 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 Kathode bzw. auf ein im Bereich der Kathode gebildetes Metallbad auf und verlaufen in einem an die Kathode 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 zu geführten 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.
Die erste Hohlelektrode und die zweite Hohlelektrode sind vorliegend damit nach dem Konzept der Erfindung als erste und zweite Hohlanode ausgebildet und derart beabstandet zueinander und zu der als Gegenkathode ausgebildeten Gegenelektrode angeordnet, dass sich der erste Plasmastrahl und der zweite Plasmastrahl infolge einer Lorenzkraft anziehen und zumindest abschnittsweise einen vereinten Plasmastrahl und/oder Plasma ausbilden.
Zusätzlich bedingt die vorgenannte Anordnung --vereinfacht ausgedrückt die „Umkehrung“ der Spannung-- das vermehrte Zusammentreffen von Wasserstoff-Kationen und Eisenoxid in der Schlacke. Dies erhöht den Reduktionsgrad noch weiter; dieser Effekt tritt zusätzlich zu dem mit der Lorenzkraft stabilisierten Plasma auf. Tatsächlich ist das vorliegende erfindungsgemäße Konzept darauf gerichtet, mit entsprechendem Aufwand die Gegenelektrode als Kathode konstruktiv auszubilden und die erste und zweite Hohlelektrode jeweils als Hohlanode konstruktiv auszubilden und zudem entsprechend zu verschalten. Insgesamt erhöht dies den Reduktionsgrad infolge des stabilisierten Plasmas und zudem aufgrund des stark begünstigten Zusammentreffens von Eisenoxid aus bzw. in der Schlacke und den genannten Wasserstoff-Kationen.
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.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist die Gegenelektrode in Form der Kathode als Bodenelektrode ausgebildet. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist die erste und zweite Hohlanode oben, d.h. im oberen Aggregatsbereich, gegenüber und oberhalb der Bodenelektrode in Form der Kathode angeordnet; also vereinfacht ausgedrückt oberhalb einer Schmelze.
Vorzugsweise ist das Plasmagas Argon. Bei Argon handelt es sich um ein zweckmäßiges und ausreichend stabiles Plasmagas, welches die nötige Stabilität des Plasmastroms begünstigt. Der Argongehalt beträgt dabei bevorzugt 50% oder weniger des Gasgemisches ausmachen, besonders bevorzugt 20% oder weniger.
Vorzugsweise umfasst die Kathode und/oder die Anode Graphit. Insbesondere ist die erste und zweite Hohlanode jeweils als eine erste und zweite Hohl-Graphitanode ausgebildet. Weiter bevorzugt ist die Kathode als Metallband ausgebildet. Ein Metallband bietet dabei konstruktive Vorteile und reduziert den freien Reaktionsraum nur geringfügig.
Vorzugsweise sind die erste Hohlanode und die zweite Hohlanode zum Einblasen von Plasmagas, Wasserstoff und Fein- bzw. Feinsterz in den Reaktionsraum, insbesondere in Richtung der Kathode, eingerichtet. Somit wird das Fein- bzw. Feinsterzpulver direkt in den sich am Austritt der Hohlanode bildenden Plasmastrahl eingeblasen. Die geringe Korngröße des Fein- bzw. Feinsterzes ermöglicht eine feinere Verteilung, erhöhte Reaktionsoberfläche und einen reduzierten Energieeinsatz zum Aufschmelzen des Fein- bzw. Feinsterzes.
Weiter bevorzugt sind die erste Hohlanode und die zweite Hohlanode in vertikaler Richtung über der Kathode 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, der zweite Plasmastrahl oder der vereinte Plasmastrahl auf das Fein- bzw. Feinsterz auftrifft.
Weiter bevorzugt sind die erste Hohlanode und die zweite Hohlanode jeweils in vertikaler Richtung in einer Höhe und in horizontaler Richtung in einem Abstand von der Kathode beabstandet. Mit anderen Worten unterscheidet sich die Höhe der ersten Hohlanode relativ zu der Kathode in vertikaler Richtung sowie deren Abstand in horizontaler Richtung relativ zu der Kathode nicht von der entsprechenden Höhe der zweiten Hohlanode relativ zu der Kathode und deren Abstand in horizontaler Richtung. Die erste Hohlanode und die zweite Hohlanode sind somit in zwei Raumrichtungen gleichmäßig beabstandet zu der Kathode angeordnet. Der erste Plasmastrahl und der zweite Plasmastrahl verlaufen somit im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zueinander, wobei die Symmetrieebene durch die Kathode verläuft.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Hohlanode und die zweite Hohlanode in einer Längsrichtung bewegbar in einer Wandung des Reaktionsraums aufgenommen, derart, dass die Höhe durch eine Bewegung der ersten Hohlanode und der zweiten Hohlanode in Längsrichtung veränderbar ist. Durch eine Veränderung der Höhe der ersten Hohlanode und der zweiten Hohlanode relativ zu der Kathode 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 Hohlanode und der zweiten Hohlanode 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 werden. 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 Hohlanode bzw. die zweite Hohlanode weiter im Reaktionsraum verteilen würde.
Weiter bevorzugt ist die Lanze in einer veränderlichen Lanzenhöhe zu der Kathode 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 Kathode 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 Hohlanode und der zweiten Hohlanode 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 Hohlanoden 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 Hohlanode und die zweite Hohlanode, 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 Hohlanode und die zweite Hohlanode bzw. Lanze 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 55-95% des Ar-H2-Gemisches ausmachen, welches auf 550 - 750 Grad Celsius vorgewärmt werden sollte).
Weiter bevorzugt wird an die erste Hohlanode und die zweite Hohlanode 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 Hohlanoden.
Mit besonderem Vorteil versehen beträgt ein Abstand zwischen der ersten und zweiten Hohlanode 50cm bis 300cm, bevorzugt 80 - 250cm, insbesondere 100-200cm.
Unter Berücksichtigung des Abstandes zwischen der ersten und zweiten Hohlanode kann mit Vorteil versehen eine Anode einen Durchmesser von 40 bis 150cm aufweisen; der Durchmesser kann je nach Leistung variieren.
Dieser Abstand zwischen den Anoden 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 Anodenanordnung 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 Hohlanode und die zweite Hohlanode 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 Hohlanode und die zweite Hohlanode angelegt wird.
Zusätzlich oder alternativ hat es sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, dass das Wasserstoffgas 55-95% des Ar-H2-Gemisches ausmacht, insbesondere welches auf 550 °C - 750 °C 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 Hohlanoden bereitgestellt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die erste Hohlelektrode und die zweite Hohlelektrode als erste und zweite Hohlanode ausgebildet und diese sind Teil einer Mehrzahl von Hohlanoden. Jede der Mehrzahl von Hohlelektroden in Form der Hohlanoden ist dazu eingerichtet, ein Plasmagas, Wasserstoff und Metalloxid, insbesondere Eisenoxid dem Reaktionsraum zuzuführen und mit der Kathode zur Ausbildung eines weiteren Lichtbogens zusammenzuwirken, um durch elektrische Anregung des Plasmagases und des Wasserstoffes einen weiteren Plasmastrahl zu erzeugen. Die Mehrzahl von Hohlanoden sind derart beabstandet zueinander und zu der als Gegenkathode ausgebildeten Gegenelektrode angeordnet, dass sich entsprechend der erste Plasmastrahl und der zweite Plasmastrahl und der weitere bzw. die Mehrzahl von Plasmastrahlen infolge einer Lorenzkraft anziehen und zumindest abschnittsweise einen vereinten Plasmastrahl und/oder Plasma ausbilden.
Es ist bevorzugt zu verstehen, dass sich wenn entsprechend der erste Plasmastrahl und der zweite Plasmastrahl und der weitere bzw. die Mehrzahl von Plasmastrahlen infolge einer Lorenzkraft anziehen und zumindest abschnittsweise einen vereinten Plasmastrahl und/oder Plasma ausbilden zu diesem Zwecke und bedarfsgerecht auch die Mehrzahl von Hohlanoden beabstandet zueinander und zu einer geeigneten Anzahl von Gegenkathoden ausgebildeten Gegenelektroden angeordnet sein können; dies insbesondere wenn die geeignete Anzahl von Gegenkathoden ausgebildeten Gegenelektroden derart eng beieinander liegen, dass der erste Plasmastrahl und der zweite Plasmastrahl und der weitere bzw. die Mehrzahl von Plasmastrahlen infolge einer Lorenzkraft anziehen und zumindest abschnittsweise einen vereinten Plasmastrahl und/oder Plasma ausbilden.
Ein diesbezügliches Verfahren kann ferner umfassen einen, mehrere oder sämtliche der folgenden Schritte:

- Erzeugen einer Mehrzahl von Plasmastrahlen, insbesondere durch Ionisierung des Plasmagases und des Wasserstoffes an den jeweiligen Austrittsöffnungen der Mehrzahl von Hohlanoden, mittels Zusammenwirken der ersten, zweiten und weiteren Hohlanoden bzw. der Mehrzahl von Hohlanoden und der Kathode als Gegenelektrode unter Ausbilden einer Mehrzahl von Lichtbögen,
- zumindest abschnittsweises Vereinen der Mehrzahl von Plasmastrahlen zu einem vereinten Plasmastrahl und/oder Plasma durch Anziehung der Plasmastrahlen untereinander infolge der Lorenzkraft,

- Reduzieren des Metalloxids, insbesondere des Eisenoxids, durch den vereinten Plasmastrahl oder das Plasma.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Schmelzreduktionsofen eine Vielzahl von Hohlanoden auf, welche in einer gleichmäßigen Distanz zueinander angeordnet sind, wobei die gleichmäßige Distanz insbesondere dem halben Abstand der ersten Hohlanode und der zweiten Hohlanode zu der Kathode entspricht. Die Vielzahl der Anoden umfasst somit die erste Hohlanode und die zweite Hohlanode. Sämtliche der Hohlanoden weisen zueinander, also zu jeder der Anoden der Vielzahl von Hohlanoden, einen identischen Abstand auf. Insbesondere, aber nicht ausschließlich in Ausführungsformen, in welchen der Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen eine Lanze aufweist, sind die Hohlanoden 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 Hohlanoden konstant. Somit bildet sich zentral zwischen allen Hohlanoden 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 Hohlanode,
- Zuführen, insbesondere Einblasen von Plasmagas, Wasserstoff und Fein- bzw. Feinsterz in einen Reaktionsraum durch eine zweite Hohlanode,
- Erzeugen eines ersten Plasmastrahls durch Ionisierung des Plasmagases und des Wasserstoffes an einer Austrittsöffnung der ersten Hohlanode mittels eines durch Zusammenwirken der ersten Hohlanode und einer Kathode gebildeten ersten Lichtbogens,
- Erzeugen eines zweiten Plasmastrahls durch Ionisierung des Plasmagases und des Wasserstoffes an einer Austrittsöffnung der zweiten Hohlanode mittels eines durch Zusammenwirken der zweiten Hohlanode und einer Kathode 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 Hohlanode 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 enthält, 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 enthält. 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.
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 Hohlanode 20 und einer beabstandet zu dieser angeordneten zweiten Hohlanode 30. Die erste und zweite Hohlanode 20, 30 sind in einer Höhe H1 zu einer Kathode 11 beabstandet angeordnet. Die erste Hohlanode 20 weist einen Abstand A zu der zweiten Hohlanode 30 auf. Durch Anliegen einer Spannung wird bei ausreichend hoher Potentialdifferenz und Stromdichte durch Stoßionisation ein erster Lichtbogen 21 zwischen der ersten Hohlanode 20 und der Kathode 11 sowie ein zweiter Lichtbogen 31 zwischen der zweiten Hohlanode 30 und der Kathode 11 gebildet. In dem jeweiligen Lichtbogen 21, 31 werden ähnlich wie in einem stromdurchflossenen Draht negative Ladungsträger von der Kathode 11 zu den jeweiligen Hohlanode 20, 30 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 Hohlanode 20 und eine zweite Hohlanode 30 sowie eine von den Hohlanoden 20, 30 in einer Höhe H1 beabstandete Kathode 11, die zumindest abschnittsweise in einem Reaktionsraum 2 angeordnet sind. Eine Wandung 7 schließt den Reaktionsraum 2 ein. Die erste Hohlanode 20 und die zweite Hohlanode 30 sind beweglich in der Wandung 7 aufgenommen. Die erste und zweite Hohlanode 20, 30 umfassen bevorzugt Graphit.
Zwischen der ersten Hohlanode 20 und der zweiten Hohlanode 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 Kathode 11 bzw. ein diese umgebendes Stahlbad 14 bzw. Schlacke 15 auf und verlaufen in einem an die Kathode 11 bzw. das diese umgebende Stahlbad 14 bzw. Schlacke 15 angrenzenden Abschnitt als ein vereinter Plasmastrahl 34 und/oder Plasma.
Im Anwendungsfall zur Reduktion von Eisenoxid zu Eisen bzw. Stahl kann das Metallbad abhängig z.B. vom Phosphorgehalt des Eisenerzes eine Temperatur von 1.600 - 1.650 °C aufweisen. Der Druck im Reaktionsraum des Aggregats kann bei etwa 1 bis 2bar liegen.
Die Wandung 7 umfasst bevorzugt zumindest abschnittsweise eine Feuerfestausmauerung 17. Die Wandung 7 weist bevorzugt ferner eine Dichtung 12 auf, welche die Hohlanoden 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 Hohlanode 20, 30 in vertikaler Richtung oberhalb der Kathode 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.
In der gezeigten Ausführungsform ist die erste und die zweite Hohlanode 20, 30 derart beabstandet zueinander und zu der Kathode 11 angeordnet, dass sich der erste Plasmastrahl 22 und der zweite Plasmastrahl 32 infolge der Lorenzkraft wie erläutert anziehen und zumindest abschnittsweise den vereinten Plasmastrahl 34 und/oder das Plasma ausbilden.
In einer hier nicht explizit gezeigten abgewandelten Ausführungsform kann die erste und zweite Hohlanode 20, 30 Teil einer Mehrzahl von Hohlanoden sein, wobei jede der Mehrzahl von Hohlanoden ein Plasmagas, Wasserstoff und Metalloxid, insbesondere Eisenoxid, dem Reaktionsraum 2 zuführt, und mit der Kathode 11 zur Ausbildung eines ersten, zweiten und wenigstens einen weiteren Lichtbogens 21, 31 zusammenwirkt, um durch elektrische Anregung des Plasmagases und des Wasserstoffes einen ersten, zweiten und wenigstens einen weiteren Plasmastrahl 22, 32 zu erzeugen.
Auch bei dieser abgewandelten Ausführungsform ist die Mehrzahl von Hohlanoden 20, 30 derart beabstandet zueinander und zu der als Gegenkathode 11 ausgebildeten Gegenelektrode angeordnet sind, dass sich entsprechend der erste Plasmastrahl und der zweite Plasmastrahl und der wenigstens eine weitere Plasmastrahl bzw. die Mehrzahl von Plasmastrahlen 22, 32 infolge der Lorenzkraft anziehen und zumindest abschnittsweise einen vereinten Plasmastrahl 34 und/oder Plasma ausbilden.
In dem entsprechenden Verfahren erfolgt ein Reduzieren des Metalloxids, insbesondere des Eisenoxids, durch den vereinten Plasmastrahl 34 und/oder das Plasma.
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 Anodenhöhe 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 Hohlanoden 20, 30 angelegte Spannung. Ferner kooperiert das Messeinrichtung 4 bevorzugt mit Aktuatoren (nicht gezeigt), durch welche die Hohlanoden 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. Der Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen 1 kann wie erläutert gemäß der Ausführungsform der 2 die erste und zweite Hohlanode 20, 30 aufweisen oder gemäß der abgewandelten Ausführungsform eine oder mehrere weitere Hohlanoden aufweisen; wie oben erläutert kann also die erste und zweite Hohlanode 20, 30 Teil einer Mehrzahl von Hohlanoden sein. Das im Folgenden beschriebene Verfahren der Ausführungsform der 3 bezieht sich auf die vorgenannte Ausführungsform des Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofens 1 der 2 als auch auf die abgewandelte Ausführungsform des Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofens.
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 45 wird 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: Kathode
12: Dichtung
13: Manometer
14: Eisen- bzw. Stahlbad
15: Schlackeschicht
16: Spülstein
17: Feuerfestausmauerung
20: erste Hohlanode
21: erster Lichtbogen
22: erster Plasmastrahl
30: zweite Hohlanode
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 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Seftejani et al. in „Metals“ aus 2018, 8, 1051 (11. Dezember 2018 [0013]

Claims

Wasserstoffplasma-Schmelzreduktionsofen (1) zur Reduktion eines Metalloxids, insbesondere zur Reduktion von Eisenoxid, aufweisend: - einen Reaktionsraum (2), - eine in dem Reaktionsraum angeordnete Gegenelektrode , und - eine abschnittsweise in dem Reaktionsraum angeordnete erste Hohlelektrode , wobei die erste Hohlelektrode dazu eingerichtet ist, ein Plasmagas, Wasserstoff und Metalloxid, insbesondere Eisenoxid, dem Reaktionsraum (2) zuzuführen und mit der Gegenelektrode zur Ausbildung eines ersten Lichtbogens (21) zusammenzuwirken, um durch elektrische Anregung des Plasmagases und des Wasserstoffes einen ersten Plasmastrahl (22) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass - die Gegenelektrode als Kathode (11) ausgebildet ist, und - die erste Hohlelektrode als Hohlanode (20) ausgebildet ist, und - eine zweite Hohlanode (30) angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, ein Plasmagas, Wasserstoff und Metalloxid, insbesondere Eisenoxid dem Reaktionsraum (2) zuzuführen und mit der Kathode (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 Hohlanode (20) und die zweite Hohlanode (30) derart beabstandet zueinander und zu der Kathode (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 Hohlanode (20) und die zweite Hohlanode (30) zum Einblasen von Plasmagas, Wasserstoff und Metalloxid, insbesondere Eisenoxid in Fein- und Feinsterzen in den Reaktionsraum (2), insbesondere in Richtung der Kathode, eingerichtet sind.
Schmelzreduktionsofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Hohlanode (20) und die zweite Hohlanode (30) in vertikaler Richtung über derKathode (11) angeordnet sind.
Schmelzreduktionsofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hohlanode (20) und die zweite Hohlanode (30) jeweils in vertikaler Richtung in einer Höhe (H) und in horizontaler Richtung in einem Abstand (A) von der Kathode (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 einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hohlanode (20) und die zweite Hohlanode (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 Hohlanode (20) und der zweiten Hohlanode (30) in Längsrichtung (L) veränderbar ist.
Schmelzreduktionsofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Lanze, die beabstandet zu der ersten Hohlanode und der zweiten Hohlanode 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 Kathode 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 vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Aktuator, der zur Aktuierung der Bewegung der ersten Hohlanode (20) und der zweiten Hohlanode (30) und/oder der Lanze (3) in Längsrichtung (L) eingerichtet ist, und durch mindestens eine mit der Wandung und der ersten Hohlanode (20) und der zweiten Hohlanode (30) und/oder der Lanze (3) zusammenwirkende Dichtung (12) zum dichtenden Verschließen des Reaktionsraumes (2).
Schmelzreduktionsofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, 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 Hohlanode (20) und der zweiten Hohlanode (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 Hohlanode (20) und die zweite Hohlanode (30).
Schmelzreduktionsofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen der ersten und zweiten Hohlanode (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 Hohlanoden aufweist, welche in einergleichmäßigen Distanz (D) zueinander, welche insbesondere dem halben Abstand (A) der ersten Hohlanode und der zweiten Hohlanode zu der Kathode 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 Hohlanode (20), - Zuführen, insbesondere Einblasen von Plasmagas, Wasserstoff und Metalloxid, insbesondere Eisenoxid in einen Reaktionsraum durch eine zweite Hohlanode (30), - Erzeugen eines ersten Plasmastrahls (22) durch Ionisierung des Plasmagases und des Wasserstoffes an einer Austrittsöffnung der ersten Hohlanode (20) mittels eines durch Zusammenwirken der ersten Hohlanode (20) und einer Kathode (11) gebildeten ersten Lichtbogens (21), - Erzeugen eines zweiten Plasmastrahls (32) durch Ionisierung des Plasmagases und des Wasserstoffes an einer Austrittsöffnung der zweiten Hohlanode (30) mittels eines durch Zusammenwirken der zweiten Hohlanode (20) und einer Kathode (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.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei - die erste und zweite Hohlanode Teil einer Mehrzahl von Hohlanoden sind, wobei jede der Mehrzahl von Hohlanoden ein Plasmagas, Wasserstoff und Metalloxid, insbesondere Eisenoxid, dem Reaktionsraum zuführt, und mit der Kathode zur Ausbildung eines ersten, zweiten und wenigstens einen weiteren Lichtbogens zusammenwirkt, um durch elektrische Anregung des Plasmagases und des Wasserstoffes einen ersten, zweiten und wenigstens einen weiteren Plasmastrahl zu erzeugen, und - die Mehrzahl von Hohlanoden derart beabstandet zueinander und zu der als Gegenkathode ausgebildeten Gegenelektrode angeordnet sind, dass sich entsprechend der erste Plasmastrahl und der zweite Plasmastrahl und der wenigstens eine weitere Plasmastrahl bzw. die Mehrzahl von Plasmastrahlen infolge der Lorenzkraft anziehen und zumindest abschnittsweise einen vereinten Plasmastrahl und/oder Plasma ausbilden, - Reduzieren des Metalloxids, insbesondere des Eisenoxids, durch den vereinten Plasmastrahl und/oder das Plasma.