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Die
Erfindung betrifft einen Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1.
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Der
Wirbelschichtreaktor kommt dem ideal gerührten Behälter
nahe und eignet sich somit für die Verbrennung von Feststoffen.
Aus der
EP 1 187 892 B1 ist
ein solcher Wirbelschichtreaktor zum Erzeugen von Brenngas aus kohlenstoffhaltigen
Einsatzstoffen bekannt, bei der in einer Druck aufgeladenen Wirbelschichtvergasungskammer
durch allotherme Wasserdampfvergasung Brenngas aus den zu vergasenden
Einsatzstoffen erzeugt wird. Die hierfür notwendige Wärme
stammt aus Holzhackschnitzeln, die in einer Wirbelschichtfeuerung
verbrannt werden. Die in der Wirbelschicht frei werdende Wärme
wird mittels einer Wärmeleitrohranordnung in Wirbelschichtvergasungskammer
eingekoppelt. In der Wirbelschichtfeuerung wird soviel Luft von
unten in das Bettmaterial eingeblasen, dass sich ein blasenbildend
fluidisiertes Wirbelbett – eine so genannte blasenbildende
Phase – ausbildet. Die Wärmeleitrohre tauchen
in diese blasenbildende Phase ein. Durch den vergleichsweise hohen
Wärmeübergang in der blasenbildenden Phase der
Wirbelschicht wird eine ausreichende Auskopplung von Wärme
aus der Wirbelschicht gewährleistet.
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Bei
der Wirbelschichtverbrennung von Feststoffen, z. B. Holz, mit hohem
Anteil an volatilen Stoffen und großporigen Pyrolyserückständen
(z. B. Koks) verlässt ein Teil des Brennstoffes über
den Bypass aus Gasblasen und den Auftrieb der Pyrolyserückstände
aufgrund geringerer Dichte im Vergleich zum Bettmaterial die blasenbildende
Phase der Wirbelschicht, ohne mit dem Fluidisierungsmedium Luft zu
reagieren. Um die Reaktionsenthalpie dieser gasförmigen
und festen Pyrolyserückstände freizusetzen, wird
unmittelbar über der blasenbildenden Phase durch Zufuhr
von Sekundärluft „nachverbrannt”. Unmittelbar
oberhalb der blasenbildenden Phase nimmt die Konzentration an Bettmaterial
stark ab und bildet eine so genannte leichte Phase, die ein Mehrfaches
der Höhe der blasenbildenden Phase beträgt. Verbrennung
in der leichten Phase kann zu einer nennenswerten Temperaturerhöhung
führen, so dass der Aschesinterpunkt der Brennstoffasche,
ca. 1150°C, überschritten wird. Hierdurch kann
es zu einem Ausfall der Wirbelschichtfeuerung kommen, wenn gesinterte
Asche mit den Partikeln des Bettmaterials agglomeriert.
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Die
Reaktionsenthalpie aus der Nachverbrennung kann im Rauchgaspfad
stromabwärts genutzt werden, ist aber für die
Wärmeauskopplung aus der blasenbildenden Phase verloren,
was zu Einbußen im Energiefluss der gekoppelten Verbrennung und
Wärmeübertragung in der Wirbelschicht führt.
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Die
vorstehend aufgezeigten Probleme bei Wirbelschichtfeuerungen treten
in ähnlicher Weise auch bei Wirbelschichtvergasern und
Wirbelschichtreformern zur Erzeugung von Brenngas auf.
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Ausgehend
von der
EP 1 187 892
B1 ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Wirbelschichtreaktor
anzugeben, der einen höheren Brennstoff-Umsetzungsgrad
an der Stelle der Wärmeübertragung, d. h. einen
höheren Wirkungsgrad für gekoppelte Verbrennung
und Hochtemperaturwärmeübertragung, aufweist.
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Die
Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruch
1.
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Statt
der herkömmlichen leichten Phase über der blasenbildenden
Phase wird gemäß der vorliegenden Erfindung unmittelbar über
der blasenbildenden Phase eine so genannte turbulente Phase erzeugt.
Dieser Zustand des Wirbelbetts entspricht einer turbulent fluidisierten
Wirbelschicht. Die Luftüberschusszahl ist größer
1. Die mittlere Dichte der turbulenten Phase ist ähnlich
oder geringer als die Dichte der festen Pyrolyserückstände
(z. B. Koks), was eine Dichtetrennung von Pyrolyserückständen
und Bettmaterial unterbindet. Es treten keine größeren
Blasen mehr auf, da die energischen Turbulenzen große Blasen
sofort bei der Entstehung wieder zerstören. Die Erosion
in dieser turbulenten Phase ist im Vergleich zur blasenbildenden
Phase nicht gravierend erhöht, da das Zerstören
größerer Blasen zu einer homogeneren Fluidisierung
mit geringeren Druckgradienten und dadurch schwächeren
Partikelstößen an den metalli schen Oberflächen
führt. Aufgrund der geringeren Dichte ist der Wärmeübergang
in der turbulenten Phase natürlich geringer als in der
blasenbildenden Phase. Entscheidend ist aber, dass in der turbulenten
Phase die Reaktionsenthalpie der unverbrannten Gase und Feststoffe
durch die zugeführte Sekundärluft freigesetzt
und unmittelbar an die Bettmaterial-Partikel der turbulenten Phase
abgegeben wird und diese erhitzt. Die Partikel der turbulenten Phase
fallen nach der Erhitzung durch die Schwerkraft zurück
in die blasenbildende Phase des Wirbelbetts und vermischen sich
dort mit den Partikeln in der blasenbildenden Phase. Hierdurch erfolgt
ein Wärmeaustausch zwischen turbulenter und blasenbildender
Phase. Diese in die blasenbildende Phase zurück geführte
Wärme kann zusätzlich durch die in die blasenbildende
Phase eintauchende Wärmeübertragungseinrichtung
ausgekoppelt werden. Die Temperaturerhöhung durch Nachverbrennung
in der turbulenten Phase fällt wegen der hohen Wärmekapazität
der Bettmaterial-Partikel und dem Stoff- und Wärmeaustausch
mit der blasenbildenden Phase insgesamt gering aus. Das Risiko der
Agglomeration aufgrund Ascheerweichung ist eingedämmt.
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Die
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Ansprüchen
2 bis 5 stellt eine einfache Variante zur Ausbildung der geschichteten
Wirbelschichtphasen gemäß der vorliegenden Erfindung
mit einer blasenbildenden Phase unten und einer unmittelbar darüber
angeordneten turbulenten Phase dar.
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Durch
die Partikelrückhaltung nach Anspruch 9 werden zusätzlich
zu der Schwerkraftwirkung Brennstoff- und Bettmaterialpartikel aus
der Gasströmung abgeschieden und in die turbulente und
blasenbildende Phase der Wirbelschichtfeuerung zurückgeführt.
Der Anteil an Bettmaterial, der in der turbulenten Phase nicht durch
Schwerkraft nach unten in die blasenbildende Phase fällt,
sondern wird durch den Strömungswiderstand aufgrund von Schlupf
mit der Gasströmung mitgerissen wird, wird verringert.
Der Anteil an Brennstoffpartikeln, die erhitzt und unverbrannt aus
der Brennkammer abgeführt werden, wird verringert.
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Die
Ausgestaltungen der Erfindung nach den Ansprüchen 10 bis
13 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Partikelrückhaltung
in Form von Prallelementen. Prallelemente stellen eine konstruktiv einfache
Möglichkeit einer Partikelrückhaltung dar.
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Eine
Querschnittserweiterung oberhalb der turbulenten Phase gemäß Anspruch
14 verlangsamt die Gasströmung und verringert somit den
Strömungswiderstand der Partikel. Brennstoff- und Bettmaterialpartikel
werden aus der Gasströmung abgeschieden und in die turbulente
Phase zurückgeführt. Je nach Querschnittsverhältnis
von turbulenter Phase zu erweitertem Querschnitt kann der Grad der Partikelabscheidung
beeinflusst werden.
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Durch
die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 15 und
16 ergibt sich eine Doppelfunktion des Fluidisierungsmittels als
Fluidisierungsmittel und als Oxidationsmittel. Durch die Zuführung
von Sekundärluft wird die Nachverbrennung in der turbulenten
Phase und der Stoff- und Wärmetransfer aus der turbulent
fluidisierten Phase in die blasenbildend fluidisierte Phase gefördert.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform der
Erfindung.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung durch einen Heatpipe-Reformer mit
einem Wirbelschichtverbrennungsreaktor mit einer geschichteten Wirbelschicht
gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 1;
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3 einen
Längsschnitt durch den Einsatz mit Wirbelschichtbrennkammer;
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4 eine
Detaildarstellung der Partikelrückhaltevorrichtung in dem
Wirbelschichtverbrennungsreaktor nach 1 von unten
betrachtet;
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5 ein
Diagramm mit Gasgeschwindigkeit in der Feuerungswirbelschicht über
die Höhe des Reaktorbehälters bei einem herkömmlichen
Wirbelschichtreaktor und bei einem Wirbelschichtreaktor gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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6 ein
Diagramm der Dichte in der Feuerungswirbelschicht über
die Höhe des Reaktorbehälters bei einem herkömmlichen
Wirbelschichtreaktor und bei einem Wirbelschichtreaktor gemäß der
vorliegenden Erfindung; und
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7 eine 1 entsprechende
Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt
schematisch im Längsschnitt einen Heatpipe-Reformer mit
einer Wirbelschichtbrennkammer 2 und einer thermisch damit
gekoppelten Wirbelschichtvergasungskammer 4. Der Heatpipe-Reformer
umfasst einen kreiszylindrischen Reaktorbehälter 6,
der einen Reaktormantel 8, eine Bodenplatte 10 und
eine Deckplatte 12 aufweist. Der Reaktorbehälter 6 besteht
aus Stahl. Im unteren Teil des Reaktorbehälters 6 ist
die Wirbelschichtverbrennungskammer 2 in der eine geschichtete
Feuerungswirbelschicht 14 ausgebildet wird. Im oberen Teil
des Reaktorbehälters 2 ist die Wirbelschichtvergasungskammer 4 mit
einer Vergasungswirbelschicht 16 angeordnet. In der Vergasungswirbelschicht 16 wird aus
kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen durch allotherme Wasserdampfvergasung
bei Temperaturen um 800°C Brenngas erzeugt.
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Die
Wirbelschichtvergasungskammer 4 umfasst einen kreiszylindrischen
Reformerdruckbehälter 18, der durch die Deckplatte 12 verschlossen wird.
Im Inneren des Reformerdruckbehälters 18 ist ein
oben offener topförmiger Wirbelschichtbehälter 20 angeordnet
in der die Vergasungswirbelschicht 4 ausgebildet ist. Von
oben durch die Deckplatte 12 führt eine Zuführungseinrichtung 22 in
den Bodenbereich des Wirbelschichtbehälters 20.
Durch die Zuführungseinrichtung 22 lassen sich
kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe in die Vergasungswirbelschicht 16 einbringen.
Durch die Deckplatte 12 führt ein Brenngasauslass 24 aus
dem Reformerdruckbehälter 18 heraus. Über
eine Brennstoffzuführung 28 wird Brennstoff in
die Wirbelschichtbrennkammer 2 bzw. die Feuerungswirbelschicht 14 zugeführt.
Das Rauchgas aus der Feuerungswirbelschicht 14 wird über
einen Ringspalt 26 zwischen dem Reaktormantel 8 und dem
Reformerdruckbehälter 18 einem Rauchgasabzug 30 zugeführt. Über
den Rauchgasabzug 30 werden die Abgase der Feuerungswirbelschicht 14 aus der
Wirbelschichtbrennkammer 2 in dem Reaktorbehälter 6 nach
außen abgeführt.
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Entlang
des Reaktormantels 8 erstreckt sich ein topförmiger,
austauschbarer Einsatz 34, der ebenso wie der Reaktormantel 8 einen
kreisringförmigen Querschnitt aufweist, wie dies aus 2 zu ersehen
ist. Der topfförmige Einsatz 34 umfasst einen
Mantel 36 mit kreisringförmigem Querschnitt – siehe 2 – und
einen kreisrunden Bodenbereich 38. Der untere Bereich des
topförmigen Einsatzes 34 bildet die Wirbelschichtbrennkammer 2,
in der die Feuerungswirbelschicht 14 ausgebildet wird.
Der Mantel 36 erstreckt sich nach oben bis zum Rauchgasabzug 30,
so dass auch der Reformerdruckbehälter 18 zu etwa
2/3 seiner Höhe von dem Mantel 36 umschlossen
wird. Zwischen dem Reaktormantel 8 und dem Mantel 36 des
Einsatzes 34 ist eine Wärmeisolierung 40,
z. b. in Form von mikroporöser Kieselsäure angeordnet.
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Der
Einsatz
34 besitzt eine Doppelfunktion und dient zum einen
zum Vorwärmen des Fluidisierungsmittels Luft für
die Feuerungswirbelschicht
14 und gleichzeitig zur Kühlung
des Reaktorbehälters
8. Das Fluidisierungsmittel
Luft wird als Primärluft über im Bodenbereich
des Einsatzes
34 verteilt angeordnete Primärluftauslässe
42 und
als Sekundärluft über in einer Höhe H
1 = 1,0 m angeordnete Sekundärluftauslässe
44 in
die Wirbelschichtbrennkammer
2 eingebracht. Die Primärluft
wird in dem Einsatz
34 in Primärluftströmungskanälen
46 und
die Sekundärluft in Sekundärluftströmungskanälen
48 geführt.
Die Primärluftströmungskanäle
46 münden
in einen Pirmärluftverteiler
50, dem über
einen Primärlufteinlass
52 Primärluft
zugeführt wird. Die Sekundärluftkanäle
48 münden
in einen Sekundärluftverteiler
54, dem über einen
Sekundärlufteinlass
56 Sekundärluft zugeführt wird.
Primärluft- und Sekundärluftverteiler
50,
54 sind übereinander
im Bodenbereich
38 des Einsatzes
34 ausgebildet.
Hinsichtlich der Ausgestaltung des Einsatzes
34 wird auf
vom gleichen Anmelder hinterlegte
deutsche Patentanmeldung 102008051151.7 verwiesen.
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In
einer Höhe H2 = 2 m ist eine Partikelrückhaltung
in Form eines kreisringförmigen Prallelements 58 – siehe 4 angeordnet.
Wie aus 1 und 3 zu ersehen
ist, erstreckt sich dieses Prallelement 58 von dem Mantel 36 des
Einsatzes 34 horizontal und radial nach Innen. Die Breite
des kreisringförmigen Prallelements 58 beträgt ¼ bis ½ des Radius
des Einsatzes 34.
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Mittels
einer Wärmetransporteinrichtung in Form von konzentrisch
in Achsrichtung des Reaktorbehälters 6 verlaufenden
Wärmeleitrohren 60 wird die in der Feuerungswirbelschicht 14 erzeugte
Wärme in die Vergasungswirbelschicht 16 transportiert und
dort zur Erzeugung von Brenngas aus den kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen
genutzt.
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Nachfolgend
werden der Aufbau und die Erzeugung der geschichteten Feuerungswirbelschicht 14 beschrieben.
Die Feuerungswirbelschicht 14 umfasst unmittelbar über
dem Primärluftverteiler 50 eine blasenbildend
fluidisierte Wirbelschicht 62, die sich über die
H1 erstreckt. Daran schließt sich
eine turbulent fluidisierte Wirbelschicht 64 an, die sich
bis zu der Höhe H2 erstreckt. Die
blasenbildend fluidisierte Wirbelschicht 62 wird durch
entsprechend eingestellte Luftmengen und Strömungsgeschwindigkeiten
der über den Primärluftverteiler 50 zugeführten
Primärluft erzeugt. Durch die zusätzliche Zufuhr
von Sekundärluft über die Sekundärluftauslässe 44 in
Höhe H2 wird die turbulent fluidisierte
Wirbelschichtphase 64 erzeugt. Hierbei wird durch die Anordnung
der über den Umfang des Einsatzes 34 verteilten
Sekundärluftauslässe 44 ein den Querschnitt
der Feuerungswirbelschicht 14 ausfüllender Wirbel 66 erzeugt.
Die turbulent fluidisierte Wirbelschichtphase 64 wird durch
das sich von dem Innenrand des Einsatzes 34 radial nach innen
erstreckende Prallelement 58 begrenzt. Über dem
Prallelement 58 bzw. über der turbulent fluidisierten
Wirbelschicht 64 schließt sich eine dünne oder
leichte Wirbelschichtphase 68 an.
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5 zeigt
ein Diagramm der Gasgeschwindigkeit in der Feuerungswirbelschicht über
die Höhe des Reaktorbehälters bei einem herkömmlichen
Wirbelschichtreaktor und bei einem Wirbelschichtreaktor gemäß der
vorliegenden Erfindung. 6 zeigt ein Diagramm der Dichte
in der Feuerungswirbelschicht über die Höhe des
Reaktorbehälters bei einem herkömmlichen Wirbelschichtreaktor
und bei einem Wirbelschichtreaktor gemäß der vorliegenden
Erfindung. Bei einer herkömmlichen Wirbelschicht folgt
auf die blasenbildend fluidisierte Wirbelschichtphase eine vergleichsweise
lange bzw. hohe leichte Phase, die in der Literatur auch mit „freeboard” bezeichnet
wird. Im Gegensatz hierzu folgt bei der vorliegenden Erfindung auf
die blasenbildend fluidisierte Wirbelschichtphase eine turbulent
fluidisierte Phase und erst dann die leichte Phase 68.
Dieser Unterschied wird durch die Diagramme in 5 und 6 verdeutlicht.
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In
der turbulent fluidisierten Wirbelschicht 64 ist die Luftüberschusszahl
größer 1. Die mittlere Dichte der turbulenten
Phase ist ähnlich oder geringer als die Dichte der festen
Pyrolyserückstände (z. B. Koks), wodurch eine
Dichtetrennung von Pyrolyserückständen und Bettmaterial
verhindert. Es treten keine größeren Blasen mehr
auf, da die starken Turbulenzen große Blasen sofort bei
der Entstehung wieder zerstören. Die Erosion in dieser
turbulenten Phase ist im Vergleich zur blasenbildenden Phase nicht
gravierend erhöht, da das Zerstören größerer Blasen
zu einer homogeneren Fluidisierung mit geringeren Druckgradienten
und dadurch schwächeren Partikelstößen
an den metallischen Oberflächen, z. B. den Wärmeleitrohren 60,
führt. Aufgrund der geringeren Dichte – siehe 6. – ist
der Wärmeübergang in der turbulenten Phase 64 natürlich
geringer als in der blasenbildenden Phase 62. Entscheidend
ist aber, dass in der turbulenten Phase 64 die Reaktionsenthalpie
der unverbrannten Gase und Feststoffe durch die zugeführte
Sekundärluft freigesetzt und unmittelbar an die Bettmaterial-Partikel
der turbulenten Phase 64 abgegeben wird und diese erhitzt.
Die langsameren Partikel der turbulenten Phase 64 fallen nach
der Erhitzung durch die Schwerkraft zurück in die blasenbildende
Phase des Wirbelbetts und vermischen sich dort mit den Partikeln
in der blasenbildenden Phase. Schnellere Partikel werden durch die Partikelrückhaltung
in Form des Prallelements 58 ebenfalls zurück
in die blasenbildende Phase 62 befördert. Hierdurch
erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen turbulenter Phase 64 und
blasenbildender Phase 62. Diese in die blasenbildende Phase 62 zurück
geführte Wärme kann zusätzlich durch
die in die blasenbildende Phase eintauchenden Wärmeleitrohre
ausgekoppelt und in die Vergasungswirbelschicht 16 übertragen
werden. Die Temperaturerhöhung durch Nachverbrennung in
der turbulenten Phase 64 fällt wegen der hohen
Wärmekapazität der Bettmaterial-Partikel und dem
Stoff- und Wärmeaustausch mit der blasenbildenden 62 Phase
insgesamt gering aus. Das Risiko der Agglomeration aufgrund Ascheerweichung
ist eingedämmt.
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7 zeigt
eine alternative Ausführungsform der Erfindung, die sich
von der Ausführungsform nach 1, dadurch
unterscheidet, dass die Partikelrückhaltung nicht durch
ein Prallelement 58, sondern durch einen vergrößerten
Strömungsquerschnitt D2 in der
turbulent fluidisierter Wirbelschicht 64 im Vergleich zu
dem Strömungsquerschnitt D1 in
der blasenbildend fluidisierten Wirbelschicht 62 und realisiert
ist. Durch die Querschnittserweiterung am oberen Ende der turbulenten
Phase 64 verlangsamt die Gasströmung und der Strömungswiderstand
für in der Gasströmung mitgerissene Partikel ist
verringert. Brennstoff- und Bettmaterialpartikel werden daher durch
die Schwerkraft aus der Gasströmung abgeschieden und in
die turbulente Phase zurückgeführt. Je nach Querschnittsverhältnis
von turbulenter Phase 64 zu erweitertem Querschnitt kann
der Grad der Partikelabscheidung beeinflusst werden. Die übrigen Komponenten
der alternativen Ausführungsform der Erfindung stimmen
mit der Ausführungsform nach 1 überein,
so dass auf eine erneute Beschreibung hiervon verzichtet wird.
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- 2
- Wirbelschichtbrennkammer
- 4
- Wirbelschichtvergasungskammer
- 6
- Reaktorbehälter
- 8
- Reaktormantel,
- 10
- Bodenplatte
- 12
- Deckplatte
- 14
- Feuerungswirbelschicht
- 16
- Vergasungswirbelschicht
- 18
- Reformerdruckbehälter
- 20
- Wirbelschichtbehälter
- 22
- Zuführungseinrichtung
für kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe
- 24
- Brenngasauslass
- 26
- Ringspalt
- 28
- Brennstoffzuführung
- 30
- Rauchgasabzug
- 34
- Einsatz
- 36
- Mantel
des Einsatzes 34
- 38
- Bodenbereich
des Einsatzes 34
- 40
- Wärmeisolierung
- 42
- Primärluftauslässe
- 44
- Sekundärluftauslässe
- 46
- Primärluftströmungskanäle
- 48
- Sekundärströmungskanäle
- 50
- Primärluftverteiler
- 52
- Primärlufteinlass
- 52
- Primärluftauslass
- 54
- Sekundärluftverteiler
- 56
- Sekundärlufteinlass
- 58
- Prallelement
- 60
- Wärmeleitrohre
- 62
- Blasen
bildend fluidisierte Wirbelschichtphase
- 64
- turbulent
fluidisierte Wirbelschichtphase
- 66
- den
Querschnitt ausfüllender Wirbel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1187892
B1 [0002, 0006]
- - DE 102008051151 [0026]