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Die Erfindung betrifft eine Wirbelschichtfeuerung.
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Wirbelschichtfeuerungen werden in vielfältigen Ausführungsformen eingesetzt, um unterschiedlichste Brennstoffe und Abfälle zu verfeuern und damit Nutzwärme zu generieren, welche für weitere Prozesse in Form von Heißgas, Heißwasser, Dampf, erhitztem Thermalöl oder anderen wärmetragenden Medien genutzt werden kann.
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Derartige Wirbelschichtfeuerungen sind typischerweise in einer Feuerungsanlage integriert und weisen wenigstens ein Wirbelbett auf, das inertes, feinkörniges, sogenanntes Bettmaterial wie zum Beispiel Sand, Kalkstein oder Asche enthält, welchem über eine Düsenanordnung Gas, insbesondere Luft, von unten zugeführt wird. Weiter werden der Anlage über eine Zuführeinrichtung die zu verfeuernden Brennstoffe zugeführt. Durch die Zuführung von Luft oder Gas durch die Düsen wird das inerte Material fluidisiert und durchmischt sich mit dem zu verfeuernden Brennstoff. Die Zündung während des Aufheizens des Wirbelbettes erfolgt mittels einem oder mehrerer Brenner.
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Da bei der wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Verbrennung, d.h. bei niedrigen Temperaturen und geringem Luftüberschuß, mehr Wärme erzeugt wird, als durch die Verbrennungsluft bzw. die Rauchgase abgeführt werden kann, müssen zusätzliche Vorkehrungen getroffen werden, um diese zusätzliche Wärme abzuführen.
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Generell wird zwischen einer stationären und einer zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung unterschieden. Bei einer stationären Wirbelschichtfeuerung verbleibt das aufgewirbelte inerte Material im Wirbelbett. Bei einer zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung dagegen wird das inerte Material mit den Verbrennungsgasen zum Austritt der Feuerung transportiert und wird über Zyklone abgeschieden und über Wärmetauscher, welche die überschüssige Wärme aus der Verbrennung absorbieren, in das Wirbelbett zurückgeführt.
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Bei einer stationären Wirbelschichtfeuerung kann ein Betrieb mit oder ohne Tauchheizflächen vorgesehen sein. Bei einem Betrieb ohne Tauchheizflächen muss die Verbrennung mit einem hohen Luftüberschuß betrieben werden, so dass die gesamte bei der Verbrennung entstehende Wärme über die Rauchgase abgeführt werden kann. Bei einer solchen Verfahrensanordnung werden große Konvektionsheizflächen zur Abführung der gesamten Wärme aus dem Rauchgas benötigt, und durch die große Abgasmenge vermindert sich der Anlagenwirkungsgrad.
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Durch das Vorsehen von Tauchheizflächen in einer stationären Wirbelschicht ist zwar die Ableitung der überschüssigen Verbrennungswärme an diese Tauchheizflächen möglich, die Wärmemenge kann jedoch nicht geändert werden, so dass unterschiedliche Brennstoffe in ein und derselben Anlage nicht verfeuert werden können und Teillasten nur begrenzt gefahren werden können.
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Diese Einschränkung bei der stationären Wirbelschichtfeuerung soll nun dahingehend aufgehoben werden, dass die Wärmeabnahme der Tauchheizflächen durch geeignete Maßnahmen in einem weiten Bereich geregelt werden kann.
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Eine Wirbelschichtfeuerung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
EP 2 220 434 B1 bekannt.
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Die hierin beschriebene Wirbelschichtfeuerung umfasst ein erstes stationäres Wirbelbett, das sogenannte Verbrennungsbett, welchem Brennstoffe zugeführt werden. Dem ersten Wirbelbett ist ein zweites stationäres Wirbelbett, das sogenannte Wärmetauscherbett, mit Tauchheizflächen zugeordnet. Ein Wärmeaustrag aus dem ersten Wirbelbett wird dadurch erhalten, indem Bettmaterial selbsttätig vom ersten Wirbelbett auf das zweite Wirbelbett geführt ist. Um den Kreislauf des Bettmaterials zwischen den Wirbelbetten aufrecht zu erhalten, wird das im zweiten Wirbelbett gekühlte Bettmaterial zu dem ersten Wirbelbett zurückgefördert.
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Bei dieser Wirbelschichtfeuerung wird ein einstellbarer Wärmeaustrag über die Menge des im Kreislauf geförderten Bettmaterials in weiten Bereichen ermöglicht, wodurch bei unterschiedlichen Prozessparametern ein optimaler Verbrennungsprozess erhalten wird.
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Hierdurch können verschiedenste Brennstoffe und Anlagenteillast bei gleichbleibenden Verbrennungskonditionen, niedrigem Luftüberschuss und Wirbelbetttemperaturen gefahren werden.
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Die Rückführeinheit der in obiger Patentschrift beschriebenen Wirbelschichtfeuerung ist derart ausgebildet, dass ein Rohr an der Unterseite des zweiten Wirbelbettes nach unten ausmündet. Daran anschließend ist ein Kurvenstück des Rohres vorgesehen, durch welches das Rohr eine 90°-Umlenkung erfährt, um dann in horizontaler Richtung unterhalb des ersten Wirbelbettes zu verlaufen. Dann erfolgt eine weitere 90°-Umlenkung des Rohres, so dass dann der Endabschnitt des Rohres in vertikaler Richtung verlaufend in das erste Wirbelbett einmündet und zwar an seiner dem zweiten Wirbelbett abgewandten Seite.
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Ein wesentlicher Nachteil dieser Rückführeinheit besteht darin, dass die Rückführung des gekühlten Bettmaterials sehr aufwendig und die Regelung der rezirkulierten Bettmaterial-Menge schwierig ist. Dies beruht darauf, dass das Bettmaterial nur schwer und nicht mit ausreichender Geschwindigkeit durch das horizontale Rohres der Rückführeinheit transportiert werden kann. Des Weiteren sind die Rückführrohre groß und teuer, und es wird viel Energie für den Transport benötigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wirbelschichtfeuerung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche mit geringem Aufwand, also kostengünstig eine verbesserte Funktionalität aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung betrifft eine Wirbelschichtfeuerung mit einem Verbrennungs-Wirbelbett, welchem zu verfeuernde Brennstoffe zugeführt sind, und mit einem Wärmetauscher-Wirbelbett, welchem Tauchheizflächen zugeordnet sind. Ein Wärmeaustrag wird aus dem Verbrennungs-Wirbelbett dadurch erhalten, indem Bettmaterial vom Verbrennungs-Wirbelbett auf das Wärmetauscher-Wirbelbett geführt ist. Eine Rückführeinheit ist vorgesehen, mittels derer im Wärmetauscher-Wirbelbett gekühltes Bettmaterial zu dem Verbrennungs-Wirbelbett zurückgeführt wird. Das Wärmetauscher-Wirbelbett schließt an einer Seite des Verbrennungs-Wirbelbettes an dieses an. Mittels der Rückführeinheit wird von dieser Seite aus gekühltes Bettmaterial von oben auf das Verbrennungs-Wirbelbett gefördert. Die Rückführeinheit ist von einer seitlich am Wärmetauscher-Wirbelbett ausmündenden Rohrkonstruktion gebildet oder von einem an das Wärmetauscher-Wirbelbett anschließenden Transport-Wirbelbett. Sowohl das Verbrennungs-Wirbelbett als auch das Wärmetauscher-Wirbelbett ist als stationäres Wirbelbett ausgebildet.
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Gemäß einer ersten Alternative weist die Rückführeinheit vorzugsweise ein am Wärmetauscher-Wirbelbett seitlich ausmündendes, schräg nach unten verlaufendes Rohr oder eine vergleichbare Ausmündung auf, welche in ein vorzugsweise vertikal nach oben verlaufendes Rohr einmündet, dessen Ende mit einem horizontalen oder leicht geneigten Auslass versehen ist, durch welchen das gekühlte Bettmaterial dem Verbrennungs-Wirbelbett wieder zugeführt wird.
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Alternativ wird die Rückführeinheit durch ein Transport-Wirbelbett gebildet, das mit einer vergleichsweisen hohen Wirbelgeschwindigkeit vertikal stärker expandiert als das Verbrennungs-Wirbelbett und das Wärmetauscher-Wirbelbett, so dass das Niveau des Bettmaterials im Transport-Wirbelbett höher liegt als das Niveau des Bettmaterials im Verbrennungs-Wirbelbett und Wärmetauscher-Wirbelbett. Dadurch fließt das Bettmaterial aus dem Transport-Wirbelbett in das Verbrennungs-Wirbelbett.
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Die drei wesentlichen Bauteile der Erfindung, das heißt das Verbrennungs-Wirbelbett, das Wärmetauscherbett mit Tauchheizflächen und die Rückführeinheit können so angeordnet sein, dass das Bettmaterial vom Verbrennungs-Wirbelbett zum Wärmetauscher-Wirbelbett selbsttätig über einen Überlauf fließt und das Bettmaterial vom Wärmetauscher-Wirbelbett zum Verbrennungs-Wirbelbett über die Rückführeinheit gefördert wird. Alternativ kann eine Anordnung vorgesehen werden, bei dem das Bettmaterial vom Verbrennungs-Wirbelbett über die Rückführeinheit zum Wärmetauscher-Wirbelbett gefördert wird, und dann selbsttätig über einen Überlauf zum Verbrennungs-Wirbelbett fließt.
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Eine besonders vorteilhafte Anordnung der Erfindung ergibt sich, wenn zwei derartige Systeme kombiniert werden, so dass das Bettmaterial vom Verbrennungs-Wirbelbett des ersten Systems in das Wärmetauscher-Wirbelbett des ersten Systems gefördert wird, dann aber zum Verbrennungs-Wirbelbett des zweiten Systems, dann zum Wärmetauscher-Wirbelbett des zweiten Systems und danach zum Verbrennungs-Wirbelbett des ersten Systems zurückgeführt wird. Zur Aufrechterhaltung des Materialkreislaufes sind bei dieser Variante zwei Rückführeinheiten vorgesehen, welche das Bettmaterial jeweils vom Verbrennungs-Wirbelbett zum Wärmetauscher-Wirbelbett oder vom Wärmetauscher-Wirbelbett zum Verbrennungs-Wirbelbett fördern.
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Bei allen Varianten wird die Menge des transportierten Bettmaterials durch die im vertikalen Teil der Rückführeinheit zugegebene Transportluft bestimmt. Wird ein Transport-Wirbelbett als Rückführeinheit benutzt, wird die Menge des transportierten Bettmaterials durch die Wirbelgeschwindigkeit und somit die Expansion dieser Wirbelschicht bestimmt.
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Die mit der erfindungsgemäßen stationären Wirbelschichtfeuerung erzeugte Nutzwärme kann zur Erzeugung von Heißluft oder -gas, zur Erhitzung von Wasser oder sonstigen Wärmeträgern und zur Erzeugung und Überhitzung von Dampf verwendet werden.
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Dies geschieht sowohl über die im Rauchgas enthaltene Wärme wie auch über die direkt im Wärmetauscher-Wirbelbett an die Tauchheizflächen-Rohre übertragene Wärme die mit Gas oder Luft, Wärmeträger, Wasser oder Dampf oder einer Kombination dieser durchströmt werden.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht auch darin, dass für die Wirbelschichtfeuerung über die Menge des rezirkulierten Bettmaterials ein in weiten Bereichen einstellbarer Wärmeaustrag ermöglicht wird, wodurch bei unterschiedlichen Prozessparametern ein optimaler Verbrennungsprozess erreicht wird.
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Durch die direkte Nutzwärmeabfuhr über die Rezirkulation von Bettmaterial in dem Wärmetauscher-Wirbelbett kann die Verbrennungstemperatur optimal geregelt werden, unabhängig von den Brennstoffeigenschaften und der Anlagenlast. Außerdem kann die Verbrennung mit einem niedrigen Luftüberschuss betrieben werden, was in einem hohen Anlagenwirkungsgrad resultiert. Da der Wärmeübergang an die Tauchheizflächen in dem Wärmetauscher-Wirbelbett hohe Wärmeübergangswerte aufweist, wird nur eine vergleichsweise geringe Wärmetauscherfläche benötigt, was zu einer kostengünstigen Anlage beiträgt. Durch den Betrieb mit niedrigem Luftüberschuss wird das Verbrennungs-Wirbelbett entsprechend klein, wodurch niedrige Bau- und Betriebskosten der Anlage erreicht werden.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Wirbelschichtfeuerung besteht in der Ausbildung ihrer Rückführeinheit. Mit dieser Rückführeinheit wird einerseits erreicht, dass mit niedrigem Anlagen- und Betriebskostenaufwand auch große Mengen von gekühltem Bettmaterial von einem Wirbelbett in das andere Wirbelbett rückgeführt werden können und zwar derart, dass eine gute Durchmischung des Bettmaterials im Verbrennungs-Wirbelbett mit dem gekühlten, aus dem Wärmetauscher-Wirbelbett rückgeführten Bettmaterial erfolgt.
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Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass mit der Rückführeinheit das gekühlte Bettmaterial aus einem Wirbelbett von oben auf das andere Wirbelbett aufgegeben wird, wodurch eine gute Durchmischung des gekühlten Bettmaterials mit dem Bettmaterial des Verbrennungsbettes ermöglicht wird.
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Ist das Wärmetauscherbett seitlich an dem Verbrennungs-Wirbelbett angeordnet und erfolgt die Rückführung von gekühltem Bettmaterial aus dem Wärmetauscher-Wirbelbett in das Verbrennungs-Wirbelbett über dieselbe Seite des Wirbelbetts, besteht prinzipiell die Gefahr, dass sich diese Materialströme beeinflussen und gegenseitig beeinträchtigen.
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Diese Gefahr wird auf konstruktiv einfache Weise dadurch ausgeschlossen, dass die Überführung von überschüssigem Bettmaterial vom Verbrennungs-Wirbelbett in das Wärmetauscher-Wirbelbett in einem Bereich erfolgt, der räumlich von einem weiteren Bereich des Verbrennungs-Wirbelbetts getrennt ist.
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Besonders vorteilhaft wird die Trennung der Bereiche des Wirbelbetts durch Mauern oder Wände gebildet, die auch durch Nutzwärmemedien gekühlt werden können.
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Gemäß einer ersten Variante der Erfindung umfasst die Rückführeinheit ein am Wärmetauscher-Wirbelbett seitlich ausmündendes und in einem Neigungswinkel, das heißt schräg nach unten, verlaufendes Rohr, das in ein in vertikaler Richtung verlaufendes Rohr einmündet, an dessen freien oberen Ende ein Auslass vorgesehen ist, über welchen gekühltes Bettmaterial aus dem Wärmetauscher-Wirbelbett dem Verbrennungs-Wirbelbett von oben zugeführt wird. Wesentlich bei dieser Ausbildung der Rückführeinheit ist, dass diese kein langes in horizontaler Richtung verlaufendes Rohrsegment aufweist, in welchem nur ein reduzierter, erschwerter Transport des Bettmaterials möglich ist. Bei dieser Variante der erfindungsgemäßen Rückführeinheit wird vorteilhaft durch Einblasen von Luft am unteren Ende des in vertikaler Richtung verlaufenden Rohres gekühltes Bettmaterial nach oben transportiert, um dann über den Auslass dem Verbrennungs-Wirbelbett zugeführt zu werden. Dadurch ist eine effiziente Rückführung von Bettmaterial in das Verbrennungs-Wirbelbett gewährleistet, wobei insbesondere auch große Mengen von Bettmaterial problemlos rückgeführt werden können. Über die Menge der in den vertikalen Teil eingeblasenen Luft kann die Menge der Bettmaterial-Rückführung, und somit die im Wärmetauscher-Wirbelbett übertragene Wärme stufenlos geregelt werden.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das Eintrittsrohr der Rückführeinheit in einer Höhe angebracht, die oberhalb der Düsen einer dem Wirbelbett zugeordneten Düsenanordnung liegt.
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Ein erster wesentlicher Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass im Vergleich zu einem im unteren Bereich der Seitenwand ausmündenden Rohr eine erheblich kürzere Länge des vertikalen Rohres erhalten wird, wodurch der Transport des Bettmaterials durch das Rohr erheblich erleichtert wird. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass gröbere Teile, wie z.B. große Aschebrocken, Steine und sonstige Fremdkörper, die sich im Bodenbereich des Wärmetauscher-Wirbelbetts ansammeln könnten, nicht in das höher angeordnete Rohr der Rückführeinheit gelangen können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Auslass des Rohres der Rückführeinheit von einem Auslassrohr gebildet.
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Dabei kann das Auslassrohr verstellt werden, wodurch der Auftreffort des über die Rückführeinheit ausgeführten Bettmaterials auf dem Verbrennungs-Wirbelbett eingestellt werden kann.
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Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung wird die Rückführeinheit statt durch eine Rohrkonstruktion durch ein weiteres drittes Wirbelbett, das sogenannte Transportwirbelbett, gebildet. Das Bettmaterial wird vom Wärmetauscher-Wirbelbett über das Transport-Wirbelbett in das Verbrennungs-Wirbelbett gefördert. In diesem Fall bildet die Kombination aus zwei Wirbelbetten, dem Wärmetauscher-Wirbelbett und dem Transport-Wirbelbett selbst die Rückführeinheit, so dass in diesem Fall auf ein Rohrsystem zur Ausbildung der Rückführeinheit komplett verzichtet werden kann. Die so ausgebildete Rückführeinheit weist einen konstruktiv besonders einfachen Aufbau auf.
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Besonders vorteilhaft ist das Transport-Wirbelbett in einer Linie mit dem Wärmetauscher-Wirbelbett entlang dem Verbrennungs-Wirbelbett angeordnet, wobei in dem Transport-Wirbelbett das gekühlte Bettmaterial aufgewirbelt und so dem Verbrennungs-Wirbelbettzugeführt wird, und wobei überschüssiges Bettmaterial aus dem Verbrennungs-Wirbelbett dem Wärmetauscher-Wirbelbett zugeführt wird. Die Menge des transportierten Materials wird über die Gasgeschwindigkeit im Transport-Wirbelbett geregelt. Wird die Gasgeschwindigkeit in diesem Transport-Wirbelbett erhöht, expandiert das darin enthaltene Bettmaterial derart, dass dieses höher ist als das Bettmaterial im Verbrennungs-Wirbelbett, so dass Material vom Transport-Wirbelbett zum Verbrennungs-Wirbelbett fließt.
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Für eine Abtrennung der Wirbelbettsegmente sind vorteilhaft Trennmittel in Form von Mauern oder Wänden, die durch Nutzwärmemedien gekühlt werden, vorgesehen.
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Die Funktionalität als Rückführeinheit kann allein durch eine geeignete Steuerung der Düsen im Transport-Wirbelbett vorgegeben werden, das heißt zur Ausbildung der Rückführeinheit braucht lediglich eine entsprechende Steuerung der Düsen vorgesehen sein, wobei darüber hinaus keinerlei konstruktive Mittel zur Ausbildung der Rückführeinheit vorgesehen sein müssen.
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Da der Raum im Wärmetauscher-Wirbelbett so groß gewählt werden kann, dass dort ausreichend Tauchheizflächen für den erforderlichen Wärmeaustrag vorgesehen werden können, kann das Transport-Wirbelbett frei von Tauchheizflächen sein, was jedoch nicht zwingend so sein muss. Dies ist deshalb vorteilhaft, da durch die höhere Geschwindigkeit der Luftströme im Bereich des Transport-Wirbelbettes eine starke Aufwirbelung des Bettmaterials erfolgt, wodurch dort eine verstärkte Erosion der Tauchheizflächen auftreten würde, was zu einem erhöhten Verschleiß der Tauchheizflächen führen würde.
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Vorteilhaft sind das Transport-Wirbelbett und das Wärmetauscher-Wirbelbett durch eine Mauer getrennt, die nicht bis zum Boden des Transport-Wirbelbetts reichen muss, so dass unterhalb der Mauer ein Austausch von Bettmaterial zwischen dem Wärmetauscher-Wirbelbett und Transport-Wirbelbett erfolgen kann.
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Dabei liegt im Transport-Wirbelbett das Niveau des Bettmaterials höher als im Wärmetauscher-Wirbelbett. Da jedoch durch die höhere Luftgeschwindigkeit im Transport-Wirbelbett die Wirbelschicht im Transport-Wirbelbett stärker expandiert, weist das Transport-Wirbelbett auch bei größerer Höhe als das Wärmetauscher-Wirbelbett einen niedrigeren statischen Druck auf, so dass kontinuierlich Material vom Wärmetauscher-Wirbelbett zum Transport-Wirbelbett fließt.
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Da das Niveau des Bettmaterials im Transport-Wirbelbett höher liegt als im angrenzenden Verbrennungs-Wirbelbett, ist gewährleistet, dass Bettmaterial nur vom Transport-Wirbelbett in das Verbrennungs-Wirbelbett geführt wird, jedoch kein Transport in umgekehrter Richtung. Schließlich ist das Niveau des Verbrennungs-Wirbelbetts an das Niveau des Wärmetauscherbetts so angepasst, dass Bettmaterial aus dem Verbrennungs-Wirbelbett in das Wärmetauscherbett fließen kann, wodurch ein geschlossener, regelbarer Bettmaterialstrom erhalten wird.
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In einer Variante der Erfindung können die einzelne Wirbelbetten auch so angeordnet werden, dass die Rückführeinrichtung, welche entweder durch eine Rohrkonstruktion oder durch ein Transport-Wirbelbett gebildet ist, zwischen dem Verbrennungs-Wirbelbett und dem Wärmetauscher-Wirbelbett so angeordnet ist, dass die Rückführeinheit Bettmaterial vom Verbrennungs-Wirbelbett zum Wärmetauscher-Wirbelbett fördert. Somit hat das Wärmetauscher-Wirbelbett ein höheres Niveau als das Verbrennungs-Wirbelbett, und Bettmaterial kann über einen Überlauf vom Wärmetauscher-Wirbelbett zum Verbrennungs-Wirbelbett fließen.
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Eine weitere besonders vorteilhafte Anordnung der Erfindung ergibt sich, wenn zwei Systeme mit jeweils einem Verbrennungs-Wirbelbett, Wärmetauscher-Wirbelbett und einer Rückführeinheit kombiniert werden. Bei einem solchen System wird das Bettmaterial vom Verbrennungs-Wirbelbett des ersten Systems in das Wärmetauscher-Wirbelbett des ersten Systems gefördert, dann aber zum Verbrennungs-Wirbelbett des zweiten Systems, dann zum Wärmetauscher-Wirbelbett des zweiten Systems und danach zum Verbrennungs-Wirbelbett des ersten Systems zurückgeführt. Zur Aufrechterhaltung des Materialkreislaufes dienen die beiden Rückführeinheiten, die das Bettmaterial fördern. Somit wird sichergestellt, dass das gekühlte Bettmaterial auf der dem Wärmetauscher-Wirbelbett gegenüberliegenden Seite aufgegeben wird, wobei keine langen Transportleitungen und Trennwände in den Wirbelbetten benötigt werden.
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Das erfindungsgemäße Wirbelschicht-Feuerungssystem kann mit mehreren Modulen in beliebiger Anzahl für größere Anlagen verwendet werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1: Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wirbelschichtfeuerung mit einer Variante der Rückführeinheit, welche als Rohrkonstruktion ausgeführt ist.
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2: Draufsicht auf ein Verbrennungs- und Wärmetauscher-Wirbelbett und der Rückführeinheit der Wirbelschichtfeuerung gemäß 1.
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3: Seitenansicht des Wärmetauscher-Wirbelbetts der Wirbelschichtfeuerung gemäß 1.
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4: Seitenansicht des Wärmetauscher-Wirbelbettes einer weiteren Ausführung einer Wirbelbettanordnung mit zugeordneten Rückführeinheiten für die Wirbelschichtfeuerung, ausgeführt als Transport-Wirbelbett.
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5: Darstellung einer Wirbelschichtfeuerung, bei welcher zwei Systeme kombiniert sind und als Rückführeinheiten zwei Rohrsysteme verwendet werden.
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6: Darstellung einer Wirbelschichtfeuerung, bei welcher zwei Systeme kombiniert sind und als Rückführeinheiten zwei Transport-Wirbelbetten verwendet werden.
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7: Detaildarstellung, welche das Verbrennungs-Wirbelbett und die Rückführeinheit gemäß 6 und die Brennstoffzufuhr und die Gas- und Luftbewegungen oberhalb den Wirbelbetten zeigt.
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8: Darstellung einer Variante der Anordnung von 5 bei der zwei Systeme kombiniert sind und als Rückführungseinheiten zwei Rohrsysteme verwendet werden, wobei die Rückführeinheiten jeweils Bettmaterial vom Verbrennungs-Wirbelbett zum Wärmetauscher-Wirbelbett transportieren.
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9: Darstellung einer weiteren Variante der Anordnung von 6 bei der zwei Systeme kombiniert sind und als Rückführungseinheiten zwei Transport-Wirbelbetten verwendet werden, wobei die Rückführeinheiten jeweils Bettmaterial vom Verbrennungs-Wirbelbett zum Wärmetauscher-Wirbelbett transportieren.
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10: Darstellung einer Wirbelschichtfeuerung, bei der die Rückführeinheit hinter dem Wärmetauscher-Wirbelbett mittig angeordnet ist und das Bettmaterial bis zu der dem Wärmetauscher-Wirbelbett abgewandten Seite des Verbrennungs-Wirbelbetts geworfen werden.
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11: Draufsicht der Anordnung gemäß 10.
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12: Darstellung einer Variante der Anordnung von 10, bei der die Aufgabe von Feststoffen auf das Verbrennungs-Wirbelbett in die Rückführeinheit integriert ist.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung die Seitenansicht einer Ausführung der erfindungsgemäßen Wirbelschichtfeuerung mit folgenden Komponenten:
Ein erstes Wirbelbett, das sogenannte Verbrennungs-Wirbelbett 6a, sowie ein zweites Wirbelbett, das sogenannte Wärmetauscher-Wirbelbett 6b in dem die Tauchheizflächen 17 angeordnet sind. Die Rückführeinheit, die als Rohrkonstruktion C1 ausgebildet ist, besteht aus einem Entnahmerohr 22, einem vertikalen Förderrohr 23 und einem Auslassrohr 25. Das Auslassrohr 25 mündet an einer Seitenwand des Wärmetauscher-Wirbelbetts 6b aus und verläuft schräg nach unten. Das daran anschließende Förderrohr 23 verläuft in vertikaler Richtung. Mit dieser Rückführeinheit wird Bettmaterial III von oben auf das Verbrennungs-Wirbelbett 6a rückgeführt. Das Auslassrohr 25 kann in seiner Richtung und Neigung eingestellt werden um eine optimale Verteilung des rückgeführten Bettmaterials auf dem Wärmetauscher-Wirbelbett 6a zu erreichen. Weiterhin ist eine Trennwand zwischen Verbrennungs-Wirbelbett 6a und Wärmetauscher-Wirbelbett 6b vorgesehen.
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Die Funktion der in 1 gezeigten Anordnung wird wie folgt beschrieben:
Da das erste Verbrennungs-Wirbelbett 6a durch das rückgeführte Bettmaterial III höher ist als das zweite Wirbelbett 6b, fließt Bettmaterial 10a in Bereichen, in denen die Trennwand 26 unterbrochen ist, selbstständig aus dem Verbrennungs-Wirbelbett 6a in das Wärmetauscher-Wirbelbett 6b. Der Bettmaterialtransport zurück in das Verbrennungs-Wirbelbett 6a wird durch das Einblasen (I) von Gas, z.B. Luft, in die die Rückführeinheit bildende Rohrkonstruktion C1 ermöglicht. Mit der Menge des eingeblasenen Gases wird die Menge des rückgeführten Bettmaterials III geregelt.
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2 zeigt eine Draufsicht der in 1 gezeigten Ausführung der Erfindung.
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Die Trennwand 26 ist unterbrochen, so dass Bettmaterial 10a vom Verbrennungs-Wirbelbett 6a in das Wärmetauscher-Wirbelbett 6b fließen kann. Die Menge des überlaufenden Bettmaterials II entspricht der von der Rohrkonstruktion C1 geförderten Bettmaterial Menge III.
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3 zeigt eine weitere Seitenansicht der in 1 gezeigten Ausführung der Erfindung.
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Die Trennwand 26 ist unterbrochen, so dass Bettmaterial 10a selbstständig vom Verbrennungs-Wirbelbett 6a in das Wärmetauscher-Wirbelbett 6b fließen kann.
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Bei der Ausführungsform der 1 bis 3 schließt das Wärmetauscher-Wirbelbett 6b, in dem sich die Tauchheizflächen befinden, seitlich an das Verbrennungs-Wirbelbett 6a an, wobei wiederum das Wärmetauscher-Wirbelbett 6b und die die Rückführeinheit bildende Rohrkonstruktion C1 auf derselben Seite des Verbrennungs-Wirbelbetts 6a angeordnet sind.
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Durch eine mit Düsen 8 im Verbrennungs-Wirbelbett 6a generierte Gasströmung erfolgt eine Fluidisierung des inerten Materials und somit eine Durchmischung mit dem zu verfeuernden Brennstoff.
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Das Wärmetauscher-Wirbelbett 6b umfasst analog zum ersten Wirbelbett 6a Düsen 16. Die Düsen 8 und 16 verlaufen vorteilhaft innerhalb des Bettmaterials 10a und 10b. Innerhalb des Bettmaterials 10b des Wärmetauscher-Wirbelbettes 6b verlaufen Tauchheizflächen 17, welche Bestandteil einer Wärmetauscher Anordnung sind. Mittels der Tauchheizflächen 17 erfolgt eine Kühlung des Bettmaterials 10b in dem Wärmetauscher-Wirbelbett 6b. Über die Wärmetauscher-Anordnung erfolgt damit Ausleitung von Wärme aus dem Verbrennungsprozess, wobei diese Wärme für externe Prozesse genutzt werden kann.
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Bei der erfindungsgemäßen Wirbelschichtfeuerung erfolgt der Wärmeaustrag über das Wärmetauscher-Wirbelbett 6b unabhängig von den Brennstoffeigenschaften und der Anlagenlast. Somit können die Verbrennungskonditionen und der Wirkungsgrad der Wirbelschichtfeuerung in weiten Bereichen bezüglich Effektivität und Umweltfreundlichkeit optimal eingestellt werden.
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Bei der Wirbelschichtfeuerung gemäß 1 wird Bettmaterial 10a, 10b zwischen den beiden Wirbelbetten 6a, 6b in einem geschlossenen Kreislauf gefördert.
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Einerseits wird überschüssiges Bettmaterial 10a aus dem ersten Wirbelbett 6a in das Wärmetauscher-Wirbelbett 6b geführt. Andererseits wird gekühltes Bettmaterial 10b aus dem Wärmetauscher-Wirbelbett 6b über die Rohrkonstruktion C1 dem Verbrennungs-Wirbelbett 6a zugeführt.
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Um eine räumliche Abtrennung der Zuführung von Bettmaterial 10a aus dem ersten Wirbelbett 6a in das zweite Wirbelbett 6b von der Rückführung von Bettmaterial 10b vom zweiten Wirbelbett 6b in das erste Wirbelbett 6a zu erhalten, sind zwischen dem ersten Wirbelbett 6a und dem zweiten Wirbelbett 6b die Trennwände 26 und 20 vorgesehen. Die Trennwand 26 ist im zentralen Bereich der Anordnung vorgesehen, wobei ein Bereich an den angrenzenden Seitenwänden des Verbrennungs-Wirbelbettes 6a und Wärmetauscher-Wirbelbettes 6b frei bleibt, so dass Bettmaterial II vom ersten Verbrennungs-Wirbelbett 6a zum Wärmetauscher-Wirbelbett 6b fließen kann. Durch die Trennwand 20 ist sichergestellt, dass das durch die Rohrkonstruktion C1 geförderte Bettmaterial III das gesamte Verbrennungs-Wirbelbett 6a durchlaufen muss, bevor es in das Wärmetauscher-Wirbelbett 6b fließen kann.
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4 zeigt eine Variante der Erfindung, bei der ein drittes Wirbelbett als Transport-Wirbelbett C2 eingesetzt wird, wobei dieses die Rückführeinheit in Form der Rohrkonstruktion C1 der 1 bis 3 ersetzt.
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Erfindungsgemäß wird der Materialtransport zwischen den einzelnen Wirbelbetten so geregelt, dass in dem Transport-Wirbelbett C2 eine höhere Wirbelgeschwindigkeit als in den anderen Wirbelbetten eingestellt wird. Hierdurch expandiert das Bettmaterial 10b im Transport-Wirbelbett C2, und es entsteht ein Materialfluss III vom Transport-Wirbelbett C2 zum Verbrennungs-Wirbelbett 6a. Das Bettmaterial fließt dann über II wieder zurück zum Wärmetauscher-Wirbelbett 6b.
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Das Bettmaterial strömt dann vom Wärmetauscher-Wirbelbett 6b zurück in das Transport-Wirbelbett C2 über eine Öffnung am unteren Teil der Trennwand 19.
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Durch die Mauer 19 und die Trennwände 20, 26 ist gewährleistet, dass ein kompletter Materialkreislauf entsteht, der alle Wirbelbettflächen abdeckt.
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Bei der in den 1 bis 4 gezeigten Anordnungen ist die Verbindung zwischen dem Wärmetauscher-Wirbelbett 6b, der Rohrkonstruktionen C1 und dem Transport-Wirbelbett C2 nicht ganz unten an dem Wärmetauscher-Wirbelbett 6b angeordnet. Hiermit wird vermieden, dass gröbere Feststoffteile wie Steine, grobe Brennstoffasche oder sonstige Fremdkörper, die sich am Boden des Wärmetauscher-Wirbelbettes 6b ablagern können, in die Rückführeinheiten C1 oder C2 eingespeist werden.
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5 zeigt die vorteilhafte Variante der Erfindung, bei der zwei Systeme gemäß der Ausführungsform der 1, 2, 3, d.h. ausgeführt als Rohrkonstruktionen C1A, C1B, kombiniert sind. Hierbei fließt Bettmaterial vom ersten Verbrennungs-Wirbelbett 6a1 zum ersten Wärmetauscher-Wirbelbett 6b1 und wird dann von der ersten Rückführeinheit in Form der Rohrkonstruktion C1A in das zweite Verbrennungs-Wirbelbett 6a2 gefördert. Das Bettmaterial fließt dann selbstständig wieder in das zweite Wärmetauscher-Wirbelbett 6b2 und wird dann durch die zweite Rückführeinheit in Form der Rohrkonstruktion C1B in das erste Verbrennungs-Wirbelbett 6a1 zurückgefördert. Hiermit entsteht ein geschlossener Bettmaterialkreislauf, wobei durch die geregelte Menge des geförderten Bettmaterials durch die Rückführeinheiten C1A und C1B der Wärmetransport zwischen den Verbrennungs-Wirbelbetten und den Wärmetauscher-Wirbelbetten geregelt wird.
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6 zeigt das in 5 dargestellte System bei dem jedoch Rückführeinrichtungen, bestehend aus Transport-Wirbelbetten C2A, C2B anstelle der als Rohrkonstruktionen C1A, C1B ausgebildeten Rückführeinheiten eingesetzt werden. Die Richtungen der Ströme des Bettmaterials sind wie in 5 mit Pfeilen gekennzeichnet.
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7 zeigt die Seitenansicht einer dem Beispiel von 6 entsprechenden Ausführung mit zwei Systemen, bei der auch die weiteren Komponenten der Anlage und die Funktionsweise im Detail beschrieben werden. Bei diesem Beispiel ist die Rückführeinheit als Transport-Wirbelbett C2 ausgebildet. Das Wärmetauscher-Wirbelbett 6b ist vom Verbrennungs-Wirbelbett 6a durch ein Überlaufwehr 30 getrennt. Das Verbrennungs-Wirbelbett 6a ist vom Transport-Wirbelbett C2 durch ein Überlaufwehr 30‘ getrennt. Durch die höhere Gasgeschwindigkeit im Transport-Wirbelbett C2 expandiert das dort vorhandene Bettmaterial stärker als im Verbrennungs-Wirbelbett 6a. Somit fließt Bettmaterial III über das Überlaufwehr 30‘. Der Transport des Bettmaterials III vom Transport-Wirbelbett C2 zum Verbrennungs-Wirbelbett 6a kann weiter unterstützt werden durch von Düsen gebildete Transportjets 31, welche Gas oder Luft vom Wärmetauscher-Wirbelbett 6b in Richtung des Verbrennungs-Wirbelbetts 6a blasen.
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Oberhalb der Wirbelbetten ist eine Brennstoffzuführung ngeordnet durch welche Brennstoff IV aufgegeben wird. Hiermit können auch Kalk oder zusätzliches Bettmaterial oder sonstige für den Prozess benötigten Feststoffe aufgegeben werden. Der Brennstoff IV wird durch zusätzlich eingeblasenes Gas oder Luft V gleichmäßig über dem Verbrennungs-Wirbelbett 6a verteilt. Durch die Brennstoffaufgabe 32 und die zusätzliche Einblasung V wird eine gute Durchmischung der Gase aus den Wirbelbetten VI, VII und VIII erreicht und somit die Verbrennungsqualität verbessert.
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Da das Wärmetauscher-Wirbelbett 6b niedriger ist als das Verbrennungs-Wirbelbett 6a, fließt das Bettmaterial selbständig zum Wärmetauscher-Wirbelbett 6b. Danach wird das Bettmaterial in dem zweiten, hier nicht gezeigten System, über die zweite Rückführeinheit, das zweite Verbrennungsbett und das zweite Wärmetauscherbett wieder zur ersten Rückführeinheit zurückgeführt, womit ein geschlossener Bettmaterial-Kreislauf entsteht.
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8 zeigt eine Variante der Erfindung wobei der Bettmaterial-Transport vom ersten Verbrennungs-Wirbelbett 6a1 über die erste Rückführeinheit in-Form der Rohrkonstruktion C1A zum ersten Wärmetauscher-Wirbelbett 6b1 gefördert wird. Danach fließt das Bettmaterial selbstständig vom ersten Wärmetauscher-Wirbelbett 6b1 zum zweiten Verbrennungs-Wirbelbett 6a2 und wird danach über die zweite Rückführeinrichtung in Form der Rohrkonstruktion C1B zum zweiten Wärmetauscher-Wirbelbett 6b2 gefördert. Nachdem das Bettmaterial nun wiederum selbstständig vom zweiten Wärmetauscher-Wirbelbett 6b2 zum ersten Verbrennungs-Wirbelbett 6a1 fließt, ist der Bettmaterial-Kreislauf geschlossen.
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9 zeigt das in 8 dargestellte Verfahren, wobei anstatt der Rückführungseinheiten, die als Rohrkonstruktionen C1A, C1B ausgeführt sind, Rückführungseinheiten, die als stark expandierte Transport-Wirbelbetten C2A, C2B ausgeführt sind, zum Einsatz kommen.
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10 zeigt eine weitere Variante der in den 1, 2 und 3 dargestellten Ausführung, bei der die als Rohrkonstruktion C1 ausgebildete Rückführeinheit nicht neben dem Wärmetauscher-Wirbelbett 6b sondern mittig zum Wärmetauscher-Wirbelbett 6b angeordnet ist. Die durch die Rohrkonstruktion C1 transportierte Menge an Bettmaterial wird weiterhin durch das am unteren Ende der Transporteinheit eingeblasene Gas (Luft) I bestimmt. Die Verteilung des rückgeführten Bettmaterials über dem Verbrennungs-Wirbelbett 6a kann über zusätzlich im oberen Teil der Rückführeinheit eingeblasenes Gas (Luft) I (1) eingestellt werden.
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11 zeigt die Draufsicht der in 10 gezeigten Varianten. Hierbei ist im mittleren Bereich, in dem die Rückführeinheit, das heißt die Rohrkonstruktion C1 angeordnet ist, eine Trennwand 26 angebracht, so dass das Bettmaterial II nur an den dafür vorgesehenen Stellen selbsttätig vom Verbrennungs-Wirbelbett 6a zum Wärmetauscher-Wirbelbett 6b fließen kann und somit eine besonders gute und gleichmäßige Verteilung von Bettmaterial über dem Verbrennungs-Wirbelbett 6a erfolgen kann.
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12 zeigt eine weitere Variante der in 10 und 11 dargestellten Ausführung, bei der die Aufgabe von Brennstoff, zusätzlichem Bettmaterial, Kalk oder sonstigem Inertmaterial in die Rückführung integriert ist, wobei das zusätzliche Material über ein Dosierorgan, wie zum Beispiel eine Zellenradschleuse 33, in die Rückführeinrichtung eingebracht wird. Über die Einblasung I (1) kann dann das rezirkulierte Bettmaterial, der Brennstoff und die anderen Materialien optimal auf dem Verbrennungs-Wirbelbett 6a verteilt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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