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Verfahren und Einrichtung zur Eisengewinnung aus staubförmigen bzw.
feinkörnigen Eisenerzen mittels Brennstoffen in feinem Verteilungsgrad oberhalb
des Schmelzpunktes der nicht gasförmigen Reaktionsprodukte Es sind Verfahren zur
Eisengewinnung aus staubförmigen bzw. feinkörnigen Eisenerzen mittels Brennstoffen
in feinem Verteilungsgrad oberhalb des Schmelzpunktes der nicht gasförmigen Reaktionsprodukte
z. B. durch die deutschen Patentschriften 323 808 und 583 209 bekannt. Nach dem
Vorschlag der erstgenannten Patentschrift wird das zu reduzierende Erz innig mit
Kohlenstaub vermischt und in die heiße Reduktionskammer eingeblasen, in welcher
sich das Gemisch beim Auftreffen auf die heißen Wände des Ofens entzündet, der kohlenstoffhaltige
Brennstoff unter Bildung von Kohlenoxyd verbrennt und das metallhaltige Gut zu Metall
reduziert. Metall und Schlacke sammeln sich im Reaktionsraum an. Nach der zweitgenannten
Patentschrift wird das Reaktionsgut durch die ihm beim Einblasen erteilte lebendige
Kraft in der Außenzone der Reaktionskammer nach oben getragen. In dem Augenblick,
in welchem diese Bewegungsenergie verbraucht ist, fallen die Festkörper herunter,
wobei sie einem aufwärts gerichteten Reaktionsstrom beigemischt werden.
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Es ist ferner ein Schmelzverfahren durch die USA.-Patentschrift 2
540 593 bekannt, gemäß welchem feinverteiltes, staubförmiges Schwammeisen in einer
Schmelzkammer mit einem hocherhitzten Trägergas nicht oxydierender Beschaffenheit
eingeschmolzen wird.
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Auch ist ein Verfahren (USA.-Patentschrift 2 481217) bekannt,
gemäß welchem Eisenerze unterhalb der Sintertemperatur der schmelzbaren Substanzen
in zwei oder mehreren Stufen reduziert werden mit dem Ziel, Eisenpulver zu gewinnen,
das vornehmlich bei pulvermetallurgischen Prozessen Verwendung finden soll.
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Demgegenüber wird bei einem Verfahren zur Eisengewinnung aus staubförmigen
bzw. feinkörnigen Eisenerzen mittels Brennstoffen in feinem Verteilungsgrad oberhalb
des Schmelzpunktes der nicht gasförmigen Reaktionsprodukte erfindungsgemäß vorgeschlagen,
daß die Erze zunächst in einer Reduktionskammer vorreduziert werden, wobei die nicht
gasförmigen Reaktionskomponenten in der Schwebe gehalten werden, und daß im unmittelbaren
Anschluß die so vorreduzierten Erze in einer Schmelzkammer in der Schwebe nachreduziert,
die Reduktionsprodukte geschmolzen und durch Schwer- oder Zentrifugalkraft abgeschieden
werden.
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Hierdurch kann die Eisengewinnung aus staubförmigen bzw. feinkörnigen
Eisenerzen mittels einer verhältnismäßig einfachen Anlage erfolgen; auch ist der
Brennstoffverbrauch, auf die Tonne in der Schmelzkammer reduziertes Eisenerz bezogen,
niedrig. Infolge des Zweistufenprozesses wird nämlich die bei dem hohen Temperaturniveau
der Schmelzkammer erforderliche Wärmemenge, die besonders hohe Kosten verursacht,
weitgehend eingeschränkt. Ferner wird ein großer Teil der für die Eisenreduktion
erforderlichen Wärmemenge bei Temperaturen aufgebracht, die erheblich unterhalb
der Schmelzkammertemperatur liegen, und zwar im Bereich unterhalb der Sintertemperatur
des Erzes.
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Es hat sich herausgestellt, daß sich das erfindungsgemäße Verfahren
besonders vorteilhaft durchführen läßt, wenn die heißen Abgase der Schmelzkammer
zur Vorreduktion dienen. Das Mengenverhältnis von Brennstoff zu gasförmigen Verbrennungsmitteln,
das in die Schmelzkammer eingeblasen wird, wird in diesem Fall so eingestellt, daß
die Abgase der Schmelzkammer infolge ihres entsprechend hohen Gehaltes an Kohlenoxyd
und Wasserstoff als Reduktionsgase unterhalb der Sintertemperatur dienen können.
Es erweist sich als besonders vorteilhaft, daß in diesem Fall die Schmelzkammer
gleichzeitig den Gaserzeuger für die Herstellung des Reduktionsgases darstellt,
das unterhalb der Sintertemperatur zur Anwendung gebracht wird.
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Die für die Wirtschaftlichkeit notwendige Wärmeökonomie des vorliegenden
Verfahrens hat zur Voraussetzung, daß die fühlbare Wärme des Abgases aus der Schmelzkammer
in hochwertigster Weise ausgenutzt wird. Der dem Stand der Technik entsprechende
Weg für die Wärmeausnutzung durch rekuperative oder regenerative Übertragung derselben
an das gasförmige Verbrennungsmedium ist im vorliegenden
Fall mit
großen Schwierigkeiten behaftet, weil die Abgastemperatur der Schmelzkammer sehr
hoch liegt (bei etwa 1600° C) und das Abgas mit staubförmigen oder flüssigen Stoffen
verunreinigt ist. Eine technisch und wirtschaftlich sehr günstige Möglichkeit für
die Wärmeausnutzung des Schmelzkammerabgases hat sich bei dem vorliegenden Verfahren
dadurch ergeben, daß das Roherz bzw. die Möllerstoffe in das Abgas der Schmelzkammer
beim Verlassen der Schmelzkammer eingeführt werden. Unter schroffer Abkühlung des
Schmelzkammerabgases werden hierbei Roherz und Möllerstoffe schnell auf die Temperatur
erhitzt, die für die Vorreduktion des Eisenerzes erforderlich ist. Gleichzeitig
werden die festen und flüssigen Verunreinigungen des Schmelzkammerabgases von den
staubförrnigen Möllerstoffen umhüllt und aufgenommen, und es wird deren Ablagerung
auf den Wänden der Rohrleitungen usw. verhindert bzw. eingeschränkt.
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Um diese Ablagerung insbesondere von flüssigen Bestandteilen des Schmelzkammerabgases
auf den Wandungen der Rohrleitungen hinter der Schmelzkammer zu verhindern, ist
auch vorgesehen, daß die sehr heißen Abgase der Schmelzkammer bei Verlassen derselben
zunächst an Kühlrohren vorbeistreichen, die z. B. mittels Wasser gekühlt werden.
Flüssige im Abgas enthaltene Verunreinigungen werden hierbei abgeschreckt und unschädlich
gemacht.
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Vorteilhaft ist auch die Abstimmung der bei den verschiedenen Temperaturniveaus
durchgeführten Reduktionsprozesse aufeinander. Es wurde gefunden, daß ein günstigster
Gesamtbrennstoffverbrauch dann erzielt wird, wenn die Verbrennung des Brennstoffes
in der Schmelzkammer durch entsprechende Bemessung des Verhältnisses der Brennstoffmenge
zu der Menge der gasförmigen Verbrennungsmittel so erfolgt, daß ein mit Kohlensäure
und Wasserdampf angereichertes Gas entsteht, dessen Zusammensetzung in der Nähe
des Gleichgewichtes mit Fe/FeO als Bodenkörper bei der Schmelzkammertemperatur liegt.
Auf diese Weise wird erreicht, daß eine möglichst weitgehende Brennstoffausnutzung
in der Schmelzkammer erfolgt mit dem Ziel einer möglichst großen Wärmeerzeugung
pro Tonne durchgesetzten Brennstoff. Diese Fahrweise in der Schmelzkammer wird dadurch
ermöglicht, daß die Vorreduktion des Erzes in der Vorreduktionskammer, also unterhalb
der Sintertemperatur, bis zu einem Restsauerstoffgehalt des Erzes erfolgt, dessen
Wärmebedarf für die Reduktion einschließlich des sonstigen Wärmebedarfes der Schmelzkammer
gerade gedeckt wird infolge der teilweisen Verbrennung des Brennstoffes zu Kohlensäure
und Wasserdampf.
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Es hat sich herausgestellt, daß insbesondere bei großer Durchsatzleistung
einer Schmelzkammer aus dieser Schlacken gewonnen werden, die noch einen relativ
hohen Eisenoxydgehalt aufweisen. Die vorliegende Erfindung wird deshalb dahingehend
vervollständigt, daß die flüssigen Reaktions-und Schmelzprodukte der Schmelzkammer
durch ein über die Schmelztemperatur derselben vorzugsweise durch Einblasen eines
Teiles des Verbrennungsmediums erhitztes Koksbett geleitet werden. Das Erhitzen
des Koksbettes soll vorzugsweise durch Einblasen eines gasförmigen Verbrennungsmediums
erfolgen, das von dem Verbrennungsmedium der Schmelzkammer abgezweigt werden kann.
Die Wirkung des Koksbettes im Sinne der Erfindung wird dadurch gesteigert, daß diesem
außer Koks oder koksbildender Kohle Stoffe beigegeben werden, die der Reinigung
oder Anreicherung der metallischen und/oder der Schlackenphase dienen.
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Als solche Stoffe kommen in Frage Kalk, Quarzsand, Tonerde, Chromoxyd
u. dgl.
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Es ist vorgesehen, daß die Vorreduktion des Erzes in einem Zyklon
oder im Wirbelschichtverfahren oder mittels beider erfolgt.
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Bei der Zyklonkammer wird das Reduktionsgas tangential in einen zylinderförmigen
oder kegelförmigen Raum eingeführt und hierin mit dem zu reduzierenden Eisenerz
zur Reaktion gebracht. Bei dem Wirbelschichtverfahren wird das staubförmige bzw.
feinkörnige Erz mittels des Reduktionsgases in an sich bekannter Weise in der Schwebe
gehalten, so daß sich eine flüssigkeitsähnliche Wirbelschicht herausbildet. Es besteht
auch die Möglichkeit, daß man besonders eine Zyklonkammer und eine Wirbelschicht
hintereinanderschaltet, um eine möglichst gute Ausnutzung des Reaktionsraumes zu
erzielen.
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Eine wichtige Weiterausgestaltung des Verfahrens besteht darin, daß
die Abgase der Schmelzkammer oder der Vorreduktionskammer zwecks Abscheidung von
Kohlenstoff in einem geeigneten Temperaturbereich (z. B. bei 500° C) mit Erzstaub
oder vorreduziertem Erzstaub zur Reaktion gebracht und der abgeschiedene Kohlenstoff
zusammen mit dem Erz der Schmelzkammer zugeführt wird. In diesem Temperaturbereich
findet die Reaktion 2 C O = C 09 -i- C statt. Das Gemisch aus Erzstaub und abgeschiedenem
Kohlenstoff wird anschließend der weiteren Verhüttung zugeführt. Diese Arbeitsweise
hat den Vorteil, daß aus dem Gas Reduktionskohlenstoff für die Reduktion des Eisenerzes
gewonnen wird und daß die hierbei frei werdende Wärme nutzbar gemacht werden kann.
Eine solche Form der Nutzbarmachung ist z. B. die Gewinnung von Dampf dadurch, daß
der Reaktionsraum mit der Dampferzeugung dienenden Rohrschlangen gekühlt wird.
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Für die Durchführung der Kohlenoxydzersetzung am Eisenerz ist die
Verwendung einer Zyklonkammer oder einer Wirbelschicht vorgesehen. Es können auch
Zyklonkammer und Wirbelschichtkammer hintereinandergeschaltet werden.
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Es hat sich herausgestellt, daß sowohl bei der Vorreduktion wie auch
bei dem Kohlenstoffabscheideprozeß eine Auflockerung des Gefüges des so behandelten
Erzes erfolgt. Erfindungsgemäß erfolgt deshalb die Feinzerkleinerung von in körnigem
Zustand vorliegenden Erzen nach ihrer Vorreduktion und/oder nach ihrer Behandlung
in der Kohlenstoffabscheidekammer.
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Sowohl die Reduktionsvorgänge wie auch die Kohlenstoffabscheidung
werden stark intensiviert, wenn der Reduktions- und der Schmelzprozeß bei erhöhtem
Druck durchgeführt werden. Die Durchsatzleistung eines gegebenen Reaktionsraumes
steigt mit erhöhtem Druck an sowohl für das Gesamtverfahren wie auch für die Teilprozesse
desselben.
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Ein wichtiges Problem bei einem Schmelzkammerreduktionsprozeß ist
auch die feuerfeste Auskleidung der Schmelzkammer. Es ist bekannt. daß z. B. bei
den Schmelzkesseln derartige Schmelzkammern mit wasserdurchflossenen, bestifteten
Rohren ausgekleidet sind, die mit einer dünnen Schicht einer keramischen Masse überzogen
sind. Um die Wärmeverluste durch die Kammerwandung möglichst klein zu halten und
möglichst große Anteile der Verbrennungswärme des Brennstoffes für die Eisenerzreduktion
auszunutzen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die feuerfeste Auskleidung
der Schmelzkammer aus einem
periodisch oder kontinuierlich zu erneuernden
Werkstoff besteht, dessen verschlackender Bestandteil als Verschlackungsmittel für
die Gangart des Erzes und die Asche der Kohle dient. Ein solches Mittel ist z. B.
Teer-Dolomit. Die verschlackenden Bestandteile des Teer-Dolomits (Ca0 und Mg0) werden
von der Verhüttungsschlacke aufgenommen und dienen zur Anreicherung dieser Schlacke
mit basischen Bestandteilen. Man spart in diesem Fall die Zugabe von Ca0 und
Mg 0 zu den Möllerstoffen des Verhüttungsprozesses ein, die normalerweise
wegen der sauren Gangart der Erze und der Kohlenaschen, erforderlich ist.
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Eine Abänderung der Schmelzkammerauskleidung nach der Erfindung besteht
darin, daß diese aus Kohlenstoff besteht, die nach Maßgabe des Verbrauches infolge
der Einwirkung der Möllerstoffe und der Gase in der Schmelzkammer laufend ergänzt
wird. Dies kann z. B. so geschehen, daß man auf die Innenseite der Schmelzkammer
kontinuierlich oder diskontinuierlich flüssige Kohlenstoffträger, wie Öle oder Ölkohlenstaubmischungen,
aufträgt bzw. aufspritzt.
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Die für die erfindungsgemäße Durchführung des Schmelzkammerprozesses
angewandte Vorrichtung hat als Besonderheit, daß Einführungsorgane in eine Schmelzkammer
für den Roherzstaub in der Nähe des Abgasauslasses oder in diesem und daß Einführungsorgane
für den Brennstoff, für das vorreduzierte Erz und für das Verbrennungsmedium in
einer Ebene, und zwar im Bereich der Reaktionszone, vorgesehen sind, derart, daß
die Einblasestellen gegeneinander gerichtet sind.
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Um das Zusammentreffen von bereits reduziertem Erz bzw. metallischem
Eisen mit dem Sauerstoff des gasförmigen Verbrennungsmediums möglichst zu vermeiden,
können auch Vorverbrennungseinblasedüsen Verwendung finden, bei denen der Brennstoff
mit dem gasförmigen Verbrennungsmedium vor dem Eintritt in die Schmelzkammer bereits
weitgehend verbrannt wird.
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Zum Zwecke der Reaktionslenkung in der Schmelzkammer können die gegeneinanderblasenden,
sich gegenüberliegenden Einblasedüsen mit verschiedenen Reaktionsstoffen beaufschlagt
werden, z. B. so, daß der eine der gegeneinanderblasenden Strahlen den größten Teil
oder den gesamten Brennstoff und allen Verbrennungssauerstoff enthält, während der
Gegenstrahl nur das vorreduzierte Erz enthält. Beim Zusammentreffen beider Strahlen
ist bereits eine weitgehende Verbrennung des Sauerstoffs erfolgt, so daß die Rückoxydation
des Eisens vermieden wird.
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Schließlich ist es vorteilhaft, daß in der Nähe des Bodens des Schmelzraumes
einer Schmelzkammer Austrittsöffnungen für das flüssige Eisen und für die flüssige
Schlacke sowie über dem Boden, aber unterhalb der Einblasestellen für die Reaktionskomponenten
ein Koksbett angeordnet sind und daß in das Koksbett Hilfseinblasedüsen führen.
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In der Zeichnung ist das Wesen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht,
und zwar zeigt Abb. 1 schematisch die gesamte Einrichtung der Anlage, Abb. 2 ein
Schema der Staubverhüttung mit Erdgas, Abb. 3 ein Schema der Staubverhüttung mit
Öl. Gemäß Abb. 1 weist eine Reaktionskammer bzw. Schmelzkammer 1 mit einem zentralen
Abzugsrohr 2 oben Zuführungskanäle 3 für Erz, Zuschläge und Koks und im unteren
Teil Einlaßöffnungen bzw. Einblasedüsen 4 für Staubkohle sowie im Koksbett 5 Hilfsdüsen
6 zum Einführen von Verbrennungsmedien sowie einen Schlackenablauf 7 und einen Eisenablauf
8 auf. Von dem Gasauslaß 2 der Schmelzkammer 1 führt eine Rohrleitung 9 zu einem
Einlaß 10 der Vorreduktionskammer 11, welche oben einen zentralen Gasaustritt 12
und unten einen Auslaß 13 für das abgeschiedene Gut enthält. Von dem Auslaß 13 führt
ein Förderorgan 14 zu der Einlaßdüse 4 der Reaktionskammer 1. Die Vorreduktionskammer
11 ist hier schematisch als Zyklon gezeigt. Die Vorreduktionskammer ist mit einem
Wärmeaustauscher 15 verbunden, in den eine vom Gasaustritt 12 führende Rohrleitung
16 in den Gaseinlaß 17 mündet. Das bei 17 eingetretene Gas durchströmt den Wärmeaustauscher
15 durch ein Wärmeaustauschsystem und verläßt den Wärmeaustauscher bei 18. Bei 19
wird in den Wärmeaustauscher das kalte Verbrennungsmedium, z. B. sauerstoffangereicherte
Luft, eingeleitet, das in erwärmtem Zustand den Wärmeaustauscher bei 20 verläßt
und mittels einer Leitung 21 der Reaktionskammer 1 durch die Einlaßdüsen 4 zugeleitet
wird.
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Von dem Gasaustritt 18 des Wärmeaustauschers führt eine Leitung 22
zum Einlaß 23 einer elektrischen Gasreinigungsvorrichtung 24. Am oberen Ende befindet
sich ein Gasauslaß 25, am unteren Ende eine Staubabzugsvorrichtung 26, welche mittels
eines Förderorgans 27 mit der Einlaßdüse 4 der Reaktionskammer 1 verbunden ist,
Das Verfahren wird in folgender Weise durchgeführt: Durch die Einlaßdüsen 4 wird
in die Reaktions- bzw. Schmelzkammer 1 ein Reaktionsgemisch eingeblasen. Dieses
besteht aus vorreduziertem Erz 28, welches aus der Vorreduktionskammer il mittels
des Förderorgans 14 herangeführt wird, aus dem Feinstaub 29 der elektrischen Gasreinigung
24, der mittels des Förderorgans 27 dem vorreduzierten Erz 28 zugeführt und beigemischt
wird, dem Brennstoff (Staubkohle) und aus dem Verbrennungsmedium, das -bestehend
aus z. B. sauerstoffangereicherter Luft -in dem Wärmeaustauscher 15 auf z. B. 800°
C vorgewärmt und der Einblasedüse 4 durch die Rohrleitung 21 zugeführt wird. In
der Schmelzkammer 1 reagieren Staubkohle, Erzstaub und Verbrennungsmedium in dem
Raum vor den Einblasedüsen 4 miteinander. Hierbei wird flüssiges Eisen und flüssige
Schlacke gebildet, die zum größten Teil in Tropfenform nach unten fallen. Sie treffen
hierbei auf das Koksbett 5.
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In dem Koksbett 5 wird die Schlacke vollständig ausreduziert, das
Eisen desoxydiert und aufgekohlt und mit Hilfe des von oben durch die Öffnungen
3 in die Schmelzkammer gegebenen Kalkes entschwefelt und gegebenenfalls mit bestimmten
Legierungsbestandteilen - wie Mangan, Silizium usw. - angereichert. Unterhalb des
Koksbettes 5 sammelt sich die Schlacke in einer zusammenhängenden Schicht 30 und
darunter das Eisen in einer ebenfalls zusammenhängenden Schicht 31. Die Schlacke
und das Eisen werden entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich aus der Reaktionskammer
1 durch die Öffnungen 7 bzw. 8 abgezogen.
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Die vor den Einblasedüsen 4 in der Reaktionskammer entstehenden Brenngase
strömen in der Reaktionskammer nach oben und verlassen durch das Gasaustrittsrohr
2 dieselbe. Koks und Kalk (Ca O) bzw. weitere Zuschläge werden durch die Einlaßöffnungen
3 in die Reaktionskammer 1 in stückiger Form eingeführt und durchfallen demzufolge
den nach oben gerichteten Gasstrom und gelangen auf das Koksbett 5. Durch die Eintrittsöffnungen
3 wird auch kalter Erzstaub
eingeführt, der infolge seiner geringen
Sinkgeschwindigkeit von dem aufwärts gerichteten Gasstrom mitgerissen, gleichzeitig
erwärmt und durch den Gasauslaß 2 bzw. die Leitung 9 zur Vorreduktionskammer 11
weitergeführt wird. Diesem Erz kann auch staubförmiger Kalk (Ca O) oder andere Zuschläge
beigefügt sein. Infolge der Aufheizung des Erzstaubes sinkt die Temperatur des Brenngases
schnell von etwa 1600 auf etwa 1000° C ab.
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Die Abkühlung der Reaktionskammerabgase kann auch durch weitere oder
andere Maßnahmen erfolgen, wie z. B. durch wassergekühlte Rohre, um zu erreichen,
daß die Schmelz- und Sintertemperaturen der Festbestandteile schnell unterschritten
werden und diese mit den Abgasen mit etwa 1000° C in die Vorreduktionskammer 11
gelangen. In die Vorreduktionskammer 11 wird das Gemisch aus dem Reaktionskammerabgas
und dem Erzstaub tangential durch den Einlaß 10 eingeblasen. Infolge der Zyklonwirkung
scheidet sich hierbei das vorreduzierte Erz 28 ab und wird aus dem Auslaß 13 über
das Förderorgan 14 in den Reduktionsraum der Reaktionskammer 1 eingebracht. Die
in dem Zyklon 11 von dem Erzstaub weitgehend befreiten Abgase verlassen diesen zentral
durch den Auslaß 12 und werden mit einer Temperatur von etwa 1000° C durch die Rohrleitung
16 dem Wärmeaustauscher 15 bei dem Gaseinlaß 17 zugeführt. Der Wärmeaustauscher
besteht in bekannter Weise aus einem Rohrsystem, dessen Rohre von dem abzukühlenden
Gas umspült werden, das durch den Gasauslaß 18 austritt. Durch den Einlaß 19 wird
das kalte Verbrennungsmedium in den Wärmeaustauscher 15 eingeführt und im Gegenstrom
zu den abzukühlenden Gasen in bekannter Weise aufgeheizt. Es v erläßt diesen mit
einer Temperatur von etwa 800° C bei dem Auslaß 20, um dann über die Leitung 21
den Einführungsdüsen 4 der Reaktionskammer 1 zugeführt zu werden. Das gekühlte Gas
wird nach Verlassen des Wärmeaustauschers 15 bei dem Gasauslaß 18 durch die Leitung
22 in die elektrische Gasreinigungsv orrichtung 24 bei dem Einlaß 23 eingeführt
mit einer Temperatur von etwa 250° C. In bekannter Weise wird in dieser elektrischen
Gasreinigungsvorrichtung 24 der Staub 29 abgeschieden. Das gereinigte Gas v erläßt
die elektrische Gasreinigung bei dem Auslaß 25 und steht für beliebige Heizzwecke
bzw. als Synthesegas zur Verfügung. Am unteren Ende der elektrischen Gasreinigungsvorrichtung
24 wird bei 26 der abgeschiedene Staub 29 abgezogen und durch die Fördereinrichtung
27 zur Reaktionskammer 1 befördert.