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Verfahren zur thermischen Behandlung von Feststoffen in einem
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Herdofen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung
von Feststoffen in einem Herdofen, bei welchem eine Schicht aus den Feststoffen
auf die Platte des Herdofens gegeben und im Zuge einer relativen Drehbewegung zwischen
Herdplatte und Ablenkeinrichtungen von wenigstens einem Aufgabepunkt zu einem Austragspunkt
transportiert und durch Verbrennen von Gasen oberhalb der Feststoffschicht erwärmt
wird und die Gase zumindest teilweise durch Entgasen und/oder Umsetzen von kohlenstoffhaltigen
Bestandteilen der Feststoffschicht entstehen.
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Derartige Verfahren sind beispielsweise im Zusammenhang mit der Verkokung
von Braunkohle und der Direktreduktion von Eisenerzen bekannt. Nachteilig ist dabei,
dass die Durchsatzleistung des Herdofens im wesentlichen durch die Höhe der Feststoffschicht
bestimmt wird, die bei bekannten Verfahren eine bestimmte obere Grenze nicht überschreiten
kann, da sonst die ausreichende Erwarmung der Feststoffschicht, insbesondere in
den unteren Bereichen derselben, in einer bestimmten Zeiteinheit nicht gewährleistet
ist. Eine Verlängerung der Verweilzeit z. B. durch Verringerung
der
Drehzahl der Herdplatte würde ebenfalls zu keinem besseren Ergebnis führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
beschriebenen Art und einen dafür benutzten Herdofen so abzuwandeln, dass das auf
der Herdplatte befindliche Gut unabhängig von der Schichtdicke desselben bei gegebener
Verweilzeit eine ausreichende thermische Behandlung erfährt, so dass über die Wahl
der Schichtdicke die Durchsatzleistung beeinflussbar ist. D. h., es soll möglich
sein, die Schichtdicke ausschliesslich oder doch überwiegend unter Gesichtspunkten
der Durchsatzleistung und damit der Wirtschaftlichkeit zu wählen. Dabei soll der
Herdofen seine Einfachheit bezüglich Aufbau und Betriebsweise beibehalten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass innerhalb
einer unteren Lage der Schicht befindlicher Brennstoff zwecks Zuführung von zusätzlicher
Wärme in die Feststoffschicht zumindest teilweise verbrannt wird und die festen
Verbrennungsrückstände gemeinsam mit der übrigen Feststoffschicht oder deren Rückständen
in Richtung auf den Austragspunkt transportiert werden.
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In Abhängigkeit von den gegebenen Umständen, insbesondere dem zur
Verfügung stehenden Sauerstoff kann diese Lage praktisch vollständig, d. h. bis
auf die Ascherückstände verbrannt werden. Dadurch wird erreicht, dass die für die
thermische Behandlung erforderliche Wärme nicht nur ausschliesslich von oben auf
die Feststoffschicht einwirkt, sondern auch innerhalb der Feststoffschicht selbst
Wärme entsteht, so dass es letztenendes nur von der Menge des zusätzlich verbrannten
kohlenstoffhaltigen Materiales abhängt,
wie hoch die Feststoffschicht
gewählt werden kann.
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Es ist im allgemeinen vorteilhaft, die die zu verbrennenden Bestandteile
enthaltende Lage unabhängig von der übrigen Feststoffschicht auf die Herdplatte
aufzugeben. Dies geht insbesondere dann, wenn diese Lage ausschliesslich aus Brennstoff
besteht, wobei das Vorhandensein der üblichen Aschebestandteile natürlich nicht
ausgeschlossen sein soll. Die die zu verbrennenden Bestandteile aufweisende Lage
wird zweckmässig jeweils vor überlagerung durch die Feststoffschicht gezündet. Dies
kann durch eine besondere Zündeinrichtung kurz hinter der Aufgabestelle geschehen,
die beispielsweise im oberen Bereich des Ofens angebracht ist. Zweckmässig ist die
Anordnung so getroffen, dass die die zu verbrennenden Bestandteile aufweisende Lage
näher dem äusseren Umfang der Herdplatte auf letzterer aufgegeben wird als die Bestandteile
der übrigen Feststoffschicht. Das Zünden dieser Lage wird keine Schwierigkeiten
bereiten, da aufgrund der oberhalb der Feststoffschicht stattfindenden Verbrennung
der Entgasungsprodukte und der Umsetzungsprcdukte des kohlenstoffhaltigen Materials
der Feststoffschicht ohnehin eine Temperatur in der Grössenordnung von z. B.
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900° C innerhalb des Herdofens herrscht, so dass bei reaktionsfreudigem
Brennstoff, beispielsweise Braunkohle, eine besondere Zündung nicht einmal in allen
Fällen notwendig sein wird. Allerdings würde dann der Abstand zwischen Aufgabepunkt
für die zu verbrennende Lage einerseits und Aufgabepunkt für die Bestandteile der
übrigen Feststoffschicht andererseits grösser zu wählen sein, um eine einwandfreie
Zündung zu gewährleisten.
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Es wird im allgemeinen nicht möglich sein, eine sehr genaue Trennung
zwischen der unteren Lage mit dem zu verbrennenden Brennstoff und der darüber befindlichen
übrigen Feststoffschicht durchzuführen. Dies ist jedoch im allgemeinen auch nicht
notwendig, wenngleich die Ablenkeinrichtungen, durch die der Transport des auf der
Platte des Herdofens befindlichen Gutes von aussen nach innen erfolgt, vorteilhaft
so ausgebildet sind, dass die Schicht tung des Gutes in vertikaler Richtung so wenig
wie möglich durch den Ablenkvorgang beeinflusst wird. Es wird im Normalfall notwendig
sein, gasförmiges Medium in die Feststoffschicht und/oder in die im unteren Bereich
befindliche Lage aus zu verbrennendem Material einzuleiten. Die Zusammensetzung
dieses gasförmigen Mediums, dessen Menge und auch der Ort des Austritts desselben
wird insbesondere abhängen von der Art der thermischen Behandlung, die die Feststoffschicht
erfährt. Wenn es sich darum handelt, Braunkohle oder andere Kohle mit einem grossen
Anteil an flüchtigen Bestandteilen zu verkoken, wird es lediglich notwendig sein,
Sauerstoff in die Lage zu leiten, die zur Erzeugung zusätzlicher Wärme im unteren
Bereich verbrannt werden soll. über die Sauerstoffmenge lässt sich dabei ohne weiteres
die Menge der zu verbrennenden Kohle einstellen.
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Es besteht auch die Möglichkeit, gasförmiges Medium aus dem oberhalb
der auf der Herdplatte liegenden Feststoffschicht befindlichen Verbrennungsraum
in die Feststoffschicht und/oder in die Lage aus zu verbrennendem Material zu leiten.
Dies wird insbesondere dann zweckmässig sein, wenn die thermische Behandlung der
Feststoffschicht
der Reduzierung von Erzen dient. D. h., dass in diesem Fall die Feststoffschicht
beispielsweise aus einem Gemisch von Erzpellets und Braunkohle gebildet wird. Die
unter Wärmebildung mit Sauerstoff umgesetzten Teile des Brennstoffes dienen dabei
ebenfalls der Reduktion, da bei der Verbrennung gebildetes CO2 im Zuge der Bewegung
durch die Feststoffschicht nach oben durch die Braunkohle zu CO reduziert wird,
welches dann wiederum durch das Erz unter gleichzeitiger Reduktion desselben zu
CO2 aufoxidiert wird. Dieser Vorgang wird sich mehrfach wiederholen, bis das Reduktionsgas
oben aus der Feststoffschicht austritt. Die Zuführung von gasförmigem Medium aus
dem Bereich oberhalb der Feststoffschicht, in welcher die aus derselben austretenden
Gase, soweit sie nicht inert sind, verbrannt werden, hat auch den Vorteil, dass
zusätzliche fühlbare Wärme mit den Gasen in die Feststoffschicht eingebracht wird.
Dieses Gas wird zudem von vornherein ein erhebliches Reduktionspotential aufweisen,
da die Produkte von Entgasung und Umsetzung im Raum oberhalb der Feststoffschicht
im allgemeinen nur unterstöchiometrisch verbrannt werden.
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Zweckmässig werden der für die Verbrennung eines Teils des Brennstoffes
notwendige Sauerstoff einerseits und die Reduktionsgase andererseits über getrennte
Zuleitungen in das Feststoff bzw. die untere Lage desselben eing@fü@rt. Es iet selbstverständlich
auch möglich, beispielsweise in der mittleren Höhenlage des Festbettes eine Verbrennung
vo@ so @iel Brennstoff durchzuführen, wie für die zusätzliche Bereitstellung von
Wärme erforderlich ist. Jedoch wird es im Normalfall vorteilhafter sein, inder vorbeschriebenen
Weise
zu verfahren, bei welcher eine untere Lage der Feststoffschicht mit Sauerstoff umgesetzt
wird, zumal hierbei die Zündung keinerlei Schwierigkeiten bereitet.
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Bei der Direktreduktion von Eisenerzen kann es vorteilhaft sein, die
zur Deckung des Wärmebedarfs mit Sauerstoff umzusetzende Lage ausschliesslich aus
Brennstoff, also ohne Erzpellets, bestehen zu lassen, so dass in dieser Lage, die
eine merklich höhere Temperatur aufweisen wird als die übrige Feststoffschicht,
keine Erzreduktion stattfindet.
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Der Herdofen weist gegenüber dem Drehrohrofen für die Reduktion von
Erzen den Vorteil geringerer Investitionskosten auf. Hinzu kommt, dass der Herdofen
auch einem wesentlich geringeren Verschleiss unterliegt. Dies ist unter anderem
darauf zurückzuführen, dass die Anzahl der Umdrehungen pro Zeiteinheit beim Herdofen
wesentlich geringer ist als beim Drehrohrofen. Ein weiterer Vorteil des Herdofens
liegt darin begründet, dass es wesentlich einfacher ist, eine feuerfeste Mauerung
anzubringen, die zudem, da die im wesentlichen horizontal angeordnete Herdplatte
um eine vertikale Achse dreht, weniger stark beansprucht ist als in einem Drehrohrofen.
Bei letzterem werden die Ausmauerung in ihrer Gesamtheit und auch die einzelnen
Steine derselben im Zuge der Drehbewegung aufgrund des Eigengewichtes in unterschiedlichen
Richtungen beansprucht. Ausserdem ist die Ausmauerung eines im wesentlichen zylindrischen
Raumes mit sehr viel Mehraufwand verbunden als die Ausmauerung der im wesentlichen
horizontalen Herdplatte.
Dies gilt auch für die Decke des Herdofens,
die darüber hinaus ohnehin feststeht.
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Die Temperatur in der Feststoffschicht wird bei Verwendung von Braunkohle
und anderen ähnlichen reaktionsfreudigen Brennstoffen in der Grössenordnung von
900 bis 9500 C liegen. Diese Temperatur reicht unter den genannten Bedingungen aus,
um die Reaktion C + CO2 = 2 CO ablaufen zu lassen.
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Die relativ niedrige Temperatur hat überdies den Vorteil, dass die
Ablenkeinrichtungen und die Zuführeinrichtungen für gasförmiges Medium weniger stark
beansprucht werden als es bei höheren Temperaturen der Fall ist.
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Für alle Anwendungsfälle gilt der Vorteil, dass der zur Erzielung
des angestrebten Effektes - höhere Durchsatzleistung - notwendige Mehraufwand gering
ist. Es ist ohne weiteres möglich, die Ablenkeinrichtungen, die schaufelähnlich
ausgebildet sein können, zugleich mit Zuführleitungen für gasförmiges Medium zu
versehen.
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Darüber hinaus kann es zweckmässig sein, zusätzliche Zuführmittel
in Form beispielsweise von Lanzen, die von oben in die Feststoffschicht hineinragen,
vorzusehen. Auch der dadurch bedingte Mehraufwand fällt praktisch nicht ins Gewicht.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 im Schema einen Schnitt durch einen Herdofen,
Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in grösserem Maßstab.
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Der Herdofen lO besteht im wesentlichen aus einer um eine vertikale
Mittelachse drehbar gelagerten Herdplatte 12 und einer darüber angeordneten, feststehenden
Haube 14, die mit einem Abzug 16 für gasförmiges Medium versehen ist.
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Die ringscheibenförmige Herdplatte 12 ist trichterförmig ausgebildet
und im mittleren Bereich unterseitig mit einem Fortsatz 18 versehen, der einen Austragsschacht
20 begrenzt, durch den die festen Rückstände des innerhalb des Drehofens thermisch
behandelten Feststoffes ausgetragen werden.
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Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel wird davon
ausgegangen, dass die thermische Behandlung zum Zwecke der Reduktion von Eisenerzen
dient. Zu diesem Zweck wird ein Gemisch aus dem vorzugsweise pelletförmigen Eisenerz
und Braunkohle durch eine Zuführungseinrichtung 22, die in einem gewissen Abstand
vom äusseren Umfang der Herdplatte 12 angeordnet ist, auf letzterer aufgegeben.
Weiterhin ist eine Zuführungseinrichtung 24 vorgesehen, die sich nahe dem äusseren
Umfang der Herdplatte 12 befindet und dazu dient, Braunkohle -oder einen anderen
geeigneten Brennstoff - in einer relativ dünnen Lage 26 auf die Herdplatte 12 zu
geben, die sich in der üblichen Weise langsam im Zuge ihrer Drehbewegung unter den
feststehenden Zuführungseinrichtungen 22 und 24, die von der Haube 14 getragen sind,
bewegt. Da das Erz-
Kohle-Gemisch über die Zuführungseinrichtung
22 in Bewegungsrichtung des auf der Herdplatte 12 befindlichen Feststoffes erst
hinter der durch die Zuführungseinrichtung 24 aufgegebenen Kohle aufgegeben wird,
besteht die gesamte auf der Herdplatte 12 befindliche Feststoffschicht aus zwei
Lagen, nämlich der unteren Lage 26 aus Brennstoff und der darüber befindlichen Lage
28 aus dem Erz-Kohle-Gemisch, wobei die letztgenannte Lage im Normalfall eine wesentlich
grössere vertikale Erstreckung haben wird als die Lage 26.
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Am Oberteil 14 des Herdes 10 sind Ablenkeinrichtungen 30 angebracht,
die flächig ausgebildet sind und in die auf der Herdplatte 12 liegende Feststoffschicht
eingreifen, wobei sie kurz oberhalb der Oberfläche der Herdplatte 12 enden. Im Zuge
der von der Herdplatte 12 um deren vertikale Mittelachse ausgeführten Drehbewegung
wird die Feststoffschicht jeweils nach einer halben Umdrehung der Platte um eine
bestimmte Wegstrecke nach innen in Richtung auf den Austragsschacht 20 verschoben,
so dass die nahe dem äusseren Umfang der Herdplatte aufgegebene Lage 26 und die
in einem geringen Abstand von diesem äusseren Umfang aufgegebene Lage 28 aus Erz
und Kohle bzw. deren festen Rückstände nach einer bestimmten Anzahl von Umdrehungen
der Herdplatte 12 durch den Austragsschacht 20 ausgetragen werden. Bei dem in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt während der Zeit, die für diesen
Weg benötigt wird, die Reduktion des Erzes, so dass im Ergebnis ein Gemisch aus
mehr oder weniger reinem Fe und Asche mit einem mehr oder weniger grossen Gehalt
an Restkohlenstoff durch
den Schacht 20 den Herdofen lO verlassen.
Die unterhalb des Schachtes 20 angeordneten Austragseinrichtungen gehören zum Stand
der Technik, so dass sie hier nicht näher beschrieben werden.
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Die Zeichnung lässt erkennen, dass die Lage 26 etwa eine Umdrehung
innerhalb des Herdofens ausführt, bevor sie durch die Lage 28 aus Erz und Kohle
überdeckt wird.
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Die Inbetriebnahme des Herdofens erfolgt in der Weise, dass mit öl-
und/oder Gasbrenner oder anderen geeigneten Hilfsmitteln die Temperaturen innerhalb
des Herdofens auf z. B. 600" C gebracht werden. Vorteilhaft wird zunächst lediglich
Brennstoff, vorzugsweise Braunkohle oder eine Kohle mit ähnlichen Eigenschaften
auf die Herdplatte 12 gebracht. Diese Kohle wird durch die Brenner soweit erwärmt,
dass aus dieser Gase frei werden, die innerhalb des Herdraumes 32, also oberhalb
der auf der Herdplatte 12 befindlichen Feststoffschicht, verbrannt werden. Die dazu
notwendige Luft wird durch geeignete Leitungen 34 zugeführt. Die Verbrennung der
Gase bewirkt eine zusätzliche Aufheizung des Herdraumes 32, bis die vorgesehene
Temperatur von beispielsweise 900 bis 10000 C erreicht wird. Im Laufe der Zeit stellen
sich entsprechend hohe Mauerwerkstemperaturen als Folge der Konvektion und Wärmestrahlung
ein, wobei die Temperatur am Aussenrand der Herdplatte 12 im allgemeinen etwas niedriger
sein wird als im Bereich des Austragsschachtes 20.
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Zusätzlich wird Wärme durch Verbrennen der unteren Lage 26 in
den
Herdofen 10 eingeführt. Zu diesem Zweck ist eine Zündeinrichtung 36 vorgesehen,
bei der es sich ebenfalls um einen O1- oder Gasbrenner handeln kann, die in Bewegungsrichtung
in einem kurzen Abstand hinter der Zuführeinrichtung 22 die Lage 26 zündet. D.er
für die Durchführung und Aufrechterhaltung der Verbrennung in der Lage 26 notwendige
Sauerstoff kann über lanzenförmige Zuleitungen 38 zugeführt werden, die ebenfalls
von oben in die Feststoffschicht 28 bis in die Lage 36 hinein reichen und an eine
gemeinsame Hauptleitung 40 für Luft oder andere sauerstoffhaltige Gase angeschlossen
sind. Die gasförmigen Verbrennungsprodukte der Lage 26 strömen nach oben durch die
darüber befindliche Lage 28 hindurch, so dass diese nicht nur von oben, sondern
auch von unten erwärmt wird. Es liegt auf der Hand, dass, sei es beim Inbetriebnehmen
des Ofens oder später während des normalen Betriebs, eine genaue Trennung zwischen
der Lage 26 und der darüber befindlichen Lage 28 bezüglich des Verbrennungsvorganges
nicht immer möglich, aber auch nicht notwendig sein wird. Entscheidend ist im Ergebnis,
dass soviel Brennstoff mit Sauerstoff umgesetzt wird, dass der notwendige Wärmebedarf
gedeckt wird.
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Sobald der Ofen den vorgesehenen Betriebszustand erreicht hat, kann
die Zusatzfeuerung über den in der Zeichnung nicht dargestellten ölbrenner oder
dgl. abgestellt werden. Dies gilt jedoch nicht für die Zündeinrichtung 36 für die
Brennstofflage 26. Nunmehr wird durch die Zuführeinrichtung 24 das thermisch zu
behandelnde Gut aufgegeben, in diesem Falle das Gemisch aus Erz und Braunkohle.
Die weitere Wärmeversorgung erfolgt nunmehr im
normalen Betrieb
über die Verbrennung der aus der Kohle frei werdenden Destillationsprodukte sowie
eines Teils des aus der Feststoffschicht nach oben entweichenden CO im Herdraum
32 sowie durch die Verbrennung der Brennstofflage 26. Die durch die Verbrennung
der Gase erzeugte Wärme wird durch Strahlung der Haube 14 auf die Feststoffschicht
übertragen und sorgt auf diese Weise von oben für die Aufheizung des ständig der
Herdplatte 12 zugeführten Erz-Kohle-Gemisches. Zugleich erfolgt von unten eine Aufheizung
durch die Verbrennung der Lage 26 bzw. in den benachbarten Bereichen der Lage 28.
Insgesamt kann auf diese Weise ein kontinuierlicher Wärmebehandlungsprozess aufrechterhalten
werden, dessen Temperaturen ausreichend konstant sind.
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Bei der Benutzung des Herdofens zur Verkokung von Kohlen mit einem
entsprechend hohen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen, z.B.
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Braunkohlen, wird es normalerweise nicht notwendig sein, sämtliche
aus der Kohle ausgetriebenen flüchtigen Bestandteile zur Deckung des Wärmebedarfes
zu verbrennen. D. h., dass in diesem Fall das durch den Abzug 16 abströmende Gas
noch einen gewissen Heizwert hat und in einer nachgeschalteten Einrichtung verbrannt
werden kann. Daraus folgt wiederum, dass auch dann, wenn ein Teil der Kohle durch
Erz ersetzt wird, immer noch Entgasungsprodukte aus dem Brennstoff des Erz-Kohle-Gemisches
entweichen, die ausreichen, um den Wärmebedarf, soweit er von oben zugeführt wird,
zu decken. Im übrigen hängt dieser Wärmebedarf ab von der Wärme menge, die durch
Verbrennung im unteren Bereich der Feststoffschicht zugeführt wird.
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Weiterhin ist es möglich, im Bereich der Lage 28, die aus Erz und
Kohle besteht, Hilfsreduktionsgas, beispielsweise CO und/oder H2 sowie gegebenenfalls
Luft zuzuführen. Dazu können die Ablenkeinrichtungen 30 verwendet werden. Die Zeichnung
lässt erkennen, dass diese Ablenkeinrichtungen 30 durch Rohre 42 gehalten sind,
die zugleich der Zuführung für das gasförmige Medium dienen. Die plattenförmigen
Ablenkeinrichtungen 30 sind mit Zweigleitungen 44 versehen, die in öffnungen 46
münden, durch die Hilfsreduktionsgas und/oder Luft in die Lage 28 ausströmen.
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In Abhängigkeit vom Reduktionspotential des durch den Abzug 16 aus
dem Herdofen 10 strömenden Abgases kann ggf. ein Teil desselben rückgeführt werden.
Wenn dies ohne Regenierung geschieht, entfällt auch die Notwendigkeit einer Reinigung
dieses rückgeführten Gases, so dass es nicht gekühlt zu werden braucht und somit
gleichzeitig zusätzliche Wärme in die Feststoffschicht einbringt.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, durch die Leitungen 42 und
die Ablenkeinrichtungen 3Q luft einzubringen, und zwar sowohl in die Lage 26 als
auch in die Lage 28, falls auch in letzterer eine Verbrennung eines Teils der Kohle
zur Bildung von gasförmigem Medium erfolgen soll, das als Reduktionsmittel verwendbar
ist bzw. zu Reduktionsmittel durch den in der Feststoffschicht enthaltenen Kohlenstoff
reduzierbar ist. Entsprechend ist es auch möglich, Lanzen 38 zur Einbringung von
Hilfsreduktionsgas und/oder Luft in die Lage 28 zu verwenden.
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Vorteilhaft sind Lanzen 38 und/oder Ablenkeinrichtungen 30 höhenverstellbar
angeordnet, damit eine Anpassung an wechselnde Verhältnisse möglich ist.
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L e e r s e i t e