DE2039180A1 - Mit einem fluidisierten Brennstoffbett betriebener Dampfkessel - Google Patents

Description

Dipi.-ing. Waiter Meissner Dipi.-ing. Herbert Tischer BKRLIN-aRUNKWALD MONCHKN

8 München 2, d,n ⁶> ■*»««»* 197o

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Foster Wheeler John Brown Boilers Limited London /Großbritannien

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Mit einem fluidisierten Brennstoffbett betriebener Dampfkessel

Die Erfindung betrifft einen mit einem fluidisierten Brennstoffbett betriebenen Dampfkessel, der einen Verdampfungsabschnitt und einen Überhitzungsabschnitt aufweist.

Ein fluidisiertes Brennstoffbett besteht aus einer lockeren Schicht von Brennstoffteilchen, von denen die meisten Ascheteilchen und ein geringer Teil fohleteilchen sind. Die Teilchen werden vom Strom der Verbrennungsluft getragen, die durch das Brennstoffbett mit ausreichender Geschwindigkeit strömt, um die Teilchen schwebend zu halten. Bekanntlich verhält sich ein solches fluidisiertes Brennstoffbett aus festen Teilchen'ähnlich wie eine kochende, turbulente Flüssigkeit«, Die Kohleteilchen verbrennen in der Luft, und zur Aufrechterhalibung der Verbrennung werden laufend frische Kohleteil-_ chen zugeführt, und durch den überlauf werden laufend Teilchen (hauptsächlich Ascheteilchen) abgezogen, wobei die Brennstoff betthöhe im wesentlichen konstant gehalten wird.

Die¹ im Brennstoffbett erzeugte Wärme kann in verschiedener Wejise zur öampferzeugung ausgenutzt werden. Vorzugsweise

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werden Siede- und Überhitzerrohre so angeordnet, daß sie sich im Brennstoffbett befinden, so daß sehr hohe Wärmeübertragungswerte erreicht werden können. Diese Anordnung trägt auch zur Kühlung des Brennstoffbetts bei, wodurch verhindert -wird, daß die Ascheteilchen ihre Schmelztemperatur erreichen· In diesem Fall könnte das Fluidisieren des Brennstoffbetts unmöglich werden, und es könnten sich Schlackenablagerungen an den Rohren ergeben, was zum Verbrennen der Rohre führen kann.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, innerhalb des {Ι Brennstoffbetts gleichmäßige Temperaturen aufrecht zu erhalten, so daß heiße Bereiche im Brennstoffbett vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Dampfkessel der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß sich wenigstens ein Teil der den Verdampfungsabschnitt bildenden Siederohre und wenigstens ein Teil der den Überhitzungsabschnitt bildenden Überhitzerrohre im fluidisierten Brennstoffbett befinden und die im Brennstoffbett befindlichen Siede- bzw. Überhitzerrohre so angeordnet sind, daß sich Siede- und Überhitzerrohre wenigstens in einer Richtung des Brennstoffbettquerschnitts abwechseln.

^ Diese Anordnung hat den Vorteil, daß eine gleichmäßige

Kühlung des Brennstoffbetts gewährleistet wird, so daß sich eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Brennstoffbett ergibt. Dadurch werden kleine heiße Bereiche innerhalb des Brennstoff betts vermieden oder wenigstens stark reduziert, wodurch sichergestellt wird, daß die Ascheteilchen auf einer Temperatur unterhalb ihrer Schmelztemperatur gehalten werden*

Einige oder alle Überhitzerrohre können selbstverständlich durch Zwischenüberhitzerrohre ersetzt werden, falls ein

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. Zwischenüberhitzerabschnitt vorgesehen ist. Demgemäß schließen die in der weiteren Beschreibung benutzten Ausdrücke (!Überhitzerabschnitt" und "Überhitzerrohre" auch einen Zwischenüberhitzerabschnitt bzw. Zwischenüberhitzerrohre ein, es sei denn, daß sich aus^ dem Zusammenhang etwas anderes ergibt,

Ein Vorteil der besonderen .anordnung-einiger Siede- und überhitzerrohre innerhalb des fluidisieren Brennstoffbetts gemäß der Erfindung liegt darin, daß alle Überhitzerrohre oberhalb des statischen Niveaus des Brennstoffbetts angeordnet werden können. Daher wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung bei einem Dampfkassel mit Verdam1|pungsabschnitt i und liberhitzungsabschnitt, wobei sich wenigstens ein Teil der Siederohre und wenigstens ein (Peil der tJberhitzerrohre im Brennstoffbett befinden., die Anordnung so getroffen, daß die im" Brennstoffbett befindlichen Siederohre über die ganze Höhe des fluidisierten Brennstoffbetts verteilt angeordnet sind, während die im Brennstoffbett befindlichen Überhitzerrohre so verteilt angeordnet sind, daß sie sämtlich oberhalb des statischen Niveaus des Brennstoffbetts liegen»

Die Anordnung der Überhitzerrohre oberhalb des statischen Niveaus des Brennstoffbetts ergibt eine Reihe von Vorteilen. Zunächst befinden sich dadurch nur wenig Rohre im unteren j

Teil des Brennstoffbetts, so daß das Problem des Unterdrückens des Brennvorgangs beim Anfeuern vermieden und ein schnelles Inbetriebsetzen des Dampfkessels gewährleistet wird<, Der Dampfkessel kann auch schnell stillgesetzt werden, denn die Überhitzerrohre sind gegen die Restwärme der Betteilchen geschützt, weil das fluidisierte Brennstoffbett beim Abstellen der Fluid is ierungs luft sofort zusammenfällt,,

Der ganze Überhitzer und ein beliebiger Zwischenüberhitzer können im fluidisierten Brennstoffbett angeordnet wer-

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den. Vorzugsweise enthalten jedoch der überhitzer und der Zwischenüberhitzer erste und zweite Stufen, wobei die ersten Stufen durch Rohre gebildet werden, die sich im Brennsttbffbett befinden, während die zweiten Stufen aus Rohren bestehen, die durch die heißen, vom Brennstoffbett kommenden Verbrennungsgase beheizt werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß eine genaue Regelung der Überhitzangstemperatur möglich ist, weil zwischen den ersten und zweiten Stufen ein EntÜberhitzer vorgesehen werden kann«, Ferner ergibt sich eine große Freizügigkeit im Aufbau des Dampfkessels und die Metalltemperatur der Rohre in den Endstufen des ft Überhitzers kann niedriger gehalten werden, als wenn sich diese Rohre im Brennstoffbett befinden würden.

Die Anordnung der Rohre gemäß der Erfindung kann bei allen Formen eines fluidisierten Brennstoffbetts angewendet werden, unabhängig davon, ob der Querschnitt des Brennstoffbetts kreisförmig oder rechteckig ist. Im Fall von Brennstoffbetten mit kreisförmigem Querschnitt können die Siede- und Überhitzerrohre schraubenförmig gewunden sein, wobei die Windungen so ineinander geschaltet sind, daß sich Siederohre und überhitzerrohre abwechseln. Bei einem Brennstoffbett mit rechteckigem querschnitt können die Siede- und überhitzerrohre zickzackförmig angeordnet werden, so daß eine Anzahl von waage- W rechten Rohrreihen übereinander liegt und die übereinander liegenden Reihen abwechselnd aus üiede- bzw. aus Überhitzerrohren bestehenο

Die das .brennstoffbett einschließende Wand bzw₀ die einschließenden Wände können vorzugsweise aus Rohren bestehen. Diese Rohre sind normalerweise v/asserohre, durch die zur Verdampfung bestimmtes wasser zirkuliert, jedoch können einige dieser Rohre als Fallrohre für Dampf dienen, die Dampf der ersten uberhifczerstufe zuführen. jJies trägt zu einem kompakten

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und wirtschaftlichen Aufbau bei. Im Fall eines Brennstoffbetts mit rechteckigem Querschnitt können eine oder mehrere Wände als Fallrohre für Dampf dienen, während bei einem Brennstoffbett mit kreisförmigem Querschnitt einige oder alle der die Wand bildenden Rohre für diesen Zweck benutzt werden können«

Bei einem Brennstoffbett mit kreisförmigem Querschnitt, wobei schraubenförmig gewundene Siede- und Überhitzerrohre vorgesehen sind, kann eine innere zylindrische Wand aus wasserführenden Rohren vorgesehen werden, die einen Überlauf für die fluidisierten Teilchen bildet, so daß sich eine konstante Betthöhe ergibt.

Die Erfindung ist anwendbar bei Dampfkesseln mit einem fluidisierten Brennstoffbett, das mit Fluidisierungsluft von atmosphärischem Druck oder erhöhtem Druck arbeitet.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Aufbau so vorgesehen, daß ciie das Brennstoffbett einschließende Wand bzw. die einschließenden Wände innerhalb eines äußeren, vorzugsweise zylindrischen Gehäuses angeordnet sind, das mit der Wand bzw. den Wänden des Brennstoffbetts einen Kanal für die Zufuhr der Fluidisierungsluft zum Brennstoffbett bildet. Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß bei Zufuhr von Fluidisierungsluft; mit erhöhtem Druck das äußere Gehäuse nur den erhöhten Druck auszuhalten hat und dabei nicht den hohen Brennstoff be ttimperaturen ausgesetzt ist, während demgegenüber die das Brennstoffbett einschließende Wand bzw. die einschließenden Wände, die den hohen Brennstoffbettemperaturen ausgesetzt sind, einen größeren Druckunterschied nicht auszuweiten haben, denn diese Wände unterliegen nur der geringen Druckdifferenz, die sich durch den Druckabfall beim Strömen der Luft durch die Luftverteileirplatte und das Brennstoffbett ergibt.

Auf dei? Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Er-

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findung dargestellt. Es zeigen:

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Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch die Feuerung und angrenzende Teile eines Dampfkessels gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch die Feuerung und angrenzende Teile eines weiteren Dampfkessels gemäß der Erfindung j

Fig. 4 einen halben. Querschnitt nach der Linie 4-4 in Fig. 3.

Der mit einem fluidisierten Brennstoffbett betriebene Dampfkessel 1o gemäß Fig. 1 und 2 enthält eine innere rechteckige Kammer 12 für das fluidisierte Brennstoffbett. Diese innere Kammer 12 ist unten durch eine poröse Luftverteilerplatte 14 abgeschlossen, auf der die Teilchen des Brennstoffbetts ruhen, wenn die Fluidisierungsluft abgeschaltet ist. Das statische Niveau der Teilchen bzw. die Brennstoffbetthöhe im nicht fluidisierten Zustand ist bei 16 angedeutet, während das Niveau bzw. die Brennstoffbetthöhe des fluidisierten Brennstoffbetts mit 18 bezeichnet ist.

Innerhalb des Brennstoffbetts befindet sich ein Bündel Siederohre 2o· Diese verlaufen von einem Einlaßsammeirohr zu einem Auslaßsammelrohr 24 und sind zickzackförmig angeordnet, indem eine Anzahl von geraden waagerechten Rohrlängen übereinanderliegend durch U-Krümmer verbunden ist. Wie ersichtlich, erstrecken sich die Siederohre 2o von der unteren Fläche des Brennstoffbetts an der Luftverteilerplatte 14 bis gerade unterhalb der normalen Brennstoffbetthöhe 18 im fluidisierten Zustand des Brennstoffbetts.

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Im Brennstoffbett liegt auch ein erstes Bündel Überhitzerrohre 26, die von einem EinlaßsammeIrohr 28 zu einem Aus 1 aßs amme Ir ohr 3o verlaufen. Die Üb erhitz err öhre 26 sind ebenfalls in gleicher Weise wie die Siederohre 2o Zickzack- ;förmig angeordnet, jedoch erstrecken sich die Überhitzerrohre 26 nicht über die volle Tiefe des Brennstoffbetts· Sie erstrecken sich von einer Ebene, die dicht oberhalb des statischen Niveaus 16 des Brennstoffbetts liegt, bis dicht unter das normale Niveau 18» Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sich nur verhältnismäßig wenig Rohre im unteren Teil des Brennstoff be tts befinden, wodurch das Unterdrücken des Brennvor- <| gangs durch Kühlen beim Anfeuern vermieden wird und die überhitzerrohre 26-gegen die heißen Teilchen geschütztt werden, wenn das Brennstoffbett durch Abstellen der Fluidisierungsluft stillgesetzt wird.

Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind^ie Überhitzerrohre 26 zwischen den Siederohren 2o eingeschaltet, so .daß in Draufsicht gesehen die beiden Rohrarten abwechseln« Dieses Ineinanderschalten der Rohre 2o,26 trägt dazu bei, daß die Wärme dem Brennstoffbett gleichmäßig entzogen wird und die Temperatur des Brennstoff be tts im wesentlichen gleich- .· mäßig bleibt. Damit werden heiße Bereiche vermieden, in denen die Ascheteilchen zähflüssig werden können, so daß sie nicht * mehr zu fluidisieren sind und an den Rohren anbacken, wodurch die Gefahr des Ausfallens von Rohren mit den bekannten unangenehmen Folgen entsteht«

Das Dampf-Wasser-Gemisch aus den üiederohren 2o strömt vom Auslaßsammeirohr 24- in eine Dampf-was ser-Trommel 32, wo Dampf und Wasser getrennt werden. Der Dampf gelangt in das Einlaßsammeirohr 28 der bberhitzerrohre 26iL Von dieser ersten überhitzerstufe wird der Dampf einer zweiten überhitzerstufe yi zugeführt, wo die Erhitzung durch die vorbeiströmenden Verbrennungsgase aus dem Brennstoffbett stattfindet.Gegebenen-

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falls kann ein EntÜberhitzer (nicht dargestellt) zwischen den beiden uberhitzerstufen vorgesehen werden, um eine genaue Endüberhitzertemperatur einzustellen. Durch die übertragung der Wärme der heißen Verbrennungsgase in der zweiten uberhitzerstufe 34, statt auch diese uberhitzerstufe im Brennstoffbett einzulagern, wird der Vorteil erreicht, daß sehr hohe Metalltemperaturen bei den Rohren der zweiten uberhitzerstuf e 34 vermieden werden.

Der Dampfkessel 1o kann selbstverständlich auch mit Speisewasservorwärmerstufen (nicht dargestellt) und Zwischenüberhitzerstufen (nicht dargestellt) versehen werden» Im letzteren Fall werden einige überhitzerrohre 26 des Brennstoffbetts durch erste Zwischenüberhitzerrohre ersetzt, und zusätzlich kann eine zweite Zwischenüberhitzerstufe vorgesehen v/erden, die mit den heißen Verbrennungsgas en aus dem Brennstoffbett betrieben wird_o

Die Kammer 12 ist von wänden j>6 umschlossen, die aus wasserführenden Rohren bestehen können, aus Gründen der Kompaktheit und Wirtschaftlichkeit können wenigstens einige der Rohre dieser Rohrwände als Fallrohre für die Führung des Dampfs aus der Dampf-masser-Trommel 32 zum iiinlaßsammelrohr 28 des Überhitzers dienen. In den Wänden 36 kann ein überlauf (nicht dargestellt) für die abzuziehenden teilchen des Brennstoffbetts vorgesehen sein, um das brennstoffbett auf kon= stanter Höhe zu halten.

Die Wände 36 sind in Abstand von einem äußeren zylindrischen Gehäuse 4-0 umschlossen. Dieses Gehäuse 4-0 bildet zusammen mit den Wänden 36 einen nach unten führenden Kanal 42 für die Verbrennungsluft. Der Vorteil dieser Anordnung; liegt darin, daß • im Fall eines mit Luft von erhöhtem Druck betriebenen Brennstoffbetts das äußere Gehäuse 4o nur den erhöhten Druck auszuhalten hat und dabei nicht den hohen Brennstoffbettemperaturen

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ausgesetzt ist, während demgegenüber die wände 36, die den hohen Brennstoffbettemperaturen ausgesetzt sind, g^rößere Druckunterschiede nicht auszuhalten haben_ö - ■■

Der in Pig, 3 und Λ dargestellte Dampfkessel 5o ist ' sehr ähnlich wie der Kessel 1o nach Fig«, 1 und 2 aufgebaut, jedoch mit der Ausnahme, daß das Brennstoffbett 52 von einer zylindrischen wand 54 umschlossen ist und die Siederohre 55 sowie die Überhitzerrohre 56 schraubenförmig gewunden sind. Die Anordnung der Rohre ist dabei so getroffen,¹ daß die schrau— benförinigen Rohre abwechselnd Siederohre und Überhitzerrohre sind β Dies bietet den schon erwähnten Vorteil, daß 4as Brenn- I stoffbett auf gleichmäßiger Temperatur gehalten wird und. heiße Bereiche vermieden werden. Das statische Niveau des Brennstoffbetts ist mit 58 und das Niveau des fluidisierten Brennstoffbetts mit 6o bezeichnet» Wie ersichtlich, gefcen die überhitzerrohre 56 nicht unter das statische Niveau 58 hinaus nach unten, während sich die üiederohre 55 über die ganze Tiefe des Brennstoffbetts erstrecken. Diese Anordnung hat ebenfalls den schon erwähnten Torteil, daß ein Unterdrücken der Verbrennung durch Kühlan beim ,anfeuern vermieden wird und ein Verbrennen der Überhitzerröhre beim Abschalten des fluidisierten Brennstoffbetts ausgeschlossen ist.

Bei dem kreisförmigen Querschnitt des Brennstoffbetts *

und der Hohre kann ein mittlerer überlauf 62 vorgesehen werden, dieser wird durch eine zylindrische Wand 64 aus wasserführenden Rohren gebildete Der Vorteil ein&s solchen mittleren überlaufs liegt darin, daß er ebenfalls zur Gleichmäßigkeit des Brennstoffbetts beiträgt.

*Vie in Verbindung mit dem dampfkessel 1o nach i'ig. 1 und 2 beschrieben, können wenigstens einige der die vVände 5^- bildenden Hohre als Fallrohre für die !'.'ührung des Dampfs aus einer i'roinmel (nicht dargestellt) zu den Überhitzerrohren 56 dienen»

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wie ebenfalls in Verbindung mit dem Dampfkessel 1o beschrieben, kann eine zweite IJberhizterstufe 66 vorgesehen sein, in der die Beheizung mittels der heißen Verbrennungsgase des Brennstoffbetts stattfindet. Diese Anordnung hat selbstverständlich auch wieder den Vorteil, der in Verbindung mit dem Dampfkessel 1o erläutert wurde.

Obwohl nicht dargestellt, können Speisewasservorwärmer-Stufen vorgesehen werden, um den die Überhitzerstufe 66 verlassenden Gasen noch "weitere Wärme zu entziehen. Ferner kann ein Zwischenüberhitzer vorgesehen werden, wobei einige des? Überhitzerröhre 56 durch Zwigchenüfcerhitzerrohre ersetzt werden und schließlich kann eine zweite Zwischenüberhitzerstufe ähnlich der Überhitzerstufe 66 vorgesehen werden.

Der Dampfkessel kann natürlich mit dem Fluidisierungsgas bei atmosphärischen oder bei höheren Drücken betrieben werden.

»Vie in Verbindung mit dem Dampfkessel 1o beschrieben wurde, kann die Wand 54- innerhalb eines äußeren zylindrischen Gehäuses 7o angeordnet sein, das zusammen mit der wand y\ einen nach unten führenden Kanal 52 für die Zuführung der Verbrennungsluft zum Brennstoffbett bildet. Diese Anordnung hat wieder den Vorteil, daß das Gehäuse 7o nur den erhöhten Druck auszuhalten hat, wenn das Brennstoffbett mit erhöhtem Druck arbeitet, während die Wand 54 nur der hohen Brennstoff betTbeaperatur unterliegt»

Obwohl in der vorstehenden Beschreibung die Ausdrücke "wasser" und "Dampf" benutzt sind, sollen diese Ausdrücke andere Flüssigkeiten und ihre Dämpfe je nach den gegebenen Verhältnissen einschließen«,

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   <\»J kit einem fluidisierten Brennstoffbett betriebener dampfkessel, der einen Verdampfungsabschnitt und einen uberhitzungsabschnitt aufweist, d a d u r c h g e kennzeichnet, ' daß sich wenigstens ein Teil der den Verdampfungsabschnitt bildenden Siederohre und wenigstens ein Teil der den Uberhitzungsabschnitt bildenden Überhitzerrohre im fluidisierten Brennstoffbett befinden und die im Brennstoffbett befindlichen Siede- bzw. überhitzerröhre (2o,55;26,56) so angeordnet sind, daß sich biede- und Über- | hitzerrohre wenigstens in einer Richtung des Brennstoffbettquerschnitts abwechseln«
2. 2. Dampfkessel nach Anspruch 1, d a d u rc h gekennze ichnet, daß die im Brennstoffbett befindlichen Siederohre (2o,55) über die ganze Höhe des fluidi- ' sierten Brennstoffbetts verteilt angeordnet sind, während die im Brennstoffbett befindlichen Uberhitzerrohre (26,56) so verteilt angeordnet sind, daß sie sämtlich oberhalb des statischen Niveaus des Brennstoffbetts liegen. -
3. 3. Dampfkessel nach Anspruch 1 oder 2, dad u r c h ■■ M gekennzeichnet, daß der überhitzerabschnitt ™ eine erste und zweite Stufe umfaßt, wobei die überhitzerronre der ersten Stufe sich im Brennstoffbett befinden, während die Überhitzerrohre der zweiten Stufe durch die heißen Verbrennungsgase aus dem Brennstoffbett beheizt sinde
4. 4. Dampfkessel nach Anspruch 3» dadurch g e k e η η .z e i c h η e t, daß zwischen der ersten und zweiten Überhitzerstufe ein EntÜberhitzer eingeschaltet ist_o
5. 5. Dampfkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h ge k e η η ze i c h η e t, daß das Brenn-

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   stoffbett einen rechteckigen Querschnitt aufweist und die öiederohre mit den Überhit zr'errohren in einer Richtung des Brennstoffquerschnitts abwechseln»
6. 6. Dampfkessel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Siede- und Überhitzerrohre zickzackförmig angeordnet sind, indem eine Anzahl von geraden waagerechten Rohrlängen übereinanderliegend durch U-Krümmer verbunden ist.
7. 7. Dampfkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a - m durch gekennzeichnet, daß das Brennstoff-

   ^fli bett einen rechteckigen querschnitt aufweist und die Siede- und Überhitzerrohre in Form von schraubenförmigen Windungen angeordnet sind, die miteinander abwechseln.

   8e Dampfkessel nach Anspruch 7, dadurch g e kennze ichnet, daß eine innere zylindrische Wand aus wasserführenden Rohren axial zum Brennstoffbett angeordnet ist, die einen oben offenen überlauf für die fluidisierten Teilchen bildet.

   % Dampfkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die das

   •Brennstoffbett einschließende Wand bzw. einschließenden Wände aus wasserführenden Rohrwänden gebildet sind und einige der Rohre dieser Wände als Fallrohre für den Dampf dienen, um ihn den im Brennstoffbett befindlichen tiberhitzerrohren zuzuführen O

   Ιο«, Dampfkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die das ■ Brennstoffbett einschließende 'wand bzw. einschließenden Wände innerhalb eines äußeren, vorzugsweise zylindrischen Gehäuses

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   angeordnet sind, das mit der wand bzw· den Wänden des Brennstoffbetts einen Kanal für die Zufuhr der Fluidisierungsluft zum Brennstoffbett bildet«