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Schlamm-Transport
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Diese Erfindung bezieht sich auf den Transport von Schlamm durch eine
Rohrleitung, und insbesondere auf das Pumpen von Schlamm, der aus Gründen der Wirtschaftlichkeit
soweit als möglich gesättigt sein soll.
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Die derzeit bekannten Systeme für den Transport von Feststoffen, wie
zum Beispiel zerkleinerter Kohle, beruhen auf den verschiedenen Versionen der bekannten
"Bechtel"-Technologie, wobei diese Systeme das Vorhandensein eines ausreichenden
Anteils von Feinstpartikeln erfordern, um die Bewegung grosser Partikel entlang
der Rohrleitung, durch die Kohle gepumpt wird, zu ermöglichen. Deshalb ist es für
die meisten Exporterfordernisse für die Kohle eine Notwendigkeit, diese zur Erzeugung
eines geeigneten Produkts einer Bearbeitung zu unterwerfen, und dann eine weitere
Behandlung zum Ausscheiden des transportierenden Mediums und/oder Aufhalden und
Wiederaufbereiten für die Verwendung in entweder Koksöfen oder Wärme-Kraftwerken
vorzunehmen. In diesem Zusammenhang erfordern die existierenden Rohrleitungen üblicherweise
eine Kohle, die eine Siebfeinheit von weniger als 14 mesh hat, und in den
meisten
Fällen enthält die Kohle eine ausreichende Quantität feinster Teilchen von - 325
mesh in über 20 %, um einen geeigneten Schlamm sicherzustellen, der auch von den
vorhandenen und durch die Technologie bewältigt werden kann.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Aufbereiten
und Bearbeiten des Ausgangsmaterials vollständig zu eliminieren, wodurch dieses
Material zur Ausgangsposition für den Rohrleitungstransport gelangt, wie es nach
dem Abbau und dem wash-rig-Verfahren anfällt.
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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Förderung von Dampfkessel-
und Kokskohle entsprechend den derzeitigen Exportstandards, das heisst, mit einem
Minimum an Wassergehalt und Energie, zu ermöglichen. Dies bedeutet, dass die Verteilung
der Feststoffe nach Grössen derart gesteuert erfolgt, dass Hohlräume (und damit
der Wassergehalt eines Schlammes) auf einem Minimum gehalten werden.
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Ein Vorteil der Erfindung ist es deshalb, ein Material-Transportsystem
in der Kombination von Mitteln zum Bewirken einer gesteuerten Verteilung einer Feststoffpartikel/Flüssigkeit-Grundmasse
mit Mitteln für die
forcierte Beförderung der Grundmasse mittels
Verdrängung durch ein Rohrsystem zu schaffen, derart, dass die Partikel der Grundmasse
ohne Qualitätsverlust den Förderweg passieren.
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Eine derart aufgebaute, in dem vorhergehenden Absatz definierte Einrichtung
gemäss den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung basiert auf dem Konzept,
dass optimale Fliesseigenschaften für die Grundmasse erzielt werden können, wenn
durch Regulierung der Verteilung der darin enthaltenen Feststoffe die grösstmögliche
Packungsdichte erreichbar wird. Diese Verteilung kann so gesteuert werden, dass
die Grundmasse eine den Transport von Mineralien allgemein in der höchstmöglichen
Konzentration ermöglichende "Fluidität" erhält.
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Jede derartige Erhöhung der Konzentration über den Zustand der losen
Packung hinaus, reduziert die relative Mobilität der Partikel und resultiert in
einem rapiden Anstieg des Druckverlustes bis zu einem Punkt, an dem die enge Packungsdichte
der Feststoffe erreicht ist und das Material in Form eines Stopfens bewegt werden
kann, wodurch dann auch Druckgefälle abgebaut wird. Wenn das sichergestellt werden
kann, dass ein ausreichender Schlupf entlang der Rohrwandung gegeben ist, fliesst
das in der Rohrleitung beförderte Material in Form eines
Stopfens
ohne Scherwirkung im Schlamm selbst. In diesem Fall ist die den Schergrad an der
Wandung bestimmende Geschwindigkeit identisch mit der Durchschnittsgeschwindigkeit
des Schlammes. Unter der Voraussetzung, dass eine Flüssigkeitsschicht ausreichender
Dicke an der Wandung durch die Eigenschaften des Materials aufrechterhalten werden
kann, ist der Schergrad an der Wandung nur von der Schlamm-Geschwindigkeit selbst
abhängig und nicht von dem Verhältnis Geschwindigkeit zur Dichte, wie dies bei anderen
nicht-Newtonschen Flüssigkeiten der Fall ist.
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Bei Versuchen, die zu dieser Erfindung führten, wurde festgestellt,
dass, wenn das Material beim Durchsatz durch eine Rohrleitungspumpe eine gesteuerte
Packungsdichte erhält, mit der die grössenrichtige Verteilung ein Trockengewicht
von zirka 70 % für Kessel- und Kokskohle ergibt, die Forderungen für einen wirtschaftlichen
Schlammtransport erfüllt sind.
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Um die notwendigen '"Wandungsschlupf"-Verhältnisse über die gesamte
Rohrleitung sicherzustellen, sorgen die Flüssigkeits-Dichtungen der Kolben und Ventilplatten
der Pumpe für den erforderlichen Film in den Pumpenzylindern und an der Rohrwandung,
und dies, verbunden mit der Druckbeaufschlagung des Kerns des Materials durch den
Kolben, hält die erforderlichen Gleitbedingungen an der Wandung aufrecht.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist für den Schlammtransport durch
Rohrleitungen über kurze Entfernungen geeignet, wie sie durchaus zwischen einer
Halde und einer Feinstmahlanlage oder für das hydraulische Beladen von Schiffen
an dem Pier oder vor der Küste bestehen können. Sie ermöglicht, das Material mit
weniger als dem üblichen Feuchtigkeitsgehalt und nur in Abhängigkeit von der Wandungs-Gleitflüssigkeit
zu transportieren, wobei der Durchfluss ohen Scherung in dem Material selbst aufrechterhalten
wird.
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Da erfindungsgemäss der Schlamm Partikel normaler Grösse ohne Festlegung
auf bestimmte Grössen enthält, sind nach der Erfindung nicht die üblichen Parameter
der Partikelgrösse gegenüber der Absetzgeschwindigkeit anwendbar.
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Es können demzufEge Feststoffpartikel jeder Grösse zufriedenstellend
mit niedriger Geschwindigkeit befördert werden, da die einzige zu überwindende Kraft
für die Fortbewegung des Schlammes in der Rohrleitung die Kraft ist, den Wasserfilm
aufrechtzuerhalten, wenn der Schlamm einmal für die Fortbewegung als einheitlicher
Stopfen geeignet aufbereitet ist.
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Die Pumpe ist vorzugsweise eine Verdrängerpumpe, die das {Material
stoßfrei bewegt und ohne Dämpfungskammern nichtpulsierend fördert. Die Konzentration,
mit der Feststoffpartikel
behandelt werden können, ist allein
durch die Einrichtungen begrenzt, diese Feststoffe der Pumpe zuzuführen. Falls gewünscht,
können die Feststoffe auch trocken der Pumpe zugeführt und nur mit der den Kolben
und die Ventilplatte auf dem Leckwege passierenden Schwemmflüssigkeit von der Pumpe
abgegeben werden.
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Ein Hauptvorteil der Erfindung ist, dass der aus dem zu befördernden
Material bestehende Stopfen nicht nur als Ganzes bewegt und damit ein wirtschaftlicher
Transport bei geringem Schereffekt nur an der flüssigen Gleitschicht entlang der
Wandung gegeben ist, sondern auch das Nichtvorhandensein von Scherkräften innerhalb
des Stopfens selbst jede Zermahlung der Partikel untereinander im Stopfen verhindert
wird. Somit wird also jegliche Degradation während des Transports über die gesamte
Strecke vom Aufgabe- bis zum Abgabeende einer Rohrleitung beträchtlicher Länge unterbunden.
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Eine besondere Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend mit
Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, und zwar zeigt Fig. 1 ein erläuterndes
Diagmnm, die die zu überwindende Kraft darstellt, ehe eine Beschickung des Rohres
beginnen kann,
Fig. 2 den sogenannten Magnuseffekt in einem Rohr
bei Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit, Fig. 3 ein erläuterndes Diagramm, welches
darstell, wie "Gleitflüssigkeit" entlang der Wandung den Energiebedarf in einem
Rohr beeinflusst, Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Anordnung unter Verwendung
der Pumpen.Dichtflüssigkeit als "Gleitflüssigkeit" für die Wandung, und Fig. 5 die
schematische Anordnung bei Verwendung einer Schnecke oder Schraube für die Zuführung
an der Ansaugseite einer Pumpe.
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Aus den Zeichnungen kann ersehen werden, dass vier verschiedene Möglichkeiten
des Partikeltransports innerhalb einer Führung, wie die eines Rohres 1, gegeben
sind.
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Die charakteristischen Merkmale sind: 1) Zuführung is eine heterogene
Suspension, die durch Turbulenz in einer Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, aufrechterhalten
wird.
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2) Transport durch ruckweises Vorwärtsbewegen, wobei die Partikel
in diesem System durch eine Flüssigkeit wechselweise aufgenommen und entlang des
Rohres wieder abgesetzt werden.
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3) Transport in Form eines "Gleitbettes".
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Alle obig gena-nten Systeme sind für einen Transport über grosse Entfernungen
ungeeignet.
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4) Transport als homogene Suspension, in welcher laminare und turbulente
Strömungen zusammen bestehen. (Dieses System kommt in der vorliegenden Erfindung
zur Anwendung und ist als "Stopfen"-Förderung bekannt, wobei der Flüssigkeitsfilm
2 nahe der Rohrwandung eine turbulente Strömung und der Stopfen 3 in der Mitte des
Rohres den laminaren Abschnitt bildet).
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Die letzgenannte Form der Strömung ist wirksamer als eine turbulente
Strömung mittels Wasser. Die erzielbare Reduzierung der Rohr-Reibungsverluste mit
Wasser-Suspensionen für den Stopfen im Vergleich zu reinem Wasser resultiert aus
der Eliminierung der Verluste, die sich aus einer Turbulenz innerhalb des Stopfens
beim Transport von Wasser ohne Beimengungen ergeben würden.
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Wenn die auf den Rohrquerschnitt wirkenden Kräfte niedriger sind als
der Fliesspunkt, wird die Vermischung elastisch verdichtet und damit Wasser in Richtung
auf die Peripherie ausgepresst, wie dies ähnlich mit einem nassen Schwann erfolgen
kann.
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Bei dieser Ausführung ist es Voraussetzung, dass das zi transportierende
Material eine Fluidität insofern besitzt, dass es wie ein Schwamm zusammenpressbar
ist und seine Flüssigkeit an die Peripherie abgibt. Dies erfordert eine Initialkraft,
um diese Bedingungen aufzubauen, ehe die Durchströmung anläuft, wie dies aus Fig.
1 ersichtlich ist.
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Der "Magnuseffekt" bewirkt eine Bewegung der Partikel nach der Mitte
des Rohres 1 zu mit zunehmender Geschwindigkeit des transportierten Materials. Der
Kern ist also unter Druck und die Flüssigkeit entweicht in Richtung der Peripherie
und wirt dort unter dem Einfluss der Durchflussgeschwindigkeit gehalten.
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Eine Weiterentwicklung dieser Konzeption ist, dass Mittel vorgesehen
werden, die einen dicht gepackten Materialkern 5 umgeben von einem Film der Wandungs-"Gleitflüssigkeit"
6, was ein Minimum an Widerstand bei der Durchströmung ergibt, während ein Maximum
an Material bei minimalem Aufwand an Energie transportiert wird, wie aus Fig. 3
ersichtlich.
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Eine Anordnung, in der die Pumpendichtung eine Wandung Gleitflüssigkeit"
abgibt, ist in Fig. 4 gezeigt. Der Kolben 7 bringt dabei an den Punkten 8, 9 und
14 Dichtungsflüssigkeit ein.
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Wenn das zu transportierende Material derart beschaffen ist, dass
beträchtliche Kräfte für das dichte Packen des Materials in die Form eines verdichteten
Kernstopfens 10 erforderlich sind, dann kann eine Presse, z.B. eine Schnecken- oder
Schrauben-Pumpe an der Ansaugseite der Pumpe mit Wassereintrittsinjektoren an den
Punkten 12, 13 eingesetzt werden, um Schmierflüssigkeit zusätzlich zur Dichtungsflüssigkeit
der Pumpe zuzuführen, wie aus Fig. 5 ersichtlich.
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Wenn eine Rohrleitung einige Zeit ausser Betrieb ist, tendiert der
Kern zum Absetzen auf das Bodensegment des Rohres, wie dies mit einer Welle in einem
Lager in annähernd gleicher Weise der Fall ist. Falls keine Druckentlastung in der
Rohrleitung vorhanden ist, kann dann der Durchfluss mit dem 1 1/2-fachen Betriebsdruck
als Ausgangsdruck mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit wieder aufgebaut werden
(ohne relative Verschiebung der Partikel).
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Wenn eine Druckentlastung vorgenommen wurde, erfolgt der Wiederanlauf
auf der normalen Basis des Stopfen-Durchsatzes mit der Zuführung des 1 1/2-fachen
Druckes, um den Durchsatz wieder in Gang zu bringen.
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Die Dicke der Schicht der Gleitflüssigkeit an der Wandung ist eine
Funktion der zu pumpenden Entfernung. Bei kurzen Strecken ist diese minimal, für
lange Strecken ist zusätzliche Flüssigkeit erforderlich.
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Es ist verständlich, dass diese Erfindung auch auf eine Reihe anderer
unterschiedliche Bereiche Einfluss hat, wie zum Beispiel die Kohle-Klassierung Die
dem Kohlenflöz innewohnenden Struktur- und Härteeigenschaften waren anfangs Ausgangspunkt
für die prozentuale Aufteilung der zu produzierenden Sortengrössen.
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Abhängig von der Struktur der Kohle und Zerkleinerung oder anderer
Degradationsverfahren während der Aufbereitung resultiert daraus ein Produkt mit
einer Mischung mehrerer leicht unterschiedlicher Grössen-Verteilungsformen, um eine
maximale Packungsdichte zu erreichen.
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Da Brechen der Kohle ist nicht ein willkürlicher Vorgang in dem Sinn,
indem die Verteilung der zu produzierenden Grössen nicht im voraus vollständig bestimmbar
wäre.
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Das Zerkleinern der Kohle kann nämlich so gesteuert werden, dass das
für den Transport vorgesehene Produkt eine Grössenverteilung erhält, die eine maximale
Packungsdichte ermöglicht, übereinçtimmend mit den den Markterfordernissen
angepassten
Grössen und einem Minimum an Feinstpartikeln, die während der Aufbereitung anfallen,
um diese Bedingungen zu erfüllen. Die genannten Feinstpartikel werden über die Kohlenwäsche
als Ausschussgrössen aussortiert und erfordern keinen anderen Träger.
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Es ist für die Partikelgrössen-Verteilung wünschenswert, in der Form,
dass der Hohlraumanteil des daraus resultierenden Produktes auf einem Minimum gehalten
wird, und dieser Hohlraumanteil sollte das theoretische Minimum von 2 bis 3 % des
Volumens erreichen.
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Kohle-Umwandlung Die Kohle-Umwandlung erfolgt durch das Injizieren
derselben mit Wasserstoff in einem Reaktor bei TEmperaturen 0 0 von ca. 290 C bis
ca. 1.100 C und bei Drücken von 1 bis 150 Atmosphären.
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Kohle kann zu Kohle oder Gas umgewandelt werden, da diese Substanzen
alle Kohlenwasserstoffe enthalten, und dies wird durch Änderung des Wasserstoff/Kohlenstoff-Verhältnisses
der Kohle unter Anwendung eines der folgenden Verfahren erreicht: a) Wasserstoff
kann der Kohle zugesetzt werden b) Kohlenstoff kann der Kohle entzogen werden
c)
Kohle kann in einzelne Kohlenstoffatome zerlegt und wiederaufgebaut werden.
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Die meisten derzeit bekannten Verfahren basieren auf der Zuführung
von Wasserstoff, was das direkte "Verflüssigungs"-Verfahren ist.
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Typische daraus resultierende Produkte sind: d) Solvent Refined Coal
(SRC).
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e) Exxon Donor Solvent (EDC) (hergestellt durch Lösemittel) f) H-Coal
(hergestellt durch direkte Zugabe von Wasserstoff).
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Bei dem EDS-Verfahren wird Kohle in einem Reaktor mit einer Temperatur
von 4550 C und bei einem Druck von 100 bis 150 Atmosphären verflüssigt. Wasserstoff
und ein Donor-Lösungsmittel werden gasförmig zugeführt; das Donor-Lösungsmittel
ist eine Kohleflüssigkeit aus dem Verfahren, welches den Wasserstoffgehalt in einem
separaten katalytischen Reaktor steigert. Der Gewinn ist 2.5 barrels öl pro Tonne
Kohle. Ein Katalysator wird zur Beschleunigung der chemischen Reaktion des gasförmigen
Wasserstoffs mit der Kohle in dem Verflüssigungs-Behälter mit einer Temperatur von
3430 C verwendet.
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ölschiefer ist ein Gestein, das ein organisches Material mit der Bezeichnung
Kerogen enthält. Bei der Erhitzung
0 auf 482 C verdampft das Kerogen,
wird aus dem Gestein ausgeschieden und wiedervereidWt sich in Flüssigkeit und etwas
Gas.
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Ein Problem ergibt sich bei der ölproduktion aus Schiefer, wohin mit
den verbrachten Schiefermassen, die sich nach dem Retortenverfahren um 20 %vergrössern.
Wenn also pro Tag 100 000 barrels öl produziert werden, so fallen 200 000 Tonnen
an Schiefergestein täglich zur Beseitigung an.
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Teil der meisten Kohle-Umwandlungsverfahren ist zum Beispiel das Pumpen
der Kohle in die unter Druck stehenden und aufgeheizten Reaktoren. Dafür werden
spezielle Pumpen benötigt, um diese Injizierung zu bewältigen.
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Nachdem eine solche Mischung den Reaktor durchlaufen hat, unterliegt
ein Teil dem Recycling, wozu wieder Pumpen erforderlich sind. Die vorliegende Erfindung
ist speziell auf die Kohle- und Schiefer-Umwandlungen abgestimmt und verwendet eine
Pumpe, die Gegenstand des australischen Patents Nr. 461,204 desselben Erfinders
ist. Die Pumpe ist auch für die drei Vergasungsverfahr-en: Festbett-, Fliessbet-Verfahren
und- entrained" Bett-Verfahren geeignet. Die Pumpe kann in einem Zuführsystem den
Druck aufrechterhalten, während Kohle oder Schiefer
stetig dem
Reaktor zugeführt wird, und bildet eine "Dichtung" gegenüber dem Gas-Gegendruck.
Damit muss das Gas im Zuführsystem nicht abgelassen werden, was einen Verlust an
Energie zur Folge hat und was bei den derzeitigen typischen"Lock-Hopper"-Zuführsystem
der Fall ist.
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Die Erfindung ist auch für die Beschickung druckdichter Fliessbett-Dampfgeneratoren
und Reaktoren geeignet.
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Die erwähnte Pumpe ist für jede Kombination von Beschickungsmaterial
als Einzelprodukt oder in irgendeiner Vermischung, die für die Steuerung und den
Betrieb des Bettes erforderlich ist, ausgelegt.
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Die Pumpe kann das Produkt in regelbarer Zuführmenge von Null bis
zum Maximfium der vorbestimmten Kapazität zuführen, so dass das Bett automatisch
durch diese einzige Einheit gesteuert wird. Dies reduziert die Kosten für eine Steuerung
und die Komplexität im Vergleich zu den existierenden PFBC-Einheiten.
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Die gesamte Feuchtigkeit in dem Brennmaterial muss von der Umgebungstemperatur
(oder der Temperatur des Brennmaterials, falls diese höher als die Umgebungstemperatur
ist) zu der Temperatur aufgeheizt werden, an der sich in Abhängigkeit vom Betriebsdruck
der Verbrennungskammer Dampf bildet. Der Dampf muss dann auf die Temperatur der
Feuerungsgase aufgeheizt werden.
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Eine perfekte Regelung wird in der Praxis selten erreicht.
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Um sicherzustellen, dass zumindest überall ausreichend Luft für die
vollständige Verbrennung vorhanden ist, ist es angebracht, einen durchschnittlichen
Überschuss über der theoretisch notwendigen Menge vorzusehen.
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Dieser Überschuss vermischt sich und verdünnt das Verbrennungsprodukt,
senkt dessen Durchschnittstemperatur und reduziert damit die Wärmeabgabeleistung.
Es ist deshalb ratsam, die Überschussmenge an Luft auf die geringste Menge zu reduzieren,
die erforderlich ist, die Verbrennung gerade noch vollständig aufrechtzuerhalten.