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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Behandlung eines schlackehaltigen Heißgasstromes sowie auf eine Flugstromvergaseranlage, die einen Flugstromvergaser und eine Vorrichtung zur Behandlung eines schlackehaltigen Heißgasstromes umfasst.
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Zur Abkühlung von heißen, mit Schlacke beladenen Reaktionsgasen und zur Abtrennung der Schlacke werden industriell hergestellte Reaktionsgase in an sich bekannter Weise in Kontakt mit einem Kühlmittel gebracht, wobei dafür das Einsprühen einer Kühlflüssigkeit in den Heißgasstrom (Freiraumquenchung) und/oder das Hindurchleiten des Reaktionsgases durch ein Kühlmittelbad (Tauchquenchung) genutzt werden. Beide Quenchvarianten besitzen Vor- und Nachteile. Während die Freiraumquenchung eine hohe Qualität des Kühlwassers voraussetzt, kann mit einer Tauchquenchung eine Mehrfachnutzung des Kühlmittels in Abhängigkeit vom Feststoffanteil und dessen Eigenschaften erreicht werden. Die Anwendung der einen oder anderen Quenchvariante ist von den äußeren Bedingungen des vorgelagerten Prozesses und den Eigenschaften der Einsatzprodukte abhängig. Vielfach zeigt sich erst während des praktischen Einsatzes der Quenchvorrichtung, ob die Auswahl der Quencheinrichtungen optimal getroffen wurde. Auch können sich die Verfahrensbedingungen, die der Planung der Verfahrensführung zugrunde liegen, im Laufe der Zeit ändern. Hierunter fällt etwa die veränderliche Qualität der Einsatzprodukte. Es sind deshalb Kombinationen von Freiraumquenchung und Tauchquenchung bekannt, deren Vorteil in der Anpassbarkeit an veränderte Einsatzbedingungen besteht.
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Im Folgenden wird der Begriff Kühlmittel stellvertretend für alle zur Gasquenchung geeigneten fluiden Kühlmittel oder Kühlmittelmischungen, insbesondere Wasser, verwendet.
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Aus der
DD 145 860 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Reaktionsgasen aus einer Druckvergasung bekannt, die insbesondere auf die gleichzeitige direkte Kühlung und Teilentstaubung zusammen mit einer Wasserdampfsättigung der Gase gerichtet ist. Dazu wird das zu behandelnde Rohgas durch ein Gaszuführungsrohr in eine in einem Kühlmittelbad hängende Glocke eingeleitet und von dieser mittels Austrittsöffnungen auf der Oberseite der Glocke gleichmäßig im Kühlmittelbad verteilt. Um eine Führung der aufsteigenden Gase zu erreichen, sind oberhalb der Austrittsöffnungen frei angeordnete Führungsrohre vorgesehen, oberhalb derer frei angeordnete Hauben ein Wallen der Kühlmitteloberfläche verhindern. Mit dieser Vorrichtung soll unter geringem apparativen und Energieaufwand die Ablagerung von Feststoffen an den Reaktorwandungen vermieden werden.
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In der
EP 0127878 ist ein Verfahren zur Kühlung und Ascheentfernung aus einem heißen Synthesegas beschrieben, wobei das Heißgas in einer ersten Zone in Kontakt mit einem Kühlmittelfilm auf der Innenwand eines Tauchrohres und in einer zweiten Zone in Kontakt mit einem in den Tauchrohrquerschnitt hinein zerstäubten Kühlmittel gebracht wird, in einer dritten Zone ein Kühlmittelbad durchströmt und in einer vierten Zone erneut in Kontakt mit einem zerstäubten Kühlmittel gebracht wird. Das Tauchrohr weist einen konstanten Querschnitt und einen gezahnten unteren Rand zur gleichmäßigen Verteilung der Gasblasen im Tauchbad auf.
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Nachteilig an diesen Lösungen ist, dass die Eigenschaften des gequenchten Gases mit dem Gasdurchsatz in unerwünschter Weise schwanken.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Behandlung eines schlackehaltigen Heißgasstromes zu schaffen, mit der eine annähernd konstante Abtrennung der Schlacke und konstante Gasabkühlung auch bei Volumenstromschwankungen des Heißgasstromes erfolgt, so dass ein Rohgas mit einer von der durchgesetzten Gasmenge weitgehend unabhängigen Qualität bereitgestellt wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise durch die Flugstromvergaseranlage mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Weiterbildungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung eines schlackehaltigen Heißgasstroms weist in einem Gehäuse einen oben angeordneten Heißgasstrom-Einlass auf, der in ein konzentrisch im Gehäuse vertikal angeordnetes Tauchrohr mündet. Zudem weist die Vorrichtung ein Kühlmittelbad, in das das Tauchrohr mit einem unteren Abschnitt eintaucht, sowie eine oder mehrere Rohgasauslassöffnung, die sich zum Auslass des abgekühlten und von Schlacke befreiten Rohgases an einer seitlichen Gehäusewand befinden kann, auf. Der untere Abschnitt des Tauchrohrs ist dabei im Kühlmittelbad als eine radial erweiterte Gasverteilerglocke ausgebildet, und zwar durch eine im Wesentlichen kegelförmige Mantelfläche mit sich nach unten erweiterndem Querschnitt. Diese Mantelfläche weist eine Vielzahl von Gasdurchtrittsöffnungen auf, die über den Umfang der Gasverteilerglocke verteilt sind. Die Abmessungen der Gasdurchtrittsöffnungen nehmen mit der Eintauchtiefe der Glocke im Kühlmittelbad zu.
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Die Gasdurchtrittsöffnungen können gleichförmig, insbesondere kreisförmig ausgebildet und annähernd gleichmäßig über den Umfang der Gasverteilerglocke verteilt sein.
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Durch die im Wesentlichen kegelförmige Mantelfläche der Gasverteilerglocke, welche den Strömungsquerschnitt des Tauchrohres für das Heißgas im Gasaustrittsbereich aus dem Tauchrohr erweitert, und durch die Einbringung der annähernd gleichmäßig über den Umfang der Glocke verteilten Gasdurchtrittsöffnungen in die Mantelfläche, wobei die Öffnungsabmessungen Durchmesser reihenweise gestaffelt von oben nach unten zunehmen, werden konstante Durchströmungsbedingungen unabhängig vom Strömungsweg des Heißgases geschaffen. Die Summe der Gasdruckverluste beim Durchströmen der Durchtrittsöffnungen und des Kühlmittelbads wird so durch die Abmessungszunahme der Durchtrittsöffnungen nach unten annähernd konstant gehalten.
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Die Vorteile der vorgeschlagenen Lösung bestehen darin, dass zum Einen durch die in die Gasverteilerglocke eingebrachten Gasdurchtrittsöffnungen eine gleichmäßige Gasverteilung im Kühlmittelbad und wegen der hohen Oberfläche der erzeugten Gasblasen ein guter Wascheffekt gefördert wird. Dieser bleibt durch die kegelförmige Ausbildung der Gasverteilerglocke und die mit der Eintauchtiefe zunehmende Größe der Gasdurchtrittsöffnungen in der Gasverteilerglocke auch bei unterschiedlichen Heißgasvolumenströmen annähernd konstant, denn infolge der sich nach unten erweiternden Mantelfläche der Gasverteilerglocke steht bei höherem Gasdurchsatz und dadurch absinkendem Kühlmittelniveau in der Gasverteilerglocke ein größerer Gesamtöffnungsquerschnitt der Gasdurchtrittsöffnungen auf dem Umfang zur Verfügung. Zum Anderen wird durch die mit der Tiefe zunehmende Öffnungsweite der Gasdurchtrittsöffnungen und dadurch abnehmende Drosselwirkung in vorteilhafter Weise erreicht, dass damit der mitzunehmender Eintauchtiefe anwachsende Druckverlust beim Durchströmen des Kühlmittelbades kompensiert wird, so dass nahezu unabhängig vom Gasdurchsatz ein konstanter Strömungswiderstand des Tauchbades erzielbar ist.
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Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Sammeltrichter aufweisen, der sich von dem Boden des Gehäuses angeordneten Schlackeabzug kegelförmig nach oben bis zu der Innenwand des Gehäuses aufweitet. Die Gasverteilerglocke und der Sammeltrichter sind dabei so zueinander angeordnet, dass der untere Rand der Glocke in den Sammeltrichter hineinragt.
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Ferner kann das Kühlmittel für das Kühlmittelbad Wasser sein.
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Die Rohgasauslassöffnung kann in einem oberen Drittel des Gehäuses angeordnet sein; falls mehrere Rohgasauslassöffnungen vorgesehen sind, so können diese gleichhoch oder auf verschiedenen Höhen im oberen Drittel des Gehäuses angeordnet sein.
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Der Durchmesser des Tauchrohrs kann zwischen dem Zwei- bis Fünffachen des Durchmessers des Einlasses variieren. Und der größte Durchmesser der Gasverteilerglocke ergibt in einer Ausführungsform bezogen auf den Tauchrohrdurchmesser einen Quotienten von 1,5 bis 3.
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Der gegenüber der Gasverteilerglocke reduzierte Durchmesser des Tauchrohres, wobei die Reduzierung des Tauchrohrdurchmessers erst durch die Gasverteilerglocke sinnvoll ermöglicht wird, besitzt einen wesentlichen Vorteil gegenüber bekannten Varianten mit konstantem Tauchrohrdurchmesser. Aufgrund der größeren Oberfläche des Kühlmittelbades zwischen Gehäuse und Tauchrohr sind die Oberflächenturbulenzen geringer, so dass Schwankungen im Kühlmittelniveau weitaus geringer auftreten und auch der Anteil des mit dem gekühlten Rohgas mitgerissenen Kühlmittels und somit der Kühlmittelverbrauch für das Tauchquenchen reduzierbar ist.
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Eine erfindungsgemäße Flugstromvergaseranlage weist neben dem Flugstromvergaser eine Vorrichtung zur Behandlung eines schlackehaltigen Heißgasstroms auf, die stromabwärts nach dem Flugstromvergaser angeordnet ist. Der Einlass für den Heißgasstrom der Vorrichtung ist dabei mit einem Heißgasaustritt des Flugstromvergasers fluidisch verbunden.
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Im Folgenden soll die Erfindung beispielhaft erläutert werden. Die dazugehörige Zeichnung zeigt in
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1 eine Seitenschnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Tauchquenchen eines Heißgasstromes
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Sie ist lediglich als eine schematische und beispielhafte Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung zu verstehen.
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Die Vorrichtung zur Behandlung eines schlackehaltigen Heißgasstromes weist ein Gehäuse 13 mit einem oben angeordneten Einlass 2 für einen Heißgasstrom 1 auf, der in ein konzentrisch zum Gehäuse vertikal angeordnetes Tauchrohr 3 mündet. Der Einlass 2 für das schlackehaltige Heißgas endet mit einer Schlackeabtropfkante innerhalb des oberen Abschnittes des Tauchrohres 3. Der Durchmesser des Tauchrohres 3 kann das Zwei- bis Fünffache des Durchmessers des Einlasses 2 betragen.
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Am oberen Ende des Tauchrohres 3, d. h. an der Gaseintrittsöffnung des Tauchrohres 3, ist eine bekannte Kühlmittelringkammer 6 angeordnet, die auf ihrer Unterseite eine umfängliche Auslassöffnung 6' aufweist, die sich entlang der Innenwand des Tauchrohres 3 erstreckt und der Aufrechterhaltung eines an der Innenwand des Tauchrohrs 3 nach unten abfließenden, vorzugsweise geschlossenen Kühlmittelfilms 7 dient.
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Vorteilhaft wird die Kühlmittelringkammer 6 durch eine kragenförmige Erweiterung des Tauchrohrs 3 nach innen gebildet, indem sich an das Tauchrohr 3 eine stirnseitige Kragenfläche anschließt, die zusammen mit einem abgewinkelten inneren Zylinderabschnitt die Kühlmittelringkammer 6 bis zur Auslassöffnung 6' begrenzt. Die Auslassöffnung 6' kann nahezu durchgehend umlaufend sein oder kann aus einer Mehrzahl von über den Umfang des Tauchrohres 3 verteilten Öffnungen gebildet sein.
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Zur Speisung der Kühlmittelringkammer 6 mit Kühlmittel ist eine radial durch das Gehäuse 13 zum Tauchrohr 3 geführte Kühlmittelzuleitung 5 an der Kühlmittelringkammer 6 angeordnet.
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Das Tauchrohr 3 taucht mit seinem unteren Abschnitt in ein Kühlmittelbad 14 ein. Am unteren Ende des Tauchrohres 3 ist eine Gasverteilerglocke 12 mit sich im Wesentlichen stetig nach unten kegelförmig erweiterndem Querschnitt angeordnet. Der Mantel muss nicht auf seiner gesamten Höhe kegelförmig gestaltet sein, zur besseren Anpassung der Strömungsverhältnisse an den Quenchprozess kann es beispielsweise auch vorteilhaft sein, die Gasverteilerglocke 12 mit einem zylindrischen Mantelabschnitt an der offenen Unterseite auszustatten, wie in der Zeichnung dargestellt. Weiterhin kann anstelle einer geraden unteren Mantelkontur auch eine wellenförmige oder zahnförmige Kontur vorteilhaft sein.
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Der größte Durchmesser der Gasverteilerglocke 12 bezogen auf den Durchmesser des Tauchrohres 3 liegt im Bereich 1,5 bis 3, vorzugsweise zwischen 1,5 und 2.
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Die Gasverteilerglocke 12 weist in ihrem kegelstumpfförmigen Mantel eine Vielzahl von Gasdurchtrittsöffnungen 12' auf, die in mehreren übereinander angeordneten horizontalen Reihen vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Die Gasdurchtrittsöffnungen 12' sind gleichförmig gestaltet, vorzugsweise kreisförmig. Ebenso sind von der Kreisform abweichende Öffnungen möglich, beispielsweise elliptische oder rechteckige Öffnungen mit abgerundeten Ecken oder Öffnungen mit unstetigen Konturen, die die Blasengröße und den Blasenabriss beeinflussen. Weiterhin können auch geformte und gestanzte Bleche für die Mantelfläche verwendet werden, wobei die Gasdurchtrittsöffnungen beispielsweise trichterförmig oder düsenartig ausgebildet sind.
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Mit der Eintauchtiefe variieren die Abmessungen der Gasdurchtrittsöffnungen 12'. Der Durchmesser der Gasdurchtrittsöffnungen 12' ist oben am Übergang zum Tauchrohr 3 kleiner als der Durchmesser der Gasdurchtrittsöffnungen 12' an dem vom Tauchrohr 3 abgewandt liegenden, nach unten weisenden Rand der Gasverteilerglocke 12, wobei die reihenweise Größenzunahme der Gasdurchtrittsöffnungen 12' in die Tiefe des Kühlmittelbades 14 derart gewählt ist, dass die Summe der Gasdruckverluste beim Durchströmen der Gasdurchtrittsöffnungen 12' und des Kühlmittelbades 14 annähernd konstant bleibt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist weiterhin einen zwischen Gehäuse 13 und Tauchrohr 3 gebildeten Zwischenraum 21 für das gequenchte Gas als Sammelraum oberhalb des Kühlmitteltauchbades 14 und einen Rohgasauslass 20 für das abgekühlte und von Schlacke weitgehend befreite Rohgas auf, der üblicherweise im oberen Drittel des Gehäuses 13 angeordnet ist. Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung mehr als einen Rohgasauslass 20 aufweist. Sind zwei oder mehr Rohgasauslässe vorgesehen, so können diese zwecks Anpassung an die Heißgaseigenschaften auf verschiedenen Höhen im oberen Drittel des Gehäuses 13 angeordnet sein.
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Das Gehäuse 13 ist derart gestaltet, dass der untere Rand der Gasverteilerglocke 12 in einen Sammeltrichter 15 für die aus dem Heißgas abgetrennte Schlackepartikel hineinragt, der sich im Kühlmittelbad 14 von einem am Gehäuseboden angeordneten Schlackeabzug 16 kegelförmig bis zur Innenwand des Gehäuses 13 erstreckt.
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Das Gehäuse 13 weist ferner einen Kühlmittel-Überlauf 19 auf, der in Höhe eines für die Tauchquenchung erforderlichen Kühlmittelniveaus N angeordnet ist.
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Im Falle von Wasser als Kühlmittel kann Prozesswasser ohne vorherige Behandlung für den Kühlmittelfilm 7 und das Kühlmittelbad 14 verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zur Abkühlung eines schlackehaltigen Heißgasstromes 1 und zur Abtrennung der Schlacke aus dem Heißgasstrom 1 von Vergaseranlagen für kohlenstoffhaltige Brennstoffe vorgesehen, beispielsweise Flugstromvergaseranlagen von Biomassevergasern. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dazu stromabwärts dem Flugstromvergaser nachgeordnet und mit diesem fluidisch verbunden, wobei die Anordnung der Vorrichtung vorzugsweise direkt an einem Heißgasaustritt unterhalb einer Brennkammer des Flugstromvergasers erfolgt.
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Der schlackehaltige Heißgasstrom 1 wird zunächst durch den Einlass 2 vertikal nach unten in das filmgekühlte Tauchrohr 3 geführt. Dort erfolgt ein Vorquenchen des zugeführten Heißgasstromes 1 im Kontakt mit dem Kühlmittelfilm 7, der an der Innenwandfläche des Tauchrohrs 3 erzeugt wird. Der Kühlmittelfilm 7 bewirkt neben der Vorquenchung des zugeführten Heißgasstromes 1 einen verbesserten Abtransport der Schlackepartikel in das Kühlmittelbad 14, indem eine Ablagerung von Schlacke an der Tauchrohrinnenwand reduziert bzw. vermieden wird.
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Der vorgequenchte Gasstrom wird zusammen mit den im Gasstrom befindlichen erstarrenden oder bereits erstarrten Schlacketeilchen in das Kühlmittelbad 14 eingeleitet und dort tauchgequencht, wobei den Wascheffekt verstärkende Turbulenzen im Kühlmittelbad 14 entstehen. Während die Strömungsrichtung des eingeleiteten Gases an der Gasverteilerglocke 12, die sich an das untere Ende des Tauchrohres 3 anschließt, umgelenkt wird und durch das Kühlmittelbad 14 nach oben in einen zwischen Tauchrohr 3 und Gehäuse 13 gebildeten Zwischenraum 21 und zu mindestens einem Rohgasauslass 20 strömt, sinkt die durch den Wascheffekt und die Strömungsrichtungsumkehr aus dem Gas abgetrennte Schlacke nach dem Prinzip der Dichtetrennung im Schwerkraftfeld ab. Der Sammeltrichter 15 leitet die erstarrten Schlackeagglomerate einem Schlackeabzug 16 am tiefsten Punkt im Boden des Gehäuses 13 zu, so dass sie dort chargenweise oder kontinuierlich abgezogen bzw. ausgeschleust werden kann.
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Die in die Gasverteilerglocke 12 eingebrachten Gasdurchtrittsöffnungen 12' fördern eine gute Gasverteilung im Kühlmittelbad 14, und tragen damit zu einem guten Wascheffekt bei. Dieser bleibt durch die Anordnung der in der Größe variierenden, nach oben kleiner werdenden Gasdurchtrittsöffnungen 12', die nicht zwingend kreisförmig sein müssen, sondern auch andere Konturen aufweisen können, in der Gasverteilerglocke 12 auch bei unterschiedlichen Heißgasvolumenströmen annähernd konstant aufgrund der Kompensation des in der Tiefe des Kühlmittelbades 14 zunehmenden Druckverlustes durch den geringeren Druckverlust der größeren Gasdurchtrittsöffnungen 12'. Bei geringeren Heißgasdurchsätzen werden die oberflächennahen kleineren Gasdurchtrittsöffnungen 12' mit höherem Druckverlust durchströmt und kleine Gasblasen im Kühlmitteltauchbad 14 erzeugt, bei höheren Gasdurchsätzen werden auch die tiefer angeordneten größeren Gasdurchtrittsöffnungen 12' vom Gas durchströmt, die geringere Druckverluste bewirken.
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Der von Schlacke befreite Rohgasstrom sammelt sich im Zwischenraum 21 und verlässt dann durch den Rohgasauslass 20 die Vorrichtung. Zwei oder mehrere Rohgasauslässe 20 auf verschiedenen Höhen im oberen Drittel des Gehäuses 13 ermöglichen auch eine variable Nutzung des Gehäuses 13 für verschiedene Quenchvarianten.
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Der Sammeltrichter 15 schützt das Gehäuse vor Schlackeablagerungen und Verschleiß. Der Kühlmittel-Überlauf 19 hält ein für die Gasreinigung und Restkühlung des Gases erforderliches Kühlmittelniveau N im Gehäuse 13 aufrecht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heißgasstrom
- 2
- Einlass für Heißgasstrom
- 3
- Tauchrohr
- 5
- Kühlmittelzuleitung
- 6, 6'
- Kühlmittelringkammer, Auslassöffnung
- 7
- Kühlmittelfilm
- 12, 12'
- Gasverteilerglocke, Gasdurchtrittsöffnungen
- 13
- Gehäuse
- 14
- Kühlmittelbad
- 15
- Sammeltrichter
- 16
- Schlackeabzug
- 19
- Überlauf
- 20
- Rohgasauslass
- 21
- Zwischenraum
- A
- Achse von Tauchrohr und Gehäuse
- N
- Niveau des Kühlmittelbades 14
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DD 145860 [0004]
- EP 0127878 [0005]
