DE2144098A1 - Verfahren zur Erzeugung von Reduktionsgas für Hochöfen - Google Patents

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ν.- Qr. E. Assmann Dr. R. Koenlgsberger - Dlpi.-Phys. R. Holzbauer - Dr. F. Zumsteln Jun.

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Case 411

SHAM PROGETEI S.p.A.,. Mailand/Italien

"Verfahren zur Erzeugung λ on Reduktionsgas für Hochöfen. »

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Reduktionsgas für Hochöfen.

Im einzelnen betrifft die Erfindung ein äußerst vorteilhaftes Verfahren zur Erzeugung von Reduktionsgas, das im Hochofen ' benutzt werden kann, indem dieses Verfahren es gestattet, Gas von vom metallurgischen Standpunkt aus sehr hoher Qualität zu bekommen.

Ein sehr wichtiges Erfordernis in der Metallurgie ist es, den Koksverbrauch im Hochofen so stark wie möglich zu senken.

Der Grund für dieses Erfordernis liegt in den wachsenden Kosten des metallurgischen Koks und in der Schwierigkeit, Steinkohle

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mit den gewünschten Eigenschaften zur Herstellung metallurgischen Kokses zu finden.

In einem herkömmlichen Koks-Hochofen wird die Wärme, die zum Wärmegleichgewicht notwendig ist, aus der Verbrennung eines Teiles des Kokses mit luft zu CO erzielt (stark exotherme Reaktion), während die Reduktion des Eisenoxydes sowohl direkt durch den Koks in der Hochtemperaturzone (stark endotherme Reaktion) und durch das CO erreicht, das in der Zone mittlerer Temperatur erzeugt wurde (leicht exotherme Reaktion). Hält man einmal am Vorheizen der Verbrennungsluft fest, so ist es offensichtlich, daß die Menge an luft und Koks, die notwendig für das thermische Gleichgewicht cfes Hochofens ist, genau bestimmt ist.

Ist eine Verringerung des Koksverbrauches erwünscht, so kann nur so verfahren werden, daß die direkte Reduktion durch Koks gänzlich oder nahezu ausgeschlossen wird, und der Mangel an Reduktionsgas dadurch beseitigt wird, daß ein anderes Reduktionsgas (außerhalb des Hochofens erzeugt) in den Boden des Hochofenschachtes eingeleitet wird, d.h. in eine Zone, in der eine Temperatur von etwa 1000⁰C herrscht und in der der Reduktionsprozeß des Eisenoxydes mit CO abläuft.

Die Hauptmerkmale, die ein Reduktionsgas zur Verwendung in einem Hochofen besitzen muß, werden nachfolgend beschrieben.

Es ist erforderlich, daß die Temperatur bei etwa 900 bis 1000⁰C liegt, und daß der Gehalt an CO₂ und H₂O so klein wie möglich ist, da der Hutzungsgrad des Reduktionsgases gerade mit seinem Gehalt an H₂O und CO₂ zusammehängt.

Beispielsweise ist ein Gas mit einem C0₂-und H,>0-Gehalt von etwa 3 Vol.$ als ausgezeichnet anzusehen, während ein Reduk-

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tionsgas mit einem CO₂- und HgO-Gehalt von 10 Vol.-$ sehr nahe an der Grenze eines für die Reduktion in einem Hochofen ungeeigneten Gases liegt.

-Es ist bekannt, daß die Produkte aus einer Reduktion des Eisenoxyds, durch Wasserstoff und Kohlenmonoxyd neben Eisen H₂O und CO₂ sind.

Die Reduktion ist eine Gleichgewichtsreaktion und kann daher als solche unter Anwesenheit von H₂O und CO₂ in der Gasphase unter hohen Partialdrucken auch negativ ablaufen.

Im Falle einer hohen Konzentration dieser beiden Komponenten im Reduktionsgas ist der ITutzungsgrad dieses Gases gering, weil bei gewissen Höhen des Partialdruckes der beiden Gase im Gasgemisch die gesamte Menge des Reduktionsgases den Hochofen unverändert passiert.

Bei einem kleinen Hutzungsgrad bildet sich am Hochofenkranz eine große Menge an unreagiertem H₂O und CO₂, die nur schwer verbraucht werden kann.

Ausgehend von z.B. Methan als Rohstoff, kann das Reduktionsgas im wesentlichen gemäß der folgenden Verfahren erzeugt werden:

- Wasserdampfspaltung,

- unvollständige Verbrennung,

- fortlaufendes thermische Cracken.

Unter diesen Verfahren sind nur die ersten beider erf olg-reich. Die Wasserdampfspaltung ist ein Verfahren, das gegenwärtig wirtschaftlicher für die Herstellung von Wasserstoff auf der

Basis von CH. oder Leichtbenzin ist.
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Trotzdem folgt aus der Notwendigkeit eines Reduktionsgases bei einer Temperatur von etwa 1OOO°0 mit einem verringerten Gehalt an COp und HpO bekanntlich ein komplexer und schwieriger Herstellungsablauf.

Das Verfahren der unvollständigen Verbrennung mit Sauerstoff ist besonders für die Vergasung von schweren, flüssigen Brennstoffen geeignet. .,_.

Die Betriebstemperatur liegt gewöhnlich im Bereich zwischen 1200⁰C und 1400⁰C, und das erzeugte Gas kann nach einer leichten Kühlung direkt in den Hochofen eingeleitet werden, auch wenn sein nicht unbedeutender HpO- und COp-Gehalt seine Ausbeute verringert.

Neben der schlechten Zusammensetzung des hergestellten Gases liegt der Nachteil dieses Verfahrens im Säuerstoffverbrauch, der sich merklich auf den Preis des Reduktionsgases auswirkt.

Die Oxydationsreaktion, z.B. von Methan in CO, ist leicht exotherm, aber die entwickelte Wärme genügt nicht, die Verbrennungsprodukte auf die gewünschte Temperatur zu bringen, die nur durch das Verbrennen eines Teiles des Methans zu CO« und HpO erreicht wird.

Das starke Vorheizen der Reaktionskomponenten gestattet es, den Anteil CH., der vollständig verbrannt wird, zu verringern.

Jedoch bekommt man einen CO₂- und H₂0-Gehalt von etwa 1% oder höher. Dieser H₂O- und COg-Gehalt entspricht, wie gesagt, der Notwendigkeit, die Produkte- der unvollständigen Verbrennung auf die gewünschte Temperatur ^u bringen. Weiterhin ist er eine Folge des Wärmeverlustes und der möglichen endothermen Crackreaktion des Brennstoffes zu Ruß. All dieses bringt ein Anwachsen der Brennstoffmenge, die vollständig verbrannt werden muß, mit sich

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und bewirkt daher ein Anwachsen des H₂O- und C0₂-Gehaltes im Reduktionsgas.

Zum Verfahren der unvollständigen Verbrennung mit Sauerstoff ist noch hervorzuheben, daß die Notwendigkeit, bei hohen Temperaturen zu arbeiten, notwendigerweise solche H₂O- und COg-Konzentrationen micht sich bringt, daß der Futzungsgrad dieses Gases im Hochofenprozeß verkleinert wird.

Diese Konzentration kann merklich verringert werden, wenn das Vorheizen des Brennstoffes und des Verbrennungsunterhaltes in einem solchen Maße geschieht, daß die Brennstoffmenge, die vollständig verbrannt wird, verringert wird.

Pur das Vorheizen des Brennstoffes existieren obere Stabilitätsgrenzen, die im Falle von Methan bei 600°0 liegen.

Auch für den Verbrennungsunterhalt bestehen im Falle, daß Sauerstoff benutzt wird, Grenzen, die nicht höher als bei 400 bis 500⁰C liegen, wegen des Oxydationswiderstandes von Metallen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der unvollständigen Verbrennung anzugeben, das es gestattet, ein Reduktionsgas herzustellen, das ausgezeichnete metallurgische Eigenschaften besitzt, ohne daß es notwendig den Gebrauch von Sauerstoff verlangt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Reduktionsgases für Hochöfen, das aus dem herkömmlichen Verfahren der unvollständigen Oxydation von Kohlenwasserstoffen besteht (z.B. Methanen,unb9handeltes Erdöl, Heizölen und ähnlichem). Es gestattet den Gebrauch von luft odor möglicherweise mit Sauerstoff angereicherter Luft als

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Verbrennungsunterhalt und erlaubt"mit einem "besonderen Vorheizmittel und/oder der Vorheizhöhe des Verbrennungsunterhaltes die Herstellung eines Reduktionsgases für Hochöfen von sehr hoher Qualität, das einen Gesamt-COg- und H O~Gehalt "besitzt, der, "bezogen auf den im Gas vorhandenen Wasserstoff und das Kohlenmonoxyd, kleiner als 5 Vol.-$ und in ^βα©¹¹* !Falle geringer als der Gehalt ist, den man durch das herkömmliche Verfahren der unvollständigen Verbrennung mit Sauerstoff erhält.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung "besitzt daher einen hohen Nutzungsgrad für Hochöfen.

Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird "bevorzugt, von der für Hochöfen typischen Technik, die Verbrennungsluft vorzuheizen, Gehrauch gemacht, (in Hochöfen wird die Luft auf 120O⁰C "bis 130O⁰C oder auf höhere Temperaturen im Cowper-Winderhitzer vorgeheizt), indem der Verbrennungsunterhalt, vorzugsweise luft, auf Temperaturen vorgeheizt wird, die nahe "bei denen eines Ofens zur unvollständigen Verbrennung liegen.

Bei einem solchen Verfahren wird der HpO- und COp-Gehalt in dem erzeugten Reduktionsgas auf ein sehr geringes Maß erniedrigt, auch wenn das Verbrennungsmittel luft ist.

Offensichtlich können auch andere Vorheizsysteme verwand* werden, die Höhe der Vorheiztemperaturen jedoch, die in dem Prozeß gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht wird, ist immer dieselbe.

In Hinblick darauf ist die Tatsache hervorzuheben., daß das Vorheizen auf eine Temperatur nahe der des Verbrennung s of ens, das durch das besondere Vorheizsystem der vorliegenden Erfindung oder durch ein anderes System ermöglicht wird, den Gebrauch von Luft mit sich bringt und gleichzeitig erlaubt· Da „

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das Vorhandensein von trägem Up das thermische Gleichgewicht des Reaktors und daher den GO₂- und HgO-Gehalt nicht oder nur am Rande beeinflußt, v/erden die Hachteile, die mit dem Gebrauch von Sauerstoff verbunden sind, "beseitigt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann man zwei sehr große !Nachteile des Verfahrens der unvollständigen Verbrennung für die Herstellung von Gas, das in einen Hochofen eingeführt werden soll, erfolgreich "beseitigen, nämlich den übermäßigen Gehalt an CO₂ und H₂O im Reduktionsgas und den Sauerstoffverbrauch, was dieses Verfahren daher äußerst konkurrenzfähig im Hinblick auf die bekannten Verfahren macht.

\Ienia._t aus Gründen der Überflutung, die Menge an Gas, die in den Hochofen eingeführt wird, erniedrigt werden muß, wird man, wie oben ausgeführt, bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung mehr mit angereicherter luft als mit Luft allein arbeiten. Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird die für die Produktion des Reduktionsgases notwendige luft im allgemeinen auf Temperaturen, die sich zwischen 800⁰C und 1500⁰C (vorzugsweise zwischen 1200⁰C bis 1400°C)bewegen, in einem herkömmlichen Cowper-Winderhitzer, der in der Metallurgie gut bekannt ist, vorgeheizt.

Das Vorheizen kann mit denselben Cowper-Winderhitzern durchgeführt werden, die zum Vorheizen der luft, die durch den Boden des Hochofens geschickt wird, benutzt werden, so daß man dann die für die unvollständige Verbrennung notwendige Verbrennungsluft, möglicherweise mit O₂ angereichert, bekommt, oder es müssen Cowper-Winderhitzer, verschieden von denen des Hochofens, bereitgestellt werden. Diene ¥inderhitzer arbeiten offensichtlich immer in der gleichen, gut bekannten Weise.

Die vorgeheizte und möglicherweise mit Sauerstoff angereicherte luft wird, zusammen mit dem Brennstoff, der innerhalb der

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grenzen und mit bekannten Methoden auf die gleiche Temperatur vorgeheizt wurde, in den Reaktor zur unvollständigen Verbrennung eingespeist.

um die Bildung von CO₂ und H₂O so stark wie möglich zu vermindern, ist die Vorheiztemperatur der Verbrennungsluft vorzugsweise höher oder gleich der des Reaktors zur unvollständigen Verbrennung. Der im Vorhergehenden festgesetzte Arbeitsbereich ist immer der gleiche.

Wenn das Reduktionsgas, das Ruß enthalten kann, den Reaktor verläßt, besitzt es gewöhnlich eine Temperatur, die höher als die ist, die zum Einleiten in den Hochofen notwendig ist (etwa 1000⁰O). Daher muß das Gas gekühlt werden. Die Kühlurg kann dadurch erreicht werden, daß man das Gas in einen Dampferzeuger leitet oder es gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung durch Kokereigas abschreckt, das reich an Wasserstoff und in einem Stahlwerk leicht erhältlich ist, oder es mit CH. abschreckt, das während des Crackens Wärme absorbiert und Wasserstoff und Ruß hervorbringt, die beide im Hochofen gebraucht werden. » ·

Auch wenn man mit Kokereigas arbeitet, wird ein Teil des CH₄, das sich darin befindet, gespalten, so daß man H₂ und Ruß erhält, die beide im Hochofen benutzt werden. Es können jedoch auch andere Kühlmethoden angewandt werden.

Das nun gekühlte Reduktionsgas wird in den Hochofen eingeleitet.

Eine interessante und mögliche Verwirklichung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist die, bei de:" das Vorheizen der Verbrennungsluft auf die schon beschriebene Weise erfolgt mit dem Unterschied, daß die unvollständige Verbrennung nicht in einem Gerät, das vom Hochofen getrennt ist, erfolgt, sondern in einer Serie von Düsen oder genauer von Brennern, die inner-

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halb des HocTiof ens an seinem Boden angebracht sind. Jn diesem Pail kann die Temperaturregelung des Reduktionsgases, wenn nötig, durch ein geeignetes Einblasen eines Eühlungsgases, z.B. Kokereigas, erreicht werden.

Anhand von drei erläuternden, nicht einschränkenden Beispielen wird eine Verwirklichung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dabei wird auf den Pail verwiesen, bei dem Cowper-Winderhitzer zum Vorheizen der luft, die in den Hochofen eingeführt wird, benutzt werden, und weiterhin diese Cowper—Winderhitzer auch für das Vorheizen der Verbrennungsluft benutzt werden, die in den Ofen zur unvollständigen Verbrennung eingespeist wird.

Unter Hinweis auf Pig. 1 tritt die luft oder die mit Sauerstoff angereicherte luft durch 1 in den im Betrieb befindlichen Cowper-Winderhitzer 2 ein, während der andere Cowper-Winderhitzer 3 aufgeheizt wird, (von beiden kann mehr als einer vorhanden sein oder es können - wie schon gesagt - zwei getrennte Cowper-Batterien eingerichtet werden, von denen die eine für d*s Vorheizen der Iiuft, die direkt in den Hochofen eingespeist wird, und die andere zum Aufheizen der Verbrennungsluft, die zur unvollständigen Verbrennung eingespeist wird, vorhanden ist).

Die durch 4 strömende luft, aufgeheizt auf eine Temperatur nahe der der unvollständigen Verbrennung, wird in zwei Ströme geteilt: der eine erreicht durch 5, den luftverteiler 6 und die leitung 7 direkt den Hochofen, der andere erreicht durch 8 den Ofen 9 zur unvollständigen Verbrennung, in den durch 10 auoh der öohon vorgeheizte Brennstoff eingespeist wird.

Das erzeugte Reduktionsgas verläßt den Ofen 9 durch 11, wird bei 12 gekühlt und erreicht durch 13,14 und 15 den Boden des Sohaftea 16.

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Am Böden des Hochofens, durch 17, wird die erzeugte Eisenschmelze abgestochen, während an der Spitze durch 18 das Gichtgas abgeleitet wird. In Pig. 2 wird der Pail gezeigt, !bei dem die Brenner 21, die direkt in den Hochofen eingesetzt sind, benutzt werden.

In dieser Figur kennzeichnet 20 den Brennstoffverteiler.

Schließlich wird der !Fall gezeigt, bei dem die Gase, die den Ofen der unvollständigen Terbrennung 9 verlassen, durch das Abschrecken mit einem Gas gekühlt werden, das durch 19 eingespeist wird. Dieses Gas ist z.B. ein Kokereigas.

Zwei zahlenmäßige Beispiele des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun unter Hinweis auf die Pig. 1 und 3 gegeben, ohne daß in irgendeiner Weise die Erfindung auf sie beschränkt ist.

Die aufgeführten Beträge beziehen sich auf die Herstellung von 1000 kg Eisenschmelze.

Beispiel 1

Unter Hinweis auf Pig. 1 werden 1420 m luft durch den Winderhitzer 2 geleitet. Ihre Temperatur steigt von 4O°G auf 1250⁰C.

•z

Durch 5 werden 600 m Luft direkt in den Hochofen eingespeist. Die restlichen 820 m werden durch 8 in den Ofen 9 zur unvoll-

ständigen Verbrennung eingespeist, in den durch 10 auch 316 m CH. auf 600⁰C vorgeheizt eingeleitet werden.

Vom Ausgang des Ofens 9 vierdei 1590 nr Gas bei einer Temperatur von 1200⁰C abgeleitet, wobei das Gas die folgende Volumen-Zusammensetzung besitzt:

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Η
2

co	19,42$
/"ίΤΤ KjXX j /I	0,20$
N2	40,62$
CO2	0,31$
H2O	1,56$

Dieses Gas wird durch den Dampfkessel 12 geleitet, indem es auf 1000⁰C gekühlt wird, und wird dann in den Hochofen eingeleitet.

Beispiel 2

Unter Hinweis auf Fig. 3 werden 1278 m⁵ Luft durch den Winderhitzer 2 geleitet, wobei ihre Temperatur von 40⁰C auf 1250⁰C ansteigt.

Durch 5 werden 600 nr Luft direkt in den Hochofen eingespeist. Die restlichen 678 nr werden durch 8 in den Ofen 9 zur unvollständigen Verbrennung eingespeist, in den durch 10 261 nr auf 600⁰C vorgeheiztes GH. eingeleitet werden.

Aus dem Ofen 9 erhält man 1315 nr Gas mit einer Temperatur von 1200⁰C, das die Zusammensetzung des Beispiels 1 besitzt. Diesem Gas werden durch 19 185 m eines Gases beigefügt, das eine Temperatur von 25⁰C besitzt und die folgende Tolumenzusammensetzung hat:

H2	56,95$
CO	4,75$
co2	3,80$
CH4	23,80$
H2O	5,00$

Auf diese Weise erhält man 1520 nr Gas bei einer Temperatur

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von 1000⁰C, das die folgende .Yölumen-Zusammensetzung "besitzt:

• H₂ 42,54$

. "00 " 17,35$

CO₂ 0,73$

OH₄ 1,62$

H₂O 1,95$

Der Rußgehalt "beträgt 7,75 g/m Gras* Dieses Gas wird in den Hochofen eingespeist.

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Claims (9)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Reduktionsgas mit einem niedrigen H₂O- und CO₂-Gehalt für Hochöfen, dadurch, gekennze iehnet, daß der Verbrennungsunterhalt, der in dem zur unvollständigen Verbrennung benutzten Ofen, in dem das Reduktionsgas hergestellt wird, gebraucht wird, in Cowper-Winderhitzern, die in der Metallurgie bekannt sind, oder in anderen Vorheizsystemen, die es gestatten, den Verbrennungsunterhalt auf !Temperaturen zu bringen, die in der Nähe entweder über oder unter, vorzugsweise über der der unvollständigen Verbrennung liegen, vorgeheizt wird,.daß der so vorgeheizte Verbrennungsunterhalt zusammen mit dem gleichfalls vorgeheizten Brennstoff in den Ofen, der zur unvollständigen Verbrennung benutzt wird, eingespeist wird, das erhaltene Gas, wenn nötig, auf eine Temperatur gekühlt wird, bei der es geeignet zum Einleiten in den Hochofen ist, und das Gas in den Hochofen eingespeist wird,

2. Verfahren zur Herstellung von Reduktionsgas für Hochöfen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsunterhalt, der in dem Ofen, der zur unvollständigen Verbrennung benutzt wird, gebraucht wird, Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft ist.

3. Verfahren zur Herstellung von Reduktionsgas für Hochöfen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff im Ofen, der zur unvollständigen Verbrennung benutzt wird, CH., reines Benzin, Heizöl, unbehandeltes- Erdöl oder ein anderer Kohlenwasserstoff ist.

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4. Verfahren zur Herstellung von Reduktionsgas für Hochöfen nach. Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Torheizen der Luft, die in den Ofen, der zur unvollständigen Verbrennung "benutzt wird, eingespeist werden soll, in demselben Cowper-Winderhitzer des Hochofens geschieht, in dem auch der ¥ind, der als solcher am Boden des Hochofens eingespeist werden soll, vorgeheizt wird, dadurch daß die Luft in zwei Ströme geteilt wird, oder, daß getrennte Batterien von Cowper-Winderhitzern "bereitgestellt sind, um die zwei' Iiuftströme vorzuheizen.

5. Verfahren zur Herstellung von Reduktionsgas für Hochöfen nach Anspruch 1,2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet,daß das Verheizen der Verbrennungsluft, die in den Ofen, der zur unvollständigen Verbrennung "benutzt wird, eingespeist werden soll, Temperaturen erreicht, die im Bereich zwischen 800°0 und 1500⁰C, vorzugsweise zwischen 1200⁰C und 1400⁰C, liegen.

6. Verfahren zur Herstellung von Reduktionsgas für Hochöfen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas, das den Ofen, der zur unvollständigen Verbrennung benutzt wird, verläßt, wenn vorgesehen dadurch gekühlt wird, daß es durch einen Dampferzeugerkessel geleitet wird.

7. Verfahren zur Herstellung von Reduktionsgas für Hochöfen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas, das den Ofen, der zur unvollständigen Verbrennung benutzt wird, verläßt, wenn vorgesehen dadurch gekühlt wirdj daß eine Gasmenge aus wasserstoff reichem Gas, wie z.B. Kokereigas, aingeblasen wird.

8. Verfahren zur Herstellung von Reduktionsgas für Hochöfen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- » zeichnet, daß die unvollständige Verbrennung so erfolgt,

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daß das Reduktionsgas einen gewissen Prozentsatz Ruß enthält.

9. Verfahren zur Herstellung von Reduktionsgas für Hochöfen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die unvollständige Verbrennung nicht in einem vom Hochofen getrennten Gerät erfolgt, sondern in einer Serie von Düsen und/oder Brennern, die an der Innenseite des Hochofens am i"uße des Schaftes angebracht sind, und in diesem EaIl die Regulierung der Temperatur des Reduktionsgases dadurch erreicht wird, daß ein Eühlungsgas, z.B. Eokereigas, geeignet in den Hochofen eingeblasen wird.

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