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Vorrichtung zur Behandlung eines Gasstromes
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Beschreibung: Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur vollständigen
Veraschung der in einem Abgas enthaltenen schädlichen Substanzen, indem diese schädlichen
Substanzen bei hoher Temperatur oxidiert werden. Insbesondere betrifft diese Erfindung
eine. Vorrichtung zur kontinuierlichen und wirksamen Veraschung solcher schädlichen
Substanzen, wobei der Innenraum der Vorrichtung in eine Anzahl von einzelnen Kammern
unterteilt ist, die in einer geschalteten Weise betreibbar sind.
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Unter "schädlichen Substanzen" werden im Rahmen dieser Unterlagen
solche Substanzen und Stoffe verstanden, welche eine Umweltverschmutzung hervorrufen
können, sofern sie in gasförmiger Form in die umgebende Atmosphäre abgegeben werden,
und welche Substanzen oder Stoffe durch ein geeignetes Oxidationsverfahren zersetzt
und in harmlose Produkte umgewandelt werden können; zu solchen schädlichen Substanzen
gehören beispielsweise Kohlenmonoxid (CO), Cyanwasserstoff (HCN), gasförmige und/oder
leicht flüchtige Kohlenwasserstoffe, Lösungsmittel wie etwa Benzol, weiterhin organische
Chlorverbindungen, sowie stark riechende Verbindungen wie etwa Amine und Sulfide.
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Zur Zeit besteht das im größten Umfang angewandte Verfahren zur Behandlung
von, solche schädlichen Substanzen enthaltendem Gas darin, das Gas auf eine Temperatur
im Bereich von 700 bis 110000 zu erwärmen, um mit Hilfe von Sauerstoff (der in dem
Gas enthalten sein kann, oder in Form von Luft rnd dergleichen zugesetzt werden
kann, sofern der Sauerstoffgehalt des Gases nicht ausreicht) eine vollständige Verbrennung
dieser schädlichen Substanzen durchzuführen.
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Bei einer solchen Behandlung mittels Verbrennung können nahezu alle
schädlichen Substanzen unabhängig von ihrer chemischen Natur vollständig entfernt
oder in leicht entfernbare Substanzen umgewandelt werden, sofern die Veraschungstemperatur,
die Verweildauer des Gases bei jener Temperatur und der Sauerstoffpartialdruck in
jenem Gas in geeigneten Bereichen gehalten werden.
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Die Verbrennungsbehandlung erfordert einen großen Wärmebetrag.
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Um den Energieverbrauch möglichst gering zu halten, wird das im Verlauf
der Verbrennung angefallene, eine hohe Temperatur zwischen 700 und 11000C aufweisende
Gas mittels Wärmetausch zur Vorheizung des zu behandelnden Gases eingesetzt. Auf
diese Weise kann ein beträchtlicher Anteil der fühlbaren Wärme des hohe Temperatur
aufweisenden Gases wiedergewonnen und zur Vorheizung des einströmenden Gases benutzt
werden, wodurch der Anteil an zusätzlicher Wärme zur Steigerung der Gastemperatur
auf den vorgegebenen Wert möglichst klein gehalten werden kann. Um dieses Ziel zu
erreichen, werden aus Metall bestehende, indirekt wirkende Gas/Gas-Wärmetauscher
verwendet. Die Wirksamkeit des Wärmeaustauschs bei solchen indirekt wirkenden Wärmetauschern
ist jedoch gewöhnlich nicht hoch. Um den wirksamen Wärmeaustausch zu erhöhen, ist
es erforderlich, das Material des Wärmetauschers wirksamer zu machen, was zu einem
Anstieg der Vorrichtungskosten führt.
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Um dieses, oben dargelegte Problem zu überwinden, sind einige Verfahren
vorgeschlagen worden, die mit einem regenerativen Wärmetauscher aus einem hochschmelzenden,
keramischen Material arbeiten. Hochschmelzende keramische Materialien, deren Gebrauchstemperaturen
oberhalb 11000 C liegen, sind leicht zugänglich. Andererseits ist es im Hinblick
auf deren geringes Wärmeleitvermögen sowie wegen deren schwierigen Verarbeitungseigen
schaften außerordentlich schwierig, aus hochschmelzenden, keramischen Materialien
zu wirtschaftlich tragbaren Kosten einen indirekt
arbeitenden Wärmetauscher
herzustellen. Es ist jedoch möglich, die Vorwärmtemperatur näher an die Gasveraschungs
temperatur heranzubringen, indem regenerativ arbeitende Wärmetauscher verwendet
werden, denen alternativ in entgegengesetzten Richtungen zu vorgegebenen Zeitabschnitten
heiße und kühlere Gase zugeführt werden, um zuerst die Wärme des heißen Gases auf
das hochschmelzende Regenerativmaterial zu übertragen und daraufhin die Gasführung
umzuschalten, damit das kühlere Gas die vom Regenerativmaterial gespeicherte Wärme
absorbieren kann und sich dabei erwärmt. Sofern ein solcher regenerativ arbeitender
Wärmetauscher vorgesehen wird, dessen Kapazität gesteigert wird und weiterhin die
Wärmeverluste des gesamten Systems durch die Vorrichtungswand hindurch zur äußeren
Umgebung verhindert werden, dann kann der Betrag der zusätzlichen, von außen zugeführten
Wärme unbegrenzt verringert werden, was ganz erheblich zu einer Energieeinsparung
beiträgt.
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Sofern jedoch in diesem Falle die abschließende Steigerung der Temperatur
des vorgewärmten, einströmenden Gases mittels dem Verbrennungsgas eines Brenners
durchgeführt wird, ist es schwierig, das gesamte vorgewärmte Gas einheitlich auf
eine ausreichende Temperatur zu erwärmen, die für die vollständige Veraschung der
schädlichen Substanzen innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne (von beispielsweise
0,5 Sekunden) zu erreichen, außer der Brenner erzeugt einen großen Überschuß an
Verbrennungsgas.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Reinigung
eines
schädliche Substanzen enthaltenden Gases mittels Verbrennung bereitgestellt, wobei
die Verbrennungswärme des vorgewärmten, zu reinigenden Gases ausgenutzt wird.
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Zu der Vorrichtung gehört ein geschlossenes, gewöhnlich zylinderförmiges
Gehäuse, das mit einem hitzebeständigen Material ausgekleidet ist. Mittig im Gehäusedach
ist ein Brenner angebracht. Der Innenraum des Gehäuses ist mittels Trennwänden,
die vom Boden bis zum Dach des Gehäuses reichen, in eine Anzahl von einzelnen Kammern
unterteilt. Jede einzelne Kammer weist eine perforierte Platte auf, auf welcher
eine gasdurchlässige Schüttung aus hitzebeständigem Material ruht. In jeder Kammer
dient ein Raum unterhalb der perforierten Platte als Windkasten, der an eine Leitung
angeschlossen ist, die als Gaseinlaß oder als Gasauslaß dienen kann. Die Trennwände
weisen eine gemeinsame Öffnung auf, so daß die entsprechenden Räume oberhalb der
Schüttung der Kammern untereinander in einer, eine Gasströmung zulassenden Verbindung
stehen. Ein zu behandelndes Abgas wird durch ihre Einlaßleitung in eine der Kammern
eingeführt, und strömt zur Vorwärmung durch die Schüttung hindurch.
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Das vorgewärmte Gas wird anschließend durch die gemeinsame Öffnung,
wo sich der Brenner befindet, in eine der benachbarten Kammern eingeführt. Da sich
die Trennwände bis zur Gehäusedecke erstrecken und mit dieser in Kontakt sind, werden
das- vorgewärm te Gas und das Verbrennungsgas des Brenners ausreichend miteinander
vermischt, so daß die Temperatur des Abgases in kurzer.
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Zeit gleichmäßig gesteigert wird, wodurch eine vollständige Verbrennung
der schädlichen Substanzen und eine Verbesserung der
Wärmeausnutzung
erreicht werden, Im Hinblick darauf besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
darin, eine Vorrichtung zur Behandlung von, schädliche Substanzen enthaltenden Gasströmen
bereitzustellen, welche die Nachteile der bekannten Vorrichtungen nicht aufweist.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine solche
Vorrichtung bereitzustellen, die einen einfachen Aufbau aufweist und bei verbesserter
Wärmeausflutzung eine vollständige Oxidation der im Gasstrom enthaltenen schädlichen
Substanzen gewährleistet.
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Weitere Aufgaben, Besonderheiten und Vorteile dieser Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform;
zu dieser detaillierten Beschreibung dienen auch die Figuren 1 bis 5; es zeigt:
Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße
Vorrichtung längs der Linie B-B' nach Fig. 2; Fig. 2 die Darstellung eines Schnittes
in horizontaler Richtung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung längs der Linie
A-A' der Fig. 1; Fig. 3 in schematischer, perspektivischer Darstellung die Anordnung
von Trennwänden der Vorrichtung nach Fig. 1;
Fig. 4 in schematischer,
perspektivischer Darstellung eine andere Ausführungsform der Trennwände; und Fig.
5 in schematischer, vertikaler Schnittdarstellung die Gasströmung in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen
beschrieben.
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Mit den Figuren 1 bis 3 ist der wesentliche Teil einer erfindungsgemäßen
Veraschungsvorrichtung dargestellt. Zu der Vorrichtung gehört ein gewöhnlich zylindrisches
Gehäuse aus kohlenstoffarmem, weichem Stahl; dieses Gehäuse besteht im wesentlichen
aus einem Dach 1, einem Außenrohr 2, einer Bodenplatte 3 und einem konzentrischen
Innenzylinder 4, welche miteinander verschweißt sind. Die Innenflächen des Daches
1, des Außenrohres 2 und des Innenzylinders 4 sind mit einem geeigneten hitzebeständigen
Material verkleidet, etwa mit hochschmelzenden Ziegeln 5. Ein mit Brennstoffzuleitung
und Luftzuleitung versehener Brenner 13 ist mittig am Dach 1 nach unten gerichtet
angebracht.
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Der von dem Gehäuse umschlossene Innenraum ist von wenigstens zwei
(in der dargestellten Ausführungsform von drei) winkelig im gleichen Abstand zueinander
angeordneten, vertikal ausgerichteten Trennwänden 6 aus einem hitzebeständigen Material
wie etwa hochschmelzenden Ziegeln in wenigstens zwei (im dargestellten Falle drei)
Kammern 20 unterteilt. Ein Sieb, ein Rost oder eine
perforierte
Platte 8 ist in jeder Kammer 20 angeordnet, so daß innerhalb der Kammer eine obere
Behandlungszone 19 und ein unterer Windkasten 9 gebildet sind. Auf jeder perforierten
Platte 8 befindet sich Regenerativmaterial 18, um eine Regenerativ zone 7 zu bilden.
Der Raum 12 oberhalb jeder Regenerativzone 7 dient als Veraschungszone und weist
eine an die zum Veraschen der in dem Gasstrom enthaltenen schädlichen Substanzen
erforderliche Verweildauer angepaßte Kapazität auf. Zu jedem Windkasten 9 führt
eine Leitung 10, die entweder zum Einlaß des zu behandelnden Gases oder zum Abziehen
des behandelten Gases dient.
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Wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich, weist jede Veraschungszone 12
im mittleren oberen Abschnitt eine Öffnung 21 auf, die eine Aufheizzone 11 bildet,
in welcher der Brenner 13 mittig angeordnet ist. Dadurch wird das durch die Leitung
10 in den Windkasten eingeführte Gas durch dessen Behandlungszone 19, welche die
Regenerativzone 7 und die Veraschungszone 12 einschließt, bis zur Aufheizzone 11
geführt. Im Anschluß daran wird das Gas in eine der benachbarten Veraschungszonen
eingeführt und daraufhin durch die entsprechende Auslaßleitung abgezogen.
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Mit Fig. 4 ist eine alternative Ausführungsform des wesentlichen Teils
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt; in Fig. 4 sind analog zur Darstellung
nach Fig. 3 das Gehäuse, der Brenner und dergleichen zum Zwecke einer übersichtlicheren
Darstellung weggelassen; die Bauteile 26, 28, 29, 31, 39, 40
und
41 der Vorrichtung nach Fig, 4 entsprechen den gleichen Bauteilen 6, 8, 9, 10, 11,
19, 20 und 21 der Vorrichtung nach Fig. 3. Bei dieser Ausführungsform nach Fig.
4 ist der Innenzylinder 4 nicht vorgesehen. Der obere mittige Verbindungsabschnitt
zwischen entsprechenden Trennwänden 26 ist entfernt worden, um eine Aufheizzone
31 zu bilden.
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Die Form und Größe des in Jede Behandlungszone 19, 39 angehäuften
Regenerativmaterials wird mit Bezug auf die Hitzebeständigkeitstemperatur, die Wärmekapazität
pro Volumeneinheit, die Wärmeübergangsgeschwindigkeit und dem am durchströmenden
Gas auftretenden Druckabfall festgelegt. Üblicherweise enthält der obere Abschnitt
der Regenerativzone eine Schüttung aus üblichen 20 bis 25 mm großen Berl-Füllkörpern,
aus Intalox-Körpern oder "Paul-Ringen" aus keramischem Material; die untere Zone
der Schüttung kann aus den gleichen Körpern bestehen oder aus Metallkörpern der
gleichen Größe.
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Nachfolgend wird die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit Bezugnahme auf Fig. 5 erläutert; Fig. 5 zeigt aus Gründen einer einfacheren
Darstellung eine Veraschungsvorricbtung mit zwei einzelnen Kammern. An der Oberseite
ist der Brenner 13 mittig angeordnet. Zuerst wird in dem Zustand (I) ein~AT-gas
über die Leitung 16 herangeführt, strömt durch das Gas einlaßventil 14 und tritt
in einen Windkasten 9 unterhalb der links angeordneten Regenerativzone 7 ein; hierbei
sind, wie dargestellt, das links angeordnete Gasauslaßventil 15 und ein Gaseinlaßventil
14'
zur rechts angeordneten Regenerativzone 7' geschlossen, so daß der Gasdurchtritt
von der Leitung 16 lediglich durch den Windkasten 9 und anschließend durch die Regenerativzone
7 erfolgen kann. Während das einströmende Gas durch die Regenerativzone 7 strömt,
wird es von der in der Regenerativzone 7 gespeicherten Wärme erhitzt, beispielsweise
auf ungefähr 8000 C; anschließend strömt dieses Gas in eine Äufheizzone 11, wo es
von den Verbrennungsgasen des Brenners 13 auf eine Temperatur von 8800 C erhitzt
wird. Das auf diese Weise erhitzte Gas strömt daraufhin durch den rechts angeordneten
Raum, nämlich die Veraschungszone 12', wo eine mittlere Verweilzeit von ungefähr
0,5 s vorgesehen ist. Während das Gas durch die Aufheizzone 11 und durch die Veraschungszone
12' strömt, werden darin enthaltene schädliche Substanzen vollständig verascht und
zersetzt. Daraufhin wird an dem Gas ein Wärmeaustausch vorgenommen, indem das Gas
durch die rechts angeordnete Regenerativzone 7' strömt, wobei die Temperatur des
Gases auf nahezu etwa 1200 s abfällt. Anschließend strömt das Gas durch den Windkasten
9' und das Gasauslaßventil 15' und wird dann in eine Gasleitung 17 für das behandelte
Gas abgegeben.
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Dieser Betriebszustand wird so lange fortgesetzt, solange die Vorheiztemperatur
des die Regenerativzone 7 verlassenden Gases allmählich bis auf 7800 C abfällt;
daraufhin werden die Ventile 14, 14', 15 und 15' selbsttätig umgeschaltet, und das
System wird nunmehr im Zustand (II) betrieben.
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In diesem Zustand (II) strömt das Abgas aus der Leitung 16 von
unten
nach oben durch die rechts angeordnete Regenerativzone 7'.
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Unmittelbar nach dem Umschalten des Ventils erreicht die Vorheiztemperatur
einen Wert von ungefähr 8200 C. Analog zur Verfahrensstufe (I) wird das vorgeheizte
Gas daraufhin mittels den Verbrennungsgasen des Brenners 13 in der Aufheizzone 11
auf 8800 C erhitzt. In einer Veraschungszone 12 erfolgt eine vollständige Zersetzung
der schädlichen Substanzen; daraufhin wird das Gas von oben nach unten durch die
Regenerativzone 7 geführt, wobei ein Wärmetausch stattfindet; anschließend strömt
das Gas durch das Gasauslaßventil 15 hindurch in die Abgabeleitung 17.
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Wiederum wird nach einem Abfall der Vorheiztemperatur des die Regenerativzone
7' verlassenden Gases von ursprünglich 8200 C auf 7800 C eine Umschaltung der Ventilstellungen
vorgenommen, so daß der Zustand (1) wieder erreicht ist. Der Anteil an dem Brenner
13 zugeführtem Brennstoff und Verbrennungsluft werden selbsttätig eingestellt, um
die Temeperatur des vermischten Gases in der Aufheizzone 11 bis auf 8800 C zu steigern.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt,
in der die oben angegebene Verfahrensführung zufriedenstellend durchgeführt werden
kann. Hierbei ist jedoch die Anzahl der Regenerativzonen nicht auf zwei oder drei
Zonen beschränkt; vielmehr kann, sofern erforderlich, auch-eine größere Anzahl von
Regenerativzonen vorgesehen werden. In der Praxis soll die Veraschungsvorrichtung
vorzugsweise drei Regenerativzonen aufweisen.
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Jede Regenerativzone 7 ist an ihrem Boden durch das Gitter 8 hindurch
mit dem Windkasten 9 verbunden. Dem Windkasten 9 ist eine
Düse
10 zugeordnet, die mit dem obengenannten Gaseinlaßventil 14 und mit dem Gasauslaßventil
15 verbunden ist. Diejenigen oben angegebenen Bauelemente, die der Einwirkung hoher
Temperaturen ausgesetzt sind, sind durch eine Hitze-isolierende Wand 5 aus hochschmelzendem
Material geschützt. Dadurch können diejenigen Bauteile, die der üblichen Veraschungstemperatur
von 700 bis 11000 C ausgesetzt sind, eine lange Lebensdauer aufweisen. Da sämtliche
Umschaltventile in dem niedrige Temperatur aufweisen den Bereich angeordnet sind,
muß deren Material nicht hitzebeständig sein. Diese Ausgestaltung trägt zur Verringerung
der gesamten Ausrüstungskosten bei.
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Mit einem Wärmetauscher mit dem oben angegebenen Aufbau kann die in
der Regenerativzone erreichte Gas-Vorheiztemperatur auf einen solchen Wert gebracht
werden, der nahe bei der vorgesehenen Veraschungstemperatur liegt. Dies trägt zur
Einsparung von dem Brenner 13 zugeführtem Brennstoff bei. Andererseits bewirkt eine
solche Verringerung des Brennstoffanteils notwendigerweise eine verminderte Menge
Verbrennungsgase. Sofern daher der Raum oberhalb der Regenerativzone 7 nicht von
dem Raum oberhalb der benachbarten Regenerativzone 7 isoliert ist, das heißt, sofern
ein gemeinsamer Raum für die entsprechenden Zonen 7 vorgesehen ist, dann könnte
das die Oberseite der Regenerativzone 7 verlassende Gas in eine benachbarte Regenerativzone
eintreten, ohne die Aufheizzone 11 zu passieren; dies würde zu einer Abnahme der
Aufheizwirkung des Brenners 13 führen. Solch ein Phänomen würde verstärkt an den
vom Mittelabschnitt entfernten Bereich der umlaufenden
Kante auftreten,
so daß die Veraschung der schädlichen Substanzen gegebenenfalls nicht vollständig
erfolgen würde, Im Gegensatz dazu unterteilen und isolieren die im Rahmen der Erfindung
vorgesehenen Trennwände 6 den oberen Raum, abgesehen von der Aufheizzone 11, vollständig,
so daß solches Gas, das durch die Regenerativzone 7 hindurchgetreten ist und den
oberen Raum erreicht hat, in seiner gesamten Menge durch den schmalen in der Mitte
befindlichen Raum in den benachbarten oberen Raum strömen muß, bevor es nach unten
in die nächste Regenerativzone 7 strömt. Durch geeignete Festlegung der Abmessungen
(Durchmesser und Höhe) der Aufheizzone 11, ferner durch den Anteil der vom Brenner
13 erzeugten Verbrennungsgase und schließlich durch die Strömungsgeschwindigkeit
der Verbrennungsgase kann das einströmende Gas ausreichend einheitlich auf eine
höhere Temperatur erhitzt werden, wenn es die Aufheizzone 11 durchströmt, selbst
wenn der Anteil an Verbrennungsgasen relativ klein ist (50 % oder weniger des aufzuheizenden
Gases). Die Abmessungen der Aufheizzone werden gewöhnlich so festgelegt, daß an
einer Stelle zwischen zwei benachbarten Trennwänden ein Durchsatz von 4000 bis 12000
kg/m2.h erreicht wird. Ein Durchsatz unterhalb der angegebenen Untergrenze führt
zu einer unzureichenden Vermischung, während bei einem Durchsatz oberhalb der Obergrenze
ein Druckabfall auftritt, was wiederum zu einem ungünstigen Energieverbrauch führt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen relativ einfachen und
kompakten Aufbau auf, führt zu möglichst geringen Wärmeverlusten, gewährleistet
eine gute Vermischung mit dem hohe Temperatur
aufweisenden Gas
und eine perfekte Veraschung der schädlichen Substanzen, gewährleistet eine überlegene
Wärmewiedergewinnung und verbraucht weniger Energie.
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Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen anderen Ausführungsformen
verwirklicht werden, ohne von den Grundsätzen der Erfindung oder deren wesentlichen
Eigenschaften abzuweichen.
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Die beschriebenen Ausführungsformen dienen daher in jeder Hinsicht
lediglich der Erläuterung und bezwecken keine Einschränkung der Erfindung.
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