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Die Erfindung betrifft ein Verbund-Verfahren zur Pyrolyse und zur thermo-chemischen Vergasung ohne zusätzlich zugeführten Sauerstoff von kohlenstoffhaltigen Stoffen jeglicher Art für die Erzeugung von Brenngas.
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Pyrolyse, d. h. die thermo-chemische Behandlung von kohlenstoffhaltigen Rohstoffen ohne zusätzlich zugeführten Sauerstoff, wie auch die Kohlevergasung mit Zufuhr von Wasser, sind seit langem gut bekannt. Da es beim Pyrolyseverfahren und Vorrichtungen zu ihrer Durchführung um allgemein bekanntes Wissen geht, wird hier auf eine weitergehende Beschreibung mit Zitaten und Literaturhinweisen verzichtet. Im Folgenden wird aus der Vielzahl von technisch angewendeten Verfahren als Beispiel das seit langem gut bekannte Drehrohr-Verfahren genannt, bei dem die Pyrolyse - wie beim erfindungsgemäßen Verfahren - indirekt beheizt in einem von außen erhitzten, drehbaren Rohr stattfindet. Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren werden Drehrohr-Verfahren mit verhältnismäßig großen RohrDurchmessern betrieben, woraus sich lange Verweilzeiten für die Rohstoffe ergeben, da der Wärmeübergang auf die zu vergasenden Stoffe dabei auch durch den Kontakt der Rohstoffe mit den Rohrwänden und durch Mischen der Rohstoffe beim Drehen des Rohres erfolgen muss. Vor allem wegen der Verminderung der Wirtschaftlichkeit bei zu hohen Temperaturen erfolgt die Pyrolyse beim Drehrohr-Verfahren und bei ähnlichen Verfahren meistens bei unter 800 °C. Größte Nachteile der bekannten Pyrolyse-Verfahren mit und ohne Drehrohre sind - infolge der Temperaturabhängigkeit der thermo-chemischen Gleichgewichtsreaktionen - eine ungewollte mindestens teilweise Teer-, Öl-, Koks- und Schlackenbildung innerhalb der vergasenden Rohstoffe, und dadurch bedingt eine verminderte Ausnutzung der Rohstoffe. Im erzeugten Brenngas ist dabei ein hoher Gehalt an Teer und Öl, so dass eine Nutzung in Gasmotoren ohne sehr aufwendige Gasreinigung nicht möglich ist. Ein allgemeiner Nachteil der bekannten Verfahren ist darin zu sehen, daß die Pyrolyse-Vorrichtungen zu oft und mit einem verhältnismäßig großen Wartungsaufwand gereinigt werden müssen, also nicht ununterbrochen betrieben werden können, weil sie mit Teer, Öl und Asche verschmutzen. Für die Abhilfe dieses Nachteils sind viele Vorschläge zum Reinigen der Rohrwände z. B. mit ineinandergreifenden Schnecken bekannt. Die bekannten Maßnahmen beseitigen jedoch nicht das eigentliche Hauptproblem, die Teerbildung, die bei den verwendeten niedrigen Temperaturen unvermeidlich durch thermochemische Polymerisation der zwischenzeitlich entstehenden kurzkettigen Reaktionsprodukte erfolgt. Dies gilt erfahrungsgemäß für alle bekannten Pyrolyse-Verfahren, die unter 800 °C betrieben werden. Außerdem ist die Pyrolyse bei unter 800 °C nicht vollständig und es sind noch erhebliche Mengen an Teer und Koks in den Reststoffen enthalten, die die Entsorgung oder Weiterverwendung erschweren. Oft wird der hohe Aufwand von Wärmeenergie zur Beheizung der Pyrolyse durch Zufuhr von Verbrennungsluft zusammen mit den Rohstoffen gemindert, mithin eine Teilverbrennung der Rohstoffe vorgenommen, wodurch jedoch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens und der Wert des erzeugten Brenngases durch steigenden CO2-Gehalt erheblich vermindert werden, ohne dass dabei der Teergehalt im erzeugten Brenngas ausreichend vermindert wird.
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Ein weiterer Nachteil der Drehrohr-Pyrolyse ist das gedrehte Rohr selbst. Dies erfordert einen erhöhten Aufwand beim Bau von Vorrichtungen, z. B. bei den zu verwendenden Dichtungen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein betriebssicheres, einfach durchführbares und mit wenig Aufwand zu wartendes Verfahren für die möglichst vollständige Pyrolyse/Vergasung von kohlenstoffhaltigen Stoffen und für die Erzeugung von möglichst reinem Brenngas zur Verfügung zu stellen. Das Verfahren soll insbesondere in kleinen Anlagen, z. B. auch mit einer Pyrolyse von nur 10 kg Rohstoff je Stunde (entsprechend etwa 40 - 50 kW thermische Leistung der Anlage), ein teerarmes Brenngas zur dezentralen Energiegewinnung liefern. Es sollen mit dem neuen Verfahren nicht nur Biomassen wie z. B. getrocknete Pflanzen sowie Mist aus Tierhaltungen, wie auch getrocknete Schlämme aus Kläranlagen usw. vergast werden, sondern auch Kohle, wie z. B. Herdofenkoks oder Aktivkohle, die in Kläranlagen bei weitergehender Abwasserreinigung im Klärschlamm anfallen und als bisher als Abfall mit erhöhten Kosten entsorgt werden müssen.
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Mit dem neuen Verfahren soll insbesondere die unerwünschte Bildung von Teer und Öl sicher verhindert werden, damit das Verfahren ohne Unterbrechung durch Reinigungsbedarf betrieben werden kann. Auch soll das An- und Abfahren des Betriebes beim neuen Verfahren wesentlich vereinfacht und verbessert werden, indem insbesondere die bei bekannten Verfahren mindestens zwischenzeitlich immer erfolgende verstärkte Teerbildung sicher verhindert wird. Weiterhin soll die Reinheit des erzeugten Brenngases in Bezug auf den Teergehalt wesentlich erhöht werden, damit das Brenngas ohne aufwendige Gasreinigung z. B. auch in Verbrennungsmotoren für die dezentrale Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden kann.
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Beim Verfahren nach der vorliegenden Erfindung soll daher das chemische Gleichgewicht der thermo-chemischen Reaktion bei der Pyrolyse weitestgehend auf die Seite CO + H2 verschoben werden, um dadurch die Ausbeute an Brenngas zu erhöhen. Der Gehalt an Kohlenstoff in den festen Abfällen der Rohstoffe nach der Pyrolyse soll durch Zugabe von Wasser steuerbar verringert werden, wenn dies gewünscht wird. Bekannte Voraussetzung für ein solches Verfahren ist eine Betriebstemperatur deutlich über 800 °C. Aufgrund des thermo-chemischen Gleichgewichtes der Reaktion C + H2O ↔ CO + H2 liegt die optimale Pyrolyse-/Vergasungs-Temperatur beim Verfahren nach der vorliegenden Erfindung deshalb bei über 1000 °C. Eine besondere Aufgabe der Erfindung ist es daher auch, eine betriebssichere und wirtschaftliche Wärmeversorgung für die Pyrolyse bei dieser hohen Betriebstemperatur der Pyrolyse zur Verfügung zu stellen.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch einen neuartigen Verbund von an sich bekannten TeilVerfahren, bei dem die endotherme Pyrolyse der Rohstoffe von der Wärmerzeugung getrennt in Rohren mit kleinen Durchmessern stattfindet, wobei die Rohrwände des Pyrolysereaktors aus wärmeleitendem Material bestehen, wobei diese Rohre durch eine Brenn- oder Heizungskammer geführt werden, in der die notwendige Wärmeerzeugung bei über 800 °C, vorzugsweise bei über 1000 °C stattfindet, und wobei die Wärmeübertragung auf die zu vergasenden Rohstoffe überwiegend mittels Wärmeabstrahlung der Innenseite der Rohre erfolgt.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Pyrolyse vorteilhaft bei über 1000 °C durchgeführt, wobei aufgrund von Versuchen ein besonders teerarmes Brenngas aus - je nach Zusammensetzung der verwendeten Rohstoffe - vorwiegend Kohlenmonoxid, Methan und Wasserstoff entsteht. Ist kein Restkoksgehalt gewünscht, wird den Rohstoffen wie bei der Kohlevergasung eine entsprechende Menge Wasser oder Schlamm zugemischt. Je nach Zusammensetzung und Wassergehalt der Rohstoffe kann der bei der Pyrolyse entstehende Feststoff-Abfall falls gewünscht auch noch Kohlenstoff enthalten, wenn im zugeführten Rohstoff das Verhältnis von C : H : O entsprechend eingestellt wird. Somit können Reststoffe nach der Pyrolyse-Behandlung beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens mit z. B. korn- oder pellet-förmigen Rohstoffen aus der Landwirtschaft und aus Massentierhaltungen, aber auch die Reststoffe aus der Vergasung von getrocknetem Klärschlamm oder aus anderen organischen Abfällen, sinnvoll als leicht zu lagernder und zu verarbeitender Dünger und für die Bodenverbesserung („terra preta“) eingesetzt werden.
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Auch Pyrolysetemperaturen bis zu etwa 1400 °C können für die Verbesserung der Zusammensetzung des erzeugten Brenngases nützlich sein, wenn die Rohstoffe und/oder die gewünschte Zusammensetzung und Reinheit des Brenngases dies erfordern.
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Eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Folgenden beispielhaft mit Hilfe des beigefügten Fließbildes beschrieben: Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Fließ-Schema, bei dem das erfinderische Verbund-Verfahren mit nur einem Pyrolyserohr (1) in einer Brenn- oder Heizungskammer (2), die mit zwei abwechselnd betriebenen Brennern (5, 6) und mit zwei Regeneratoren (7, 8) verbunden ist, durchgeführt werden kann.
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Die zu vergasenden Rohstoffe sind in einem Vorratsbehälter (3) bevorratet, sie werden mit einander vermischt, zerkleinert oder anderweitig vorbehandelt. Kohlenstoffreiche Rohstoffe können vor der Pyrolyse z. B. mit Wasser oder Schlamm vermischt und z. B. zu Feucht-Pellets gepresst werden. Die zu vergasenden Stoffe werden dann über eine Förderschnecke (4) zum Pyrolyserohr (1) geführt. Das Pyrolyserohr (1) hat vor dem Eintritt in die Brenn- oder Heizungskammer (2) einen unbeheizten Leitungsabschnitt der wahlweise mit geeigneter Abwärme vorgeheizt werden kann.
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Wesentliches kennzeichnendes Merkmal für das Pyrolyse- Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ist es, dass die erforderlichen hohen Temperaturen dadurch sichergestellt werden, dass die Innenseite des Pyrolyserohres (1) in der Brenn- oder Heizungskammer (2) gleichmäßig auf diese hohe Temperatur erhitzt wird. Dafür sind z. B. Rohre aus Silicium-Karbid wegen ihrer außerordentlich guten Wärmeleitfähigkeit besonders geeignet. Das beheizte Rohr (1) hat in der Brenn- oder Heizungskammer (2) - und damit auch auf seiner Innenseite - überall eine höhere Temperatur als die innen fließenden Rohstoffe. Diese Maßnahme verhindert aufgrund von Versuchen sicher, dass eine Kondensation von innerhalb der Rohstoffe zwischenzeitlich gebildeten Stoffen (Öl oder Teer) am Rohr (1) stattfindet. Zwischenzeitlich, beim Aufheizen der zugeführten Rohstoffe gebildeter Teer wird durch die an der Innenseite der Rohre (1) sichergestellte hohe Temperatur wieder gespalten (thermisch gecrackt), ohne dort anzubacken.
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Es hat sich gezeigt, dass auch kein Anbacken von verflüssigter Asche am anderen Ende des Pyrolyserohres (1) stattfindet, dass also die Rohr-Innenseite beim erfindungsgemäßen Verfahren immer rein bleibt und somit über einen sehr langen Zeitraum hinweg weder gereinigt noch ausgetauscht werden muss. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die bei der Pyrolyse erzeugte Asche noch Kohlenstoff enthält und wenn die Rohstoffe als Pellets oder gekörnt zugeführt werden, so dass auch die Asche noch in Form von Pellets oder Körnern anfällt. Wenn Asche, wie z.B. bei der vollständigen Vergasung von Geflügelmist ohne Rest-Kohlenstoff, schmelzen sollte, dann wird sie von einer Brechschnecke (9) weiterbefördert und kann beispielsweise über ein Wehr in den Aschebehälter (10) abfließen.
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Schon vor dem Beschicken des Pyrolyserohres (1) mit Rohstoffen aus dem Vorratsbehälter (3) und auch noch nach der Beendigung der Rohstoff-Zufuhr wird das Pyrolyserohr (1) in der Brenn- oder Heizungskammer (2) auf die gewählte Temperatur erhitzt, damit beim An- und Abfahren der Anlage kein Anbacken von Teer oder Asche an der Innenseite des Pyrolyserohres (1) erfolgen kann.
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Die außerhalb des Pyrolyserohrs (1) erzeugte Wärme wird erfindungsgemäß überwiegend durch Wärmeabstrahlung der Innenseite der Rohre (1) auf die zu vergasenden Rohstoffe übertragen. Die vorliegende Erfindung zeichnet sich deshalb - im Gegensatz zu allen bekannten Verfahren - besonders dadurch aus, dass die einzusetzenden Pyrolyserohre (1) nur kleine Durchmesser von beispielsweise 4 bis 20 Zentimetern haben. Größere Durchmesser sind zwar möglich, sie verlängern aber naturgemäß die Verweilzeit, weil die Wärmeabstrahlung auf die Rohstoffe durch die Fläche der Innenseite der Rohre (1) begrenzt ist. Die mögliche Wärmeabstrahlung ergibt sich aus dem Planck'schen Strahlungsgesetz. Daraus ergibt sich mittelbar, dass für die vollständige Aufheizung und damit auch für die Pyrolyse der Rohstoffe mit steigendem Rohrdurchmesser mehr Zeit benötigt wird, so dass die benötigte Verweilzeit für die vollständige Pyrolyse entsprechend größer wird. Je nach gewünschter Leistung der Pyrolyseanlage wird der Anwender des neuen Verfahrens daher die Abmessungen der Brenn- oder Heizungskammer (2) so wählen, dass darin kurze Pyrolyserohre (1) mit wenigen Zentimetern Durchmesser oder lange Pyrolyserohre (1) mit größerem Durchmesser eingebaut werden können.
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Das Heizen des Brenn- oder Heizungsraumes (2) erfolgt vorteilhaft z. B. durch Regenerativfeuerung. Im gezeigten Beispiel werden 2 regenerative Brenner (5, 6) mit Regeneratoren (7, 8) von einem Verbrennungsluftgebläse (16) über einen Wärmetauscher (15) in Verbindung mit einer Verbrennungsluftweiche (14) mit Verbrennungsluft versorgt. Der Wärmetauscher (15) überträgt Wärme des erzeugten Brenngases, nachdem das Brenngas über einen Heißgasfilter (11) gereinigt wurde, auf die Verbrennungsluft. Der Heißgasfilter (11) ist beim erfindungsgemäßen Verfahren wegen des sehr geringen Teergehaltes des erzeugten Brenngases wesentlich einfacher als bei bekannten Verfahren.
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Das Vorheizen der Verbrennungsluft kann auch mit einer ähnlich wie Rekuperator-Brenner arbeitenden RTO-Anlage erfolgen. In Verbindung mit einer RTO kann der Brennkammer (2) eine wesentlich größere Zuluft-Menge, als für die Verbrennung stöchiometrisch notwendig, zugeführt werden. In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden daher anstelle von reiner Luft Abgasbeimischungen oder verunreinigte Luft anderer Herkunft, beispielsweise Viehstall- oder Trocknerabluft, in die Brennkammer (2) eingeleitet. Die Verunreinigungen solcher Zuluft werden aufgrund der hohen Temperatur besonders sicher und weitgehend mitentfernt. Zu diesem Zweck empfiehlt es sich, mehrere, z. B. drei statt nur zwei Regeneratoren (7, 8), zu verwenden, um Restkonzentrationen von Verunreinigungen in der Abluft der RTO zu vermeiden. Der Abgaswärmeverlust wird durch Verwendung mehrerer Regeneratoren einer RTO trotz der hohen Menge an zugeführter Verbrennungsluft auf ein Minimum stark vermindert. Somit ist der Gesamtwirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verbundverfahrens gegenüber allen bisher bekannten Verfahren vergleichbarer Art in jeglicher Hinsicht drastisch verbessert.
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Die Brenner (5, 6) werden - geregelt über Gasregelklappen (12, 13) - mit gereinigtem Brenngas oder (z. B. während des Startens der Pyrolyse-Anlage oder auch im Dauerbetrieb) über eine Regeleinrichtung (20) mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen jeglicher Art versorgt. Es kann für die Beheizung des Pyrolyserohres (1) grundsätzlich auch andere Abwärme, z. B. aus Hochöfen, oder auch eine elektrische Beheizung gewählt werden. Das Heizen der Brenn- oder Heizungskammer (2) muss immer so gesteuert und überwacht werden, dass das wesentliche kennzeichnende Merkmal der Erfindung erfüllt ist, nämlich dass die Temperatur auf der Innenseite des Pyrolyserohres (1) im beheizten Teil überall über der gewünschten Pyrolysetemperatur ist, vorzugsweise also über 1000 °C, solange sich Rohstoffe im Pyrolyserohr (1) befinden.
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Bei der Pyrolyse entsteht innerhalb der (zunächst im kalten Zustand) kontinuierlich zugeführten Rohstoffe im Pyrolyserohr(1) naturgemäß ein Temperaturgefälle von außen nach innen, wodurch beim Aufheizen im Pyrolyserohr (1) zwischenzeitlich u. a. auch Teer gebildet wird. Dieser schlägt sich beim erfindungsgemäßen Verfahren aber nur auf den durchfließenden Rohstoffen selbst und nicht auf den heißeren Rohrwänden nieder. Somit wird durch das erfindungsgemäße Verfahren in überraschend einfacher Weise gewährleistet, daß die Rohstoffe und auch zwischenzeitlich gebildeter Teer beim Durchfließen der Pyrolyserohre (1) am Ende vollständig vergast sind, wenn die Verweilzeit im Pyrolyserohr (1) ausreichend gewählt ist.
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Die für eine Pyrolyse notwendige Verweilzeit der Rohstoffe im beheizten Teil der Pyrolyserohre (1) kann beim erfindungsgemäßen Verfahren mit Hilfe von Thermofühlern, z. B. beim Austreten der Reststoffe aus dem beheizten Teil des Pyrolyserohres (1) gesteuert werden. Auch mit Brechschnecken (9) kann eine bestimmte Mindestaufenthaltszeit der Reststoffe im Temperaturbereich des Pyrolyserohres (1) oberhalb 1000 °C gesteuert werden. Dies wird so geregelt, dass die Pyrolyse vollständig abgeschlossen ist, wenn die Reststoffe den beheizten Teil des Pyrolyserohres (1) verlassen, die Temperatur sowohl im erzeugten Brenngas also auch in den festen Reststoffen liegt dann mindestens bei der gewählten Pyrolysetemperatur.
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Die Ausrichtung der Pyrolyse-Rohre (1) in der Brenn- oder Heizungskammer (2) ist beliebig. Für die Beschickung der Pyrolyse-Rohre (1) werden vorteilhaft Förderschnecken (4) oder Brechschnecken (9) oder andere Einrichtungen vor oder nach dem beheizten Ende der Pyrolyserohre eingesetzt. Auch am Ende des beheizten Teils können im Pyrolyserohr (1) Fördereinrichtungen als Brechschnecken (9), vorzugsweise aus Silicium-Karbid gefertigt, vorgesehen werden. Es ist auch möglich, dass der unbeheizte Teil am Ende der Pyrolyserohre (1) gekühlt wird, um mehr Wärme bei hoher Temperatur zurückzugewinnen.
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Die bei der Pyrolyse entstehenden Feststoffe (Asche) werden aus den Pyrolyserohren (1) vorteilhaft mit Brechschnecken (9) ausgeschleust, wodurch sich die Verweilzeit der Rohstoffe regeln lässt. Die heißen Feststoffe gelangen in einen Ascheraum (10), indem sie gekühlt werden können, beispielsweise durch Löschen mit Wasser. Der dabei entstehende Wasserdampf kann anstelle von Kaltwasser den trockenen Rohstoffen vor der Beschickung der Pyrolyserohre (1) zugeführt werden. Oder der Wasserdampf kann mit Hilfe von Wärmetauschern zur Vorheizung der Verbrennungsluft für die Brenn- oder Heizungskammer (2) verwendet werden. Es ist auch eine Verwendung solcher Abwärme für das Vorheizen von Luft möglich, die für das Trocknen von nassen oder feuchten Rohstoffen (z. B. von abgepressten Klärschlämmen) benötigt wird. Dafür wird man z. B. auch das Rauchgas nach der Verbrennungsluftweiche (14) einsetzen.
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Das erzeugte Brenngas kann in bekannter Weise über einen Gasfilter (17), einen Gasverdichter (18) und eine Gasregelklappe (19) mit Rückschlagklappe (24) zu den Brennern (5, 6) geführt werden, der Gasüberschuss wird über eine Gasregelklappe (21) einem Gasmotor (22) und einem Stromgenerator (23) zugeführt. Diese Gasnutzung ist wesentlich vereinfacht, da das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Brenngas sehr viel weniger Verunreinigungen enthält als herkömmlich erzeugtes Brenngas.
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Zusammenfassend kann gesagt werden: Durch eine neuartige Verbindung an sich bekannter Teilverfahren, insbesondere durch einen bisher als unwirtschaftlich erachteten Einsatz einer Hochtemperaturverbrennung für die Versorgung der Pyrolyse oder Vergasung mit Reaktionswärme bei über 1000 °C, wird mit der Erfindung ein überraschend einfaches Verfahren vorgestellt, das die Nachteile der bekannten Verfahren, insbesondere den Teergehalt im Brenngas und in den Reststoffen, sicher vermeidet, so dass das Verfahren auch in kleinen Anlagen für die Erzeugung elektrischem Strom mit Hilfe von Brenngas einsetzbar ist.
