BE1029659B1 - Verfahren zum Anfahren einer Vorrichtung zur Dampfreformierung und Vorrichtung - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dampfreformierung 10, wobei die Vorrichtung zur Dampfreformierung 10 einen Reaktor 20, einen Kondensatabscheider 30, einen Kondensatstripper 60 und einen Dampfkessel 90 aufweist, wobei der Reaktor 20 zur Erzeugung von Wasserstoff ausgebildet ist, wobei der Reaktor 20 so mit dem Kondensatabscheider 30 verbunden ist, dass das erzeugte Gasgemisch aus dem Reaktor 20 in den Kondensatabscheider 30 geführt wird, wobei der Kondensatabscheider 30 und der Kondensatstripper 60 so miteinander verbunden sind, dass das im Kondensatabscheider 30 abgeschiedene Kondensat in den Kondensatstripper 60 geführt wird, wobei der Kondensatabscheider 30 und der Dampfkessel 90 so miteinander verbunden sind, dass gereinigtes Kondensat aus dem Kondensatstripper 60 in den Dampfkessel 90 geführt werden kann, wobei der Dampfkessel 90 dampfführend mit dem Reaktor 20 verbunden ist, wobei der Dampfkessel 90 dampfführend mit dem Kondensatstripper 60 verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kesselwasserzuleitung 150 des Dampfkessel 90 flüssigkeitsführend mit dem Kondensatstripper 60 verbindbar ist, wobei die Zuführung aus der Kesselwasserzuleitung 150 des Dampfkessel 90 an der gleichen Stelle des Kondensatstrippers 60 erfolgt wie die Zuführung des Kondensats vom Kondensatabscheider 30.
Description
' BE2021/5628
Verfahren zum Anfahren einer Vorrichtung zur Dampfreformierung und
Vorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren einer Vorrichtung zur
Dampfreformierung, um Emissionen in dieser Phase zu vermeiden.
Bei der Dampfreformierung werden Kohlenwasserstoffe - insbesondere Methan - mit
Wasserdampf und anschließend mit einem Unterschuss an Sauerstoff zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgesetzt. In der anschließenden Wassergas-Shift-Reaktion wird das erzeugte Kohlenmonoxid mit Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt.
Nach diesem Prozess wird der Gasgemisch üblicherweise abgekühlt, wobei ein
Kondensat entsteht. Dieses Kondensat enthält neben dem Wasser auch entstandene organische Nebenprodukte, beispielsweise Methanol, Ameisensäure oder Essigsäure.
Um diese Nebenprodukte aus dem Kondensat zu entfernen, wird das Kondensat durch einen Kondensatstripper geführt. Der Kondensatstripper ist üblicherweise eine Kolonne, in welcher mittels Wasserdampf unter Druck die organischen Bestandteile aus dem
Kondensat desorbiert werden. Das gestrippte Kondensat kann anschließend beispielsweise demineralisiert werden und anschließend wieder einem
Dampferzeugungskessel zugeführt werden.
Während der Prozess im Kondensatstripper im laufenden Prozess zuverlässig ist, ist das
Anfahren ein kritischer Punkt. Um thermische Probleme innerhalb der Kolonne zu vermeiden, wird die Kolonne zunächst mit dem Kondensat durchströmt und anschließend vorsichtig mit Wasserdampf erwärmt, bis der stationäre Zustand hinsichtlich einer homogenen Temperaturverteilung eingestellt ist. Da in dieser Anfahrphase dadurch die organischen Komponenten nicht oder wenigstens nicht vollständig aus dem Kondensat entfernt werden, wird dieses verunreinigte Kondensat beispielsweise in einem Lagertank aufgefangen und später dem laufenden Kondensatstripper im stationären Zustand wieder zugeführt. Dieses bedeutet, dass ein zusätzlicher Tank und entsprechende
Fördereinrichtungen hierfür bereitgestellt werden müssen, was die Investkosten und die
Größe der Anlage erhöht. Alternativ kann das in dem Tank gelagerte Kondensat einer gesonderten Entsorgung oder einer externen Behandlung zugeführt werden, was mit hohen laufenden Kosten verbunden ist.
° BE2021/5628
Aus der DE 10 2007 027 397 A1 ist ein Verfahren zum Kühlen eines Wasserstoffes und
Wasserdampf enthaltenden Prozessgases aus einer Wasserstoffrückgewinnungsanlage bekannt.
Aus der US 9,266,056 B2 ist ein Verfahren zum Anfahren einer Trennvorrichtung bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche einfach angefahren werden kann, ohne einen zusätzlichen Tank oder weitere
Installationen für nicht behandeltes Kondensat aufzuweisen.
Gelôst wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen, das Verfahren zum Anfahren einer Vorrichtung zur Dampfreformierung mit den in Anspruch 4 angegebenen Merkmalen sowie das Verfahren zur kurzzeitigen
Deaktivierung einer Vorrichtung zur Dampfreformierung mit den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den
Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Dampfreformierung. Üblicherweise werden dabei Kohlenwasserstoffe - insbesondere Methan - mit Wasserdampf und mit einem
Unterschuss an Sauerstoff zunächst zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgesetzt und anschließend das Kohlenmonoxid mit weiterem Wasserdampf in der Wassergas-Shift-
Reaktion zu Kohlendioxid und Wasserstoff. Anschließend wird üblicherweise das
Kohlendioxid abgetrennt. Daher wird das Gasgemisch nach der Dampfreformierung abgekühlt, wodurch Wasser als Kondensat entsteht. Dieses Kondensat weist üblicherweise Verunreinigungen auf, welche insbesondere aus Nebenprodukten der vorgenannten Reaktionen bestehen und bei denen es sich beispielsweise um Methanol,
Ameisensäure oder Essigsäure handeln kann.
Die Vorrichtung zur Dampfreformierung weist einen Reaktor, einen
Kondensatabscheider, einen Kondensatstripper und einen Dampfkessel auf. Der Reaktor ist zur Erzeugung von Wasserstoff ausgebildet, hier findet also die eigentliche
Dampfreformierung und die Wassergas-Shift-Reaktion statt. Im Sinne der Erfindung kann der Reaktor auch aus zwei oder mehr getrennten Einheiten bestehen, in denen beispielsweise unterschiedliche Reaktionsschritte ablaufen, beispielsweise ein erster
Reaktorteil für die Reaktion von Methan mit Wasserdampf, ein zweiter Reaktorteil für die
Reaktion von Methan mit Sauerstoff und ein dritter Reaktorteil und vierter Reaktorteil für die Hochtemperatur und Niedrigtemperatur-Wassergas-Shift-Reaktion. Für die 5 eigentliche Erfindung ist es irrelevant ob der Reaktor ein gemeinsames Gehäuse aufweist oder ob der Reaktor aus einer Reihe von hintereinander geschalteten Reaktorteilen besteht. Der Kondensatabscheider dient dazu, auskondensiertes Wasser aus dem
Produktgasstrom abzutrennen. Der Kondensatabscheider kann also beispielsweise ein
Wärmetauscher mit einem geeigneten Volumen zur Trennung von Gas- und
Flüssigphase sowie zur Speicherung von Kondensat sein. Es kann auch eine Anordnung von einem Wärmetauscher und einem nachgeschalteten Abscheider sein. Der
Kondensatstripper dient dazu, verdampfbare Komponenten aus einer Flüssigkeit desorptiv zu entfernen. Beispielsweise kann ein Kondensatstripper als Bodenkolonne, als
Kolonne mit strukturierten Packungen oder als Füllkörperkolonne ausgeführt sein. Der
Dampfkessel dient der Erzeugung von Wasserdampf aus flüssigem Wasser. Für die weiteren Prozesse kann der Wasserdampf auch in nachgelagerten Schritten weiter erhitzt werden.
Der Reaktor ist so mit dem Kondensatabscheider verbunden, dass das erzeugte
Gasgemisch aus dem Reaktor in den Kondensatabscheider geführt wird. Der
Kondensatabscheider und der Kondensatstripper sind so miteinander verbunden, dass das im Kondensatabscheider abgeschiedene Kondensat in den Kondensatstripper geführt wird.
Der Kondensatabscheider und der Dampfkessel sind so miteinander verbunden, dass gereinigtes Kondensat aus dem Kondensatstripper in den Dampfkessel geführt werden kann. Hierbei wird das Kondensat bevorzug über eine Vorrichtung zur Demineralisierung aus dem Kondensatstripper in den Dampfkessel geführt. Weiter bevorzugt ist zwischen der Vorrichtung zur Demineralisierung und dem Dampfkessel eine Vorrichtung zur
Entgasung angeordnet, in welcher beispielsweise und insbesondere Sauerstoff und
Kohlendioxid aus dem Wasser entfernt werden.
Der Dampfkessel ist dampfführend mit dem Reaktor verbunden und ebenso ist der
Dampfkessel dampfführend mit dem Kondensatstripper verbunden. Hierbei kann
‘ / BE2021/5628 zwischen dem Dampfkessel und dem Reaktor ein oder mehrere Uberhitzer angeordnet sein. Ebenso kann zwischen dem Dampfkessel und dem Kondensatstripper ein oder mehrere Überhitzer angeordnet sein. Überhitzer können beispielsweise in Form von
Wärmetauschern ausgeführt sein.
Erfindungsgemäß ist die Kesselwasserzuleitung des Dampfkessels flüssigkeitsführend mit dem Kondensatstripper verbindbar. Die Verbindung ist also so ausgeführt, dass über diese Verbindung flüssiges Wasser aus der Kesselwasserzuleitung des Dampfkessels entnommen und dem Kondensatstripper zugeführt werden kann. Wesentlich ist, dass die
Zuführung von flüssigem Wasser aus der Kesselwasserzuleitung des Dampfkessels an der gleichen Stelle des Kondensatstrippers erfolgt wie die Zuführung des Kondensats vom Kondensatabscheider. Dadurch ist es möglich, anstelle von Kondensat, sauberes
Wasser aus der Kesselwasserzuleitung des Dampfkessels dem Kondensatstripper zuzuführen. Hierdurch wird es môglich, den Kondensatstripper anzufahren, bevor Kondensat aus dem Kondensatabscheider bereitgestellt wird. Dadurch ist der
Kondensatstripper bereits auf Betriebstemperatur, wenn das erste (kontaminierte)
Kondensat zugeführt wird, sodass die organischen Verunreinigungen bereits von Anfang an zuverlässig im Kondensatstripper entfernt werden kônnen.
Unter verbindbar ist im Sinne der Erfindung jede zeitweise herstellbare Verbindung zu verstehen. Besonders bevorzugt handelt es sich um eine feste Verrohrung, welche mittels eines Ventils zu öffnen und zu schließen ist. Natürlich ist es auch möglich, eine temporäre Verbindung herzustellen, beispielsweise mit einem Schlauch. Wesentlich ist, dass nur gezielt Wasser aus der Kesselwasserzuleitung des Dampfkessels in den
Kondensatstripper geführt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung führen die Kondensat-führende
Verbindung zwischen dem Kondensatabscheider und dem Kondensatstripper und die flüssigkeitsführende Verbindung zwischen der Kesselwasserzuleitung des Dampfkessels und dem Kondensatstripper über einen gemeinsamen Anschluss in den
Kondensatstripper. Beispielsweise sind die beiden Verbindungen über ein Ventil so mit dem Kondensatstripper verbunden, dass entweder Kondensat aus dem
Kondensatabscheider oder Wasser aus der Kesselwasserzuleitung des Dampfkessels in den Kondensatstripper geleitet werden kann.
) BE2021/5628
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Kesselwasserzuleitung des
Dampfkessels flüssigkeitsführend über ein Ventil mit dem Kondensatstripper verbindbar.
Insbesondere wird das Prozessgas, welches den Kondensatabscheider verlässt, einem
COz-Abscheider zugeführt und anschließend in einem Haber-Bosch-Prozess zu
Ammoniak umgesetzt.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Anfahren einer
Vorrichtung zur Dampfreformierung, vorzugsweiser einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von herkömmlichen und dem Fachmann geläufigen Verfahren zum Anfahren einer Vorrichtung zur
Dampfreformierung gerade dadurch, dass dem Kondensatstripper zunächst Wasser aus der Kesselwasserzuleitung des Dampfkessels zugeführt wird. Dieses Wasser weist eine ähnliche Temperatur wie das Kondensat auf (Abweichung von + 40 K, bevorzugt + 25 K).
Da dieses Wasser aber sauber ist, werden hierdurch noch keine Kontaminationen in den
Kondensatstripper eingebracht, sodass es unschädlich ist, dass der Kondensatstripper am Anfang nicht in der Lage ist, die Schadstoffe aus dem Wasser zu entfernen. Nachdem
Wasser aus der Kesselwasserzuleitung des Dampfkessels in den Kondensatstripper geführt wurde, wird dem Kondensatstripper Dampf aus dem Dampfkessel zugeführt.
Dieses kann nun so durchgeführt werden, dass der Kondensatstripper langsam auf
Temperatur gebracht wird, wodurch eine starke thermische Belastung des
Kondensatstrippers vermieden wird. In dieser Zeit wird das Wasser praktisch über den
Weg der Demineralisierungseinheit im Kreis gefahren. Da dieses Wasser keine
Schadstoffe aufweist, entsteht hierdurch jedoch auch kein Problem, keine Flüssigkeit muss in einem Tank zwischengelagert oder entsorgt werden. Auch ist es hierdurch eben möglich, den Kondensatstripper anzufahren, bevor das Kondensat erzeugt wird, sodass der Kondensatstripper bereits im thermisch stationären Zustand ist, wenn das erste
Kondensat im Kondensatabscheider anfällt. Erst nach Einstellung des thermischen
Gleichgewichts wird die Zufuhr von Wasser der Kesselwasserzuleitung des
Dampfkessels beendet und dafür wird Kondensat aus dem Kondensatabscheider zugeführt. Somit steht ab dem Moment, in dem belastetes Kondensat zugeführt wird, schon die volle Trennleistung des Kondensatstrippers zur Verfügung. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich somit der Einbau eines entsprechenden
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Tanklagers zur Speicherung von ungereinigtem Prozesskondensat für den
Anfahrprozess vermeiden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur kurzzeitigen
Deaktivierung einer Vorrichtung zur Dampfreformierung, vorzugsweiser einer erfindungsgemäBen Vorrichtung. Hierzu wird dem Kondensatstripper Wasser aus der
Kesselwasserzuleitung des Dampfkessels zugeführt, sobald die Zufuhr von Kondensat aus dem Kondensatabscheider beendet wird. Dieses führt dazu, dass der
Kondensatstripper kontinuierlich am optimalen thermischen und hydraulischen
Betriebspunkt weitergefahren werden kann, wenn die Dampfreformierung kurzzeitig deaktiviert werden muss. Dazu wird weiter kontinuierlich dem Kondensatstripper Dampf aus dem Dampfkessel zugeführt. Wird später die Dampfreformierung wieder begonnen, so befindet sich der Kondensatstripper bereits am optimalen thermischen und hydraulischen Betriebspunkt, sodass beim erneuten Anfahren der Vorrichtung zur
Dampfreformierung die Zufuhr von Wasser aus der Kesselwasserzuleitung des
Dampfkessels beendet werden kann und dafür Kondensat aus dem
Kondensatabscheider zugeführt wird.
Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung im Vergleich zum Stand der Technik anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 Stand der Technik
Fig. 2 erfindungsgemäße Vorrichtung
Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Pfeile geben die
Flussrichtung innerhalb der Verbindungen an.
In Fig. 1 ist zunächst eine Vorrichtung zur Dampfreformierung 10 nach dem Stand der
Technik gezeigt. Diese weist einen Reaktor 10, einen Kondensatabscheider 30 und einen COz-Abscheider 40 auf. Das so erzeugte Gasgemisch kann beispielsweise einer
Vorrichtung für das Haber-Bosch-Verfahren 50 zugeführt werden. Weiter weist die
Vorrichtung zur Dampfreformierung 10 einen Wasserkreislauf auf. Dieser umfasst einen
Kondensatstripper 60, in dem organische Bestandteile aus dem Kondensat entfernt werden. Das gereinigte Kondensat läuft aus dem Kondensatstripper 60 über eine
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Demineralisierungsvorrichtung 70 und eine Entgasungsvorrichtung 80 in den
Dampfkessel 90. Dort wird das Wasser erhitzt und verdampft. Der Dampf kann über einen optionalen ersten Überhitzer 100 in den Reaktor geleitet werden. Ebenso kann Dampf aus dem Dampfkessel 90 über einen optionalen zweiten Überhitzer 110 in den
Kondensatstripper 60 geführt werden. Dieser Dampf nimmt die flüchtigen organischen
Bestandteile auf und wird zu deren weiterer Umsetzung in den Reaktor 20 geführt. Der
Reaktor 20 ist in dem gezeigten Beispiel dreiteilig aufgebaut. In einem ersten Reaktorteil 21 wird Methan mit Wasserdampf umgesetzt, zwischen dem ersten Reaktorteil 21 und dem zweiten Reaktorteil 22 wird über eine Luftzufuhr 120 Luft zugeführt, sodass im zweiten Reaktorteil 22 eine oxidative Umsetzung erfolgt. Zwischen dem zweiten
Reaktorteil 22 und dem dritten Reaktorteil 23 wird erneut Wasserdampf zugegeben, sodass im dritten Reaktorteil 23 eine Wassergas-Shift-Reaktion erfolgt. Diese Prozesse laufen im stabilen Betrieb ab. Wird jedoch die Vorrichtung zur Dampfreformierung 10 erst angefahren, so sind die Prozesse noch nicht in einem eingeschwungenen Zustand.
Insbesondere kann in dem Kondensatstripper 60 keine Entfernung der organischen
Verunreinigungen aus dem Kondensat erreicht werden. Daher wird das Kondensat zunächst in einen Lagertank 140 geleitet und dann später im Regelbetrieb erneut dem
Kondensatstripper 60 zugeführt.
Im Unterschied hierzu zeigt Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Dampfreformierung 10. Diese unterscheidet sich dadurch, dass der Lagertank 140 weggelassen werden kann und dafür eine erfindungsgemäße Verbindung 130 zwischen der Entgasungsvorrichtung 80 und dem Dampfkessel 90 und dem Kondensatstripper 60 bereit gestellt wird und zwar so, dass warmes Wasser mit ungefähr der gleichen
Temperatur (Abweichung + 40 K, bevorzugt + 25 K) aus dem Dampfkessel 90 an die gleiche Stelle wie das Kondensat aus dem Kondensatabscheider 30 in den
Kondensatstripper 60 geleitet werden kann. Nun wird also der Kondensatstripper frühzeitig mit warmem Wasser aus der Kesselwasserzuleitung 150 des Dampfkessel 90 und Wasserdampf angefahren und in den thermisch stationären Zustand gebracht, bevor das Kondensat im Kondensatabscheider 30 anfällt. Hierdurch wird jede
Zwischenlagerung vermieden.
Bezugszeichen 10 Vorrichtung zur Dampfreformierung
° BE2021/5628 20 Reaktor 21 erster Reaktorteil 22 zweiter Reaktorteil 23 dritter Reaktorteil 30 Kondensatabscheider
40 — COz-Abscheider 50 Vorrichtung für das Haber-Bosch-Verfahren 60 Kondensatstripper 70 Demineralisierungsvorrichtung
80 Entgasungsvorrichtung 90 Dampfkessel 100 erster Überhitzer 110 zweiter Überhitzer 120 Luftzufuhr
130 erfindungsgemäße Verbindung 140 Lagertank 150 Kesselwasserzuleitung
Claims (5)
1. Vorrichtung zur Dampfreformierung (10), wobei die Vorrichtung zur Dampfreformierung (10) einen Reaktor (20), einen Kondensatabscheider (30), einen Kondensatstripper (60) und einen Dampfkessel (90) aufweist, wobei der Reaktor (20) zur Erzeugung von Wasserstoff ausgebildet ist, wobei der Reaktor (20) so mit dem Kondensatabscheider (30) verbunden ist, dass das erzeugte Gasgemisch aus dem Reaktor (20) in den Kondensatabscheider (30) geführt wird, wobei der Kondensatabscheider (30) und der Kondensatstripper (60) so miteinander verbunden sind, dass das im Kondensatabscheider (30) abgeschiedene Kondensat in den Kondensatstripper (60) geführt wird, wobei der Kondensatabscheider (30) und der Dampfkessel (90) so miteinander verbunden sind, dass gereinigtes Kondensat aus dem Kondensatstripper (60) in den Dampfkessel (90) geführt werden kann, wobei der Dampfkessel (90) dampfführend mit dem Reaktor (20) verbunden ist, wobei der Dampfkessel (90) dampfführend mit dem Kondensatstripper (60) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kesselwasserzuleitung (150) des Dampfkessel (90) flüssigkeitsführend mit dem Kondensatstripper (60) verbindbar ist, wobei die Zuführung aus der Kesselwasserzuleitung (150) des Dampfkessel (90) an der gleichen Stelle des Kondensatstrippers (60) erfolgt wie die Zuführung des Kondensats vom Kondensatabscheider (30).
2. Vorrichtung zur Dampfreformierung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensat-führende Verbindung zwischen dem Kondensatabscheider (30) und dem Kondensatstripper (60) und die flüssigkeitsführende Verbindung zwischen der Kesselwasserzuleitung (150) des Dampfkessels (90) und dem Kondensatstripper (60) über einen gemeinsamen Anschluss in den Kondensatstripper (60) führen.
3. Vorrichtung zur Dampfreformierung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kesselwasserzuleitung (150) des Dampfkessels (90) flüssigkeitsführend über ein Ventil mit dem Kondensatstripper (60) verbindbar ist.
4. Verfahren zum Anfahren einer Vorrichtung zur Dampfreformierung (10), dadurch gekennzeichnet, dass dem Kondensatstripper (60) zunächst Wasser aus der Kesselwasserzuleitung (150) des Dampfkessels (90) zugeführt wird, anschließend dem Kondensatstripper (60) Dampf aus dem Dampfkessel (90) zugeführt wird und nach Einstellung des thermischen Gleichgewichts die Zufuhr von Wasser aus der Kesselwasserzuleitung (150) des Dampfkessels (90) beendet wird und dafür Kondensat aus dem Kondensatabscheider (30) zugeführt wird.
5. Verfahren zur kurzzeitigen Deaktivierung einer Vorrichtung zur Dampfreformierung, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kondensatstripper (60) Wasser aus der Kesselwasserzuleitung (150) des Dampfkessel (90) zugeführt wird, sobald die Zufuhr von dafür Kondensat aus dem Kondensatabscheider (30) beendet ist, wobei kontinuierlich dem Kondensatstripper (60) Dampf aus dem Dampfkessel (90) zugeführt wird, wobei beim erneuten Anfahren der Vorrichtung zur Dampfreformierung (10) die Zufuhr von Wasser aus der Kesselwasserzuleitung (150) des Dampfkessel (90) beendet wird und dafür Kondensat aus dem Kondensatabscheider (30) zugeführt wird.
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