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Die Erfindung betrifft einen Prallreaktor zum Zerkleinern von Verbundmaterialien, umfassend einen Mantel, in welchem ein Rotor angeordnet ist, der mit Prallelementen versehen ist, wobei der Prallreaktor an der dem Rotor abgewandten Stirnseite mit einem Deckel verschlossen ist.
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Prallreaktoren werden verwendet, um Gegenstände, die aus verschiedenen Materialien zusammengesetzt sind, so zu zerkleinern, dass eine Stofftrennung möglich ist. Dabei werden die Gegenstände durch eine Schlagbeanspruchung mit einem hohen Impulsübertrag mittels rotierender Prallelemente zerkleinert und in Einzelbestandteile aufgetrennt. Die Einzelbestandteile können schließlich der Wiederverwertung zugeführt werden.
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Aus der
EP 0 859 693 B1 ist ein Prallreaktor bekannt, der einen zylindrischen Grundkörper aufweist, in welchem ein durch ein Antriebsmotor angetriebener Rotor angeordnet ist. Der Rotor weist an seinen propellerförmigen Enden austauschbare Prallelemente auf.
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Im Umfangsbereich des Prallreaktors können Auswurföffnungen angeordnet sein, welche mit geschlitzten oder gelochten Abdeckblechen abgedeckt sein können, so dass ein differenzierter Austrag von zerkleinertem Material in gewünschter Partikelgröße möglich ist.
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Elektrotechnische Komponenten, wie beispielsweise Computer-Festplatten und elektrische Motoren aus Fahrzeugen, Fahrrädern, Werkzeugen, Flugzeugen oder Schiffen weisen häufig dauermagnetische Elemente auf. Dabei kommen neben ferromagnetischen Werkstoffen, beispielsweise auf der Basis von Ferriten oder Aluminium-Nickel-Kobalt-Legierungen, häufig neodymhaltige Materialien zum Einsatz. Eine häufige Legierung unter der Verwendung von Neodym ist Neodym-Eisen-Bor (NdFeB). Dauermagnete aus Neodym-Eisen-Bor kommen beispielsweise in Linearmotoren für Festplatten zur Steuerung der Schreib-/Leseköpfe zum Einsatz. Neodym gehört zu den Metallen der Seltenen Erden und ist dementsprechend schwierig zu gewinnen. Aufgrund der Entwicklungen des Rohstoffpreises besteht ein Bedürfnis, neodymhaltiges Material aus entsorgten Komponenten wiederzugewinnen. Derzeit ist aber die Wiedergewinnung dauermagnetischer Materialien und insbesondere neodymhaltiger Materialien aufgrund der dauermagnetischen Eigenschaften des Werkstoffes schwierig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorbekannten Prallreaktor zum Zerkleinern von Verbundmaterialien so weiterzuentwickeln, dass dieser zur Zerkleinerung von Komponenten geeignet ist, welche dauermagnetische Elemente enthalten.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die jeweils darauf rückbezogenen Ansprüche Bezug.
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Der erfindungsgemäße Prallreaktor zum Zerkleinern von Verbundmaterialien umfasst einen Mantel, in welchem ein Rotor angeordnet ist, der mit Prallelementen versehen ist, wobei der Prallreaktor an der dem Rotor abgewandten Stirnseite mit einem Deckel verschlossen ist, wobei der Mantel, der Deckel, der Rotor und die Prallelemente aus nicht-magnetischem Werkstoff ausgebildet sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Prallreaktor sind somit die Komponenten nicht-magnetisch ausgebildet, die direkt in Kontakt mit dem zu zerkleinernden Verbundmaterial gelangen. Durch die nicht-magnetische Ausrüstung der Komponenten kann verhindert werden, dass sich dauermagnetische Elemente aus dem Verbundmaterial an den Komponenten des Prallreaktors, insbesondere an dem Mantel des Prallreaktors, anlagern und dort für eine weitere Zerkleinerung nicht mehr zur Verfügung stehen. Durch die Verwendung von nicht-magnetischem Werkstoff kann ein Anlagern dauermagnetischer Elemente an den Komponenten des Prallreaktors verhindert werden, so dass diese vollständig zerkleinert werden können.
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Der Mantel und/oder der Deckel können mehrschichtig ausgebildet sein. Bei dieser Ausgestaltung weisen der Mantel, bzw. der Deckel, eine Sandwichstruktur auf, wobei eine erste Schicht eine Trägerschicht bildet und wobei auf die Trägerschicht eine verschleißfeste Nutzschicht aufgebracht ist. Dabei sind sowohl die Nutzschicht als auch die Verschleißschicht aus nicht-magnetischem Werkstoff ausgebildet. Die Trägerschicht ist vorzugsweise aus einem zähharten Werkstoff, beispielsweise Stahl, ausgebildet. Die Nutzschicht ist vorzugsweise aus einem verschleißfesten Werkstoff, beispielsweise einem keramischen Werkstoff, ausgebildet.
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Dabei kommt als Material für den Mantel, den Deckel und den Rotor, beziehungsweise für die Trägerschicht von Mantel und Deckel, sowie für die Prallelemente insbesondere ein zähharter Stahl in Betracht. Ein Beispiel für einen derartigen Stahl ist ein Manganhartstahl. Ein besonders vorteilhafter Manganhartstahl ist X 120 Mn 12 (EN10027 Werkstoffnr. 1.3401). Bei diesem Stahl ist besonders vorteilhaft, dass dieser bei mechanischer Beanspruchung verhärtet, was die Nutzungsdauer der Komponenten des Prallrektors verlängert. Insofern könnten die Komponenten des Prallreaktors bei Verwendung dieses Werkstoffs auch einschichtig ausgebildet sein.
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Alternativ ist auch denkbar, als Material für den Mantel, den Deckel und den Rotor, beziehungsweise für die Trägerschicht von Mantel und Deckel, eine Aluminium-Legierung zu verwenden. Eine vorteilhafte nicht-magnetische und harte Aluminium-Legierung ist AI Zn 5,5 Mg Cu (DIN-EN 573-3 Werkstoffnr. 7075). Bei Verwendung einer Aluminium-Legierung kann durch Nachbehandlung die dem Prallreaktorraum zugewandte Oberfläche von Mantel und/oder Deckel in eine Nutzschicht umgewandelt werden, indem die Oberfläche in eine keramische Aluminiumoxid-Schicht umgewandelt wird.
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Die Nutzschicht kann aber auch aus einem anderen keramischen Werkstoff, beispielsweise aus Wolframcarbid, ausgebildet sein. Des Weiteren ist denkbar, die Nutzschicht aus einem Material-Compound, vorzugsweise enthaltend einen keramischen und einen metallischen Werkstoff, auszubilden.
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Vorzugsweise sind zumindest der Mantel, der Rotor und der Deckel aus nicht-magnetischem Edelstahl ausgebildet. Nicht-magnetische Edelstähle weisen den Vorteil einer hohen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie das Fehlen von Magnetisierbarkeit auf. Daher sind diese zur Herstellung eines nicht-magnetischen Prallreaktors besonders gut geeignet. Ein besonders vorteilhafter nicht-magnetischer Edelstahl ist dabei X 2 Cr Ni Mn Mo N Nb 21-16-5-3 (EN1 0027 Werkstoffnr. 1.3964).
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Die Prallelemente können mit einer verschleißfesten Beschichtung aus nicht-magnetischem Werkstoff versehen sein. Die Prallelemente unterliegen während des Zerkleinerungsvorgangs einer besonders hohen mechanischen Beanspruchung. Die verschleißfeste Beschichtung ermöglicht dabei insbesondere eine verlängerte Betriebsdauer der Prallelemente. Sind die Prallelemente aus Hartmanganstahl, insbesondere aus X 120 Mn 12 ausgebildet, kann die Beschichtung entfallen.
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Für die Beschichtung kommen dabei insbesondere keramische Werkstoffe in Betracht. Eine vorteilhafte verschleißfeste nicht-magnetische Beschichtung ist eine Beschichtung aus Wolframcarbid. Des Weiteren ist denkbar, die Beschichtung aus einem Material-Compound, vorzugsweise enthaltend einen keramischen und einen metallischen Werkstoff, auszubilden.
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Der Deckel kann mit einer Absaugöffnung versehen sein, wobei der Absaugöffnung eine Klassiereinrichtung zugeordnet ist. Dabei ist die Klassiereinrichtung ein Bestandteil des Prallreaktors und unmittelbar der Absaugöffnung zugeordnet. Der Rotor ist bei dieser Ausgestaltung vorzugsweise im Bodenbereich des Prallreaktors, also auf der dem Deckel gegenüberliegenden Seite angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung hat die Absaugöffnung einen größtmöglichen Abstand zum Rotor. Prinzipiell ist aber auch denkbar, die Absaugöffnung im Mantel anzuordnen. Werden nun Verbundmaterialien in den Prallreaktor eingebracht, welche pulverförmige Bestandteile haben, oder werden die in den Prallreaktor eingebrachten Verbundmaterialien zu pulverförmigen Partikeln zerkleinert, entsteht im Zuge der mechanischen Beanspruchung durch den Rotor eine staubhaltige Atmosphäre innerhalb des Prallreaktors. Durch die in der Absaugeinrichtung angeordnete Klassiereinrichtung kann eine Abtrennung grober Partikel erfolgen, so dass nur feinpulvrige Bestandteile aus der Absaugöffnung entnommen werden.
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Dabei kann die Klassiereinrichtung als Windsichter ausgebildet sein. Bei einem Windsichter werden Partikel anhand ihres Verhältnisses von Trägheit, bzw. Schwerkraft zum Strömungswiderstand, in einem Gasstrom getrennt. Dabei folgen feine bzw. leichte Partikel der Strömung, wohingegen schwere Partikel der Massenkraft folgen.
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Ein derartiger vorteilhafter Windsichter ist beispielsweise ein Abweiserad. Ein vorteilhaftes Abweiserad weist zwei voneinander beabstandete Rotorscheiben mit dazwischen angeordneten Rotorblättern auf. Dabei ist das Abweiserad ein spezieller Typ eines Windsichters. Das Abweiserad ist in Form eines Ventilators ausgebildet. Die Luft mit den zerkleinerten Partikeln strömt durch den rotierenden Rotor hindurch. Dabei findet zwischen Rotor und einströmenden Partikeln ein Impulsübertrag statt. Gleichzeitig werden die Partikel im einströmenden Luftstrom mitgerissen. Partikel, bei denen die durch den Luftstrom ausgeübte Schleppkraft kleiner ist als die durch die Rotation des Rotors induzierte Fliehkraft, erhalten durch Impulsübertrag des Rotors eine Richtungsänderung und werden in den Prallreaktorraum zurückgeleitet. Insofern werden die umgelenkten Partikel nicht durch das Abweiserad hindurchgelassen. Partikel, bei denen die Schleppkraft des Luftstroms größer ist als die durch den Rotor ausgeübte Fliehkraft, gelangen hingegen mit dem Luftstrom durch das Abweiserad hindurch.
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Eine als Abweiserad ausgebildete Klassiereinrichtung ist im Zusammenhang mit der Rückgewinnung von dauermagnetischen, beispielsweise neodymhaltigen Materialien vorteilhaft. Dauermagnetische Materialien und hier insbesondere neodymhaltige Materialien weisen insbesondere im Vergleich zu Stahlwerkstoffen eine hohe Sprödigkeit auf, so dass im Zuge der mechanischen Beanspruchung durch die Prallelemente eine Zerkleinerung der dauermagnetischen Bestandteile in besonders kleine Partikel erfolgt. Diese können über das Abweiserad aus dem Prallreaktor ausgeschleust werden.
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Im Zusammenhang mit der Rückgewinnung dauermagnetischer Elemente bzw. der Rückgewinnung neodymhaltiger Elemente ist es vorteilhaft, wenn die Klassiereinrichtung aus nicht-magnetischem Werkstoff ausgebildet ist. So ist die Klassiereinrichtung vorzugsweise aus einem der zuvor für den Mantel beschriebenen Werkstoffe ausgebildet. Auch im Zusammenhang mit der Klassiereinrichtung ist denkbar, einen mehrschichtigen Aufbau aus Trägerschicht und Nutzschicht zu wählen.
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Der Mantel kann im Bereich des Rotors geschlossen sein. Dadurch ergibt sich eine besonders hohe Standzeit des Prallreaktors, was wiederum mit einem geringen Wartungsaufwand einhergeht. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass im Umfangsbereich des Mantels im Bereich der Rotoren Entnahmeöffnungen in Form von Klappen vorgesehen sind. Diese ermöglichen das Entnehmen von groben, insbesondere metallischen Partikeln, aus dem Prallreaktor.
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Bei den erfindungsgemäßen Verfahren zur Aufbereitung von Verbundmaterial enthaltend dauermagnetische Elemente wird das Verbundmaterial in den Prallreaktor gegeben und durch mechanische Beanspruchung des mit den Prallelementen versehenen Rotors zerkleinert, wobei zumindest die dauermagnetischen Elemente feinpartikulär zerkleinert werden und wobei die feinpartikulären Bestandteile der zerkleinerten Komponenten über die Absaugeinrichtung entfernt werden.
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Dadurch, dass die das Verbundmaterial berührenden Bestandteile des Prallreaktors nicht-magnetisch ausgebildet sind, ist sichergestellt, dass eine vollständige Zerkleinerung der dauermagnetischen Elemente des Verbundmaterials möglich ist. Dabei weisen die dauermagnetischen Elemente zumeist spröde Materialeigenschaften auf, was eine feinpartikuläre Zerkleinerung in einem Prallreaktor begünstigt. Dadurch werden die dauermagnetischen Elemente feinpartikulär zerkleinert und über die Absaugöffnung aus dem Prallreaktor ausgeschleust.
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Dabei können die dauermagnetischen Elemente sowohl neodymhaltige als auch ferromagnetisch eisenhaltige Elemente aufweisen.
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Dauermagnete auf der Basis von Neodym weisen eine Dichte auf, welche der Dichte von Dauermagneten auf der Basis von ferromagnetisch eisenhaltigen Elementen ähneln. Weisen die zu zerkleinernden Verbundmaterialien beide Werkstoffgruppen auf, ist es wünschenswert, die beiden zuvor genannten Werkstoffgruppen voneinander zu trennen. Dies kann dadurch erfolgen, dass die ferromagnetisch eisenhaltigen Elemente nach dem Ausschleusen durch die Absaugöffnung einem Oxidationsprozess unterzogen werden. Dazu kann ein Sprühnebel auf das ausgeschleuste Material gegeben werden, wobei der Sprühnebel vorzugsweise eine Säure, wie Salzsäure, enthält. Durch den dadurch ausgelösten Oxidationsprozess ändert sich die Dichte der ferromagnetisch eisenhaltigen Elemente, was eine spätere Trennung der ferromagnetisch eisenhaltigen Elemente von den neodymhaltigen Elementen ermöglicht.
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Neben den bekannten Verfahren der trockenen Trennung, beispielsweise mittels Windsichter, ist ein weiteres vorteilhaftes Trennverfahren zur Trennung der zerkleinerten Materialien, insbesondere neodymhaltiger Elemente von ferromagnetisch eisenhaltigen Elementen, eine Schwertrübetrennung. Die Schwertrübe ist eine Suspension aus Wasser, einem Schwerstoff und den aus der Absaugöffnung ausgeschleusten Partikeln, deren Dichte durch Veränderung des Verhältnisses von Wasser zu Schwerstoff genau eingestellt werden kann. Wird das zu trennende Gemisch in die Schwertrübe gegeben, schwimmen die spezifisch leichteren Partikel auf, während die spezifisch schwereren Partikel absinken. Die Schwertrübetrennung ermöglicht die Trennung von Stoffen, welche eine relativ ähnliche Dichte aufweisen. Anschließend können sowohl die neodymhaltigen Elemente als auch die ferromagnetisch eisenhaltigen Elemente gesondert einer Wiederverwertung zugeführt werden.
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Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Prallreaktors wird anhand der nachfolgenden Figur näher dargestellt. Diese zeigt schematisch:
- 1 eine Prallreaktoranordnung.
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1 zeigt einen Prallreaktor 1 bzw. eine Prallreaktoranordnung zum Zerkleinern von Verbundmaterialien. Der Prallreaktor 1 umfasst einen zylindrischen Mantel 2. Der Mantel 2 ist auf einer Stirnseite mit einem Boden 3 versehen, wobei dem Boden 3 ein Rotor 4 zugeordnet ist, welcher mit Prallelementen 5 versehen ist. Der Rotor 4 ist mit einem Elektromotor 6 wirkverbunden, welcher außerhalb des Mantels 2 angeordnet ist. Die den Rotor 4 mit dem Elektromotor 6 verbindende Welle verläuft in Axialrichtung des zylindrischen Mantels 2. Der Rotor 4 ist mit Flügeln versehen, welche radial von der Welle abragen. An den freien Enden der Flügel sind Prallelemente 5 angeordnet. Die Prallelemente 5 sind auswechselbar an den Flügeln befestigt.
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Der Prallreaktor 1 ist an der dem Rotor 4 abgewandten Stirnseite mit einem Deckel 7 verschlossen. Dabei ist im Deckel 7 eine Absaugöffnung 8 zugeordnet, in welcher eine Klassiereinrichtung 9 angeordnet ist.
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Der Mantel 2, der Boden 3, der Rotor 4, die Prallelemente 5, die Welle, der Deckel 7, die Absaugöffnung 8 und die Klassiereinrichtung 9 sind aus nicht-magnetischem Werkstoff ausgebildet. Bei der vorliegenden Ausgestaltung sind der Mantel 2, der Boden 3, der Rotor 4 und die Prallelemente 5 mehrschichtig ausgebildet und weisen eine Trägerschicht aus nicht-magnetischem, zähharten Stahl und eine Nutzschicht aus keramischem Werkstoff auf.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung sind der Mantel 2, der Boden 3, der Rotor 4, die Prallelemente 5, der Deckel 7 und die Klassiereinrichtung 9 aus einem Manganhartstahl mit der Werkstoffnummer 1.3401 ausgebildet und weisen keine Beschichtung auf. Insofern ist der Prallreaktor 1 einschichtig ausgebildet. Je nach zu zerkleinerndem Verbundmaterial kann aber eine Beschichtung, beispielsweise des Mantels 2 oder der Prallelemente 5, vorgesehen sein. Die Beschichtung ist vorzugsweise eine keramische Beschichtung.
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Gemäß einer zweiten Ausgestaltung sind der Mantel 2 und der Boden 3 aus einer Aluminium-Legierung mit der Werkstoffnr. 7075 ausgebildet und mit einer Trägerschicht aus keramischem Aluminiumoxid versehen. Der Rotor 4 und die Prallelemente 5 sind wiederum mehrschichtig ausgebildet und weisen eine Trägerschicht aus nicht-magnetischem, zähhartem Stahl und eine Nutzschicht aus keramischem Werkstoff, hier Wolframcarbid, auf.
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Gemäß einer dritten Ausgestaltung sind der Mantel 2, der Boden 3, der Rotor 4, die Prallelemente 5, die Welle, der Deckel 7, die Absaugöffnung 8 und die Klassiereinrichtung 9 aus einem nicht-magnetischen Edelstahl mit der Werkstoffnr. 1.3964 ausgebildet. Die Prallelemente 5 sind mit einer Beschichtung aus Wolframcarbid versehen.
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Die Klassiereinrichtung 9 ist als Abweiserad ausgebildet. Das Abweiserad weist zwei voneinander beabstandete Rotorscheiben mit dazwischen angeordneten Rotorblättern auf. Die Rotorscheiben und die Rotorblätter sind aus nicht-magnetischem Stahl ausgebildet.
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Der Prallreaktor 1 eignet sind insbesondere zur Aufbereitung von Verbundmaterial, welches dauermagnetische Elemente, insbesondere aus Neodym-Eisen-Bor, aus ferromagnetisch eisenhaltigen Werkstoffen oder Dauermagnete aus anderen dauermagnetischen Materialien aufweist. Zur Zerkleinerung wird das Verbundmaterial in den Prallreaktor 1 gegeben und durch mechanische Beanspruchung des mit den Prallelementen 5 versehenen Rotors 4 zerkleinert. Dabei erfolgt durch die spröden Materialeigenschaften der Dauermagnete eine feinpartikuläre Zerkleinerung der Dauermagnete, so dass diese über die Absaugöffnung 8 ausgeschleust werden können, wobei durch die Klassiereinrichtung 9 eine Zurückweisung größerer Partikel erfolgt, so dass nur feinpartikuläre Bestandteile über die Absaugöffnung aus dem Prallreaktor 1 gelangen können.
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Der Prallreaktor 1 ist mit einer Sprüheinrichtung versehen, welche der Klassiereinrichtung 9 nachgeschaltet ist. Die Sprüheinrichtung ist insbesondere geeignet, die ausgeschleusten feinpartikulären Bestandteile zu benetzen bzw. einer Säurebehandlung zu unterziehen. Durch die Säurebehandlung kommt es zu einem Oxidationsprozess, was die Dichte der ausgeschleusten feinpartikulären Bestandteile beeinflusst. Nach dem Ausschleusen der Partikel aus dem Windsichter 9 kann eine weitere Trennung der Partikel erfolgen. Dabei kann insbesondere durch die Sprühbehandlung ein Dichteunterschied hergestellt werden. Eine Trennung der Partikel kann dann mittels einer Schwertrübetrennung erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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