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Technischer Hintergrund
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Carbon Black.
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Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von Carbon Black oder Industrie-Ruß ist der so genannte Furnace-Prozess, bei dem in einem Verbrennungsofen unter kontrollierter Luftzufuhr ein Heißgas als Verbrennungsgas erzeugt wird.
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In dem Verbrennungsgas wird dann ein flüssiges Kohlenstoff-Basismaterial, meist aromatische carbo- oder petrochemische Öle, bei hohen Temperaturen verbrannt werden, um so freien Kohlenstoff, d. h. Carbon Black, zu erzeugen.
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Diese Reaktion wird im letzten Schritt des Furnace-Prozesses, dem Quenching, mittels Wasserzugabe abrupt an der Stelle abgebrochen, an dem die entstehenden Carbon Black-Teilchen die gewünschte Größenordnung und Eigenschaften besitzen.
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Die derart hergestellten Carbon Black-Teilchen haben zumeist eine Größenordnung und Größenstruktur im Nanometerbereich und werden je nach Prozessführung passend für die unterschiedlichen technischen Anwendungszwecke hergestellt.
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Die im Furnace Prozess verwendeten carbo- oder petrochemischen Öle haben einen sehr hohen Kohlenstoffgehalt. Da diese Öle einerseits teuer sind und andererseits ein endliches Produkt darstellen, ist es erstrebenswert, diese Öle durch Recycling-Produkte zu ersetzen oder einen kompletten Materialkreislauf zu erzeugen.
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Altgummi wird derzeit auf verschiedene Arten entsorgt oder recycelt. Die einfachste und derzeit immer noch gängigste Methode ist die Verbrennung in einem Zementofen. Dabei macht man sich u. a. den hohen Energiegehalt von Gummi zu Eigen.
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Andere Arten des Recyclings von Altgummi ist die Herstellung und Verwendung von Gummigranulat sowie Gummimehl. Dies wird hauptsächlich als Füllstoff für Sport- oder Straßenbeläge eingesetzt oder als Grundstoff zur Pyrolyse für die Rückgewinnung des im Gummi, beispielsweise in Reifen, eingesetzten Carbon Blacks. Bei der zuletzt genannten Technologie sind die bei der Pyrolyse gewonnen Öle carbonreich, so dass sie wieder zur Herstellung von Carbon Black, beispielsweise mittels eines sogenannten Furnace Ofens, in dem der Furnace Prozess durchgeführt wird, eingesetzt werden können.
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Bei dem Umweg über die Pyrolyse wird jedoch relativ viel Energie aufgewendet, um Altgummi zu wieder verwendbarem Carbon Black zu recyceln.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, durch die Carbon Black direkt aus Altgummi hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Herstellung von Carbon Black gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Eine Vorrichtung zur Herstellung von Carbon Black sowie mit dem Verfahren oder der Vorrichtung hergestelltes Carbon Black sind Gegenstand der Nebenansprüche.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Darstellung der Erfindung
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Carbon Black werden die folgenden Schritte durchgeführt:
- a) Mahlen von Gummi zu Gummi-Feststoffpartikeln einer gewünschten Partikelgröße;
- b) Bereitstellen eines Verbrennungsofens mit einer erhitzten Strömung eines Gas-Luft-Gemischs;
- c) Bereitstellen eines flüssigen Kohlenstoffbasismaterials;
- d) Eindüsen des flüssigen Kohlenstoffbasismaterials in die Strömung des Gas-Luft- Gemischs;
- d) Einblasen der Gummi-Feststoffpartikel in die Strömung des Gas-Luft-Gemischs.
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Mit einem solchen Verfahren ist eine definierte Zuführung und Verbrennung von carbonreichen Feststoffen wie beispielsweise Altgummi, insbesondere Altreifen, in dem Furnace-Prozess möglich. Somit kann einerseits flüssiges Kohlenstoffbasismaterial eingespart werden und andererseits Altgummi ohne Umwege recycelt werden.
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Bevorzugt wird das Gummi, insbesondere das Altgummi, zu Gummi-Feststoffpartikeln gemahlen, so dass Gummimehl entsteht. Dieses Gummimehl kann durch das feine Vermahlen ohne weitere Aufbereitung direkt in den Verbrennungsofen eingeblasen werden und verbrennt dort gemeinsam mit dem flüssigen Kohlenstoffbasismaterial zu Carbon Black.
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Vorzugsweise wird als Kohlenstoffbasismaterial ein aromatisches carbo- oder petrochemisches Öl und/oder als Gummi Altgummi, vorzugsweise Altreifen, verwendet. Es können jedoch auch andere kohlenstoffhaltige Feststoffe eingesetzt werden.
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Carbo- oder petrochemische Öle weisen einen hohen Kohlenstoffgehalt auf und können daher vorteilhaft effektiv mit großer Ausbeute zu Carbon Black umgesetzt werden. Um Kosten für die Bereitstellung des Öles zu sparen, wird als Gummimaterial vorzugsweise Altgummi, vorzugsweise Altreifen, verwendet. Durch die Verbrennung des Altgummi direkt in dem Furnace-Prozess werden Umwege über Pyrolyse und die damit verbundenen Energieverlust umgangen, so dass ein vorteilhaft effektives Recyceln des Altgummi ermöglicht wird.
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Dazu werden vorzugsweise die aromatischen carbo- oder petrochemische Öle zunächst insofern aufbereitet, dass sie eine definierte Zusammensetzung besitzen, z. B. einen Höchstgehalt an Schwefel, Asche und Wasser sowie vorteilhaft einen definierte Viskosität, damit das Öl eingedüst werden kann.
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Besonders bevorzugt werden in Schritt a) die folgenden Schritte durchgeführt:
- a1) Schreddern des Gummis, wobei das Gummi vorzugsweise entwulstet und vorzerkleinert und nachfolgend in einem Granulator nachzerkleinert wird;
- a2) Entfernen von Metallpartikeln, insbesondere von Stahlpartikeln, und/oder von Textilmaterialien;
- a3) Mahlen des Gummis auf die gewünschte Partikelgröße.
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Zunächst wird demgemäß in Schritt a) vorzugsweise Gummimehl mittels eines Schredderprozesses hergestellt. Dabei werden bevorzugt Altreifen oder Altgummi in mehreren Schritten klein geschreddert, dabei vorzugsweise von Metall und Textilfasern getrennt und schließlich vorteilhaft auf die gewünschte Größe gemahlen.
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In bevorzugter Ausgestaltung werden dazu in Schritt a) Altreifen und Altgummi auf Schredderanlagen zuerst entwulstet und vorzerkleinert, danach bevorzugt in einem Granulator nachzerkleinert und vorzugsweise von Stahl und textilen Fasern befreit sowie schließlich fein vermahlen. So entsteht vorzugsweise ein möglichst reines Gummimehl, bevorzugt in der gewünschten Größenordnung.
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Durch mehrere einfache Zerkleinerungsprozesse und das physikalische Entfernen von Metall-und Textilpartikeln kann vorteilhaft einfach ein für die Verbrennung in einem Verbrennungsofen geeignetes Gummimehl erzielt werden.
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Dazu wird vorzugsweise das in dem Schredderprozess klein geschredderte Gummigranulat zu Gummimehl fein gemahlen, so dass es vorteilhaft durch übliche Düseneinrichtungen in den Verbrennungsofen eingeblasen werden kann.
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Vorteilhaft wird dazu das Gummi zu Gummimehl, vorzugsweise mit einer Partikelgröße von 200 μm bis 1000 μm, mehr vorzugsweise 400 μm bis 800 μm, gemahlen.
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Besonders bevorzugt werden die Gummi-Feststoffpartikel beim Einblasen in die Strömung des Gas-Luft-Gemischs fein zerstäubt, vorzugsweise durch ein Rühr- und/oder Mahlwerk in dem Verbrennungsofen.
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Eventuell auftretende Agglomerationen werden somit vorzugsweise zerkleinert.
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Somit ist es vorteilhaft möglich, die im Gummimehl vorhandenen die bevorzugen direkt ohne Umweg zu carbonisieren, d. h. zu Carbon Black umzusetzen.
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Vorzugsweise werden die Gummi-Feststoffpartikel und das Kohlenstoffbasismaterial derart in die Strömung des Gas-Luft-Gemischs eingedüst, dass in der Strömung des Gas-Luft-Gemischs 1 Gew.-% bis 99 Gew.-% des Kohlenstoffbasismaterials vorliegt.
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So kann vorteilhaft die Qualität des herzustellenden Carbon Black durch Einstellen des Verhältnisses von Gummi-Feststoffpartikeln zu Kohlenstoffbasismaterial vorzugsweise einfach beeinflusst werden.
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Besonders bevorzugt werden die Gummi-Feststoffpartikel und das Kohlenstoffbasismaterial vorzugsweise gleichzeitig durch getrennte Düseneinrichtungen in die Strömung des Gas-Luft-Gemischs eingedüst.
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Damit ist es vorteilhaft möglich, zwecks effektivem Recycling dem Furnace Prozess einen hohen Prozentsatz an Gummi-Feststoffpartikeln zuzuführen, vorzugsweise ohne die geregelte Zufuhr von flüssigem Kohlenstoffbasismaterial zu stören.
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Vorteilhaft wird eine Zufuhr von Gas und/oder Luft in die Strömung des Gas-Luft-Gemischs und/oder die Temperatur des Gas-Luft-Gemischs kontrolliert, vorzugsweise derart, dass Carbon Black mit einer Größe von 0,1 μm bis 10 μm, vorzugsweise 1 μm bis 5 μm, entsteht.
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Beispielhaft wird bevorzugt eine Temperatur von 1000°C bis 2000°C, vorzugsweise 1200°C bis 1800°C, in der Strömung des Gas-Luft-Gemischs eingestellt. Vorteilhaft carbonisieren die im Gummimehl vorhandenen die bei diesen Temperaturbereichen sofort.
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Beispielsweise wird die Strömung des Gas-Luft-Gemischs entzündet und die erzeugte Flamme auf eine Temperatur über 1.200°C eingestellt.
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Vorteilhaft wird ein vorbestimmtes Mischungsverhältnis des Gas-Luft-Gemischs sowie die Verbrennungstemperatur zur Erzielung vorbestimmter Qualitäten der hergestellten Carbon Black-Teilchen, insbesondere einer definierten Teilchengröße von kleiner als 1–5 μm, eingestellt.
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Je nach Verbrennungstemperatur und Verbrennungsdauer entstehen so unterschiedliche Carbon Black-Qualitäten, da über diese Parameter nicht nur vorteilhaft die Geschwindigkeit der Verbrennung gesteuert werden kann, sondern auch die Entgasung bzw. Entölung des Gummimehls und damit die dabei stattfindende abrupte Carbonisierung des erzeugten Gases und Öls. So kann vorteilhaft durch die Verbrennungsgeschwindigkeit der Anteil an verunreinigenden Rückständen in dem entstehenden Carbon Black gesteuert werden.
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Vorzugsweise wird das entstandene Carbon Black kontrolliert schnell abgekühlt, wenn es die gewünschte Größe und/oder die gewünschten Eigenschaften erreicht hat.
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Dies erfolgt beispielsweise durch Eindüsen von Wasser in eine aus der Verbrennung resultierende Verbrennungsprodukt-Strömung. Das schnelle Abkühlen der Verbrennungsprodukt-Strömung ist auch als Quenching bekannt.
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Weiter vorteilhaft wird das entstandene Carbon Black nach dem schnellen Abkühlen zwecks Pelletierung in eine Pelletierungseinrichtung eingeblasen.
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Vorzugsweise wird das entstandene Carbon Black nach der Pelletierung getrocknet.
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Eine Vorrichtung zum Herstellen von Carbon Black weist eine Mahleinrichtung zum Mahlen von Gummi zu Gummi-Feststoffpartikeln und einen Verbrennungsofen auf, der eine Heißgaserzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines heißen Verbrennungsgases, eine erste Düseneinrichtung zum Eindüsen eines flüssigen Kohlenstoffbasismaterials und eine zweite Düseneinrichtung zum Einblasen der Gummi-Feststoffpartikel aufweist.
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Vorzugsweise umfasst die Heißgaserzeugungseinrichtung eine Steuereinrichtung zum Steuern eines Verhältnisses von Gas und/oder Luft in dem Verbrennungsgas und/oder zum Steuern einer Temperatur in dem Verbrennungsgas.
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Weiter vorteilhaft ist in dem Verbrennungsofen ein Rühr- und/oder Mahlwerk zum feinen Zerstäuben der Gummi-Feststoffpartikel vorgesehen.
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Bevorzugt ist eine Abkühleinrichtung zum schnellen Abkühlen des hergestellten Carbon Black und/oder eine Pelletiereinrichtung zum Pelletieren des hergestellten Carbon Black und/oder eine Trocknungseinrichtung zum Trocknen des hergestellten Carbon Black vorgesehen.
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Ein bevorzugtes Carbon Black ist mit dem oben beschriebenen Verfahren bzw. der oben beschriebenen Vorrichtung hergestellt.
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So kann vorteilhaft ein Kreislauf erzeugt werden, bei dem beispielsweise Altreifen, die unter Verwendung von Carbon Black-Teilchen hergestellt worden sind, wieder zu beispielsweise in der Reifenindustrie verwendbarem Carbon Black recycelt werden können.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen von Carbon Black.
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Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Herstellen von Carbon Black 12, die einen Verbrennungsofen 14, eine Abkühleinrichtung 16, eine Pelletiereinrichtung 18 und eine Trocknungseinrichtung 20 aufweist.
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In den Verbrennungsofen 14 wird über eine Düsenvorrichtung 22 zu verbrennendes Material sowie Verbrennungsgas 24 eingedüst.
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Dazu weist die Düsenvorrichtung 22 eine Heißgaserzeugungseinrichtung 26, eine erste Düseneinrichtung 28 zum Eindüsen von flüssigem Kohlenstoffbasismaterial 30 und eine zweite Düseneinrichtung 32 zum Einblasen von Gummi-Feststoffpartikeln 34 auf.
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Die Heißgaserzeugungseinrichtung 26 erzeugt eine Strömung 36 eines Gas-Luft-Gemischs 38 als Verbrennungsgas 24. Eine Steuereinrichtung 40 ist dem Verbrennungsofen 14 sowie der Heißgaserzeugungseinrichtung 26 über Steuereinheiten 42 zugeordnet, um die Zufuhr von Gas oder Luft in die Strömung 36 und die Temperatur in dem Verbrennungsgas 24 zu steuern.
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Als flüssiges Kohlenstoffbasismaterial 30 wird ein aromatisches Öl 44 verwendet.
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Die Gummi-Feststoffpartikel 34 werden in Form von Gummimehl 46 in den Verbrennungsofen 14 eingeblasen.
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Zur Herstellung des Gummimehls 46 ist an der zweiten Düseneinrichtung 32 eine Mahleinrichtung 48 zum Mahlen von beispielsweise Altgummi zu dem Gummimehl 46 vorgesehen. In der Mahleinrichtung 48 wird das Gummi zunächst entwulstet und über Schreddern vorzerkleinert sowie in einem nicht gezeigten Granulator nachzerkleinert. Metallpartikel oder Textilmaterialien werden entfernt und dann wird das Gummimehl 46 zu der gewünschte Partikelgröße gemahlen.
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Das Gummimehl 46 wird über die zweite Düseneinrichtung 32 in den Verbrennungsofen 14 eingeblasen, wobei eventuell vorliegende Agglomerationen über ein Rühr- und/oder Mahlwerk 50 zerkleinert werden, so dass die Gummi-Feststoffpartikel 34 fein zerstäubt in den Verbrennungsofen 14 eingebracht werden können.
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Die Steuereinrichtung 40 ist auch dazu ausgelegt, das Verhältnis des flüssigen Kohlenstoffbasismaterials 30 zu den Gummi-Feststoffpartikeln 34 einzustellen, so dass Verhältnisse von 1 Gew.-% bis 99 Gew.-% des Kohlenstoffbasismaterials 30 erzeugt werden können.
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Die fein zerstäubten Gummi-Feststoffpartikel 34 und das flüssige Kohlenstoffbasismaterial 30 verbrennen in dem Verbrennungsgas 24 zu Carbon Black 12, das nachfolgend durch die Abkühleinrichtung 16, insbesondere durch Eindüsen von Wasser, rasch abgekühlt wird, so dass Carbon Black-Teilchen mit einer gewünschten Partikelgröße anfallen. Das entstandene Carbon Black 12 hat durch Einfluss der Strömung 36 eine kinetische Restenergie und bewegt sich in die Pelletiereinrichtung 18, wo es zu handhabbaren Pellets pelletiert wird. Nachfolgend werden die erzeugten Pellets in einer Trocknungseinrichtung 20 von dem eingedüsten Wasser befreit und getrocknet.
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Es wird daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Carbon Black 12 vorgeschlagen, durch die das Carbon Black 12 aus Gummimehl 46 oder anderen kohlenstoffhaltigen Feststoffen erzeugt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Carbon Black
- 14
- Verbrennungsofen
- 16
- Abkühleinrichtung
- 18
- Pelletiereinrichtung
- 20
- Trocknungseinrichtung
- 22
- Düsenvorrichtung
- 24
- Verbrennungsgas
- 26
- Heißgaserzeugungseinrichtung
- 28
- erste Düseneinrichtung
- 30
- flüssiges Kohlenstoffbasismaterial
- 32
- zweite Düseneinrichtung
- 34
- Gummi-Feststoffpartikel
- 36
- Strömung
- 38
- Gas-Luft-Gemisch
- 40
- Steuereinrichtung
- 42
- Steuereinheit
- 44
- Öl
- 46
- Gummimehl
- 48
- Mahleinrichtung
- 50
- Rühr- und/oder Mahlwerk
