DE2737940A1

DE2737940A1 - Plasmareaktor

Info

Publication number: DE2737940A1
Application number: DE19772737940
Authority: DE
Inventors: Jozef Kazimierz Prof Tylko
Original assignee: Tetronics Research and Development Co Ltd
Current assignee: Tetronics International Ltd
Priority date: 1976-08-27
Filing date: 1977-08-23
Publication date: 1978-03-02
Also published as: AU506601B2; AU2818577A; FR2363259B1; DE2737940C2; IT1085021B; GB1529526A; ZA775060B; US4154972A; CA1075325A; JPS5329285A; FR2363259A1

Description

PATBHTAKWA IT

iNo. K. HOLZEB

-WCLSBB· STBAtM M

βθΟΟ AUGSBURG

TBLBVOV »1·«»· TKLBX SBStOS

St. 18

Augsburg, den 22. August 1977

Tetronics Research and Development Company Limited, 5B Lechlade Road, Faringdon, Oxforshire,

England

Plasmareaktor

Die Erfindung betrifft einen Plasmareaktor nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die carbothermische Reduktion von Oxiden und zwar hauptsächlich, jedoch nicht ausschließlich, auf die Reduktion von

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Oxiden mit hoher Bildungswärme, also beispielsweise von Oxiden des Aluminiums, des .Siliciums, des Calciums und des Magnesiums.

Unter geeigneten Bedin.;;unp;en erscheint es möglich, zur Gewinnung des reinen rietalles die Oxide des Aluminiums, des Calciums und des Mainesiuma durch Reaktion mit Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltigen Substanzen wie beispielsweise Kohlenviasserstof fen zu reduzieren, wobei Kohlenmonoxid entsteht. Jedoch scheint hier eine gewisse Riickwärtsreaktion zwischen dew Metall und dem Kohlenmonoxid beim Abkühlen der Reaktionsprodukte von der Reaktionstemperatur stattzufinden. Bei den meisten anderen carbothermischen Verfahren zur Reduktion von Oxiden anderer Kiemente stellen derartige Rückwärtsreaktionen keine wesentliche Schwierigkeit dar.

Beim Versuch der Erzeugung von Aluminium durch carbothermische Reduktion von gereinigtem Aluminiumoxid zeigen sich jedoch erhebliche Schwierigkeiten als Folge der Bildung von Aluminiumcarbid und des stabilen Aluminiumoxy- carbids (Al^O^C) sowie infolge der Bildung von flüchtigem Aluminiumsüboxid (AIpO).

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Obwohl Gleichgewichtsdiagramme für das System AIpO-. - C zur Verfügung stehen und sich daraus gewisse grobe Vorhersahen herleiten lassen, gibt es verhältnismäßig wenige zuverlässige Daten.

Obwohl bereits zahlreiche Vorschläge zur herstellung von Aluminium in der Weise gemacht worden sind, daß zunächst durch direkte carbothermische Reduktion hochlegiertes Aluminium erzeugt und anschließend das Aluminiummetall aus dieser Legierung gewonnen v/ird, konnte bisher keiner dieser Vorschläge mit dem herkömmlichen Hall-Heroult-Verfahren zur Aluminiumgewinnung durch elektrolytische Reduktion von Aluminiumoxid in einem Bad aus geschmolzenem Kryolith wirtschaftlich konkurrieren.

Das am ehesten durchführbar erscheinende Verfahren zur Herstellung von Aluminium mit annehmbarer Reinheit durch carbothermische Reduktion von Aluminiumoxid ist in der US-PS 2 97k 032 beschrieben, in v/elcher auch die Kompliziertheit der V/echselwirkungen zwischen Aluminiumoxid und Kohlenstoff und insbesondere die Kompliziertheit der Sekundärreaktionen erwähnt sind. In dieser Druckschrift ist angegeben, wie die Bildung von Aluminiumoxycarbid zu verhindern ist, indem die Reaktion in einem elektrischen Lichtbogen bei einer Temperatur, die im Bereich

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von 2400 ⁰C bis 2500 ⁰C liegen soll, durchgeführt wird, wodurch ein Gemisch aus Aluminium und Aluminiumcarbid erzeugt wird, aus welchem Aluminium gewonnen werden kann.

Der offensichtliche Nachteil dieses bekannten Verfahrens ist der notwendigerweise sehr hohe Verbrauch der teuren Graphitelektroden, die liegen des thermischen Schocks des Lichtbogenverfahrens benötigt werden. Die Kosten dieser Graphitelektroden unterscheiden sich um eine ganze Größenordnung von denjenigen der sich verbrauchenden Petrolkokselektroden, die beim herkömmlichen elektrolytischen Verfahren verwendet werden.

Außerdem findet bei den genannten Temperaturen eine beträchtliche Verdampfung statt, was einen entsprechenden Verlust an Produktmaterial bedingt und/oder die Notwendigkeit der V/iederaufbereitung der Dämpfe nach sich zieht.

In der US-PS 3 783 167 ist bereits ein Verfahren vorgeschlagen, mittels dessen teilchenförmiges Material auf eine sehr hohe Temperatur gebracht werden kann, indem es in eine Plasmasäule eingeführt wird, die in einem Plasmareaktor zwischen ein oder mehreren, um eine vertikale Achse umlaufenden Plasmaquellen und einer darunter angeordneten ortsfesten, ringförmigen Gegenelektrode erzeugt

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wird. Gemäß dieser Druckschrift wird Aluminium aus Aluminiumoxid hergestellt, indem Aluminiumoxid in Teilchenform in einen oberen Bereich des Reaktors eingebracht und während seines Herabfallens mit einer kohlenstoffhaltigen Substanz reagiert wird, wonach das so erzeugte Aluminium im untersten Teil des Reaktors gesammelt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmareaktor der eingangs genannten Art so auszubilden, daß in wirtschaftlicher V/eise eine carb ο thermische Reduktion von Oxiden (einschließlich vollständig oder teilweise hydrierter Oxide) durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst.

Eine wesentliche Wirkung der Erfindung ist die schnelle Trennung der festen oder flüssigen Austragstoffe aus der Plasmasäule von den gasförmigen Austragstoffen, um die Neigung zur Rückwärtsreaktion zwischen den festen oder flüssigen Austragstoffen und dem durch die carbothermische Reduktion der Oxide entstehenden Kohlenmonoxid herabzusetzen. Infolge der Art der Erzeugung der Plasmasäule wird allen in die Plasmasäule eingebrachten festen oder

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flüssigen Teilchen eine Winke!beschleunigung um die vertikale Rea'-ctorachse mitgeteilt, so daß diese Teilchen beim Verlassen des ilachf lamme nbe reiches unterhalb der ortsfesten ringförmigen Gegenelektrode sich zum Umfangsbereich des Reaktors hin zu bewegen suchen. Zur Trennung des Kohlenmonoxids von der festen und flüssigen Phase und zur Verringerung der Kohlemnonoxidkonzentration im Reaktor ist an Peaktorboden in der Reaktorachse ein Gasauslaß vorgesehen. Der Sammler für ausgetragene feste und/oder flüssige Stoffe besitzt demzufolge vorzugsweise die Form einer ringförmigen Rinne an oder nahe der peripheren Reaktorauskleidung.

Anstelle eines einzigen Gasauslasses in der Ueaktorachse kann es bei einem großen Reaktor auch zweckmäßiger sein, eine Mehrzahl von symmetrisch um die Achse herum verteilter Auslässe vorzusehen, die jedoch einen ausreichenden Abstand von der peripheren Reaktorauskleidung aufweisen.

Die Erfindung beruht im wesentlichen auf der Schaffung von Bedingungen, die eine Rückwärtsreaktion zwischen dem erzeugten Aluminiumraetall und Kohlenmonoxid nicht begünstigen, und sucht aus diesem Grund auch die aktive Oberfläche des Aluminiums, an welcher diese Reaktion stattfinden kann, dadurch zu verringern, die durch die Reaktion im Plasma

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erzeugten feinen Aluminiumteilchen so schnell wie möglicn zu agglomerieren„

Der erfindungsgemäße Plasmareaktor v/eist deshalb vorzugsweise eine oder mehrere Hilfseinrichtungen auf, um die festen oder flüssigen Teilcnen zum Haminelbereich an der Peripherie des Reaktors hin zu beschleunigen. Der
Reaktorboden erhält deshalb vorzugsweise die Form eines flachen Kegels, so daß auf den Boden auftreffende feste oder flüssige Teilchen zur Peripherie hin abgelenkt v/erden. Die elektrischen Bedingungen im unteren Bereich des Reaktors sind vorzugsweise so gewählt, daß sie das Zusammenwachsen fester und/oder flüssiger Teilchen begünstigen. Aus diesem Grund können in diesem Bereich auch elektrostatische iliederschlageinrichtungen vorgesehen sein, um Aluminiumdampfteilchen unter Mikrometergroße und andere derartige Teilchen zu vereinigen und außerdem diese
zusammengewachsenen Teilchen zur peripheren Reaktorwand hin anzuziehen, so daß sie in das im Wandbereich gesammelte Material eintreten·

Die durch die rotierende Plasmasäule den herabfallenden Teilchen mitgeteilte Umlaufbewegung unterstützt die genannte Trennung der festen und flüssigen Teilchen von dem entstehenden Gas und das Zusammenwachsen der

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Teilchen in einer etwa der Wirkungsweise eines Zyklonabscheiders entsprechenden Weise. Dies verringert das Ausmaß der Rückwärtsreaktion in der unterhalb des rtachflammenbereiches im Reaktor befindlichen Zone.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenen Zeichnungen beispielsweise mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Pig. 1 einen schematischen Vertikalschnitt

durch einen Plasmareaktor nach der Erfindung,

Fig. 2 mehr im einzelnen eine Ausführungeform der Plasmakanonenhalterung des Plasmareaktors nach Pig. 1,

Fig. 3 eine alternative Möglichkeit der

Plasmalcanonenhalterung,

Fig. l\ eine Seitenansicht einer Beschickungseinrichtung zur Zufuhr eines frei fließfähigen Beschickungsmaterials an mehreren Stellen,

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Pig. 5 einen Schnitt durch die Beschickungseinrichtung nach Fig» ¹J,

Fig. 6 einen Vertikalschnitt durch eine

Beschickungseinrichtung zur Zufuhr
feinen Pulvermaterials an mehreren
Stellen,

Fig. 7 eine Einrichtung zum Aufbau der

Plasmasäule zwischen der Plasmakanone und der feststehenden Gegenelektrode,

Fig. 8 eine alternative Einrichtung zum

Aufbau der Plasmasäule,

Fig. 9 eine Draufsicht auf einen abgewandelten Reaktorboden mit mehreren üasauslassen,

Fig. 10 eine Schaltung zum Anlegen von Hochspannungsimpulsen an im Sammelbereich des Reaktors befindliche Elektroden,
und

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Fig. 11 eine dem gleichen Zweck dienende

alternative elektrische Schaltung.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Plasmareaktor zur carbothermischen Reduktion sehr stabiler Oxide wie beispielsweise Aluminiumoxid.

über dem oberen Reaktoreinlaß ist ein durch Riemen oder dergl. angetriebener Rotor 1 mittels Lagern 3 in einem Statorteil 4 gelagert. Das Statorteil ¹I kenn entweder gemäß der Darstellung in Fig. 1 unabhängig vom Reaktor aufgehängt oder alternativ dazu auf dem Reaktor montiert sein.

Im Rotor 1 sind ein oder mehrere Plasmakanonen 6 der mit Lichtbogeneinschnürung arbeitenden Art gehaltert. Die Plasmakanone 6 kann in einem Lager 5 verschieblich sein, was jeoch unnötig ist, wenn eine Zündeinrichtung nach Fig. 7 oder Fig. 8 Anwendung findet. Damit sich die der Einfachheit halber nicht dargestellten Versorgungsschläuche zur Plasmakanone 6 nicht verwinden können, kann sich die Plasmakanone nicht um ihre eigene Längsachse drehen, sondern führt infolge der Drehung des Rotors 1 lediglich eine Bahnumlaufbewegung aus. Falls die Plasmakanone 6 verschiebbar in einem Lager 5 angeordnet ist,

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kann sie mittels eines ebenfalls nicht dargestellten elektropneumatischen oder ähnlichen Betätigungsmechanismus abwärts und aufwärts verschoben werden. Infolge der obigen Anordnung der Plasmakanone δ kann diese eine Umlaufbeviegung ausführen, die aufgrund der zur Vertikalen geneigten Plasmakanonenachse die Mantelfläche eines Kegels bestreicht, Die Achse dar Plasmakanone 6 zeigt schräg nach unten zum Innenumfang einer ringförmigen, als Anode wirkenden Gegenelektrode 7, zu welcher hin die Plasmasäule erzeugt wird und von welcher eine Vielzahl von Anodenströmungen ausgehen, die zusammen eine charakteristische Uachflamme bilden. Die Ringelektrode 7 wird durch ein hindurchzirkulierendes geeignetes Kühlmittel, beispielsweise ül, gekühlt. Alternativ dazu kann die Gegenelektrode ein Graphitring sein, wobei in diesem i^?all eine Kühlung unnötig ist. Es hat sich gezeigt, daß die Graphitoberfläche sich im Betrieb mit einer glasartigen Schutzschicht überzieht.

Um die Plasmakanone 6 herum verläuft eine ringartige Öffnung 8, die zur Zufuhr von Bsschickungsmaterialien dient. Das Beschickungsmaterial wird vorzugsweise so zugeführt, daß es einen im wesentlichen gleichförmigen zylindrischen Vorhang bildet, der nahezu auf der Höhe der Plasmakanone in die Plasmasäule eintritt und in diese hineingezogen wird. Alternativ kann eine Anordnung

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von Zuführrohren symmetrisch um die vertikale Reaktorachse herum verteilt sein. Das Beschickungsmaterial kann in diesem Fall je nach der Natur des Beschickungsmaterials mittels einer der in den Fig. k bis 6 gezeigten Einrichtungen auf diese Zuführrohre verteilt werden.

Der Reaktor enthält zwei Kammern, nämlich eine obere Kammer 9» in welcher die rotierende Plasmasäule zwischen der Plasmakanone 6 und der Gegenelektrode 7 erzeugt wird, und eine untere Kammer 10, die den Raum zwischen der ringförmigen Gegenelektrode 7 umfaßt. Die untere Kammer umschließt einen unmittelbar unterhalb der Gegenelektrode befindlichen Hachf-lammenbereich und enthält außerdem eine etwa ringförmige Trennzone, in welche zusammengewachsene flüssige und/oder feste Partikelchen aufgrund der ihnen durch die rotierende Plasmasäule mitgeteilten Umlaufbewegung hineingeschleudert werden.

Der etwas kegelige Boden 11 des Reaktors ist speziell dafür ausgebildet, die Gewinnung der Produkte der carbothermischen Reduktion sehr stabiler Oxide im Plasma zu unterstützen. Dieser Boden leitet feste oder flüssige Materialteilchen zu einer ringförmigen Rinne 12 hin, in welcher das dort gesammelte Material verhältnismäßig gut vor einer Rückwärtsreaktion mit Kohlendioxid in der

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Kammer 10 geschützt ist. Außerdem ist eine Abstichöffnung 13 vorgesehen. Zur Herabsetzung der Reaktionsfreudigkeit des gesamnelten Materials kann auch eine zusätzliche Kühlung der ringförmigen Rinne 12 durch gasförmige oder flüssige Kühlmittel erforderlich sein, die durch einen Raum 14 hindurchzirkulieren. Der mittlere Teil des Bodens 11 ist gewölbt, um das Sammeln der flüssigen Produkte zu erleichtern und die flüssigen Teilchen zum Umfang hin zu beschleunigen. In seiner Mitte befindet sich ein gekühlter Gasauslaßkanal 15, der durch eine Kappe 16 geschützt ist. Infolge der oben erläuterten Konstruktion werden die sich auf einer spiralförmigen Bahn bewegenden Produkttröpfchen aufgrund der Fliehkraft nach außen zur Rinne 12 hin geschleudert, während die gasförmigen Produkte durch den Kanal 15 abströmen. Vorzugsweise wird das Abziehen dieser Gase mittels einer Abgaspumpe im Abgaskanal unterstützt. Zusätzlich zum Abgaskanal sind nicht gezeigte Sicherheitskanäle vorgesehen, deren Verschlußstopfen bei einem vorgegebenen Druck herausgedrückt werden, um den Reaktor gegen die Auswirkungen einer möglichen Verstopfung des Abgaskana.ls 15 zu schützen.

Da die carbothermischen Reduktionsreaktionen in der Regel bei Temperaturen ablaufen, bei welchen bereits ein beträchtlicher Dampfdruck durch die reduzierten Metalle

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erzeugt wird, können die Verluste durch Dampfentwicklung eine beträchtliche Größe erreichen, weshalb Vorkehrungen zur Herabsetzung dieser Verluste getroffen werden sollten. Zu diesem Zweck wird eine kleine Menge pulverisiertes Material (oder Flüssigkeitsnebel) mit Hilfe nicht gezeigter Einrichtungen in die untere Reaktorkammer 10 injiziert, wobei die Materialpartikelchen als Kondensationskerne zur Kondensation des Metalldampfes und auch zur Beschleunigung der Abkühlung der Reaktionsprodukte wirken, wenn diese durch kritische Temperaturbereiche hindurchpassieren, in welchen unerwünschte RUckv/ärtsreaktionen auftreten können.

Das so zugegebene Material muß sich natürlich ent-ΐ/eder vom flüssigen Produkt trennen lassen oder es darf das Endprodukt nicht beeinträchtigen. Aus diesem Grunde ist bei der Alurniniumerzeugung Aluminiumpulver zu bevorzugen, jedoch ist es auch möglich, sehr kleine Mengen von fein verteiltem Fe, Si oder TiBp zu verwenden. Pulverisiertes Aluminium oder versprühtes flüssiges Aluminium kann jedoch in viel größerer Menge zugegeben werden, indem beispielsweise bis zu 50 % oder mehr des erzeugten Aluminiums auf diese Weise rezirkuliert werden kann. Werden Flüssigkeitströpfchen oder feste Teilchen injiziert, erfolgt dies vorzugsweise mittels einer Anzahl von derart angeordneten Düsen, daß das Injizieren die Umlaufbewegung der innerhalb

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der Kammer 10 herrschenden Atmosphäre vergrößert. Dies^ Düsen würden etwa in der Position der in i?ig. 1 gezeigten Elektroden 17 angeordnet sein. Die dargestellten liochspannungselektroden 17 stellen eine alternative oder zusätzliche I-iö'Elichkeit zur Herabsetzung der Auswirkungen der Dampfbildung dar, v/ie später noch mehr im einzelnen erläutert wird.

IC in weiteres wesentliches Konstrulitionsraerkmal ist die Möglichkeit, die Reaktorkaromern 9 und 10 ebenso wie die verschiedenen feuerfesten und isolierenden Auskleidungen 18 und 19 durch einen gasdichten äußeren otahlrnantel 20 gegen die Außenatmosphäre abzuschließen. Es ist zu erwähnen, daß die Plasmakanone 6 im Betrieb mit einer geringen Menge eines inerten oder reduzierenden Gases
(oder eines Gemisches davon) gespeist wird, und daß die festen Beschickungsmaterialien ebenfalls in derartigen
Gasen gefördert werden. Das Inertgas, beispielsweise
Argon, dient außerdem zur Verdünnung des erzeugten
Kohlenmonoxids und begünstigt dadurch den Verfahrensablauf.

Die Halterung der Plasmakanone ist oben nur grob
angedeutet worden. Fig. 2 zeigt im einzelnen eine derartige Halterung für eine Plasmakanone, die nicht um ihre

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eigene Achse rotiert. Die Plasmakanone 6 ist mittels eines Kugelgelenks 31 in einem Träger 30 gelagert. Mittels einer Kurbel 32 ist die Plasmakanone mit der Welle 33 eines hydraulischen Antriebsmotors 34 gekuppelt, dessen Drehzahl bis auf 4000 U/min veränderlich ist. Die elektrische Zuleitung 35 sowie eine Gas- und Kühlmittelzuleitung 36 für die Plasmakanone sind nahe des Kugelgelenks 31 mit dieser verbunden, weshalb diese Zuleitungen nur in sehr geringem Maße Bewegungen ausführen und nur sehr kleine Unwuchtkräfte erzeugen. Bei der in Fig. 3 gezeigten alternativen Plasmakanonenhalterung ist die Plasmakanone mit dem unteren Ende eines vertikalen Antriebsrohres 4l verbunden, das drehbar in einem äußeren Rohr 42 gelagert ist. Das äußere Rohr 42 trägt einen hydraulischen Motor 43» der das Antriebsrohr 4l antreibt, über Rohrleitungen 44 und 45 wird Kühlwasser zur Plasmakanone zu- bzw. von dieser abgeführt; die Gaszufuhr zur Plasmakanone erfolgt über eine Rohrleitung 46 und die Stromversorgung über ein Kabel 47. Jedes der Rohre 44 und 45 steht mit einer zugehörigen, zwischen dem umlaufenden Rohr 4l und dem feststehenden Rohr 42 angeordneten Drehdichtung 48 in Verbindung und das Kabel 47 wirkt mit einem ähnlich angeordneten Schleifring 49 zusammen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß während des Umlaufs keine Unwuchtkräfte erzeugt werden und es deshalb

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möglich ist, die Plasmakanone mit noch größeren Drehzahlen als im Falle der in Fig. 2 gezeigten Halterung, bei welcher durch die Ausbiegungen der Zuleitungen 35 und J)G gewisse Unwuchtkräfte entstehen, umlaufen zu lassen. Die damit erzielbare größere Drehzahl ist bei allen Verfahren sehr vorteilhaft, welche die Aufbereitung fester oder flüssiger Teilchen erfordern, weil dadurch die Anzahl der Gelegenheiten erhöht wird, bei denen ein herabfallendes Teilchen im Verlaufe seiner Fallbewegung mit der umlaufenden Plasmasä'ule in Berührung kommt. Diese Wirkung kann noch dadurch gesteigert werden, daß am Antriebsrohr 4l zwei oder noch mehr Plasmakanonen angeordnet iverden.

Bei den beiden in den Fig. 2 und 3 gezeigten Plasmakanonenhalterungen ist keine Verschiebung der Plasmakanone in Richtung ihrer Längsachse möglich. Ks ist deshalb erforderlich, eine Hilfseinrichtung zum Aufbau der Plasmasäule zwischen der Plasmakanone und der Gegenelektrode beim Zünden vorzusehen.

Beim Zünden findet noch keine Umlaufbewegung der Plasmakanone um die vertikale Reaktorachse statt. Bei der Anordnung nach Fig. 7 wird die Plasmasäule anfänglich zwischen der Plasmakanone 6 und einer beweglichen Hilfselektrode 50 erzeugt, die an einem Schwenkarm 51 ange-

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ordnet i.st, der an einer bev;??,""! i. chen externen halterung (nicht dargestellt) an^filenkt ist und durch eine öffnung 53 in der Reaktorvmnd in den Reaktor hineinragt. üurcn Schwenken des Armes 51 und Lungsverschiebun!;; seiner Halterung kann die nil fselelctrode 50 aus ihrer mit Vollinien darreste 11 ten Stellung in der Jähe der iMasriakanone ΰ in die gestrichelt .^ezei^te Stellung in der nähe der üepienelektrode 7 bewegt werden. Dies ermöglicht die übertragung der Plaspiasäule von der Plasmakanone zur Gegenelektrode 7. oodann wird die Hilfselektrode 50 abgeschaltet und aus dem Reaktor herausgezogen. Die öffnung 53 in der Reaktorwand wird dann durch Einsetzen eines Verschluiistopfen« versclilossen.

Bei Verwendung der in i'if=;. 7 cezeigten Anordnung wird anfänglich in dar Plasmakanone ein nicht übertragener Lichtbogen gezündet, der sodann auf die anfänglich mit etwa 5 cm Abstand von der Plasmakanone positionierte Hilfselektrode 50 übertragen wird, indem diese als Gegenelektrode geschaltet wird.

Bei der in Pig. 8 gezeigten Alternativanordnung findet das gleiche Arbeitsprinzip wie bei der Anordnung nach Fig. 7 Anwendung. Bei der Anordnung nach Fig. 8 ist die Hilfselektrode 50 an einem Stab 5k gehaltert, der um seine Längsachse drehbar und außerdem vertikal verschiebbar ist.

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f'.ei dieser Konstruktion ist die Gegenelektrode während des Betriebs des Fleaktors in dessen Deckwanü unter^ebracnt. Beim Anfahren wird der Ll tab 3'¹ auc-^enkt und sodann _oedreht, um die xiilfselektrode 50 in die Zünusteilung unter der Plasmakanone 5 zu bringen. A hch einem jeei^neten Zeitintervall nacl'i der Zündung des niciit, übertragenen Lichtbogens wird die iiil f aelektrode dann eingeschaltet und sodann in die gestrichelt gezeichnete untere Stellung be- ueirt, um die Plasmasaule zur Gegenelektrode 7 zu übertragen. Danach wird die iiilfselektorde 50 abgeschaltet und der Stab 5^ gedreht, um die Hilfselektrode aus der Plasmasäule herauszuschv/enken, vvonacn die iiilfselektrode wieaer in ihre Ruhestellung in der fieaktordeckwand hochgezo^en v/ird.

In beiden Fällen beginnt der Umlauf der Plasmakanone, sobald die Hilfselektrode 50 zurückgezogen worden ist.

Im Betrieb des Plasmareaktors bei der Reduktion von Aluminiumoxid oder von anderen Oxiden wird das Beschickungs material in Form feiner Teilchen zugeführt, die aus einem innigen Gemisch des Oxids mit Kohlenstoff bestehen. Die Zuführgeschwindigkeit und die Teilchengröße des Jeschickun^ materials sind der Leistungsaufnahme des Plasmareaktors und auch anderen Plasmaparametern angepaßt, um sicherzu-

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stellen, daß die Teilchen sehr schnell auf die Reaktionstemperaturen erhitzt werden. Vorzugsweise wird das Beschickun^smaterial in Form eines ununterbrochenen zylindrischen Vorhangs in die expandierte Plasmasäule eingegeben, so daß das teilchenförmige Material sich in einer peripheren Schicht der Plasmasäule befindet und in gewissem Maße als Reflektor für die Plasmasäulenenergie wirkt.

Die Bildung eines ununterbrochenen zylindrischen Vorhangs von Beschickungsmaterialteilchen im oberen Teil des Reaktors unterliegt jedoch einer Anzahl praktischer Schwierigkeiten und es hat sich gezeigt, daß in den meisten Fällen eine Zufuhr des Teilchenmaterials durch zahlreiche, um die Reaktorachse herum verteilte Zufuhrkanäle voll befriedigend ist. Während des Herabfallens erhalten die Teilchen infolge der Berührung mit der präzessierenden Plasmasäule je nach ihrer Größe unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine verhältnismäßig einfache Aufgabeinrichtung zur Zufuhr eines frei fließfähigen Beschickungsmaterials zum Reaktor. Die Einrichtung weist einen Aufgabebehälter 60 auf, aus welchem das Beschickungsmateria] mittels eines Flügelrads 62, das durch einen Motor 63 mit veränderlicher Drehzahl angetrieben wird,

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entnommen und in einen Vertei lerkonal Sl gefördert wird. In den Verteil^rkanal 61 wird durch eine Drossel Sk unter Druck stellendes Gas in dosierter Ilenge zugefünrt, welches das Pieschickun^smaterial in die einzelnen Zufuhrrohre 65 fördert. Jedes Rohr C'j führt zu einem x.inlaßkanal 8 (Fig.- 1) des Reaktors. Durch Drehen des Flügelrads, das zwischen dem Verteilerkanal 6l und dem Aufgabebehälter GO als Gasdichtung wirkt, mit geeigneter Drehzahl wird das Beschickun^smaterial aus dem Aufgabebehälter entnommen und in den Reaktor eingeblasen. Durch geeignete Positionierung können die Linlaßkanäle 8 auch dazu benützt werden, die in den Reaktor eintretenden Beschickungsmaterialteilchen auf eine spiralartige Bewegungsbahn zu bringen<

Die in Fig. 6 gezeigte alternative Aufgabeinrichtung dient zur Überwindung der bei der Zufuhr feinen Pulvers aus einem Aufgabebehälter auftretenden Probleme durch Zusammenbacken des Pulvers.

Bei dieser Anordnung befindet sich das pulverförmige Beschickungsmaterial in einem zylindrischen Aufgabebehälter 70 und wird mittels am unteren Ende einer Welle 72 angeordneten Flügeln 71 und 71' bewegt. Die Welle 72 wird über einen Treibriemen von einem Rührwerksmotor 73 angetrieben. Die Blätter 71 und 71' verhindern eine

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Brückenbildung und ein Zusammenbacken des Pulvermaterial im unteren Teil des Aufgabebehälters, so daJ6 das Pulvermaterial in Taschen im Rand von Förderrädern Jh gelangen kann. Wenn sich die Förderräder 7^l\ drehen, transportiert jede Tasche eine bestimmte bemessene Menge Pulvermaterial in die Position eines Zufuhrrohres 75» das mit einem Gaseinlaß 76 fluchtet, so daß diese *-ienge Pulver durch den zugehörigen Einlasskanal in den Reaktor eingeblasen wird. Jedes Förderrad dient daher auch als Dichtung zwischen der Fördergaszufuhr und dem Ausgabebehälter. Die Förderräder Tk sitzen auf VJeIlen 77, die jeweils ein Zahnrad 78 tragen, das mit einem von einem Motor 80 mit variabler Drehzahl angetriebenen Sonnenrad 79 in Eingriff steht. Ebenso wie bei der Anordnung nach den Fig. 4 und 5 tritt das Pulvermaterial aus dem Aufgabebehälter an einer Vielzahl von um die vertikale Reaktorachse herum verteilten Stellen in den Reaktor ein.

Fig. 9 zeigt eine alternative Ausführungsform der Gasauslaßeinrichtung des Reaktors. In diesem Fall ist der hier in Draufsicht dargestellte Reaktorboden mit drei symmetrisch um seine Mitte herum angeordneten Auslässen 15 versehen, die jeweils durch eine Kappe l6 geschützt sind, die so geformt ist, daß sie auftreffendes Material nach außen zur Sammelrinne 12 hin ablenkt. Diese Mehrfachgas-

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auslaßanordnung ermöglicht eine wirksamere Kühlung der Gasauslässe im Hinblick auf das gesamte im Reaktor erzeugte Gasvolumen. Unter der Voraussetzung, daü die üasauslässe einen ausreichenden Abstand von der Rinna 12 haben, v/ie es in Ϊ^|ΛΪΕ· 9 gezeigt ist, hat die aus der iiitte versetzte Anordnung der tiinlattöffnungen der G as auslasse 13 kaum ein ungünstige Wirkung auf die Abscheidung des Uases von [letal 1 tropfchen und anderen festen oder flussi_oen Teilcuen in der unteren hammer 10.

Mie bereits en/ähnt, können bei d^r Anordnung nach Fig» I zusatzliche Hochspannungselektroden 17 angeordnet sein. Der Zv/eck dieser Elektroden liegt darin, die Ausbeute an Metall und möglicherweise auch an anderen festen Stoffen zu erhöhen, die sich in den gasförmigen Ausströmungen der Flasi.iazone befinden, souie die Kondensation und das Zusanmenwachsen der fein verteilten festen und flüssigen Partikelchen zu unterstützen, hierbei handelt es sich urn eine vorteilhafte I7eiterbildung des Reaktors, die unter gewissen Umständen eine erhebliche Bedeutung hinsichtlich der Vergrößerung der Produktausbeute und der Steigerung des V/irkungsgrades des Verfahrens haben kann.

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Bei der Ccirbothermischen Reduktion von Aluminiumoxid ist das Ziel der Verblendung der Kochspannungselektroden hauptsächlich die Vereinigung flüssiger Tröpfchen und dadurch die Verringerung des Verlustes an Aluminium, das in Form von Dampf in der gasförmigen Ausströmung mitgetragen wird, und in zweiter Linie das Anziehen der zusanmengewachsenen Tröpfchen zur Rinne 12 hin, wo infolge der verringerten Oberflächen^röße das Ausmaß einer Rückwürtsreaktion mit Kohlenmonoxid wesentlich herabgesetzt ist.

Das Anlegen einer hohen Spannung an eine gemäß Fig. angeordnete !Elektrode reicht allein nicht aus, da die Bedingungen im Reaktor zwischen kurzschlußartigen Zuständen und Zuständen mit relativ geringem Leckstrom veränderlich sein können. Ds ist deshalb erforderlich, eine Reihe von liochspannungsimpulsen an die Elektroden 17 anzulegen. Dabei ist es wünschenswert, sowohl die Wiederholungsfrequenz als auch das Impuls-Zwischenraum-Verhältnis zwecks Anpassung an die Verfahrensbedingungen einstellbar zu machen.

Die Impulse können mittels einer Schaltung der in Fig. 10 gezeigten Art erzeugt werden. Diese Schaltung enthält eine Hochspannungsspule IC. Die hochspannungs-

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führende Sekundärseite dieser Spule ist mit dsr Elektrode 17 verbunden, während die Primärseite aurch eine ■^mitterfolcerschaltung erregt wird.

Die in Fi&. 10 gezeigte Schaltung dient zum Schalten des Stromes zur Spulenprimärseite. Der Transistor Tl muß wegen seiner geringen Verstärkung (die im vorliegenden Fall etwa 5 beträgt) als Emitterfolger geschaltet sein (wobei Tl der Emitterfolger des Transistors T2 ist). Bei Versuchen wurde dem Kollektor des Translators T2 ein Strom von 600 mA zugeführt, der als Basisstrom den Transistor Tl steuerte, dessen Durchbruchsspannung größer als die gegenelektromotorische Kraft der Primärspule war.

Der Widerstand R2 und die Taste K in Fig. 10 stellen einen selbsterregten stabilen Schaltkreis dar, dessen Tastfrequenz ebenso wie das Tastverhältnis zur Anpassung an die Versuchsbedingungen einstellbar ist. Der in Fig. 1 gezeigte Reaktor kann mit einer Anzahl von Hochspannungselektroden 17 versehen sein. Die oben beschriebenen Hochspannungselektroden können auch allein zur Begünstigung der Kondensation und der Zusammenbailung von Hetalltröpfchen oder in Verbindung beispielsweise mit der Injektion eines Nebels verhältnismäßig grober Tröpfchen aus abgekühltem geschmolzenem Metall Anwendung finden.

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Die in Pig. 10 wiedergegebane Schaltung stellt nur ein Beispiel dar; es können auch andere Anordnungen zum Anlegen von liochspannungsimpulsen an die Elektroden 17 Anwendung finden. Bei spie Is v/eise kann gemäß Fig. H sine ilochspannungsspule (oder ein ähnliches Element) über· einen Wechselrichtertransformator IT mit noch höheren Ausgangsspannunp;en betrieben werden, wobei der Wechselrichtertransformator IT einen VoI lweggleichrichter i?WR speist, der seinerseits einen Oszillator mit einem Kondensator, der Primärwicklung der iiochspannungsspule und einem gesteuerten oiliciungleiehrichter (Thyristor) üCR speist, welch letzterer mittels eines Züncir.:oduls 1'¹M gezündet .fird. Durch Triggeruns des Thyristors mittels einer geeigneten Zündschaltung können der Primärwicklung der iiochspannungsspule verhältnismäßig hohe Aus gangs impulse zugeführt werden.

Der Vorteil der in Jig. Il gezeigten Schaltung liegt hauptsächlich in der Möglichkeit der Erweiterung der Anlage und in der Ausnützung der Eigenschaften eines Wechselrichtertransformators, nämlich daß solche Transformatoren durch den Ans tie/; der Frequenz vor den schädlichen Auswirkungen eines Kurzschlusses geschützt sind. Ein weiterer Vorteil dsr in Fig. 11 gezeigten schaltung liegt in viel steilerer. Ausgangsir.ipulsflanken. Außerdem ist bei Erhöhung

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der Frequenz das dadurch bedingte Absinken der Spannung viel serin.Ker alt; ini Falle der in i?:V. 10 gezeigten Schal

Zusätzlich zur Arijenounr der HOchspannur-.jüelektroden Ir: Reaktor können zusätzliche iiocrisp^nnun^H^leXtroaen in den üaskan.'il en angeordnet werden, welche die orzeu,~_;tt.-n Gase aus den Reaktor abführen. Diese nlcut dar^aatell tc^r, zusätzlichen i-iochspannun^selektroder, sarm.ieln etwa vorhandenes, in dein aus den Reaktor aus; ^tr^t^nen Gas kondensiertes Aluniinium oder darin iiiit^etra^jene soar kleir.e Flüssigkeitströnfchen.

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BAD ORIGINAL

L e

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Claims

P at en t an s ρ r üc_he

1. Plasmareaktor mit mindestens einer an seinem oberen Ende angeordneten, auf einer i.reiabahn um die vertikale Iieaktorachse umlaufenden Plasmakanone und einer darunter angeordneten ringförmigen Gegenelektrode, deren Innendurchmesser größer als der Uahndurchmesser der Plasmakanone ist, und mit einer Beschickungseinrichtung, mittels derer "ßeschickungsmaterialien am oberen Ende des Reaktors in die zwischen der Plasmakanone und der Gegenelektrode liegende Zone einfünrbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmareaktor eine obere Kammer (9), an deren oberem Lnde die Plasmakanone (6) und an deren unterem Ende die Gegenelektrode (7) angeordnet ist, und eine unterhalD der Gegenelektrode gelegene untere Kammer (10) aufweist, die nahe ihrer Umfangswand eine Sammelrinne (12) und im IIittelbereich ihres Bodens (11) mindestens einen Gasauslaßkanal (15) enthält und im wesentlichen nach Art eines Zyklonabscheiders zur Trennung von Gasen von flüssigen und festen Produkten wirkt.

2. Plasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (11) der unteren Kammer (10) so geformt ist, daß er auftreffende Flüssigkeitsteilchen in Richtung

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ORIGINAL INSPECTED

der oamme"Irinne (12) ablenkt.

3. Plasmareaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ^intrittsüff'nun;:; des Gasauslaßkanals (15) niit einer nach oben konvexen Kappe (16) abgedeckt ist.

h. Plasmareaktor nach einem der Ansprücne 1 bis 3, gekennzeichnet durch Ilittel. zum Kinsprühen von flüssigem He tall in die untere Kammer zur Förderung des Zusami.ienv/achsens von in der unteren Kammer suspendierten 1''1USSi^- keitströpfchen.

b. Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch im Bereich der Umfangswand der unteren Kammer (10) angeordnete und der in der unteren Kammer herrschenden Atmosphäre ausgesetzte Hochspannungselektroden (17) zur Unterstützung der Bewegung suspendierter Teilchen zum Peripheriebereich der unteren Kammer hin.

6. Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Plasmakanonen (6) am unteren Ende eines um die vertikale Reaktorachse drehbaren Rohres mit Bezug auf die Reaktorachse geneigt angeordnet sind, und daß Gas und Kühlmittel

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über Umlaufdichtungen, die zv/ischen dem drehbaren Rohr und einem dieses umgebenden feststehenden Tragrohr (U2) angeordnet sind, zu der oder den Plasmakanonen zugeführt werden.

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