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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor zur thermischen Abfallbehandlung.
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Bei
der Vergasung, Pyrolyse, Thermolyse, Trocknung, Überhitzung, Verbrennung und/oder
Teilverbrennung handelt es sich um an sich bekannte Verfahren zur
thermischen Abfallbehandlung. Entsprechende Reaktoren sind aus dem
Stand der Technik bekannt.
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Aus
der
DE 10007115 C2 ,
von der die vorliegende Erfindung als nächstkommendem Stand der Technik
ausgeht und deren Offenbarungsgehalt mit zur Offenbarung der vorliegenden
Patentanmeldung gehört,
ist ein Schachtreaktor bekannt, bei dem auf die sonst übliche Kreislauf-Gasführung verzichtet wird
und der nach dem Gleichstromprinzip arbeitet. Durch den Verzicht
auf eine Kreislauf-Gasführung soll
die Kondensation von Pyrolyseprodukten und die Entstehung unerwünschter
Ablagerungen vermieden werden. Hieraus ist ferner bekannt, durch
Sauerstofflanzen innerhalb einer Ebene eine heiße Zone in dem Reaktor zu schaffen,
in der Temperaturen von 1 500 Grad Celsius bis 2 000 Grad Celsius
herrschen können.
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Aus
der
DE 19816864 A1 ist
ein koksbeheizter Kreislaufgas-Kupolofen zur stofflichen und/oder energetischen
Verwertung von Abfallmaterialien unterschiedlicher Zusammensetzung
bekannt. Eine untere Absaug- und Gasberuhigungs-Ringkammer wird unterhalb
bis zur Ebene der durch die Lage der Gasstrahlverdichter gebildeten
Schmelz- und Überhitzungszone
angeordnet. Diese Anordnung bewirkt, dass das Überschussgas direkt aus der
Schmelz- und Überhitzungszone
mit hohen Temperaturen um 2 000 Grad Celsius aus dem Ofenschacht
abgezogen wird. Das Überschussgas
wird ebenfalls durch die glühende
Koksschicht der Schmelz- und Überhitzungszone
des koksbeheizten Kreislaufgas-Kupolfens geführt. Durch die Energie verbrauchende
Wirkung des Boudouard-Gleichgewichts wird Kohlendioxid unter Absenkung
der Gastemperatur zu Kohlenmonoxid umgesetzt.
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Aus
der
DE 19640497 A1 ist
ein koksbeheizter Kreislaufgas-Kupolofen zur stofflichen und/oder energetischen
Verwertung von Abfallmaterialien, wie beispielsweise Hausmüllfraktionen
verschiedener Zusammensetzungen, bekannt. Der Kreislaufgas-Kupolofen hat einen
senkrechten Ofenschacht mit mehreren, um den Umfang des Ofenschachts
angeordneten Ofengas-Absaugöffnungen,
die durch Kanäle
mit über
dem Herd im Bereich der Schmelz- und Überhitzungszone installierten
Düsen verbunden sind.
Die Düsen
haben zentrisch geführte
Sauerstofflanzen und einen Gasstrahlverdichter.
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Aus
der
DE 4030554 C2 ist
eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Abfallstoffen bekannt.
Eine Dioxin-Problematik wird dadurch vermieden, dass Ruß in einer
Koksschüttung
zu Kohlenmonoxid umgesetzt wird. Die Koksschüttung wirkt auch als Staubfilter,
sodass etwa noch an Staubpartikeln gebundene Dioxine und Furane
im Bereich der Koksschüttung
zurückgehalten
werden.
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Die
US 2,709,153 zeigt ein Verfahren
zur Verkokung und Vergasung bituminöser Materialien. Nachteilig
ist hierbei insbesondere, dass nicht eindeutig bestimmt werden kann,
in welchen Bereichen des Reaktors die gasförmigen Stoffe im Gleich- oder Gegenstrom
die Einsatzstoffe und/oder die Zwischenprodukte durchströmen.
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Aus
der
DE 4324111 A1 ist
eine Vorrichtung zum Brennen von mineralogischen und petrografischen
Verbindungen und Gemengen bekannt. In einem Gegenstrom-Schachtofen werden
Ofengase abgezogen und über
Brennerdüsen
nach Grobstaubabscheidung wieder an einer anderen Stelle mit dem Brenngas
eingeblasen.
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Ferner
ist aus der A 217064 ist ein Schachtofen zur Durchführung einer
kontinuierlichen Reduktion von Metalloxiden bekannt. Der Schachtofen
wird nach dem Gegenstromprinzip betrieben und hat in seinem unteren
Bereich einen Austragtisch. An dem Schachtofen sind in mehreren
Höhenlagen
verteilt Düsen
angeordnet. Sauerstoffhaltige Gase werden in gleichen Zeitabständen abwechselnd
durch Düsen verschiedener
Höhenlage
und/oder durch verschiedene Düsen
oder Düsenpaare
derselben Höhenlage eingeblasen.
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Das
Einblasen von sauerstoffhaltigen Gasen durch die verschiedenen Düsensätze abwechselnd in
gleichen Zeitabständen
hat zur Folge, dass jede Düse
jeweils eine kurze Periode in Gebrauch und danach in einer entsprechenden
Periode abgesperrt ist. Jeder Düsensatz
besteht aus vier Düsen,
die im Winkel von 90 Grad zueinander angeordnet sind. Diese Düsen sind
in der Weise an die Luftzuführungsleitung angeschaltet,
dass auf jedem Niveau zwei Paare diametral angeordneter Düsen vorhanden
sind. Die Luftzuführung
zu den einzelnen Paaren wird durch ein Umschaltventil in der Hauptleitung
der betreffenden Düsenebene
gesteuert.
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Durch
eine derartige periodische, rhythmische Luftzuführung werden Briketts, während sie
im Schacht herabsinken, wechselweise durch Verbrennung der Kohlenmonoxidgase
erhitzt und wiederum durch die endothermenen Reaktionen in den Briketts abgekühlt. Die
Luftzuführung
kann auch so ausgeführt
sein, dass die Düsen
in einer Ebene im Verhältnis
zu den Düsen
in den anderen Ebenen versetzt sind.
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Dieser
vorbekannte Schachtofen ist zur Gewinnung von Metallen aus oxidischen
Erzen, wie Eisenerz, Ilmenit, Manganerz und Chromerz geeignet. Eine
thermische Abfallbehandlung von Einsatzstoffen ist mit einem solchen
Schachtofen jedoch nicht möglich.
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Demgegenüber liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Reaktor zu schaffen,
der für
die thermische Abfallbehandlung von Einsatzstoffen geeignet ist.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mit den Merkmalen des
Hauptanspruchs gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen
angegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein
Reaktor zur thermischen Abfallbehandlung von Einsatzstoffen mit
einem Behälter
zur Aufnahme der Einsatzstoffe und Eindüsungsmitteln geschaffen. Durch
die Eindüsungsmittel
wird ein zusammenhängender
Bereich in den Behälter
für die
thermische Abfallbehandlung der Einsatzstoffe geschaffen. Die Eindüsungsmittel
haben zumindest erste und zweite, in Richtung eines Stoffstroms
durch den Behälter
voneinander beabstandete Eindüsungselemente.
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Beim
Betrieb des Reaktors wird über
die Eindüsungsmittel
ein reaktionsfähiger
Stoff oder ein Stoffgemisch in den Behälter eingedüst, sodass sich der zusammenhängende Bereich,
innerhalb dessen die thermische Abfallbehandlung der Einsatzstoffe stattfindet,
ausbildet. Bei dem reaktionsfähigen
Stoff oder Stoffgemisch kann es sich um reaktionsfähige Gase
und/oder Flüssigkeiten
handeln.
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Beispielsweise
wird Luft oder Sauerstoff über Sauerstofflanzen
eingedüst.
Insbesondere zur Beeinflussung eines Reaktionsgleichgewichts der
thermischen Abfallbehandlung kann das eingedüste Stoffgemisch neben einer
oxidierenden Komponente, wie zum Beispiel Sauerstoff, eine reduzierende Komponente,
wie zum Beispiel Wasserdampf, Kohlendioxid oder kohlendioxidhaltiges
Gas beinhalten.
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Die
Eindüsung
des reaktionsfähigen
Stoffs oder Stoffgemischs erfolgt über die zumindest erste und
zweite in Richtung des Stoffstroms durch den Behälter beabstandete Eindüsungselemente,
also zum Beispiel über
entsprechend beabstandete Sauerstofflanzen. Der Abstand der Eindüsungselemente ist
dabei so gewählt,
dass ein zusammenhängender Bereich
für die
thermische Abfallbehandlung geschaffen wird, der sich in Richtung
des Stoffstroms in dem Behälter
erstreckt. Dadurch vergrößert sich
der Reaktionsraum sowie die Verweilzeit der Einsatzstoffe und Zwischenprodukte
für die
thermische Abfallbehandlung. Der Stoffumsatz der Einsatzstoffe sowie der
bei der thermischen Abfallbehandlung entstehenden Zwischenprodukte
mit dem eingebrachten reaktionsfähigen
Stoff bzw. Stoffen wird dadurch verbessert und kann vollständiger ablaufen.
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Bei
der in dem zusammenhängenden
Bereich des Reaktors durchgeführten
thermischen Abfallbehandlung kann es sich um verschiedene Prozesse
handeln, zum Beispiel Trocknung, Thermolyse, Pyrolyse, Vergasung, Überhitzung,
Verbrennung und/oder Teilverbrennung der Einsatzstoffe.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die Eindüsungselemente
zur Ausbildung zumindest erster und zweiter Eindüsungsebenen angeordnet. Die
Eindüsungsebenen
sind in Richtung des Stoffstroms durch den Behälter voneinander beabstandet,
um den zusammenhängenden Bereich
für die
thermische Abfallbehandlung zu schaffen. Durch die Anordnung der
Eindüsungselemente
in mehreren voneinander beabstandeten Eindüsungsebenen ist ein vollständigerer
und gleichmäßigerer
Stoffumsatz in dem zusammenhängenden Bereich
ermöglicht.
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Aufgrund
konstruktiver Randbedingungen können
nämlich
nur eine begrenzte Anzahl von Eindüsungselementen am Umfang des
Behälters
innerhalb einer Eindüsungsebene
verteilt angeordnet werden. Selbst bei vollständiger Ausbildung der Wirbelzonen
vor allen Eindüsungselementen
derselben Eindüsungsebene
ist jedoch keine über
dem gesamten Behälterquerschnitt
einheitliche Verteilung der Reaktionspartner, das heißt von Einsatzstoffen,
Zwischenprodukten und dem eingedüsten
reaktionsfähigen
Stoff oder Stoffgemisch gegeben, wenn nur eine einzige Eindüsungsebene
vorhanden ist. Ferner ist bei der Eindüsung von zum Beispiel Gasen
in eine Festkörperschüttung die
Eindringtiefe radial und auch axial zur Reaktorachse begrenzt, wodurch
es bei vorbekannten Reaktoren zu Strähnenbildung in den offenen
Randzonen sowie im Kernbereich der Schüttung kommen kann.
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Wegen
der Strähnenbildung
durchläuft
also ein Teil der Einsatzstoffe den durch die einzige Eindüsungsebene
gebildeten Reaktionsbereich unbehandelt oder aufgrund nicht ausreichender
Verweilzeit nur unvollständig
behandelt. Gleiches kann für
die Zwischenprodukte der Einsatzstoffe zutreffen. Dieses Problem
wird dadurch verstärkt,
wenn der Einfluss stark schwankender Eigenschaften der Einsatzstoffe
sowie der vorübergehende
Ausfall von ein oder mehreren Eindüsungselementen während der
Betriebsphase des Reaktors hinzukommen. Dies hat eine ungleichmäßige Verteilung
der Temperatur und damit eine Senkung des energetischen Potenzials
in der durch die einzige Eindüsungsebene
gebildeten Behandlungszone zur Folge.
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Demgegenüber wird
durch die erfindungsgemäße Anordnung
der Eindüsungselemente
in mehreren, in Richtung des Stoffstroms durch den Behälter voneinander
beabstandeten Eindüsungsebenen
eine gleichmäßigere,
vollständigere
und intensivere thermische Behandlung der Einsatzstoffe und deren
Zwischenprodukte erreicht. Insbesondere wird die Gefahr einer Strähnenbildung
reduziert.
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Zur
Schaffung eines zusammenhängenden Bereichs
für die
thermische Abfallbehandlung der Einsatzstoffe ist der Abstand zwischen
den Eindüsungsebenen
so gewählt,
dass die Temperatur zwischen den Eindüsungsebenen nicht unter einen
bestimmten Mindestwert fällt.
Dieser Mindestwert hängt von
dem gewählten
thermischen Abfallbehandlungsverfahren ab.
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Wenn
es sich bei der thermischen Abfallbehandlung beispielsweise um eine
Verbrennung handelt, beispielsweise für die Behandlung hausmüllähnlicher
Abfälle, so
kann die Mindesttemperatur ca. 900 °C betragen. Sollen Einsatzmittel
behandelt werden, die Schmelzen bildende Stoffe, wie Mineralien
oder höher
schmelzende Metalle enthalten, müss
eine deutlich höhere
Mindesttemperaturen eingehalten werden, um zu vermeiden, dass diese
Schmelzen in dem Reaktor in den festen Zustand übergehen. Der Abstand zwischen
den Eindüsungsebenen
wird bei der Konstruktion des Reaktors also in Abhängigkeit von
den in dem Reaktor zu behandelnden Einsatzstoffen so gewählt, dass
die für
die gewünschte
Art der thermischen Abfallbehandlung und die Art der Einsatzstoffe
erforderliche Mindesttemperatur zwischen den Eindüsungsebenen
nicht unterschritten wird.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die Eindüsungselemente
innerhalb einer Eindüsungsebene
symmetrisch verteilt. Vorzugsweise sind die Eindüsungselemente radial auf die
Längsachse
des Reaktors ausgerichtet, das heißt, die Eindüsungselemente
sind bei rundem Reaktorquerschnitt im Wesentlichen senkrecht zu
der Behälterwandung
angeordnet. Vorteilhaft ist ferner eine tangentiale Ausrichtung
eines oder mehrerer der Eindüsungselemente.
Dabei kann ein Eindüsungselement
einen Winkel zwischen 0 und 90 Grad mit der Normalen der Behälterwand
einschließen,
vorzugsweise einen Winkel zwischen 20 und 80 Grad, insbesondere
40 Grad.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind eine oder mehrere der Eindüsungselemente nicht waagerecht,
sondern in Richtung des Stoffstroms durch den Behälter geneigt,
angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass eine Komponente des Impulses
des eingedüsten
Stoffs oder Stoffgemischs die Einsatzstoffe und deren Zwischenprodukte
in Richtung des Stoffstroms durch den Bereich für die thermische Abfallbehandlung
vorantreibt. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die Neigung der
Eindüsungselemente
eine Verschmutzung oder Verstopfung durch Eindringen von Reaktormaterial
in ein Eindüsungselement
vermieden oder deutlich verringert wird. Die Neigung der Eindüsungselemente
hat also eine selbstreinigende Funktion und hält die Eindüsungselemente des reaktionsfähigen Stoffs
bzw. Stoffgemischs frei. Der Neigungswinkel in Bezug auf den Stoffstrom,
d.h. zur Reaktorlängsachse,
kann dabei zwischen 0 und 90 Grad betragen. Vorzugsweise beträgt der Neigungswinkel
zur Normalen der Behälterwand
zwischen 5 und 30 Grad.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung schließen
verschiedene Eindüsungselemente
derselben oder unterschiedlicher Eindüsungsebenen verschiedene Winkel
mit der Normalen der Behälterwand
und/oder mit dem Stoffstrom ein. Durch diese ungleichmäßige Ausrichtung
der Eindüsungselemente
kommt es zu einer intensiveren Verwirbelung innerhalb des Bereichs
für die
thermische Abfallbehandlung.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Eindüsungselemente
aufeinander folgender Eindüsungsebenen versetzt
zueinander angeordnet. Dadurch wird eine gleichmäßigere Beaufschlagung des zusammenhängenden
Bereichs für
die thermische Abfallbehandlung mit reaktionsfähigem Stoff erreicht, was zu
einem vollständigerem
Umsatz der Einsatzstoffe und einer Reduktion oder Vermeidung von
Strähnenbildung
führt.
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Beispielsweise
sind zwei Eindüsungsebenen mit
je 12 Eindüsungselementen
vorhanden. Benachbarte Eindüsungselemente
derselben Eindüsungsebene
schließen
dann einen Winkel von 30 Grad ein. Die beiden Eindüsungsebenen
sind zueinander um einen Winkel 15 Grad versetzt, um den Bereich
zwischen den Eindüsungselementen
der vorausgehenden Eindüsungszone
abzudecken.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Eindüsungselemente
einzeln oder in Gruppen schaltbar, steuerbar und/oder regelbar. Über entsprechende
Steuerungs- und/oder Regelungsmittel erfolgt eine kontinuierliche,
intermittierende, oszillierende und/oder alternierende Eindüsung in
den zusammenhängenden
Bereich.
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Eine
intermittierende, oszillierende und/oder alternierende Betriebsweise
der Eindüsungsmittel hat
den Vorteil einer Auflockerung und/oder eines Freiblasens der Poren
in der Schüttung
und somit der Vergrößerung des
Reaktionsraums. Dies wird durch Veränderung der lokalen Drücke und/oder
der Menge des lokal eingebrachten reaktionsfähigen Stoffs aufgrund der intermittierenden,
oszillierenden und/oder alternierenden Eindüsung zum Beispiel mit einer Phasenverschiebung
zwischen einzelnen Eindüsungselementen
oder Gruppen von Eindüsungselementen
erreicht.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung hat der Reaktor eine Steuerung oder Regelung für die Zusammensetzung
des einzudüsenden
reaktionsfähigen
Stoffgemischs.
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Gemäß dem Massenwirkungsgesetz
laufen Reaktionen schneller ab, je größer die Konzentration der Reaktionspartner
ist. Sollen nun bestimmte Reaktionen oder Gleichgewichte wie zum
Beispiel die heterogene Wassergasreaktion [H2O
+ C = 2H2 + CO] beeinflusst werden, so ist
es sinnvoll, den Wasserdampfanteil in dem reaktionsfähigen Stoff
zu erhöhen und über die
Eindüsungsmittel
einzublasen. Da im konkreten Fall die Wassergasreaktion endotherm
ist, muss beachtet werden, dass ggf. durch andere Maßnahmen
wie die Erhöhung
des Sauerstoffanteils zur Förderung
einer partiellen Verbrennung und damit einer Temperaturerhöhung innerhalb
der gleichen oder einer anderen Eindüsungsebene eine Kompensation erfolgen
muss, es sei denn, dieser Einfluss der Erhöhung des Wasserdampfanteils
auf eine Temperaturerniedrigung ist gleichzeitig gewollt.
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Ein
weiteres Beispiel ist die Beeinflussung des Boudouard-Gleichgewichts
[C + CO2 = 2CO], welches eine große Rolle
bei thermischen Verfahren spielt, die Reduktionsmechanismen des
Kohlenstoffs [C] oder des Kohlenoxids [CO] auszunutzen. Da der zusammenhängende Bereich
für die
thermische Abfallbehandlung in dem Reaktorbehälter durch mehrere Eindüsungsebenen
gebildet wird, kann in einer oberen Ebene, z.B. der in Richtung
des Stoffstroms obersten Eindüsungsebene,
Kohlendioxid [CO2] oder kohlendioxidhaltiges
Gas eingeblasen werden, welches beispielsweise aus einer nachfolgenden
Gaswäsche
stammt.
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Diese
Komponente wird in dem Bereich lediglich aufgeheizt und nimmt zunächst an
keiner Reaktion teil. Für
einen nachfolgenden Reduktionsbereich ist dieses Kohlen dioxid jedoch
Ausgangstoff für die
Boudouard-Reaktion und kann entsprechend den thermodynamischen Bedingungen
in Kohlenmonoxid [CO], einer der energetisch nutzbaren Komponenten eines
Produktgases von Vergasungsverfahren, umgewandelt werden. In dem
Bereich findet in diesem Beispiel ein physikalischer Vorgang der
Temperaturerhöhung
statt, der in einer nachfolgenden Stufe der thermischen Behandlung
das thermodynamische Gleichgewicht der Boudouard-Reaktion in Richtung Reaktionsprodukt
Kohlenmonoxid [CO] verschiebt.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird Prozessabwärme
für die
Aufheizung des reaktionsfähigen
Stoffs bzw. Stoffgemischs vor der Eindüsung verwendet. Die Abwärme kann
aus einem in dem Reaktor ablaufenden Prozess, der Abkühlung der
ausgebrachten Schmelzen, der Abkühlung
aus dem ausgebrachten Rohgas oder der Abwärme aus nachgeschalteten Prozessen der
Rohgasreinigung oder der Rohgasaufbereitung stammen.
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Alternativ
oder zusätzlich
können
auch andere Wärmequellen
für die
Aufheizung verwendet werden. Die Prozesse der thermischen Behandlung
von Abfallstoffen beginnen nämlich
bereits bei Temperaturen von unter 100 °C und erreichen je nach Verfahren
oder Verfahrensschritt bis über
2 000 °C.
Der reaktionsfähige
Stoff bzw. das Stoffgemisch wird vor der Eindüsung vorzugsweise auf die Prozesstemperatur
erhitzt.
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Durch
Nutzung der Abwärme
zum Beispiel aus der Abkühlung
des Reaktors, der Schmelzen und/oder des Rohgases kann der Gesamtwirkungsgrad
verbessert werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Abwärme aus
nachfolgenden Prozessen, wie zum Beispiel der Methanolsynthese,
für die Erhitzung
des reaktionsfähigen
Stoffs oder Stoffgemischs verwendet werden.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden Stoffe, die man aufgrund der thermischen Abfallbehandlung
in dem Reaktor erhält, über die
Eindüsungsmittel
für die
thermische Abfallbehandlung der Einsatzstoffe in den Prozess zurückgeführt. Hierbei
kann es sich um Stoffe handeln, die aus der thermischen Abfallbehandlung der
Einsatzstoffe nachgeschalteten Gasreinigung, Gasaufbereitung oder
Gasverwertung gewonnen werden.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung steigt die Anzahl der Eindüsungselemente pro Eindüsungsebene
in Richtung des Stoffstroms durch den Behälter an. Dadurch kann die insgesamt
erforderliche Anzahl von Eindüsungselementen
optimiert werden, da aufgrund der großen Zahl von Eindüsungselementen
der letzten Eindüsungsebene
hinreichend sichergestellt ist, dass die Einsatzstoffe vollständig behandelt
werden.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Eindüsungsmittel aus
Metall, zum Beispiel Kupfer. In diesem Fall ist eine Kühlung durch
ein Wärmeträgermedium,
zum Beispiel Wasser, erforderlich. Eine solche Kühlung kann entfallen, wenn
die Eindüsungsmittel
ganz oder teilweise aus Keramik bestehen.
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Im
Weiteren werden bevorzugte Ausführungen
der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Reaktors,
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2 einen
Querschnitt des Reaktors mit einer bevorzugten Ausführungsform
der Anordnung der Eindüsungsmittel,
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3 einen
Querschnitt des Reaktors mit einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Anordnung der Eindüsungsmittel,
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4 einen
Querschnitt des Reaktors mit einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Anordnung der Eindüsungsmittel,
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5 eine
bevorzugte Ausführungsform
des zeitlichen Verlaufs der Eindüsung
in zwei verschiedenen Eindüsungsebenen.
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Die 1 zeigt
einen Reaktor zur thermischen Abfallbehandlung von Einsatzstoffen
d. Bei den Einsatzstoffen d kann es sich um übliche Siedlungsabfälle, Industrieabfälle, Klinikabfälle oder
dergleichen handeln sowie auch um schwierige Stoffe, insbesondere
Erdöl-
und Raffinerieabfälle.
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Der
Reaktor hat einen Behälter 7,
in den die thermisch zu behandelnden Einsatzstoffe d zum Beispiel über eine
Schüttvorrichtung
eingefüllt
werden. Dadurch bildet sich eine entsprechende Schüttung in dem
Behälter 7 aus.
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In
Längsrichtung
des Behälters 7 sind
an dessen Wandung 8 Eindüsungsmittel angeordnet, die
mehrere Eindüsungselemente 4, 5 und 6 aufweisen.
Die Eindüsungselemente 4, 5 und 6 sind
in voneinander beabstandeten Eindüsungsebenen 1, 2 und 3 angeordnet. Über die
Eindüsungselemente 4 wird ein
Stoff oder Stoffgemisch a, über
die Eindüsungselemente 5 wird
ein Stoff oder Stoffgemisch b und über die Eindüsungselemente 6 wird
ein Stoff oder Stoffgemisch c eingedüst. Die Stoffe oder Stoffgemische a,
b und c können
gleich oder verschieden sein.
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Die
Eindüsungsebene 2 ist
von der Eindüsungsebene 1 in
Richtung des Stoffstroms um den Abstand L1 beabstandet; die Eindüsungsebene 3 ist von
der Eindüsungsebene 2 in
Richtung des Stoffstroms um den Abstand L2 beabstandet. Die Abstände L1 und
L2 sind so gewählt,
dass die Temperatur der Einsatzstoffe d und der Zwischenprodukte
e zwischen den Eindüsungsebenen 1 und 2 sowie 2 und 3 nicht
unter eine vorgegebene Mindesttemperatur abfällt. Dadurch wird ein zusammenhängender Bereich 11 für die thermische
Abfallbehandlung geschaffen. Der Bereich 11 wird durch
seine obere Grenze 9 und seine untere Grenze 10 begrenzt.
Die obere Grenze 9 und die untere Grenze 10 sind
Isotherme, das heißt
Flächen,
die die Mindesttemperatur für
die thermische Abfallbehandlung aufweisen.
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Sofern
der Reaktor zur Verbrennung zum Beispiel hausmüllähnlicher Abfälle dienen
soll, so kann die Mindesttemperatur ca. 900 °C betragen. Zur Behandlung von
Einsatzstoffen, die Schmelzen bildende Stoffe wie Mineralien oder
höher schmelzende Metalle
enthalten, muss eine deutlich höhere
Mindesttemperatur eingehalten werden, um ein Erstarren der Schmelze
zu vermeiden. Dies ist insbesondere auch für die Behandlung von Abfällen der
Erdöl- und
Raffinerieindustrie erforderlich, insbesondere zur thermischen Behandlung
von Metall- und Maschinenteilen, die erdölverschmutzt sind, sowie von
Filteranlagen und Filterkomponenten der Erdölindustrie.
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Sollen
in dem Reaktor zum Beispiel PCB(polychlorierte Biphenyle)-haltige
Einsatzstoffe durch Oxidation und Überhitzung thermisch abschließend behandelt
werden und dort PCB als Leitkomponente des Einsatzstoffes vollständig aufgespalten
werden, dann liegt die Mindesttemperatur, die zwischen den Eindüsungsebenen
nicht unterschritten werden darf, bei über 1 000 °C.
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Die
Abstände
L1 und L2 werden also in Abhängigkeit
von den zu behandelnden Einsatzstoffen gewählt. Je nach dem beabsichtigten
Einsatzgebiet liegen die Abstände
L1 und L2 im Bereich von ca. 30 Zentimeter bis 1,5 Meter, vorzugsweise
im Bereich von 50 cm bis 1 m.
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Bei
den Eindüsungselementen
kann es sich um Sauerstofflanzen, Düsen, Brenner oder dergleichen
handeln, über
welche Luft, Sauerstoff, verschiedene Brenngase, Gasgemische und/oder
Flüssigkeiten
zugeführt
werden können,
mit dem Ziel, die Temperatur für
die thermische Abfallbehandlung der Einsatzstoffe d auf einen gewünschten
Wert einzustellen.
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Sofern
die Zufuhr von Sauerstoff dafür
nicht ausreichend ist, können
auch Fremdbrenngase oder aus dem Reaktor gewonnene Überschussgase über die
Eindüsungsmittel
zugeführt
werden. In dem hier betrachteten Ausführungsbeispiel verfügen die
Eindüsungselemente 4, 5 und 6 über Stellvorrichtungen, über die
der Volumenstrom und/oder die Zusammensetzung der über ein
Eindüsungselement
eingedüsten
reaktionsfähigen
Stoffgemisches eingestellt werden kann.
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In
dem hier betrachteten Ausführungsbeispiel
sind die Eindüsungselemente 4 der
obersten Eindüsungsebene 1 so
angeordnet, dass eine Eindüsung
des reaktionsfähigen
Stoffs oder Stoffgemisch in einem Winkel von 80 Grad zu der Vorzugsrichtung des
Stoffstroms erfolgt. Dies entspricht einem Winkel von 10 Grad zu
der Normalen der Wandung 8 des Behälters 7.
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Entsprechend
sind die Eindüsungselemente 5 der
darunter liegenden zweiten Eindüsungsebene 2 so
angeordnet, dass die Eindüsung
unter einem Winkel von 85 Grad erfolgt, das heißt, die Eindüsungselemente 5 schließen einen
Winkel von 5 Grad mit der Flächennormalen
der Wandung 8 an.
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Die
Eindüsungselemente 6 der
untersten Eindüsungsebene 3 sind
senkrecht zu der Wandung 8 angeordnet, sodass die Eindüsung in
den Stoffstrom unter einem 90-Grad-Winkel
erfolgt.
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Die
Neigung der Eindüsungselemente
zur Bildung eines spitzen Winkels mit dem Stoffstrom hat den Vorteil,
dass eine Richtungskomponente des Impulses des eingedüsten Stoffs
in Richtung des Stoffstroms zeigt, was dem Stoffstrom von Einsatzstoffen
d und Zwischenprodukten e förderlich
ist. Ein weiterer Vorteil der Neigung der Eindüsungselemente ist, dass dieses
einem Eindringen von Reaktormaterial in das betreffende Eindüsungselement
vorbeugt. Ein weiterer Vorteil der Neigung ist, dass einer Verschmutzung
oder Verstopfung der Eindüsungselemente
entgegengewirkt wird.
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Der
Reaktor hat eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) 13,
die zur Steuerung der Stellvorrichtungen 12 und weiterer
in der 1 der Übersichtlichkeit
halber nicht gezeigter Aggregate des Reaktors dient. Hierzu verfügt die SPS 13 über zumindest
einen Mikroprozessor zur Ausführung
der Programmmodule 14 und 15. Ferner ist die SPS 13 mit
einer Messeinrichtung 16, beispielsweise einem Temperatursensor,
verbunden.
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Dem
in der 1 dargestellten Abschnitt des Reaktors ist eine
Gasreinigungsvorrichtung 17 nachgeschaltet, die Abwärme 18 aus
der Gasreinigung zur Erhitzung der über die Eindüsungselemente 4, 5 und 6 einzudüsenden reaktionsfähigen Stoffe
abgibt.
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Beim
Betrieb des Reaktors werden Einsatzstoffe d in den Behälter 7 eingefüllt. Über die
Eindüsungselemente
wird ein reaktionsfähiger
Stoff oder ein Stoffgemisch eingedüst, sodass sich ein zusammenhängender
Bereich 11 herausbildet, in dem eine thermische Abfallbehandlung
der Einsatzstoffe d stattfindet. Aufgrund der Wahl der Abstände L1 und L2
zwischen den Eindüsungsebenen
erreicht die Temperatur in dem zusammenhängenden Bereich 11 überall einen
vorgegebenen Mindestwert.
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In
dem Bereich 11 reagieren die Einsatzstoffe d mit den über die
Eindüsungselemente 4, 5 und 6 eingedüsten reaktionsfähigen Stoffen,
sodass Zwischenprodukte e und Endprodukte f gebildet werden. Die
Endprodukte f verlassen den Bereich 11 in Richtung des
Stoffstroms des nach dem Gleichstromprinzip betriebenen Reaktors.
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Insbesondere
bei problematischen Einsatzstoffen d, die aufgrund ihrer Kornverteilung,
Kornform und/oder Korngröße zur Verdichtung
oder Schichtung neigen, ist es vorteilhaft, einzelne Eindüsungselemente
oder Gruppen von Eindüsungselementen, insbesondere
der Eindüsungselemente
verschiedener Eindüsungsebenen,
oszillierend, intermittierend und/oder alternierend zu betreiben.
Durch die zeitliche Veränderung
des über
ein Eindüsungselement
in die Schüttung
eintretenden Volumenstroms von reaktionsfähigen Stoffen kommt es zu einer
Auflockerung und/oder einem Freiblasen der Poren in der Schüttung und
somit zu einer Vergrößerung des
Reaktionsraums. Dadurch kann eine bessere Ausbildung der Wirbelzonen
in dem Bereich 11 erreicht werden sowie einer Strähnenbildung
entgegengewirkt werden. Die entsprechende Ansteuerung der Stellvorrichtungen 12 der
Eindüsungselemente 4, 5 und 6 erfolgt durch
das Programmmodul 14 der SPS 13.
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Ferner
erhält
die SPS 13 von der Messeinrichtung 16 einen Messwert,
beispielsweise einen Temperaturmesswert, aus dem die SPS 13 eine
Information über
den Ab lauf der thermischen Abfallbehandlung in dem Bereich 11 ableitet.
Beispielsweise lässt
sich aus dem Temperaturmesswert die Temperatur in dem Bereich 11 zumindest
näherungsweise ableiten.
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Diese
Information wird von dem Programmmodul 15 genutzt, um die
Zusammensetzung des reaktionsfähigen
Stoffgemischs zum Beispiel zur Beeinflussung des Reaktionsgleichgewichts
der in dem Bereich 11 ablaufenden thermischen Abfallbehandlung
zu regeln. Hierzu kann das Programmmodul 15 die Stellvorrichtungen 12 der
Eindüsungselemente 4, 5 und 6 entsprechend
ansteuern.
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Die
Endprodukte f werden in der Gasreinigungsvorrichtung 17 einer
Gasreinigung unterzogen. Die dabei erzeugte Abwärme 18 wird zur Erhitzung der über die
Eindüsungselemente 4, 5 und 6 in
den Bereich 11 eingedüsten
reaktionsfähigen
Stoffe oder Stoffgemische verwendet. Dadurch lässt sich der Gesamtwirkungsgrad
der Anlage erhöhen.
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Von
wesentlichem Vorteil des Reaktors ist, dass sich der Bereich 11 über die
Länge LG
in Richtung des Stoffstroms durch den Behälters 7 erstreckt, welches
durch mehrere, beabstandete Eindüsungsebenen
erreicht wird. Dadurch erfolgt eine intensive stoffliche Umsetzung
in dem Bereich 11, welche auch die thermische Behandlung
von schwierigen Stoffen, einschließlich Erdöl und Raffinerieabfällen, ermöglicht.
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Von
besonderem Vorteil ist dabei, dass aufgrund der Länge des
Bereichs 11 sowie der Anordnung der Eindüsungselemente 4, 5 und 6 in
verschiedenen Eindüsungsebenen 1, 2 und 3 eine
Strähnenbildung
unterdrückt
bzw. vollständig
vermieden werden kann. Dieser positive Effekt wird noch durch die Steuerung
der Eindüsungselemente 4, 5 und 6 durch das
Programmmodul 14 verstärkt,
da die oszillierende, intermittierende und/oder alternierende Eindüsung ebenfalls
der Strähnenbildung
entgegen wirkt.
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Die 2 zeigt
eine Ausführungsform
des Reaktors der 1 mit zwei Eindüsungsebenen 1 und 2 im
Querschnitt. Elemente der 2, die Elementen
der 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen
gekennzeichnet.
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In
dem hier betrachteten Ausführungsbeispiel
hat die Eindüsungsebene 1 eine
Anzahl von vier Eindüsungselementen 4,
die um den Querschnitt des Behälters 7 herum
in Abständen
von 90 Grad angeordnet sind. Die Eindüsungsebene 2 weist
ebenfalls 4 voneinander um 90 Grad beabstandete Eindüsungselemente 5 auf.
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Die
Eindüsungsebenen 1 und 2 sind
dabei um einen Winkel von 45 Grad gegeneinander versetzt, sodass
die Eindüsungselemente 5 der
Eindüsungsebene 2 die
zwischen benachbarten Eindüsungselementen 4 der
Eindüsungsebene 1 gebildeten
Lücken
abdecken. Alternativ können
pro Eindüsungsebene
auch eine größere Anzahl
von Eindüsungselementen
vorgesehen sein, wie zum Beispiel bis zu 24 Eindüsungselemente
pro Eindüsungsebene,
wobei die Eindüsungselemente
einer Eindüsungsebene
jeweils gleiche Winkel mit dem benachbarten Eindüsungselement der selben Eindüsungsebene
einschließen
und die Eindüsungsebenen
gegeneinander um einen bestimmten Winkel versetzt sind.
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Die 3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
mit zwei Eindüsungsebenen.
Elemente der 3 sind wiederum mit denselben
Bezugszeichen wie Elemente der 1 und 2 gekennzeichnet.
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In
dem Ausführungsbeispiel
der 3 hat die Eindüsungsebene 1 drei
Eindüsungselemente 4, die
in Abständen
von 120 Grad am Umfang des Behälters 7 angeordnet
sind.
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Die
Eindüsungsebene 2 hat
dagegen neun Eindüsungsmittel 5,
die in 40-Grad-Abständen angeordnet
sind. Die Eindüsungsebenen 1 und 2 sind
gegeneinander um 20 Grad versetzt, um die Lücken abzudecken.
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Generell
ist es vorteilhaft, wenn die Anzahl der Eindüsungselemente in Richtung des
Stoffstroms ansteigt. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die letzte
Eindüsungsebene
am unteren Ende des Bereichs 11 die größte Anzahl von Eindüsungselementen
aufweist, sodass jedenfalls hier etwaig noch nicht oder nicht vollständig thermisch
behandelter Einsatzstoffe oder Zwischenprodukte vollständig umgesetzt werden.
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Die 4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
indem wiederum dieselben Bezugszeichen wie in den Ausführungsbeispielen
der 1, 2 und 3 füreinander
entsprechende Elemente verwendet werden.
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In
dem Ausführungsbeispiel
der 4 haben die Eindüsungsebenen 1 und 2 jeweils
vier Eindüsungselemente 4 bzw. 5,
die jeweils im Abstand von 90 Grad angeordnet sind. Die Eindüsungselemente 4 der
Eindüsungsebene 1 schließen ferner
einen Winkel mit der Flächennormalen
der Wandung 8 ein, das heißt, die Eindüsungselemente 4 sind
tangential gedreht angeordnet.
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In
dem hier betrachteten Ausführungsbeispiel
beträgt
dieser Winkel 40 Grad; es sind jedoch auch kleinere oder
größere Winkel
zwischen 0 und 90 Grad möglich.
Durch die tangentiale Drehung der Eindüsungselemente erhält der eingedüste reaktionsfähige Stoff
eine tangentiale Impulskomponente, was zu einer Verbesserung der
Verwirbelung führt.
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Die
Eindüsungsebenen 1 und 2 sind
hier um 60 Grad gegeneinander versetzt angeordnet.
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Die 5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für eine
Steuerung der Eindüsungselemente 4 und 5 der Eindüsungsebenen 1 und 2.
Das obere Diagramm zeigt die pro Zeiteinheit von den Eindüsungselementen 4 abgegebene
Menge reaktionsfähigem
Stoffs über
der Zeitachse. Das untere Diagramm der 5 zeigt
dasselbe für
die Eindüsungselemente 5 der
Eindüsungsebene 2.
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Wie
aus den Diagrammen der 5 ersichtlich, erfolgt die Eindüsung intermittierend,
das heißt gepulst,
mit unterschiedlichen Pulshöhen.
Durch die Variation der Pulshöhen
ergibt sich insgesamt eine oszillierende Eindüsung, wobei die Eindüsung der Eindüsungsebene 2 gegenüber der
Eindüsungsebene 1 um
einen Winkel φ entsprechend
einer Zeit Δt phasenverschoben
ist.
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- 1
- Eindüsungsebene
- 2
- Eindüsungsebene
- 3
- Eindüsungsebene
- 4
- Eindüsungselement
- 5
- Eindüsungselement
- 6
- Eindüsungselement
- 7
- Behälter
- 8
- Wandung
- 9
- obere
Grenze
- 10
- untere
Grenze
- 11
- Bereich
- 12
- Stellvorrichtung
- 13
- speicherprogrammierbare
Steuerung (SPS)
- 14
- Programmmodul
- 15
- Programmmodul
- 16
- Messeinrichtung
- 17
- Gasreinigungsvorrichtung
- 18
- Abwärme
- d
- Einsatzstoffe
- e
- Zwischenprodukte
- f
- Endprodukte
- LG
- Länge
- L1
- Abstand
- L2
- Abstand