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Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von Synthesegasen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung von Synthesegasen auf
rein thermischem Wege durch Erhitzen eines aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas
und Wasserdampf bestehenden Gas-Dampf-Gemisches in Reaktionsräumen, die mit einem
Gitterwerk ausgefüllt sind, welches hoch erhitzt ist.
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Es ist bekannt, kohlenwasserstoffhaltige Gase, nach Zusatz. von Wasserdampf
und/oder Sauerstoff und/ oder Luft, durch Erhitzen in Räumen, die mit einem Gitterwerk
ausgesetzt sind, welches hoch erhitzt ist, umzuwandeln. Dieses Verfahren weist aber
den Nachteil auf, daß nicht alle Kohlenwasserstoffe beim Durchgang der Gase durch
den Reaktionsraum umgewandelt werden. Es sind immer noch größere Mengen an Kohlenwasserstoffen
in dem Endgas vorhanden.
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Weiter kühlt sich beim Einleiten des nur mäßig erwärmten, umzuwandelnden
Gasgemisches in den Reaktionsraum das Gitterwerk an der Gaseinführungsseite leicht
bis auf eine Temperatur ab, bei welcher die Kohlenwasserstoffe festen Kohlenstoff
in Form von Ruß abscheiden, welcher den Reaktionsraum und das Endgas verunreinigt.
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Um diesen Nachteil zu beheben, hat man den für die Umsetzung nötigen
Wasserdampf, vor seiner Vermischung mit dem kohlenwasserstoffhaltigen Gas, so hoch
erhitzt, daß beim Vermischen von Wasserdampf und kohlenwasserstoffhaltigem Gas das
entstehende Gasgemisch eine Temperatur erreicht, bei der keine Rußbildung mehr eintritt
und dieses so erhitzte Gasgemisch in den Reaktionsraum eingeführt.
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Durch eine solche Maßnahme ist es möglich, die Rußabscheidung im Reaktionsraum
auf ein nicht mehr nennenswertes Maß zu vermindern. Jedoch ist eine zusätzliche
Wärmequelle zur Erhitzung des Wasserdampfes erforderlich.
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Um eine vollständige Umsetzung der Kohlenwasserstoffe zu erreichen,
ist es bekannt, während der Umwandlung neben der endothermen Reaktion der Kohlenwasserstoffe
mit dem Wasserdampf noch eine exotherme Reaktion ablaufen zu lassen. Diese exotherme
Reaktion kann unter anderem so durchgeführt werden, daß man einen Teil der umzusetzenden
Kohlenwasserstoffe gemeinsam mit Sauerstoff in den Reaktionsraum einführt. An Stelle
dieser Kohlenwasserstoffe kann zur Durchführung der exothermen Reaktion auch ein
kohlenwasserstofffreies Brenngas, z. B. ein Teil des erzeugten Nutzgases, gemeinsam
mit Sauerstoff in den Reaktionsraum eingebrannt werden.
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Die Erfindung ermöglicht es nun, rein thermisch ohne Anwendung von
Katalysatoren kohlenwasserstoffhaltige Gase durch Erhitzen eines aus dem umzuwandelnden
Gas und Wasserdampf bestehenden Gas-Dampf-Gemisches in Reaktionsräumen, die mit
einem Gitterwerk ausgefüllt sind, welches hoch erhitzt ist, in Gase umzuwandeln,
die praktisch keine Kohlenwasserstoffe mehr enthalten.
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Nach der Erfindung wird ein Teil des im Reaktionsraum entstandenen
heißen Gasgemisches (im folgenden Spaltgas genannt) im Kreislauf in den Reaktionsraum
zurückgeführt.
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Durch die Rückführung eines Teiles des heißen Spaltgases wird der
Kohlenwasserstoffpartialdruck im Reaktionsraum bei der Gasumwandlung herabgesetzt,
der Wasserstoffpartialdruck dagegen erhöht. Die in dem umzuwandelnden Gas enthaltenen
Kohlenwasserstoffe setzen sich dadurch praktisch restlos mit dem Wasserdampf um.
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Durch die Rückführung eines Teiles des heißen Spaltgases wird aber
weiter die Gaseintrittsseite des Reaktionsraumes auf einer Temperatur gehalten,
bei der kein Ruß aus den Kohlenwasserstoffen sich abscheidet. Eine Verrußung des
Reaktionsraumes wird so vermieden, und im Endgas ist praktisch kein fester Kohlenstoff
vorhanden.
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`'ach der Erfindung kann z. B. aus kohlenwasserstoffhaltigen Gasen,
denen Wasserdampf zugesetzt wurde, ein Synthesegas erzeugt werden, das praktisch
keine Kohlenwasserstoffe enthält (Kohlenwasserstoffanteil unter 1%) und im wesentlichen
frei von festen Kohlenstoffteilchen ist, welches sich daher insbesondere für die
Ammoniaksynthese eignet.
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Die Menge des zurückzuführenden Teiles des im Reaktionsraum gebildeten
heißen Spaltgases richtet sich nach der Temperatur und der Menge des in den Reaktionsraum
einzuführenden, umzuwandelnden Gas-Dampf-Gemisches und wird so bemessen, daß an
der
Gaseintrittsseite des Reaktionsraumes ständig eine Temperatur aufrechterhalten bleibt,
bei der keine Rußbildung mehr stattfindet, zweckmäßig über 700° C, da bei dieser
Temperatur bereits die Wassergasbildung im Reaktionsraum beginnt.
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Um an der Gaseintrittsseite des Reaktionsraumes eine gleichmäßige
Temperatur über das ganze Gitterwerk zu erhalten, ist es zweckmäßig, den zurückzuführenden
Anteil des heißen Spaltgases in mehreren Teilströmen über den Umfang des Gaseintrittsendes
des Reaktionsraumes verteilt in diesen zurückzuführen.
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Bei den durchgeführten Versuchen wurde es weiter als zweckmäßig ermittelt,
das heiße Spaltgas unter Druck in den Reaktionsraum zurückzuführen, da dann der
ganze Reaktionsraum gleichmäßig beaufschlagt wird und die Umwandlung der Gase nicht
unter Fehlströmungen im Gitterwerk leidet.
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Wird der zurückzuführende Teil des heißen Spaltgases dem Gas-Dampf-Gemisch
vor dessen Einführung in den Reaktionsraum zugesetzt, bewirkt das heiße Spaltgas
eine plötzliche und gleichmäßige Erhitzung des umzuwandelnden Gas-Dampf-Gemisches
auf Temperaturen, bei denen keine Rußbildung mehr eintritt, da der Temperaturbereich,
in dem sich Ruß bilden kann, schneller durchlaufen wird als die Kohlenwasserstoffe
zerfallen.
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Eine besonders vorteilhafte Einführungsart des heißen Spaltgases liegt
erfindungsgemäß darin, daß für die Einführung des heißen Spaltgases ein Treibdüsensatz
angewandt wird, bei dem das unter Druck zugeführte Gas-Dampf-Gemisch das heiße Spaltgas
durch Ejektorwirkung ansaugt, dann das Gas-Dampf-Spaltgas-Gemisch weitertreibt und
in den Reaktionsraum drückt.
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Die Treibdüse wird zweckmäßig aus hitzebeständigem Baustoff, z. B.
feuerfester Masse, gefertigt. Wird sie aus Metall, z. B. Eisen, hergestellt, so
muß ihre Wandung gekühlt werden. Ebenso wird man die Kanäle und Leitungen zweckmäßig
aus solchen feuerfesten Stoffen bauen, wobei auf Eisenfreiheit der Baustoffe geachtet
werden muß.
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1)er nach Abzug eines Teilstromes heißen Spaltgases zur Einführung
in den Reaktionsraum noch verbleibende Reststrom heißen Spaltgases wird durch einen
Regenerator als Wärmeaustauscher geführt, in dem während der Aufheizphase die Verbrennungsstoffe
für das Aufheizen des Reaktionsraumes, Heizgas und die Verbrennungsluft hierzu,
erhitzt werden. Man kann auch z. B. nur die Luft erhitzen und das Heizgas, kalt
oder anderweitig vorgewärmt, mit der heißen Luft verbrennen. Auf diese Weise wird
die fühlbare Wärme des heißen Spaltgases dem Reaktionsvorgang wieder zugeführt.
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Da der Reaktionsraum bzw. das Gitterwerk auf eine hohe Temperatur
(über 1000° C im Mittel) aufgeheizt werden muß, wenn der Wärmeverbrauch für den
Umwandlungsvorgang die Temperatur des Reaktionsraumes bzw. des Gitterwerkes so weit
erniedrigt hat, daß die Mindesttemperatur für eine durchgängige Umwandlung des Gases
erreicht ist (nicht weniger als etwa 900'' C im Mittel), so besitzen die
Aufheizgase, die Verbrennungsgase von Heizgas und Luft sind, beim Verlassen des
Reaktionsraumes noch hohe Temperaturen. Diese Abgase werden deshalb in einen vor
der Gaseinführungsseite des Reaktionsraumes angeordneten Wärmeaustauscher, zweckmäßig
Regenerator, geleitet, wo sie Wärme abgeben. In diesem Wärmeaustauscher kann dann
nach wieder erfolgter Aufnahme der Gasumwandlung ein ganz oder teilweise abgekühlter
Spaltgasstrom eingeführt werden, der nach Durchlauf als heißes Spaltgas zusätzlich
in den Reaktionsraum eingeführt werden kann. Auf diese Weise wird dem Reaktionsraum
weiter Wärme zugeführt und die Wirkungsdauer des erhitzten Gitterwerkes verlängert.
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Zwecks Vermeidung zu hoher und zu geringer Temperaturen an den Enden
des Gitterwerkes im Reaktionsraum wird ein Teilstrom des den Reaktionsraum verlassenden
Aufheizgases der Verbrennungsluft zugesetzt, die zusammen mit dem Heizgas nach dessen
erfolgter Verbrennung die Aufheizgase ergeben. Die noch sehr heißen Aufheizgase
vergrößern die Aufheizgasmenge, wodurch eine gute Temperaturverteilung im Reaktionsraum
von der Gasaustrittszur Gaseintrittsseite erreicht wird.
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Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich in einer ebenfalls gefundenen
Einrichtung zweckmäßig durchführen. Sie besteht im wesentlichen aus einem mit einem
Gitterwerk aus feuerfesten Steinen bestellten Reaktionsraum, vor dessen Gaseinführungsseite
ein Wärmeaustauscher für Erhitzung von kaltem Spaltgas angeordnet ist, wobei der
Reaktionsraum mit einem vön seiner Gasaustrittsseite ausgehenden Kanal mit einem
Wärmeaustauscher für die Erhitzung der Verbrennungsstoffe der Aufheizgase für den
Reaktionsraum verbunden ist, dessen kühleres Ende wieder durch eine absperrbare
Leitung mit der Gaseinführungsseite des Reaktionsraumes in Verbindung steht.
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Nahe der Gasaustrittsseite des Reaktionsraumes sind eine oder mehrere
Austrittsöffnungen für heißes Spaltgas angeordnet. An diese Öffnungen schließen
sich ein bzw. mehrere Kanäle an, die zur Gaseintrittsseite des Reaktionsraumes führen.
In den Kanälen sind zweckmäßig Treibdüsen eingebaut, durch welche mittels des unter
Druck zugeführten Gas-Dampf-Gemisches heißes Spaltgas auf dem Reaktionsraum angesaugt,
mit dem Gas-Dampf-Gemisch in einer Mischdüse vermengt und das Gas-Dampf-Spaltgas-Gemisch
im Kanal weiter getrieben und schließlich in den Reaktionsraum gedrückt wird. Die
Kanäle und Treibdüsen sind zweckmäßig aus hitzebeständigen Baustoffen, z. B. feuerfesten
Massen, hergestellt. Bei Anwendung von Metallen ist eine Kühlung erforderlich.
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In dem Verbindungskanal der Gasaustrittsseite des Reaktionsraumes
mit dem Wärmeaustauscher für die Verbrennungsstoffe der Aufheizgase sind die Heizgaseinlässe
angeordnet. Das Heizgas mündet in den Luftstrom, der vom Wärmeaustauscher für die
Erhitzung der Verbrennungsstoffe zum Reaktionsraum fließt.
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Dem Wärmeaustauscher für die Verbrennungsstoffe ist ein weiterer Wärmeaustauscher
nachgeschaltet, in dem die Reste der fühlbaren Wärme des Spaltgases für die Erhitzung
eines beim Verfahren verwendeten Stoffes, z. B. Dampf, oder für die Dampferzeugung
selbst ausgenutzt wird.
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Infolge der während des Umwandlungsvorganges im Reaktionsraum erfolgenden
Wärmezubringung durch heißes und gegebenenfalls noch erhitztes Spaltgas wird der
Wärmeverbrauch aus dem Gitterwerk verzögert, und es wird dadurch die Reaktionsperiode
gegenüber der Aufheizperiode verlängert, so daß eine verhältnismäßig längere Reaktionsperiode
mit einer kürzeren Aufheizperiode abwechselt. Die Anordnung des Wärmeaustauschers
für die Erhitzung von Spaltgas unter Ausnutzung der Abhitze der Aufheizgase für
den Reaktionsraum unmittelbar vor der Gaseintrittsseite
des Reaktionsraumes
läßt das erhitzte Spaltgas ohne Wärmeverlust in den Reaktionsraum strömen.
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Nachfolgend wird an Hand der Zeichnung, die eine schematische Darstellung
der Einrichtung nach der Erfindung wiedergibt, der Gang des Verfahrens nach der
Erfindung erläutert.
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Aus der Hauptgasleitung 1 kommt das zur Umwandlung bestimmte, kohlenwasserstoffhaltige
Gas, z. B. ein bei der Entgasung von Kohlen gewonnenes Gas, wie z. B. Koksofengas,
in die Zweigleitung 2. In diese mündet die von der Hauptdampf leitung 3 abgezweigte
Dampfleitung 4. Gas und Dampf werden hier vermischt. Das Gemisch wird dann im Wärmeaustauscher
5 durch den Rest der fühlbaren Wärme des durch die Leitung 6 zum Wärmeaustauscher
5 geführten Spaltgases erhitzt. Das erhitzte, unter Druck gehaltene Gas-Dampf-Gemisch
strömt durch die Leitung 7 zur Einströmdüse B. Es stößt durch diese in die Mischdüse
9, saugt dabei aus dem Kanal 10 heißes aus dem Reaktionsraum 11 kommendes Spaltgas
an und vermischt sich mit diesem. Das nun vorhandene Gas-Dampf-Spaltgas-Gemisch
strömt durch den Kanal 12 in den Ringkanal 13, der unterhalb des Reaktionsraumes
11 in dessen Tragmauerwerk 14 angeordnet ist. Aus dem Ringkanal 13 tritt das Gas
durch die Austrittsöffnungen 15 in den Vorraum 16 des Reaktionsraumes 11. Infolge
der Druckeinströmung verteilt sich das Gas-Dampf-Spaltgas-Gemisch auf den ganzen
Raum 16 und tritt auf der ganzen Ouerschnittsfläche gleichmäßig verteilt in das
Gitterwerk 17, das den Reaktionsraum 11 ausfüllt.
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Das Gitterwerk 17 wurde vorher auf eine im Mittel über 1000° C betragende
Temperatur erhitzt. Zweckmäßig ist eine Spitzenerhitzung bis 1400° C. Beim Durchzug
des kohlenwasserstoffhaltigen Gases werden die Kohlenwasserstoffe gespalten und
mit den Spaltprodukten des Wasserdampfes zu neuen Gasen umgewandelt. Diese Vorgänge
sind allgemein bekannt.
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Nach Austritt des im Gitterwerk 17 entstandenen Spaltgases zieht dieses
durch den Kanal 18 ab. Nahe dem Austritt des Spaltgases aus dem Reaktionsraum
11 ist ein Spaltgasauslaß 19 angeordnet, an den sich der Kanal 10 anschließt,
durch den das mittels der Treibdüse 8 angesaugte heiße Spaltgas zur Mischdüse 9
gebracht wird. Der Druck des durch die Düse 8 einströmenden Gas-Dampf-Gemisches
muß so stark sein, daß eine gute und dauernde Ansaugung des heißen Spaltgases in
einer Menge erfolgt, die eine Temperaturerhöhung des Gas-Dampf-Spaltgas-Gemisches
auf mindestens 700° C im Vorraum 16 ergibt. Im Kanal 12, der zweckmäßig mit einem
besonders geeigneten, die Rußbildung verhindernden Material, z. B. besonders eisenarme
Schamotte, ausgebildet wird, sind Regelungsvorrichtungen 20 zur Regelung der Mengen
und Druckverhältnisse des dort strömenden Gasgemisches angeordnet, die zweckmäßig
gleichzeitig für die Absperrung des Kanals 12 dienen. Der nicht abgesaugte Teil
des heißen Spaltgases strömt durch den Kanal 18 in einen Wärmeaustauscher 21. Die
hier abgegebene fühlbare Wärme des Spaltgases dient zur Vorwärmung der Verbrennungsluft
für die Rufheizung des Reaktionsraumes 11. Aus dem Wärmeaustauscher 21 wird das
Spaltgas durch den Wärmeaustauscher 22 geführt, wo es weitere fühlbare Wärme zur
Vorwärmung der Verbrennungsluft für die Rufheizung des Reaktionsraumes 11 abgibt.
Der Wärmeaustauscher 22 ist zweckmäßigerweise aus einem bei niedrigeren Temperaturen
gut leitfähigen Baustoff zu bauen. Das nun schon stark abgekühlte Spaltgas strömt
schließlich noch durch die Leitungen 23 und 6 in den Vorwärmer 5 und nach dem Durchfluß
durch die Leitung 24 über einen Gassauger bzw. Gasgebläse 25, durch die Leitungen
26 und 27 zum Gasspeicher. Von der Leitung 26 zweigt die Leitung 28 ab, welche einen
Teil des abgekühlten Spaltgases über den im Tragmauerwerk 14 des Reaktionsraumes
11 angeordneten Ringkanal 29 in das Regeneratorgitterwerk 30 bringen kann.
Nach Durchströmen dieses Gitterwerkes gelangt das Spaltgas in den Vorraum 16 und
von hier in das Gitterwerk 17 des Reaktionsraumes 11, in dem es zusammen mit dem
aus dem Kanal 12 kommenden Gas-Dampf-Spaltgas-Gemisch eintritt. Das Spaltgas aus
der Leitung 28 soll über den Ringkanal 29 in das Regeneratorgitterwerk durch
eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen eingebracht werden, um eine möglichst gleichmäßige
Beaufschlagung dieses Gitterwerkes zu erreichen.
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Die Umwa,ndlungsvorgänge im Reaktionsraum 11 sind stark wärmeverbrauchend.
Die im Gitterwerk 17 hierfür aufgespeicherte Wärme wird aufgezehrt. Das Gitterwerk
besteht aus weitgehend eisenfreien feuerfesten Steinen. Wenn nun die Temperatur
im Reaktionsraum auf ein Mindestmaß gesunken ist, so wird das Gitterwerk durch Verbrennungsgase
neu aufgeheizt. Zu diesem Zweck wird Luft durch das Gebläse 31 über die Leitung
32 in den Wärmeaustauscher 33 und von hier durch die Leitung 34, Ringkanal 35 in
den weiteren Wärmeaustauscher 22 gebracht. Aus diesem strömt die Luft über den Zwischenraum
36 in den Wärmeaustauscher 21, aus dem sie in den Kanal 18 abfließt. Der
Wärmeaustauscher 33 wird durch die Abgase der Aufheizung des Reaktionsraumes 11
bzw. des Gitterwerkes 17 aufgeheizt, die durch die Leitung 37 in den Wärmeaustauscher
33 strömen. Die Wärmeaustauscher 21 und 22 waren vorher durch die abziehenden heißen
Spaltgase aufgeheizt worden.
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In den Kanal 18 wird bei 38 Heizgas eingeführt, das mit der erhitzten
Verbrennungsluft im Kanal 18
verbrennt. Die Verbrennung erstreckt sich noch
bis in den Reaktionsraum 11 hinein. Die Verbrennur*sgase durchziehen das Gitterwerk
17 .und das Gitterwerk 30 und treten als Abgas durch die Leitung 37 in den Wärmeaustauscher
33. Aus diesem zieht es durch die Leitung 39 in den Schornstein 40.
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Als Heizgas dient das kohlenwasserstoffhaltige Ausgangsgas, das von
der Hauptleitung 1 in die Leitung 41 abgezweigt wird, die zu den Heizgaseinführungsstellen
38 des Kanals 18 führt. Die Rufheizung kann verstärkt werden durch Zusatzverbrennung
von Öl, das aus einem Behälter 42 in den Kanal 18 bei 43 einstäubt. 44 ist eine
Luftdüse, durch welche während der Aufheizphase zwecks Regelung des Luftanteiles
in den Verbrennungsgasen bzw. während der Gasumwandlungsphase zur Regelung des Stickstoffanteiles
des Synthesegases Luft eingeführt wird, die durch das Gebläse 45 über die Leitung
46 kommt.
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Der Ringkanal 13 ist mit dem Ringkanal 47 durch die Leitung
48 verbunden, die durch Regelorgane 49 im Ouerschnitt regelbar und abstellbar ist.
Ein Teil der das Gitterwerk 17 verlassenden Aufheizgase kann über den Zwischenraum
16 durch die Auslasse 15 über den Ringkanal 13, durch die Leitung 48 nach dem Ringkanal
47 und von hier durch die Einlässe 50, den Zwischenraum 36 in den Regenerator 21
geführt werden, zur Zeit, wenn die Verbrennungsluft diesen Wärmeaustauscher 21 zwecks
ihrer Erhitzung durchzieht. Die Abgase vermischen sich mit der Verbrennungsluft
und
bewirken eine Volumenvergrößerung, wodurch eine gleichmäßige Aufheizung des Gitterwerkes
17 erzielt wird. Die Ansaugung des Aufheizgases aus dem Zwischenraum 16 und die
Einführung in den Ringkanal 47 wird durch eine mittels Dampf betriebene Treibdüse
52 bewirkt, durch die Dampf der Mischdüse 51 zuströmt, der durch die Dampfzweigleitung
53 von der Hauptdampfzuführung 3 abgezweigt wird.