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Weichbraunkohlen
sind strukturell wenig verfestigte Braunkohlen mit hohen Wassergehalten
von zumeist 50 bis 60%. Die Qualität der Weichbraunkohlen
kann innerhalb und zwischen den Lagerstätten stark differenzieren.
Alle Weichbraunkohlen sind heterogene Stoffgemische. Die Braunkohlen
werden hauptsächlich zur Erzeugung von Elektroenergie und zur
Herstellung von Brikett, Brennstaub, Wirbelschichtkohlen und feinkörnigen
Koksen verwendet.
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Die
Weichbraunkohlen werden mit einer Körnung von etwa 0 bis
250 mm bis 0 bis 500 mm gefördert und danach in allen Verarbeitungsbetrieben
mit hohem apparativen Aufwand durch mehrstufige Zerkleinerung und
durch Siebklassierung auf die jeweils erforderliche Feinheit aufbereitet.
In den Kraftwerken wird die Weichbraunkohle zunächst mit
Flügel-, Stachelwalzen- und/oder Hammerbrechern sowie mit Walzenrostsieben
auf eine Körnung von etwa 0 bis 80 mm zerkleinert. Danach
erfolgt die Zerkleinerung auf Staubfeinheit mit Schlagplattenmühlen
bei gleichzeitiger Trocknung mit heißen Rauchgasen und durch
Sichtung in der Mühle. In den Veredlungsbetrieben werden
die aus dem Tagebau kommenden Weichbraunkohlen in analoger Weise
wie im Kraftwerk auf eine Körnung von etwa 0 bis 50 mm
vorzerkleinert. Danach folgt die Feinaufbereitung in Kreislaufschaltungen
aus Hammermühlen und Sieben auf eine Körnung von
etwa 0 bis 4 mm bis 0 bis 6 mm [1], Band 1. Die Zerkleinerung der
Weichbraunkohle auf eine deutlich höhere Feinheit ist nicht
möglich, weil sich die Siebdurchgangsleistung mit abnehmender Öffnungsweite
der Sieböffnungen stark verringert und zudem die Gefahr
des ständigen Verklebens der Siebbeläge durch
die feuchten und agglomerationsfreudigen Weichbraunkohlen besteht.
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Im
Patent
DE 196 18880
C2 wird die Zerkleinerung von Weichbraunkohle mit doppelrotorigen Hammermühlen
vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren wird die für den Einsatz
in Kraftwerken erforderliche Endfeinheit von 0 bis 1 mm ebenfalls
nicht rohkohleseitig realisiert. Die Rohbraunkohle wird nach Anspruch
1 zunächst auf eine Feinheit mit d
50 =
1,0 mm zerkleinert. Das entspricht nach [1], Band 1 auf Seite 215
sowie Band 2 auf Seite 87, einer Körnung von etwa 0 bis
4 mm. Die Kohlebestandteile mit Korngrößen von
größer/gleich 4 mm werden deshalb einer zweiten
Zerkleinerungsstufe zugeführt. Die wichtigste Neuerung
besteht darin, dass die gesamte aufbereite te Rohfeinkohle nochmals
mit einer doppelrotorigen Hammermühle nachzerkleinert wird.
Durch die Nachzerkleinerung erhöht sich die Feinheit der Rohbraunkohle
deutlich, weil das besonders harte Grobkorn schon in der zweiten
Zerkleinerungsstufe zerschlagen wurde. Trotzdem ist für
das Erreichen der angestrebten Feinheit von d
max =
0,8 bis 1,0 mm eine Siebklassierung nach der Trocknung notwendig. Nachteilig
bleibt bei diesem Verfahren der hohe Aufwand an Prozessstufen. Die
Anlagentechnik ist störanfällig und wartungsintensiv.
Des Weiteren entsteht trotz der Zerkleinerung auf die höhere
Feinheit keine Rohfeinkohle mit deutlich verbesserten Veredlungseigenschaften.
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In
der Patentanmeldung 10 2006 023519.3-15 wird ein Verfahren für
die Feinzerkleinerung von Rohbraunkohle vorgeschlagen, bei dem die Weichbraunkohle
nach der üblichen Vorzerkleinerung auf eine Körnung
von etwa 0 bis 50 mm in zwei weiteren Prozessstufen aufbereitet
wird. Die Rohkohle wird zunächst durch eine besonders intensive Zerkleinerung
mit einer Wälzmühle bis zum Erreichen und vorzugsweise
bis zum deutlichen Überschreiten des oberflächenfeuchten
Zustandes zerkleinert. Danach wird das verklebte Mahlgut durch Dispergierung
und Aufbauagglomeration z. B. mit Wirbelmischern wieder in ein rieselfähiges
Gut mit einer Körnungsbandbreite von vorzugsweise 0 bis
2 mm überführt. Die so aufbereitete Rohbraunkohle
hat durch die starke Zerkleinerung bessere Trocknungseigenschaften.
Die Nachteile des Verfahrens sind die Beschränkung der
Mahlgutfeinheit auf eine Körnung von etwa 0 bis 1 mm, der
hohe Aufwand für die Überwachung der störanfälligen
Prozessstufen und die notwendige Vortrocknung der oberflächenfeucht
gewordenen Kohle, damit sie die erforderlichen Transport-, Bunker-
und Dosiereigenschaften erlangt.
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In
[2, 3] wird ein Verfahren zur mechanisch/thermischen Entwässerung
von Braunkohle beschrieben. Bei diesem Verfahren wird die Rohbraunkohle
mit einer Körnung von kleiner/gleich 0 bis 30 mm in einem
Pressraum zunächst mit Heißwasser und danach mit überhitzten
Dampf auf Temperaturen von etwa 180 bis 200°C erhitzt,
damit das in den Kapillaren und Poren gebundene Wasser mobilisiert wird.
Bei der nachfolgenden Pressverdichtung mit einem Pressdruck von
etwa 4 bis 6 MPa erfolgt die Entwässerung der Kohle durch
den Abfluss von nahezu sauberem Wasser durch die Öffnungen
des Siebgewebebandes im unteren Teil des Pressraumes. Durch die
Entwässerung und durch die Nachverdunstung verringert sich
der Wassergehalt der Kohle von etwa 53% auf rund 22%. Die Weichbraunkohle wird
bei diesem Verfahren durch die Einwirkung der hohen Temperaturen
und des hohen Druckes im Pressraum nur wenig zerkleinert. In der
Endphase des Entwässerungsprozesses wird die Kohle sogar zu
einer großstückigen und sehr harten Masse verdichtet,
die vor der Verbrennung im Kraftwerk wieder zerkleinert werden muss.
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Ziel
der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Aufbereitung
der Weichbraunkohle in wenigen Prozessstufen auf eine besonders
hohe Feinheit und zur wesentlichen Verbesserung der Gebrauchseigenschaften
der Kohle.
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Erfindungsgemäß wird
die Entwicklung des Verfahrens zur Aufbereitung von Weichbraunkohlen auf
eine besonders hohe Feinheit in wenigen Prozessstufen dadurch gelöst,
dass der Aufschluss der Rohbraunkohle unter den Bedingungen des
thixotropen Zustandes der Kohle realisiert wird. Das wird dadurch
erreicht, dass die Weichbraunkohlen mit ihren jeweiligen rohstoffspezifischen
Sättigungswassergehalten von etwa 50 bis 60% unter weitgehender
Vermeidung von Wasserverlusten durch Abtrocknung während
des Aufheizprozesses auf Temperaturen von vorzugsweise größer/gleich
100°C aufgewärmt wird. Des Weiteren wird die aufgeheizte
Weichbraunkohle durch Torsions- und Druckkräfte beansprucht. Durch
die Aufheizung und die gleichzeitige Beanspruchung durch Torsions-
und Druckkräfte werden bei dem überwiegenden Teil
der Kohlebestandteile deren thixotrope Eigenschaften aktiviert.
Diese Eigenschaften haben insbesondere die Kohlebestandteile mit
kolloiden und mit kolloidähnlichen Eigenschaften. Ihr Anteil
ist so groß, dass sich unter den genannten Prozessbedingungen
die gesamte Weichbraunkohle in eine pastös-fließfähige
Masse verwandelt. Die Kohlebestandteile ohne thixotrope Eigenschaften,
wie z. B. die stärker kondensierten Humine und Gelite sowie
die Xylitfasern, werden bei ausreichender Zerkleinerung mit in den
Stofffluss eingebettet.
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Durch
die Überführung der Weichbraunkohle in eine pastös-fließfähige
Masse werden in ihr die Bindekräfte und Bindungsmechanismen
zerstört, die unter dem Druck in der Lagerstätte
während des Inkohlungsprozesses ausgelöst wurden
und die Kohle innerlich verfestigt haben. Die Weichbraunkohle wird durch
die erfindungsgemäße Lösung des Aufbereitungsprozesses
nicht mehr zu Körnern mit unterschiedlicher Feinheit zerkleinert,
die in sich fest bleiben, sondern zum überwiegenden Teil
bis auf kolloidale und mit feindisperse Feinheit aufgelöst.
Die extreme Zerstörung der in der Lagerstätte
entstandenen Verbunde verleiht der Weichbraunkohle in der fließfähigen Phase
und danach grundlegend verbesserte Misch-, Reaktions- und Veredlungseigenschaften.
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Der
Verlust von Wasser durch Verdunstung muss bei der Aufheizung der
Kohle vermieden werden, weil sie sonst durch Schrumpfprozesse fester wird
und die thixotropen Eigenschaften verloren gehen. Des Weiteren ist
auch der Zusatz von mehr als etwa 5% Wasser nicht zulässig,
weil die Kohlepartikel sonst nur in Wasser dispergiert würden
und dabei in sich fest bleiben. Der destruierende Aufschluss bis
in den makromolekularen Bereich hinein, ist unter diesen Bedingungen
nicht mehr möglich. Bei einer direkten Aufheizung der Kohle
durch Dampfinjektion darf deshalb die zusätzliche eingebrachte
Kondensatmenge kleiner/gleich 5% sein. Für die Durchführung des
Aufschlussverfahrens werden beheizbare Ein- oder Doppelschneckenpressen
bzw. Extruder oder Expander mit perforierten Mantel- und/oder Stirnflächen
verwendet. In diesen Apparaten wird die Weichbraunkohle aufgeheizt
und gleichzeitig unter Einwirkung von Torsionskräften auf
den Druck verdichtet, bei dem die Kohle in den pastös-fließfähigen
Zustand übergeht. Die Aufheizung erfolgt durch indirekte
Wärmeübertragung über beheizte Flächen,
durch entstehende Reibungswärme und/oder durch Wasserdampfinjektion.
Dabei ist es gleichgültig, ob der größte
Teil der Aufheizung in gesondert dafür vorgeschalteten
Apparaten und/oder in den Schneckenpressen bzw. Expander durchgeführt
wird. Es ist vorteilhaft, aber nicht unabdingbar notwendig, dass
die perforierten Mantel- oder Stirnflächen auf Temperaturen von
größer/gleich 100°C beheizt werden.
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Die
durch Aufwärmung und durch das Einwirken von Torsions-
und Druckkräften pastös-fließfähig
gewordene Weichbraunkohle wird durch die Öffnungen der
perforierten Mantel- und/oder Stirnflächen der Schneckenpresse,
des Extruders bzw. Expanders ausgepresst. Die Öffnungen
in den Mantel- und Stirnflächen können Bohrungen,
eckige Öffnungen und vorzugsweise spaltförmige
Schlitze sein. Die Kohle, die aus den Öffnungen der Mantel-
und/oder Stirnflächen pastös-fließfähig
ausströmt, erstarrt sofort, weil die Torsions- und Druckkräfte
nicht mehr auf sie einwirken und weil die Kohle durch eine sehr
starke Nachverdunstung sowie durch konvektive Wärmeverluste
schnell abkühlt. Dabei entsteht in Abhängigkeit
von der Größe der Austrittsöffnungen
wieder ein körniges Gut mit dem großen Vorteil,
dass es sofort oberflächentrocken ist und auch ohne eine
zusätzliche Prozessstufe für eine Vortrocknung
vorteilhafte Transport-, Lager-, Dosier-, Agglomerations- und Trocknungseigenschaften
hat. Nach einer zusätzlichen Granulierung oder Agglomeration
hat die erfindungsgemäß aufbereitete Kohle stark
verbesserte Extraktions- und Verkokungseigenschaften. Während
der Trocknung entsteht eine nicht mehr stäubende Kohle
mit geringeren Anteilen an leicht flugfähigen Feinstkorn
und stark verhärteter Struktur.
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Ein
weiterer gewichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen
Lösung für die Aufbereitung von Weichbraunkohlen
besteht darin, dass für den Aufschlussprozess auch Rohbraunkohlen
mit einer groben Körnung bis etwa 0 bis 50 mm und vorzugsweise 0
bis 20 mm geeignet sind. Auf diese Weise kann die aufwendige Feinaufbereitung
der Kohle in Kreislaufschaltungen aus Mühlen und Sieben
auf die sonst üblich hohe Feinheit von 0 bis 4 mm bis 0
bis 6 mm entfallen. Das ist eine wesentliche Vereinfachung des Aufbereitungsprozesses,
weil vor allem die Feinkornsiebe störanfällig
und wartungsintensiv sind. Die Siebböden für die
Feinkornabsiebung verstopften ständig durch anhaftende
Rohfeinkohle.
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Die Öffnungsweiten
der Löcher oder Spalte in den Mantel- und/oder Stirnflächen
der Schneckenpressen, Extruder oder Expander können durchweg gleich
groß oder hinsichtlich Form und Gestalt unterschiedlich
sein. Bei einer differenzierten Gestaltung der Öffnungen
in den Mantel- und Stirnflächen wird sogar eine Auftrennung
der Kohle in Stoffströme mit unterschiedlicher Feinheit
und/oder unterschiedlicher stofflicher Zusammensetzung möglich,
weil die Braunkohle ein heterogenes Gemisch aus verschiedenen Stoffgruppen
mit sehr unterschiedlichen thixotropen Eigenschaften ist. Auf diese
Weise wird eine Aufspaltung der Kohle z. B. in Fraktionen mit hohen Huminsäuregehalt,
mit erhöhtem Xylitgehalt, mit erhöhten Anteilen
an Geliten und hochkondensierten Huminen, mit erhöhten
Bitumen- und Teergehalten, mit erhöhten Anteilen an Stoffen
mit besonders vorteilhaften Stückkoksbildungsvermögen
sowie mit vermindertem Wasser-, Asche- oder Salzgehalten möglich.
Leichter fließfähig werdende Stoffgruppen werden
in Förderrichtung der Schneckenpresse bzw. der Extruder
zuerst ausgepresst. Dazu gehören z. B. Bestandteile mit
erhöhten Gehalten an Huminsäuren, Bitumen- und
Teergehalten und/oder mit vorteilhaft verkokbaren Lithotypen. Die
dafür erforderlichen exakten Prozessbedingungen sind von
der Art der Kohle und von der konkreten Zielstellung des Aufbereitungsprozesses
abhängig und können nur durch Versuche mit den
jeweiligen Weichbraunkohlen festgelegt werden. Durch die Überführung
der Weichbraunkohle in einen pastös-fließfähigen
Zustand und die starke Destruktion der Kohlestruktur bis in den
makromolekularen Bereich hinein, entsteht durch das erfindungsgemäße
Aufbereitungsverfahren eine Kohle substanz mit völlig neuen
Vermischungs- und Reaktionseigenschaften. Zusatzstoffe in Form von Gasen,
Dämpfen, Flüssigkeiten, Lösungen, Feinfaserstoffen
und/oder feindispersen Feststoffen werden in der pastös-fließfähigen
Phase besonders homogen mit der Kohle vermischt, weil die Stoffe
auch in die Kohlepartikel eindringen. Des Weiteren werden vielfältige
physikalische und chemische Reaktionen zwischen den Zusatzstoffen
und der stark aufgeschlossenen Weichbraunkohle möglich,
weil die funktionellen Gruppen und die stark polarisierten Molekülbausteine
der Weichbraunkohle für die Reaktionen wesentlich zugänglicher
geworden sind. In Abhängigkeit von der Art der Zusatzstoffe
und von der Art der Kohle entstehen durch die Reaktionen in der pastös-fließfähigen
Phase und/oder in den nachfolgenden thermischen Prozessstufen, modifizierte Braunkohlen
mit stark bis grundlegend verbesserten Verarbeitungs- und Veredlungseigenschaften.
Die Weichbraunkohlen erlangen durch die Zumischprodukte z. B. verbesserte
Trocknungs-, Agglomerations- und/oder Bindeeigenschaften, eine höhere Wasserbeständigkeit,
erhöhte oder verschlechterte Zündeigenschaften,
verbessertes Stückkoksbildungsvermögen, erhöhte
Gehalte an Flüssigprodukten bei der pyrolytischen Zersetzung,
u. a. m.
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Das
Verfahren ist in gleicher Weise auch für die Aufbereitung
von Torf geeignet.
- [1] H. Krug und
W. Naundorf: Braunkohlenbrikettierung, 2 Bände, VEB Deutscher
Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1984
- [2] K. Strauß, S. Berger, Chr. Bergins, F.
B. Bielfeld, M. Erken und M. Hofmann: Mechanisch/Thermische Entwässerung
als Vortrocknungsstufe für braunkohlengefeuerte Kraftwerke,
VDI-Fachtagung „Entwicklungslinien der Energie- und Kraftwerkstechnik (VDI]-GET)
Siegen, 1996, VDI-Berichte 1280 (1996), Seite 165–173
- [3] M. Erken, H.-J. Klutz und A. Schub: Fortschritte der
Vortrocknung für niederkalorische Kohlen, Braunkohle, Surface
Mining, 51 (1999), Nr. 2, Seite 207–211
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Beispiel 1
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Weichbraunkohle
mit einem Wassergehalt von 57% und einer Körnung von 0
bis 20 mm wird in einem indirekt mit Wasserdampf beheizten Schneckenförderer
ohne Wasserverdampfung auf 75°C vorgewärmt und
danach einer mantelbeheizten Schneckenpresse zugeführt.
In der ebenfalls beheizten Schneckenpresse wird die Weichbraunkohle
auf 100°C aufgeheizt sowie durch Torsions- und Druckkräfte
verdichtet und auf diese Weise in eine pastös-fließfähige
Masse überführt. Die Schneckenpresse hat mantelseitig
4 mm breite Austragsschlitze und stirnseitig eine Austragsscheibe
mit 6 mm-Bohrlöchern. Die pastös–fließfähige
Weichbraunkohle wird durch die Spalt- und Rundlochöffnungen
ausgepresst. Durch die Druckentlastung und durch die starke Nachverdunstung
kühlt die Kohle ab, erstarrt und wird oberflächentrocken.
Die Kohle wird mit einem Wirbelmischer der Fa. Eirich zu einer Sekundärkörnung
von etwa 0 bis 2 mm vergleichmäßigt und danach
mit Röhrentrocknern auf einen Wassergehalt von w = 10%
getrocknet. Das Trocknungsgut enthält kleiner/gleich 5%
Feinststaub mit der Korngröße kleiner/gleich 0,2
mm. Die getrocknete Kohle hat die vorteilhafte Eigenschaft, dass
bei Umschlags- und Dosierprozessen kein Staub aufgewirbelt wird.
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Beispiel 2
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Aufbereitung
eines Gemisches aus 96% Weichbraunkohle mit einem Wassergehalt von
57%, einem Schwefelgehalt von 0,8% und einer Körnung von
0 bis 20 mm und 4% einer Disposition aus 50% Löschkalk
und 50% Wasser gemäß Beispiel 1. Die Kohle, die
durch die perforierten Mantel- und Stirnflächen der Schneckenpressen
ausgepresst wird, wird sofort ohne Abkühlung mit einer
Flachmatrizen-Pelletpresse zu 4 mm–Pellets verpresst. Bei
der nachfolgenden Trocknung auf einen Wassergehalt von 12% entstehen
Pellets mit hoher Abriebfestigkeit, guten Dosiereigenschaften und
niedriger Schwefelemission von kleiner/gleich 0,1% bei der Verbrennung
in Automatiköfen.
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Beispiel 3
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Weichbraunkohle
mit einem Wassergehalt von 57% und einer Körnung von 0
bis 25 mm wird einer mit Wasserdampf indirekt beheizten Schneckenpresse
in der Ausführungsform eines Expanders zugeführt.
Die Aufheizung im Expander wird zusätzlich durch Injektion
von Wasserdampf in die Kohle unterstützt, wobei die Dampfmenge
so bemessen ist, dass sich der Wassergehalt der Kohle nur um 3%
erhöht. Der Expander hat im letzten Drittel der Mantelfläche 3
mm – Spalte und er wird stirnseitig durch einen unter Vordruck
stehenden Kegelstumpf verschlossen, der unter Druck im Kontaktbereich
zum Presszylinder einen Spalt mit variabler Breite freigibt. Die
Kohle wird im Expander auf 110°C aufgeheizt und durch die einwirkenden
Torsions- und Druckkräfte in eine pastös-fließfähige
Masse überführt. Bei getrennter Abführung
kann mantelseitig eine huminsäurereiche und xylitarme Kohlefraktion
einerseits und im Bereich des stirnseitigen Ringspaltes eine Kohlefraktion
mit erhöhtem Gehalt an Huminstoff und an Xylit andererseits
gewonnen werden.
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Die
huminstoff- und xylitreiche Kohlefraktion wird sofort ohne Abkühlung
zu 6 mm-Pellets verpresst. Aus der xylitarmen Fraktion wird nach
der Trocknung Brennstaub hergestellt.
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Beispiel 4
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95%
Weichbraunkohle mit einem Wassergehalt von 57% und einer Körnung
von 0 bis 10 mm sowie 5% Roggenvollkornmehl, das zusätzlich
mit einer Schwingmühle zerkleinert wurde, werden wie im
Beispiel 1 aufbereitet. Das aus dem perforierten Mantel- und Stirnflächen
der Schneckenpresse ausgepresste pastös-fließfähige
Mischgut wird sofort ohne Abkühlung zu 12 mm-Pellets geformt.
Nach der Trocknung der Pellets auf einen Wassergehalt von 10% und
der Verkokung der getrockneten Pellets bis 1000°C entsteht
ein partiell verschmolzener Braunkohlenkoks mit hoher Abriebfestigkeit
von 95% und hoher Heißfestigkeit.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - H. Krug und
W. Naundorf: Braunkohlenbrikettierung, 2 Bände, VEB Deutscher
Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1984 [0013]
- - K. Strauß, S. Berger, Chr. Bergins, F. B. Bielfeld, M.
Erken und M. Hofmann: Mechanisch/Thermische Entwässerung
als Vortrocknungsstufe für braunkohlengefeuerte Kraftwerke,
VDI-Fachtagung „Entwicklungslinien der Energie- und Kraftwerkstechnik
(VDI]-GET) Siegen, 1996, VDI-Berichte 1280 (1996), Seite 165–173 [0013]
- - M. Erken, H.-J. Klutz und A. Schub: Fortschritte der Vortrocknung
für niederkalorische Kohlen, Braunkohle, Surface Mining,
51 (1999), Nr. 2, Seite 207–211 [0013]