DE1526060A1 - Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Behandlung von teilweise brennbaren Materialien - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Behandlung von teilweise brennbaren Materialien

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DE1526060A1 DE1966C0039382 DEC0039382A DE1526060A1 DE 1526060 A1 DE1526060 A1 DE 1526060A1 DE 1966C0039382 DE1966C0039382 DE 1966C0039382 DE C0039382 A DEC0039382 A DE C0039382A DE 1526060 A1 DE1526060 A1 DE 1526060A1
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Description

DR. MÜLLER-BORi DIPL-IN3. 6RALFS 1526060
DIPL.-PHYS. DR. MANITZ DIPL-CHEM. DR. DEUFEL
PATENTANWÄLTE
P 15 26 060.3-13 14. August 1969
V/Pa - C 722
CHARBONNAGES DE FRANCE
9, avenue Percier, Paris 8, Frankreich
Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Behandlung von teilweise brennbaren Materialien
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung von teilweise brennbaren Materialien in Form eines flüssigen oder breiigen Schlamms, welcher durch Schwerkraft und im verteilten Zustand in eine Wirbelschicht aus inertem Material mit gröberer Körnung als die der brennbaren, zu behandelnden Materialien eingeführt und auf einer Temperatur gehalten wird,, die ausreichend ist, um das Verbrennen wenigstens eines Teils der brennbaren Stoffe zu gewährleisten, bei dem ein oxidierendes Gas, beispielsweise Luft, von unten durch die Wirbelschicht geleitet und die Temperatur der Wirbelschicht durch ein in sie eingeführtes zusätzliches Mittel beeinflußt wird, und bei dem sich über der Wirbelschicht eine Zone mit gleichbleibender Temperatur befindet, aus der die Verbrennungsgase abgezogen werden.
Um sehr feine Feststoffe einer thermisohen Behandlung zu unterziehen, werden diese Stoffe bekanntlich in einer Hilfswirbelschicht behandelt.
Verfahren zur Behandlung feiner, mehr oder weniger brennbarer
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Stoffe, die in der Form von Schlämmen oder Breien auftreten, in einer Hilfswirbelschicht sind bereits beschrieben worden.
Im Prinzip bestehen diese Verfahren darin, das zu behandelnde Gut in eine Wirbelschicht aus einem Material mit gröberem Korn einzuführen, als es der zu behandelnde feine Peststoff aufweist.
Diese Hilfswirbelschicht hat mehrere Aufgaben: Sie wirkt gleichzeitig thermisch als Wärmespeicher, mechanisch als Verteiler und physikalisch als Filter.'..
Wenn man mittels dieses Verfahrens die Verbrennung eines feinen Brennstoffes durchführt und versucht, wie es bei ,jedem Verbrennungsverfahren üblich ist, den Verbrennungsluftüberschuß herabzusetzen, stellt man fest, daß sich ein Teil der Verbrennung oberhalb des Wirbelbetts vollzieht, was dazu Veranlassung gibt, besondere geeignete Vorrichtungen auszuwählen, um sich dieser Lage anzupassen.
Allgemein stellte man fest, daß alle Maßnahmen, die man zur Regelung der Zufuhr des zu behandlelnden Guts, der Zufuhr an Zusatzbrennstoff, der Zufuhr an Säuerstoffträger, der Zufuhr an Kühlmittel und der Zufuhr an Wirbelmittel anwenden kann, im Hinblick auf die Ergebnisse, die man im Laufe einer solchen Behandlung erzielen kann, nicht gleichwertig sind.
Alle bekannten Verfahren haben den Nachteil, den Durchsatz des Wirbelmittels zu verändern, was für den ordnungsgemäßen Betrieb der Anlage nachteilig sein kann.
Alle bekannten Regelarten wirken gleichzeitig auf den Durchsatz des Wirbelmittels, auf den Durchsatz der eingeführten
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Schlämme und auf den Durchsatz des Zusatzbrennstoffs, wenn dieser letztere erforderlich ist. Diese Regelarten sind sehr
verwickelt und passen sich den sehr verschiedenartigen Eigentümlichkeiten der eingeführten Schlämme schlecht an.
Die Erfindung hat ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ziel, die gleichzeitig eine Verbrennung mit einem geringen luftüberschuß, also eine wirtschaftliche Verbrennung, eine leichte Regelung und einen stabilen Betrieb unabhängig von den unterschiedlichen Eigentümlichkeiten des thermisch zu behandelnden Guts ermöglichen.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung eignen sich zur Behandlung eines Schlamms oder eines teilweise brennbaren Stoffes, der vorher in die form eines mehr oder weniger flüssigen oder breiigen Schlamms überführt wurde, durch Verbrennung.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß die Temperatur der über der Wirbelschicht befindlichen Zone dadurch auf einen konstanten Wert geregelt wird, der wenigstens gleich der Temperatur der Wirbelschicht, jedoch geringer als die Sintertemperatur der gebildeten Aschenteilchen ist, daß bei konstanter Zufuhr des oxydierenden Gases die pro Zeiteinheit zugeführte Schlammenge geregelt wird und daß die Temperatur in der Wirbelschicht dadurch auf einen konstanten Wert geregelt wird, daß unmittelbar unter der Wirbelschicht und über deren ganzen Querschnitt ein Brennstoff oder ein Kühlmittel eingeführt wird.
Weitere Merkmale der Erfindung sind:
Die Temperatur der Wirbelschicht wird auf 800° C gehalten. Die Temperatur der Zone oberhalb der Wirbelschicht wird auf 900° C gehalten.
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Bei dem Medium, das sich vom Wirbelmittel unterscheidet, und das unmittelbar unter der Wirbelschicht eingeführt wird, handelt es sich um einen Brennstoff·
Bei dem Medium, das sich vom Wirbelmittel unterscheidet und das unmittelbar unter der Wirbelschicht eingeführt wird, handelt es sich um eine verdampfungsfähige, nicht oxydierende Flüssigkeit.
Das zu behandelnde Gut wird nach Dispersion in den oberen Teil der über der Wirbelschicht aus inerten Teilchen liegenden Zone eingeführt.
Die Erfindung betrifft auch die Vorrichtungen, die das oben beschriebene Verfahren ausführen.
Im allgemeinen umfassen diese Vorrichtungen:
Mittel zum Einführen einer konstanten Menge des Wirbelmittels, im allgemeinen Luft, unterhalb der Wirbelschicht, Mittel zum Einführen und gleichzeitigen Verteilen der zu be-, handelnden Stoffe,
Mittel zum Einbringen entweder eines Brennstoffs oder eines gasförmigen oder verdampfungsfähigen, nicht oxydierenden Mediums über den ganzen Querschnitt der Wirbelkammer und unmittelbar unter der Wirbelschicht und
Mittel zur Regelung des Durchsatzes der zu behandelnden Stoffe in Abhängigkeit von der Temperatur der über der Wirbelschicht liegenden Zone.
Weitere Merkmale sind:
Die Mittel zum Einführen und zum gleichzeitigen Verteilen der zu behandelnden Stoffe bestehen aus einer Förderschnecke, die im Inneren eines Drehkäfigs endet, der im oberen Teil der über der Wirbelschicht liegenden Zone angeordnet ist.
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Der Rost zur Verteilung des Wirbelmittels besteht aus einer dicken, hitzebeständigen Platte, die Löcher aufweist, die die Form von umgekehrten Kegel- oder Pyramidenstumpfen haben, die gegebenenfalls in ihrem unteren Teil durch einen zylindrischen Teil verlängert sind, wobei die Eingabe des Zusatzbrennstoffs oder des verdampfungsfähigen Mediums entweder im zylindrischen Teil oder im unteren Teil der Kegel- oder Zylinderstumpfe aller oder eines Teils der Löcher erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; diese zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung, in der das Brennen feiner, brennbarer Stoffe erfolgt, die in einem Schlamm, einer Flüssigkeit oder einem Brei enthalten sind.
Die Vorrichtung umfaßt einen Wirbelreaktor 1, der üblicherweise aufwei st;
- eine Wirbelzone 2, die mit einem Windkasten 3 durch einen Rost 4 in Verbindung steht, der das Wirbelmittel verteilt}
- eine Sicherheits- bzw. Reservezone 5 (zone de revanche), die in ihrem oberen Teil mit einer Abzugsleitung 6 versehen ist.
In der Wirbelzone führt man einen inerten Hilfsstoff ein, der eine gröbere Körnung als der zu brennende, brennbare Feststoff aufweist.
Der Hilfsfeststoff kann entweder auf einmal oder diskontinuierlich durch die Leitung 7> oder kontinuierlich mit einer seitlichen Abführung bei 8 eingeführt werden.
Der zu behandelnde Feststoff der, wie bereits erwähnt, als Suspension in einer flüssigkeit oder in der Form eines Schlammes
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oder Breies vorliegen kann, ist in einem Beschickungstrichter gespeichert und wird beispielsweise mittels einer Schnecke 10, die an der obersten Stelle der Reserveζone 5 mündet, in den Wirbelreaktor eingeführt.
Nach einem erfindungsgemäßen Merkmal wird das in der Reservezone eingeführte Gut durch eine Art drehenden Käfig 11 verteilt, der so angeordnet ist, daß der gesamte Feststoff durch diesen Käfig läuft, bevor er in die eigentliche Reservezone gelangt, und fein verteilt wird.
Das verteilte Gut wird dann in die Wirbelschicht 12 des groben Hilfsfeststoffes eingeführt, die auf einer Temperatur T gehalten wird, die ausreichend ist, um die Verbrennung des feinen Feststoffes zu gewährleisten.
Die Wirbelung dieser Schicht wird gewährleistet durch ein Wirbelmittel, das aus kalter oder vorgewärmter, gegebenenfalls mit Sauerstoff angereicherter oder mit Verbrennungsgasen vermischter Luft besteht.
Die gesamte, zur Verbrennung des brennbaren, feinen Feststoffes erforderliche Luft wird unter dem Rost eingeblasen.
Ihr Durchsatz wird konstant gehalten, wodurch gewährleistet wird, daß die gewählten Wirbelbedingungen immer aufrechterhalten werden, wenn die Temperatur T der Wirbelschicht selbst konstant gehalten wird.
Sofern man das Gut während der Verbrennung fast konstanten Temperaturbedingungen aussetzen und schwierige Regelungen vermeiden will, ist es bekanntlich bei allen Vorrichtungen zur Verbrennung in einer Hilfswirbelschicht meistens erforderlich, entweder einen Zusatzbrennstoff einzuführen, oder ein Kühlmittel vorzusehen.
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Nach einem bekannten Prinzip besteht dieses sehr wirksame Kühlmittel darin, daß man flüssiges Wasser einfuhrt, welches im Inneren der Vorrichtung verdampft.
Es ist jedoch nicht gleichgültig, an welcher Stelle der Zusatzbrennstoff oder das Wasser eingeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß entweder der Zusatzbrennstoff oder das Wasser über den ganzen Querschnitt der Wirbelzone und unmittelbar unter der Wirbelschicht 12 eingeführt wird. Dieses Verfahren hat die Wirkung, daß eine homo- % gene Verteilung des Brennstoffs oder des verdampften Wassers im Wirbelmittel und über den ganzen Querschnitt der Wirbelschicht ermöglicht wird.
Nach einem erfindungsgemäßen Merkmal ist der Rost 4 in der Form einer dicken, hitzebeständigen Platte ausgeführt, die Löcher 4a aufweist, die die Form von umgekehrten Kegel- oder Pyramidenstumpfen haben und gegebenenfalls in ihrem unteren Teil in einem zylindrischen Teil enden, um das Einströmen des Wirbelmittels zu ermöglichen. Bei 13 führt man den Zusatzbrennstoff und(oder) das Wasser in alle oder einen Teil der Löcher entweder im zylindrischen Teil oder im unteren Teil der Kegel- oder ; Pyramidenstümpfe ein.
Die Auswahl des bei' 13 in den Rost injizierten Mediums geschieht in Abhängigkeit von der Temperatur, die in der Wirbelschicht 12 herrscht, und wird mittels eines Thermoelements 14 überwacht. Wenn diese Temperatur einen vorbestimmten Wert merklich überschreitet, führt man Wasser mittels der Leitung 131 ein, die über einen Schieber 13Ο mit zwei Eingängen mit 13 verbunden ist. Wenn die Temperatur der Wirbelschicht einen vorbestimmten Wert merklich unterschreitet, führt man mittels der Leitung 132, die mit dem zweiten Eingang des Schiebers I30 verbunden ist, einen Brennstoff ein.
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Die Auewahl der Art dee Mediums, das in den Rost 4 eingeführt wird, kann unter der Wirkung des vom Thermoelement abgegebenen elektrischen Signals automatisch oder in Abhängigkeit von den Werten, die auf einem mit dem Thermoelement 14 verbundenen Anzeigegerät angezeigt werden, manuell erfolgen.
Auf diese Weise wird, soweit es den Brennstoff betrifft, dieser beinahe völlig verbrennt, bevor er die Wirbelschicht erreicht. Auf diese Weise vermeidet man die Gefahr, daß die Verbrennung des Brennstoffs über der Wirbelschicht erfolgt, was den ordnungsgemäßen Betrieb der verwendeten Regelung beeinträchtigen würde, die später besprochen wird.
Es ist ersichtlich, daß die Temperaturbedingungen der Wirbelschicht in der Weise aufrechterhalten werden, daß die Verbrennung in ihr stattfinden kann. Es wird daher im allgemeinen erforderlich sein, eine Temperatur T von 750 - 800° C zu überschreiten.
Die Temperatur T* der Reservezone wird auf einem Wert gehalten, der über dem der Wirbelschichttemperatur, jedoch noch unter dem der Sintertemperatur der Asbaen liegt, die die Wirbelschicht verlassen.
Sie wird beispielsweise in der Nähe von 900° C gehalten. Eb hat sich gezeigt, daß diese Temperaturbedingungen (T* > T) einem Betrieb mit einem verhältnismäßig geringen Luftüberschuß entsprechen, was aus offensichtlichen, wirtschaftlichen Gründen äußerst wünschenswert ist.
Die Aufrechterhaltung der Temperatur T* auf dem gewählten Wert wird gewährleistet, indem mehr oder weniger zu behandelnder Stoff in den oberen Teil der Reservezone geführt wird.
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Wenn die Temperatur T1 ansteigt, so deutet das darauf hin, daß nicht der ganze eingeführte, zu behandelnde Stoff im Bett völlig gebrannt wurde und die Verbrennung in der Reservezone weitergeht: In diesem Fall verringert man den Eingangs-Durchsatz des zu behandelnden Stoffes.
Wenn die Temperatur T1 Sinkt, tritt die umgekehrte Erscheinung auf und man vergrößert den Eingangs- Durchsatz des zu behandelnden Feststoffes.
Zu diesem Zweck liefert ein Thermoelement 15 ein elektrisches Signal entsprechend der Temperatur der Reservezone und wirkt über einen Steuerkreis 16 auf den Antriebsmotor 17 der Förderschnecke 10, dessen Geschwindigkeit regelbar ist, so daß sich die Schnecke weniger schnell dreht, wenn Tf einen bestimmten, voreingestellten Schwellenwert überschreitet und umgekehrt.
Selbstverständlich kann man den automatischen Steuerkreis 16 durch ein einfaches Anzeigegerät und/oder ein Temperaturmeldegerät ersetzen, wobei dann die Regelung der Antriebsgeschwindigkeit der Schnecke 10 manuell ausgeführt wird.
Es ist also ersichtlich, daß die angewandte Regelung nur auf einen der Parameter der Anlage einwirkt, was nur eine Erleichterung entweder ihrer manuellen Führung oder ihrer Automatisierung bedeuten kann.
Zusammenfassend sei gesagt, daß das zu behandelnde Gut praktisch völlig im Wirbelbett verbrannt wird, und man auf diese Weise alle Wirbelschichteigenschaften beibehält, insbesondere was die Homogenität der Temperaturen betrifft.
Die angewandte Regelung und die angewandten Anordnungen gewähr-
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leisten ein kontinuierliches und sicheres Arbeiten der Anlage.
Wenn die Menge der eingeblasenen Luft sowie die Temperatur der Wirbelschicht konstant gehalten werden und unter Berücksichtigung der sehr nahe beieinanderliegenden Werte für das Rauehgaserzeugungs- und Sauerstoffträgerverbrauchs-Vermögen ist das Volumen der die Wirbelschicht verlassenden Rauchgase zeitlich konstant, was eine konstante Geschwindigkeit der die Wirbelschicht durchquerenden Gase mit einschließt. Die Wirbelung der Schicht 12 wird daher von den Veränderungen der Eigenschaften der zu behandelnden Stoffe nicht beeinflußt.
Die Anwendung des Verfahrens und der Regelungsmethode nach der Erfindung ermöglicht es, Schlämme mit einem Luftüberschuß von 20 $> (2 bis 3 # Sauerstoff in den trockenen Rauchgasen am Ausgang der Anlage) zu brennen und den in den Schlämmen enthaltenen Brennstoff völlig zu verbrauchen. Diese Regelung konnte sogar bei beträchtlichen Veränderungen der Wärmeleistung (50 $) beibehalten werden, was zur folge hatte, daß man die Eingabe von Zusatzbrennstoff unterbrechen und Kühlwasser einführen mußte. Die Temperaturen T und T1 lagen bei 800° C bzw. 900° G.
Aus der oben gegebenen Beschreibung wird ersichtlich, daß es wenigstens bei bestimmten Materialien (beispielsweise bei Materialien, die in Breiform eingeführt werden und zu deren Behandlung ein Zusatz von äußerem Brennstoff benötigt wird), unbedingt erforderlich ist, alle beschriebenen Vorrichtungen und Regelungen gemeinsam anzuwenden, da die Außerachtlassung einer einzigen von ihnen die übrigen unwirksam machen würde.
Patentansprüche;
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Claims (9)

- 11 -Patentansprüche :
1. Verfahren zur thermischen Behandlung von teilweise brennbaren Materialien in Form eines flüssigen oder breiigen Schlamme, welcher durch Schwerkraft und im verteilten Zustant in eine Wirbelschicht aus inertem Material mit gröberer Körnung als die der brennbaren, zu behandelnden Materialien «ingeführt und auf einer Temperatur gehalten wird, die ausreichend ist, um das Verbrennen wenigstens eines Teils der brennbaren Stoffe zu gewährleisten, bei dem ein oxidierendes Gas, beispielsweise Luft, von unten durch die Wirbelschicht geleitet und die Temperatur-der Wirbelschicht durch •in in sie eingeführtes zusätzliches Mittel beeinflußt wird, und bei dem sich über der Wirbelschicht eine Zone mit gleichbleibender Temperatur befindet, aus der die Verbrennungsgase abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der über der Wirbelschicht (12) befindlichen Zone (5) dadurch auf einen konstanten Wert geregelt wird, der wenigstens gleich der Temperatur der Wirbelschicht (12), jedoch geringer als die Sintertemperatur der gebildeten Aschenteilchen ist, daß bei konstanter Zufuhr des oxydierenden Gases die pro Zeiteinheit zugeführte Sohlammmenge geregelt wird, und daß die Temperatur in der Wirbel-
• schicht dadurch auf einen konstanten Wert geregelt wrd, daß unmittelbar unter der Wirbelschicht und über deren ganzen Querschnitt ein Brennstoff oder ein Kühlmittel eingeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichn β t , daß die Temperatur der Wirbelschicht auf 800° C gehalten wird.
3. Verfahren naech Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperatur der über der Wirbel-
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- 12 -schicht gelegenen Zone auf 900° C gehalten wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das zusätzliche Mittel ein Brennstoff ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1v bis 3» dadurch gekennzeic h<n e t , daß das zusätzliche Mittel eine verdampfungsfähige, nicht oxydierende Flüssigkeit ist.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5 mit einer eine Wirbelschichtzone und eine darüberliegende Zone aufweisenden Kammer, die in ihrem unteren Teil einen unter der Wirbelschicht angeordneten Rost aufweist, unter dem sich ein an eine Leitung für das oxidierende Gas angeschlossener Windkasten befindet, und die Einrichtungen zur Zuführung der zu behandelnden Materialien, des zusätzlichen Mittels sowie des Wirbelschichtmate-
; rials und zur Abführung der Verbrennungsgase aufweist, daj durch gekennzeichnet , daß die Einrichtung
(9, 10, 11, 17) zur Zuführung der zu behandelnden Materialien . in die Zone (5) mündet und ihr Durchsatz durch eine an die * Zone angeschlossene Temperaturmesseinrichtung (15, 15) steuerbar ist, und daß die Einrichtung (13, 130, 131, 132) zur Zuführung des zusätzlichen Mittels unmittelbar unterhalb, der Wirbelschicht (12) in die Kammer mündet und die Zufuhr des zusätzlichen Mittels durch eine an die Wirbelschicht (12) angeschlossene Temperaturmesseinrichtung (14) steuerbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennz eic hn e t , daß die Einrichtung zur Zuführung der zu behandelnden Materialien eine Förderschnecke (10), einen an deren Abgabeende liegenden, in die Zone (5) mündenden horizontal drehbaren Käfig (11) und einen Antriebsmotor (17) für die Förder- • ·
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schnecke aufweist, welcher an die Temperaturmeßeinrichtung (15, 16) der Zone (5) angeschlossen und von dieser steuerbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder ·7» dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Einrichtung«, zur Zuführung des zusätzlichen Mittels ein Dreiwegventil (130) mit zwei Eingängen (131 bzw. 132) und einen an die Kammer angeschlossenen Ausgang (13) aufweist, wobei wahlweise in Abhängigkeit von der Temperaturmeßeinrichtung (14) der Wirbelschicht (12) der eine Eingang (13I) zur Zufuhr einer verdampfungsfähigen, nicht oxidierenden Flüssigkeit oder der andere Eingang (132) zur Zufuhr eines Brennstoffes an den Ausgang (I3) anschließbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Rost (4) aus einer dicken, hitzebeständigen Platte besteht, die Löcher (4A) aufweist, welche die Form eines umgekehrten Kegel- oder Pyramidenstumpfes mit einem unteren zylindrischen Teil haben, und daß die Einrichtung (13, I30, I3I, 132) zur Zuführung des zusätzlichen Mittels in der unteren Hälft· wenigstens einer bestimmten Anzahl der Löcher (4A) mündet.
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