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Verfahren zur Herstellung von Eisenschwamm Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren zum Reduzieren von Eisen aus Eisenerz mittels Kohlenoxyd und gegebenenfalls
Wasserstoff enthaltenden Gasen bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes von
Eisen und Eisenerz.
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Fast die gesamte Menge des schmiedbaren Eisens wird heute auf dem
indirekten Wege, d. h. auf dem Umwege über den Blashochofen, gewonnen. Im Hochofen
wird primär ein Roheisen erzeugt, welches beträchtliche Mengen von anderen Bestandteilen
enthält. Dieses primäre Roheisen muß zur Überführung in schmiedbares Eisen einer
Reinigung, dem sogenannten Frischen, unterworfen «erden. Außer der indirekten Erzeugung
von schmiedbarem Eisen auf dem Wege über den Hochofen hat man auch versucht, schmiedbares
Eisen direkt aus Erz zu erzeugen. Ein wesentlicher Vorteil dieser direkten Eisenerzeugung
ist die besondere Qualität des bei Temperaturen unterhalb seines Schmelzpunktes
gewonnenen Eisens, das deshalb einen ausgezeichneten Ausgangsstoff zur Herstellung
von Edelstahlen bildet.
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Bis heute sind jedoch die Bestrebungen zur direkten Erzeugung von
schmiedbarem Eisen wirtschaftlich nicht erfolgreich gewesen.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, solche Verbesserungen des
Verfahrens und der Einrichtung
zur direkten- Erzeugung von schmiedbarem
Eisen aus Eisenerz zu entwickeln, welche diese Art Eisenerzeugung unter Verwendung
vorn billigen und fast überall verfügbaren mineralischen oder anderen festen Brennstoffen
unter Erzielung einer hohen Wirtschaftlichkeit ermöglichen.
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Gleichzeitig findet dabei die Erzeugung eines wertvollen, insbesondere
für die Synthese von Kohlenwasserstoffen aus Kohlenoxyd und Wasserstoffen geeigneten
Gichtgases statt.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung gestattet ferner die Reduktion des
Eisenerzes zur direkten Erzeugung von schmiedbarem Eisen mit einem reduzierenden,
namentlich Kohlenoxyd enthaltenden Gas ohne andere Zuführung von Wärme zu dem zu
reduzierenden Erz als der fühlbaren Wärme des Reduktionsgases, auszuführen.
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Es ist bekannt, Eisen durch Reduktion von Eisenerz dadurch zu gewinnen,
daß man das zu verarbeitende Erz in einem senkrechten Schacht, durch den das Erz
von oben nach unten in langsamer Bewegung -geht, mit kohlenoxydreichen Gasen behandelt,
die im Kreislauf durch den Schacht und einen damit verbundenen Raum strömen, in
welchem das durch die Reduktion des Erzes mit Kohlensäure angereicherte Kreislaufgas
mit einem festen Brennstoff bei erhöhter Temperatur zwecks Umwandlung der Kohlensäure
in Kohlenoxyd in Berührung gebracht wird. Gleichzeitig damit wird das Umlaufgas
auf eine hohe Temperatur, vorzugsweise etwa rooo° erhitzt, die jedoch noch unter
der Schmelztemperatur des Eisens und der Gangart liegt, so daß das Gas bei seinem
Wege von unten nach oben durch den Reduktionsschacht die für die Reduktion und die
Vorbereitung des Erzes erforderliche Wärme an die Schachtfüllung abgeben kann: Es
ist weiter vorgeschlagen worden, schmiedbares Eisen durch Reduktion von Eisenerz
bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Eisens unter Verwendung von Luft
mit erhöhtem Sauerstoffgehalt und Kohle zu gewinnen. Irgendeine praktische Verwirklichung
hat jedoch diese Anregung bisher nicht gefunden, während die Anwendung von Luft
mit erhöhtem Sauerstoffgehalt im üblichen Blashochofen bereits mit einem gewissen
Erfolg durchgeführt worden ist. Der Grund, warum man von ider Verwendung von Luft
mit erhöhtem Sauerstoffgehalt bei der direkten Erzeugung von schmiedbarem Eisen
keinen wesentlichen. Vorteil beigemessen hat, ist wohl darin zu suchen, daß: die
Arbeitstemperatur hier im Gegensatz zum Blashochofen wesentlich niedriger ist, so
daß die Temperatur, welche in üblichen Gaserzeugern. zur Bereitung von kohlenoxydhaltigen
Gasen eingehalten wird, ausreicht, um ein Reduktionsgas von solcher Temperatur urnd.
solchem Wärmeinhalt herzustellen, daßdadurch oder Wärmebedarf des Reduktionsschachtes
gedeckt werden kann.
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Nach einem weiteren, jedoch nicht vorveröffentlichten Vorschlag wird
aus einem Schachtgenerator mit flüssigem Schlackenabzug ein für die Reduktion des
Eisenerzes zu Eisenschwamm geeignet zusammengesetztes und ausreichend heißes, reduzierendes
Gas abgezogen und derReduziereinrichtung zugeführt. Ein solcher Schachtgenerator
stellt jedoch sehr scharfe Bedingungen an den zu vergasenden, stückigen Brennstoff,
so daß derBetrieb eines solchenGenerators vergleichsweise teuer ist.
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Die Erfindung besteht demgegenüber darin, daß zum Reduzieren von Eisenerz
mittels Kohlenoxyd und gegebenenfalls Wasserstoff enthaltenden Gasen bei Temperaturen
unterhalb des Schmelzpunktes von Eisen und Eisenerz aus einem staubförmigen Brennstoff
durch Vergasen mit Sauerstoff ein reduzierendes Gas mit einem Gesamtgehalt an Kohlenoxyd
und Wasserstoff von mehr als 70% erzeugt wird, dessen Temperatur der bei der Reduktion
des Erzes anzuwendenden Arbeitstemperatur entspricht, und das mit dem zu behandelnden
Erz in unmittelbare Berührung gebracht wird.
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Gemäß der Erfindung ist es zweckmäßig, den Gehalt des reduzierenden
Gases an Kohlenoxyd und Wasserstoff auf mehr als 85 % zu steigern. Das reduzierende
Gas hat dabei vorteilhafterweise eine Temperatur von etwa zooo°.
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Unter Sauerstoff wird im Rahmen der nachfolgenden Beschreibung und
der Patentansprüche ein sauerstoffhaltiges, Gas verstanden, dessen Sauerstoffgehalt
mehr als 85 0/u beträgt.
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Die Verwendung von staubförmigen Brennstoffen ist für den angegebenen
Zweck deshalb besonders vorteilhaft, weil dann weniger wertvolle und deshalb billige
Brennstoffe benutzt werden können, für die man sonst keine Verwendung hätte.
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Um die Erzeugung von schmniedbarem Eisen durch Reduzieren von Eisenerz
bei Temperaturen unter rooo° unter Verwendung von staubförmigen Brennstoffen beliebiger
Art zu ermöglichen, wird zur Durchführung des Verfahrens vorzugsweise ein Gaserzeugungsverfahren
angewandt, welches darin besteht, daß man aus einem fein verteilten festen Brennstoff
und Sauerstoff in einem solchen Mengenverhältnis, daß der Kohlenstoff des Brennstoffes
höchstens in Kohlenoxyd umgewandelt wird, ein möglichst homogenes Gemisch herstellt,
und daß nun dieses Gemisch in Form eines Strahles in einen auf hoher Temperatur
befindlichen Reaktionsraum eingeleitet wird, in dem es sich unter Bildung von im
wesentlichen Kohlenoxyd mit einer geringen Beimengung von Kohlensäure entzündet.
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Bei diesem Vergasungsverfahren treten in der Reaktions- oder Vergasungskammer
sehr hohe Temperaturen auf. Um die Wände der Reaktionskammer gegen Beschädigung
durch die hohe Reaktionstemperatur zu schützen, wurde vorgesehen, in den Reaktionsraum
ein endotherm mit heißem Kohlenstoff reagierendes Medium, z. B. Wasserdampf oder
Kohlensäure, derart einzuleiten, daß zwischen der Zone höchster Temperatur und den
Wänden des Reaktionsraumes ein kontinuierlicher, zusammenhängender Strom des eingeleiteten
endotherm reagierenden 1VIediums fließt, der die Zone exothermer Reaktion umhüllt.
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Es ist unter Umständen vorteilhaft, an Stelle
eines
endotherm reagierenden :Mediums als Schutzgas in den Reaktionsraum Kohlenoxydgas,
gegebenenfalls auch ein Gemisch von Kohlenoxyd und endotherm reagierenden Medien
(Wasserdampf und/oder Kohlensäure) einzuleiten. Die Menge an endotherm reagierenden
Medien, die hierbei im Schutzgas zugelassen wird, hängt im wesentlichen von der
Reaktionsfähigkeit des zu vergasenden festen staubförmigen Brennstoffes ab. Ist
die Reaktionsfähigkeit des Brennstoffes groß, so kann man eine relativ große Menge
Wasserdampf zusetzen, weil das endotherm reagierende Medium sich schnell mit dem
Brennstoff unter Bildung von Kohlenoxyd und Wasserstoff umsetzt. Statt Wasserdampf
kann man auch ein Gemisch von Wasserdampf und Kohlensäure oder auch Kohlensäure
allein nehmen. Ist hingegen die Reaktionsfähigkeit des festen staubförmigen Brennstoffes
gering, so muß unter Umständen ganz auf den Zusatz von endotherm reagierenden Medien
zum Schutzgas verzichtet werden.
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In einem derartigen Gaserzeuger hat der Erfinder früher ein Gas hergestellt,
das bei einer Temperatur von ioooa einen Gehalt von Kohlenoxyd und Wasserstoff bis
zu 9501o aufwies.
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Mit einem auf die beschriebene Weise hergestellten reduzierenden Gas
kann man die Reduktion des Eisenerzes in kurzer Zeit und in vergleichsweise kleinen
Behandlungsräumen leicht so weit durchführen, daß ein Erzeugnis anfällt, in welchem
etwa 850/a des Eisens in elementarer Form enthalten sind. Ein derartiges
Erzeugnis kann dann ohne weiteres in üblichen Elektroöfen in Stahl unter Reduktion
des Restes der Eisenoxyde umgewandelt werden.
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Ein weiterer Fortschritt bei -der Reduktion von Eisenerz bei Temperaturen
von etwa iooö°' wird dadurch erzielt, daß: die Erzeugung des Kohlenoxyd und Wasserstoff
enthaltenden Reduktionsgases und die Reduktion des Eisenerzes bei erhöhtem Druck
vorgenommen wird. Vorteilhaft wird ein Überdruck von io bis 15 Atm. angewendet.
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Die Erhöhung des Druckes macht es möglich, sowohl die Vergasung als
auch die Reduktion des Eisenerzes auf vergleichsweise kleinem Raum mit hoher Intensität
durchzuführen. Namentlich geht die Reduktion des Eisenerzes mit sehr großer Geschwindigkeit
vor sich, wenn der Druck gesteigert wird. Es ist dann auch möglich, die Strömungsgeschwindigkeit
.des Reduktionsgases innerhalb des mit Eisenerz gefüllten Behandlungsraumes wesentlich
herabzusetzen. Man ist dadurch in der Lage, auch feinkörnige Eisenerze und solche
Eisenerze zu behandeln, welche bei der Reduktion zum Zerfallen neigen.
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Der höhere Widerstand, den das Reduktionsgas in dem feinkörnigen Eisenerz
findet, wird von den unter erhöhtem Druck stehenden Gasen leicht überwunden. Übrigens
kann man die Durchlässigkeit der Füllung des Reduktionsraumes für das Reduktionsgas
dadurch erhöhen, daß man dem Eisenerz ein stückiges an der Reaktion nicht teilnehmendes
Gut, etwa Stückkoks, beimischt, der nach der Reduktion von dem Erz durch Absieben
oder in sonst geeigneter Weise getrennt und dann im Kreislauf wieder zur Auflockerung
des Eisenerzes benutzt wird.
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Wendet man ein kohlenstoffhaltiges Material, z. B. Koks oder Schwelkoks,
von genügender Reaktionsfähigkeit zur Auflockerung des Eisenerzes im Reaktionsraum
an, so tritt unter Umständen auch die Bildung von Methan aus Kohlenoxyd und Wasserstoff
nach der Gleichung 2 C O -I- :2 Hz = C H4 -;- C 02 ein. Man erhält -dann ein heizkräftiges
Abgas, welches in vorteilhafter Weise, z. B. zum Niederschmelzen des erzeugten Eisenschwammes
in Herdöfen od. dgl. ausgenutzt werden kann.
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Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aus der Reduktionsstufe austretende
Gas enthält neben Kohlensäure noch beträchtliche Mengen Kohlenoxyd und Wasserstoff.
Wenn man beispielsweise ein -Gas anwendet, welches 82,5 % C 0 und 13 % H2 neben
2% C02 enthält, so ergibt sich nach der Reduktion des Eisenerzes ein Abgas mit einem
Gehalt von 3q.0/0 CO, 7,51/o H2 und 50,5"/o CO2-Der Rest ist Wasserdampf
und eine geringe Menge Stickstoff (etwa -,0/0), je nach der Reinheit des verwendeten
Sauerstoffes.
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Ein solches Gas kann, nach Entfernung der Kohlensäure, etwa durch
eine Wäsche des Gases mit Wasser unter erhöhtem Druck, mit Vorteil zur Erzeugung
von Kohlenwasserstoffen oder anderen wertvollen Körpern benutzt werden.
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Einen Teil der aus dem Gas entfernten Kohlensäure kann man unter Umständen
im Kreislauf in die Vergasungsstufe des Verfahrens zurückführen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist an einem Ausführungsbeispiel, das
in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert.
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Bei der dargestellten Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens dient zur Vergasung ein senkrechter von oben nach unten sich etwas erweiternder
Schacht i, der von feuerfestem Mauerwerk 2: begrenzt wird, welches in einer gasdichten
Hülle 3 aus Stahlblech od. dgl. angeordnet ist. In der feuerfesten Auskleidung 2
sind Kühlrohre 4 vorgesehen, denen Kühlwasser aus einem Hochbehälter 5 durch die
Rohrleitung 6 zufließt, und aus welchen das Wasser durch die Rohrleitung 7 zum Behälter
5 zurückgeht.
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Am oberen engeren Ernde d es Schachtes i mündet gleichachsig zu diesem
eine mit Wasserkühlung versehene Düse 8, durch welche ein homogenes Gemisch von
fein verteiltem staubförmigem Brennstoff und Sauerstoff in Form eines Strahles in
den Vergasungsschacht eingeleitet wird.
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Der zu vergasende fein verteilte Brennstoff kommt aus dem Vorratsbehälter
9 mittels einer Transportschnecke io in eine Mischeinrichtung i i, der durch die
Rohrleitung 12 Sauerstoff unter erhöhtem Druck zugeführt wird. Die Bildung des homogenen
Gemisches zwischen Sauerstoff und staubförmigem Brennstoff findet in der Einrichtung
i i bei vergleichsweise niedriger Temperatur statt, so daß sich das Gemisch erst
innerhalb des
Vergasungsschachtes i beim Austritt aus derDüse 8
entzündet.
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Die Vorratsbunker 9 sind so ausgebildet, daß der in die Mischeinrichtung
eintretende Sauerstoff nicht in die Behälter 9 gelängen kann.
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Das durch die Düse 8 eintretende Gemisch, welches Sauerstoff und Brennstoff
in einem solchen Verhältnis enthält, daß bei der Reaktion in dein auf hoher Temperatur
arbeitenden Vergasungsschacht vorzugsweise Kohlenoxyd entsteht, setzt sich im Vergasungsschacht
bei einer sehr hohen Temperatur in exothermer Reaktion um. Die Reaktion geht bei
geeigneter Feinheit des festen Brennstoffes und guter Mischung mit sehr großer Geschwindigkeit
vor sich, so daß fast der gesamte brennbare Anteil des Brennstoffes vergast wird.
Vorzugsweise wendet man denBrennstoff in solcher Feinheit an, daß beim Absieben
auf einem Sieb mit q:900 Maschen pro Quadratzentimeter nur etwa ioo/a als Rückstand
liegenbleiben.
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Um die Wände 2, des Vergasungsschachtes im Bereich der Zone exothermer
Reaktion- gegen die dort herrschenden sehr hohen Temperaturen zu schützen, wendet
man ein relativ kaltes Schutzgas an, das aus den Rohrleitungen 13 in den die Düse
8 umgebenden Ringraum 1q. strömt, welcher sich durch eine ringförmige Düse 15, die
gleichachsig zur Düsenmündung 8 angeordnet ist, in den Vergasungsschacht i öffnet.
DieRingdüse 15 ist so ausgebildet, daß der Strom des kalten Schutzgases die in der
Mitte des Schachtes liegende Zone exothermer Reaktion einhüllt und längs der Wände
des Vergasungsschachtes in einem zusammenhängenden kontinuierlichen Strom fließt.
Als Schutzgas -wendet man vorteilhaft ein kaltes oder mäßig vorgewärmtes kohlenoxydreiches
Gas an. Man kann dem Schutzgas aber auch eine gewisse Menge Wasserdampf und/oder
Kohlensäure zusetzen, je nach der Eigenart und Reaktionsfähigkeit des zu verarbeitenden
festen Brennstoffes.
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Im unteren Teil des Vergasungsschachtes i sind noch Öffnungen 16 vorgesehen,
um weitere Mengen eines- kalten kohlenoxydreichen Gases einleiten zu können, welches
hierbei dazu dient, die Temperatur der aus dem Vergasungsschacht i abziehenden Gase
schnell auf etwa iooo'°` zu senken. Die plötzliche Erniedrigung der Temperatur -wird
dadurch unterstützt, daß ider Vergasu ngsschacht in einen Kühlmantel 17 übergeht,
der mit dem Kühlwasserbehälter 5 in Verbindung steht.
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Der bei der Vergasung des Brennstoffes anfallende feste Rückstand
setzt sich am Boden des Kühlbehälters 17 bei 18 ab und kann dann durch die
Austragevorrichtung i9 in den Aschebehälter 2o abgezogen werden.
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Das erzeugte kohlenoxydreiche Gas, das auch Wasserstoff enthält, zieht
durch die Rohrleitung 2i ab und gelangt unmittelbar in den mit dem zu verarbeitenden
Eisenerz gefüllten Reduktionsschacht 22.
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Der Reduktionsschacht z2 ist ebenso wie der Vergasungsschacht i mit
einem gasdichten Mantel umgeben. Das zu verarbeitende Erz kommt aus dem Bunker 23
und wird über eine Schleuse 24 am oberen Ende in den Vergasungsschacht 22 eingetragen.
Erz und Reduktionsgas gehen also durch den Schacht 22 im Gegenstrom zueinander.
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Bei der dargestellten Ausführungsform -wird das gesamte heiße Reduktionsgas
am unteren Ende in den Reduktionsschacht 22 eingeleitet. Unter Umständen kann es
auch vorteilhaft sein, einen Teil des heißen Reduktionsgases direkt in höhere Zonen
des Reduktionsschachtes einzuleiten. Der Reduktionsschacht wird vorzugsweise so
betrieben, daß auf einem möglichst großen Bereich seiner Höhe eine Temperatur von
etwa iooo'°' gehalten wird. Das mit dem Reduktionsgas behandelte Gut kann aus dem
Schacht 22 durch die Austragevorrichtung 25 in den Behälter 26 zur -weiteren Verwendung
abgezogen werden. Es enthält unter günstigen Umständen etwa 851/o elementares Eisen,
so daß es unter Reduktion des restlichen Eisenerzes ohne weiteres in einem elektrischen
Ofen oder einem Herdofen in flüssigen Stahl umgewandelt werden kann. Unter Umständen
kann man das Eisen auch durch eine Behandlung mit Magneten oder in sonst geeigneter
Weise konzentrieren.
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Das Gichtgas zieht durch die Rohrleitung 27 ab, welche zu einem Staubaibscheider
28 führt, in welchem sich der mitgerissene Erzstaub absetzt. Der abgesetzte Staub
kann in die Behälter 29 abgezogen werden. Das von Staub befreite Gas geht durch
die Rohrleitung 30 in einen Wäscher 31, der im wesentlichen unter dem gleichen
Druck arbeitet, wie der Vergaserschacht 2,2 und der Staubabscheider 28. In dem Wäscher
31 wird das Gas mit Wasser in Berührung gebracht, das etwa durch die Düse 32 eingespritzt
wird und unten bei 33 abläuft. Der Wäscher 31 wirkt im wesentlichen wie ein Kühler.
Daneben werden auch noch beträchtliche Mengen vonVerunreinigungen ausgeschieden.
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Das gewaschene Gas wird dann in einem Entstaube- 35 vollständig von
mitgerissenem Staub und sonstigen Verunreinigungen befreit und gelangt dann in einen
weiteren Wäscher 36, aus dem es bei 37 zur weiteren Verwendung abgezogen wird.
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Wird der Wäscher 36 unter erhöhtem Druck betrieben, so findet dort
eine Absorption von Kohlensäure statt, so da& das bei 37 abziehende Gas praktisch
nur aus Kohlenoxyd und Wasserstoff mit geringen Beimischungen von Kohlensäure und
Stickstoff besteht.
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Aus der Leitung 37 kann man durch die Rohrleitung 38, die Pumpe 39
und die Rohrleitung @iqo einen Teil des erzeugten Gases abziehen und den Schachtöffnungen
16 im Vergaserschacht i zuführen.
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Ferner kann man kaltes Gas aus der Rohrleitung 1q:0 auch noch durch
die Zweigleitung 141 in den als Kühlmantel ausgebildeten Unterteil 142 des Reduktionsschachtes
22 einleiten, um das dort ankommende reduzierte Erz vor seiner Austragung zu kühlen.
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Der Rohrleitung 37 kann im übrigen auch noch das Kohlenoxydgas entnommen
werden, welches
aus den Rohrleitungen 13 als Schutzgas in den Vergaserschacht
i eingeleitet wird. In dem Vergaser verarbeitet man vorteilhaft Brennstoff, welcher
arm an flüchtigen Bestandteilen und Wasser ist, so daß sich das Wassergasgleichgewicht
auf der Basis von geringen Mengen Wasserdampf einstellt.