DE2737940C2 - Plasmareaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Plasmareaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Plasmareaktor dieser Gattung ist bereits aus der DE-AS 22 07 048 bekannt. Bei dem bekannten Plasmareaktor befindet sich in der unterhalb der Gegenelektrode gelegenen unteren Kammer ein Tiegel zum Sammeln der Reaktionsprodukte und daneben ein weiterer Tiegel, wobei der erstere Tiegel über einen Überlauf mit dem zweiten Tiegel verbunden ist. Diese beiden, jeweils mit einem Abstich versehenen Tiegel dienen zum gesonderten Sammeln verschieden schwerer Erzeugnisse. Ein Gasauslaßkanal befindet sich bei dem bekannten Plasmareaktor oberhalb des weiteren Tiegels und dient zur Abführung von Gasen und Dämpfen nach oben.

Die Erfindung bezweckt eine Verwendbarkeit eines Plasmareaktors der eingangs genannten Art insbesondere zur carbothermischen Reduktion von Oxiden, und zwar hauptsächlich zur Reduktion von Oxiden mit hoher Bildungswärme, also beispielsweise von Oxiden des Aluminiums, des Siliciums, des Calciums und des Magnesiums.

Zur Gewinnung des reinen Metalls aus Oxiden des Aluminiums, des Calciums und des Magnesiums ist es unter Herstellung geeigneter Bedingungen an sich möglich, die Oxide mit Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltigen Substanzen, beispielsweise Kohlenwasserstoffen, zu reduzieren, wobei Kohlenmonoxid entsteht. Beim Abkühlen der Reaktionsprodukte von der Reaktionstemperatur tritt hierbei jedoch eine gewisse Rückwärtsreaktion zwischen dem Metall und dem Kohlenmonoxid ein.

Bei dem Versuch der Erzeugung von Aluminium durch carbothermische Reduktion von gereinigtem Aluminiumoxid zeigen sich außerdem erhebliche Schwierigkeiten infolge der Bildung von Aluminiumcarbid und des stabilen Aluminiumoxicarbids (AI4O4C) sowie infolge der Bildung von flüchtigem Aluminiumsuboxid (Al₂O).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmareaktor der eingangs genannten Art so auszubilden, daß in wirtschaftlicher Weise eine carbothermische Reduktion von Oxiden (einschließlich vollständig oder teilweise hydrierter Oxide) unter Beherrschung der eben erläuterten Probleme durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Die damit erreichte Wirkung ist eine schnelle Trennung der Reaktionsprodukte mit dem Ziel der Verhinderung unerwünschter Rückwärtsreaktionen zwischen diesen Reaktionsprodukten, wobei von dem an sich bekannten Prinzip der Fliehkraftabscheidung Gebrauch gemacht wird.

Die Erfindung beinhaltet die Erkenntnis, daß aufgrund der Umlaufbewegung der von einer oder mehreren umlaufenden Plasmakanonen erzeugten Plasmasäulen die in die Plasmasäule eingebrachten oder sich darin bildenden festen bzw. flüssigen Materialteilchen außer ihrer Fallbewegung durch die Plasmasäule hindurch eine spiralartige Bewegung ausführen und infolgedessen Fliehkrafteinflüssen ausgesetzt sind, und daß diese Umlaufbewegung der Materialteilchen in der Plasmasäule sich vorteilhaft zur Stofftrennung zwischen fest bzw. flüssig und gasförmig nach dem Fliehkraftabscheiderprinzip ausnützen läßt. Die konstruktiven Merkmale des erfindungsgemäßen Plasmareaktors ermöglichen diese Stofftrennung unmittelbar im Anschluß an die Reaktionszone des Plasmareaktors, so daß diese eine wirksame Maßnahme zur Unterbindung von unerwünschten Rückwärtsreaktionen zwischen den Reaktionsprodukten darstellt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

üas Merkmal des Anspruchs 2 verhindert, daß durch Wirbelerscheinungen oder dgl. in den Mittelbereich der

unteren Kammer gelangende Teilchen vom Gasauslaßkana! ferngehalten werden.

Die Maßnahme nach Anspruch 3 fördert das Zusammenwachsen von in der unteren Kammer suspendierten Flüssigkeitströpfchen.

Mit dem Merkmal des Anspruchs 4 wird eine Unterstützung der Bewegung suspendierter Teilchen zum Peripheriebereich der unteren Kammer hin erreicht

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Vertikalschnitt durch einen Plasmareaktor nach der Erfindung,

Fi g. 2 eine Ausführungsform der Plasmakanonenhalterung des Plasmareaktors nach F i g. 1,

Fig.3 eine alternative Möglichkeit der Plasmakanonenhalterung,

F i g. 4 eine Seitenansicht einer Beschickungseinrichtung zur Zufuhr eines frei Fließfähigen Beschickungsmaterials an mehreren Stellen,

Fig.5 einen Schnitt durch die Beschickungseinrichtung nach F i g. 4,

F i g. 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,

F i g. 8 eine alternative Einrichtung zum Aufbau der Plasmasäule,

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

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

Fi g. 11 eine dem gleichen Zweck dienende alternative elektrische Schaltung.

F i g. 1 zeigt schematisch einen Plasmareaktor zur carbothermischen Reduktion sehr stabiler Oxide wie beispielsweise Aluminiumoxid.

Über dem oberen Reaktoreinlaß ist ein durch Riemen 2 oder dergl. angetriebener Rotor 1 mittels Lagern 3 in einem Statorteil 4 gelagert. Das Statorteil 4 kann entweder gemäß der Daistellung 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 jedoch unnötig ist, wenn eine Zündeinrichtung nach F i g. 7 oder F i g. 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 Lag'Rr 5 angeordnet ist, kann sie mittels eines ebenfalls nicht dargestellten elekt--opneumatischen oder ähnlichen Betätigungsmechanismus abwärts und aufwärts verschoben werden. Infolge der obigen Anordnung der Plasmakanone 6 kann diese eine Umlaufbewegung ausführen, die aufgrund der zur Vertikalen geneigten Fiasmukanonenachse die Mantelfläche eines Kegels IveMreicht. Die Achse der Plasmakanone 6 zeigt schräg nach uiuen zum Innenumfang einer ringförmigen, als Anode wirkenden Gegenelektrode 7, zu welcher hin die Plasirtasäule erzeugt wird und von welcher eine Vielzahl von Anodenstromungen ausgehen, die zusammen eine charakteristische Nachflamme bilden. Die Ringelektrode 7 wird durch ein hindurchzirkulierendes geeignetes Kühlmittel, beispielsweise Öl, gekühlt Alternativ dazu kann die Gegenelektrode ein Graphitring sein, wobei in diesem Fall 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 Beschickungsmaterialien 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 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.4 bis 6 gezeigten Einrichtungen au^f 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 10 umschließt einen unmittelbar unterhalb der Gegenelektrode 7 befindlichen Nachflammenbereich und enthält außerdem eine etwa ringförmige Trennzone, in weiche 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 Kammer 10 geschützt ist. Außerdem ist eine Abstichöffnung 13 vorgesehen. Zur Herabsetzung der Reaktionsfreudigkeit des gesammelten 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 Abgaskanals 15 zu schützen.

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

Das so zugegebene Material muß sich natürlich entweder vom flüssigen Produkt trennen lassen oder es darf das Endprodukt nicht beeinträchtigen. Aus diesem Grunde ist bei der Aluminiumerzeugung Aluminiumpulver zu bevorzugen, jedoch ist es auch möglich, sehr kleine Mengen von fein verteiltem Fe, Si oder T1B2 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 der Kammer 10 herrschenden Atmosphäre vergrößert. Diese Düsen können etwa in der Position der in F i g. 1 gezeigten Elektroden 17 angeordnet sein. Die dargestellten Hochspannungselektroden 17 stellen eine alternative oder zusätzliche Möglichkeit zur Herabsetzung der Auswirkungen der Dampfbildung dar, wie später noch mehr im einzelnen erläutert wird.

Ein weiteres wesentliches Konstruktionsmerkmal ist die Möglichkeit, die Reaktorkammern 9 und iO ebenso wie die verschiedenen feuerfesten und isolierenden Auskleidungen 18 und 19 durch einen gasdichten äußeren Stahlmantel 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. F i g. 2 zeigt im einzelnen eine derartige Halterung für eine Plasmakanone, die nicht um ihre 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 F i g. 3 gezeigten alternativen Plasmakanonenhalterung ist die Plasmakanone mit dem unteren Ende eines vertikalen Antriebsrohres 41 verbunden, das drehbar in einem äußeren Rohr 42 gelagert ist. Das äußere Rohr 42 trägt einen hydraulischen Motor 43, der das Antriebsrohr 41 antreibt. Ober 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 41 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 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 36 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 Plasmasäule in Berührung kommt. Diese Wirkung kann noch dadurch gesteigert werden, daß am Antriebsrohr 41 zwei oder noch mehr Plasmakanonen angeordnet werden.

Bei den beiden in den F i g. 2 und 3 gezeigten Plasmakanonenhalterungen ist keine Verschiebung der Plasmakanone in Richtung ihrer Längsachse möglich. Es 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 angeordnet ist, der an einer beweglichen externen Halterung (nicht dargestellt) angelenkt ist und durch eine öffnung 53 in der Reaktorwand in den Reaktor hineinragt. Durch Schwenken des Armes 51 und Längsverschiebung seiner Halterung kann die Hilfselektrode 50 aus ihrer mit Vollinien dargestellten Stellung in der Nähe der Plasmakanone 6 in die gestrichelt gezeigte Stellung in der Nähe der Gegenelektrode 7 bewegt werden. Dies ermöglicht die Übertragung der Plasmasäule von der Plasmakanone zur Gegenelektrode 7. Sodann wird die Hilfselektrode 50 abgeschaltet und aus dem Reaktor herausgezogen. Die öffnung 53 in der Reaktorwand wird dann durch Einsetzen eines Verschlußstopfens verschlossen.

Bei Verwendung der in F i g. 7 gezeigten Anordnung wird anfänglich in der Plasmakanone ein nicht übertragener Lichtbogen gezündet der sodann auf die anfänglich mit etwa 6 cm Abstand von der Plasmakanone positionierte Hilfselektrode 50 übertragen wird, indem diese als Gegenelektrode geschaltet wird.

Bei der in F i g. 8 gezeigten Alternativanordnung findet das gleiche Arbeitsprinzip wie bei der Anordnung nach Fig.7 Anwendung. Bei der Anwendung nach Fig.8 ist die Hilfselektrode 50 an einem Stab 54 gehaltert der um seine Längsachse drehbar und außerdem vertikal verschiebbar ist

Bei dieser Konstruktion ist die Gegenelektrode während des Betriebs des Reaktors in dessen Deckwand untergebracht Beim Anfahren wird der Stab 54 abgesenkt und sodann gedreht um die Hilfselektrode 50 in die Zündstellung unter der Plasmakanone 6 zu bringen. Nach einem geeigneten Zeitintervall nach der Zündung des nicht übertragenen Lichtbogens wird die Hilfselektrode dann eingeschaltet und sodann in die gestrichelt gezeichnete untere Stellung bewegt um die

Plasmasäule zur Gegenelektrode 7 zu übertragen. Danach wird die Hilfselektrode 50 abgeschaltet und der Stab 54 gedreht, um die Hilfselektrode aus der Plasmasäule herauszuschwenken, wonach die Hilfselektrode wieder in ihre Ruhestellung in der Reaktordeckwand hochgezogen wird.

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 Beschickungsmaterial in Form feiner Teilchen zugeführt, die aus einem innigen Gemisch des Oxids mit Kohlenstoff bestehen. Die Zuführgeschwindigkeit und die Teilchengröße des Beschickungsmaterials sind der Leistungsaufnahme des Plasmareakiors und auch anderen Plasmaparametern angepaßt, um sicherzustellen, daß die Teilchen sehr schnell auf die Reaktionstemperaturen erhitzt werden. Vorzugsweise wird das Beschickungsmaterial 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 (jröflc unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten.

Die I- i g. 4 und 5 zeigen eine verhältnismäßig einfache Aufgabeinrichtung zur Zufuhr eines frei fließfähigen Besehickungsmaterials zum Reaktor. Die Einrichtung weist einen Aufgabebehälter 60 auf, aus welchem das Beschickungsmaterial mittels eines Flügelrads 62, das durch einen Motor 63 mit veränderlicher Drehzahl angetrieben wird, entnommen und in einen Verteilerkanal 61 gefördert wird. In den Verteilerkanal 6t wird durch eine Drossel 64 unter Druck stehendes Gas in dosierter Menge zugeführt, welches das Beschickungsmaterial in die einzelnen Zufuhrrohre 65 fördert. Jedes Rohr 65 führt zu einem Einlaßkanal 8 (Fig. 1) des Reaktors. Durch Drehen des Flügelrads, das zwischen dem Verteilerkanal 61 und dem Aufgabebehälter 60 als Gasdichtung wirkt, mit geeigneter Drehzahl wird das Beschickungsmaterial aus dem Aufgabebehälter entnommen und in den Reaktor eingeblasen. Durch geeignete Positionierung können die Cinlaßkanäle S auch dazu benützt werden, die in den Reaktor eintretenden Beschtckungsmaterialteilchen auf eine spiralartige Bewegungsbahn zubringen.

Die in F i g. 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 7V verhindern eine Brückenbildung und ein Zusammenbakken des Pulvermaterials im unteren Teil des Aufgabebehälters, so daß das Pulvermaterial in Taschen im Rand von Förderrädern 74 gelangen kann. Wenn sich die Förderräder 74 drehen, transportiert jede Tasche eine bestimmte bemessene Menge Pulvermaterial in die Position eines Zufuhrrohres 75, das mit einem Gaseinlaß 76 fluchtet, so daß diese Menge Pulver durch den zugehörigen Einlaßkanal in den Reaktor eingeblasen wird. Jedes Förderrad dient daher auch als Dichtung zwischen der Fördergaszufuhr und dem Aufgabebehälter. Die Förderräder 74 sitzen auf Wellen 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 16 geschützt sind, die so geformt ist, daß sie auftreffendes Material nach außen zur Sammelrinne 12 hin ablenkt. Diese Mehrfachgasauslaßanordnung ermöglicht eine wirksamere Kühlung der Gasauslässe im Hinblick auf das gesamte im Reaktor erzeugte Gasvolumen. Unter der Voraussetzung, daß die Gasauslässe einen ausreichenden Abstand von der Rinne 12 haben, wie es in F i g. 9 gezeigt ist, hat die aus der Mitte versetzte Anordnung der Einlaßöffnungen der Gasauslässe 15 kaum eine ungünstige Wirkung auf die Abscheidung des Gases von Metalltröpfchen und anderen festen oder flüssigen Teilchen in der unteren Kammer 10.

Wie bereits erwähnt, können bei der Anordnung nach Fig. 1 zusätzliche Hochspannungselektroden 17 angeordnet sein. Der Zweck dieser Elektroden liegt darin, die Ausbeute an Metall und möglicherweise auch an anderen festen Stoffen zu erhöhen, die sich in den gasförmigen Ausströmungen der Plasmazone befinden, sowie die Kondensation und das Zusammenwachsen der fein verteilten festen und flüssigen Partikelchen zu unterstützen. Hierbei handelt es sich um eine vorteilhafte Weiterbildung des Reaktors, die unter gewissen Umständen eine erhebliche Bedeutung hinsichtlich der Vergrößerung der Produktausbeute und der Steigerung des Wirkungsgrades des Verfahrens haben kann.

Bei der carbothermischen Reduktion von Aluminiumoxid ist das Ziel der Verwendung der Hochspannungselektroden 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 zusammengewachsenden Tröpfchen zur Rinne 12 hin, wo infolge der verringerten Oberflächengröße das Ausmaß einer Rückwärtsreaktion mit Kohlenmonoxid wesentlich herabgesetzt ist.

Das Anlegen einer hohen Spannung an eine gemäß F i g. 1 angeordnete Elektrode reicht allein nicht aus, da die Bedingungen im Reaktor zwischen kurzschlußartigen Zuständen und Zuständen mit relativ geringem Leckstrom veränderlich sein können. Es ist deshalb erforderlich, eine Reihe von Hochspannungsimpulsen 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 Fi g. 10 gezeigten Art erzeugt werden. Diese Schaltung enthält eine Hochspannungsspule IC Die hochspannungsführende Sekundärseite dieser Spule ist mit der Elektrode 17 verbunden, während die Primärseite durch eine Emitterfolgerschaltung erregt wird.

Die in F i g. 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 T2ist). Bei Versuchen wurde dem Kollektor des Transistors T2 ein Strom von 600 mA zugeführt, der als Basisstrom den Transistor Tl steuerte, dessen Durchbruchsspannung größer als die gegenelektromotorische Kraft der Prirnärspule war.

Der Widerstand R 2 und die Taste K in F i g. 10 stellen einen selbsterregten stabilen Schaltkreis dar, dessen Tastfrequenz ebenso wie das Tastverhältnis zur Anpassung an die Versuchsbedingungen einstellbar ist. Der in F i g. 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 Zusammenballung von Metalltröpfchen oder in Verbindung beispielsweise mit der Injektion eines Nebels verhältnismäßig grober Tröpfchen aus abgekühltem geschmolzenem Metall Anwendung finden.

Die in Fig. 10 wiedergegebene Schaltung stellt nur ein Beispiel dar; es können auch andere Anordnungen zum Anlegen von Hochspannungsimpulsen an die Elektroden 17 Anwendung finden. Beispielsweise kann gemäß Fig. 11 eine Hochspannungsspule (oder ein ähnliches Element) über einen Wechselrichtertransformator IT mit noch höheren Ausgangsspannungen betrieben werden, wobei der Wechselrichtertransformator IT einen Vollweggleichrichter FWR speist, der seinerseits einen Oszillator mit einem Kondensator, der Primärwicklung der Hochspannungsspule und einem gesteuerten Siliciumgleichrichter (Thyristor) SCR speist, welch letzterer mittels eines Zündmoduls FM gezündet wird. Durch Triggerung des Thyristors mittels einer geeigneten Zündschaltung können der Primärwicklung der Hochspannungsspule verhältnismäßig hohe Ausgangsimpulse zugeführt werden.
Der Vorteil der in F i g. 11 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 Anstieg der Frequenz vor den schädlichen Auswirkungen eines Kurzschlusses geschützt sind. Ein weiterer Vorteil der in F i g. 11 gezeigten Schaltung liegt in viel steileren Ausgangsimpulsflanken. Außerdem ist bei Erhöhung der Frequenz das dadurch bedingte Absinken der Spannung viel geringer als im Falle der in Fig. 10 gezeigten Schaltung.

Zusätzlich zur Anwendung der Hochspannungselektroden im Reaktor können zusätzliche Hochspannungselektroden in den Gaskanälen angeordnet werden, welche die erzeugten Gase aus dem Reaktor abführen. Diese nicht dargestellten zusätzlichen Hochspannungselektroden sammeln etwa vorhandenes, in dem aus dem Reaktor ausgetretenen Gas kondensiertes Aluminium oder darin mitgetragene sehr kleine Flüssigkeitströpfchen.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Plasmareaktor mit mindestens einer an seinem oberen Ende angeordneten, auf einer Kreisbahn um die vertikale Reaktorachse umlaufenden Plasmakanone und einer darunter angeordneten ringförmigen Gegenelektrode, deren Innendurchmesser größer als der Bahndurchmesser der Plasmakanone ist, weiter mit einer zwischen der Plasmakanone und der Gegenelektrode gelegenen oberen Kammer und einer Beschickungseinrichtung, mittels derer Beschickungsmaterialien am oberen Ende des Reaktors in die obere Kammer einführbar sind, und mit einer unterhalb der Gegenelektrode gelegenen unteren Kammer mit Mitteln zum Sammeln der Produkte, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Kammer (10) im wesentlichen einen Zyklonabscheider bildet und einen von seinem Mittelbereich nach außen abfallenden Kammerboden (11), der außen in eine an oder nahe der Umfangswand der unteren Kammer verlaufende ringförmige Sammelrinne (12) übergeht, und mindestens einen im Bodenmittelbereich angeordneten Gasauslaßkanal (15) aufweist.

2. Plasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung des Gasauslaßkanals (15) mit einer nach oben konvexen Kappe (16) abgedeckt ist.

3. Plasmareaktor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Mittel zum Einsprühen von flüssigem Metall in die untere Kammer (10).

4. Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 1 bis

3, gekennzeichnet durch im Bereich der Umfangswand der unteren Kammer (10) angeordnete und in die untere Kammer hineinragende Hochspannungselektroden (17).

5. Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Plasmakanonen (6) am unteren Eüde eines um die vertikale Reaktorachse drehbaren Rohres mit Bezug auf die Reaktorachse geneigt angeordnet sind.

6. Plasmareaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem drehbaren Rohr (41) und einem dieses umgebenden feststehenden Tragrohr (42) Umlaufdichtungen (48) angeordnet sind, über welche Gas und Kühlmittel zu der oder den Plasmakanonen zugeführt werden kann.

7. Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Zündhilfselektrode (50), die durch eine Wandöffnung der oberen Kammer (18) in die obere Kammer einschiebbar und wieder aus dieser herausziehbar und außerdem schwenkbar gehaltert ist, derart, daß ihr wirksames Elektrodenende zum Zünden einer Plasmaflamme zwischen der noch feststehenden Plasmakanone (6) und der Gegenelektrode (7) bewegbar ist.