DE2847416A1 - METHOD FOR GASIFYING FINE GRAIN FUELS - Google Patents
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Description
METALLGESELLSCHAFT AG Frankfurt am Main, 30.10.1978METALLGESELLSCHAFT AG Frankfurt am Main, October 30, 1978
Nr. 8237 Lö -WGN/HSZ-No. 8237 Lö -WGN / HSZ-
Verfahren zum Vergasen feinkörniger BrennstoffeProcess for gasifying fine-grain fuels
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergasen fester, backender Brennstoffe unter einem Druck zwischen 5 und 150 bar mit freien Sauerstoff, Wasserdampf und/oder Kohlendioxid enthaltenden Vergasungsmitteln, wobei der Brennstoff ein Festbett bildet, das sich langsam nach unten bewegt, die Vergasungsmittel von unten in das Festbett eingeleitet und die unverbrennlichen mineralischen Bestandteile des Brennstoffs als feste Asche oder flüssige Schlacke unter dem Festbett abgezogen werden. Als feste Brennstoffe kommen vor allem alle backenden Kohlen in Frage.The invention relates to a method for gasifying solid, baking Containing fuels under a pressure between 5 and 150 bar with free oxygen, water vapor and / or carbon dioxide Gasification means, wherein the fuel forms a fixed bed that moves slowly downward, the gasification means of Introduced below into the fixed bed and the incombustible mineral components of the fuel as solid ash or liquid Slag can be drawn off under the fixed bed. Above all, all baking coals can be used as solid fuels.
Die Vergasung dieser Art ist bekannt und z.B. in Ulimanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage (1977) Band 14, Seiten 383 bis 386, dargestellt. Einzelheiten des Vergasungsverfahrens mit festbleibender Asche sind z.B. den US-Patenten 3 540 867 und 3 854 895 sowie der deutschen Offenlegungsschrift 2 201 278 zu entnehmen. Die Verfahrensvariante mit Abzug flüssiger Schlacke ist in den britischen Patentschriften 1 507 905, 1 508 671 und 1 512 677 erläutert.The gassing of this type is known and e.g. in Ulimann's encyclopedia der technical chemistry, 4th edition (1977) Volume 14, pages 383 to 386, shown. Details of the ash gasification process can be found, for example, in U.S. patents 3 540 867 and 3 854 895 as well as the German Offenlegungsschrift 2 201 278. The process variant with deduction of liquid Slag is discussed in British Patents 1,507,905, 1,508,671 and 1,512,677.
Bei diesen bekannten Verfahren wird körniger Brennstoff mit einer Korngröße etwa im Bereich von 3 bis 60 mm in die VergasungIn these known methods, granular fuel is used a grain size in the range from 3 to 60 mm into the gasification
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gegeben. Aufgabe der Erfindung ist es, für dieses Verfahren auch feinkörnigeren Brennstoff verwenden zu können, ohne ein störendes Zusammenbacken der Brennstoffkörner befürchten zu müssen. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß aus feinkörnigem Brennstoff mit einer Korngröße unter 7 mm mit einer Flüssigkeit weitgehend kugelförmige Pellets mit einem Durchmesser von 5 bis 50 mm geformt und die Pellets mit einer weitgehend geschlossenen Hüllschicht aus feinkörnigem, nicht backendem Material versehen werden, bevor sie in. die Vergasung gegeben werden. Der feinkörnige Brennstoff kann bei der Gewinnung des Brennstoffs, entstanden oder auch durch Zerkleinerung hergestellt sein. Bevorzugt verwendet man für die Pelletierung einen feinkörnigen Brennstoff mit einer Korngröße von etwa 0,01 biä 5 mm. Durch die Pelletierung kann nun auch staubförmiger Brennstoff für die Druckvergasung im Festbett verwendet werden, und zwar allein oder zusammen mit körniger Kohle einer Korngröße oberhalb von'3 mm bis etwa 60 mm. Vorzugsweise machen die Pellets den überwiegenden Teil des der Vergasung aufgegebenen Brennstoffs aus.given. The object of the invention is to be able to use fuel with a more fine grain size for this process without having to worry about the fuel grains sticking together. According to the invention this is achieved in that largely spherical pellets with a diameter of 5 to 50 mm are formed from fine-grain fuel with a grain size of less than 7 mm with a liquid and the pellets are provided with a largely closed covering layer of fine-grain, non-baking material before they in. to be given the gassing. The fine-grained fuel can be created during the extraction of the fuel or it can also be produced by crushing. A fine-grain fuel with a grain size of about 0.01 to 5 mm is preferably used for pelleting. As a result of pelleting, fuel in powder form can now also be used for pressurized gasification in the fixed bed, either alone or together with granular coal with a grain size of between 3 mm and about 60 mm. The pellets preferably make up the majority of the fuel fed into the gasification.
Gibt man körnige, backende Kohle in die Festbettvergasung, so entsteht im oberen Teil des Festbettes bei Erreichen der Erweichungstemperatur der Kohle eine wenig gasdurchlässige Zone, da die Kohlekörner zerfließen oder zumindest teigig werden. Durch Rührarme versuchte man bisher, diese Kohleschicht in der Festbettvergasung aufzulockern und damit gasdurchlässig zu machen.If granular, baking coal is put into the fixed bed gasification, it is produced in the upper part of the fixed bed when the softening temperature is reached the coal a little gas-permeable zone, since the coal grains melt or at least become doughy. By Up to now, attempts have been made to loosen this carbon layer in the fixed-bed gasification and thus make it gas-permeable.
Es hat auch nicht an Bestrebungen gefehlt, der Kohle die Badkeigenschaften zu nehmen, etwa dadurch, daß man sie oxidativ bei Temperaturen von etwa 200 bis 35O°C vorbehandelte. Man strebte dabei an, das gesamte Kohlekorn u.a. auch durch Porenduffusion von Sauerstoff in der gewünschten Weise zu beeinflussen. Diesen Bemühungen war ein gewisser Erfolg beschieden, doch waren zu lange Behandlungszeiten für die Oxidation der Kohle nötig. Ein Vergasungsbetrieb mit hohen Durchsatzleistungen war deshalb wirtschaftlich nicht möglich, da ein zu großer Aufwand nötig war. . -? _ There has also been no lack of efforts to deprive the carbon of its bath properties, for example by pretreating it oxidatively at temperatures of about 200 to 350.degree. The aim was to influence the entire grain of coal in the desired manner, including through pore diffusion of oxygen. These efforts met with some success, but the treatment times were too long for the coal to oxidize. A gasification operation with high throughput rates was therefore not economically feasible because too much effort was required. . -? _
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden Schwierigkeiten dieser Art beseitigt. Die Hüllschicht um die Pellets sorgt nun dafür, daß die Pellets im oberen Teil des Festbettes, wo relativ niedrige Temperaturen herrschen, eine ausreichend stabile Form behalten. Gleichzeitig ist die Hüllschicht gasdurchlässig und läßt flüchtige Bestandteile aus dem Pelletinneren entweichen. Steigen die Temperaturen weiter, so bleibt die Hüllschicht weitgehend erhalten, wobei leichte Risse nicht nachteilig sind, wenn der Brennstoff plastisch wird und nur in eine hochviskose Masse übergeht. Bei stärkerer Erweichung ist die Hüllschicht entsprechend zu verstärken oder der Kohle können vor dem Pelletieren katalytisch wirksame Substanzen zugegeben -werden, die das Back- und Blähvermögen der Kohle herabsetzen. Nach Durchlaufen der Backzone reißt die Pellethülle durch die starke Entgasung der Kohlesubstanz weiter auf, so daß der nun entstandene Kohlekoks in seiner gesamten Oberfläche einschließlich der Makro- und MikroStruktur den Vergasungsreaktionen ausgesetzt ist. Ein wichtiges Ergebnis ist es auch, daß das Produktgas der Vergasung wesentlich weniger teerige Bestandteile enthält, als dies bei der bisher bekannten Vergasung von backenden Kohlen unter erhöhtem Druck möglich war.Difficulties arise with the method according to the invention this type eliminated. The shell layer around the pellets now ensures that the pellets in the upper part of the fixed bed where relatively low temperatures prevail, keep a sufficiently stable shape. At the same time, the envelope layer is gas-permeable and allows volatile constituents to escape from the interior of the pellet. If the temperatures continue to rise, it stays the cladding layer largely preserved, with slight cracks not being a disadvantage if the fuel becomes plastic and only in a highly viscous mass passes over. In the event of greater softening, the coating layer or the carbon must be reinforced accordingly catalytically active substances can be added before pelletizing, which increase the baking and expandability of the charcoal reduce. After passing through the baking zone, the pellet shell tears open further due to the strong degassing of the carbon substance, so that the coal coke that has now been produced causes the gasification reactions in its entire surface, including the macro and micro structure is exposed. It is also an important result that the gasification product gas is much less tarry Contains components than is possible with the previously known gasification of baking coals under increased pressure was.
Die Pelletes können auf bekannte Weise hergestellt werden, so z.B. im geneigten Drehteller oder auch im Drehrohr. Mit diesen Vorrichtungen lassen sich die Pellets auch mit der gewünschten Hüllschicht versehen. Die Pellets können einen Durchmesser von 10 bis 30 mm und vorzugsweise von 8 bis 15 mm aufweisen.The pellets can be prepared in a known manner, see above e.g. in the inclined turntable or in the rotary tube. With these devices, the pellets can also be used with the desired Enveloping layer provided. The pellets can have a diameter of 10 to 30 mm and preferably 8 to 15 mm.
Zum Formen der Pellets kann man verschiedenartige Flüssigkeiten verwenden. Geeignet sind z.B. Wasser, Sulfitablauge, Wasserglas, Melasse, Stärkelösungen, Gaswasser aus der Vergasung oder Verkokung fester Brennstoffe, oder auch Kalkmilch. Der Pelletierflüssigkeit oder auch dem feinkörnigen, zu pelletierenden festen Brennstoff kann man katalytisch wirksame Substanzen zur Erhöhung der Reaktionsfähigkeit zusetzen. Solche Substanzen sind insbesondere NaCl, KCl, NaCQ,, K2CO5, Oxide oder SulfideA variety of liquids can be used to form the pellets. For example, water, sulphite waste liquor, water glass, molasses, starch solutions, gas water from the gasification or coking of solid fuels, or milk of lime are suitable. Catalytically active substances can be added to the pelletizing liquid or to the fine-grained solid fuel to be pelletized to increase the reactivity. Such substances are in particular NaCl, KCl, NaCQ ,, K 2 CO 5 , oxides or sulfides
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von Molybdän, Wolfram, Zinn, Chrom, Wickel, Kobalt oder Eisen oder feingemahlene dünnschichtige Zeolithe. Diese katalytisch wirksamen Substanzen sind in der Lage, im Kontakt mit Gasen und Dämpfen aus den Pellets erwünschte Umwandlungen zu bewirken, z.B. aus schwerer siedenden leichter siedende Kohlenwas- ■ serstoffe zu machen.of molybdenum, tungsten, tin, chromium, winding, cobalt or iron or finely ground, thin-layer zeolites. This catalytic Active substances are able to bring about the desired transformations in contact with gases and vapors from the pellets, E.g. to make low-boiling hydrocarbons from ■ higher-boiling hydrocarbons.
Um die Back- und Bläheigenschaften des zu vergasenden festen Brennstoffs herabzusetzen, können der Pelletierflüssigkeit oder dem zu pelletierenden Brennstoff geeignete Substanzen zugegeben werden. Solche Substanzen sind z.B. Ma2B-O7, NaMOp, KpCrO,, K0CO, oderKNO,.In order to reduce the baking and swelling properties of the solid fuel to be gasified, suitable substances can be added to the pelletizing liquid or the fuel to be pelletized. Such substances are, for example, Ma 2 BO 7 , NaMOp, KpCrO ,, K 0 CO, orKNO ,.
Zum Erzeugen der Hüllschicht für die Pellets können nicht backende Kohle, Asche, z.B. aus der Vergasung oder aus fremder Produktion, Dolomit, Bentonit, Kalk, Montmorillonit, Zement oder andere anorganische Stoffe verwendet werden. Besonders geeignet sind auch Gemische von feingemahlenen Zeolithen. Am besten werden diese Stoffe feinkörnig oder staubförmig vor dem Ende des Pelletierens zugegeben.To produce the shell layer for the pellets, non-baking Coal, ash, e.g. from gasification or from outside production, dolomite, bentonite, lime, montmorillonite, cement or others inorganic substances are used. Mixtures of finely ground zeolites are also particularly suitable. Be the best these substances are added in fine-grained or dusty form before the end of the pelletizing process.
Die Hüllschicht der Pellets soll eine Stärke von etwa 0,1 bis 2 mm, vorzugsweise von 0,2 bis 0,5 2121, aufweisen. Aus wirtschaftlichen Gründen ist man bestrebt, die Hüllschicht möglichst dünn zu halten. Sie muß aber vor allem bei stark- backenden Kohlen genügend fest und dick sein, um ein Durchbrechen fließfähiger Kohle zu verhindern.The shell layer of the pellets should have a thickness of about 0.1 to 2 mm, preferably 0.2 to 0.5 mm. For economic For reasons, efforts are made to keep the covering layer as thin as possible. But it must be used especially with strong coals be sufficiently strong and thick to prevent the flowable charcoal from breaking through.
Gegebenenfalls kann man die mit der Hüllschicht versehenen Pellets vor dem Eintragen in die Vergasung trocknen. Dies geschieht am besten bei Temperaturen unterhalb des Erweichungspunktes der Kohle, vorzugsweise zwischen 40 und 1500C. Der pelletierte Brennstoff hat im allgemeinen einen Gehalt an unverbrennlichen, mineralischen Bestandteilen von 5 bis 40 Gew.% und vorzugsweise von 10 bis 30 Gew. 96.If necessary, the pellets provided with the covering layer can be dried before they are introduced into the gasification unit. This is best done at temperatures below the softening point of the coal, preferably between 40 and 150 ° C. The pelletized fuel generally has a noncombustible mineral content of 5 to 40% by weight and preferably 10 to 30% by weight.
Das Produktgas der Vergasung läßt sich auf vielfältige Weise verwenden. Nach Reinigung und Konditionierung kann das Gas z.B.The gasification product gas can be used in a variety of ways. After cleaning and conditioning the gas can e.g.
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für Synthesen oder als Hydriergas verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit ist, das Gas, gegebenenfalls nach Entfernen störender fester oder gasförmiger Bestandteile, als Brenngas zu nutzen und es in einem kombinierten Dampf-Gasturbinen-Kraftwerk einzusetzen.can be used for syntheses or as hydrogenation gas. Another possibility is to remove the gas, if necessary after removing it solid or gaseous components, to be used as fuel gas and in a combined steam-gas turbine power plant to use.
Für Versuche wurde eine mittelmäßig backende und blähende Gasflammkohle mit 20 Gew.% Asche und 8 Gew.% Feuchtigkeit verwendet. Die Backzahl nach Roga (ISO 335 - 1974) betrug 25, die Blähzahl nach DIN 51741 betrug 2,5«- Die Kohle lag in einer Körnung zwischen 0 und 1 mm vor und hatte einen mittleren Korndurchmesser von 0,291 mm. Zum Formen der Pellets wurde ein Pelletierteller von 1 m Durchmesser mit einer Neigung von etwa 50° und einer Drehzahl von 20 Umdrehung.en pro Minute verwendet. Es wurden jeweils Pellets mit Hüllschicht hergestellt, deren Durchmesser im Bereich von 10 bis 20 mm lagen. Die Pellets wurden bei 1100C getrocknet und danach die Druckfestigkeit gemessen. Zum Simulieren der Verhältnisse in der Festbettvergasung erfolgte eine Verkokung unter schockart unter einem Stickstoffdruck von 20 bar.A moderately baking and puffy gas flame charcoal with 20% by weight of ash and 8% by weight of moisture was used for experiments. The baking number according to Roga (ISO 335-1974) was 25, the swelling number according to DIN 51741 was 2.5% - the coal was in a grain size between 0 and 1 mm and had an average grain diameter of 0.291 mm. A pelletizing plate 1 m in diameter with an incline of about 50 ° and a speed of 20 revolutions per minute was used to shape the pellets. In each case, pellets with a shell layer were produced, the diameter of which was in the range from 10 to 20 mm. The pellets were dried at 110 ° C. and then the compressive strength was measured. To simulate the conditions in the fixed bed gasification, coking was carried out under shock mode under a nitrogen pressure of 20 bar.
erfolgte eine Verkokung unter schockartiger Erhitzung auf 80O0Ccoking took place with shock-like heating to 80O 0 C
Als Pelletierflüssigkeit diente Wasser, so daß der Wassergehalt der fertigen Pellets bei 15 Gew.% lag. Die Hüllschicht hatte eine Dicke von 0,3 mm und bestand aus feingemahlener Eigenasche der Kohle. Die Punktdruckfestigkeit der getrockneten Pellets betrug ca. 70 N. Nach d:er Druckverkokung waren die Pellets nicht zusammengebacken, die Hülle war aufgeplatzt, der Pelletkern war gefügefest. Die Pellets waren für die Druckvergasung hervorragend geeignet.Water was used as the pelletizing liquid, so that the water content of the finished pellets was 15% by weight. The shell layer had a thickness of 0.3 mm and consisted of finely ground own ash the coal. The point compressive strength of the dried pellets was approx. 70 N. After the pressure coking, the pellets were not Baked together, the shell had burst open, the pellet core was structurally stable. The pellets were excellent for pressurized gasification suitable.
Als Pelletierflüssigkeit diente eine 5 %ige Calciumsulfitablauge, für die Hüllschicht wurde feingemahlener Dolspiit verwendet, dieA 5% calcium sulphite waste liquor served as pelletizing liquid, Finely ground Dolspiit was used for the coating layer
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Hüllschicht hatte eine Dicke von etwa 0,3 mm. Die Punktdruckfestigkeit der getrockneten Pellets erreichte etwa 80 N, die Versuchsergebnisse nach der Druckverkokung stimmten mit denen des Beispiels 1 überein. Zusätzlich wurden durch die Dolomitschicht etwa 50 % des in der Kohle enthaltenen Schwefels gebunden. The coating layer had a thickness of about 0.3 mm. The point compressive strength of the dried pellets reached about 80 N; the test results after pressure coking agreed with those of Example 1. In addition, about 50 % of the sulfur contained in the coal was bound by the dolomite layer.
Als Pelletierflüssigkeit dientse eine 20 %±ge Wasserglaslösung, für die Hüllschicht wurde Zement verwendet und eine Dicke von etwa 0,4 mm erreicht. Die getrockneten Pellets hatten einen Punktdruckfestigkeit von etwa 60 N. Nach der Druckverkokung hafteten die Pellets nicht aneinander und waren gefügefest. Die Hüllschicht war rissig und teilweise abgeplatzt. Die Pellets der Beispiele 2 und 3 waren für die Vergasung im Pestbett geeignet, ohne daß im Oberteil des Gaserzeugers eine besondere Auflocke rungs einrichtung hätte vorgesehen werden müssen. A 20% waterglass solution was used as the pelletizing liquid, cement was used for the coating layer and a thickness of about 0.4 mm was achieved. The dried pellets had a point compressive strength of about 60 N. After pressure coking, the pellets did not adhere to one another and were structurally stable. The covering layer was cracked and partially flaked off. The pellets of Examples 2 and 3 were suitable for gasification in the plague bed without a special loosening device having to be provided in the upper part of the gas generator.
Für diesen Versuch wurde ebenfalls eine mittelmäßig backende und blähende Gasflammkohle mit 22 Gew.% Asche bei 8 Gew.% Feuchtigkeit eingesetzt. Die Backzahl nach Roga (ISO 335-1974) betrug 25, die Blähzahl nach DIN 51 741 betrug 3. Die Kohle lag in einer Körnung zwischen ο - 1 mm vor, wobei der mittlere Korndurchmesser 0,280 mm betrug.For this experiment, also a moderate baking and flatulent gas flame coal with 22 wt.% Ash at 8 wt.% Moisture was used. The baking number according to Roga (ISO 335-1974) was 25, the swelling number according to DIN 51 741 was 3. The coal had a grain size between ο - 1 mm, the mean grain diameter being 0.280 mm.
Die auf dem Pelletierteller der vorausgegangenen Beispiele hergestellten Pellets hatten einen Durchmesser von 10 bis 20 mm. Als Hüllschicht wurde Dolomit mit einer Schichtstärke von 0,3 mm aufgetragen.Als Pelletierflüssigkeit diente eine 10 %ige Kaliumcarbonatlösung. Die Pellets hatten yor dem Auftragen der Hüllschicht einen Feuchtigkeitsgehalt von ca. 15 Gew.%. Vor dem Einsatz in die Verkokung und Vergasung hatten die Pellets einen Kaliimcarbonatgehalt von unter 0,6 Ge\r.%. .The pellets produced on the pelletizing plate of the previous examples had a diameter of 10 to 20 mm. As a coating layer, dolomite was applied with a layer thickness of 0.3 mm. A 10% potassium carbonate solution was used as the pelletizing liquid. Before the coating was applied, the pellets had a moisture content of approx. 15 % by weight. Before being used in coking and gasification, the pellets had a potassium carbonate content of less than 0.6 % by weight. .
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2s wurde bei der Untersuchung des Produktgases festgestellt, daß von dem in der Kohle enthaltenen. Teer nach ISO 647-1974 nur noch ca, 50 % der flüssigen Kohlenwasserstoffe den Gasraum nach Austritt aus den Pellets erreicht hatten und dass das Siedeende dieser flüssigen Kohlenwasserstoffe, das normalerweise oberhalb von 4500C liegt, nur noch Kohlenwasserstoffe enthielt, die unterhalb 240°C siedeten.During the investigation of the product gas, it was found for 2s that that of that contained in the coal. Tar according to ISO 647-1974 only ca, reached the gas space after leaving the pellets 50% of the liquid hydrocarbons and that the final boiling point of these liquid hydrocarbons, which is usually above 450 0 C, contained only hydrocarbons below 240 ° C boiled.
Weiterhin wurde bei einem Reaktionsfähigkeitstest unter 20 bar und einer gleichbleibenden Temperatur von 8000C festgestellt, daß bei einem Massenstrom von 20 l^/h 3>8 Vol.$ COp zersetzt wurden, während unter sonst gleichen Bedingungen, aber ohne Verwendung von Kaliumcarbonat, nur Werte von 2,3 Vol.% erreicht wurden.Furthermore, in a reactivity test under 20 bar and a constant temperature of 800 ° C., it was found that at a mass flow of 20 l ^ / h 3> 8 vol. $ COp were decomposed, while under otherwise identical conditions, but without the use of potassium carbonate, only values of 2.3% by volume were achieved.
In einem weiteren Versuch wurde eine Kohle eingesetzt, deren Backzahl nach itoga (ISO 335-1974) 52 betrug, während die Blähzahl nach DIK 51 741 bei 7 lag. Die Kohle hatte eine Körnung zwischen 0 - 1 mm mit mittlerem Korndurchmesser von 0,264 mm.In a further experiment, a coal was used whose baking number according to itoga (ISO 335-1974) was 52, while the swelling number according to DIK 51 741 was 7. The coal was one grain between 0 - 1 mm with an average grain diameter of 0.264 mm.
Sie wurde nach der Pelletierung mit feinkörniger Eigenasche in einer Schichtstärke von 0,25 mm versehen. Als Pelletierflüssigkeit wurde eine 5 ?6ige Natriumtetraboratlösung verv/andt. Durch diese Maßnahme wurde das Back- und Blähvermögen der Kohle soweit herabgesetzt, daß bei der Druckverkokung ein Zusammenbacken der Pellets ausblieb. Die Reaktionsfähigkeit der so hergestellten Pellets wurde durch diese Maßnahme günstig beeinflußt. After pelleting, it became with its own fine-grained ash provided in a layer thickness of 0.25 mm. As a pelletizing liquid a 5-6% sodium tetraborate solution was used. This measure reduced the ability of the coal to bake and expand to such an extent that it caked together during pressure coking the pellets failed to appear. The reactivity of the pellets produced in this way was favorably influenced by this measure.
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