Bezeichnung der Erfindung

Verfahren und Vorrichtung zur Direktreduktion mit elektrisch aufgeheiztem Reduktionsgas

Gebiet der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktreduktion von Metalloxiden unter Verwendung eines Reduktionsgases, das auf zumindest einem Vorläufergas basiert, wobei zumindest ein Vorläufergas auf durch katalytische Reformierung von

kohlenwasserstoffhaltigem Gas in einem Reformer erhaltenem Reformergas basiert. Sie betrifft auch eine Vorrichtung zur Direktreduktion von Metalloxiden mittels eines

Reduktionsgases, umfassend einen katalytischen Reformer zur Herstellung eines Reformergases, eine Reformergasleitung zur Ausleitung von Reformergas aus dem katalytischen Reformer, ein Reduktionsaggregat, und eine Reduktionsgasleitung zur Einleitung von Reduktionsgas in das Reduktionsaggregat.

Stand der Technik

Herstellung von Metallen mittels Direktreduktion von

Metalloxiden durch ein mittels Reformierung von

kohlenwasserstoffhaltigen Gasen hergestelltes Reduktionsgas ist bekannt - beispielsweise ist das MIDREX®-Verfahren zur Direktreduktion von Eisenoxiden wirtschaftlich sehr

bedeutend. Das Reduktionsgas wird dabei zwecks

Direktreduktion in einen mit dem Metalloxid befüllten

Reduktionsschacht eingeleitet und reagiert beim Durchströmen mit der Füllung. Die Reaktionskinetik für die Reduktion ist bei höherer Temperatur des Reduktionsgases günstiger - um bei einer vergleichsweise tieferen Einleitungstemperatur des Reduktionsgases eine gewünschte Anlagenleistung zu erreichen, müsste bei einem gegebenem Reduktionsschacht die spezifische Reduktionsgasmenge und eventuell der Anlagendruck erhöht werden, oder leichter reduzierbare Rohstoffe - beispielsweise Pellets - müssten verwendet werden, welche mit bedeutend höheren Kosten verbunden sind. Dem maximal einstellbaren Anlagendruck und der maximal einleitbaren spezifischen

Reduktionsgasmenge sind jedoch Grenzen gesetzt, da ansonsten der Druckverlust zu hoch wird und zu einer Behinderung des Materialflußes führt. Zur Einstellung einer gewünschten

Einleitungstemperatur muss von dem Temperaturniveau des den Reformer verlassenden Gases ausgegangen werden. Einer

Steigerung dieses Temperaturniveaus sind jedoch

Temperaturgrenzen des Reformers gesetzt.

Um die Produktionsleistung trotz solcher Randbedingungen von Reduktionsschacht und Reformer anheben zu können, werden oft zwischen Reformer und Reduktionsschacht Maßnahmen zur

Erhöhung der Einleitungstemperatur durchgeführt.

Beispielsweise ist es bekannt, durch Einbringung von

Sauerstoff in den Gasstrom temperaturerhöhende Verbrennung von reduzierenden Bestandteilen einzuleiten. Das hat jedoch den Nachteil, dass die Reduktionskraft des eingeleiteten Reduktionsgases abnimmt, und sich der spezifische

Energieverbrauch der Direktreduktion insgesamt erhöht.

Temperaturerhöhung durch Verbrennung von zusätzlichem Erdgas mit Sauerstoff führt zwar zu einer gleichzeitigen Erhöhung der Reduktionsgasmenge, kann aber Probleme durch Veränderung der Reduktionsgaszusammensetzung, Rußbildung, ungünstige Gasströmungen verursachen, und muss genau kontrolliert werden .

Zusammenfassung der Erfindung Technische Aufgabe

Es sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgestellt werden, die eine Erhöhung der Einleitungstemperatur und

Steigerung der Produktionsleistung ohne die Nachteile

bekannter Verfahren erlauben. Technische Lösung

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein

Verfahren zur Direktreduktion von Metalloxiden unter

Verwendung eines Reduktionsgases,

das auf zumindest einem Vorläufergas basiert,

wobei zumindest ein Vorläufergas

auf durch katalytische Reformierung von

kohlenwasserstoffhaltigem Gas in einem Reformer erhaltenem Reformergas basiert,

dadurch gekennzeichnet, dass

bei der Zubereitung des Reduktionsgases zumindest ein auf Reformergas basierendes Vorläufergas, optional zusätzlich auch ein oder mehrere weitere Vorläufergase, mittels

elektrischer Energie aufgeheizt wird.

Reduktionsgas ist ein Gas, das in ein die zu reduzierenden Metalloxide enthaltendes Reduktionsaggregat - beispielsweise ein Reduktionsschacht oder ein Wirbelschichtaggregat - eingeleitet wird, um dort die Metalloxide zumindest teilweise zu reduzieren.

Ein Reduktionsgas, das auf zumindest einem Vorläufergas basiert, wobei zumindest ein Vorläufergas auf durch

katalytische Reformierung von kohlenwasserstoffhaltigem Gas in einem Reformer erhaltenem Reformergas basiert

und bei der Zubereitung des Reduktionsgases mittels

elektrischer Energie aufgeheizt wird, wird beispielsweise Reduktionsgas A genannt. Zur Direktreduktion kann entweder nur Reduktionsgas A verwendet werden, oder es können

zusätzlich zu Reduktionsgas A noch ein weiteres Reduktionsgas oder mehrere weitere Reduktionsgase - auch genannt

Zusatzreduktionsgase - verwendet werden - dabei müssen die für Reduktionsgas A genannten Bedingungen für die weiteren Reduktionsgase nicht gelten.

Als katalytische Reformierung bezeichnet man die Umsetzung von kohlenwasserstoffhältigen Stoffen, insbesondere Gasen, mit H ₂ O und CO ₂ in Gegenwart eines Katalysators in einem katalytischen Reformer zur Herstellung von H2- und <30- haltigem Gas, welches im Rahmen dieser Anmeldung Reformergas genannt wird.

Reformergas tritt aus dem Reformer in der Regel mit einer Austrittstemperatur im Bereich von 850°C bis 970°C aus.

Die Metalloxide umfassen bevorzugterweise Eisenoxide, besonders bevorzugt sind sie Eisenoxide. Eisenoxide sind beispielsweise hämatitische oder magnetitische Erze, oder Agglomerate wie beispielsweise Eisenerzpellets.

Es wird unter Verwendung eines Reduktionsgases reduziert, das auf zumindest einem Vorläufergas basiert - bei der

Zubereitung des Reduktionsgases wird also zumindest ein

Vorläufergas verwendet. Zumindest ein Vorläufergas basiert auf dem Reformergas; es können auch mehrere Vorläufergase auf dem Reformergas basieren. Bei der Zubereitung dieses

Reduktionsgases wird zumindest ein Vorläufergas mittels elektrischer Energie aufgeheizt. Erfindungsgemäß wird

zumindest ein auf Reformergas basierendes Vorläufergas mittels elektrischer Energie aufgeheizt.

Ein weiteres Vorläufergas kann beispielsweise

- eine nicht reformierte Teilmenge eines für die Reformierung vorgesehenen kohlenwasserstoffhaltigen Gases,

- Wasserstoff H ,

- Kohlenmonoxid CO,

- kohlenwasserstoffhaltige Gase, wie beispielsweise auf Basis LPG, PAH, BTEX, CH ₄ , CmHn, Erdgas, und/oder eine Mischung aus diesen Gasen,

- ein aus einem Reduktionsaggregat, in dem die Metalloxide reduziert werden, abgezogenes Topgas, oder aus dem bei

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus dem

Reduktionsaggregat, in dem die Metalloxide direktreduziert werden, abgezogenes Topgas, Inertgase, wie beispielsweise N ₂ , Ar, sein,

oder eine Mischung aus mehreren dieser beispielhaft

angeführten Gase, oder eine Mischung eines anderen Gases mit einem oder mehreren dieser beispielhaft angeführten Gase. Zumindest ein weiteres Vorläufergas enthält gegenüber

Metalloxiden, bevorzugt Eisenoxiden, reduzierend wirkende Gaskomponenten, oder besteht aus solchen Gaskomponenten.

Weiteres Vorläufergas kann aber auch gegenüber Metalloxiden inerte Gaskomponenten, oder aufkohlend wirkende

Gaskomponenten enthalten oder aus solchen Gaskomponenten bestehen .

Das Reformergas ist das bei katalytischer Reformierung von kohlenwasserstoffhaltigem Gas - wie beispielsweise Erdgas, Methan, liquified natural gas LNG, liquified petroleum gas LPG, Koksofengas COG, Biogas; es kann ein reines Gas sein oder ein Gasgemisch - in einem Reformer erhaltene Produkt.

Auf dem Reformergas basierendes Vorläufergas kann zumindest eine Teilmenge des Reformergases umfassen, es kann auch das gesamte Reformergas umfassen. Auf dem Reformergas basierendes Vorläufergas kann auch aus einer Teilmenge des Reformergases oder dem gesamten Reformergas bestehen. Auf dem Reformergas basierendes Vorläufergas kann auch durch Veränderung des Reformergases hergestellt werden, beispielsweise durch

Veränderung von Druck, Temperatur, Zusammensetzung. Die

Zusammensetzung kann beispielsweise durch Zufuhr anderer Gase - wie beispielsweise Erdgas - verändert werden, durch

Abtrennung von Gaskomponenten, durch Reaktionen im

Reformergas - solche Reaktionen können beispielsweise durch Druck- oder Temperaturänderung beziehungsweise durch Zufuhr anderer Gase hervorgerufen werden.

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung Erfindungsgemäß wird bei der Zubereitung des Reduktionsgases zumindest ein auf Reformergas basierendes Vorläufergas mittels elektrischer Energie aufgeheizt.

Das hat den Vorteil, dass zur Temperaturerhöhung kein

Sauerstoff oder Verbrennungsprodukte eingebracht werden, und damit verbundene Probleme hinsichtlich Oxidation

reduzierender Gaskomponenten oder Änderung der

Gaszusammensetzung vermieden werden. Im Vergleich zu

sauerstoffbasierten Verfahren zur Temperaturerhöhung kann die Leistung einer Direktreduktionsanlage deutlich vergrößert werden, da keine reduzierenden Gaskomponenten zur

Temperaturerhöhung verbraucht werden. Je niedriger die

Temperatur des Vorläufergases ist, desto ausgeprägter ist dabei der Vorteil einer elektrischen Aufheizung: bei einer größeren Differenz zu einer angestrebten Endtemperatur muss bei niedrigerer Vorläufergastemperatur mehr Gas verbrannt werden, um durch die Verbrennung die Temperatur entsprechend zu erhöhen - es würden also mehr reduzierende Gaskomponenten im Vorläufergas oxidiert werden, was das Reduktionspotential für Metalloxide verringert.

Auch die Sicherheit wird erhöht, weil sich keine

explosionsfähigen Mischungen mit Sauerstoff bilden können.

Die elektrische Aufheizung kann auch dazu führen, dass chemische Reaktionen rascher ablaufen und sich neue

Gasgleichgewichte einstellen. Es können auch Plasma oder Radikale gebildet werden, die besonders reaktiv sind;

gegebenenfalls wird dabei auch die Zusammensetzung eines Plasma-Trägergases durch chemische Reaktionen und/oder

Moleküldissoziation verändert.

Optional können zusätzlich auch ein weiteres Vorläufergas oder mehrere weitere Vorläufergase mittels elektrischer

Energie aufgeheizt werden.

Bevorzugt wird durch die elektrische Energie das auf

Reformergas basierende Vorläufergas auf eine Temperatur aufgeheizt, die in einem Ausmaß von bis zu 200°C, bevorzugt bis zu 100°C, besonders bevorzugt bis zu 70°C, über dessen Austrittstemperatur aus dem Reformer liegt. Beispielsweise wird auf Reformergas basierendes Vorläufergas, das mit einer Austrittstemperatur von 900°C aus dem Reformer austritt, durch die elektrische Energie auf 970°C erhitzt.

Je größer die durch Aufheizung mittels elektrischer Energie hervorzurufende Temperaturerhöhung ist, desto

unwirtschaftlicher wird diese Aufheizung im Vergleich zu einer übermäßigen Temperaturerhöhung im Reformer; daher ist eine Obergrenze von 200°C, bevorzugt bis zu 100°C, besonders bevorzugt bis zu 70°C, Temperaturerhöhung für die Aufheizung vorgesehen .

Bevorzugt wird das eine weitere Vorläufergas oder die

mehreren weiteren Vorläufergase, die durch elektrische

Energie aufgeheizt werden, dabei auf eine Temperatur

aufgeheizt, die in einem Ausmaß von bis zu 200 °C über der Austrittstemperatur von Reformergas aus dem Reformer liegt.

Vom Austritt aus dem Reformer bis zur Einleitung in ein die zu reduzierenden Metalloxide enthaltendes Reduktionsaggregat kann Wärme an die Umgebung verloren gehen. Einspeisung von anderen Gasen - beispielsweise Zusatzgas oder weiteres

Vorläufergas - mit gegenüber Reformergas geringerer

Temperatur, die gegebenenfalls zur Herstellung des

Reduktionsgases erfolgt, führt zu geringerer Temperatur des Reduktionsgases. Durch Aufheizung mittels elektrischer

Energie kann ein Wärmeverlust an die Umgebung beziehungsweise Temperaturerniedrigung infolge Einspeisung zumindest

teilweise kompensiert werden, und dem Reduktionsgas die gewünschte Temperatur für den Eintritt in das die zu

reduzierenden Metalloxide enthaltende Reduktionsaggregat gegeben werden.

Damit das Reduktionsgas beim Einleiten zumindest nicht wesentlich kühler als die Austrittstemperatur aus dem

Reformer ist, ist Temperaturerhöhung um zumindest 10°C, besonders bevorzugt zumindest 20°C, ganz besonders bevorzugt zumindest 30°C, und überaus bevorzugt zumindest 50°C über die Austrittstemperatur bevorzugt. Bevorzugt wird das eine weitere Vorläufergas oder die

mehreren weiteren Vorläufergase, die durch elektrische

Energie aufgeheizt werden, dabei auf eine Temperatur

aufgeheizt, die in einem Ausmaß von zumindest 10°C, besonders bevorzugt zumindest 20°C, ganz besonders bevorzugt zumindest 30°C, und überaus bevorzugt zumindest 50°C über der

Austrittstemperatur bevorzugt.

Bei elektrischer Aufheizung von auf dem Reformergas

basierenden Vorläufergas nach Reformierung, beziehungsweise bei elektrischer Aufheizung eines anderen Vorläufergases, kann der Reformerbetrieb optimiert werden, ohne dass damit gegebenenfalls verbundene geringere Temperatur des

Reformergases sich auf die Produktivität der Direktreduktion negativ auswirkt. Für verbesserte Produktivität der

Direktreduktion günstige Änderungen der Temperatur und auch der Zusammensetzung des Reduktionsgases können nach der

Reformierung durchgeführt werden. Der Reformer muss also beispielsweise nicht jenseits von für seine Funktion und günstigen Standzeiten optimalen Temperaturen betrieben werden, um eine gewünschte Reduktionsgastemperatur

oder -Zusammensetzung sicherzustellen. Stattdessen kann der Reformer schonend betrieben werden, was seine Lebensdauer, im speziellen der Reformerrohre, aufgrund geringeren Kriechens in Längs- und Durchmesserrichtung der Reformerrohre,

beziehungsweise die Lebensdauer des Katalysators im Reformer verlängert. Das steigert die Wirtschaftlichkeit des

Verfahrens zur Direktreduktion. Vermindertes Temperaturniveau im Reformer führt auch zu verminderter Temperatur des

Reformerabgases und vermindertem Brennstoffbedarf; der damit verbundene geringere Energieverlust des Verfahrens steigert die Wirtschaftlichkeit.

Schonende Fahrweise eines katalytischen Reformers bei

vermindertem Temperaturniveau kann zu einer eine optimale Direktreduktion nicht unterstützenden Zusammensetzung des Reformergases führen; speziell hinsichtlich CPU-Schlupf und CC> ₂ -Gehalt im Reformergas.

Durch Aufheizung mittels elektrischer Energie kann

beispielsweise die - aufgrund von CfU-Schlupf und damit verbundenem höheren CTU-Gehalt im Reduktionsgas - verminderte Leistung bei der Reduktion kompensiert werden. Elektrische Aufheizung für ein solches Reformergas hat den Vorteil, dass das Reduktionspotential nicht auch noch durch Umsetzung reduzierender Gaskomponenten zwecks Aufheizung vermindert wird .

Ebenso kann alterungsbedingte Degradierung beziehungsweise Deaktivierung des Katalysators im Reformer durch die

elektrische Aufheizung teilweise kompensiert werden, und dadurch die Notwendigkeit von aufwändigem und teurem

Austausch des Katalysatormaterials hinausgezögert werden. Zudem kann mittels elektrischer Aufheizung auf Temperaturen aufgeheizt werden, die bei Aufheizung im Reformer nicht erreichbar wären.

Vorteilhaft ist es auch, dass durch die Entkopplung der Temperatur des Reduktionsgases von der Temperatur des

Reformergases - und indirekt dadurch gegebenenfalls auch Entkopplung der Zusammensetzung des Reduktionsgases von der Zusammensetzung des Reformergases - einfach und schnell die beste Temperatur für die jeweils vorliegenden Metalloxide und die aktuelle Coatingmenge eingestellt werden kann. Der

Regelbereich der elektrischen Aufheizung ist größer und die Regelung ist schneller im Vergleich zu einer Beeinflussung im Reformer. Der Betrieb der Reformierung und der Betrieb der Direktreduktion können so unabhängig voneinander optimiert werden, was das Verfahren insgesamt wirtschaftlicher macht.

Im Vergleich zu Erhitzung mittels Verbrennung mit partieller Oxidation ist elektrische Erhitzung schneller und genauer regelbar, da nicht auf Verbrennungsreaktionen Rücksicht genommen werden muss. Im Vergleich zu Erhitzung mittels indirekter Aufheizung über Wärmetauscher ist elektrische Erhitzung schneller und genauer regelbar. Speziell bei Inbetriebnahme einer Direktreduktionsanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die

erfindungsgemäße elektrische Aufheizung günstig. Sie eröffnet die Möglichkeit, in einem Reduktionsgas, das nur oder auch auf einem Reformergas basiert, in dem noch wenige

Bestandteile reformiert sind - weil der Reformer bei der Inbetriebnahme noch nicht in vollem Umfang arbeitet -, durch schnell regelbare Temperaturerhöhung in-situ-Reformierung vor und/oder nach Kontakt mit den Metalloxiden zu begünstigen.

Nach einer Variante wird zumindest eine Teilmenge der

elektrischen Energie direkt in das mittels elektrischer

Energie aufzuheizende Vorläufergas eingebracht,

beispielsweise mittels Widerstandsheizung mit Heizspirale, Lichtbogen zwischen Elektroden. Direkte Einbringung hat den Vorteil, dass der Wirkungsgrad sehr hoch ist. Das hat auch den Vorteil, dass bei der Einbringung der Energie stofflich nichts hinzufügt wird. Einfluss auf die stoffliche

Zusammensetzung des Reduktionsgases kann bestehen, da der Energieeintrag die Kinetik chemischer Reaktionen von im

Vorläufergas vorhandenen Komponenten miteinander beeinflusst, beziehungsweise beispielsweise an Elektrodenoberflächen

Umsetzungen von im Vorläufergas vorhandenen Komponenten ablaufen .

Nach einer Variante wird zumindest eine Teilmenge der

elektrischen Energie mittels Trägermedium, bevorzugt mittels Plasma, in das Vorläufergas eingebracht. Dabei kann die stoffliche Zusammensetzung des Reduktionsgases beeinflusst werden durch entsprechende Zusammensetzung des Trägermediums. Das Trägermedium kann Gas und/oder Flüssigkeit - beispielsweise Erdöl - und/oder Feststoff sein. Das

Trägermedium ist bevorzugt frei von molekularem Sauerstoff.

Wenn es sich um ein Plasma handelt, das mit einem Trägergas betrieben wird, ist es eine bevorzugte Variante, dass

zumindest ein Teil des Trägergases ein Mitglied der folgenden Gruppe von Bestandteilen ist: - ein durch katalytische Reformierung von

kohlenwasserstoffhaltigem Gas in einem Reformer erhaltenes Reformergas ,

- eine nicht reformierte Teilmenge eines für die Reformierung vorgesehenen kohlenwasserstoffhaltigen Gases,

- Wasserstoff H ,

- Kohlenmonoxid CO,

- kohlenwasserstoffhaltige Gase, wie beispielsweise auf Basis LPG, PAH, BTEX, CH4, CmHn, Erdgas, und/oder eine Mischung aus diesen Gasen,

- ein aus einem Reduktionsaggregat, in dem die Metalloxide reduziert werden, abgezogenes Topgas, oder aus dem bei

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus dem

Reduktionsaggregat, in dem die Metalloxide direktreduziert werden, abgezogenes Topgas,

- Inertgase, wie beispielsweise N2, Ar.

Das Trägergas wird nämlich durch die hohen Temperaturen im Plasmabrenner zumindest teilweise dissoziieren und bei der Mischung mit dem Vorläufergas normalerweise teilweise wieder rekombinieren . Durch geeignetes Wählen des Trägergases können zusätzliche reduzierende Gaskomponenten wie CO oder H ₂ entstehen. Einige Plasmakomponenten - wie beispielsweise atomarer Wasserstoff H - reagieren auch sehr schnell mit Metalloxid, bevorzugt Eisenoxid. Besonders bevorzugt sind Trägergase, welche nach der Mischung zusätzliche reduzierende Verbindungen nach der Rekombination erzeugen oder im

Plasmazustand sehr schnell mit dem Metalloxid, bevorzugt Eisenoxid, reagieren.

Grundsätzlich kann ein Trägergas ein Prozessgas - Erdgas eingeschlossen - oder ein Abgas aus einem Verfahren zur

Direktreduktion oder aus dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Direktreduktion - beispielsweise Topgas aus dem

Reduktionsaggregat, also beispielsweise einem

Reduktionsschacht oder einem Wirbelschichtaggregat- sein, oder es kann ein Gas aus einer externen Gasquelle - beispielsweise ein Koksofengas COG, Biogas, LNG, Gas auf Basis LPG - sein, wobei diese Gase gekühlt oder vorgewärmt, gereinigte oder ungereinigt eingesetzt werden können. Es kommen in Frage H ₂ - und/oder CO- und/oder CO ₂ - und/oder H ₂ O- haltige und/oder CPU-haltige Gase und/oder andere

kohlenwasserstoffhaltige Gase, gekühlte oder vorgewärmte Gase, gereinigte oder ungereinigte Gase.

Durch die Wahl des Trägermediums kann Einfluss auf die

Zusammensetzung des Reduktionsgases ausgeübt werden, da das Trägermedium selbst auch Komponenten zum Reduktionsgas liefern kann. Beispielsweise kann ein gereinigtes Topgas alleine oder in Mischung mit anderen Trägermedien,

beispielsweise Koksofengas COG, als Trägermedium genutzt werden. Temperaturen in einem Plasma sind in der Regel sehr hoch. Wenn Verbindungen, deren thermische Zerstörung

erwünscht ist, Teil des Trägermediums sind, lässt sich einerseits der Nutzen ihrer thermischen Zerstörung ziehen. Andererseits können Zerstörungsprodukte als reduzierende Gaskomponenten, oder als Vorprodukte für reduzierende

Gaskomponenten, des Reduktionsgases genutzt werden. Besonders vorteilhaft ist es auch, Verbindungen, die in einem Reformer schwierig zu reformieren sind, nicht dem Reformer zuzuführen, sondern als Bestandteil des Trägermediums zu nutzen, um

Zerstörungsprodukte als reduzierende Gaskomponenten, oder als Vorprodukte für reduzierende Gaskomponenten des

Reduktionsgases einer Nutzung zuzuführen. Es kann

beispielsweise sein, dass Erdgas höhere Kohlenwasserstoffe beinhaltet, die vor Reformierung in einem Reformer abgetrennt werden müssen. Solche abgetrennten Komponenten können dann als Trägermedien oder Teile davon genutzt werden.

Bevorzugt ist es, als Trägergas Gase beziehungsweise

Gasmischungen zu verwenden, deren Einsatz Rußbildung

vermeidet. Dazu wird das Verhältnis von kohlenstoff

beziehungsweise kohlenwasserstoffhaltigen Gasbestandteilen zu oxidierenden Gasbestandteilen, wie beispielsweise CO ₂ , H ₂ O, sowie die elektrische Leistung und die Größe der Trägermedien- beziehungsweise Gasströme entsprechend

kontrolliert .

Der hohe Bedarf elektrischer Energie zum Betrieb von

Plasmabrennern würde erwarten lassen, dass Einsatz von

Plasmabrennern zur elektrischen Aufheizung des Vorläufergases wirtschaftlich nicht tragbar ist. Es zeigt sich nun

unerwarteterweise, dass sich auch bei elektrischer Aufheizung mittels Plasma bei der Verfahrensführung der Direktreduktion im höheren Temperaturbereich wirtschaftlich günstige

Ergebnisse erzielen lassen.

Nach einer Variante wird für elektrische Aufheizung

vorgesehenes Vorläufergas vor der Aufheizung mittels

elektrischer Energie bereits auf andere Weise aufgeheizt, bevorzugt auf zumindest 700 °C, besonders bevorzugt auf zumindest 750 °C. Im Falle von Reformergas als Vorläufergas ist die elektrische Aufheizung also in Flussrichtung des Reformergases nach dem Reformer und nach einer anderen - nicht elektrischen - Aufheizmethode angeordnet, um

beispielsweise die Temperaturbegrenzung dieser anderen

Aufheizmethode zu umgehen oder die

Lebensdauer/Wirtschaftlichkeit dieser anderen Aufheizmethode zu erhöhen.

Nach einer Variante wird für elektrische Aufheizung

vorgesehenes Vorläufergas mittels elektrischer Energie auf über 800°C, bevorzugt auf über 900°C, aufgeheizt. Bei

Eisenoxiden laufen die Reduktionsreaktionen bei solchen

Temperaturen des Reduktionsgases mit wirtschaftlich

zufriedenstellender Effizienz ab. Weiters können dadurch auch kostengünstige Eisenoxide mit geringem

Reduzierverhalten/geringer Reduzierbarkeit wirtschaftlich eingesetzt werden, weil die Leistungssteigerung durch

Temperaturerhöhung für niedrigreduzierbare Stoffen sogar deutlich höher ist. Das Reduktionsgas wird in ein die zu reduzierenden Metalloxide enthaltendes Reduktionsaggregat - beziehungsweise in die Metalloxide im Reduktionsaggregat - eingeleitet. Im Falle eines Reduktionsschachtes also beispielsweise in ein die Metalloxide enthaltendes Materialbett im

Reduktionsschacht, und im Falle eines Wirbelschichtaggregates in eine die Metalloxide enthaltende Wirbelschicht im

Wirbelschichtaggregat .

Nach einer Variante beträgt die Temperatur des

Reduktionsgases bei der Einleitung in ein die zur

reduzierenden Metalloxide enthaltendes Reduktionsaggregat zumindest über 800 °C, bevorzugt zumindest über 900°C, besonders bevorzugt zumindest 940°C, und bis zu 1100°C, bevorzugt bis zu 1050°C, besonders bevorzugt bis zu 1000°C. Bei Eisenoxiden laufen die Reduktionsreaktionen in einem Temperaturbereich dann mit wirtschaftlich zufriedenstellender Effizienz ab. Grundsätzlich soll die Temperatur im

Reduktionsaggregat - also beispielsweise einem

Reduktionsschacht oder einem Wirbelschichtaggregat - für die Direktreduktion möglichst hoch sein, allerdings wird der verwendbare Bereich nach oben durch das

Agglomerationsverhalten - Sticking, Clustering - der

Metalloxide, beispielsweise Eisenoxide, begrenzt. Außerdem kann höhere Temperatur bei entsprechender Zusammensetzung des Reduktionsgases dazu beitragen, dass im Reduktionsaggregat Gaskomponenten in-situ reformiert werden. Dies bewirkt eine Erhöhung der Reduktionsgasmenge verbunden mit einer Erhöhung der Reduktanten und damit eine höhere Anlagenleistung

und/oder eine Entlastung des katalytischen Reformers und/oder eine höhere Reduktion der Metalloxide.

Zumindest ein Vorläufergas basiert auf dem Reformergas, das heißt, es kann neben dem Reformergas auch andere Bestandteile umfassen. Neben Reformergas kann dieses Vorläufergas nach einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens auch

Hüttenwerksgase - wie beispielsweise Koksofengas, COREX / FINEX Exportgas - und/oder anderen CO Kohlenmonoxid - und/oder H ₂ Wasserstoff - und/oder

Kohlenwasserstoff- haltige, allgemein CmHn-hältige, Gase - wie beispielsweise aliphatische Kohlenwasserstoffe wie

Methan, auf Basis Liquefied Petroleum Gas (LPG) und/oder aromatische Kohlenwasserstoffe wie Benzol, Toluol,

polyzyklische Kohlenwasserstoffe - umfassen. Diese spielen dann zusätzlich zum Reformergas bei der Bereitung des

Reduktionsgases ebenfalls eine Rolle und können zur Erhöhung seines Reduktionspotentials beitragen. Beispielsweise können sie im Reduktionsaggregat - also beispielsweise einem

Reduktionsschacht oder einem Wirbelschichtaggregat - in-situ reformiert und dadurch für die Reduktion genutzt werden.

Nach einer Variante wird einem Vorläufergas, das mittels elektrischer Energie aufgeheizt wird - beispielsweise dem auf dem Reformergas basierende Vorläufergas -,

kohlenwasserstoffhaltiges, allgemein CmHn haltiges - wie beispielsweise aliphatische Kohlenwasserstoffe wie Methan,

Gas auf Basis Liquefied Petroleum Gas (LPG) und/oder

aromatische Kohlenwasserstoffe wie Benzol, Toluol,

polyzyklische Kohlenwasserstoffe -, Zusatzgas zugegeben vor und/oder während und/oder nachdem mittels elektrischer Energie aufgeheizt wird. Dann spielt dieses Zusatzgas bei der Bereitung des Reduktionsgases ebenfalls eine Rolle und kann zur Erhöhung seines Reduktionspotentials beitragen. Außerdem kann der Kohlenstoffgehalt im Produkt der Direktreduktion - bei Eisenoxiden beispielsweise DRI direct reduced iron - durch Erhöhung des Kohlenwasserstoffgehaltes im Reduktionsgas eingestellt werden.

Das Reduktionsgas wird in ein die zu reduzierenden

Metalloxide enthaltendes Reduktionsaggregat eingeleitet - im Falle eines Reduktionsschachtes also beispielsweise in ein die Metalloxide enthaltendes Materialbett im

Reduktionsschacht, und im Falle eines Wirbelschichtaggregates in eine die Metalloxide enthaltende Wirbelschicht im

Wirbelschichtaggregat . Nach einer bevorzugten Variante wird zumindest eine Teilmenge des kohlenwasserstoffhaltigen Zusatzgases in-situ reformiert, bevor das Reduktionsgas in ein die Metalloxide enthaltendes Reduktionsaggregat eingeleitet wird. Dadurch entstehen zusätzliche reduzierende Gaskomponenten. Die in situ

Reformierung erfolgt also beispielsweise, bevor in ein die Metalloxide enthaltendes Materialbett in einem

Reduktionsschacht eingeleitet wird, oder bevor in eine die Metalloxide enthaltende Wirbelschicht in einem

Wirbelschichtaggregat eingeleitet wird.

Schonende Fahrweise eines katalytischen Reformers bei

vermindertem Temperaturniveau und/oder der Betrieb des

Reformers mit degradierten/deaktivierten Katalysator kann zu einer eine optimale Direktreduktion nicht unterstützenden Zusammensetzung des Reformergases führen; speziell

hinsichtlich CTU-Schlupf und CC^-Gehalt im Reformergas.

Besonders dann ist es vorteilhaft, wenn durch, beispielsweise durch Zugabe von gegebenenfalls in-situ reformiertem

Zusatzgas geförderte, Entkopplung der Zusammensetzung des Reduktionsgases von der Zusammensetzung des Reformergases die günstigste Zusammensetzung des Reduktionsgases für die jeweils vorliegenden Metalloxide eingestellt werden kann. Der Regelbereich ist größer und die Regelung ist schneller im Vergleich zu einer Beeinflussung durch die Betriebsweise der Reformierung, oder im Vergleich zu einer Beeinflussung durch Änderung des zu reformierenden Gases. Der Betrieb der

Reformierung und der Betrieb der Direktreduktion können so unabhängig voneinander optimiert werden, was das Verfahren insgesamt wirtschaftlicher macht.

Endotherme in-situ Umsetzung von kohlenwasserstoffhaltigem Gas mit H ₂ O und CO ₂ kann natürlich auch im Reduktionsaggregat - also beispielsweise einem Reduktionsschacht oder einem Wirbelschichtaggregat - ablaufen. Vor Eintritt in das

Reduktionsaggregat kann sie stattfinden, wenn H ₂ O/CO ₂ im Gas enthalten ist; im Reduktionsaggregat kann sie stattfinden, wenn H ₂ O/CO ₂ als Reaktionsprodukte bei der Reduktion

entstehen. Die Umsetzung läuft in Gegenwart eines

metallisierten Eisenbettes verstärkt ab. Nach einer bevorzugten Variante wird zumindest eine Teilmenge eines kohlenwasserstoffhaltigen Vorläufergases in situ reformiert, bevor das Reduktionsgas in ein die Metalloxide enthaltendes Reduktionsaggregat eingeleitet wird. Dadurch entstehen zusätzliche reduzierende Gaskomponenten. Die in situ Reformierung erfolgt also beispielsweise, bevor das Reduktionsgas in ein die Metalloxide enthaltendes

Materialbett in einem Reduktionsschacht eingeleitet wird, oder bevor das Reduktionsgas in eine die Metalloxide

enthaltende Wirbelschicht in einem Wirbelschichtaggregat eingeleitet wird.

Bei der Zubereitung des Reduktionsgases wird ein auf dem Reformergas basierendes Vorläufergas mittels elektrischer Energie aufgeheizt.

Es können bei der Zubereitung des Reduktionsgases mehrere auf dem Reformergas basierende Vorläufergase mittels elektrischer Energie aufgeheizt werden.

Es kann bei der Zubereitung des Reduktionsgases auch ein auf dem Reformergas basierendes Vorläufergas mittels elektrischer Energie aufgeheizt werden, und ein oder mehrere weitere auf dem Reformergas basierende Vorläufergase nicht mittels elektrischer Energie aufgeheizt werden.

Es können bei der Zubereitung des Reduktionsgases auch ein oder mehrere auf dem Reformergas basierende Vorläufergase, und zusätzlich auch ein oder mehrere weitere Vorläufergase, die nicht auf dem Reformergas basieren, aufgeheizt werden mittels elektrischer Energie.

Nach einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Volumenstrom zumindest eines der Vorläufergase geregelt.

Nach einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Direktreduktion von Metalloxiden zumindest ein

Zusatzreduktionsgas verwendet. Zusatzreduktionsgas ist ein Gas, das zusätzlich zum Reduktionsgas in ein die zu reduzierenden Metalloxide enthaltendes Reduktionsaggregat - beispielsweise ein Reduktionsschacht oder ein

Wirbelschichtaggregat - eingeleitet wird, um dort die

Metalloxide zumindest teilweise zu reduzieren.

Zusatzreduktionsgas kann beispielsweise ein Vorläufergas sein; beispielsweise ein Vorläufergas, das nicht mittels elektrischer Energie aufgeheizt wurde.

Zusatzreduktionsgas wird an einem anderen Ort als das

Reduktionsgas in das Reduktionsaggregat eingeleitet.

Das zu reduzierende Material Metalloxide durchläuft das

Reduktionsaggregat von einer Eingabeöffnung zu einer

Entnahmeöffnung .

Nach einer Ausführungsform wird Zusatzreduktionsgas in

Richtung des Materialflusses von Eingabeöffnung zu

Entnahmeöffnung vor dem Reduktionsgas eingeleitet. Damit kann erreicht werden, dass das Zusatzreduktionsgas zur Reduktion der Metalloxide genutzt wird, bevor - in Richtung des

Materialflusses gesehen - das Reduktionsgas auf das Material trifft .

Nach einer anderen Ausführungsform wird das

Zusatzreduktionsgas in Richtung des Materialflusses von

Eingabeöffnung zu Entnahmeöffnung nach dem Reduktionsgas eingeleitet .

Das Reduktionsgas eignet sich aufgrund der mittels

elektrischer Aufheizung erfolgten Temperaturerhöhung gut dazu, mit hoher Temperatur eingeleitet zu werden. Das ist besonders dann günstig, wenn neben Direktreduktion auch

Aufkohlung des Materials im Reduktionsaggregat stattfindet. Aufkohlung - Einfügung von Kohlenstoff in elementarer Form, gebunden als Zementit (Fe ₃ <3) oder in Form von gelöstem

Kohlenstoff - kann gegebenenfalls - beispielsweise bei

Aufkohlung mit CH ₄ Methan - aufgrund endothermer Reaktion zu Temperaturerniedrigung führen, was letztendlich kühleres Produkt bei der Entnahme aus dem Reduktionsaggregat bedeutet. Für weitere Verarbeitung des Produktes ist jedoch oft eine möglichst hohe Temperatur des Produktes gewünscht zwecks Verbesserung von Verarbeitbarkeit durch Heißkompaktierung und von Energiebilanz. Elektrische Aufheizung erlaubt es,

Temperaturerniedrigung durch Aufkohlung auszugleichen, indem mit entsprechend höherer Temperatur Reduktionsgas eingeleitet wird - das Endprodukt kann dann trotz Aufkohlung mit der gewünschten Temperatur entnommen werden. Bei Verfahren zur Aufheizung des Reduktionsgases, die auf Oxidation mit

Sauerstoff und damit verbunden mit Verminderung der

Reduktionskraft des Reduktionsgases basieren, würde eine entsprechend hohe Aufheizung einen wirtschaftlich

inakzeptabel hohen Verlust an Reduktionskraft - und damit höheren Reduktionsgasverbrauch - bedeuten.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist eine Vorrichtung zur Direktreduktion von Metalloxiden mittels eines Reduktionsgases,

umfassend

einen katalytischen Reformer zur Herstellung eines

Reformergases ,

eine Reformergasleitung zur Ausleitung von Reformergas aus dem katalytischen Reformer,

ein Reduktionsaggregat,

eine Reduktionsgasleitung zur Einleitung von Reduktionsgas in das Reduktionsaggregat,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Vorrichtung zumindest eine Vorläufergasleitung umfasst, und zumindest eine Vorläufergasleitung eine elektrische

Gasheizvorrichtung umfasst,

und zumindest eine Vorläufergasleitung von der

Reformergasleitung ausgeht,

wobei zumindest eine von der Reformergasleitung ausgehende Vorläufergasleitung eine elektrische Gasheizvorrichtung umfasst,

und wobei jede Vorläufergasleitung in die

Reduktionsgasleitung mündet.

Es kann eine Vorläufergasleitung vorhanden sein oder mehrere Vorläufergasleitungen. Vorläufergasleitungen dienen zur Zufuhr von Vorläufergas in die Reduktionsgasleitung.

Die Vorläufergasleitungen münden in die Reduktionsgasleitung. Zumindest eine Vorläufergasleitung geht von der

Reformergasleitung aus.

Zumindest eine der von der Reformergasleitung ausgehenden Vorläufergasleitungen umfasst eine elektrische

Gasheizvorrichtung, wobei „eine" in „eine elektrische

Gasheizvorrichtung" nicht Zahlwort, sondern unbestimmter Artikel ist - Vorläufergasleitungen können jeweils eine einzige oder mehrere elektrische Gasheizvorrichtungen

umfassen .

Optional können zusätzlich auch eine oder mehrere weitere Vorläufergasleitungen - die nicht von der Reformergasleitung ausgehen - eine elektrische Gasheizvorrichtung umfassen, wobei „eine" in „eine elektrische Gasheizvorrichtung" nicht Zahlwort, sondern unbestimmter Artikel ist - Vorläufergasleitungen können jeweils eine einzige oder mehrere elektrische Gasheizvorrichtungen umfassen.

Das Reduktionsaggregat ist beispielsweise ein

Reduktionsschacht oder ein Wirbelschichtaggregat. In einem Reduktionsschacht befindet sich ein festes, die Metalloxide umfassendes Materialbett; in einem Wirbelschichtaggregat befindet sich eine die Metalloxide enthaltende Wirbelschicht.

Im katalytischen Reformer wird durch katalytische

Reformierung von kohlenwasserstoffhaltigem Gas Reformergas erhalten. Dieses wird über die Reformergasleitung aus dem katalytischen Reformer ausgeleitet und in zumindest eine Vorläufergasleitung eingeleitet.

In elektrischen Gasheizvorrichtungen wird Vorläufergas mittels elektrischer Energie aufgeheizt.

Das Reduktionsgas basiert auf Vorläufergas. Jede

Vorläufergasleitung mündet in die Reduktionsgasleitung, über die das Reduktionsgas in das Reduktionsaggregat einleitet wird - das Reduktionsgas wird also auf allen Vorläufergasen basieren, die durch die entsprechenden Vorläufergasleitungen in die Reduktionsgasleitung eingeleitet werden. Im

Reduktionsaggregat werden die Metalloxide mittels des

Reduktionsgases direktreduziert.

Es kann beispielsweise eine einzige Vorläufergasleitung vorhanden sein; diese geht von der Reformergasleitung aus, mündet in die Reduktionsgasleitung, und umfasst zumindest eine elektrische Gasheizvorrichtung.

Es kann auch eine Vorläufergasleitung vorhanden sein, die von der Reformergasleitung ausgeht, eine elektrische

Gasheizvorrichtung umfasst, und in die Reduktionsgasleitung mündet, sowie eine zweite Vorläufergasleitung, die

gegebenenfalls auch eine elektrische Gasheizvorrichtung umfasst und in die Reduktionsgasleitung mündet. Dabei kann die zweite Vorläufergasleitung beispielsweise von der

Reformergasleitung ausgehen, oder von einer

Reformerspeisleitung, durch die zu reformierendes Gas dem Reformer zugeführt wird.

Nach einer Variante mündet zumindest eine Zusatzgasleitung in zumindest eine Vorläufergasleitung - wenn von der

Vorläufergasleitung eine elektrische Gasheizvorrichtung umfasst ist, beispielsweise vor oder nach der elektrischen Gasheizvorrichtung, oder in die elektrische

Gasheizvorrichtung. Zusatzgasleitungen dienen zur Zufuhr von Zusatzgas in Vorläufergas.

Nach einer Variante umfasst die eine elektrische

Gasheizvorrichtung umfassende Vorläufergasleitung in

Strömungsrichtung des Vorläufergases gesehen vor der

elektrischen Gasheizvorrichtung eine nicht-elektrische

Aufheizvorrichtung .

Nach einer Variante umfasst die Vorrichtung zur

Direktreduktion zumindest eine Zusatzreduktionsgasleitung zur Einleitung von Zusatzreduktionsgas in das Reduktionsaggregat. Nach einer Variante geht zumindest eine

Zusatzreduktionsgasleitung von einer Vorläufergasleitung aus. Bevorzugt umfasst die Vorrichtung zur Direktreduktion von Metalloxiden mittels eines Reduktionsgases zumindest eine Vorrichtung zur Regelung des Volumenstromes zumindest eines Vorläufergases .

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist eine Signalverarbeitungseinrichtung mit einem maschinenlesbaren Programmcode, dadurch gekennzeichnet, dass er Regelbefehle zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein maschinenlesbarer Programmcode für eine

Signalverarbeitungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmcode Regelbefehle aufweist, welche die

Signalverarbeitungseinrichtung zur Durchführung eines

erfindungsgemäßen Verfahrens veranlassen.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein Speichermedium mit einem darauf gespeicherten

erfindungsgemäßen maschinenlesbaren Programmcode.

Die elektrische Gasheizvorrichtung kann beispielsweise mittels Widerstandsheizung über Heizspirale heizen, oder mittels Lichtbogen zwischen Elektroden.

Bevorzugt umfasst die elektrische Gasheizvorrichtung

zumindest zwei Plasmabrenner, ganz besonders bevorzugt umfasst sie zumindest drei Plasmabrenner. Zumindest zwei Plasmabrenner sind unabhängig voneinander betreibbar.

Plasmabrenner haben in der Regel bei Dauerbetrieb relativ geringe Standzeiten - die hohen Temperaturen des Lichtbogens und der Lichtbogen an sich beanspruchen besonders die Anode und Kathode des Plasmabrenners stark -, so dass sie oft gewartet beziehungsweise ausgetauscht werden müssen.

Entsprechend wäre zu erwarten, dass bei Verfahrensführung mit einem Plasmabrenner kein wirtschaftlicher Betrieb möglich sei, da Austausch beziehungsweise Wartung des Plasmabrenners das Direktreduktionsverfahren unterbrechen würde. Wenn mehrere Plasmabrenner vorhanden sind, kann Wartung

beziehungsweise Austausch eines Plasmabrenners erfolgen, während andere Plasmabrenner betrieben werden, so dass das Direktreduktionsverfahren nicht unterbrochen werden muss beziehungsweise Änderungen des Betriebes wie beispielsweise Leistungsreduktion des Direktreduktionsverfahrens nicht erforderlich sind.

Die elektrische Gasheizvorrichtung kann eine Heizkammer mit mehreren Plasmabrennern umfassen, oder mehrere Heizkammern mit jeweils einem oder mehreren Plasmabrennern.

Vorzugsweise umfasst die elektrische Gasheizvorrichtung zumindest eine Heizkammer mit einem Plasmabrenner, mit zumindest einer Ausleitöffnung zur Ausleitung von erhitztem Gas, und mit zumindest einer Einleitöffnung zur Einleitung von Vorläufergas, und mit zumindest einer Heizkammerlängswand in Längserstreckung von der Einleitöffnung zur Ausleitöffnung gesehen, wobei der Plasmabrenner mittig in der Heizkammer angeordnet ist, und wobei die Einleitöffnung zwischen

Plasmabrenner und Heizkammerlängswand angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird die hohe Wärmeübertragung - beispielsweise Wärmestrahlung und/oder Konvektion des

Plasmagases - an die Heizkammerlängswand reduziert, weil das Vorläufergas eine geringere Temperatur als das aus dem

Plasmabrenner austretende Gas aufweist. Zu hohe

Wärmeübertragung an die Heizkammerlängswand kann zu einem hohen Verschleiß oder Beschädigung der Wände und somit der Heizkammer führen. Eine bevorzugte Variante ist, mehrere Einleitöffnungen vorzusehen, wobei beispielsweise zwischen allen Heizkammerlängswänden und dem Plasmabrenner

Einleitöffnungen angeordnet sind.

Grundsätzlich kann auch vorgesehen werden, Einlassöffnungen für Kühlmedien - wie beispielsweise gegebenenfalls

ausgemauerte Stutzen und Rohrleitungen zwischen Plasmabrenner und Heizkammerlängswänden vorzusehen, um einen direkten

Kontakt von Plasma mit den Wänden zu verhindern. Solche

Kühlmedien werden letztendlich mit aufgeheiztem Vorläufergas in das Reduktionsgas eingehen.

Vorzugsweise umfasst die elektrische Gasheizvorrichtung zumindest eine Heizkammer mit einem Plasmabrenner, mit zumindest einer Ausleitöffnung zur Ausleitung von erhitztem Gas, und mit zumindest einer Einleitöffnung zur Einleitung von Vorläufergas, und mit zumindest einer Heizkammerlängswand in Längserstreckung von der Einleitöffnung zur Ausleitöffnung gesehen, wobei die Einleitöffnung so angeordnet ist und die Heizkammer so ausgeformt ist, dass ein eingeleiteter Strom des Vorläufergases spiralförmig um den Plasmabrenner herum zwischen Plasmabrenner und Heizkammerlängswand von der

Einleitöffnung zur Ausleitöffnung strömt. Die Form der

Einleitung kann dazu beispielsweise gebogen sein,

beispielsweise als Teil einer Ellipse oder auf Grundlage eines Splines. Auch durch diese Anordnung wird die hohe

Wärmeübertragung - beispielsweise Wärmestrahlung und/oder Konvektion des Plasmagases - an die Wand der Heizkammer reduziert, weil das Vorläufergas eine geringere Temperatur als das aus dem Plasmabrenner austretende Gas aufweist. Zu hohe Wärmeübertragung an die Wand der Heizkammer kann zu einem hohen Verschleiß oder Beschädigung der Wände und somit der Heizkammer führen. Der spiralförmige Wirbel des

eingeleiteten Stromes ist kühler als das Plasma

beziehungsweise das vom Plasma erhitzte Gas. Die Erhitzung des Gases ist inhomogen, da in erster Linie die sich in der Nähe des Plasmas befindenden Gasmoleküle erhitzt werden, während die sich weiter vom Plasma weg - also beispielsweise in Nähe der Heizkammerlängswand befindenden Gasmoleküle weniger stark erhitzt werden. Mit fortschreitender Bewegung zur Ausleitöffnung hin vermischen sich heißere und kältere Gasmoleküle und eine homogene Gastemperatur stellt sich ein. Vorzugsweise steigt die Temperatur an der Heizkammerlängswand mit fortschreitender Vermischung nicht über die homogene Gastemperatur . Die Anordnung der Einleitöffnung kann beispielsweise so sein, dass die Einleitöffnung nicht symmetrisch - also

unsymmetrisch - zur Längsachse der Heizkammer angeordnet ist. Bei Betrachtung des Querschnitts der Einleitöffnung in

Richtung Heizkammer senkrecht zur Längsachse der Heizkammer ist der Querschnitt also nicht von der Längsachse symmetrisch in zwei gleiche Hälften geteilt beziehungsweise überhaupt nicht geteilt. Eine derartige Anordnung der Einleitöffnung kann auch als außermittig bezeichnet werden, speziell bei einer bezüglich der Längsachse symmetrischen Ausbildung der Heizkammer. Bei einer solchen außermittigen Anordnung kann der eingeleitete Strom des Vorläufergases spiralförmig an der Heizkammerlängswand entlang strömen; der Strom wird nicht auf die Längsachse zielend eingeleitet, sondern beispielsweise zumindest teilweise tangential zur Heizkammerlängswand.

Dabei ist es bevorzugt, dass der hydraulische Durchmesser der Einleitöffnung im Bereich von 25% bis 75% des hydraulischen Heizkammerdurchmessers auf der Höhe der Einleitöffnung liegt. Wenn die Heizkammer einen zylindrischen Teil Einleitteil mit Einleitöffnung und einen konischen Ausleitteil mit

Ausleitöffnung umfasst, ist es bevorzugt, dass der

hydraulische Durchmesser der Einleitöffnung im Bereich von 25% bis 75% des Durchmessers des Einleitteils liegt.

Wenn die Heizkammer einen zylindrischen Teil Einleitteil mit Einleitöffnung und einen konischen Ausleitteil mit

Ausleitöffnung umfasst, ist es bevorzugt, dass das Verhältnis Höhe des Einleitteils zum Durchmesser des Einleitteils im Bereich von 1 bis 10 liegt, bevorzugt 1 bis 5, besonders bevorzugt 1 bis 2,5.

Wenn die Heizkammer einen zylindrischen Teil Einleitteil mit Einleitöffnung und einen konischen Ausleitteil mit

Ausleitöffnung umfasst, ist es bevorzugt, dass der Winkel der Heizkammerseitenwand des Ausleitteils zur Längsachse im

Bereich 5° - 45° liegt. Vorzugsweise umfasst die Gasheizvorrichtung zumindest eine Heizkammer, in der mehrere Plasmabrenner vorhanden sind. Die Energie zum Heizen kann also an mehreren Stellen eingebracht werden. Dass hat den Effekt, dass die lokale Hitzebelastung der Heizkammer reduziert wird; statt die gesamte Energie an einer Stelle einzubringen, wird an mehreren Stellen jeweils weniger Energie eingebracht. Dadurch wird die lokale

Temperaturbelastung auf eine größere Fläche aufgeteilt. Für die Anordnung der Plasmabrenner gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten. Insbesondere sind mögliche Anordnungsformen ringförmig, halb- oder teilkreisförmig radial um die

Längsachse der Heizkammer angeordnet. Die Anordnung kann auch mehrere Ringe von Plasmabrennern in Richtung der Längsachse der Heizkammer hintereinander sein, oder auch nur einzelne Plasmabrenner in Richtung der Längsachse der Heizkammer hintereinander. Die Längsachse der Heizkammer ist in Richtung der Längserstreckung von einer Gaseinlassöffnung in die

Heizkammer zu einer Gasauslassöffnung der Heizkammer; im Betrieb fließt das Vorläufergas von der Gaseinlassöffnung zur Gasauslassöffnung .

Der Richtungsvektor der eintretenden Plasmabrennerströmung kann entweder axial oder zumindest teilweise axial und/oder tangential oder zumindest teilweise tangential zur Strömung des Vorläufergases von der Gaseinlassöffnung zur

Gasauslassöffnung erfolgen. Dabei kann sie so gerichtet werden, dass die thermische Belastung der Heizkammer

minimiert und/oder die Gasdurchmischung maximiert wird. Dabei können beispielsweise gezielt Tangentialströmung,

Wirbelströmungen oder auch andere vorteilhafte

Strömungsmuster erzielt werden.

Heizkammern sind üblicherweise mit Feuerfestmaterial

ausgemauert. Vorzugsweise weist zumindest eine Heizkammer Kühlleitungen auf. So kann zumindest teilweise vor oder hinter Ausmauerungsmaterial oder anstelle

Ausmauerungsmaterial mittel Kühlwasser, Dampf oder anderen Medien gekühlt werden. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand schematischer beispielhafter

Darstellungen von Ausführungsformen erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Direktreduktion von Metalloxiden mittels eines Reduktionsgases.

Figuren 2a und 2b zeigen schematisch Längs- und Querschnitte durch eine Ausführungsform eines Teils einer elektrischen GasheizVorrichtung .

Figur 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine

Ausführungsform eines Teils einer elektrischen

GasheizVorrichtung .

Figuren 4a bis 4i zeigen schematisch Varianten der Anordnung von Plasmabrennern in einer Heizkammer einer

GasheizVorrichtung .

Figuren 5a und 5b zeigen schematisch Längs- und Querschnitte durch eine Heizkammer in einer Ausführungsform.

Figuren 6a und 6b zeigen schematisch Längs- und Querschnitte durch eine Heizkammer in einer anderen Ausführungsform.

Figuren 7 und 8 zeigen weitere Ausführungsformen weitgehend analog zu Figur 1.

Beschreibung der Ausführungsformen Beispiele

Figur 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer

erfindungsgemäße Vorrichtung zur Direktreduktion 1 von

Metalloxiden 2 mittels eines Reduktionsgases.

In einem katalytischen Reformer 3 wird Reformergas

hergestellt durch katalytische Reformierung von

kohlenwasserstoffhaltigem Gas 4.

Das Reformergas wird durch die Reformergasleitung 5 aus dem katalytischen Reformer 3 ausgeleitet. Von der Reformergasleitung 5 geht eine Vorläufergasleitung 6 aus. Die Vorläufergasleitung 6 umfasst eine elektrische

Gasheizvorrichtung 7.

Das Vorläufergas basiert auf dem Reformergas und wird in der elektrischen Gasheizvorrichtung 7 mittels elektrischer

Energie aufgeheizt. Die Vorläufergasleitung 6 mündet - in Strömungsrichtung vom Reformer weg gesehen hinter der

elektrischen Gasheizvorrichtung 7 - in eine

Reduktionsgasleitung 8. Diese mündet selber in ein

Reduktionsaggregat 9, über sie wird Reduktionsgas in das Reduktionsaggregat 9 eingeleitet.

In dem Reduktionsaggregat 9 befinden sich die Metalloxide; im dargestellten Fall ist das Reduktionsaggregat 9 ein

Reduktionsschacht, in dem ein festes, die Metalloxide

umfassendes Materialbett liegt. Im Reduktionsaggregat 9 werden die Metalloxide 2 mittels des das Materialbett

durchströmenden Reduktionsgases direktreduziert.

Optional kann die Reformergasleitung 5 auch zusätzlich eine Mündung in die Reduktionsgasleitung 8 aufweisen; das ist mit einer strichliert eingezeichneten Abzweigung von

Reformergasleitung 5 dargestellt. Auf diese Weise kann etwas Reformergas im Bypass an der Gasheizvorrichtung 7 vorbei geführt und als Zusatzgas dem aufgeheizten Vorläufergas zugegeben werden.

Grundsätzlich könnten in Figur lzwecks Zubereitung des

Reduktionsgases auch noch weitere Vorläufergasleitungen vorhanden sein zur Zuführung weiterer Vorläufergase; das ist zur besseren Übersichtlichkeit nicht extra dargestellt.

Figuren 2a und 2b zeigen Längs- und Querschnitte durch eine Ausführungsform eines Teils einer elektrischen

Gasheizvorrichtung 10, die eine Heizkammer 11 mit einem

Plasmabrenner 12 aufweist. Der Plasmabrenner 12 ist in der Heizkammer 11 mittig angeordnet. Das ist im Querschnitt entlang der Linie A-A aus Figur 2a in Figur 2b gut zu sehen. Die im dargestellten Beispiel zylinderförmig runde Heizkammer 11 wird durch die Heizkammerlängswand 13 begrenzt.

Vorläufergas wird - als Pfeil dargestellt - durch die

Einleitöffnungen 14a, 14b, 14c, 14d in die Heizkammer 11 eingeleitet. Erhitztes Gas - dargestellt durch einen

Blockpfeil - wird durch eine nicht extra dargestellte

Ausleitöffnung aus der Heizkammer 11 ausgeleitet - dargestellt durch einen Pfeil. Das Vorläufergas wird zwischen den Heizkammerlängswand 13 und dem Plasmabrenner 12 in die Heizkammer 11 eingeleitet. Der dargestellte Strom des

Vorläufergases 15 von der Einleitöffnung 14a befindet sich somit zwischen dem Plasma 16 und Heizkammerlängswand 13. Es könnten auch mehrere solche Heizkammern mit je einem

Plasmabrenner in der elektrischen Gasheizvorrichtung

vorhanden sein.

Figur 3 zeigt einen Schnitt durch eine Ausführungsform eines Teils einer elektrischen Gasheizvorrichtung 17, die eine Heizkammer 18 mit einem Plasmabrenner 19 aufweist. Die

Heizkammer 18 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgeführt, wobei der Plasmabrenner 19 im Wesentlichen entlang der

Zylinderachse 20 liegt. Durch eine Einleitvorrichtung 21 mit Einleitöffnung wird Vorläufergas 22 tangential in die

Heizkammer 18 eingeleitet, und strömt nach der Einleitung um den Plasmabrenner 19 herum zur Ausleitöffnung 23. Durch die Ausleitöffnung 23 zum Ausleiten des erhitzten Gases verläuft die Zylinderachse 20. Es könnten auch mehrere solche

Heizkammern mit je einem Plasmabrenner in der elektrischen Gasheizvorrichtung vorhanden sein.

Figuren 4 a - i zeigen Varianten der Anordnung von

Plasmabrennern in einer Heizkammer einer Gasheizvorrichtung, in der mehrere Plasmabrenner vorhanden sind. Insbesondere sind mögliche Anordnungsformen ringförmig, halb- oder

teilkreisförmig radial um die Längsachse der Heizkammer angeordnet, was in den Figuren 4a, 4b, 4c dargestellt ist. Figur 4a zeigt in Schrägansicht in einem Schnitt durch eine zylindrische Heizkammer 24 senkrecht zur Längsachse - die der Flussrichtung des zu erhitzenden Gases, mit Pfeilen angedeutet, entspricht - , wie ringförmig mehrere Öffnungen 25 zur Montage von Plasmabrennern vorhanden sind. Die

Plasmabrenner können mit ihrer Längsachse beispielsweise senkrecht oder schräg zur Längsachse der Heizkammer 24 stehen. Figur 4b zeigt in einem Schnitt durch eine

zylindrische Heizkammer 26 senkrecht zur Längsachse - die der Flussrichtung des zu erhitzenden Gases entspricht - , wie halbkreisförmig mehrere Öffnungen 27 zur Montage von

Plasmabrennern vorhanden sind. Figur 4c zeigt in einem

Schnitt durch eine zylindrische Heizkammer 28 senkrecht zur Längsachse - die der Flussrichtung des zu erhitzenden Gases entspricht - , wie halbkreisförmig mehrere Öffnungen 29 zur Montage von Plasmabrennern vorhanden sind.

Figur 4d zeigt in einem Längsschnitt durch einen Abschnitt einer Heizkammer wie in Figur 4a, wie mehrere Ringe von

Plasmabrennern installiert werden können; gezeigt sind die Öffnungen 25 zur Montage, die Längsachse 30 der Heizkammer und die Gasflussrichtung 31. Figur 4e zeigt das in

entsprechender Ansicht für eine Anordnung, bei der nur jeweils ein Plasmabrenner pro Position entlang der Längsachse vorhanden ist.

Figur 4f zeigt in entsprechender Ansicht ein Beispiel dafür, wie die Plasmabrenner bezüglich der Längsachse orientier sein können. Die Pfeile deuten an, dass die Plasmabrenner zur Längsachse geneigt sind. Figuren 4g und 4h zeigen in zu der Figur 4a weitgehend analoger Ansicht, dass die durch Pfeile angedeuteten Plasmabrenner auf das Zentrum des Gasstromes gerichtet sein können - in Figur 4g dargestellt -, oder praktisch tangential zur Gasströmung - in Figur 4h

dargestellt. Der Richtungsvektor der eintretenden

Plasmabrennerströmung - die den Pfeilrichtungen in den

Figuren 4g und 4h entspricht - kann also zumindest teilweise axial und/oder zumindest teilweise tangential zur Strömung des Gases von der Gaseinlassöffnung zur Gasauslassöffnung erfolgen .

In Figur 4i ist schematisch anhand eines Schnittes senkrecht zur Längsachse einer Variante einer Heizkammer 32 gezeigt, wie der aufzuheizende Gasstrom 33 zwischen Plasmabrenner 34 und Wand der Heizkammer 32 eingebracht wird.

Figur 5a zeigt einen Längsschnitt durch eine Heizkammer 35, die einen zylindrischen Teil Einleitteil 36 mit

Einleitöffnung 37 und einen konischen Teil Ausleitteil 38 mit Ausleitöffnung 39 umfasst.

Der hydraulische Durchmesser der Einleitöffnung 37 beträgt 45% des Durchmessers des Einleitteils.

Das Verhältnis Durchmesser der Einleitöffnung 37 zum Radius des Einleitteils 36 beträgt 90%.

Der Winkel der Heizkammerseitenwand des Ausleitteils zur Längsachse 40 beträgt 35°.

Der Plasmabrenner 41 ist mittig im Deckelteil 42 angeordnet, eine Trägergasleitung 43 zur Zufuhr von Trägergas ist auch eingezeichnet .

Die Einleitöffnung ist nicht symmetrisch - also unsymmetrisch - zur Längsachse der Heizkammer angeordnet. Bei einer solchen außermittigen Anordnung kann der eingeleitete Strom des Vorläufergases spiralförmig an der Heizkammerlängswand - im Einleitteil und im Ausleitteil - entlang strömen; der Strom wird nicht radial auf die Längsachse zielend eingeleitet, sondern tangential zur Heizkammerlängswand.

Zur Illustration einer Auswahl von anderen Möglichkeiten der Form der Einleitöffnung beziehungsweise ihrer Positionierung bezüglich der Längsachse 40 sind Umrisse einer runden

Einleitöffnung mit gepunkteter Linie und einer rechteckigen Einleitöffnung mit strichlierter Linie eingezeichnet.

Figur 5b zeigt eine Ansicht der in Figur 5a gezeigten

Vorrichtung von oben. Analog zur Figur 5a sind auch Umrisse von Varianten der Einleitöffnung mit gepunkteter und mit strichlierter Linie eingezeichnet.

Figur 6a und 6b zeigen in zu Figur 5a und 5b weitgehend analogen Ansichten eine Ausführungsform, in der am

Einleitteil 44 die Einleitöffnung 45 im Vergleich zu Figur 5a seitlich versetzt ist. Einleitung des aufzuheizenden

Gasstromes in den zylindrischen Teil Einleitteil 44 erfolgt spiralförmig .

Figur 6b zeigt anhand eines Schnittes entlang F-F' von oben betrachtet schematisch, wie die Einleitung spiralförmig um den zylindrischen Einleitteil 44 herumgezogen ist. Die strichlierte Linie zeigt den Umriss der Kante C in dem

Bereich der Einmündung der Einleitöffnung in den

zylindrischen Einleitteil.

Der spiralförmige Teil könnte sich auch weniger weit oder weiter erstrecken; es könnte auch die Form des gesamten

Einleitteils der durch die Einleitung 46 vorgegebenen Spirale folgen .

Figur 7 zeigt analog zu Figur 1, wie in der elektrischen Gasheizvorrichtung 47 ein Plasmabrenner 48, dessen Plasma mit elektrischer Energie unter Nutzung von Trägergas aus der Trägergasleitung 49 erzeugt wird, in der Gasheizvorrichtung 47 das Vorläufergas Reformergas in der Vorläufergasleitung 50 erhitzt. Die elektrische Energie wird mittels Plasma in das Vorläufergas eingebracht.

Figur 8 zeigt weitgehend analog zu Figur 1 eine

Ausführungsform einer erfindungsgemäße Vorrichtung, in der eine Zusatzreduktionsgasleitung 51 zur Einleitung von

Zusatzreduktionsgas in das Reduktionsaggregat 52 vorhanden ist. Dargestellt ist auch strichliert die optional erfolgende Zugabe von Erdgas 53 in die Vorläufergasleitung 54 vor der elektrischen Gasheizvorrichtung 55. Erhitzt wird ein

Vorläufergas, das eine Mischung aus Erdgas 53 und Reformergas ist; dieses Vorläufergas basiert auf Reformergas.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten

Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der

Erfindung zu verlassen. Liste der Bezugszeichen

1 Vorrichtung zur

Direktreduktion

2 Metalloxide

3 Reformer

4 kohlenwasserstoffhaltiges Gas

5 Reformergasleitung

6, 6 6 ", 6 ' " Vorläufergasleitung

7 GasheizVorrichtung

8 Reduktionsgasleitung

9 Reduktionsaggregat

10 GasheizVorrichtung

11 Heizkammer

12 Plasmabrenner

13 Heizkammerlängswand

14a, 14b, 14c, 14d Einleitöffnungen

15 Vorläufergas

16 Plasma

17 GasheizVorrichtung

18 Heizkammer

19 Plasmabrenner

20 Zylinderachse

21 EinleitVorrichtung

22 Vorläufergas

23 Ausleitöffnung

24 Heizkammer

25 Öffnungen zur Montage von

Plasmabrennern

26 Heizkammer

27 Öffnungen zur Montage von

Plasmabrennern

28 Heizkammer

29 Öffnungen zur Montage von

Plasmabrennern

30 Längsachse

31 Gasflussrichtung

32 Heizkammer

33 aufzuheizender Gasstrom Plasmabrenner

Heizkammer

Einleitteil

Einleitöffnung

Ausleitteil

Ausleitöffnung

Längsachse

Plasmabrenner

Deckelteil

Trägergasleitung

Einleitteil

Einleitöffnung

Einleitung

GasheizVorrichtung

Plasmabrenner

Trägergasleitung

Vorläufergasleitung

Zusatzreduktionsgasleitung

Reduktionsaggregat

Erdgas

Vorläufergasleitung

Gasheiz orrichtung