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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die
Erfindung bezieht sich somit auf eine Vorrichtung eines im Unterdruck
arbeitenden autothermen Gleichstrom-Festbettvergasers mit interner Zirkulation
zur Erzeugung eines nahezu teerfreien Holzgases aus Holzhackgut
bzw. holzartige Biomasse zur motorischen Nutzung, das vor allem
durch Optimierung des thermochemischen Prozesses der Gasreduktion
erzeugt wird.
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Das
Ziel ist die kontinuierliche Produktion eines Holzgases mit hoher
Qualität und Quantität durch die Gasreduktion
zu steigern, das schließlich mit geringem Aufwand einer
trockenen Gasbehandlung (Entstaubung und Kühlung) in Verbrennungsmotoren
zur Erzeugung von Strom und Wärme verwertet werden kann.
Eine Alternative ist auch die Verwertung des Holzgases zur Biodieselherstellung,
z. B. nach Fischer Tropsch-Verfahren. Konstruktive Vorrichtungen
zur Gasreduktion sollen die problematischen Teerbildungen verhindern,
um eine aufwendige Pyrolysegaswaschanlage vermeiden zu können. Mit
der bekannten Technik der Heißgasfiltration (trockene Gasreinigung)
soll das Holzgas ohne hohen Aufwand in hochtemperaturbeständigen
Keramikfilterkerzen von Kohlenstaub gereinigt und anschließend
gekühlt im Motor verbrannt werden.
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Mit
der konstruktiven Vorrichtung und dem Verfahren werden wirtschaftliche
Wettbewerbsvorteile erzielt, in dem hohe Investionen und Betriebskosten
aufwendiger Verfahren oder für eine Pyrolysegaswäsche
zur Entfernung der Teere und deren Entsorgung von Pyrolyserückständen
und der Energieverlust des Heizwertes abgeschiedener Kohlenwasserstoffe
im Holzgas sowie zur Überwindung von Druckverlusten im
System vermieden werden kann. Mit diesem Holzgas-Reduktionsverfahren
ist im Vergleich zu anderen Verfahren ein höherer Wirkungsgrad
erreichbar.
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Zur
Erzielung maximaler Gasmenge aus dem Vergaserbrennstoff soll frisches
gasreiches getrocknetes Hackgut aus Biomasse mit einer mittleren Stückgröße
von ca. 30 mm bis 70 mm und einem maximalen Wassergehalt von 20%
zum Einsatz gelangen.
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Aus
der
DE 102 58 640 A ist
ein Verfahren der oben beschriebenen Art bekannt, bei dem ein Vergasungsmittel
in den mittleren Bereich eines Festbettreaktors eingeblasen wird
und in einen ersten und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt wird.
Der oben abgezogene erste Teilstrom wird in einer Oxydationskammer
nachoxydiert und in weiterer Folge dem zweiten Teilstrom zugemischt.
Das so erhaltene Gasgemisch wird in einem Wirbelschichtreaktor nachbehandelt.
Das in dieser Druckschrift beschriebene Verfahren ist apparativ
aufwendig und benötigt neben den Festbettreaktor eine separate
Oxydationskammer und einen Wirbelschichtreaktor. Es ist eine Aufgabe
der Erfindung einen Aufbau zur Vergasung von festen Brennstoffen
anzugeben, das einen hohen Wirkungsgrad aufweist und ein qualitativ hochwertiges
Endprodukt ergibt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung
gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Insbesondere ist eine solche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet,
dass über diese innen liegender vertikaler Seitenkanäle
im Festbettreaktor durch das Absaugen der bei der Vergasung gebildeten
aufsteigenden Schwell- und Pyrolysegase über die Diffusor-Injektoreinblasdüsen
(Injektorförderer) eine interne Zirkulation der Gase bewirkt
wird und diese vermischt mit dem Vergasungsmittel über
den 8-strahligen Düsenkranz in die Oxidationszone eingeblasen
werden.
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Durch
die intensive Verwirbelung des Gasgemisches – ähnlich
einem Ölbrenner – kommt es in der Oxidationszone
zur vollständigen Verbrennung der teerhaltigen Rohgase
bzw. zur Crackung der langkettigen Kohlenwasserstoffketten.
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Unterhalb
der Düsenebene am Ende der flaschenhalsförmigen
Einengung ermöglicht die Vorrichtung eines geräumigen
Wannenrostes die ausreichende Bildung eines kontinuierlichen Holzkohlenglutstockes
als Reduktionszone zur Erzeugung eines nahezu teerfreien Holzgases
durch eine vollständige Gasreduktion, das nurmehr eine
trockene Gasbehandlung erfordert.
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Diese
konstruktive Vorrichtung zur internen Gaszirkulation und die intensive
Diffusor-Injektoreindüsung der Rohgase in die Oxidationszone
unter Ausnützung der Injektorströmungsenergie
zum Fördern, Vermischen und Einblasen sowie die kontinuierliche
Holzkohlengutstockbildung im großräumigen Wannenrost
als Reduktionszone erfüllt weitgehend die Anforderungen
idealer Verhältnisse der katalytischen und thermischen
Gasbildungsprozesse zur Erzeugung eines nahezu teerfreien Produktgases.
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In
diesem Gleichstromvergaser mit interner Zirkulation der Pyrolyse-Schwelgase
werden die erforderlichen Einflussgrößen und Parameter
der physikalischen und chemischen Prozesse nach dem Boudouardischen
Gleichgewicht, dem Wasserstoffgleichgewicht und dem Methangleichgewicht
für eine gute Gasqualität und Quantität
umgesetzt. Diese sind
- – der gleichmäßige,
vollständige Ablauf der Reaktionen;
- – die ausreichende Verweildauer der Gase in den Reaktionszonen;
- – die optimale Temperaturverteilung im Reaktor nach
den Betriebsbedingungen.
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Die
Vorrichtung zur Erzeugung von Holzgas durch Vergasung von Biomasse
aus Holz ist Stand der Technik, jedoch die Erzeugung eines nahezu teerfreien
Holzgases ist bislang nur mit erheblichen technischen Aufwendungen
möglich.
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Als
Grundlage aller Vergaser nach dem Prinzip des absteigenden Gleichstromes
diente der Holzvergaser nach Imbert als Festbettreaktor, wobei diesem
getrocknetes stückiges Holz und das Vergasungsmittel Luft-Sauerstoff über
Luftdüsen unterstöchiometrisch zur Verbrennung
bzw. Oxidation zugeführt wird. Hierbei wird das Holz im
Allgemeinen thermisch in unterschiedliche Bestandteile zersetzt.
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Bei
der Zersetzung des Holzes im Vergasungsprozess ergeben sich im Festbett
verschiedene Temperaturzonen, die nicht voneinander getrennt sind,
sondern zwischen denen ein fließender Übergang
stattfindet.
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Diese
Temperaturzonen, die der Vergaserbrennstoff-Holzhackgut durchläuft
sind im Allgemeinen die Trocknungszone bei Temperaturen bis 200°C,
die Pyrolysezone (Zersetzung, Entgasung) bei Temperaturen zwischen
200°C–700°C, die Oxidationszone bzw.
Verbrennungszone bei Temperaturen bis 1.300°C sowie die
Reduktionszone bei Temperaturen zwischen 500°C–600°C.
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Um
die Energie verbrauchenden Zonen der Trocknung, der Pyrolyse und
der Reduktion in Gang (endotherme Prozesse) halten zu können,
ist im Bereich der Verbrennung (Oxidation) zur thermischen Energiegewinnung
der Einsatz eines geeigneten Vergaserbrennstoffes aus Holzhackgut
(Stückigkeit, Heizwert) und eine ausgereifte Vorrichtung
zur Produktion bereits brennbarer Gasbestandteile (CO, H2) als auch nicht brennbarer gasförmiger
Zwischenprodukte (CO2, H2O)
erforderlich (exothermer Prozess).
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Im
Zuge der Verbrennung bzw. Oxidation wird Energie durch Wärme
freigesetzt, die das darüberliegende Hackgut zersetzt und
entgast und weiters im oberen Bereich vortrocknet. In der Oxidationszone
entsteht verkokstes Holz bzw. Holzkohle, die die Reduktionszone
bildet, wo ein Teil der Verbrennungsprodukte (CO2,
H2O) zu weiteren brennbaren Gasbestandteilen
(CO, H2, CH4) als
Gasgemisch reduziert wird.
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Bei
der Produktion der Holzkohle verringert sich das Volumen des Holzhackgutes,
so dass zur Ausbildung einer kompakten Reduktionszone bei den Vergasern
eine Einschnürung des Reaktors im Übergangsbereich
von der Oxidationszone zur Reduktionszone vorgesehen ist.
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Das
aus der Reduktionszone erzeugte brennbare Gasgemisch wird im Wesentlichen
vertikal im Gleichstrom durch den Rost bzw. dessen Schlitzen zur
Gasbehandlung abgeleitet bzw. abgesaugt. Hierbei wird der Kohlenstaub
mit der anfallenden Holzasche von dem Gasgemisch getrennt.
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Das
allgemeine Problem bekannter Gleichstrom-Festbettvergaseranlagen
ist nach wie vor die Beherrschung der einzelnen komplexen Verfahrensschritte
zur Vermeidung der Produktion von Teere bzw. Kohlenwasserstoffe
im Gasgemisch aufgrund einer unzureichender Vergasung. Hierbei sind
auch die Probleme der Ansammlung der aufsteigenden teerhaltigen
Schwell- und Pyrolysegase im oberen Vergaserraum und die unzufriedene
Lösung einer Gasbehandlung bekannt.
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Eine
weitere Ursache für den hohen Anteil von Pyrolysegase unverbrannter
Kohlenwasserstoffketten ist auch der Betrieb großvolumiger
Gasreaktoren mit Vergaserbrennstoffe unterschiedlicher Stückgröße
und Feuchte. Bei diesen Reaktoren ist die Reduktionszone im Verhältnis
zur Oxidations- und Pyrolysezone unterdimensioniert ausgebildet,
wodurch keine ausreichende Gasreduktion stattfinden kann und somit
eine aufwendigen Gasbehandlung erforderlich ist.
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Daher
werden in jüngster Zeit zur Verhinderung der allgemein
bekannten Teerfracht im Produktgas komplexe, mehrstufige Vergasungskonzepte entwickelt.
Hierbei wird das Ziel verfolgt, die komplexen Gasteilströme
aufzuspalten und diese zur Erzeugung eines reinen Produktgases in
geeignete kontrollierbare Reaktionszustände zu bringen.
Dies erfordert einen dementsprechenden technischen Aufwand für
die Regelung der Gasströme und einen zusätzlichen
Energieaufwand zur Gasbehandlung bei den geforderten hohen Temperaturzuständen
von 1.300°C zur thermischen Spaltung der Teerbestandteile.
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So
werden bei der mehrstufigen Vergasungsanlage
DE 102 58 640 A1 die Aufspaltung
in zwei Gasteilströme nach oben im Gegenstromverfahren
und nach unten aus dem Festbett im Gleichstromverfahren durchgeführt.
Zur Steuerung der Volumenverhältnisse werden Drosselorgane
eingesetzt. Der nach oben abgeführte Gasteilstrom wird über
die Brennstoffschüttung zur getrennten Oxidation in eine
Oxidationskammer zugeführt und durch Zugabe von Verbrennungsluft
bei 1.100°C–1.300°C unterstöchiometrisch
oxidiert, um so die die unerwünschten, langkettigen Kohlenwasserstoffverbindungen
cracken bzw. oxi dieren zu können. Ein zweiter nicht behandelter
Gasteilstrom wird aus dem Festbettvergaser im Gleichstrom nach unten
mit dem ersten heißen Abgas aus der Oxidationskammer zusammengeführt
und vermischt. Der nach unten abgeführte Gasteilstrom dient
gleichzeitig als Transportmedium für den benötigten
Reduktionskoks in der Reduktionskammer, der mit den ersten behandelten
wasserdampfreiche Gasstrom vermischt zur gemeinsamen Gasreduktion
in die nach geschaltete Reduktionskammer eingebracht wird. Unterstützt wird
der pneumatische Transport des Kokses durch die Zuführung
des Abgases aus der Oxidationskammer, wobei der als Wirbelschicht
ausgebildete Reduktionsreaktor mit dem einströmenden und
koksführenden Gas die brennbaren Gasbestandteile H
2 und CO bildet.
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Dieser
mehrstufige Vergasungsprozess durch Auftrennung der Gasströme
in einzelne Reaktionskammern mit Hilfe der Steuerung durch Drosselorgane
ist für die Crackung bzw. Oxidation unerwünschter
langkettiger Kohlenwasserstoffverbindungen mit anschließender
Gasreduktion sehr aufwendig und wird bekanntlich bei Wirbelschichtvergasern angewandt.
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Eine
weitere Möglichkeit zur Verringerung der Teeranteile im
Produktgas ist im Patent
EP
0 693 545 A1 beschrieben, wo im Bereich der Einschnürung
im Vergaserraum ein Gasringkanal vorgesehen ist, in dem das gewonnene
Gas einer zweiten Verbrennung im Ringkanal unterzogen wird. Anstatt
das Gas aus dem Ringraum zu nehmen, soll dieses den Düsenring
in der heißesten Zone bei ca. 1.000°C durchströmen,
um Teeranteile verbrennen zu können. Durch Umschalteinrichtungen
kann das Gas unmittelbar aus der Vergasungszone oder durch Vermischung
beider Gasströme aus dem Vergaser entnommen werden.
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Diese
Entwicklungen zeigen verschiedene Lösungen zur möglichen
Verringerung der Teeranteile im Produktgas auf, die jedoch mit der
vorliegenden Erfindung des Festbett-Gleichstromvergasers mit interner
Zirkulation der Rohgase nicht vergleichbar sind. Die technische
Lösung der bekannten Probleme der Vergasung wird mit der
Erfindung des Gleichstromvergasers mit interner Zirkulation dadurch
gelöst, indem die aufsteigende teerreichen Schwell- und
Pyrolysegase, die bei der Zersetzung und Entgasung durch die Verbrennung
(Oxidation) des Vergaserbrennstoffes entstehen, über die
innenliegenden vertikalen Seitenkanäle im Reaktor mit Hilfe
der Diffusor-Injektordüsenwirkung (Injektorfördertechnik)
im oberen Vergaserraum abgesaugt werden.
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Hierbei
werden die teerreichen Schwell- und Pyrolysegase (Fördermedium)
mit dem Vergasungsmittel (Treibmedium) durch Absaugen über
die acht angeordneten Diffusor-Düsen miteinander vermischt und
dem Vergaser in die Oxidationszone zur Verbrennung bzw. Energiegewinnung
mit Druckenergie eingebla sen. Durch die intensive Verwirblung des Gasgemisches – wie
bei einem Ölbrenner – kommt es in der Oxidationszone
zur vollständigen Verbrennung der teerhaltigen Rohgase
bzw. zur Crackung der langkettigen Kohlenwasserstoffketten.
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Die
Diffusor-Einblasdüsen bewirken gleichzeitig durch Absaugen,
Vermischen und Einblasen der Medien eine ständige interne
Zirkulation der Gasströme im Reaktor und damit eine gleichmäßige
Temperaturverteilung, einen vollständigen Ablauf der thermochemischen
Reaktionen mit einer ausreichenden Vereildauer zur Gasreduktion.
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Diese
Reaktions- und Strömungsvorgänge der Gase oberhalb
der Düsenebene erfolgen im Gegenstrom zum Verlauf der Brennstoffführung
im Vergaser (Bereich A) und entstehen durch das Freisetzen von Wärmenergie
bei der Zuführung des Luft-Sauerstoff-Gasgemisches (unterstöchiometrische
Verbrennung) in den Zonen der teilweisen Oxidation, Pyrolyse und
Trocknung.
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Die
Vorteile dieser Vorrichtung zur Absaugung der teerhältigen
Schwell- und Pyrolysegase im oberen Vergaserraum über den
Injektorförderer der Diffusor-Injektoreinblasdüsen
sind vorallem der Energiegewinn durch die vollständige
Verbrennung der teerhaltigen Gase zur weiteren Gasreduktion, die Verhinderung
des nicht ungefährlichen Gasaustrittes über die
Brennstoffzufuhr-Öffnung und die Vermeidung zusätzlicher
Aufwendungen zur Abführung und weiteren Gasbehandlung der
Schwell- und Pyrolysegase.
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Unterhalb
der Düsenebene (Bereich B) befindet sich am Ende der flaschenhalsförmigen
Einengung die Vorrichtung eines geräumigen 8eckigen Wannenrostes
zur Aufnahme eines ausreichenden Holzkohlenglutstockes als Reduktionszone
zur Gasgewinnung.
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Bei
der Zersetzung, Entgasung und Oxidation (Verbrennung) des Vergaserbrennstoffes
bildet sich kontinuierlich ein Holzkohlenglutstock, der sich bei
der Gasreduktion erneuert.
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Im
Unterdruckbetrieb und im Gleichstrom werden mit der Saugkraft des
Gasmotors die bei der Verbrennung erzeugten Oxidationsprodukte (CO2, H2O) über
diese glühende Holzkohle im Wannenrost gezogen und hierbei
zu brennende Gase (CO, H2, CH4)
reduziert.
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Diese
Vorrichtung eines geräumigen 8eckigen Wannenrostes bietet
durch die proportionale Übergröße im
Vergleich zur Größe der Oxidations- und Pyrolysezone
die Vorraussetzung einer vollständigen Gasreduktion und
somit die Erzeugung eines nahezu teerfreien Produktgases.
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Der Übergang
von der Oxidationszone in die Reduktionszone im Bereich der flaschenhals-förmigen
Einengung mit den Abschluss des schrägen trapezförmigen
8eckigen Wannenrostes ermöglicht weiters eine homogene
Temperaturverteilung und intensive Durchströmung der Gase,
wodurch die Wechselwirkungen der Reaktionen zwischen Oxidation und Reduktion
zur Gasreduktion optimiert werden.
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Im
Vergleich zur mehrstufigen Vergasungsanlage
DE 102 58 640 A1 unterscheidet
sich der Gleichstrom Festbettvergaser mit interner Zirkulation der
Schwell- und Pyrolysegas dahingehend, dass keine externe Auftrennung
der Gasströme für eine gesonderte Gasbehandlung
(Oxidations-Reduktionskammer) vorliegt, keine Drosselorgane und
kein pneumatischer Transport von Koks für eine als Wirbelschicht
ausgebildeter Reduktionsreaktor vorliegt, sondern die Optimierung
sämtlicher Wechselwirkungen zwischen Oxidation und Reduktion
bzw. der komplexen Gasbildungsprozesse zur Gewinnung eines nahezu
teerfreien Holzgases in einem Vergasungsreaktor stattfinden.
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Ebenso
entspricht der Holzgaserzeuger
EP 0 693 545 A1 , wo im Bereich der Einschnürung
im Vergaserraum ein Gasringkanal zu einer Verbrennung von Teeranteilen
vorgesehen ist, nicht der vorliegenden Erfindung, wenn im Vergleich
dazu über einen 8strahligen Düsenkranz mit Diffusor-Einblasdüsen
ein Gasgemisch in die Oxidationszone zur vollständigen
Verbrennung eingeblasen wird.
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Die
Vorteile dieser konstruktiven Vorrichtung des autothermen-drucklosen
Gleichstrom-Festbettvergaser mit interner Zirkulation sind nach 1, 2 und 3 – wie
folgt – gegeben:
- – durch
das Absaugen und Vermischen der zirkulierenden Schwell- und Pyrolysegase
mit dem Vergasungsmittel über den Injektorförderer
der Diffusor-Injektordüsen (3) und durch
das Einblasen dieses Gasgemisches in die Oxidationszone wird eine
intensive Verbrennung bzw. Oxidation mit hohen Temperaturen von
etwa 1.300°C erreicht, wobei eine Crackung der Teere bzw.
unerwünschter langkettiger Kohlenwasserstoffverbindungen
gegeben ist;
- – durch die Diffusor-Injektorwirkung wird der Antrieb
der Gaszirkulation über den mindestens 8strahligen Düsenkranz
in Gang gehalten, wodurch eine gleichmäßige Temperaturverteilung und
eine ausreichende Verweildauer der Gase für den vollständigen
Ablauf der Gasreduktion erreicht wird;
- – mit der Vorrichtung eines proportional übergroßen
8eckigen Wannenrostes ist eine ausreichende Menge glühender
Holzkohle als Reduktionszone vorhanden, die eine vollkommene Reduktion der
Oxidationsprodukte für die Erzeugung eines nahezu teerfreien
Holzgases ermöglicht.
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Mit
der Vorrichtung können unter günstigen Bedingungen
für Investition und Betrieb die erforderlichen Betriebsbedingungen
für die Wechselwirkung zwischen Oxidation und Reduktion
bzw. der katalytischen und thermischen Gasbildungs-Prozesse wie das
Boudouardische Gleichgewicht, das Wassergasgleichgewicht und das
Methangleichgewicht hergestellt werden, sodass nahezu keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe
bzw. Teerdestillate im Holzgas mehr gegeben sind.
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Auf
diese Weise können die komplexen Vorgänge der
Verbrennung und Vergasung zur Erzeugung eines Produktgases mit höchster
Qualität und Quantität mit dem Ziel – minimaler
Aufwand für eine trockene Gasbehandlung (Heißgasfiltration
zur Entstaubung) und Kühlung des Gases zur motorischen Nutzung – umgesetzt
werden.
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Der
kontinuierliche Vergasungsprozess von Biomasse aus Holz verlangt
aufgrund der geschilderten Prozessketten eine Vielzahl von Anlagenkomponenten
und Verfahrenstechnologien, die alle aufeinander abgestimmt sein
müssen, um einerseits Betriebsstörungen zu vermeiden
und anderseits maximale Wirkungsgrade mit bester Gasqualität
und Quantität zu erreichen.
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Die
Umsetzung der Prozessketten eines ganzheitlichen Vergasungssystems
ist das Produkt eines Holzgaskraftwerksystems mit folgenden verketteten
Anlagenkomponenten:
Brennstoffaufbereitung (Hacken, Sieben),
kontinuierliche Trocknung, Beschickung der Vorratsbehälter und
des Vergasers, Nachverbrennung oder Gasfackel, Entstaubung durch
Heißgasfiltration, Gaskühlung und die Erzeugung
von Strom und Wärme in einem Gasmotor-Heizkraftwerk.
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Die
Erfindung des Gleichstrom-Reduktion-Festbettvergasungsreaktors mit
interner Zirkulation besteht gemäß 1.
und 2 im Aufbau aus Servicegründen (Wartung,
Reparatur) aus drei einzelnen zerlegbaren Konstruktionsteilen, der
von einem fleckigen Stahlgerüst 21 an vier Aufhängungen 26 getragen
wird.
- 1. die abnehmbare feuerbeständige
gasdichte Abdeckung 24 des Vergasers mit Befestigung 23 und
der Beschickungseinrichtung einer Doppelschieberschleuse mit Motorantrieb 10;
- 2. der Stahlmantel als Zylindergefäß 1 mit
der feuerfesten Mauerung 9 und integrierten Belüftungskanälen 6 sowie
Anschlüssen von Armaturen 8;
- 3. der abnehmbare Unterteil des Reaktors 23 mit der
außen liegenden Ringrohrleitung 4 und dem Anschluss
an die 8strahligen Diffusor-Injektordüsen 5 als
Düsenkranz, in dem zur Verbrennung bzw. Vergasung des Brennstoffes
das Gasgemisch 22 aus Pyrolysegas 7 mit dem Vergasungsmittel 4 eingeblasen
wird und dem 8eckigen schrägförmigen Wannenrost 3 mit
einem beweglichen Unterteil des Rost für Hand- oder Motorbetrieb 12,
für die Aufnahme des Holzkohlenglutbettes als Reduktionszone
sowie den darunter liegenden schräg eingeengten Abgang
als Aschenschacht 13 mit motorischer 19 Austragung 18 der Asche
in dem gasdichten Aschenbehälter 20, den beweglichen
Rost 3 sowie den Gasaustrittstutzen 14, 25.
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Der
drucklose-autotherme Gleichstrom-Festbettvergaser-Reaktorraum 2 hat
mit der feuerfesten Ausmauerung 9 eine Flaschenhalsform – vergleichbar
wie beim Hochofen. Durch diese Einschnürung im Übergangsbereich
der Oxidationszone in die Reduktionszone ist ein intensiver Stofftransport
zwischen der reagierenden Oberfläche des Holzkohlengutstockes
und den Gasbestandteilen (CO2, H2O) zur Bildung der Gasreduktion (CO, H2, CH4) gegeben.
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Nach 1 wird über
ein Förderband kontinuierlich Vergaserbrennstoff, bestehend
aus stückigem Holzhackgut, der weitgehend luftdichten-rückbrandsicheren
Doppelschieberschleuse 10 zugeführt, das nach
Meldung des Paddels 8 in den Reaktorraum 2 eingebracht
wird.
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Das
Vergasungsmaterial im Reaktorraum 2 durchläuft
von oben nach unten die Zonen der Trocknung, Pyrolyse (Zersetzung,
Entgasung), Oxidation und Reduktion. Bei der Verbrennung in der
Oxidationszone bilden sich auf der Düsenebene im Glutbett über
dem Wannenrost 3 Temperaturen bis über 1.200°C,
wobei die frei werdende Energie die Vergasungsprozesse der einzelnen
Zonen in Gang halten. Hierbei steigen die entstehenden Schwell-
und Pyrolysegase im Gegenstrom in den oberen Vergaserraum 7 auf.
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Über
mindestes acht gleichmäßig verteilte Injektordüsen 4,
in der Form eines Diffusors – siehe 3 – die
mit der außenliegenden Ringrohrleitung 4 um den
Vergaserreaktor 1 verbunden sind, werden die in den Vergaserraum 7 aufsteigenden
angesammelte Pyrolysegase über die in der feuerfesten Ausmauerung 9 vertikal
integrierten Seitenkanäle 6 durch die Injektorwirkung
abgesaugt und mit dem Vergasungsmittel aus den Rohren 4, 5 vermischt
als Gasgemisch 22 zur gemeinsamen Verbrennung mit dem Vergaserbrennstoff 2 in
die Oxidationszone eingeblasen.
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Durch
dieses Absaugen der leicht flüchtigen Schwelgase bzw. teerhältige
Pyrolysegase 7, die bei den Reaktionen der Trocknung, Zersetzung,
Entgasung durch die Verbrennung der Vergaserbrennstoffe im Aufsteigen
entstehen, wird eine interne Zirkulation der Gasströme über
den Vergaserraum in Gang gesetzt. Die Durchströmung des
Vergaserbrennstoffes bzw. die Zirkulation der Gasströme
unverbrannter Kohlenwasserstoffe begünstigt eine gleichmäßige Temperaturverteilung
im Vergasungsreaktor und verstärkt auf diese Weise den
vollständigen Ablauf der Gleichgewichtsreaktionen.
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Durch
das Absaugen der aufsteigenden Pyrolysegase im oberen Vergaserraum 7 über
die innenliegenden Seitenkanäle 6 wird das allgemein
bekannte Problem des unerwünschten Gasaustrittes bei der Öffnung
zur Brennstoffeinbringung in den Vergaser gelöst. Die in
den oberen Vergaserraum im Gegenstrom aufsteigenden nicht ungefährlichen
Pyrolysegase werden zumeist je nach Verfahren mit hohem Aufwand
einer Gasreinigung zugeführt.
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Nach
dem intensiven Mischvorgang zwischen dem Fördermedium des
Schwell- und Pyrolysegases und dem Treibmedium des Vergasungsmittel
(z. B. Luftsauerstoff) bewirkt die Druckenergie der Diffusor-Injektordüsen 5 beim
Einblasen des Gasgemisches 22 in das Holzkohlenglutbett
eine optimale Verbrennung des Gasgemisches bzw. Crackung der teerhaltigen
Schwell- und Pyrolysegases. Die unterstöchiometrische Zugabe
von Verbrennungsluft führt zu dem Energiegewinn zu einem
hohen Temperaturstieg (exothermer Prozess) auf etwa 1.100°C
bis 1.200°C, wodurch eine weitgehende Spaltung bzw. Umwandlung
der unverbrannten Kohlenwasserstoffe in die chemischen Bestandteile
(CO2, H2O) erreicht wird.
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Zur
Steigerung des Wirkungsgrades wird das Vergasungsmittel vorgewärmt über
mindestens acht gleichmäßig verteilte Luftdüsen 5 in
die Mitte des Reaktors eingeblasen, die mit der außenliegenden
Ringleitung 4 um den Vergaser als Düsenkranz verbunden
sind.
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Unterhalb
der Einblasdüsen ist in der Mitte des Reaktorbehälters
ein geräumiger Rost in Form einer 8eckigen Wanne 3 mit
schrägen Seitenwänden platziert, in der kontinuierlich
ein Holzkohlenglutstock als Reduktionszone bzw. als Katalysator
zur Gasreduktion sich bildet.
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Durch
die schlitzförmigen feuerbeständigen Öffnungen
des Wannenrostes 3 tritt das in der Reduktionszone gebildete
Produktgas (exothermer Prozess) im vor herrschenden Unterdruckbetrieb
nach unten aus, der durch den Saugmotor bzw. Abgasventilator erzeugt
wird.
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Das
Produktgas verlässt über die feuerfeste Öffnung 14 den
seitlichen Gasaustrittsstutzen 25 den Vergaser und wird
vor Nutzung im Motorheizkraftwerk einer Gasreinigung bzw. Kühlung
zugeführt.
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Bei
der Durchströmung des Produktgases durch den Holzkohlenglutstock
wird die bei der Verbrennung und bei der Gasproduktion anfallende Holzasche
sowie auch der staubhältige und grobkörnige Holzkohlenstoff
als Abrieb mitgerissen. Der grobkörnige Holzkohleabrieb
mit Asche fällt in den Schrägteil des Aschenschachtes 13 unterhalb
des Reaktors. Die Asche und der grobkörnige Holzkohleabrieb
wird über eine mit Motor 19 betriebene Schnecke 18 in
den gasdichten Aschebehälter 20 gefördert und
entsorgt.
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Zur
Behebung von Störungen im Holzkohlenbett durch Schlacken-
oder Aschenansammlungen ist der flache Unterteil des 8eckigen Wannenrostes 3 beweglich
mit Motor 12 oder per Hand ausgeführt.
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Zur
Abschirmung vor Eindringen von Vergasermaterial 2 sind
die Seitenkanäle 6 durch Abdeckungen 16 geschützt,
ebenso ist die Gasaustrittsöffnung 14 des Gasaustrittsstutzen 25 vor
dem Eindringen von Asche und Kohlenstoffrus durch eine Abdeckung 15 geschützt.
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Die
Gestaltung der steilen Flaschenhalsform des innen liegenden Vergaserraumes 2 durch
die feuerfeste Ausmauerung 9 verhindert die ansonsten befürchtete
Brückenbildung oder Hohlraumbildung durch Ausbrennen, weil
der Vergaserbrennstoff direkt auf dem 8eckigen Wannenrost 3 zur
Verbrennung und Vergasung aufliegt bzw. durch die Schwerkraft gezwungen
ist, nachzurutschen. Außerdem wird beim Einbringen des
stückigen Vergaserbrennstoffes über die Doppelschieberschleuse 10 ein
zusätzlicher Falldruck ausübt, wodurch Brückbildungen
bzw. Hohlraumbildungen nicht gegeben sind.
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Die
flaschenhalsförmige Einengung über den Wannenrost
bewirkt zudem eine intensiven Stoffstromwechsel, die eine homogene
Temperaturverteilung mit dem Pyrolysegas- und Vergasungsmittel-Gasgemisch
und der glühenden Holzkohle als Reduktionszone eine weitere
Spaltung restlicher Teere ermöglicht.
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Die
interne Zirkulation der Gasströme zur Aufspaltung der Kohlenwasserstoffe
bzw. Teere verbessert zusätzlich diesen Prozess. Dadurch
ist eine optimale Temperaturverteilung im Reaktor bei gleichmäßigem
vollständigem Ablauf der Reaktionen sowie eine ausreichende
Verweildauer der Gase in den Reaktionszonen möglich. Dies
sind die optimalen Vorraussetzungen zur Einstellung der Re aktionen
nach dem Boudouardischen-, Wassergas- und Methan-Gleichgewichten
zur Produktion einer guten Gasqualität und Quantität.
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In
der Folge werden einige wesentliche Aspekte der vorliegenden Erfindung überblicksmäßig zusammengefasst.
Ein wesentlicher Aspekt ist, dass die Vorrichtung des Reaktorbehälters 1 aus
einem zylinderförmigen Stahlblechmantel, einer flaschenhalsförmigen
feuerfesten Mauerung 9 des Vergaserraum 2 mit
vertikalen Seitenkanälen 6, einer Ringrohrleitung 4 um
den Vergaser, ausgeführt als 8strahligen Düsenkranz
mit gleichmäßig verteilte Diffusor-Injektordüsen 5 (Injektorförderer)
zum Absaugen der Schwell-Pyrolysegase 7 (Fördermedium) durch
das Vergasungsmittel 4 (Treibmedium) und Herstellung eines
Gasgemisches 22 beider Medien und das Einblasen des Gasgemisches
(Diffusor-Druckenergiewirkung) in die Oxidationszone, einer Doppelschieberschleuse 10 zum
Einbringen des Vergaserbrennstoffes in den Vergaserraum 2,
das in den Zonen Trocknung, Pyrolyse und Oxidation verbrannt bzw.
vergast und im 8eckigen trapezförmigen Wannenrost 3 kontinuierlich
durch unterstöchiometrische Verbrennung des Vergaserbrennstoffes
sich ein Holzkohlenglutstock als Reduktionszone zur Gasproduktion
neu bildet, ist die Grundlage zum Verfahren, in dem durch das Absaugen
der aufsteigenden Schwell- und Pyrolysegase aus dem Vergaserraum 7 über
die vertikalen Seitenkanäle 6 der feuerfesten Ausmauerung 9 des
Reaktors und durch die Eindüsung 5 des hierbei
gebildeten Gasgemisches 22 mit dem Vergasungsmittel 4 über
die Diffusor-Injektordüsen (3), zwangsweise
eine interne Zirkulation der Gase im Reaktor bewirkt wird, die gleichzeitig beim
Einblasen in die Oxidationszone mit der Wirkung der Diffusor-Injektordüsen 5 eine
intensive Verwirbelung des Gasgemisches 22 erzielt und
somit zu einer vollständigen Verbrennung des teerhaltigen Gasgemisches 22 bzw.
Crackung der Teere bzw. langkettigen Kohlenwasserstoffketten führt.
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Weiters
ist wesentlich, dass mit der Vorrichtung der Injektorförderung 3.
ausgeführt als Einblas-Treibdüse 5 (Treibmedium
Vergasermittel), die Schwell- und Pyrolysegase 7 (Fördermedium)
mit Unterdruckwirkung abgesaugt und das hierbei gebildete Gasgemisch 22 (Vergasermittel
und Fördermedium) im Diffusor 5 mit Druckenergie
in die Oxidationszone eingedüst wird und somit durch die
Injektorförderwirkung eine interne Zirkulation der Gase über die
einzelnen Zonen der Trocknung, Pyrolyse und Oxidation in Gang gesetzt
wird, der Gasaustritt bei der Brennstoffzufuhr vermieden und gleichzeitig durch
die intensive Verbrennung mit Verwirbelung eine homogene Temperaturverteilung
sowie intensive Durchströmung der Gase im Reaktor eine
ausreichende Verweildauer der Gase zur weiteren Aufspaltung der
unverbrannten Kohlenwasserstoffverbindungen bzw. Teere erreicht
wird.
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Ein
weiteres wichtiges Merkmal ist, dass die Vorrichtung eines Düsenkranzes 4, 5 (2)
um den Vergasungsreaktor mit mindestens acht Stück Injektoreinblasdüsen 5 gleichmäßig
verteilt angeordnet ist, der mit einer außen um den Reaktor
liegenden Ringrohrleitung 4 verbunden ist und ein zentral
angeschlossenes vorgewärmtes Vergasungsmittel führt, in
dem das Gasgemisch 22 mit den Schwell- und Pyrolysegasen
in die Mitte der Oxidationszone in den Vergaser eingeblasen wird
und durch diese Ausführung eine kontrollierbare Sicherheitstechnik
gewährleistet wird.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Vorrichtung eines geräumigen
8eckigen schrägen trapezförmigen Feuerungsrostes
mit Schlitzöffnungen in Form einer Wanne 3 zentral
in der Mitte des Vergasungsreaktors angeordnet ist, der einen beweglichen Unterteil
des Feuerungsrostes per Hand oder Motor 12 zur Behebung
von Störungen durch Schlacken- und Aschenansammlungen aufweist,
in dem im Vergleich zur Oxidations- und Pyrolysezone eine proportional übergroße
Menge eines glühenden Holzkohlestockes als Reduktionszone
vorgelagert ist, die kontinuierlich durch unterstöchiometrische
Verbrennung des Vergaserbrennstoffes sich erneuert und somit als Katalysator
eine weitgehend vollkommene Gasreduktion der Oxidationsprodukte
(CO2, H2O) zur Erzeugung
eines nahezu teerfreies Produktgas (CO, H2,
CH4) ermöglicht.
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Weiters
ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung eines Aschenschachtes 13 im
Unterteil des Vergasers unterhalb des Wannenrostes 3 die
Aufgabe zur Aufnahme der Asche bzw. des Kohlenstoffabriebes erfüllt,
die nach dem Abbrand des Vergaserbrennstoffes im Wannerost 3 bzw.
durch den Abrieb bedingt durch die Absaugung des Produktgases im Unterdruckbetrieb
durch den schlitzförmig ausgebildeten Wannerost 3 auf
den darunterliegenden Aschenschacht 13 fällt und über
eine Aschenschnecke 18 mit Motorantrieb 19 in
den gasdichten Aschenbehälter 20 kontinuierlich
entsorgt wird.
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Es
ist empfehlenswert, wenn mit der Vorrichtung eine weitgehend luftdichte
rückbrandsichere Doppelschieberschleuse 10 mit
Motorantrieb die Beschickung des Vergasungsreaktors mit Vergaserbrennstoff
erfolgt, die auf der abnehmbaren Abdeckung 23, 24 des
Stahlzylinders aufgesetzt ist und die untere Schieberschleuse gegen
Strahlung heißer Gase mit einer feuerbeständigen,
beweglichen Platte 11 abgeschirmt ist.
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Weiters
ist es von Vorteil, dass die Vorrichtung zum Vergasungsreaktor 1 aus
servicetechnischen Gründen in drei konstruktive Bestandteile zerlegbar
ist, nämlich einem Oberteil mit der Abdeckung 24 und
Doppelschieberschleuse 10, einem Mittelteil aus einem Stahlblech-Zylinderring 1 mit
einer feuerfesten Ausmauerung 9 in Flaschenhalsform 17 und
integrierten vertikalen Seitenkanälen 6 und einem
Unterteil, in dem die Diffusor-Injektor-Einblasdüsen 5 mit
dem Ringrohrnetz 4, dem 8eckigen Wannerost 3,
den angeschlossenen Aschenschacht 13 mit Gasaustrittstutzen 14, 25 und
Entaschungseinrichtung 18, 19, 20 und
alle Bestandteile eine Einheit bilden.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist, dass die Vorrichtung der inneren
Ausmauerung 9 des Reaktorraumes in der Gestalt eines Flaschenhalses ausgeführt
ist, in dem vertikale Seitenkanäle für die interne
Zirkulation der Gase im Unterdruckbetrieb integriert sind, über
dem 8eckigen Wannenrost 3 aufsitzt und dadurch ein intensiver
Stoffstromwechsel für eine homogene Temperaturverteilung
bewirkt, die eine Brückenbildung und das Ausbrennen von
Hohlräumen verhindert.
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Ferner
ist wichtig, dass die Vorrichtung zum Vergasungsreaktor 1 (1, 2)
aus servicetechnischen Gründen auf einem viereckigen Stahlgerüst 21 an
vier Stellen 26 gleichmäßig befestigt
getragen wird und an dem die maschinentechnischen Einrichtungen
befestigt sind.
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Letztlich
zusammengefasst betrifft die Erfindung einen autothermen im Unterdruck
arbeitenden Festbett-Gleichstromvergaser mit interner Gaszirkulation
zur Erzeugung eines nahezu teerfreien Holzgases aus Biomasse mit
den Vorrichtungen gemäß 1, einen
Reaktorraum 2 mit flaschenhalsförmiger Ausmauerung 9 und
integrierten vertikalen Seitenkanälen 6, eine
Doppelschieberschleuse 10 zur Einbringung des Vergaserbrennstoffes
und einem Injektorförderer bestehend aus einem mindestens 8strahligen
Diffusor-Injektor-Düsenkranz 4, 5 zum Absaugen
und Vermischen der Schwell- und Pyrolysegase 7 mit dem
Vergasungsmittel 5, dessen Gasgemisch 22 mit Druck
in die Oxidationszone eingeblasen, der Düsenkranz mit einer
Rohrringleitung außen um den Vergaser verbunden mit vorgewärmten Vergasermittel
versorgt, einem proportional übergroßen 8eckigen
Wannenrostes 3 zur Aufnahme des Holzkohlenglutstockes als
Reduktionszone zur ausreichenden Gasreduktion.
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Auf
der Grundlage dieser Vorrichtungen basiert das Verfahren der internen
Zirkulation der Schwell- und Pyrolysegase 7 mit dem Vergasungsmittel 4 durch
den Injektorstoffförderer Absaugen, Vermischen und Einblasen
des Gasgemisches in die Oxidationszone zur gemeinsamen Verbrennung
mit dem Vergaserbrennstoff, wodurch eine Crackung der Teere bzw.
Kohlenwasserstoffe, eine gleichmäßige Temperaturverteilung,
ausreichende Verweildauer für eine vollständige
Gasreduktion in der Reduktionszone im großräumigen
Wannenrost gegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10258640
A [0006]
- - DE 10258640 A1 [0023, 0036]
- - EP 0693545 A1 [0025, 0037]