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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum thermischen Behandeln von körnigen
Feststoffen in einem Wirbelbett, welches sich in einem Wirbelschicht-Reaktor
befindet, bei dem Mikrowellenstrahlung durch mindestens einen Hohlleiter
in den Wirbelschichtreaktor eingespeist wird, sowie eine entsprechende
Anlage.
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Es gibt mehrere Möglichkeiten, eine Mikrowellen-Quelle
an Wirbelschicht-Reaktoren
anzukoppeln. Dazu zählen
bspw. ein offener Hohlleiter, eine Schlitzantenne, eine Koppelschleife,
eine Blende, eine mit Gas oder einem anderen Dielektrikum gefüllte Koaxialantenne,
oder ein mit einem mikrowellentransparenten Stoff (Fenster) abgeschlossener
Hohlleiter. Die Art der Auskopplung der Mikrowellen aus der Einspeiseleitung
dabei kann auf unterschiedlichem Wege erfolgen.
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Mikrowellenenergie kann in Hohlleitern
theoretisch verlustfrei transportiert werden. Der Hohlleiterquerschnitt
ergibt sich als logische Weiterentwicklung eines elektrischen Schwingkreises
aus Spule und Kondensator zu sehr hohen Frequenzen hin. Ein solcher
Schwingkreis kann theoretisch ebenfalls verlustfrei betrieben werden.
Bei einer starken Erhöhung
der Resonanzfrequenz wird aus der Spule eines elektrischen Schwingkreises
eine halbe Wicklung, die der einen Seite des Hohlleiterquerschnittes
entspricht. Der Kondensator wird zu einem Plattenkondensator, der
ebenfalls zwei Seiten des Hohlleiterquerschnittes entspricht. Im
Realfall verliert ein Schwingkreis Energie durch den ohmschen Widerstand
in Spule und Kondensator. Der Hohlleiter verliert Energie durch
den ohmschen Widerstand in der Hohlleiterwand.
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Aus einem elektrischen Schwingkreis
kann man Energie abzweigen, indem man einen zweiten Schwingkreis
ankoppelt, der dem ersten Energie entzieht. Analog kann durch Anflanschen
eines zweiten Hohlleiters an einen ersten Hohlleiter aus diesem
Energie ausgekoppelt werden (Hohlleiterübergang). Wird der erste Hohlleiter
hinter der Einkopplungsstelle durch einen Kurzschlussschieber abgesperrt,
kann sogar die gesamte Energie auf den zweiten Hohlleiter umgeleitet
werden.
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Die Mikrowellenenergie in einem Hohlleiter
wird durch die elektrisch leitfähigen
Wände eingeschlossen.
In den Wänden
fließen
Wandströme
und im Hohlleiterquerschnitt existiert ein elektromagnetisches Feld, dessen
Feldstärke
mehrere 10 KV pro Meter betragen kann. Wird nun ein elektrisch leitfähiger Antennenstab in
den Hohlleiter gesteckt, kann dieser die Potentialdifferenz des
elektromagnetischen Feldes direkt ableiten und bei geeigneter Form
an seinem Ende auch wieder abstrahlen (Antennen- oder Stiftauskopplung).
Ein Antennenstab, der durch eine Öffnung in den Hohlleiter eintritt
und an einer anderen Stelle die Hohlleiterwand berührt, kann
weiterhin Wandströme
direkt aufnehmen und ebenfalls an seinem Ende abstrahlen. Wird der Hohlleiter
hinter der Antenneneinkopplung durch einen Kurzschlussschieber abgesperrt,
so kann auch in diesem Fall die gesamte Energie aus dem Hohlleiter
in die Antenne umgeleitet werden.
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Wenn die Feldlinien der Wandströme in Hohlleitern
durch Schlitze unterbrochen werden, so tritt durch diese Schlitze
Mikrowellenenergie aus dem Hohlleiter aus (Schlitzauskopplung),
da die Energie nicht in der Wand weiterfließen kann. Die Wandströme in einem
Rechteckhohlleiter fließen
auf der Mitte der breiten Hohlleiterseite parallel zur Mittellinie
und auf der Mitte der schmalen Hohlleiterseite quer zur Mittellinie.
Querschlitze in der Breitseite und Längsschlitze in der schmalen
Seite koppeln daher Mikrowellenstrahlung aus Hohlleitern aus.
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Mikrowellenstrahlung kann in elektrisch
leitfähigen
Hohlprofilen unterschiedlichster Geometrie geleitet werden, solange
gewisse Mindestabmessungen nicht unterschritten werden. Die genaue
Berechnung der Resonanzbedingungen ist mathematisch recht aufwendig,
da letztlich die Maxwell-Gleichungen (instationäre, nichtlineare Differenzialgleichungen)
mit den entsprechenden Randbedingungen gelöst werden müssen. Im Falle eines rechteckigen
oder runden Hohlleiterquerschnittes lassen sich die Gleichungen
aber soweit vereinfachen, dass sie analytisch lösbar sind und daher Probleme
bei der Auslegung von Hohlleitern anschaulicher werden und einfacher
lösbar
sind. Deshalb, und aufgrund der relativ einfachen Herstellbarkeit
werden industriell nur Rechteckhohlleiter und Rundhohlleiter eingesetzt,
die auch erfindungsgemäß bevorzugt
eingesetzt werden. Die hauptsächlich
verwendeten Rechteckhohlleiter sind in der angelsächsischen
Literatur genormt. Diese Normmaße
wurden in Deutschland übernommen,
weshalb teilweise ungerade Abmessungen auftreten. In der Regel sind
alle industriellen Mikrowellenquellen der Frequenz 2,45 GHz mit
einem Rechteckhohlleiter des Typs R26 ausgestattet, der einen Querschnitt
von 43 × 86
mm aufweist. In Hohlleitern gibt es unterschiedliche Schwingungszustände: Bei
dem transversalen elektrischen Mode (TE-Mode) liegt die elektrische
Feldkomponente quer zur Hohlleiterrichtung und die magnetische Komponente
in Hohlleiterrichtung. Bei dem transversalen magnetischen Mode (TM-Mode) liegt die magnetische
Feldkomponente quer zur Hohlleiterrichtung und die elektrische Komponente
in Hohlleiterrichtung. Beide Schwingungszustände können in allen Raumrichtungen
mit unterschiedlichen Modenzahlen auftreten (z.B. TE-1-1, TM-2-0).
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Ein Verfahren zum thermischen Behandeln
von körnigen
Feststoffen ist aus der
US 5,972,302 bekannt,
wobei man sulfidisches Erz einer durch Mikrowellen unterstützten Oxidation
unterwirft. Hierbei geht es vor allem um die Röstung von Pyrit im Wirbelbett,
wobei die in das Wirbelbett geleiteten Mikrowellen die Bil dung von
Hämatit
und Elementarschwefel begünstigen
und die SO
2-Bildung unterdrücken. Man
arbeitet hierbei in einem stationären Wirbelbett, welches von
der direkt darüber
befindlichen Mikrowellen-Quelle angestrahlt wird. Dabei kommt die
Mikrowellen-Quelle oder aber die Eintrittsstelle der Mikrowellen
zwangsläufig
mit den aus dem Wirbelbett aufsteigenden Gasen, Dämpfen und
Stäuben
in Berührung.
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In der
EP 0 403 820 B1 wird ein Verfahren zum Trocknen
von Stoffen in einer Wirbelschicht beschrieben, bei dem die Mikrowellen-Quelle
außerhalb
der Wirbelschicht angeordnet ist und die Mikrowellen mittels Hohlleiter
in die Wirbelschicht eingeleitet werden. Bei offenen Hohlleitern
besteht die Gefahr, dass die Mikrowellen-Quelle im Laufe der Zeit
durch Staub oder Gase verdreckt und beschädigt wird. Dies kann durch
mikrowellentransparente Fenster vermieden werden, die den Hohlleiter
zwischen dem Reaktor und der Mikrowellenquelle abschließen. Allerdings
führen
in diesem Fall Ablagerungen auf dem Fenster zu einer Beeinträchtigung
der Mikrowellenstrahlung.
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Beschreibung
der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zu Grunde, die Einspeisung von Mikrowellen in eine stationäre oder
zirkulierende Wirbelschicht effizienter zu gestalten und dabei die
Mikrowellen-Quelle vor entstehenden Gasen, Dämpfen und/oder Stäuben zu
schützen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem
Verfahren der eingangs genannten Art im Wesentlichen dadurch gelöst, dass
ein Gasstrom durch den Hohlleiter in den Wirbelschicht-Reaktor eingespeist
wird, der auch zur Mikrowelleneinstrahlung verwendet wird. Somit
ist die Mikrowellen-Quelle außerhalb
der stationären
oder zirkulierenden Wirbelschicht angeordnet, wobei die Mikrowellenstrahlung
durch mindestens einen Hohlleiter in den Wirbelschicht-Reaktor eingespeist
und durch den Hohlleiter zusätzlich
zur Mikrowellenstrahlung ein Gasstrom geführt wird. Durch den Gasstrom
aus dem Hohlleiter wird zuverlässig
vermieden, dass Staub oder Prozessgasse in den Hohlleiter eintreten,
sich bis zur Mikrowellen-Quelle ausbreiten und diese beschädigen. Daher
kann erfindungsgemäß auf mikrowellentransparente
Fester in dem Hohlleiter zur Abschirmung der Mikrowellen-Quelle
verzichtet werden, wie sie im Stand der Technik üblich sind. Bei diesen besteht nämlich das
Problem, dass Ablagerungen von Staub oder anderen Feststoffen auf
dem Fenster die Mikrowellenstrahlung beeinträchtigen und teilweise absorbieren
können.
Daher sind die erfindungsgemäß offenen Hohlleiter
von besonderem Vorteil.
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Eine Verbesserung des Verfahrens
wird erreicht, wenn der durch den Hohlleiter eingespeiste Gasstrom
Gase enthält,
die mit dem Wirbelbett reagieren und im Falle eines zirkulierenden
Wirbelschicht-Reaktors sogar für
eine zusätzliche
Fluidisierung des Wirbelbettes genutzt werden können. Es wird also ein Teil
des Gases, das bisher durch andere Zuführleitungen in die Wirbelschicht
eingeleitet wurde, zur Entstaubung des Hohlleiters verwendet. Dadurch
kann auch auf die Bereitstellung von neutralem Spülgas verzichtet
werden.
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Eine weitere Verbesserung ergibt
sich, wenn erfindungsgemäß der durch
den Hohlleiter eingespeiste Gasstrom eine Temperaturdifferenz zu
den in dem Wirbelschicht-Reaktor befindlichen Gasen und Feststoffen hat.
Damit kann gezielt, je nach gewünschtem
Effekt, zusätzliche
Wärme in
das Wirbelbett eingeleitet oder das Wirbelbett gekühlt werden.
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Die thermische Behandlung kann nicht
nur in einem stationären,
sondern auch in einem zirkulierenden Wirbelbett (zirkulierende Wirbelschicht)
erfolgen, wobei die Feststoffe kontinuierlich zwischen einem Wirbelschicht-Reaktor,
einem mit dem oberen Bereich des Wirbelschicht-Reaktors verbundenen
Feststoff-Abscheider
und einer den Feststoff-Abscheider mit dem unteren Bereich des Wirbelschicht-Reaktors
verbindenden Rückführleitung
umlaufen. Üblicherweise
beträgt
die pro Stunde umlaufende Feststoffmenge mindestens das Dreifache
der in dem Wirbelschicht-Reaktor befindlichen Feststoffmenge.
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Die Feststoffe können auch durch mindestens
zwei aufeinanderfolgende Wirbelschicht-Reaktoren geführt werden,
bspw. zwei mit Wehren oder Trennwänden voneinander abgetrennte
Wirbelkammern, in denen sich die stationären Wirbelschichten ausbilden
und in die aus Hohlleitern kommende elektromagnetische Wellen (Mikrowellen)
eingespeist werden. Dabei kann sich der Feststoff als Wanderbett
aus einem Wirbelschicht-Reaktor in den benachbarten Wirbelschicht-Reaktor
bewegen. Eine Variante besteht darin, dass zwischen den beiden benachbarten
Wirbelschicht-Reaktoren eine insbesondere mit beiden Wirbelkammern
verbundene Zwischenkammer angeordnet ist, die ein Wirbelbett aus
körnigen
Feststoffen enthält,
wobei der Zwischenkammer kein Hohlleiter zugeordnet ist. Eine andere
Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass zur Trennung von beiden Wirbelkammern eine Trennwand
mit der Öffnung
im Bodenbereich verwendet wird.
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Besonders vorteilhaft können die
Betriebsbedingungen, insbesondere Temperatur, Fluidisierungsgas-Zusammensetzung,
Energieeintrag und/oder Fluidisierungsgeschwindigkeit, für jeden
von mehreren Wirbelschicht-Reaktoren unterschiedlich vorgegeben
werden. Bei einem Wirbelbett oder mehreren aufeinanderfolgenden
Wirbelbetten können
die Feststoffe so bspw. zunächst
durch eine Vorwärmkammer
geleitet werden, die dem ersten Wirbelbett vorgeschaltet ist. Ferner
kann dem letzten der thermischen Behandlung dienenden Wirbelbett
eine Kühlkammer
nachgeschaltet sein, um das Feststoffprodukt abzukühlen.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich
dadurch, dass durch den kontinuierlichen Gasstrom durch den Hohlleiter
Feststoff-Ablagerungen im Hohlleiter vermieden werden. Diese Feststoffablagerungen
verändern
in unerwünschter
Weise den Querschnitt des Hohlleiters und nehmen einen Teil der
Mikrowellen-Energie auf, die für die
Feststoffe im Wirbelbett ausgelegt war. Durch die Energieaufnahme
im Hohlleiter erwärmt
sich dieser sehr stark, wodurch das Material einem starken thermischen
Verschleiß unterliegt.
Außerdem
bewirken Feststoff-Ablagerungen
im Hohlleiter unerwünschte
Rückkopplungen
auf die Mikrowellen-Quelle.
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Als Mikrowellen-Quellen, d.h. als
Quellen für
die elektromagnetischen Wellen, eignen sich z.B. ein Magnetron oder
Klystron. Ferner können
Hochfrequenzgeneratoren mit entsprechenden Spulen oder Leistungstransistoren
eingesetzt werden. Die Frequenzen der von der Mikrowellen-Quelle
ausgehenden elektromagnetischen Wellen liegen üblicherweise im Bereich von
300 MHz bis 30 GHz. Vorzugsweise werden die ISM-Frequenzen 435 MHz,
915 MHz und 2,45 GHz verwendet. Die optimalen Frequenzen werden
zweckmäßigerweise
für jeden
Anwendungsfall im Probebetrieb ermittelt.
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Der Hohlleiter besteht erfindungsgemäß ganz oder
weitgehend aus elektrisch leitendem Material, z.B. Kupfer. Die Länge des
Hohlleiters liegt im Bereich von 0,1 bis 10 m. Der Hohlleiter kann
gerade oder gebogen ausgeführt
sein. Bevorzugt werden hierfür
Profile mit rundem oder rechteckigem Querschnitt verwendet, wobei die
Abmessungen insbesondere an die verwendete Frequenz angepasst sind.
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Die Temperaturen im Wirbelbett liegen
bspw. im Bereich von 300 bis 1200 °C, und es kann sich empfehlen,
zusätzliche
Wärme,
z.B. durch indirekten Wärmeaustausch,
in das Wirbelbett einzubringen. Für die Temperaturmessung im
Wirbelbett eignen sich isolierte Messfühler, Strahlungspyrometer oder
faseroptische Sensoren.
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Die Gasgeschwindigkeiten in dem Hohlleiter
werden erfindungsgemäß so eingestellt,
dass die Partikel-Froude-Zahlen im Hohlleiter im Bereich zwischen
0,1 und 100 liegen. Dabei sind die Partikel-Froude-Zahlen wie folgt
definiert:
mit
u = effektive Geschwindigkeit
der Gasströmung
in m/s
ρ
s = Dichte der in den Hohlleiter eindringenden
Feststoffpartikel bzw. Prozessgase in kg/m
3 ρ
f =
effektive Dichte des Spülgases
im Hohlleiter in kg/m
3 d
p =
mittlerer Durchmesser der beim Reaktorbetrieb vorliegenden Partikel
des Reaktorinventars (bzw. der sich bildenden Teilchen) in m
g
= Gravitationskonstante in m/s
2.
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Um das Eindringen von Feststoffpartikeln
oder entstehenden Prozessgasen aus dem Reaktor in den Hohlleiter
zu verhindern, strömt
als Spülgas
dienendes Gas durch den Hohlleiter. Feststoffpartikel können bspw.
in dem Reaktor vorhandene Staubpartikel oder auch die behandelten
Feststoffe sein. Prozessgase entstehen bei den im Reaktor ablaufenden
Prozessen. Durch die Vorgabe bestimmter Partikel-Froude-Zahlen wird
erfindungsgemäß bei der
Einstellung der Gasgeschwindigkeiten das Dichteverhältnis der
eindringenden Feststoffpartikel bzw. Prozessgase zu dem Spülgas berücksichtigt,
das neben der Geschwindigkeit des Spülgastroms entscheidend dafür ist, ob
der Spülgastrom
die eindringenden Teilchen mitreißen kann oder nicht. Dadurch
kann verhindert werden, dass Stoffe in den Hohlleiter eindringen.
Für die
meisten Anwendungsfälle wird
eine Partikel-Froude-Zahl zwischen 2 und 30 bevorzugt.
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Bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
zu behandelnden körnigen
Feststoffen kann es sich z.B. um Erze und insbesondere sulfidische
Erze handeln, die z.B. für
die Gewinnung von Gold, Kupfer oder Zink vorbereitet werden. Ferner
kann man Recycling-Stoffe, z.B. zinkhaltiges Wälzoxid oder Abfallstoffe, der thermischen
Behandlung im Wirbelbett unterwerten. Wenn man sulfidische Erze,
wie z.B. goldhaltigen Arsenopyrit, dem Verfahren unterzieht, wird
das Sulfid zu Oxid umgewandelt und dabei bei geeigneter Verfahrensführung bevorzugt
elementarer Schwefel und nur geringe Mengen SO2 gebildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren
lockert die Struktur des Erzes in günstiger Weise auf, so dass
die anschließende
Goldlaugung zu verbesserten Erträgen
führt.
Das durch die thermische Behandlung bevorzugt gebildete Arsen-Eisen-Sulfid
(FeAsS) ist problemlos deponierbar. Es ist zweckmäßig, dass
die zu behandelnden Feststoffe mindestens teilweise die verwendete
elektromagnetische Strahlung absorbieren und damit das Bett erwärmen. Erstaunlicherweise
hat sich gezeigt, dass insbesondere bei hohen Feldstärken behandeltes
Material leichter gelaugt werden kann. Häufig lassen sich auch andere
verfahrenstechnische Vorteile realisieren, wie z.B. verkürzte Verweilzeiten
oder Absenkung erforderlicher Prozesstemperaturen.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung
eine Anlage insbesondere zur Durchführung des vorbeschriebenen
Verfahrens zur thermischen Behandlung von körnigen Feststoffen in einem
Wirbelbett. Eine erfindungsgemäße Anlage
weist einen Wirbelschicht-Reaktor, eine außerhalb des Wirbelschicht-Reaktors
angeordnete Mikrowellen-Quelle und einen Hohlleiter zum Einspeisen
der Mikrowellenstrahlung in den Wirbelschicht-Reaktor auf, wobei
an den Hohlleiter eine Gaszufuhrleitung zum Einspeisen von Gas in
den Wirbelschicht-Reaktor angeschlossen ist.
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Ferner kann der Reaktor rinnenförmig ausgebildet
sein und einen gasdurchlässigen
Boden zum Eintritt von Fluidisierungsgas aufweisen, bspw. einen
mit Loch- oder Schlitzöffnungen,
Glockendüsen
oder ähnlichen für die Wirbeltechnik
geeigneten Öffnungen
versehenen Boden. Dieser als Wirbelschichtrinne aufgebaute Reaktor
kann waagrecht oder mit einem kleinen Neigungswinkel von wenigen
Grad aufgestellt sein und ein Längen-
zu Breitenverhältnis
von mindestens 1,5 zu 1, beispielsweise 4 zu 1 aufweisen. In einem
solchen rinnenförmigen
Reaktor lässt
sich erfindungsgemäß die Behandlung
und der Transport der körnigen
Feststoffe gut realisieren. Um den Wirbelrinnenreaktor in mehrere
Zonen zu unterteilen, können
je nach Prozess Zwischenwände
oder Wehre innerhalb der in der Rinne ausgebildeten Wirbelschicht
und/oder in dem oberhalb der Wirbelschicht befindlichen Gasraum
angeordnet werden, wobei eine Öffnung
für den
Durchtritt der körnigen
Feststoffe verbleibt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die
Zwischenwände
bzw. Wehre zur Zonenabtrennung verstellbar ausgeführt sind,
so dass die Höhe
des Wirbelgutes und die Schlitzhöhe
für den Übertritt
von Zone zu Zone variiert werden können. Die Betttiefe in der
Wirbelrinne wird so ausgewählt,
dass in jeder Zone durch gute Durchmischung ein nahezu gleichmäßiger Energiezustand
erreicht wird. Statt Übertrittwehren
ist bei geeignetem Wirbelgut auch das Siphonprinzip einsetzbar.
Mikrowellen-Eintrittsöffnungen
mit angeschlossenen Hohlleitern können in allen oder einzelnen
Zonen vorgesehen werden.
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Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden
Beschreibung von Anwendungsbeispielen und der Zeichnung. Dabei gehören alle beschriebenen
und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination
zum Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung
in den Ansprüchen
oder deren Rückbeziehung.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 die
thermische Behandlung körniger
Feststoffe in einem stationären
Wirbelbett in schematischer Darstellung;
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2 eine
Verfahrensvariante mit einer zirkulierenden Wirbelschicht und
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3, 4, 5, 6 Verfahrensvarianten
mit mehreren stationären
Wirbelbetten.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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In 1 ist
eine Anlage zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum thermischen Behandeln von körnigen
Feststoffen in einer auch als Wirbelbett bezeichneten stationären Wirbelschicht 3 dargestellt.
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Die Anlage weist einen Wirbelschicht-Reaktor 1 auf,
in den durch eine Leitung 2 zu behandelnde körnige Feststoffe
eingeleitet werden. Dort bilden die Feststoffe in einer Kammer ein
stationäres
Wirbelbett 3 aus, das von einem Fluidisierungsgas, bspw.
Luft, durchströmt
wird. Dazu wird das Fluidisierungsgas von unten durch einen Gasverteiler 4 in
das Wirbelbett 3 geleitet. Im oberen Bereich des Wirbelschicht-Reaktors 1 ist
an die Kammer mit der stationären
Wirbelschicht 3 ein offener Hohlleiter 5 angeschlossen,
der zu einer Mikrowellen-Quelle 7 führt. Die
von der Mikrowellen-Quelle 7 ausgehenden elektromagnetischen
Wellen werden durch den Hohlleiter 5 geleitet und in die
Kammer des Wirbelschicht-Reaktors 1 eingespeist. Sie tragen
zumindest teilweise zum Aufheizen des Wirbelbettes 3 bei.
Ferner wird durch eine Leitung 6 seitlich Spülgas, z.B.
Luft oder Stickstoff, in den Hohlleiter 5 eingespeist,
das in den Wirbel schicht-Reaktor 1 strömt und das Eintreten von Staub
oder Prozessgasen aus der Kammer mit dem stationären Wirbelbett 3 in
den Hohlleiter 5 verhindert. Auf diese Weise werden die
Mikrowellen-Quelle 7 vor einer Beschädigung geschützt und
gleichzeitig Mikrowellen absorbierende Schmutzablagerungen in dem
Hohlleiter 5 verhindert, ohne dass der offene Hohlleiter 5 durch
ein für
Mikrowellen transparentes Fenster verschlossen werden muss.
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Sofern für den Prozess erforderlich,
kann zusätzlich
eine Beheizung des stationären
Wirbelbetts 3 durch einen in dem Wirbelbett 3 angeordneten
Wärmeaustauscher 8 erfolgen.
Gebildete Gase und Dämpfe verlassen
die Kammer des Wirbelschicht-Reaktors 1 durch eine Leitung 9 und
werden einer nicht dargestellten, an sich bekannten Kühlung und
Entstaubung zugeführt.
Die behandelten körnigen
Feststoffe zieht man durch die Austragsleitung 10 aus dem
Wirbelschicht-Reaktor 1 ab.
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In 2 ist
der Wirbelschicht-Reaktor 1 als Reaktor mit einem zirkulierenden
Wirbelbett (Wirbelschicht) ausgeführt. Die zu behandelnden Feststoffe
werden über
die Leitung 2 in den Wirbelschicht-Reaktor 1 geleitet
und von in den Wirbelschicht-Reaktor 1 eingeleitetem Fluidisierungsgas
mitgerissen, wodurch sich die zirkulierende Wirbelschicht ausbildet.
Die Feststoffe werden dann zumindest teilweise mit dem Gas durch eine
Leitung 11 aus dem Wirbelschicht-Reaktor 1 ausgetragen
und in einen Feststoff-Abscheider 12 geführt. Die
darin abgeschiedenen Feststoffe werden zumindest teilweise durch
eine Rückführleitung 13 in
den unteren Bereich der zirkulierenden Wirbelschicht des Wirbelschicht-Reaktors 1 rezirkuliert.
Ein Teil der Feststoffe kann auch durch die Austragsleitung 14 ausgeschleust
werden. Grobe Feststoffe, die sich unten in dem Wirbelschicht-Reaktor 1 ablagern,
können
durch eine Abzugsleitung 15 aus dem Reaktor 1 entfernt
werden. Das Fluidisierungsgas zur Bildung der zirkulierenden Wirbelschicht,
z.B. Luft, wird durch eine Leitung 4a an den Wirbelschicht-Reaktor 1 herangeführt und
gelangt zunächst
in eine Verteilkammer 4h, bevor es durch einen Rost 4i in
den Wirbelschicht-Reaktor 1 einströmt, den eingetragenen insbesondere
feinkörnigen
Feststoff mitreißt und
als Wirbelbett eine zirkulierende Wirbelschicht ausbildet.
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Ein Hohlleiter 5 verbindet
eine Mikrowellen-Quelle 7 mit der Kammer des Wirbelschicht-Reaktors 1, durch
den wie in der Anlage gemäß 1 Mikrowellen zur Erwärmung der
körnigen
Feststoffe in den Mikrowellen-Reaktor 1 eingespeist werden.
Zusätzlich
durchströmt
Spülgas
aus der Leitung 6 den Hohlleiter 5, um den Eintritt
von Schmutz sowie Ablagerungen in dem Hohlleiter 5 zu vermeiden.
Auch im vorliegenden Fall kann der Innenbereich der Kammer wieder
mit einem oder mehreren Wärmeaustauschern
zum zusätzlichen Beheizen
der körnigen
Feststoffe versehen sein, was in 2 der
besseren Übersichtlichkeit
wegen nicht dargestellt wurde.
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Staubhaltiges Gas verlässt den
Feststoff-Abscheider 12 durch die Leitung 9 und
wird zunächst
in einem Abhitzekessel 16 gekühlt, bevor es durch eine Entstaubung 17 geführt wird.
Dabei kann abgeschiedener Staub entweder aus dem Verfahren entfernt
oder durch eine nicht dargestellte Leitung zurück in die Kammer des Wirbelschicht-Reaktors 1 geführt werden.
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Gemäß 3 sind zwei stationäre Wirbelschicht-Reaktoren 1 und 1a aufeinanderfolgend
angeordnet, wobei sich zwischen den Kammern der beiden Reaktoren 1 und 1a eine
Zwischenkammer 1c befindet. In allen drei Kammern bilden
die Feststoffe ein stationäres
Wirbelbett 3, 3a, das von Fluidisierungsgas durchströmt wird.
Das Fluidisierungsgas wird für
jede Kammer jeweils durch eine eigene Leitung 4a, 4b, 4c herangeführt. Die
zu behandelnden körnigen
Feststoffe treten durch die Leitung 2 in den ersten Wirbelschicht-Reaktor 1 ein und
fertig behandelte Feststoffe verlassen den zweiten Wirbelschicht-Reaktor 1a durch
die Austragsleitung 10. Vom oberen Bereich der Kammer des
ersten Reaktors 1 reicht eine erste Wand 19 nach
unten. Sie ist jedoch nicht bis zum Boden ge führt, so dass im Bodenbereich
eine Öffnung 20 frei
bleibt, durch welche Feststoffe vom ersten Wirbelbett 3 in
das Wirbelbett 3a der Zwischenkammer 1c gelangen
können.
Die Zwischenkammer 1c reicht bis zu einer wehrartigen zweiten
Wand 21, über
die hinweg die Feststoffe vom Wirbelbett 3a der Zwischenkammer 1c in
die Kammer des zweiten Wirbelschicht-Reaktors 1a bewegt
werden. An die Kammern der beiden Reaktoren 1 und 1a sind
entsprechend den Anlagen gemäß 1 und 2 jeweils Hohlleiter 5 mit Spülluftleitungen 6 und
Mikrowellen-Quellen 7 angeschlossen, durch die Mikrowellen
und Spülgas
in die Reaktoren 1 und 1a eingespeist werden.
In den Kammern der Reaktoren 1 und 1a können zusätzlich Wärmeaustauschelemente 8 angeordnet
sein.
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Der Gasraum 22 über dem
Wirbelbett 3 des ersten Wirbelschicht-Reaktors 1 ist
von dem Gasraum 23, der zu der Kammer des zweiten Reaktors 1a und
der Zwischenkammer 1c gehört, durch die vertikale Wand 19 getrennt.
Für die
Gasräume 22, 23 existieren
separate Gasabzugsleitungen 9 und 9a. Dadurch
können
in den Kammern der Reaktoren 1 und 1a unterschiedliche
Bedingungen aufrechterhalten werden, insbesondere können unterschiedliche
Temperaturen herrschen oder unterschiedliche Fluidisierungsgase
durch die getrennten Gaszufuhrleitungen 4a, 4b, 4c zugeführt werden.
Ferner können
die beiden Mikrowellen-Quellen 7 unterschiedlich ausgestaltet
sein und verschiedene Aufgaben erfüllen. Insbesondere können Mikrowellen
verschiedener Frequenz oder Energie erzeugt und durch die Hohlleiter 5 eingespeist
werden.
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Gemäß 4 sind zwei stationäre Wirbelschicht-Reaktoren 1 und 1a ohne
Zwischenkammer unmittelbar aufeinanderfolgend angeordnet, wobei
sich zwischen beiden eine Trennwand 19 befindet. In den
Kammern der beiden Reaktoren 1, 1a bilden die
Feststoffe ein stationäres
Wirbelbett 3, 3a aus, das durch Fluidisierungsgas
aus mehreren, nebeneinander angeordneten Leitungen 4a, 4b, 4c fluidisiert
wird. Die zu behandelnden körnigen
Feststoffe werden dem ersten Wirbelschicht-Reaktor 1 durch
die Leitung 2 zugeführt
und die behandelten Fest stoffe verlassen den Wirbelschicht-Reaktor 1a durch
die Austragsleitung 10. Vom oberen Bereich der Kammer des
ersten Reaktors 1 reicht eine erste Wand 19 nach
unten, die jedoch nicht bis zum Boden geführt ist, so dass im Bodenbereich
eine Öffnung 20 frei
bleibt, durch welche Feststoffe vom ersten Wirbelbett 3 in
das Wirbelbett 3a des zweiten Wirbelschicht-Reaktors 1a gelangen
können.
Zu den beiden Kammern der Reaktoren 1 und 1a führen jeweils
Hohlleiter 5, die an Mikrowellen-Quellen 7 angeschlossen
sind. Durch diese offenen Hohlleiter 5 werden nach dem
bei den bisherigen Ausführungsformen
bereits beschriebenen Prinzip Mikrowellen in die beiden Reaktoren 1, 1a eingespeist,
um die zu behandelnden Feststoffe, welche die Mikrowellenstrahlung
absorbieren, zu erhitzen und die notwendigen Prozesstemperaturen
zu erreichen. Dabei strömt
durch Spülluftleitungen 6 gleichzeitig
Spülgas
in die Hohlleiter 5 ein, um in diesen Ablagerungen zu vermeiden.
In den Kammern der Reaktoren 1 und 1a können zusätzlich Wärmeaustauschelemente 8 angeordnet sein.
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Der Gasraum 22 über dem
Wirbelbett 3 des ersten Wirbelschicht-Reaktors 1 ist
vom Gasraum 23, der zur Kammer des zweiten Reaktors 1a gehört, durch
die vertikale Wand 19 getrennt. Es existieren separate Gasabzugsleitungen 9 und 9a.
Dadurch können
in den verschiedenen Reaktorkammern 1 und 1a unterschiedliche
Bedingungen aufrechterhalten werden, insbesondere können die
Temperaturen oder die Gasphasenzusammensetzung unterschiedlich sein.
Auch können
unterschiedliche Fluidisierungsgase durch die jeweiligen Leitungen 4a, 4b, 4c zugeführt werden.
Ferner können
die beiden Mikrowellen-Quellen 7 unterschiedlich ausgestaltet
sein und verschiedene Aufgaben erfüllen.
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Bei der Anordnung gemäß 5 treten die zu behandelnden
Feststoffe, die in der Leitung 2 herangeführt werden,
zunächst
in eine Vorkammer 31 ein und gelangen durch eine erste
Zwischenkammer 32 in den ersten Wirbelschicht-Reaktor 1.
Aus diesem treten die Feststoffe dann durch eine zweite Zwischenkammer 1c in
den zweiten Wirbelschicht-Reaktor 1a und schließlich durch
die dritte Zwischenkammer 33 in eine Kühlkammer 34 ein, bevor
die behandelten und gekühlten
Feststoffe durch die Austragsleitung 10 abgezogen werden. In
die Kammern der Wirbelschicht-Reaktoren 1 und 1a münden jeweils
Hohlleiter 5 mit zugehörigen,
nicht dargestellten Mikrowellen-Quellen, um nach dem bereits beschriebenen
Prinzip Mikrowellen in die Reaktoren 1 und 1a einzuspeisen.
In allen Kammern befinden sich stationäre Wirbelbetten, denen man
Fluidisierungsgas durch für
jede Kammer getrennte Gaszufuhrleitungen 4a bis 4g zuführt. Die
Abgase treten durch entsprechende Leitungen 9a bis 9d aus.
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In der Kühlkammer 34 befindet
sich im Wirbelbett eine Kühleinrichtung 35 zum
indirekten Wärmeaustausch,
deren Kühlfluid,
z.B. Kühlwasser,
in der Kühleinrichtung 35 erwärmt und
dann durch die Leitung 36 zum Wärmeaustauscher 37 in
der Vorwärmkammer 31 geführt wird.
Dort gibt das Kühlfluid
einen Teil seiner Wärme an
die Feststoffe im dortigem Wirbelbett ab, wodurch eine sehr ökonomische
Wärmeausnutzung
erreicht wird.
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In 6 ist
als Variante einer weiteren erfindungsgemäßen Anlage ein Wirbelrinnenreaktor 38 gezeigt, in
dem die Wirbelschicht in einem rinnenartigen Boden 39 mit
Durchtrittsöffnungen
für ein
Fluidisierungsgas ausgebildet wird. Der Wirbelrinnenreaktor 38 ist
in vier, durch einstellbare Zwischenwände 40 getrennte Zonen 41a bis 41d eingeteilt,
wobei die erste Zone 41a eine Vorwärmzone, die zweite Zone 41b eine
Oxidationszone, die dritte Zone 41c eine Reduktionszone
und die vierte Zone 41d eine Kühlzone bilden. Jeder der Zonen 41a bis 41d ist
ein Abscheider 42, bspw. ein Zyklon, nachgeschaltet, der
die mit dem Fluidisierungsgas ausgetragenen Feststoffe von dem Gasstrom
trennt und der jeweiligen Zone 41a bis 41d wieder
rückführt. Die
Abgase aus den Abscheidern 42 werden im Sinne einer hohen
Energieausnutzung mit einer geeigneten Gasrückführung anderen Zonen 41a bis 41d zugeleitet.
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Über
eine Eintragsleitung 43 werden die zu behandelnden Feststoffe
der ersten Zone 41a des Reaktors 38 zugeführt. Als
Fluidisierungsgas wird der ersten Zone 41a heißes Abgas
aus einer ersten Brennkammer 44 zugeführt, um das eingebrachte Material
zu trocknen und vorzuwärmen.
Die entsprechend vorgewärmten
Feststoffe gelangen durch die Zwischenwand 40 in die Oxidationszone 41b,
in die ebenfalls heißes
Abgas aus einer zweiten Brennkammer 45 zugeführt wird.
An beide Brennkammern 44, 45 sind Zuführungen
für Brennstoff
und Luft sowie ggf. vorgewärmtes
Abgas aus anderen Prozesszonen 41a bis 41d angeschlossen. Aus
der Oxidationszone 41b werden die Feststoffe der Reduktionszone 41c zugeführt. Das
Abgas aus der Oxidationszone 41b kann zum Schutz des nachgeschalteten
Kompressors über
einen Kühler 47 ebenfalls
in die Reduktionszone 41c geleitet werden. Ggf. wird das
Abgas in einem Aufheizen 49 nochmals erhitzt.
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Um das zu behandelnde Wirbelgut in
den gewünschten
Energiezustand zu bringen, werden zusätzlich Mikrowellenstrahlen
durch von Spülgas
durchströmte
Hohlleiter 46 in die Oxidationszone 41b und die
Reduktionszone 41c eingestrahlt. Durch die Mikrowellenstrahlung
werden die Feststoffe durch eine innere Anregung erhitzt, so dass
der Energiezustand einfach eingestellt werden kann. In der letzten
Zone 41d wird das behandelte Gut mit eingeströmter Luft
gekühlt
und durch die Austragsleitung 48 als Produkt ausgetragen.
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Um die Einspeisung von Mikrowellen
in eine stationäre
oder zirkulierende Wirbelschicht 3, 3a effizienter
zu gestalten und dabei die Mikrowellen-Quelle 7 gegen die
entstehenden Gase, Dämpfe
und Stäube
zu schützen,
ist die Mikrowellen-Quelle 7 erfindungsgemäß außerhalb
der stationären
oder zirkulierenden Wirbelschicht 3, 3a und der
Wirbelschicht-Reaktoren 1, 1a, 38 angeordnet.
Die Mikrowellen-Strahlung wird durch mindestens einen offenen Hohlleiter 5, 46 in
den Wirbelschicht-Reaktor 1, 1a, 38 eingespeist,
wobei durch den Hohlleiter 5, 46 zusätzlich zur
Mikrowellenstrahlung ein Gasstrom in den Wirbelschicht- Reaktor 1, 1a, 38 einströmt. Mit
dem Gasstrom wird der Hohlleiter 5, 46 staubfrei
gehalten, was den Wirkungsgrad der Mikrowelleneinspeisung erheblich
erhöht.
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Beispiel 1 (Rösten von
pyrithaltigen Erzen)
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Pyrit wird mit Korngrößen im Bereich
von 80 bis 160 μm
in zwei aufeinanderfolgenden Wirbelbetten 3, 3a behandelt,
die entsprechend der Anlage gemäß 4 ausgeführt sind. Die Bestrahlung erfolgt
in beiden Kammern durch Mikrowellen mit einer Frequenz von 2,45
GHz. Als Strahlungsquelle dienen Magnetrons.
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In den ersten Wirbelschicht-Reaktor 1 werden
182,5 kg/h Pyrit eingefüllt.
Zur Fluidisierung der Wirbelschicht 3 werden 360 Nm3/h Stickstoff verwendet, die durch die Leitung 4a zugeführt werden,
womit sich eine Wirbelschichthöhe
von 20 cm einstellt. Der Massenstrom der festen Reaktionsprodukte
aus dem ersten Wirbelschicht-Reaktor 1 beträgt nach
der Mikrowellenbehandlung 153,5 kg/h. Die erste Kammer wird bei
550 °C und
Magnetroneinstrahlung von 36 kW betrieben.
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Dem zweiten Wirbelbett 3a wird
entölte
Druckluft mit einem Volumenstrom von 120 Nm3/h
durch die Leitung 4c zugeführt. Die zweite Kammer wird
bei 500 °C
und einer Mikrowelleneinstrahlung von 36 kW betrieben. Nach 90 min
stellt sich ein stationärer
Zustand ein; der Massenstrom der festen Reaktionsprodukte beträgt nach
der Mikrowellenbehandlung 140,2 kg/h.
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Als Spülgas wird jeweils das zur Fluidisierung
verwendete Gas benutzt, d.h. in der ersten Kammer Stickstoff und
in der zweiten Kammer entölte
Druckluft, die jeweils einen Volumenstrom von 50 Nm3/h
haben.
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Der Phasenbestand des eingesetzten
Pyrits und der Produkte der ersten und zweiten Prozessstufe werden
röntgendiffraktometrisch
analysiert. Im Pyrit ist nur FeS2 nachweisbar.
Nach der ersten Temperaturbehandlung besteht der Feststoff aus unterstöchiometrischem
FeS und FeS2 etwa gemäß FeSX mit
x = 1,4. Nach der zweiten Stufe können keine schwefelhaltigen
Produkte mehr nachgewiesen werden, der Feststoff besteht praktisch
ausschließlich
aus Hämatit.
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Beispiel 2 (Rösten von
goldhaltigem Erz)
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Im Labormaßstab wird Golderz mit Korngrößen im Bereich
unter 250 μm
in einer zirkulierenden Wirbelschicht behandelt, die entsprechend 2 ausgeführt ist. Die Bestrahlung erfolgt
durch Mikrowellen mit einer Frequenz von 2,45 GHz. Als Strahlungsquelle
dient ein Magnetron. Durch den Hohlleiter 5 werden dem Reaktor 1 zur
Spülung
24 Nm3/h Luft zugeführt.
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Der Phasenbestand des eingesetzten
Materials und der Produkte wird röntgendiffraktometrisch analysiert.
Nach der Behandlung können
weder Restschwefel noch organischer Kohlenstoff im Abbrand nachgewiesen
werden, der Feststoff weist eine hellgraue Färbung auf.
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- 1,
1a
- Wirbelschicht-Reaktor
- 1c
- Zwischenkammer
- 2
- Leitung
- 3,
3a
- Wirbelschicht,
Wirbelbett
- 4
- Gasverteiler
- 4a
bis g
- Leitungen
- 4h
- Verteilkammer
- 4i
- Rost
- 5
- Hohlleiter
- 6
- Leitung
- 7
- Mikrowellen-Quelle
- 8
- Wärmetauscher
- 9
- Leitung,
Gasabzugsleitung
- 10
- Austragsleitung
- 11
- Leitung
- 12
- Feststoff-Abscheider
- 13
- Rückführleitung
- 14
- Austragsleitung
- 15
- Abzugsleitung
- 16
- Abhitzekessel
- 17
- Entstaubung
- 19
- Wehr,
Trennwand
- 20
- Öffnung
- 21
- Wehr,
Trennwand
- 31
- Vorkammer
- 32
- Zwischenkammer
- 33
- Zwischenkammer
- 34
- Kühlkammer
- 35
- Kühleinrichtung
- 36
- Leitung
- 37
- Wärmetauscher
- 38
- Wirbelrinnenreaktor
- 39
- Boden
- 40
- Zwischenwände
- 41a
bis d
- Zonen
- 42
- Abscheider
- 43
- Eintragsleitung
- 44
- Brennkammer
- 45
- Brennkammer
- 46
- Hohlleiter
- 47
- Kühler
- 48
- Austragsleitung
- 49
- Aufheizer