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Die Erfindung betrifft einen Festbett-Vergasungsreaktor zur Erzeugung von Brenngasen aus Vergasungsmaterial mit einem liegend angeordneten und drehbar gelagerten Reaktionsgehäuse, an dessen einem Ende durch eine Beschickungsvorrichtung Vergasungsmaterial, insbesondere Biomasse, zugeführt und an dessen anderem Ende durch eine Ausschleusvorrichtung nichtvergaste Restsubstanz entnommen werden kann, und mit einem Stützbrenner zum Anfahren und zur Sicherung einer Mindesttemperatur in einer Reaktionszone des Reaktionsgehäuses sowie mit einem Entnahmeanschluss für Brenngas.
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Als Stand der Technik sind Festbett-Vergasungsreaktoren bekannt, mit denen aus Biomasse, insbesondere Holz, mit Wasserdampf und einer geregelten Luftzufuhr Brenngase erzeugt werden. Dabei kommen zumeist Vergasungsreaktoren zum Einsatz, die senkrecht angeordnet sind, und bei denen die Biomasse zumindest zum überwiegenden Teil sich senkrecht von oben nach unten bewegt. Zur Auflockerung der Biomasse und, um diese in Bewegung zu halten, ist weiterhin bekannt, in diesen feststehenden Vergasungsreaktoren senkrecht angeordnete Schnecken vorzusehen, die die Biomasse gegen die Schwerkraft nach oben fördern.
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Grundsätzlich werden bei Vergasungsreaktoren die folgenden Temperatur- und Funktionszonen unterschieden. Zunächst eine Trocknungszone, in der der zugeführten Biomasse unter Wasserdampfbildung überschüssiges Wasser entzogen wird. Daran schließt sich eine Aufheizzone mit einer Reaktionsstufe an sowie schließlich eine Ausgasungszone. Bei der Inbetriebnahme und gegebenenfalls, falls durch Oxidation mit Luftsauerstoff aus der Biomasse nicht genügend Wärme für den fortlaufenden Betrieb anfällt, werden Stützbrenner betrieben, die einen bestimmten Bereich des Vergasungsreaktors, insbesondere die Reaktionszone, aufheizen können. Angestrebt wird dabei ein Durchlaufbetrieb, bei dem kontinuierlich Biomasse zugeführt wird und Brenngas wie auch Pyrolysekoks bzw. Asche ausgeschleust wird.
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Ein solcher, senkrecht angeordneter Vergasungsreaktor ist beispielsweise aus der
DE 10 2008 021 966 B4 bekannt.
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Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass es leicht zu Stockungen des Materialflusses wie auch zur Blockierungen durch die Biomasse in dem Vergasungsreaktor kommen kann. Insbesondere muss das Material außerhalb der Schnecke in dem Zwischenraum bis zu einer Wand nach unten rutschen und wird gleichzeitig von der Schnecke nach oben befördert, um es aufzulockern. Dadurch verbleibt jedoch nur ein relativ enger Lichtraum, bzw. ringförmiger freier Querschnitt, und es kann leicht zu Materialblockierungen kommen. In einem solchen Fall ist jedoch der Innenraum des Vergasungsreaktors nur schwer zugänglich und können insbesondere von senkrecht oben nur mit erheblichem Aufwand Werkzeuge zum Ausräumen einer solchen Blockierung eingeführt werden. Bei einer Schnecke wird auch nachteilig das Material mit der Schnecke mitgedreht und relativ zu einer Außenwand bewegt. Dadurch kommt es zu einem Abschmirgeln und einem Verschleiß der Außenwand. Auch erfordert die Bauhöhe eines solchen Vergasungsreaktors entsprechende Vorkehrungen, wie bei Aufstellung innerhalb einer Halle etwa eine entsprechende Deckenhöhe. Nachteilig ist auch der insgesamt aufwändigere Aufbau der senkrecht stehenden Vergasungsreaktoren sowie deren aufwändigere Montage und Demontage.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Vergasungsreaktor zur Verfügung zu stellen, der die zuvor genannten Nachteile vermeidet und Biomasse einer großen Bandbreite nutzen kann, wie sie etwa aus landwirtschaftlichen Betrieben, Brauereien, Biogasanlagen bis hin zu Abfällen aller Art anfällt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Vergasungsreaktor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Festbett-Vergasungsreaktor zur Erzeugung von Brenngasen aus Vergasungsmaterial mit einem liegend angeordneten und drehbar gelagerten Reaktionsgehäuse, an dessen einem Ende durch eine Beschickungsvorrichtung Vergasungsmaterial zugeführt und an dessen anderem Ende durch eine Ausschleusvorrichtung nichtvergaste Restsubstanz entnommen werden kann, und mit einem Stützbrenner zum Anfahren und zur Sicherung einer Mindesttemperatur in einer Reaktionszone des Reaktionsgehäuses sowie mit einem Entnahmeanschluss für Brenngas, wobei an der Innenseite der Wand des Reaktionsgehäuses zumindest über einen Teil der Längserstreckung, bevorzugt über die gesamte Längserstreckung, des Reaktionsgehäuses eine Wendel vorgesehen ist.
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Vorteilhaft kann der Vergasungsreaktor auch sehr flexible und/oder weiche Vergasungsmaterialien nutzen, insbesondere Biomassen. Als Vergasungsmaterial sind grundsätzlich auch jegliche andere Gemenge bis hin zu Abfällen denkbar, die Kohlenwasserstoffe enthalten und aus denen durch verschwelen Gas gewonnen werden kann. Da die Innenwendel fest mit dem Reaktionsgehäuse, das in seinem Querschnitt nicht unbedingt kreisförmig sein muss, sondern auch zum Beispiel ein regelmäßiges Vieleck sein kann, verbunden ist und sich wie ein bandförmiges Element entsprechend einem Gewindegang durch das Reaktionsgehäuse in Längsrichtung erstreckt, wird das Material nicht schleifend über die Gehäusewand von einer Fördervorrichtung, insbesondere einer Schnecke bewegt. Dadurch wird Verschleiß vermieden. Beim Drehen des Reaktionsgehäuses wird das Vergasungsmaterial durch die Wendel in Richtung Ausschleusvorrichtung bewegt. Jedoch fällt das Material aus der Wendel heraus nach unten, sobald durch die Drehbewegung das Vergasungsmaterial weit genug angehoben wurde. Dadurch erfolgt vorteilhaft eine Durchmischung und Auflockerung des Verfassungsmaterials. Dies ermöglicht als Vergasungsmaterial auch nur sehr schwer zu nutzende Biomassematerialien wie sehr feuchte, sehr flexible oder durch ihre Konsistenz schwierige Materialien zu verwenden. Da in der Längserstreckung in der Mitte des Querschnitts des Reaktionsgehäuses ein Freiraum verbleibt, durch den bei der Drehung das Material immer wieder hindurch fällt, ist die Gefahr von Stockungen des Materialflusses und Gruppierungen vermindert. Insgesamt ergibt sich ein relativ einfacher Aufbau. Durch die liegende Anordnung kann vorteilhaft eine leichtere Montage erreicht werden und sind bei Unterbringung in einem Gebäude keine besonders hohen Decken erforderlich. Soweit es dennoch zu einer Blockierung durch Vergasungsmaterial kommt, so kann durch den freien Innenraum entlang der Drehachse des Reaktionsgehäuses diese Blockierung von den Enden des Reaktionsgehäuses her erreicht und mit Werkzeugen beseitigt werden
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In vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist der Stützbrenner im Bereich einer Reaktionszone in einem das Reaktionsgehäuse umschließenden, Brennergehäuse angeordnet.
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Es ist besonders vorteilhaft, das Reaktionsgehäuse von außen und über einen flächigen Bereich zu beheizen. Gegenüber einer punktuellen Beheizung ergibt sich somit eine genauso verteilte Energiezufuhr wie durch die schwelende Verbrennung des Vergasungsmaterials im Inneren des Redaktionsgehäuses. Daher ist es besonders vorteilhaft, die äußere Energiezufuhr beispielsweise über denselben Bereich wie die Reaktionszone zu verteilen. Der Stützbrenner selbst ist vorteilhaft als eine Linie mit Flammen in Längsrichtung des Reaktionsgehäuses, bevorzugt eines Reaktionszylinders ausgebildet. Bei einer Drehung des Reaktionsgehäuses wird dadurch die gesamte Fläche dieses Abschnittes beheizt. Die flächige Beheizung kann sich aber auch auf einen kleineren Bereich als Reaktionszone beschränken. Weiterhin kann die beschriebene Ausführung des Stützbrenners, der flächig beheizt, unabhängig von den sonstigen hier geschilderten Merkmalen der Erfindung bei Vergasungsreaktoren mit liegend angeordneten Reaktionsgehäuse ganz allgemein eingesetzt werden.
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In einer günstigen Weiterbildung der Erfindung ist das Reaktionsgehäuse unter einem Winkel der Drehachse zwischen 0° und 10°, bevorzugt zwischen 3° und 7°, von der Beschickungsvorrichtung zur Ausschleusvorrichtung ansteigend gelagert.
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Dadurch kann vorteilhaft die Vorschubgeschwindigkeit des Vergasungsmaterials durch das Reaktionsgehäuse beeinflusst und eingestellt werden. Dies ermöglicht einen weiten Anwendungsbereich von sehr trockenen, leichten Materialien bis zu sehr schweren nassen Materialien.
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Die Neigung der Drehachse kann durch höhenverstellbare Stellfüße eingestellt werden.
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Da solche Reaktionsgehäuse zumeist nicht über eine Achse gelagert werden sondern auf mehreren Rollen laufen, ist dies der einfachste Weg, die Neigung einzustellen. Es wird dadurch der gesamte Festbett-Vergasungsreaktor in seiner Neigung verändert und mit diesem die Neigung des Reaktionsgehäuses.
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Vorteilhaft ist der Entnahmeanschluss für Brenngas an demselben Ende des Reaktionsgehäuses angeordnet, wie die Ausschleusvorrichtung für die Restsubstanz.
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Somit kann der Entnahmeanschluss außerhalb des sich drehenden Reaktionsgehäuses angeordnet werden und das Brenngas über die offene Endseite des sich drehenden Reaktionsgehäuses abgeführt werden.
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In einer günstigen Gestaltung der Erfindung ist das Reaktionsgehäuse ein Reaktionszylinder.
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Eine Zylinderform ist eine günstig herzustellende, für die drehende Arbeitsweise des Reaktionsgehäuses vorteilhafte und statisch sehr stabile Form.
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Vorteilhaft beträgt die Höhe der Wendel ca. 1/10 bis 1/12 des Durchmessers des Reaktionszylinders.
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Durch die sich dadurch ergebende große freie Fläche im Zentrum des Querschnitts wird die Gefahr von Blockierung durch das Vergasungsmaterial minimiert. Zugleich kommt es zu einer sehr guten Auflockerung und Durchmischung, da das Material beim Drehen des Reaktionsgehäuses aus der Wendel über diesen Freiraum nach unten fällt.
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Das Reaktionsgehäuse kann an einem oder beiden Enden in einem Zylinderabschnitt außenseitig gelagert sein.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Reaktionsgehäuse an einem oder beiden Enden in dem Zylinderabschnitt eine außenseitige Gleitdichtung auf, die über ein längselastisches Abdichtelement mit einem feststehenden Gehäuseteil verbunden ist.
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Dadurch bleibt das Reaktionsgehäuse an seinen beiden Enden frei von Abdichtelementen oder Lagerungselementen, da diese an seinem Außenumfang befestigt sind. Hierdurch kann der volle Querschnitt des Reaktionsgehäuses für die Zuführung des Vergasungsmaterials bzw. die Ausschleusung der Restsubstanz sowie die Abführung des Brenngases genutzt werden.
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Das Reaktionsgehäuse kann über einen außenseitigen Zahnkranz und eine Kette drehend angetrieben werden.
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Ein solcher Antrieb ist einfach und zuverlässig und unempfindlich gegenüber kleinen Verschiebungen in Längsrichtung des Reaktionsgehäuses aufgrund der Wärmeausdehnung.
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Vorteilhaft sind an einem oder beiden Enden des Reaktionsgehäuses in der Verlängerung der Drehachse Wartungsöffnungen angeordnet.
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Im Fall des Vorliegens einer Blockierung durch Vergasungsmaterial ist es dadurch nicht nötig, die Maschine ganz oder teilweise zu demontieren. Vielmehr können die Wartungsöffnungen geöffnet werden und über den freien Querschnitt innerhalb der Wendel kann von den Außenseiten mit entsprechendem Werkzeug eine Blockierung ausgeräumt werden.
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Eine günstigen Ausgestaltung der Erfindung bilden von der Längserstreckung des Reaktionsgehäuses beginnend von der Beschickungsvorrichtung ca. 20 % eine Trocknungszone, ca. 30 % die Reaktionszone und 50 % eine Ausgasungszone.
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Am Ende der Trocknungszone kann durch Bohrungen im Reaktionsgehäuse und ein das Reaktionsgehäuse ringförmig umschließendes Gehäuse, insbesondere in einem zylinderförmigen Abschnitt des Reaktionsgehäuses, Wasserdampf abgeführt werden.
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Dies ermöglicht es, den in der Trocknungszone anfallenden Wasserdampf aus dem sich drehenden Reaktionsgehäuse abzuführen. Insbesondere wenn dieser Teil des Reaktionsgehäuses einen Kreisquerschnitt hat, wird dabei erreicht, dass der Wasserdampf auch abgeführt werden kann, wenn durch die Bohrungen Teile des Vergasungsmaterials gelangen, da sich in diesem Fall der untere Teil des umschließenden Gehäuses mit diesem Material füllt, jedoch die sich jeweils im oberen Teil des Gehäuses befindlichen Bohrungen nicht zusetzen können und weiterhin Wasserdampf abführen. Es ist denkbar, auf diese Weise Wasserdampf oder Gase auch bei anderen Ausführungen von Vergasungsreaktoren mit einem liegenden Reaktionszylinder abzuführen, unabhängig von den weiteren in dieser Erfindung geschilderten Merkmalen und Ausführungsformen.
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Am Ende der Trocknungszone kann als Trennung zur Reaktionszone ein Abschirmblech in dem freien Innenquerschnitt der Wendel angeordnet sein, das maximal die obere Hälfte des freien Innenquerschnitts, bevorzugt ein oberes Drittel des freien Innenquerschnitts überdeckt.
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Vorteilhaft ist an dem Abschirmblech ein Temperatursensor angeordnet.
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Da das Abschlussblech über eine entsprechend lange Stange bis zum Ende des Reaktionsgehäuses abgestützt werden muss, bietet sich hierdurch die Möglichkeit ein Signalkabel bis zu einem Sensor an dieser Stelle zu führen und somit einen Temperaturwert aus dem Inneren des Reaktionsgehäuses zu gewinnen.
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Als weitere Temperaturmessung kann eine Temperatur der Reaktionszone im Bereich des Stützbrenners durch berührungslose Messverfahren gewonnen werden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt
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1 schematisch im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Festbett-Vergasungsreaktor und
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2 den erfindungsgemäßen Festbett-Vergasungsreaktor in einer Perspektivansicht.
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Die 1 zeigt schematisch im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Festbett-Vergasungsreaktor 1 mit einem Reaktionsgehäuse 2, das als Reaktionszylinder 3 ausgebildet ist und an dessen Innenwand eine Wendel 4 sich befindet. In einem feststehenden Brennergehäuse 5 befindet sich ein Stützbrenner 6 und heizt eine Reaktionszone 7 auf, wenn der Festbett-Vergasungsreaktor 1 in Betrieb genommen wird, oder die in der Reaktionszone 7 entstehende Wärme im normalen Betrieb nicht ausreichend sein sollte. An die Reaktionszone 7 schließt sich die Ausgasungszone 8 an. Das in der Ausgasungszone 8 entstehende Brenngas wird über einen Entnahmeanschluss 9 für Brenngas, der sich in einem feststehenden Gehäuseteil 10 befindet und oberhalb eines Leitblechs 11 angeordnet ist, abgeführt. Unterhalb des Leitblechs 11 befindet sich als Ausschleusvorrichtung 12 eine Ausschleusöffnung 13 mit einer Zellenradschleuse 14. Der Reaktionszylinder 3 ist auf beiden Seiten auf Rollen 15 über seinen Außenumfang und einen jeweiligen Lagerring 16 um seine Längsachse drehbar gelagert. Eine Beschickungsvorrichtung 17 mit einer Zellenradschleuse 18 ist in einem feststehenden und an dem gegenüberliegenden Ende des Reaktionsgehäuses 2 angeordneten Gehäuseteil 19 ausgebildet, an das sich eine Trocknungszone 20 des Reaktionszylinders 3 anschließt. Die beiden feststehenden Gehäuseteile 10, 19 sind gegenüber dem drehbaren Reaktionszylinder 3 jeweils durch eine Gleitdichtung 21 abgedichtet, die über ein längselastisches Abdichtelement 22 jeweils mit den feststehenden Gehäuseteilen 10, 19 verbunden sind. Über einen am Außenumfang des Reaktionszylinders 3 angebrachten Zahnkranz 23 sowie eine Kette 24 die von einem Ritzel 25 angetrieben wird, kann über einen mit dem Ritzel 25 verbundenen Elektromotor 26 der Reaktionszylinder 3 in Drehbewegung versetzt werden. Durch diesen Antrieb ergibt sich eine gute Toleranz gegenüber Änderungen der Länge des Reaktionszylinders 3 aufgrund der Wärmeausdehnung. Am Ende der Trocknungszone 20 kann durch Bohrungen 27 in dem Reaktionsgehäuse 3 und ein das Reaktionsgehäuse 3 ringförmig umschließendes Gehäuse 28 Wasserdampf abgeführt werden.
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An einer an dem Gehäuseteil 19 befestigten Haltestange 29 ist zwischen Trocknungszone 20 und Reaktionszone 7 ein feststehendes Abschirmblech 30 angeordnet. Dieses Abschirmblech 30 überdeckt ungefähr ein Drittel des innerhalb der Wendel 4 in Längsrichtung das Reaktionszylinder 3 freien Querschnitts in der oberen Hälfte. An dem Abschirmblech 30 ist ein Temperatursensor 31 angeordnet, der die Temperatur im Inneren des Reaktionszylinders 3 misst.
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Im Betrieb wird über die Zellenradschleuse 18 und die Beschickungsvorrichtung 17 ein Vergasungsmaterial, bevorzugt Biomasse dem Reaktionszylinder 3 zugeführt. In der Trocknungszone 20 wird der Biomasse Wasser entzogen und über die Bohrungen 27 der Wasserdampf abgeführt. In der Reaktionszone 7 wird durch den Stützbrenner 6 die Biomasse soweit aufgeheizt, bis diese selbstständig verschwelt. Das in der Ausgasungszone 8 entstehende Brenngas wird über den Entnahmeanschluss für Brenngas 9 abgeführt. Vorteilhaft kann es bei dem erfindungsgemäßen Festbett-Vergasungsreaktor 1 weniger leicht zu einer Blockierung des Reaktionsgehäuses 2 durch Biomasse kommen und kann im Falle einer Blockierung diese von den Endseiten des Reaktionszylinders 3 bzw. Reaktionsgehäuses 2 leichter beseitigt werden.
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Die 2 zeigt den erfindungsgemäßen Festbett-Vergasungsreaktor 1 in einer Perspektivansicht mit dem Reaktionszylinder 3 bzw. dem Reaktionsgehäuse 2 und dem Brennergehäuse 5. Im Inneren des Reaktionszylinders 3 ist die Wendel 4 dargestellt. Der Reaktionszylinder 3 wird durch die Lagerringe 16 und die Rollen 15 drehbar gelagert und kann über den Zahnkranz 23 gedreht werden. An einem Ende des Reaktionszylinders 3 ist die Beschickungsvorrichtung 17 angeordnet, während das andere Ende durch das feste Gehäuseteil 10 mit einer Wartungsöffnung 32 abgeschlossen wird.
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Der Festbett-Vergasungsreaktor 1 ist auf Rahmenträgern 33 mit Stellfüßen 34 angeordnet. Über die Stellfüße 34 kann bis zu einem gewissen Maß die Höhe verändert werden und dadurch die Neigung der Drehachse des Reaktionszylinders 3. Dies ermöglicht eine Anpassung an die Materialeigenschaften des Vergasungsmaterials und insbesondere dessen Ansprechen auf den Transport durch die Wendel 4.
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Es ist denkbar, die Merkmale des Antriebs durch den Zahnkranz 23 und die Kette 24 völlig unabhängig von den weiteren die beschriebenen Eigenschaften des Festbett-Vergasungsreaktors 1 einzusetzen.
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Ebenso ist es denkbar, unabhängig von den weiteren beschriebenen Eigenschaften die Merkmale des Festbett-Vergasungsreaktors 1 einzusetzen, dass der Reaktionszylinder 3 auf beiden Seiten auf Rollen 15 über seinen Außenumfang und einen jeweiligen Lagerring 16 gelagert ist sowie das feststehende Gehäuseteil 10, 19 gegenüber dem Reaktionszylinder 3 jeweils durch eine Gleitdichtung 21 abgedichtet und über das längselastische Abdichtelement 22 jeweils mit den feststehenden Gehäuseteilen 10, 19 verbunden sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008021966 B4 [0004]
