DE2150112A1 - Brenneranordnung mit verminderter Emission von die Luft verunreinigenden Stoffen - Google Patents

Description

TRW
Redondo Beach, Calofornia, USA

betreffend:

Brenneranordnung mit verminderter Emission von die Luft verunreinigenden Stoffen

Priorität: 20. November 1970

Die Erfindung betrifft Brenneranordnungen, die allgemein für die Verbrennung fossiler Brennstoffe verwendet werden. Insbesondere richtet sich die Erfindung auf Brenneranordnungen, welche für wünschenswerte Plammencharakteristiken sorgen und welche die Emission gasförmiger und partikelförmiger die Luft verunreinigender Stoffe vermindern.

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Typische Brenner anordnungen weisen zwei oder mehr Öffnungen auf, durch welche ein Brennstoff oder ein Sauerstoffträger bzw. ein Oxydationsmittel in eine äußere Mischzone ausgeblasen wird. Das Mischen findet in der äußeren Mischzone statt, indem man den einen Reaktionsteilnehmer - Strom auf einen anderen treffen läßt und hierdurch für die Zerstäubung des Brennstoffs sorgt. Sobald einmal die Reaktionsteilnehmer aus den Öffnungen ausgetreten sind, ist eine weitere Behandlung dieses Reaktionsteilnehmer-Stroms nicht beabsichtigt. Dagegen führt das einfache Auftreffen eines Reaktionsteilnehmer-Stroms auf einen anderen nicht zu einer optimalen Vermischung.

Auch typisch für die heutigen Brennereinrichtungen ist es, für einen Brennstoffdurchlaß und eine Öffnung zu sorgen, die den Brennstoff direkt in eine äußere Mischzone austrägt bzw. ausbläst. Die Zerstäubung des Brennstoffs findet in der äußeren Mischzone statt, indem man den Brennstoff-Strom auf einen Oxydations-Strom auftreffen läßt. Eine Vorkonditionierung des Brennstoffs vor seinem Ausstoßen aus der Öffnung wird selten versucht. !Typische Brenneranordnungen sind in der US-Patentschrift 1 934 837 (Zulver); der US-Patentschrift 3 254 846 (Schreter) und der US-Patentschrift 3 205 656 (Elverum Jr.) beschrieben.

Es ist allgemein bekannt, daß zur Verminderung der Emission von Oxyden des Stickstoffs es wünschenswert ist, die Verweilzeit auf ein Minimum herabzusetzen, während der heiße Stickstoffmoleküle in Kontakt mit nicht umgesetztem Sauerstoff sich befinden und das Verbrennungsverfahren bei minimalen "Temperaturen durchzuführen. Die Verweilzeit kann geregelt werden, indem das Verbrennungsverfahren schnell* und nahe bei homogenen stöchiometrischen Bedingungen abgeschlossen wird. Die Plammentemperaturverminderung kann

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erreicht werden, indem die Wärme von der Flamme fort abgestrahlt wird und indem die Reaktionsteilnehmer mit einem Inertgas verdünnt werden. Diese Bedingungen führen auch zueiner Verminderung von Kohlenmonoxyd, Wasserstoff und auch von Partikelemission.

Nach der Erfindung tragen eine gute Zerstäubung und Mischung der Reaktionsteilnehmer zu einer schnellen und vollständigen ■Verbrennung bei und vermindern so die Verweilzeit. Zerstäuben und Mischen führen auch zu gleichförmigen Mischverhältnisbedingungen über die Verbrennungszone} die Temperaturbedingungen sind also gleichförmig. Auch wird erfindungsgemäß die Abstrahlung von der Flamme gesteigert, indem man die Flamme in einem im wesentlichen hohlen Konus mit dünnen Wandungen formt.

Erfindungsgemäß soll also eine Brenneranordnung vorgeschlagen werden, bei der eine verbesserte Durchmischung der ReaktionBteilnehmer in der äußeren Mischzone stattfindet.

Auch soll erfindungsgemäß eine Brenneranordnung vorgeschlagen werden, bei der die Vorbehandlung des Brennstoffs vor dem Einführen in die äußere Mischzone vorgesehen wird.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Brenneranordnung, bei der die Gestalt der Brennflamme selektiv regelbar sein kann.

Schließlich wird noch eine Brenneranordnung vorgeschlagen, bei der eine reduzierte Emission gasförmiger und partikelfönniger Luftverunreinigungen gegeben ist.

Erfindungsgemäß umfaßt die Brenneranordnung eine Gruppe koaxialer zwei Strömungsbahnen bildender Leitungen, die in eine Brennzone führen. Das Verteilerrohr oder die innere,""

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leitung umfaßt eine Gruppe radialer Öffnungen oder Bohrungen nahe dem Verbrennungszonenende der Verteilerleitung. So wird luft oder irgend ein anderes gasförmiges Oxydationsmittel, das aus der ringförmigen Öffnung austritt, durch einen Brennstoff aufgehalten, der aus den radialen Öffnungen austritt. Das Mischen erfolgt als Ergebnis eines Impulsaustausches zwischen den Reaktionsteilnehmer-Strömen und einem aerodynamisch gebildeten Schirmeffekt. Bin weiteres Durchmischen erfolgt durch Ablenkung eines Teiles der Iiüft | von einer Deflektorscheibe am Ende des Verteilerrohrs.

Zusammengefaßt kann also gesagt werden, daß ein paar koaxial angeordneter Leitungen vorgesehen wird, welche Strömungsbahnen bilden, über die brennfähige Reaktionsteilnehmer einer Verbrennungszone zugeleitet werden. Die zentrale leitung, auch als Verteilerleitung bekannt, erstreckt sich bis innerhalb der Verbrennungszone und umfaßt ein Scheibenelement am brennzonenseitigen Ende zum Ablenken eines oxydierenden Reaktionsteilnehmers, der sich axial außen längs des Verteilerrohrs bewegt. Ein Brennstoffreaktionsteilnehmer, der in das Verteilerrohr eingeführt wird, wird zu dessen brennzonenseitigen Ende getragen, wo er durch Radialöffnungen " austritt und auf den oxydierenden Reaktionsteilnehmer auftrifft, um eine hohle Eonusflamme zu bilden. Zusätzlich ist ein Mischerelement innerhalb des Verteilerrohrs vorgesehen und übt eine zentrifugale Bewegung auf die flüssigen Brennstoffe aus, die dann einer Zerstäubung im Bereich der radialen Öffnungen ausgesetzt werden. Eine Temperaturkonditionierung des Brennstoff-Zerstäubergases kann wünschenswert vorgenommen werden, um die Oberflächenspannung des. flüssigen Brennstoffes zu reduzieren und eine Verdampfung hervorzurufen. - .

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Der Brenner umfaßt weiter Einrichtungen innerhalb der Verteilerleitung, die dafür sorgen, daß flüssige Brennstoffe auf die Innenwandungen des Verteilerrohrs mitgerissen werden. Dieser Brennstoff wird dann Scherkräften an den radialen Öffnungen ausgesetzt, die dazu beitragen, den Brennstoff zu zerstäuben. Unter Regelung des Impulses der Reaktionstei'lnehraer-Ströme, durch richtige Bemessung der Ablenkscheibe und durch selektives Positionieren der Gruppe von öffnungen nimmt die Flamme die Gestalt eines hohlen Konus mit einer relativ dünnen Wandung ein, die bezüglich der niedrigen Emission der verunreinigenden Produkte/ist.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen

- Figur 1 eine Teilansicht, teilweise im Schnitt und teilweise schematisch, einer Brenneranordnung in Verbindung mit einer Brennkammer nach der Erfindung ist; und

- Figur 2 ist ein Teilschnitt durch eine alternative Ausführungsform der Brenneranordnung nach Figur 1.

Nach Figur 1 wird eine Brennzone oder -kammer 10 im allgemeinen gebildet durch eine zylindrische Wandung 11 und eine Stirnwandung 12. Die Brennkammer 10 ist am unteren Ende abgebrochen dargestellt und deren weitere Einzelheiten sind zur Vereinfachung der Zeichnungen nicht gezeigt. Die Brennkammer kann jedoch ein Element in einer Stromerzeugungsanlage, in einer Industriewärmeanlage oder in einer. Raumheizung sein.

Eine zylindrische Leitung 13 tritt in die Brennkammer durch die Stirnwandung 12. Eine zweite, im folgenden "Verteilerleitung" genannte Leitung 14 ist koaxial innerhalb der Leitung 13 angeordnet und erstreckt sich bis in die Brennkammer. Das eine Ende 15 des Verteilerrohrs bzw. der

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Verteilerleitung 14 trägt ein zylindrisches Scheibenelement Das Verteilerrohr 14 weist weiterhin eine Gruppe radialer Öffnungen oder Auslässe 17 auf, die umfangsmäßig um das Verteilerrohr nahe dessen einem Ende 15 angeordnet sind. Die Leitung 13 dient zusammen mit dem Verteilerrohr 14 dazu, eine Ringströmungsbahn 18 zu bilden.

Die Brenneranordnung umfaßt weiterhin Einrichtungen zum Einführen eines Oxydationsmittels aus irgend einer beliebigen Quelle in die Ringströmuhgsbahn 18, die einfach eine Oxydationsspeiseleitung 20 umfassen können. Die Brenneranord·^ nung umfaßt auch Einrichtungen zum Einführen eines Mischgases aus irgend einer zweckmäßigen Quelle in das Verteilerrohr 14, welches einfach aus einem Mischgaszuführungsrohr bestehen kann, welches zusammen mit dem Verteilerrohr eine kontinuierliche Strömungsbahn bildet. Zusätzlich umfaßt die Brenneranordnung Einrichtungen zum Einführen eines Brennstoffs aus irgend einer zweckmäßigen Quelle in das Verteilerrohr 14, die in Form einer Brennstoffzuführungsleitung 22 vorliegen können, die in das Verteilerrohr an der Öffnung austritt.

" Die Arbeitsweise der bisher beschriebenen Brenneranordnung soll nun untersucht werden. Ein oxydierendes Gas, wie z.B. Luft, wird in die Oxydierer-Zuführungsleitung 20, wie durch den Pfeil bei 24 angedeutet, eingeführt und kann aus irgend einer zweckmäßigen Oxydationsmittelquelle gespeist werden. Das Oxydationsgas (oxidizer gas) strömt den ringförmigen Weg 18 nach unten und erzeugt einen Mantel aus Oxydationsgas um das Verteilerrohr 14.

Ein Brennstoff, z.B. Methan, wird in die Brennstoff zuführungsleitung 22, wie mit dem Pfeil 25 angedeutet, eingeführt und kann aus irgend einer zweckmäßigen Brennstoffquelle versorgt werden. Der Brennstoff tritt in das Verteilerrohr

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durch eine Öffnung 23» wie durch den Pfeil 26 angedeutet, ein, Der Brennstoff verbindet sich mit einem Mischgas, welches, wie durch den Pfeil 27 angegeben, eingeführt wird. Das Mischgas kann einfach ein Oxydationsgas, ein inertes Gas, z.B. Stickstoff sein oder es kann sich um Verbrennungsgasprodukte handeln, die von der Brennkammer durch eine Samialleitung 28 und die Bückführleitung 30 im Kreislauf rezirkuliert werden. Der Rezirkulationskreis kann eine Zentrifugalpumpe 31 oder andere Einrichtungen umfassen, um eine Rezirkulationsströmung zu induzieren, beispielsweise eine Strahlpumpe oder einfach ein Gebläse.

Brennstoff und Mischgas strömen das Verteilerrohr 14 gegen die radialen Öffnungen 17 nach unten und werden infolge turbulenten Mischens der Gase einander zugemischt· Die Zumischung tritt durch die radialen Öffnungen und erzeugt eine Vielzahl von Gasstrahlen um das Verteilerrohr, von denen jeder auf den Mantel aus oxydierenden Gas trifft.

Dieses Auftreffen führt zu einem Mischen des Brennstoffgemisches und des oxydierenden Gases in einer äußeren Mischzone, die mit dem Bezugszeich—en 32 bezeichnet ist; die Gasströmung ist allgemein durch die Pfeile 33 angedeutet. Das äußere Mischen wird verstärkt durch das Vormischen, welches innerhalb des Verteilerrohrs 14 erfolgte. Das äußere Mischen wird weiter durch das Vormischen gesteigert, welches innerhalb des Verteilerrohres 14 stattfand. Das äußere Mischen wird weiterhin verstärkt durch das Vormischen, welches innerhalb des Verteilerrohres 14 stattfand. Das äußere Mischen wird weiter durch oxydierendes Gas verstärkt, welches zwischen den Brennstoffstrahlen durchtritt und wird durch die Deflektorscheibe 16 abgelenkt. Das abgelenkte oxydierende mit 34 bezeichnete Gas trifft auf den mit 35. . bezeichneten Hauptstrom, wo eine weitere Mischung erfolgt^

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So ist eine sehr sorgfältig durchmischte Gruppe τοπ Reaktionsteilnehmern gegeben, die dazu beiträgt, ein vollständiges Verbrennungsverfahren, eine lokale Regelung des Oxydationsmittel- und Brennstoffgemischverhältnisses und damit reduzierte Emissionen von die Luft verunreinigenden Stoffen sicherzustellen. .

Zusätzlich zu einer eingehenden Durchmischung ist es wünschenswert, eine Brennerflamme vorzusehen, welche in der allgemeinen Form eines Hohlkonus mit dünnen Wandungen vorhanden ist. Solch eine Flamme ist hei 36 dargestellt. Die Gestalt der Flamme kann durch die Geometrie des Brenners und die Fluidstromimpulsverhältnisse gesteuert werden. Es hat sich erfindungsgemäß herausgestellt, daß das Verhältnis des Impulses im Oxydationsmantel zum Impuls des Brennstoff gemischstromes zwischen 6:1 und 15:1 liegen sollte. Auch zwei geometrische Verhältnisse sind vorhanden. Eines ist das Verhältnis des Deflektorscheibendurchmessers zum Verteilerrohrdurchmesser. Während dieses Verhältnis zunimmt, nimmt der eingeschlossene Kegelwinkel zu. Das andere.Verhältnis ist die Entferung zwischen der Deflektorscheibe 16 und den Öffnungen 17. Dieses Verhältnis "beeinflußt die Gestalt der konischen Flamme durch Verändern des eingeschlossenen Winkels. Beispielsweise erzeugte eine Brenneranordnung mit einer Deflektorscheibe von 11,43 cm (4,5 inch) 0, einen 0 des Verteilerrohrs von 7,6 cm (3,0 inch) und einem 0'der Oxydationsmittelleitung von 9,9 cm (3,9 inch) eine Leistung

von 0,504 χ 10⁶ Kcal/h ( 2 χ ΊΟ⁶ BTU/hour).

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist der Einbau eines Mischelementes, welches innerhalb des Verteilerrohrs 14 gelagert oder darin ausgebildet ist. Eine hohlzylindrische Einrichtung 37 dient als solches Element. Es' umfaßt Schraubenflächen 38, die dazu dienen, zentrifugale Kräfte auf den Brennstoff und das Mischgä^ätfszuüben. Werden flüssige

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Brennstoffe, wie z.B. Öl verwendet, so wird die Flüssigkeit nach außen zentrifugiert und auf den Innenwandungen des Verteilerrohres H mitgerissen. Erreicht der flüssige Brennstoff die radialen Öffnungen, so setzt das Mischgfas die Flüssigkeit hohen Scherkräften aus, die die Flüssigkeit in einem feinen nebelartigen Dunst aufbrechen. Diese Wirkung sorgt für ein ausgezeichnetes Tormischen des Brennstoffs und des Mischgases vor einem zusätzlichen Mischen in der äußeren Mischzone 32. Das Zentrifugieren der flüssigen Brennstoffe wird gesteigert, indem Brennstoff tangential in das Verteilerrohr 14 eingeführt wird und somit dem Brennstoff eine zentrifugale Bewegung erteilt wird, bevor er das Mischelement 37 erreicht.

Das Einführen von Brennstoff durch das Brennstoffspeiserohr 22 kann mit Einrichtungen zum Einführen pulverisierter Feststoffe, beispielsweise einem Pulverisations- und Konditionsmechanismus 29 arbeiten, in welchem Feststoffmaterialien über einen !Trichter 39 gegeben werden. Die Merkmale des Vormischens nach der Erfindung sind besonders geeignet für die Behandlung von pulverförmigem Feststoff.

Eine weitere Steuerung der Flammentemperatur und der Verbrennung kann durch ein oder mehrere sekundäre Gassamm.elleitungen 40, 41 vorgenommen werden. In die obere sekundäre Gassammelleitung 40 eingeführte Luft ermöglicht eine zusätzliche Verbrennung, wenn die Brenneranordnung auf der:- "brennstoffreichen" Seite der stöchiometrischen Bedingungen betrieben wird. Luft kann auch durch die untere Sammelleitung 41 «ingeführt werden, um eine rasche Abstrahlung der Flammentemperatur zu induzieren, was wünschenswert für Reduktion der Oxyde des Stickstoffes ist. Die Rezirkulation der Brenngase in der vorher beschriebenen Weise ist auch brauchbar zum Absenken der Verbrennungstemperaturen·

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Eine Vorwärmimg des Brennstoffes ist auch ein richtiges Mittel zum Steuern der Verbrennungscharakteristiken. .,

Eine zusätzliche Temperaturabstrahlung ist vorgesehen, indem kaltes Gas zum Inneren der konischen !"lamme geleitet wird. PUr diesen Zweck ist ein Kühlgasrohr 42 koaxial innerhalb des Verteilerrohres 14 angeordnet. Irgend eine zweckmäßige Einrichtung kann verwendet werden, um dieses;, mit Kühlgas zu beaufschlagen. Das Kühlgasrohr erstreckt " sich durch die Deflektorscheibe 16 und führt kühlendes Gas. in das Innere der Flamme 36. Ein anderer Deflektor 43 kann von der Deflektorscheibe 42 abgehängt werden, um das kühlende Gas radial nach außen und längs der Flammenfront zum Abführen der Wärme zu richten.

Weitere Merkmale der Brenneranordnung läßt Figur 2 erkennen. Das Verteilerrohr 14 ist hier durch ein geeignetes Gestänge mit einer Translationseinrichtung 45 gekoppelt, welche Einrichtungen aufweist, um dem Verteilerrohr 14 eine Axialbewegung zu erteilen. Das brennerseitige Ende oder das eine Ende 15 des Verteilerrohres umfaßt eine konische Fläche 46, die eine Dichtfläche bildet, die in Eingriff mit einer hierzu passenden Konusfläche 47 kommt, wenn das Verteilerrohr 14 gegen den Oxydationsauslass gezogen wird.

Figur 2 ist hinsichtlich-der Darstellung längs der Mittellinie 48 getrennt lind zeigt das Verteilerrohr 14 in2seiner unbegrenzt wählbaren Stellungen. Die axiale Translation führt zu einer Änderung der Oxydationsringfläche und sorgt „ so dafür, daß der Strömungsdurchsatz sich ändert, wenn der anströmseitige Speisedruck konstant gehalten wird. Auf diese Weise kann das Abschalten durch Drosseln der Fläche vorgenommen werden, während die Mischcharakteristiken der Auslegung beibehalten werden können.

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Beschrieben wurde eine Brenneranordnung, die für ein inneres Mischen des Brennstoffs gefolgt -von einem äußeren Mischen unmittelbar anströmseitig zur Flamme sorgt, Das äußere Mischen wird erreicht sowohl durch Impulsaustausch zwischen direkt aufeinandertreffenden Brennstoff- und Oxydationsmittelströmen sowie durch einen abgelenkten Oxydationsstrom, der auf die -vorhergenannten direkt aufeinandertreffenden Ströme auftrifft. Weiterhin wird die Temperatur der flamme durch Formen der Flamme gesteuert, was einen hohen Strahlungsgiad gibt sowie durch Einrichtungen, um in variabler Weise die Bestandteile der leaktionsteilnehmer zu steuern.■ .

Patentansprüche

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Claims (11)

1. - 12 Patentansprüche

   ( 1. !Brenneranordnung kennzeichnet durch
   —a.) eine Ringleitung;

   b.) ein Verteilerrohr, welches im wesentlichen koaxial innerhalb der Kingleitung gehaltert ist, wobei ein Ende hiervon innen aus der Ringleitung vorsteht und bis in eine Brennzone reicht, wobei die leitung mit dem Verteilerrohr einen im wes-entlichen ringförmigen Durchlaß bildet;

   c.) eine mit einem Ende an diesem Verteilerrohr befestigte Ablenkscheibe mit einem Durchmesser größer als dem des Verteilerrohrs, wobei dieses Verteilerrohr sich durch eine Umfangsanordnung radialer Öffnungen in der Nähe dieses Deflektors auszeichnet; ,

   d.) Einrichtungen zum Einführen eines Oxydationsmittels in diesen Ringkanal;

   e.) Einrichtungen zum Einführen eines Mischgases in das

   Verteilerrohr; und
   f.) Einrichtungen zum Einführen eines Brennstoffs in dieses Verteilerrohr.
2. 2.) Brenneranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch . ., diesem Verteilerrohr zugeordnete Translationseinrichtungen, die für dessen axiale Bewegung sorgen.
3. 3.) Brenneranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein innerhalb dieses Verteilerrohres gehaltenes Mischer^ element mit Einrichtungen, um'den vorbeistreichenden

   Pluiden eine zentrifugale Bewegung zu erteilen.

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   stm
4. 4·) Brenneranordnung, nach Anspruch 3, .dadurch gekennzeichnet, daß diese Brennstoffzuführungseinrichtungen Mittel zur tangentialen Brennstoffzuführung zu diesem yerteilerrohr aufweisen.
5. 5. ) Brenneranordnung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Einführen eines Brennstoffes Einrichtungen zur Zugabe pulverisierter $estsfe?ffe_; zu einem gasförmigen Brennstoff aufweisen.
6. 6.) Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Impulses in der Ringkanal,strömung zu dem im Verteilerrohr zwischen 8 und 12Ir t beträgt.
7. 7,) Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Deflektor einen nach außen sich erweiternden Übergang zwischen dieser Deflektorscheibe. und.diesem Verteilerrohr aufweist. ... .
8. 8.) Brenneranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein koaxial durch dieses Verteilerrohr und diesen^rDeflektor reichendes Eühlgasrohr, welches in das Innere derYerbrennungszone hinausragt.
9. 9.) Brenneranordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen weiteren von der Deflektorscheibe abgehängten Deflekt or," um radial aus diesem Eühlgasrohr austretendes Kühlgas zu richten.
10. 10.) Brenneranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Einführen sekundärer Oxydationsmittel in die Brennkammer und zum Äußeren der Ver"brenhüngszone.

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11. 11.) Brenneranordttung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur variablen Steuerung der Temperatur der Reaktion "bzw. der Reaktionsteilnehmer.

    12;..)': Brenneranorjänung; nach. Anspruch 11 ,dadurch gekennzeichnet, daß die ieT^eratursteuereiiirlchtungeii Eittel· zum Re-Zirkulieren eines Teiles der Brenngase aus der Yer— brennungszone und in das Verteilerrohr aufweisen.

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