WO2015155017A1 - Verfahren und vorrichtung zur rückgewinnung von säure aus metallhaltigen lösungen mit oxidaufbereitung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur rückgewinnung von säure aus metallhaltigen lösungen mit oxidaufbereitung Download PDF

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WO2015155017A1
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exhaust gases
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Jovan Starcevic
Luis CORONADO
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Andritz Ag
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    • C23GCLEANING OR DE-GREASING OF METALLIC MATERIAL BY CHEMICAL METHODS OTHER THAN ELECTROLYSIS
    • C23G1/00Cleaning or pickling metallic material with solutions or molten salts
    • C23G1/36Regeneration of waste pickling liquors
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22B5/02Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23G3/00Apparatus for cleaning or pickling metallic material
    • C23G3/02Apparatus for cleaning or pickling metallic material for cleaning wires, strips, filaments continuously
    • C23G3/027Associated apparatus, e.g. for pretreating or after-treating

Definitions

  • the subject of this invention is a process for the recovery or recovery of acids from metal-containing solutions of these acids.
  • the acids are regenerated and on the other hand formed metal oxides.
  • the subject of this invention also forms a
  • the metal-containing solutions of the acids are preferably HF, HNO ? HCl, Fe, Cr, Mn, Ni compounds and mixtures of these compounds.
  • the spray roasting reactor can also be divided into two zones by means of internals, with one in the upper zone
  • Oxidation or post-roasting takes place. This may involve a complete oxidation of the metal salts
  • the composition of the oxide corresponds to the composition of the scale of the pickled Stainless steel strips, it mainly contains iron (Fe), chromium (Cr), nickel (Ni), manganese (Mn) and optionally other metals. Especially because of the relatively high nickel content of the
  • Metal oxides the revenue that can be achieved through oxide utilization, is a significant factor in the economics of PYROMARS plants. Despite these relatively high market values, the oxide is more of a problem due to the lack of recovery technologies.
  • Possibility of post-roasting with reducing atmosphere e.g. Hj to operate steam, methane or CO.
  • Oxid modifications are obtained.
  • post-roasting in a reducing atmosphere has the disadvantage that the oxidizing atmosphere in the top of the reactor of the reducing atmosphere in the lower part must be separated. This is complex and usually only inadequately possible.
  • This AT409373B roasting in a reducing atmosphere is therefore primarily suitable for the preparation of certain oxide modifications, but not for a substantially complete reduction of the oxide to metals.
  • the invention is therefore based on the object
  • This object is achieved by a process for the recovery or recovery of acids from metal-containing solutions of these acids, in which the metal oxides are reduced immediately after the spray roasting with the aid of a reducing agent in a separate reduction furnace.
  • Reduction to metals can be converted locally into a higher quality product. It is not an additional one
  • the metal oxides formed directly to the Sprühösten in the hot or hot state are Personnel required for oxide reduction.
  • the metal oxide therefore does not have to be before the reduction
  • the exhaust gases from the reduction furnace are advantageously fed to the spray roasting reactor. Preferably, they are introduced tangentially into the spray roasting reactor.
  • Reduction furnace thus does not need its own exhaust gas purification, since these exhaust gases are cleaned directly through the gas purification system of the acid recovery system.
  • the hot exhaust gases of the reduction furnace can be used to heat the Sprühöstreaktors, thereby reducing the
  • the hot exhaust gases of the reduction furnace are introduced into the Sprühöstreaktor so that the flow conditions required for Spröstöstung
  • Reduction coal dust is used, but also the
  • the reduction furnace is heated by a plasma torch, thereby very high temperatures and good reduction conditions can be set, whereby even high-purity products that consist essentially of metals can be produced.
  • Shaft furnace is or that the reduction is carried out by means of a circulating fluidized bed.
  • the invention also provides a corresponding device for carrying out the inventive
  • Sprühöstreaktor is indirectly or directly connected via a line for the metal oxides with the reduction furnace, where the metal oxides are reduced to metals.
  • the exhaust pipe of the reduction furnace is connected to the Sprühöstreaktor, so that the
  • Sprühöstreaktor is at least partially heated by the exhaust gases of the reduction furnace.
  • Acid regeneration plant 1 consists of a
  • Sprühöstreaktor 2 in which via a line 3 Abbeize, for example from a Mischklaklazstrom, is sprayed through nozzles 8.
  • a burner 4 e.g. Gas and combustion air are supplied, the Abbeize is heated and decomposed. In the distillery level prevail
  • Condenser 11 In the subsequent exhaust gas purification 13, among other things, nitrogen oxides are removed. Such plant components for acid recovery are well known to those skilled in the art and are therefore not described in detail here.
  • the regenerated acid is removed via the line 12 and can be supplied to the pickling process again.
  • roasting zone 5 there is a post-roasting zone 6.
  • the two zones 5 and 6 are rotated by a
  • the metal oxides pass via the line 17 in the
  • Reduction furnace 20 The metal oxides are still hot from the previous roasting process and do not have to
  • the reduction furnace 20 is heated here by a plasma torch 21 to which gas 22 and electrical energy 23 are supplied.
  • a plasma torch 21 In the plasma torch 21, electrical energy is converted into heat and transferred to the gas 22, which is in the plasma state. With the help of Plasma torch 21, temperatures of over 3000 ° C can be achieved.
  • the reduction furnace 20 is in addition to the oxides also
  • Reducing agent 24 fed it may be any suitable Reducing agent 24 fed.
  • coal dust for example, coal dust, methane, hydrogen,
  • the reduction furnace 20 may be supplied with another additive via the conduit 25, e.g. a slag maker to obtain a purer metal.
  • another additive e.g. a slag maker to obtain a purer metal.
  • Reducing agent 24 is reduced and converted into the pure metal form.
  • the highly pure product 27 consists essentially of iron (Fe), chromium (Cr), nickel (Ni) and manganese (Mn). It can therefore easily be resold or fed to a smelting furnace during steelmaking.
  • the hot exhaust gases (about 1200 ° C) from the reduction furnace 20 are fed via the exhaust pipe 26 to the Sprühöstreaktor 2.
  • the exhaust gases have a temperature of about 1200 ° C.
  • the reduction furnace 20 on the one hand, does not need its own extraction or exhaust gas purification.
  • the hot exhaust gases are used in the Sprühöstreaktor 2 for roasting, thereby reducing the gas consumption of
  • Sprühöstreaktors 2 over conventional reactors The embodiment shown in the drawing represents only a preferred embodiment of the invention.
  • the invention also includes other embodiments in which, for example, the Sprühöstreaktor has only one zone.

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Abstract

Den Gegenstand dieser Erfindung bildet ein Verfahren zur Gewinnung bzw. Rückgewinnung von Säuren aus metallhaltigen Lösungen durch Sprührösten der Lösungen in einem Sprühröstreaktor (2) und anschließende Absorption und/oder Kondensation der dabei gebildeten Gase, wobei durch das Sprührösten Metalloxide gebildet werden. Erfindungsgemäß werden die Metalloxide unmittelbar nach dem Sprührösten mit Hilfe eines Reduktionsmittels (24) in einem separaten Reduktionsofen (20) reduziert. Den Gegenstand dieser Erfindung bildet auch eine Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Rückgewinnung von Säure aus
metallhaltigen Lösungen mit Oxidaufbereitung
Den Gegenstand dieser Erfindung bildet ein Verfahren zur Gewinnung bzw. Rückgewinnung von Säuren aus metallhaltigen Lösungen dieser Säuren. Durch Sprührösten der Lösungen und anschließende Absorption und/oder Kondensation der dabei gebildeten Gase werden einerseits die Säuren regeneriert und andererseits Metalloxide gebildet.
Den Gegenstand dieser Erfindung bildet auch eine
Vorrichtung mit der das erfindungsgemäße Verfahren
durchgeführt wird. Bei den metallhaltigen Lösungen der Säuren handelt es sich vorzugsweise um HF, HNO? HCl, Fe-, Cr-, Mn-, Ni- Verbindungen und um Mischungen aus diesen Verbindungen. Zur Rückgewinnung von Säuren werden bekanntermaßen wässrige Lösungen von Metallverbindungen mit Hilfe von Düsen in feinen Tropfen in einen beheizten Reaktor, einem
sogenannten Sprühröstreaktor, gesprüht. Durch die
Wärmentwicklung verdampft zuerst die Flüssigkeit
(Verdampfungsphase) und anschließend beginnen sich die Metallverbindungen zu zersetzen (Oxidationsphase) . Die Tropfen fallen im freien Fall zum Reaktorunterteil und werden innerhalb weniger Sekunden geröstet, d.h.
pyrolytisch in ein Metalloxid und einen Säureanteil getrennt. Die Zersetzung findet bei Temperaturen zwischen 450°C - 900°C, vorzugsweise bei 550°C-700°C statt. Die Säureanteile werden am Reaktorkopf und das Oxid über eine Öffnung im Reaktorboden entfernt. Die Säureanteile werden anschließend absorbiert bzw. kondensiert. Derartige Säureregenerationsverfahren sind aus der
AT395312B bekannt. Auch für die HCl-Zersetzung sind analoge Verfahren zum Beispiel aus der AT264248B bekannt. Hier wird die zu regenerierende metallhaltige Lösung der Salzsäure im Gegenstrom durch das Abgas verdampft und anschließend im Reaktor zersetzt.
Der Sprühröstreaktor kann durch Einbauten auch in zwei Zonen unterteilt sein, wobei in der oberen Zone eine
Verdampfung bei niedriger Temperatur und in einer weiteren, direkt anschließenden Zone eine Zersetzung bei hoher
Temperatur stattfindet. Ein derartiger Reaktor wird in der AT407757B beschrieben. Wegen der kurzen Verweilzeit ist immer ein gewisser
Restsäureanteil an das Metall, z.B. Eisen, gebunden, der oft nicht ausreichend entfernt werden kann und als störende Verunreinigung (Säurereste) im Oxid verbleibt. Daher sind auch Sprühröstreaktoren bekannt, bei denen im Reaktor in einem nachfolgenden abgetrennten Bereich eine weitere
Oxidation bzw. ein Nachrösten erfolgt. Dadurch kann eine vollständige Oxidation der Metallsalze enthaltenden
Lösungen erreicht werden. Säurereste werden somit
weitgehend vom Oxid entfernt, wodurch man ein trockenes, säurefreies Metalloxid erhält. Eine derartige
Regenrationsanlage mit Nachröstung ist in der AT409373B beschrieben .
Speziell bei der Altsäureaufbereitung von verbrauchten Edelstahlbeizbädern mit sogenannten PYROMARS Anlagen
(Säurerückgewinnungsanlagen) der Fa. Andritz entsteht ein pulverförmiges Metalloxid. Die Zusammensetzung des Oxids entspricht der Zusammensetzung des Zunders der gebeizten Edelstahlbänder, es enthält im Wesentlichen Eisen (Fe) , Chrom (Cr) , Nickel (Ni) , Mangan (Mn) und gegebenenfalls weitere Metalle. Vor allem wegen des relativ hohen Nickelgehaltes der
Metalloxide stellt der Erlös, welcher durch Oxidverwertung erzielt werden kann, einen wesentlichen Faktor bei der Wirtschaftlichkeit der PYROMARS Anlagen dar. Trotz dieser relativ hohen Marktwerte, stellt das Oxid aufgrund von fehlenden Aufbereitungstechnologien eher ein Problem dar.
In Europa wird das anfallende Metalloxid zu
Industrieabfallaufbereitungsanlagen nach Schweden oder Frankreich geschickt. Bei der Fa. POSCO in Korea und in China (ZPSS) wird das Oxid im eigenen Werk wiederverwertet, indem es mit anderen Abfällen gemischt, zusammengepresst und anschließend der Stahlherstellung zugeführt wird. Es gibt jedoch auch andere Beispiele, wo Betreiber von
Säureregenerationsanlagen noch keine zufriedenstellende Lösung für die Oxidverwertung haben. In Indien oder in Malaysia darf das Oxid auf Grund von gesetzlichen
Exportbeschränkungen für eine Weiterbehandlung nicht exportiert werden. Von Werken in China wird das Oxid weit unter dem Marktwert verkauft, weil keine vernünftigen
Recyclingmöglichkeiten gegeben sind.
Die oben erwähnte AT409373B beschreibt auch die
Möglichkeit, die Nachröstung mit reduzierender Atmosphäre wie z.B. Hj Wasserdampf, Methan oder CO zu betreiben.
Dadurch können in günstiger Weise bestimmte
Oxidmodifikationen erhalten werden. Eine Nachröstung in reduzierender Atmosphäre hat jedoch den Nachteil, dass die oxidierende Atmosphäre im Oberteil des Reaktors von der reduzierenden Atmosphäre im Unterteil getrennt werden muss. Dies ist aufwändig und meist nur unzureichend möglich.
Außerdem können in diesem unteren Reaktorbereich keine hohen Temperaturen von 1300-1700°C erzielt werden, welche jedoch für die vollständige Reduktion aller Metalloxide, vor allem Chrom, notwendig sind.
Diese Nachröstung in reduzierender Atmosphäre gemäß der AT409373B eignet sich daher primär zur Herstellung gewisser Oxidmodifikationen, jedoch nicht für eine weitgehend vollständige Reduktion des Oxids zu Metallen.
Verfahren zur Reduktion von Eisenoxid zu Eisen sind zwar bekannt, jedoch anlagentechnisch aufwendig und
energieintensiv .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und ein Vorrichtung bereitzustellen, mit der das bei der Säurerückgewinnung anfallende Metalloxid
effizienter weiterverarbeitet werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Gewinnung bzw. Rückgewinnung von Säuren aus metallhaltigen Lösungen dieser Säuren, bei dem die Metalloxide unmittelbar nach dem Sprührösten mit Hilfe eines Reduktionsmittels in einem separaten Reduktionsofen reduziert werden.
Dadurch können die anfallenden Metalloxide durch die
Reduktion zu Metallen direkt vor Ort in ein hochwertigeres Produkt umgewandelt werden. Es ist kein zusätzliches
Personal für die Oxidreduktion erforderlich. Vorzugsweise werden die gebildeten Metalloxide direkt dem Sprührösten im warmen bzw. heißen Zustand dem
Reduktionsofen zugeführt.
Das Metalloxid muss daher vor der Reduktion nicht
getrocknet und vorgewärmt werden, da es vom Röstprozess noch heiß ist.
Die Abgase aus dem Reduktionsofen werden vorteilhafterweise dem Sprühröstreaktor zugeführt. Vorzugsweise werden sie tangential in den Sprühröstreaktor eingeleitet. Der
Reduktionsofen braucht dadurch keine eigene Abgasreinigung, da diese Abgase direkt durch die Gasreinigungsanlage der Säurerückgewinnungsanlage gereinigt werden. Außerdem können die heißen Abgase des Reduktionsofens zur Beheizung des Sprühröstreaktors verwendet werden, dadurch sinkt der
Gasverbrauch des Sprühröstreaktors.
Vorzugsweise werden die heißen Abgase des Reduktionsofens so in den Sprühröstreaktor eingeleitet, dass die für die Sprühröstung erforderlichen Strömungsverhältnisse
eingehalten und durch die tangentiale Einleitung sogar verbessert werden, da dadurch ein Drall in der Strömung induziert wird.
Es ist sinnvoll, wenn als Reduktionsmittel für die
Reduktion Kohlestaub verwendet wird, aber auch die
Verwendung anderer Reduktionsmittel wie Koks, Wasserstoff, Methan oder Kohlenmonoxid ist denkbar.
Es ist auch denkbar, dass als Reduktionsmittel Aluminium- Pulver verwendet wird. Diese Thermitreaktion läuft sehr stark exotherm ab. Hier wäre außer der Zündenergie keine weitere Energiezufuhr für die Reduktionsreaktion
erforderlich . Es ist vorteilhaft, wenn der Reduktionsofen durch einen Plasmabrenner beheizt wird, dadurch lassen sich sehr hohe Temperaturen und gute Reduktionsbedingungen einstellen, wodurch auch hochreine Produkte, die im Wesentlichen nur aus Metallen bestehen, hergestellt werden können.
Es ist auch denkbar, dass der Reduktionsofen ein
Schachtofen ist oder dass die Reduktion mit Hilfe einer zirkulierenden Wirbelschicht durchgeführt wird.
Gegenstand der Erfindung bildet auch eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens, mit einem Oxidaustrag zur Ausbringung des im Sprühröstreaktor gebildeten Metalloxides. Der
Sprühröstreaktor ist dabei mittelbar oder unmittelbar über eine Leitung für die Metalloxide mit dem Reduktionsofen verbunden, wo die Metalloxide zu Metallen reduziert werden.
Vorteilhafterweise ist die Abgasleitung des Reduktionsofens mit dem Sprühröstreaktor verbunden, sodass der
Sprühröstreaktor durch die Abgase des Reduktionsofens zumindest teilweise beheizbar ist.
In Figur 1 ist ein mögliches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die
Säureregenerationsanlage 1 besteht aus einem
Sprühröstreaktor 2, in den über eine Leitung 3 Abbeize, beispielsweise aus einer Mischsäurebeizanlage, über Düsen 8 eingesprüht wird. Mittels eines Brenners 4, dem z.B. Gas und Verbrennungsluft zugeführt werden, wird die Abbeize erhitzt und zersetzt. In der Brennerebene herrschen
Temperaturen von 750°C bis über 1000°C. Vom Kopf des
Sprühröstreaktors 2 werden die heißen Abgase zu einem Staubabscheider 9 geleitet, in welchem die restlichen
Feststoffe abgeschieden werden. Anschließend gelangen die Abgase zu einer Absorptionsanlage 10 und zu einer
Kondensationsanlage 11. In der nachfolgenden Abgasreinigung 13 werden unter anderem Stickoxide entfernt. Derartige Anlagenteile zur Säurerückgewinnung sind den Fachkreisen hinlänglich bekannte und werden daher hier nicht genauer beschrieben . Die regenerierte Säure wird über die Leitung 12 abgeführt und kann dem Beizprozess neuerlich zugeführt werden.
Unterhalb der Röstzone 5 befindet sich eine Nachröstzone 6.
Die beiden Zonen 5 und 6 werden durch ein rotierendes
Krählwerk 7 getrennt. Durch das Krählwerk werden die
Metalloxidteilchen ins Reaktorzentrum befördert, wo sie durch ein Loch in die Nachröstzone 6 fallen.
Die Beheizung der Nachröstzone 6 erfolgt über einen
Gasbrenner 14. Am Boden des Nachrösters 6 ist ein weiteres Krählwerk 15 angeordnet, das das Oxid von der Mitte des
Nachröstbereiches an den Rand zum Oxidaustrag 16
transportiert .
Die Metalloxide gelangen über die Leitung 17 in den
Reduktionsofen 20. Die Metalloxide sind dabei noch vom vorangegangenen Röstprozess heiß und müssen nicht
vorgewärmt und auch nicht getrocknet werden.
Der Reduktionsofen 20 wird hier durch einen Plasmabrenner 21, dem Gas 22 und elektrische Energie 23 zugeführt werden, beheizt. Im Plasmabrenner 21 wird elektrische Energie in Wärme umgewandelt und auf das Gas 22 übertragen, welches sich im Plasmazustand befindet. Mit Hilfe des Plasmabrenners 21 können Temperaturen von über 3000°C erreicht werden.
Dem Reduktionsofen 20 wird neben den Oxiden auch ein
Reduktionsmittel 24 zugeführt, dabei kann es sich
beispielsweise um Kohlenstaub, Methan, Wasserstoff,
Kohlenmonoxid oder um ein Synthesegas handeln, auch die Zufuhr von Aluminiumpulver ist denkbar.
Gegebenenfalls kann dem Reduktionsofen 20 ein weiteres Additiv über die Leitung 25 zugeführt werden, z.B. ein Schlackenbildner, um ein reineres Metall zu erhalten.
Im Reduktionsofen 20 wird das Metalloxid durch das
Reduktionsmittel 24 reduziert und in die reine Metallform überführt. Das hochreine Produkt 27 besteht im Falle einer Mischsäureregeneration im Wesentlichen aus Eisen (Fe) , Chrom (Cr) , Nickel (Ni) und Mangen (Mn) . Es kann daher leicht weiterverkauft werden bzw. einem Schmelzofen bei der Stahlherstellung zugeführt werden.
Die heißen Abgase (ca. 1200°C) aus dem Reduktionsofen 20 werden über die Abgasleitung 26 dem Sprühröstreaktor 2 zugeführt. Die Abgase haben dabei eine Temperatur von etwa 1200°C. Dadurch braucht der Reduktionsofen 20 einerseits keine eigene Absaugung oder Abgasreinigung. Andererseits werden die heißen Abgase im Sprühröstreaktor 2 für die Röstung verwendet, dadurch sinkt der Gasverbrauch des
Sprühröstreaktors 2 gegenüber herkömmlicher Reaktoren. Die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform stellt lediglich eine bevorzugte Ausführung der Erfindung dar. Die Erfindung umfasst auch andere Ausführungsformen, bei denen beispielsweise der Sprühröstreaktor nur eine Zone aufweist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Gewinnung bzw. Rückgewinnung von Säuren aus metallhaltigen Lösungen durch Sprührösten der Lösungen in einem Sprühröstreaktor (2) und anschließende Absorption und/oder Kondensation der dabei gebildeten Gase, wobei durch das Sprührösten Metalloxide gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxide unmittelbar nach dem Sprührösten mit Hilfe eines Reduktionsmittels (24) in einem separaten Reduktionsofen (20) reduziert werden.
2. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die gebildeten Metalloxide direkt nach dem Sprührösten noch im warmen bzw. heißen Zustand dem Reduktionsofen (20) zugeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Abgase aus dem Reduktionsofen (20) dem Sprühröstreaktor (2) zugeführt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel (24) für die Reduktion der Metalloxide Kohlestaub verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsofen (20) durch einen Plasmabrenner (21) beheizt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase aus dem Sprühröstreaktor (2) und die Abgase aus dem Reduktionsofen (20)
zusammengeführt und gemeinsam gereinigt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühröstreaktor (2) zumindest teilweise durch die heißen Abgase aus dem Reduktionsofen (20) beheizt wird.
8. Vorrichtung zur Gewinnung bzw. Rückgewinnung von
Säuren aus metallhaltigen Lösungen durch Sprührösten der Lösungen in einem Sprühröstreaktor (2) mit einem
Oxidaustrag (16) zur Ausbringung der im Sprühröstreaktor (2) gebildeten Metalloxide, dadurch gekennzeichnet, dass
der Sprühröstreaktor (2) mittelbar oder unmittelbar über eine Leitung (17) für die Metalloxide mit einem
Reduktionsofen (20) verbunden ist, wobei die Metalloxide im Reduktionsofen (20) durch die Zugabe eines
Reduktionsmittels (24) reduzierbar und so in die Metallform (27) überführbar sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasleitung (26) des Reduktionsofens (20) mit dem Sprühröstreaktor (2) verbunden ist, sodass der
Sprühröstreaktor (2) durch die Abgase des Reduktionsofens (20) zumindest teilweise beheizbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsofen (20) durch einen Plasmabrenner (21) beheizt ist.
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