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Kohlenstaubbrenner und Verfahren für seinen Betrieb
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Die Erfindung betrifft einen Kohlenstaubbrenner und ein Verfahren
zu seinem Betrieb, wobei der Kohlenstaub in einem konzentrierten Strom zugeführt
wird. Das Einsatzgebiet liegt vorrangig in der chemischen Industrie bei der Vergasung
von Kohlen.
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Es ist ein Kohlenstaubbrenner bekannt, der ein Gehäuse, einen längs
der zentralen Achse angeordneten Kanal für die Zuführung des Kohlenstaubes sowie
die längs der Peripherie angeordneten und unter einem Winkel zur Brennerachse gerichteten
Kanäle für die Sauerstoffzuführung besitzt. Dabei ist in Betracht zu ziehen, daß
die Austrittsenden dieser Kanäle am Kanal für die Zuführung des Kohlenstaubes befestigt
sind (FR-PS 23 65 628).
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Der Brenner arbeitet auf folgende Art und Weise: Über den zentralen
Kanal erfolgt die Zuführung des konzentrierten Kohlenstaubstromes (mit Trägergas).
Durch den
Kanal für die Zuführung des Oxidationsmittels erfolgt
die Zuführung des Sauerstoffes, der direkt in den Kohlenstaubstrom gelangt. Deshalb
erfolgt am Ausgang aus dem Brenner in den Reaktionsraum die Zuführung einer Mischung
von Kohlenstaub und Sauerstoff.
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Ein solcher Brenner hat wesentliche Nachteile: 1. Im Brenner ist ein
Flammendurchschlag nach innen bei Änderung des Bereichs und insbesondere bei Lastsenkung
deshalb möglich, weil die Austrittsenden der Kanäle für die Zuführung des Oxidationsmittels
am Kanal für die Zuführung des Kohlenstaubes befestigt sind und der Mischungsprozeß
von Sauerstoff und Kohlenstaub innerhalb des Brenners erfolgt. Das vermindert seine
Betriebszuverlässigkeit.
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2. Verzögerung des Prozesses der Kohlenstaubvergasung dadurch, daß
aus dem Brenner die Kohlenstaubzuführung in den Reaktionsraum zusammen mit dem Sauerstoff
in einem kompakten, geraden (unverwirbelten) Strahl erfolgt.
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3. Schwierigkeiten bei der Zuführung und Mischung des Wasserdampfes
mit dem Kohlenstaub dadurch, daß der Kohlenstaub bei Temperaturen unter 50 bis 60
"C zugeführt wird, die erforderliche Dampfmenge im Bereich von 0,1 bis 0,3 kg/kg
liegt und bei der Zuführung des Dampfes in den Kohlenstaubstrom zusammen mit dem
Sauerstoff die Kondensation des Dampfes erfolgt, was zu einer Verstopfung des Kohlenstaubkanales
führt.
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4. Unökonomischer Verbrauch von Sauerstoff und Möglichkeit des Verbrennens
des Brennermundes dadurch, daß die Konzentration des Sauerstoffes im austretenden
Gemischstrahl sehr hoch ist und deshalb bei Mischung des Austrittsstromes mit den
heißen Gasen aus der Vergasung die Verbrennung der letzteren zum Auftreten sehr
hoher Temperaturen in der Nähe des Brenners führt.
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Der dem erfundenen Brenner hinsichtlich des technischen Charakters
und des erreichten Effektes am nächsten kommende Brenner ist ein Kohlenstaubbrenner,
der ein Gehäuse, einen längs der zentralen Achse des Brenners eingebauten Kanal
für die Zuführung des Kohlenstaubes und längs der Peripherie angeordnete Kanäle
für'die Sauerstoffzuführung mit Austrittsdüsen enthält, die einander gegenüberliegen
angeordnet und unter einem Winkel zur Brennerachse gerichtet sind (SU-Urheberschein
787 786).
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Der bekannte Brenner arbeitet auf folgende Art und Weise: Über den
zentralen Kanal erfolgt die Zuführung des Kohlenstaubes (mit Trägergas) direkt in
den Reaktionsraum. Durch die Kanäle für die Zuführung des Oxidationsmittels erfolgt
die Zufuhr des Sauerstoffes, der auch in den Reaktionsraum ausströmt. Dadurch, daß
die Austrittsenden der Kanäle unter einem Winkel zur Achse des Brenners gerichtet
sind, treten die Sauerstoffstrahlen in den Kohlenstaubstrom ein und vermischen sich
mit ihm. Danach erfolgt der Verbrennungs- und Vergasungsprozeß.
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Dieser Brenner hat jedoch folgende Nachteile: 1. Den mit einer geringen
Intensität verlaufenden Prozeß der Vermischung von Kohlenstaub mit dem Oxidationsmittel
beim
Aufeinandertreffen der geraden Strahlen infolge der einander gegenüberliegenden
Anordnung der Austrittsenden der Kanäle des Oxidationsmittels, was zu einer Verzögerung
des Vermischungsprozesses und folglich des Vergasungsprozesses führt, was wiederum
seinerseits zu einer Verschlechterung der Qualität des erzeugten Vergasungsgases
(seiner Zusammensetzung und seines Heizwertes) führt.
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2. Unwirtschaftlichen Sauerstoffverbrauch und Gefahr der Verbrennung
des Brennermundes dadurch, daß der austretende Sauerstoff teilweise in unmittelbarer
Nähe von der Austrittsstelle vor dem Auftreffen auf den Kohlenstaubstrom im Rezirkulationsstrom
des Vergasungsgases verbrennt. Das führt zu einer Minderung der Qualität des erzeugten
Gases und zu einer Verschlechterung der Betriebs zuverlässigkeit des Brenners.
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3. Möglichkeit der Verschlackung des Brennermundes an der Austrittsstelle
des Kohlenstaubstromes dadurch, daß die Vergasungsgase Schlackenteilchen in geschmolzenem
Zustand enthalten, der Kohlenstaubstrom eine sehr niedrige Temperatur hat und am
Austrittsquerschnitt des Kohlenstaubkanals die Kühlung der Schlacke und ihr Festkleben
am Brenner möglich sind. Diese Erscheinung verringert die Betriebszuverlässigkeit
des Brenners.
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Ziele der vorliegenden Erfindung sind die Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit
des Brenners und die Verbesserung der Qualität des erzeugten Vergasungsgases aus
der Druckvergasung staubförmiger kohlenstoffhaltiger Materialien.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der konstruktiven Gestaltung
eines Kohlenstaubbrenners, der den Betriebsbedingungen
bei der
Druckvergasung von Kohlenstaub entspricht, zuverlässig arbeitet und technologisch
einfach zu erstellen ist.
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Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein
Kohlenstaubbrenner, der aus einem Gehäuse, einem konzentrisch zu seiner zentralen
Achse eingebauten Kanal für die Zuführung des Kohlenstaubes und an der Peripherie
des Kanals angeordneten Kanälen für die Zuführung des Oxidationsmittels mit Austrittsdüsen
besteht, die unter einem Winkel zur Brennerachse gerichtet sind, mit dem Kennzeichen,
daß der Brenner mit einem Stutzen für die Zuführung von Wasserdampf und einer Düse
für dessen Austritt versehen ist, und die Achsen der Austrittsdüsen der Kanäle für
die Zuführung des Oxidationsmittels in Richtung der Tangente des Grundkreises mit
dem Radius r zeigen, wobei 0,5 # R #r # 0,8 # R gilt, worin R den Radius der Austrittsöffnung
des Kanal es für die Zuführung des Kohlenstaubes bedeutet, und wobei der Abstand
g zwischen den Zentren der Austrittsöffnungen der Kanäle für die Zuführung des Oxidationsmittels
und des Kohlenstaubes im Bereich liegt: d R +-- < # # R + 5 d, worin 2 d den
Durchmesser der Austrittsöffnungen der Kanäle für die Zuführung des Oxidationsmittels
bedeutet.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Mischung des Kohlenstaubes mit dem Oxidationsmittel
in einem Wasserdampfstrom, der 6,5 bis 9,5 Volumenprozent Sauerstoff enthält.
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In Fig. 1 ist die Änderung des relativen Momentes der Bewegung des
Kohlenstaubstromes in Abhängigkeit vom bezogenen Radius des Grundkreises (r/R) dargestellt.
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Mmax Moment der Bewegung des Oxidationsmittelstromes bei maximalem
Radius r = R. Die punktierte Linie entspricht dem Moment der Bewegung des Oxidationsmittelstromes
bei vers änderlichem Radius r. Bei einem Wert r < 0,5 r R stellt man eine jähe
Senkung des Gesamtmomentes der Bewegung des Kohlenstaubstromes dadurch fest, daß
der Oxidationsmittelstrom tief in den Kohlenstaubstrom eindringt. Dabei zwingt er
den inneren Schichten eine Drehung auf. Die äußeren Schichten werden vom Gesamtstrom
weggeschleudert und erhalten keine Drehbewegung. Bei r> 0,8 R stellt man ein
Abreißen der äußeren Schichten des Kohlenstaubstromes und sogar ein Durch- und Vorbeigleiten
eines Teiles des Oxidationsmittelstromes fest.
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Die inneren Schichten erhalten dabei kein Drehmoment.
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In Fig. 2 ist die Abhängigkeit des relativen Momentes der S-R Bewegung
vom Parameter d (aber da R und d Konstanten sind, ergibt sich diese Abhängigkeit
von g ) dargestellt Mnom. ist das Moment der Bewegung des Kohlenstaubstromes be
minimal möglichem Abstand zwischen den Zentren der Austrittsöffnungen für den Oxidationsmittelstrom
und den Kohlenstaubstrom: g = R + 2
Bei einer Verringerung des
Abstandes 2 unter diese Grenze trifft die Düse für das Oxidationsmittel, allgemein
gesagt, den Kohlenstaubstrom. Dabei sind eine frühzeitige Entzündung des Kohlenstaubes
mit Außerbetriebnahme des Kohlenstaubbrenners sowie eine Zerstörung des Kohlenstaubstromes
möglich. Bei einem Wert von 8 > R + 5 d stellt man eine jähe Verringerung des
Momentes der Bewegung des Kohlenstaubstromes fest, was mit dem Umstand in Zusammenhang
steht, daß bei einem Abstand von der Düsenkante für das Oxidationsmittel bis zur
Stelle des Zusammentreffens mit dem Kohlenstaubstrom 2 - R 5 5 d der Kern des Oxidationsmittelstrahles
mit maximaler Geschwindigkeit verschwindet und die mittlere Geschwindigkeit des
auslaufenden Stromes stark abzufallen beginnt.
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Die Berechnung des Sauerstoffgehaltes im Wasserdampf er folgt nach
der folgenden empirischen Formel, die auf der Grundlage einer Analyse von Versuchsergebnissen
für die Vergasung und die Verbrennung fester Brennstoffe aufge -stellt wurde:
t - erforderliche Temperatur an der Stelle des Zusammentreffens des Wasserdampf
stromes mit den Vergasungsgasen am Brennermund, die garantiert, daß keine Verschlackung
auftritt. Sie wird bestimmt zu t = tnz+200, worin t nz =Temperatur der normalen
Flüssigschlackenabführung für die vorliegende Kohle;
t = mittlere
Temperatur der eintretenden Medien ströme (Wasserdampf, Oxidationsmittel, Kohlenstaub).
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Da praktisch für alle Kohlen t im Bereich von 1100 bis nz 1500 OC
liegt und die mittlere Temperatur der eintretenden Medienströme in den Bereich von
100 bis 200 "C fällt, liegt der Änderungsbereich der Sauerstoffkonzentration im
Bereich von 6,5 bis 9,5 Vol.-%. Bei einer Sauerstoffkonzentration unterhalb der
unteren Grenze wird für alle Kohlearten eine Verschlackung des Brennermundes erfolgen.
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Bei Sauerstoffkonzentrationen oberhalb der oberen Grenze wird eine
Überhitzung des Brennermundes mit einer Verkürzung der Betriebszeit oder eimer unverzüglichen
zwangsläufigen Außerbetriebsetzung des Brenners erfolgen.
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In Fig. 3 ist der erfindungsgemäße Brenner im Längsschnitt dargestellt;
in Fig. 4 ist der Querschnitt des Brenners- dargestellt.
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Der vorgeschlagene Brenner besteht aus einem zylindrischen Gehäuse
1, das mit einem Stutzen 2 für die Zuführung des Wasserdampfes und einer Düse 3
für dessen Austritt, einem konzentrisch zu der zentralen Achse des Brenners eingebauten
runden Kanal 4 für die Zuführung des Kohlenstaubes, an der Peripherie angeordneten
(ebenfalls runden) Kanälen 5 für die Zuführung des Oxidationsmittels mit Austrittsdüsen
6 versehen ist, die unter einem Winkel zur Achse des Brenners eingebaut sind, wobei
die Achsen der Austrittsdüsen 6 in Richtung der Tangente des Grundkreises mit dem
Radius r zeigen, wobei 0,5 R < r < o,8 R gilt
und der Abstand
g zwischen den Zentren der Austrittsöffnungen des Oxidationsmittels und des Kohlenstaubes
im Bereich liegt: R + d R +5.. d 2 Die Kanäle 5 für die Zuführung des Oxidationsmittels
sind an einer Rohrführung 7 befestigt, die sich zwischen dem Gehäuse 1 und der Kammer
8 für die Verteilung des Oxidationsmittels befindet, die mit einem Eintrittsstutzen
9 versehen ist.
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Der vorgeschlagene Brenner arbeitet, wie folgt: Nachdem im Reaktionsraum
der Gaspilotbrenner gezündet und der Betriebsdruck (30 bar) eingestellt wurde, erfolgt
über den Kanal 4 die Zuführung des konzentrierten Kohlenstaubstromes mit Trägergas
(Stickstoff), wobei je 1 Betrieb kubikmeter Stickstoff 400 bis 500 kg Braunkohlenstaub
zugeführt werden. Über den Stutzen 2 erfolgt die Zuführung des Wasserdampfes, der
aus der Düse 3 ausströmt. Über den Stutzen 9 erfolgt die Zuführung des Sauerstoffes,
der in die Kammer 8 eintritt und über die Kanäle 5 verteilt wird.
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Der Sauerstoff tritt aus den Austrittsdüsen 6 in den Wasserdampf ein.
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Ausführungsbeispiele Beispiel 1 Für die Vergasung werden Braunkohlen
mit einem erhöhten Gehalt an Eisenoxid verwendet. Dabei beträgt die Tdmperatur für
die normale Flüssig~schlackeabfüh-ung tnz 1100 "C.
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Je 1 kg Kohlenstaub mit einer Temperatur von 50 sC führt man 0,3 Nm3
Wasserdampf mit einer Temperatur von 600 oC und 0,5 Nm³ Sauerstoff mit einer Temperatur
von 200 °C zu. Dabei
beträgt die mittlere Temperatur der Medienströme
200 OC.
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Dem Wasserdampf gibt man Sauerstoff so zu, daß dessen Konzentration
in der Mischung 6,5 % beträgt. Die Austrittsdüsen 6 ordnet man so an, daß der Abstand
zwischen den Zentren der Austrittsöffnungen des Kohlenstaubes und d des Oxidationsmittels
g = R + 2 beträgt und die Achsen der Austrittsdüsen 6 für das Oxidationsmittel in
Richtung der Tangente des Grundkreises mit dem Radius r = 0,5 R zeigen.
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Der aus den Austrittsdüsen 6 austretende Sauerstoff, die auf die vorgenannte
Art und Weise angeordnet sind, ruft eine Drehbewegung des Kohlenstaubes hervor.
Dabei wird der konzentrierte Strom aufgelöst und heftig mit dem Sauerstoff und dem
Wasserdampf vermischt. Danach beginnen die intensive Verbrennung und die nachfolgende
Vergasung des Kohlenstaubes.
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Dadurch, daß im Wasserdampf 6,5 % Sauerstoff enthalten sind, wird
am Brennermund eine Temperatur von 1300 "C aufrecht erhalten, und eine Verschlackung
des Brennermundes erfolgt nicht.
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Beispiel 2 Für die Vergasung wird eine Kohle mit einer Temperatur
tnz = 1500 OC verwendet. Die Medienströme werden hinsichtlich des Durchsatzes wie
im Beispiel 1 aufrechterhalten.
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Aber die Temperatur des Wasserdampfes beträgt 230 "C und die Sauerstofftemperatur
120 "C. Dabei beträgt die mittlere Temperatur der Medienströme 100 CC. Dem Wasserdampf
führt man Sauerstoff bis auf eine Konzentration von 9,5 % zu.
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Die Austrittsdüse 6 wird in Richtung der Tangente des Grundkreises
mit
dem Radius r = 0,8 g R und in einem Abstand # = R + 5 # d zwischen den Zentren der
Austrittsöffnungen des Sauerstoffes und des Kohlenstaubes angeordnet. Eine Verschlackung
des Brennermundes erfolgt auf diese Art und Weise nicht, und der Prozeß der Verbrennung
und Vergasung verläuft intensiv.
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Der vorgeschlagene Kohlenstaubbrenner hat folgende Vorteile: 1. Dadurch,
daß die Kanäle für die Zuführung des Kohlenstaubes und des Oxidationsmittels rund
ausgeführt sind und die Achsen der Austrittsdüsen der Kanäle für die Zuführung deS
Oxidationsmittels in Richtung der Tangente des Grundkreises mit dem Radius r zeigen,
wobei 0,5 R < r # 0,8 e R gilt, worin: R der Radius der Austrittsöffnung des
Kanales für die Zuführung des Kohlenstaubes ist, und der Abstand p zwischen den
Zentren der Austrittsöffnungen für die Zuführung des Oxidationsmittels und des Kohlenstaubes
im Bereich liegt: R + d2 < < R + 5 d, worin: d - der Durchmesser der Austrittsöffnung
für die Zuführung des Oxidationsmittels ist, erreicht man eine intensive Vermischung
des Kohlenstaubstromes mit dembxidationsmittel unter Bildung eines rotierenden Stromes.
Dabei erfolgen eine heftige Verbrennung und Vergasung des Kohlenstaubes mit Erzeugung
eines qualitativ hochwertigen Gases (hinsichtlich der Zusammensetzung und des Heizwertes).
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2. Dadurch, daß das Brennergehäuse mit einem Stutzen für die Zuführung
von Wasserdampf und einer Austrittsdüse für diesen versehen ist, und dadurch, daß
die Vermischung des Kohlenstaubes mit dem Oxidationsmittel ivm Wasserdampfstrom
erfolgt, liegt ein unwirtschaftlicher Verbrauch von Sauerstoff nicht vor, und es
entfällt die Gefahr eines Wegbrennens des Brennermundes. Das führt zu einer Verbesserung
der Gasqualität und zu einer Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit des Brenners.
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3. Dadurch, daß der Wasserdampf 6,5 bis 9,5 Vol.-% Sauerstoff enthält,
wird die Temperatur der Strömung in unmittelbarer Nähe des Brennermundes über der
Temperatur der normalen Flüssigschlackeabführung gehalten, und eine Verschlackung
des Brenners erfolgt nicht. Das erhöht die Betriebszuverlässigkeit des Brenners.
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Da es in der UdSSR keine Brenner gibt, die in Vergasungsapparaten
unter Druck mit Flüssigschlackeabzug arbeiten und für die Verwendung eines konzentrierten
Kohlenstaubstromes mit Sauerstoff vorgesehen sind, und da ausländische Brenner für
einen Vergleich nicht zugänglich sind, wurden als Basisobjekte Kohlenstaubbrenner
ausgewählt, die in der Zyklonfeuerung, einem hinsichtlich seiner Konstruktion dem
Apparat für die Vergasung von Kohlenstaub unter Druck analogen Apparat, installiert
sind (Ju-. L. Marsak "Feuerungsanlagen mit vertikalen Zyklonkammern", Energoizdat,
1966, Seite 60, Abbildungen 2 - 3a).Eine Zyklonfeuerung ist in einem Kessel mit
Flüssigschlackeabführung des Zakamsker Wärmekraftwerkes (Gebiet Perm) eingebaut.
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Da im Basisobjekt in der Zone der intensiven Vermischung höchstens
16 % des Oxidationsmittels (Luft) durchgesetzt werden, wird der Abbauprozeß außerordentlich
verzögert.
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Zum Zeitpunkt des Austrittes aus der Feuerung ist er nur zu 90 z abgeschlossen.
Außerdem stellte man während des Betriebes eine Verschlackung des Brenners fest.
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Untersuchungen des Modelles des vorgeschlagenen Kohlenstaubbrenners
in einem Reaktionsraum mit einer Leistung von 100 kg/h zeigten, daß der Vermischungsprozeß
und der Umsetzungsprozeß des Sauerstoffes auf einem sehr kurzen Abschnitt erfolgen
und praktisch das gesamte Reaktionsraumvolumen für den Vergasungsprozeß verwendet
wird. Das gestattet es, ein qualitativ hochwertiges Gas bei einer Vollständigkeit
des Prozesses von 97 bis 98 % zu erhalten.
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Dabei wurde bei allen durchgeführten Versuchen keine Verschlackung
des Brenners festgestellt.