DE2412563A1

DE2412563A1 - Verfahren zur verwertung von muell und anderen brennbaren abfallstoffen sowie anlage zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2412563A1
Application number: DE2412563A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Kiener & Borst oHG
Current assignee: Kiener & Borst oHG
Priority date: 1974-03-15
Filing date: 1974-03-15
Publication date: 1975-09-25

Description

Patentanwälte

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513-22.313P 15. 3· 1974

KIENER und BORST OHG, 7322 Schloß Ramsberg

Verfahren zur Verwertung von Müll
und anderen brennbaren Abfallstoffen
sowie Anlage zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verwertung
von Müll und anderen brennbaren Abfallstoffen, bei dem die Müllstoffe durch die Abgase direkt oder indirekt getrocknet werden. Ferner betrifft die Erfindung eine nach diesem Verfahren arbeitende Müllverwertungsanlage, in der die in den Müllstoffen enthaltene chemische Energie durch Verbrennung in Wärme und daraus in mechanische Energie umgesetzt wird, wobei die bei der Verbrennung anfallenden heißen

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Abgase zur direkten Trocknung des angefahrenen Mülls verwendet werden.

Aufgrund gesetzlicher Bestimmungen, die das Ablagern von Müll in Deponien immer weiter einschränken, wurden verschiedene Verfahren entwickelt, um den Müll von vorzugsweise Kommunen aufzubereiten und die in ihm enthaltenen wertvollen Bestandteile entweder in Form von Wärme, kinetischer Energie und Baustoff-Schlacken oder als Düngemittel dem Wirtschaftsprozeß wieder zurückzuführen. Diese bekannten Verfahren lassen sich in zwei Gruppen unterteilen. Je nach dem Standort der entsprechenden Müllverwertungsanlage wird entweder eine Müllkompostierung oder ein Müllkraftwerk bevorzugt.

Bei modernen Müllkraftwerken, in denen die erzeugte Wärme entweder zur Elektrizitätserzeugung oder z.B. als Dampf für Fernheizungen verwertet wird, erfolgt die Verbrennung des meist vorzerkleinerten und getrockneten Mülls auf Rosten oder in Drehrohröfen mit zusätzlicher Öl- oder Kohlenstaubfeuerung, die aufgrund der heterogenen Eigenschaften des Mülls zum Ausgleich des schwankenden Müllheizwertes notwendig ist. Eine Heizwertanreicherung der Müllstoffe ist insbesondere dann unbedingt notwendig, wenn der Müll in Dampferzeugern hohen Druckes und hoher Leistung verbrannt wird. Derartige Dampferzeuger haben zwei Brennkammern, von denen in einer Müll und in der anderen Kohle oder Öl verbrannt wird. Dabei können ca. 40 % der Dampfleistung durch die Müllrostfeuerung erreicht werden. (M. Andritzky: "Müllkraftwerk München", BWK 14 (1962), S. 232, 233 und 237).

Zur Verbesserung der Wärmebilanz ist es ferner bekannt, bei sehr

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feuchtem Müll eine Trocknung durch Rauchgasrückführung zu erreichen, indem ein mit Preßluft betriebener Injektor einen Teil der Rauchgase aus dem Feuerraum absaugt, mit Luft versetzt und das Rauchgas-Luftgemisch durch die Müllschicht drückt.

Der wesentliche Nachteil bestehender Müllverbrennungsanlagen oder von Müllkraftwerken liegt in der relativ geringen Ausnutzung der in den Müllstoffen enthaltenen chemischen Energie in bewegungs- bzw. elektrische Energie, also am geringen effektiven Wirkungsgrad derartiger Anlagen. Die vergleichsweise geringe Energieausnutzung ist vorzugsweise darauf zurückzuführen, daß die anfallenden Wärmemengen in Dampfkraftwerken umgewandelt werden müssen, deren effektiver Wirkungsgrad selbst für hochwertige Brennstoffe bei höchstens 20 % liegt und in denen die Abwärme nur bedingt ausgenutzt wird. Bei Verwendung minderwertiger Betriebsstoffe sinkt der Wirkungsgrad noch weiter ab, bei Müll mit Sicherheit einiges unter 10 %. Je geringer jedoch der Wirkungsgrad wird, um so größere Mengen an Kohle oder Öl müssen zusätzlich mitverfeuert werden. Neben der geringen Energieausbeute stellen die bei den vorwiegend angewandten offenen Kühlkreisläufen anfallenden Kühlmittel, insbesondere erwärmtes Wasser, einen weiteren nachteiligen Faktor dar, da sich das biologische Gleichgewicht von beispielsweise Flüssen ändern kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein umweltfreundliches Verfahren zur Verwertung von Müll und anderen brennbaren Abfallstoffen aufzuzeigen, bei dem die anfallenden Müllstoffe mit gegenüber bekannten Müllverbrennungsverfahren erheblich gesteigerter Energieausbeute

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verbrannt werden, sowie eine nach dem Verfahren arbeitende Anlage zu schaffen, in der die bei der Verbrennung anfallenden Wärmemengen weitgehend in mechanische Arbeit umgewandelt werden, wobei die an*- fallenden Verbrennungsgase geruchlos und umweltfreundlich sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die getrockneten Müllstoffe durch Teilverbrennung mit Luftunterschuß und Überdruck vergast, das entstandene heiße Brenngas unter Rückgewinnung seiner Wärme zur Trocknung der Müllstoffe bis zum Kondensationspunkt gekühlt, weitgehend isothermisch komprimiert und danach durch Abwärme wieder erwärmt wird, und daß das komprimierte, heiße Brenngas in einem Gleichdruck-Kolbenmotor verbrannt wird, wobei die für die Verbrennung notwendige Verbrennungsluft weitgehend isothermisch verdichtet, anschließend durch die Motorabgase erwärmt und über gesonderte Leitungen in annähernd stöchiometrischem Mengenverhältnis zum Brenngas dem Motorverbrennungsraum zugeführt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich gegenüber bekannten Müllverbrennungsverfahren hauptsächlich durch die gesonderte Vergasung der Müllstoffe in einem oder mehreren Reaktoren, die durch Teilverbrennung des Mülls mit Luftunterschuß abläuft. Die Wärmeenergie der heißen Brenngase wird einmal zum Vorwärmen der zur Vergasung notwendigen, vorzugsweise auf 1,0 atü komprimierten Teilluft sowie zur Dampferzeugung für z. B. Fernheizungen etc. ausgenutzt. Die Wärmeabgabe der heißen Brenngase hat den weiteren wesentlichen Vorteil, daß die Gase bis auf ca. 140 C heruntergekühlt werden, bevor sie in einem gekühlten Gaskompressor annähernd isothermisch kompri-

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miert werden, evtl. durch Einspritzen von Wasser. Die Menge an Verbrennungsluft soll höchstens 10 % über dem theoretisch für eine vollständige Müllverbrennung notwendigen Wert liegen.

Das Verfahren läuft so ab, daß an keiner Stelle des Systems die Gas- bzw. Lufttemperaturen unter den Kondensationspunkt des Wasserdampfes fallen, damit keine Abscheidung aggressiver Wässer stattfinden kann, die die Innenwand der Anlage angreifen würden.

Zur Verbesserung der Vergasungs-Wirkung ist es zweckmäßig, den Druck der Vergasungs-Luft durch einen abgasbetriebenen Turbolader zu erhöhen.

In der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Müllverwertung sanlage sind mehrere, jeweils auf Trocknungs- und Vergasungsbetrieb umschaltbare Reaktoren vorgesehen, von denen der jeweils als Trockner arbeitende Reaktor an die Abgasleitung einer Kolben-Brennkraftmaschine angeschlossen und der (die) als Müllstoff-Vergaser arbeitende (n) Reaktor (en) mit einer geregelten Heißluftmenge beaufschlagt ist (sind) . Die Vergasungsluft wird in einem von den heißen, im Vergaser-Reaktor erzeugten Brenngasen durchströmten Wärmetauscher auf ca. 300 bis 400 C aufgewärmt und die dadurch gekühlten Brenngase in einem gekühlten Kompressor verdichtet. Die komprimierten Brenngase und die in einem gesonderten Kompressor auf den gleichen Druck verdichtete Verbrennungsluft wird über getrennte Leitungen in einen Brennraum eines Gleichdruck-Kolbenmotors geführt, dort intensiv vermischt und durch Selbstzündung verbrannt. Die Verbrennung

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G.

im Motor läuft ohne wesentliche Drucksteigerung ab und erstreckt sich über einen erheblichen Teil des Kolbenhubes.

Bei der erfindungsgemäß eingesetzten Kolben-Brennkraftmaschine ist annähernd der gesamte Hubweg aus dem Zylinder in eine Ausnehmung des Zylinderkopfes verlegt, in die der lediglich in seinen unteren Teilen im Zylinder geführte Kolben unter Ausbildung eines schmalen Ringspaltes eintaucht. Der besondere Vorteil dieser Ausführung liegt darin, daß der Zylinderkopf gegenüber dem gekühlten Zylinder wärmeisoliert werden kann, so daß die Verbrennungswärme im Zylinderkopf gespeichert und dadurch dem thermischen Prozeß nicht entzogen wird. Um den hohen mittleren Temperaturen von ca. 1000 C in der als Brennkammer dienenden Zylinderkopfausnehmung besser standhalten zu können, sind die Innenwände der Ausnehmung und zumindest die Kolbenstirnfläche mit einem hochfeuerfesten Material dünn beschichtet. Neben der Wärmespeicherung im Zylinderkopf ergibt sich durch die gegenüber normalen Brennkraftmaschinen wesentlich erhöhten mittleren Brennraum-Temperaturen ein wesentlich verbesserter und gleichmäßigerer Verbrennungsablauf und daraus folgaid weitgehend schadstofffreie Abgase.

Neben der Verwendung des Brennkraft-Motors zum Antrieb eines Elektro-Generators können auch die Kompressoren direkt mit der Motor-Abtriebswelle gekoppelt werden, wodurch sich der Aufbau der Anlage vereinfacht.

Versuche haben ergeben, daß die Vergasung der Müllstoffe erheblich verbessert werden kann, wenn die zur Teilverbrennung im Vergasungsreaktor notwendige Luft in einem durch die Motorabgase angetriebenen Turbolader auf ca. 1,0 atü komprimiert wird.

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Zur Verhinderung von Umweltschäden durch die Trocknungs-Brüden und die Motorabgase ist eine Abgas-Brüden-Waschanlage dem jeweils als Trockner arbeitenden Reaktor nachgeschaltet.

Im folgenden wird eine Müllverwertungsanlage gemäß der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Fließschema der erfindungsgemäßen Müllverwertungsanlage ,

Fig. 2 einen Zylinder des in der Anlage nach Fig. 1 eingesetzten Brennkraft-Motors im schematischen Vertikalschnitt.

Die Müll Verwertungsanlage gemäß der Erfindung umfaßt mehrere, wechselweise umschaltbare Reaktoren,von denen in Fig. 1 ein als Trockner betriebener Reaktor 1 und ein als Vergaser arbeitender Reaktor 2 dargestellt sind. Die Reaktoren 1 und 2 sind durch geeignete, nicht dargestellte Schaltorgane umschaltbar, so daß der Reaktor 1 auch als Müllstoff-Vergaser und der Reaktor 2 als Trockner betrieben werden können. Durch diese Umschaltmöglichkeit wird ein kontinuierlicher Betrieb der Anlage sichergestellt und bei entsprechender Auslegung und Anzahl an Reaktoren ausreichende Trocknungs- und Vergasungszeiten ermöglicht . Die Vergasung der Müllstoffe im Reaktor 2 vollzieht sich durch Teil verbrennung von Müll und unter Umständen von hochwertigen Brennstoffen, falls der Heizwert der Müllstoffe zu gering ist. Hierzu wird in einem Turbolader 3 über eine Leitung 4, 5 auf ca. 1 atü komprimierte Luft in einem Wärmetauscher 6 auf ca. 300 bis 400 C vor-

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gewärmt und in den Vergasungs-Reaktor 2 eingeführt. Die Luftmengen werden über nicht dargestellte Meßfühler und Mengenregler so eingestellt, daß im Reaktor 2 eine zur vollständigen Vergasung der Müllstoffe ausreichende Temperatur aufrechterhalten vird, wobei die Müllstoffe jedoch nur unvollständig verbrennen und flüchtige Kohlenwasserstoffe abgespalten werden. Die 700 bis 800 C heißen Brenngase durchströmen den Luft-Wärmetauscher 6 sowie einen nachgeschalteten Verdampfer 7 durch eine Brenngas-Leitung 8, in denen sie auf ca. 140 C heruntergekühlt werden. Der im Verdampfer 7 erzeugte Dampf kann mit in die Vergasungsreaktoren 2 eingeführt werden, um die Vergasung zu fördern. Darüber hinaus kann der Dampf auch zur Senkung der Verbrennung s- bzw. Flammentemperatur im Brennraum der Kolbenmaschine verwendet werden.

Die Kompression der Brenngase auf einen Druck, der den technischen Umständen angepaßt ist, erfolgt in einem Gas-Kompressor 9, der von der Abtriebswelle 10 einer Kolben-Brennkraftmaschine 11 angetrieben wird. Um die von der Brennkraftmaschine aufzubringende Kompressionsarbeit für das Brenngas möglichst gering zu halten, ist der Kompressor als Mehrstufen-Kolbenkompressor mit Zwischenkühlern zwischen den einzelnen Verdichtungs stufen und gekühlten Wänden ausgebildet, so daß ein annähernd isothermischer Verdichtungs ablauf erreicht wird. Vom Gas-Kompressor 9 gelangt das komprimierte Brenngas über eine Druckleitung 12 in einen Wärmetauscher 13, der durch die die Brennkraftmaschine 11 über eine Auspuffleitung 14 verlassenden heißen Abgase aufgeheizt wird.

Die für die Verbrennung notwendige Luft wird von dem Turbolader

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vorverdichtet und strömt durch die Leitung 4 in einen mit der Abtriebswelle 10 gekoppelten Luftkompressor 15, der ebenfalls als gekühlter Mehrstufen-Kolbenkompressor mit Zwischenkühlern zwischen den einzelnen Verdichtungsstufen ausgebildet ist. Die auf den gleichen Druck wie die Brenngase komprimierte Verbrennungsluft gelangt über eine Druckleitung 16 in den Wärmetauscher 13 und wird so weit wie technisch möglich erwärmt. Über getrennte Strömungskanäle 17, 18 strömen die komprimierten heißen Gase in einen düsenartigen Brennraum, der in einer Ausnehmung 19 im Zylinderkopf 20 vorgesehen ist. Die für Kolbenmaschinen notwendige taktweise Zufuhr der Brenngase wird durch ein gemeinsames oder auch für jede Leitung gesondertes Ventil gesteuert, das in Fig. 2 schematisch als Schieber-Ventil dargestellt ist.

Nach Vermischen der beiden Gase erfolgt eine kontinuierliche Verbrennung durch Selbstentzündung, die nicht als Explosion - wie bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen - sondern unter Ausbildung einer Brenner-Flamme kontinuierlich abläuft, solange der Schieber 21 geöffnet ist. Durch den Ausgangsdruck der bis auf ca. 40 bis 50 atü komprimierten Gase beginnt der Kolben im Zylinder seinen Arbeitshub. Nach einem Teil-Hub schließt der Schieber 21, und der Kolben wird durch die folgende Expansion der durch die Verbrennung aufgeheizten Abgase bis zu seiner UT-Stellung gedrückt. Beim Kolbenrückhub öffnet ein Auslaßventil 22, durch welches die Abgase in die Auspuffleitung 14 gedrückt werden.

Zur Verbesserung der Wärmebilanz ist der ungekühlte Zylinder-

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kopf 20 gegenüber dem in üblicher Weise gekühlten Zylinder 23 durch eine Einlage 24 wärmeisoliert, wobei auch das Innere des Hohlkolbens eine Isolierung 25 trägt, um die Wärmeabstrahlung zum Motorblock möglichst gering zu halten. Die Wände der in den Zylinderkopf 20 eingearbeiteten Ausnehmung 19 ebenso wie das in diese Ausnehmung unter Ausbildung eines Ringspaltes ungeführt eintauchende obere Ende 26 des Kolbens sind mit einer hochfeuerfesten Auflage von einigen Zehntelmillimeter Dicke beschichtet, um die thermischen Beanspruchungen der Zylinderkopf- und der Kolbenmaterialien in Grenzen zu halten.

Die den Wärmetauscher 13 verlassenden Abgase treiben den Turbolader 3 an und verlassen ihn mit Temperaturen von ca. 200 bis 400 C. Zur Vermeidung von unerwünschten Verpuffungen oder Verbrennungen der Müllstoffe im Trocknungs-Reaktor ist in der Abgasleitung 30 zwischen dem Reaktor 1 und dem Turbolader 3 ein Luftinjektor 31 ,vorgesehen, der die Abgase durch Zusetzen von entsprechenden Frischluftmengen auf einen geeigneten Wert abkühlt, der unter der Selbstentzündungstemperatur des Mülls liegt. Die beim Trocknen der Müllstoffe durch die Abgase im Reaktor 1 entstehenden Brüden werden zusammen mit den Abgasen über eine Leitung 32 zu einer Waschanlage 33 geführt, in der die in den Gasen enthaltenen Schadstoffe ausgewaschen und abgeschieden werden.

Die Brennkraftmaschine 11 ist an einen bekannten Elektro-Generator 34 angeschlossen.

Die erfindungsgemäße Anlage kann auf verschiedene Weise geändert

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bzw. modifiziert werden. So kann die Größe und Anzahl der Reaktoren je nach der Größe der Gesamtanlage angepaßt werden, wobei jeder Reaktor mit einer zusätzlichen Einrichtung zur Kohle- oder Öl-Vergasung ausgerüstet werden kann, um wechselnde Müllzusammensetzungen auszugleichen. Insbesondere durch zusätzliche Kohlevergasung können bei Großanlagen effektive Wirkungsgrade bis zu ca. 50 % erreicht werden. Durch die Möglichkeit, das Verfahren in praktisch jeder beliebig großen Anlage durchzuführen, wird eine weitestgehende Anpassung an die jeweiligen regionalen Verhältnisse erreicht, so daß auf Großsammelstellen verzichtet werden kann. Etwaige Betriebsstörungen einer Anlage
könnten durch entsprechende Mehrbelastung der weiteren, kleineren
Anlagen ausgeglichen werden, so daß eine wirksame Müllentsorgung
ohne größere Bunkervolumina sichergestellt ist.

Eine kontinuierliche Vergasung ist ferner durch die Verwendung
von kontinuierlich mit Müllstoffen beschickten Vergasungs-Rosten, Drehrohrofen etc. anstatt der jeweils wechselweise betriebenen Reaktoren 1 und 2 möglich.

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Claims

Ansprüche

/ 1. J Verfahren zur Verwertung von Müll und anderen brennbaren Abfallstoffen, bei dem die Müllstoffe durch die Abgase direkt oder indirekt getrocknet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die getrockneten Müllstoffe durch Teil verbrennung mit Luftunterschuß unter Überdruck vergast, das entstandene heiße Brenngas unter Rückgewinnung seiner Wärme zur Vergasung der Müllstoffe gekühlt, weitgehend isothermisch komprimiert und danach durch Abwärme wieder aufgeheizt wird, und daß das komprimierte, heiße Brenngas in einem Gleichdruck-Kolbenmotor verbrannt wird, wobei die für die Verbrennung notwendige Verbrennungsluft weitgehend isothermisch verdichtet, anschließend durch die Motorabgase erwärmt und über gesonderte Leitungen im annähernd stöchiometrischen Mengenverhältnis zum Brenngas dem Motor-Verbrennungsraum zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft zum Vergasen der Müllstoffe auf 300 bis 400 C durch die heißen Brenngase erwärmt und in einem abgasbetriebenen Turbolader auf ca. 1 atü verdichtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Brenngase in einem Verdampfer weiter heruntergekühlt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

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gekennzeichnet, daß zur Steigerung des Heizwertes des Brenngases Kohle und/oder andere hochwertige Brennstoffe zusammen mit den Müllstoffen vergast werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Turbolader antreibenden, heißen Motor-Abgase die feuchten Müllstoffe durch direktes Druckströmen trocknen und danach in einer Waschanlage von Schadstoffen gereinigt werden.
6. Nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 5 arbeitende Müllverwertungsanlage, bei der die angelieferten, brennbaren Müll- und Abfallstoffe durch die heißen Abgase direkt getrocknet werden, gekennzeichnet durch Austrocknungs- und Vergasungsbetrieb wechselweise umschaltbare Reaktoren (l, 2), von denen der jeweils als Trockner arbeitende Reaktor (l) an die Abgasleitung (30) einer Kolben-Brennkraftmaschine angeschlossen und der (die) als Müllstoff-Vergaser arbeitende(n) Reaktor(en) (2) mit einer geregelten Heißluftmenge beaufschlagt ist; durch einen Wärmetauscher (6) zum Vorwärmen der Vergasungsluft durch Kühlen der heißen, im Vergasungs-Reaktor (2) erzeugten Brenngase; durch einen gekühlten Kompressor (9) zum weitgehend isothermischen Verdichten der abgekühlten Brenngase; durch einen abgasbeheizten Wärmetauscher (13) zum Aufheizen der Brenngase und der in einem weiteren Kompressor (15) auf den gleichen Druck verdichteten Verbrennungsluft; durch einen Gleichdruck-Kolbenmotor (ll), in dem die Brenngase mit der Verbrennungsluft intensiv vermischt und durch Selbstzündung verbrannt

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werden und dessen Abtriebswelle (lO) an einen E-Generator (34) angeschlossen ist.
7. Müllverwertungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die Brenngasleitung (8) zwischen dem Wärmetauscher (6) für die Vergasungsluft und dem Brenngas-Kompressor (9) ein Verdampfer (7) zur weiteren Kühlung der Brenngase eingeschaltet ist.
8. Müllverwertungsanlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenngas (9)- und der Luftkompressor (15) gekühlt sind.
9. Müllverwertungsanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenngas(9)- und der Luftkompressor (15) an die Motorabtriebswelle (lO) angeschlossen sind.
10. Müllverwertungsanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung (14) des Motors (ll) hinter dem Wärmetauscher (13) für die komprimierten Gase und die Verbrennungsluft ein Turbolader (3) angeordnet ist, der die Gesamt-Luft auf ca. 1,0 atü vorkomprimiert.
11. Müllverwertungsanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Trocknungs-Reaktor (1) eine Abgas-Waschanlage (33) nachgeschaltet ist, in der Motorabgas und die Trocknungsbrüden von Schadstoffen gereinigt werden.

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12. Müll Verwertungsanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in die Abgasleitung (30) vor dem Trocknungsreaktor (l) ein Frischluft-Injektor (31) eingeschaltet ist.
13. Müllverwertungsanlage nach Anspruch 6, gekennzeichnet
durch Steuer- und Schaltorgane zum wahlweisen Umschalten der Reaktoren (l; 2) von Trocknungs- auf Vergasungsbetrieb und umgekehrt.
14. Müllverwertungsanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Heizwertsteigerung der Brenngase in jedem Reaktor eine Einrichtung zum zusätzlichen Vergasen hochwertiger Brennstoffe vorgesehen ist.

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