DE3407441A1

DE3407441A1 - Wirbelschicht-verbrennungsofen

Info

Publication number: DE3407441A1
Application number: DE19843407441
Authority: DE
Inventors: Masahiro Yokusuka Kanagawa Nakamura
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1983-03-01
Filing date: 1984-02-29
Publication date: 1984-09-06
Also published as: US4565136A; JPS59158904A; DE3407441C2

Description

Wirbelschicht-Verbrennungsofen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wirbelschicht-Verbrennungsofen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und insbesondere auf Verbesserungen bei den Vorrichtungen, die in den horizontalen Verteilplatten in den unteren Bereichen derartiger öfen zum Einblasen von Luft zur Wirbelschichtbildung in die zur Wirbelschichtbildung geeigneten Schichten vorgesehen sind.

Thermische Vorrichtungen, die von der Wirbelschichttechnik Gebrauch machen, wie Kohleverbrennungskessel, Müllverbrennungsanlagen und Verbrennungskessel für Holzspäne, wurden und werden entwickelt und in die praktische Verwirklichung umgesetzt.

Bei einem typischen herkömmlichen Wirbelschicht-Verbrennungsofen wird eine fluidisierbare bzw. zur Wirbelschichtbildung geeignete Substanz in Teilchen·^· oder Körnchenform auf eine horizontale Luftverteilplatte in einem unteren Bereich des Ofens aufgebracht. Die Luftverteilplatte ist mit einer Mehrzahl von Lufteinblasdüsen oder Lufteinblasöffnungen ausgestattet, die in gleichmäßigen Abständen voneinander in dieser angeordnet sind und zum Einblasen von Luft aus einem Gebläsekasten bzw..Luftkasten, der sich unter der Luftverteilplatte befindet, nach oben in die Masse der zur Wirbelschichtbildung geeigneten Substanzen dienen. Bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit der zugeführten Luft befindet sich die für die Wirbelschichtbildung geeignete Substanz in einem stationären bzw. statischen Zustand, doch wenn die Luftstromgeschwindigkeit die Wirbelschichtbildungsstartgeschwindigkeit der zur Wirbelschichtbildung geeigneten Substanz übersteigt, werden die Körnchen der Substanz hochgewirbelt, und diese nehmen den Zustand

einer Wirbelschicht bzw. eines Fluidbetts an, die bzw. das aussieht, als würde sie bzw. es sprudeln.

In den Fällen, in denen die zur Wirbelschichtbildung geeignete Substanz eine brennbare Substanz ist, die sich in diesem Zustand einer Wirbelschicht befindet, wird eine kontinuierliche Verbrennung dadurch möglich, daß man die Substanz zum Entzünden bringt.

Wenn dann die Luftzufuhr durch die Lufteinblasöffnungen gestoppt wird, sinkt die zur Wirbelschichtbildung geeignete Substanz nach unten und nimmt ihren ursprünglichen stationären Zustand ein, und die Wirbelschicht-Verbrennung hört auf.

Wenn die Verbrennung nun aufhört, dann dringt die eine hohe Temperatur aufweisende, zur Wirbelschichtbildung geeignete Substanz in die Lufteinblasdüsen ein und fällt in den Luftkasten hinab, wo sie eine Verunreinigung, Verstopfung und sogar eine durch Hitze bedingte Beschädigung in dem mit dem Luftkasten verbundenen Luftzufuhrrohr verursacht.

Aus diesem Grund ist es derzeit allgemein üblich, eine spezielle Abdeckung oder Kappe, die aus einer hitzebeständigen Stahlplatte besteht und Luftdurchlaßöffnungen aufweist, über jeder der Lufteinblasdüsen anzuordnen, um dadurch die Körnchen der zur Wirbelschichtbildung geeigneten Substanz an dem Eindringen in die Lufteinblasöf fnungen verhindern.

Doch selbst bei Verwendung derartiger Kappen treten unter dem Einfluß der Hochtemperaturumgebung innerhalb des Verbrennungsofens Störungen, wie durch Hitze bedingte Beschädigung sowie Verschleiß, auf. Außerdem ist, wenn die

Wirbelschicht-Verbrennung gestoppt wird, der Druck innerhalb der Verbrennungskammer des Ofens höher als der Druck in dem Luftkasten. Aus diesem Grund gelangt, selbst bei Verwendung der Kappe, die zur Wirbelschicht geeignete Substanz mit hoher Temperatur durch die Luftdurchlaßöffnungeri der Kappe hindurch, und sie dringt weiter in die Lufteinblasöffnungen hinein und fällt in den Luftkasten hinab, wodurch sie eine Verunreinigung oder eine durch Hitze bedingte Beschädigung des Luftkastens sowie des damit verbundenen Luftzufuhrrohres verursacht.

Somit ist es notwendig, Luft in den Luftkasten einzuleiten, um dadurch den Druck innerhalb der Verbrennungskammer des Ofens und den Druck innerhalb des Luftkastens in ein Gleichgewicht zu bringen, wenn die Wirbelschicht-Verbrennung gestoppt wird. Da jedoch der Druck innerhalb der Verbrennungskammer des Ofens kontinuierlich abnimmt, muß.der Druck innerhalb des Luftkastens in entsprechender Weise reduziert werden. Die Steuerung einer derartigen Verstellung bzw. Regulierung ist äußerst mühsam.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Wirbelschicht-Verbrennungsofens, der weniger anfällig gegen Störungen und Beschädigungen ist.

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Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegeben.

Die vorliegende Erfindung wurde mit dem Ziel entwickelt, die vorstehend beschriebenen, beim Stand der Technik auftretenden Probleme zu überwinden, und zu diesem Zweck schafft die Erfindung einen Wirbelschicht-Ofen, der mit Lufteinblasdüsen ausgestattet ist, die in der Lage sind, beim Stoppen der Wirbelschicht-Verbrennung ein Hinabfallen der zur Wirbelschichtbildung geeigneten Substanz in den

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Luftkasten zu verhindern und die nicht für Verschleiß und Beschädigung durch Hitze anfällig sind.

Kurz zusammengefaßt schafft die Erfindung also einen Wirbelschicht-Verbrennungsofen, der eine eine Verbrennungskammer bzw. Brennkammer umschließende Ofenkonstruktion, eine Luftverteilplatte am Boden der Verbrennungskammer, sowie unterhalb der Luftverteilplatte einen Luftkasten zum Einleiten von zur Wirbelschichtbildung geeigneter Luft durch die Platte hindurch sowie in die Verbrennungskammer hinein aufweist, wobei die Luftverteilplatte mit einer großen Anzahl von Lufteinblasdüsen versehen ist, die in Abständen gleichmäßig über diese verteilt sind, und wobei die Lufteinblasdüsen aus einem porösen feuerfesten Material bestehen, das eine gute Luftdurchlässigkeit, eine hohe Hitzebeständigkeit und eine hohe Verschleißfestigkeit aufweist und wobei die Lufteinblasdüsen derart kontruiert und in der Luftverteilplatte gehaltert sind, daß die gesamte Menge der Luft zur Wirbelschichtbildung, die eingeblasen und mittels der Luftverteilplatte verteilt wird, durch die Lufteinblasdüsen hindurchtreten muß.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der teilweise schematischen Darstellungen mehrerer Ausbildungsbeispiele noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine fragmentarische Ansicht im Längsschnitt, die einen unteren Bereich eines Ausführungsbeispiels des Wirbelschicht-Verbrennungsofens gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine ähnliche Ansicht, die einen unteren

Bereich eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ofens zeigt;

Fig. 3 eine ähnliche Ansicht, die einen unteren Bereich noch eines weiteren Ausführungsbeispiels des Ofens zeigt; und

Fig. 4

und 5 vereinfachte Ansichten im Längsschnitt, in

denen ein typischer herkömmlicher Ofen des Wirbelschichttyps dargestellt ist und die jeweils die Zustände anzeigen, die bei niedriger bzw. hoher Geschwindigkeit der eingeblasenen Luft auftreten.

Die Fig. 4 und 5 zeigen den vorstehend beschriebenen typischen, herkömmlichen Ofen des Wirbelschichttpys. Dieser Verbrennungsofen 1 besitzt in seinem unteren Teil eine Luftverteilplatte 2, oberhalb derer eine fluidisierbare bzw. zur Wirbelschichtbildung geeignete Substanz zuerst in die Verbrennungskammer des Ofens eingebracht wird. Unterhalb der Luftverteilplatte 2 ist ein Luftkasten vorgesehen, dessen Funktion darin besteht, Luft durch in der Luftverteilplatte 2 ausgebildete Lufteinblasöffnungen in die Verbrennungskammer des Ofens hinein zuzuführen sowie

gegen die fluidisierbare Substanz 3 zu blasen. Ein Wirbelschicht-Verbrennungsofen mit einem derartigen Aufbau besitzt die vorstehend beschriebenen nachteiligen Merkmale.

Nun wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Das erste Ausführungsbeispiel des Wirbelschicht-Verbrennungsofens gemäß der Erfindung besitzt in seinem unteren Teil eine horizontale Luftverteilplatte 2, die aus feuerfestem Material hergestellt ist und in der eine große Anzahl von Lufteinblasdüsen 6 in gleichmäßigen Abständen angeordnet ist. Die

unten
Luftverteilplatte 2 weist/eine Verkleidung 2a auf, die z.B. aus einer hitzebeständigen Stahlplatte besteht. Jede Düse 6 ist aus einem porösem feuerfesten Material, z.B. einem porösem feuerfesten Ziegel, hergestellt und weist die Form eines Kegelstumpfes oder eine durchgehend zylindrische Form mit einem Bodenflansch 6a auf, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Eine aus einem hitzebeständigen Metall hergestellte äußere zylindrische Hülse 7 ist um den oberen zylindrischen Teil jeder Düse 6 zum Schutz derselben passend angebracht, und in diesem Zustand ist die Hülse von unterhalb der Luftverteilplatte 2 her in eines von mehreren angesenkten Durchgangslöchern 8, die in regelmäßigen Abständen in der Platte 2 vorgesehen sind, eingepaßt und erstreckt sich durch dieses Loch hindurch und ragt oben aus diesem heraus. Die derart in die Luftverteilplatte 2 eingepaßte Düse 6 ist mittels einer ringförmigen Trägerplatte 9 in diesem Zustand gehalten, die durch Verschrauben an der unteren Oberfläche der Platte befestigt ist. Der Flansch 6a liegt an der Schulter 8a der Ansenkung jedes Loches 8 an. Aufgrund des Angreifens des Flansches 6a an der Schulter 8a wird verhindert, daß die Düse 6 durch den Druck in dem Luftkasten 5 nach oben weggeblasen wird. Das Angreifen des Flansches 6a an der Schultet 8a let. auch nützlich, da es die korrekte Positionierung der Düse 6 er Leichtort.

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Jede aus porösem feuerfesten Material hergestellte Lufteinblasdüse 6 besitzt feine Poren, die gleichmäßig durch die gesamte Düse verteilt sind, sowie eine ausgezeichnete Porosität und außerdem eine feine Struktur. Diese Lufteinblasdüse 6 weist eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit und Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen auf, und sie ist einfach herstellbar.

Die Hülse 7 und die Düse 6 ragen von der oberen Oberfläche der Luftverteilplatte 2 oben heraus, wie dies gezeigt ist. Die Schutzhülse 7 dient auch dazu, einen Luftstrom, der die Düse 6 passiert hat, nach oben zu lenken.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wie diese in Fig. 2 gezeigt ist, besitzt die Luftverteilplatte 2 ebenfalls mehrere Lufteinblasdüsen 6¹, die aus einem porösem feuerfesten Material hergestellt sind und eine durchgehend zylindrische Form aufweisen. Jede Düse 6¹ ist fest in eine zylindrische Schutzhülse 11 eingepaßt, die aus einem hitzebestähdigen Metall hefgestellt ist und einen Flansch 11a um ihren unteren Außenumfang aufweist. Die zylindrische Hülse 11, in der die Düse 6¹ gehalten ist, ist von unterhalb der Luftverteilplatte 2 her in eines von mehreren angesenkten Durchgangslöchern 8¹, die in regelmäßigen Abständen in der Platte 2 vorgesehen sind, eingepaßt und erstreckt sich durch dieses Loch hindurch und ragt oben etwas aus diesem heraus. Die Schulter 8'a des angesenkten Durchgangslochs 8¹ und der Flansch 11a liegen aneinander an und verhindern, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, daß die Düse 6¹ nach oben weggeblasen wird, während sie ein korrektes

unteren Oberfläche der Platte 2 befestigt ist.

Obwohl die Hülse 11 etwas oberhalb der Luftverteilplatte herausragt, befindet sich die obere Oberfläche der Düse 6' auf demselben Niveau wie die obere Oberfläche der Luftverteilplatte 2. Der oben hervorstehende Teil der Hülse 11 dient dazu, die Luft, die die Düse 6' passiert hat, nach oben zu lenken.

Bei noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wie diese in Fig. 3 gezeigt ist, besitzt die aus einem porösen feuerfesten Material hergestellte Lufteinblasdüse 6" eine durchgehend zylindrische Form mit einem halbsphärischen, kuppelartigen oberen Bereich 10. Diese Düse 6" ist an ihrem zylindrischen Teil fest in einer zylindrischen Hülse 12 mit einem unteren Flansch 12a gehalten, wobei der obere kuppelartige Bereich 10 der Düse 6" oberhalb des oberen Randes der Hülse 12 hervorsteht. Der kuppelartige obere Bereich 10 dient dazu, den Luftstrom, der die Düse 6" passiert hat,

in verschiedenen Richtungen nach

oben zu führen. In ähnlicher Weise wie bei den vorausgehenden Ausführungsbeispielen ist die zylindrische Hülse 12 von unterhalb der Luftverteilplatte 2 her in eines von mehreren angesenkten Durchgangslöchern 8, die in regelmäßigen Abständen in der Platte 2 vorgesehen sind, eingepaßt und erstreckt sich durch dieses hindurch, wobei der obere Rand der Hülse 12 mit der oberen Oberfläche der Platte 2 bündig ist. Die Hülse 12 ist ebenfalls durch eine ringförmige Trägerplatte 9 an Ort und Stelle gehalten, die an der unteren Oberfläche der Platte 2 befestigt ist.

Bei einem Wirbelschicht-Verbrennungsofen, der mit mehreren Lufteinblasdüsen 6, 6¹ oder 6" aus einem porösen feuerfesten Material versehen ist, wird eine fluidisierbare bzw. zur Wirbelschichtbildung geeignete

Substanz 3 in die Verbrennungskammer oberhalb der Luftverteilplatte 2 eingebracht, und zwar in ähnlicher Weise, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Wenn dann Luft zur Wirbelschichtbildung in den Luftkasten 5 eingeleitet wird, wird diese Luft zur Wirbelschichtbildung durch die aus porösem feuerfesten Material bestehenden Lufteinblasdüsen 6, 6' oder 6" in die Verbrennungskammer eingeblasen und gleichmäßig in der Verbrennungskammer verteilt.

Wie bereits erwähnt, besitzt das feuerfeste Material der Lufteinblasdüsen 6, 6¹ oder 6" feine Poren, die gleichmäßig durch diese verteilt sind, sowie eine ausgezeichnete Porosität und Luftdurchlässigkeit. Aus diesem Grund wird ausreichend Luft zur Wirbelschichtbildung durch die Düsen hindurchgeleitet und in die Verbrennungskammer eingeblasen, und die Strömungsgeschwindigkeit der Luft erreicht relativ rasch die Wirhelschichtbildungs-Startgeschwindigkeit der fluidisierbaren Substanz 3, die danach nach oben schwebt und den Zustand einer Wirbelschicht einnimmt. Somit setzt in den Fällen, in denen die fluidisierbare Substanz 3 eine brennbare Substanz ist, die sich leicht entzündet, eine Wirbelschicht-Verbrennung ein.

Bei dieser Wirbelschicht-Verbrennung befinden sich die aus porösem feuerfesten Material bestehenden Lufteinblasdüsen 6, 6' oder 6" in einer Hochtemperaturumgebung, und sie werden während der Verbrennung durch die Berührung mit der eine Wirbelschicht bildenden Substan» warmqarieben. Da dient· Düsen jedoch oinci auuqa'/.«lohnet« III t Zi-I)CHl Mix 1.1-|k «all. mxl Vesröcli I »J-fl Γ»μ(. "Ujkei I. be»öitz«n, piM.1 ρ ι «.-> koinon tu i'\i um.i«»ii rtUöijoSötBt, wie sie durch Vertu"cii\nc:n, Beschädigung durch Hitze und Verschleiß entstehen können.

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Wenn das Einblasen von Luft zur Wirbelschichtbildung durch die Düsen 6, 6¹ oder 6" beendet wird, wird die eine Wirbelschicht bildende Substanz 3 nicht länger hochgewirbelt und sie sinkt nach unten und nimmt den Zustand einer stationären Schicht an, und die Wirbelschicht-Verbrennung hört auf. Da der Druck innerhalb der Verbrennungskammer zu diesem Zeitpunkt hoch ist, wird die fluidisierbare Substanz 3 dazu veranlaßt, in Richtung auf den Luftkasten 5 zu strömen. Die Struktur der porösen Düsen 6, 6¹ oder 6" ist jedoch so fein, daß sie das Eindringen der Körnchen der fluidisierbaren Substanz 3 in die feinen Poren verhindert. Selbst wenn einige kleine Teilchen in die feinen Poren an der oberen bzw. in Strömungsrichtung nachgeordneten Oberfläche der Düsen eindringen, tritt keine weitergehende Infiltration auf. Als Ergebnis hiervon ist kein nach unten Strömen und Hinabfallen der fluidisierbaren Substanz 3 in den Luftkasten 5 möglich.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß bei dem erfindungsgemäßen Wirbelschicht-Verbrennungsofen eine große Anzahl von Lufteinblasdüsen in gleichmäßigen Abständen in der Luftverteilplatte in einem unteren Bereich des Ofens vorgesehen ist, wobei die Lufteinblasdüsen aus porösem, feuerfesten Material hergestellt sind, das aufgrund gleichmäßig verteilter feiner Poren eine gute Luftdurchlässigkeit aufweist. Aus diesem Grund läßt sich ein reichlich starker Luftstrom zur Wirbelschichtbildung, der für die Wirbelschicht-Verbrennung erforderlich ist, zuführen.

Außerdem besteht aufgrund der ausgezeichneten Hitzebeständigkeit und Verschleißfestigkeit dieser Lufteinblasdüsen nur eine geringfügige Möglichkeit, daß diese durch die Hitze verbrannt oder beschädigt oder durch Ab-

rieb verschlissen werden, wodurch diese Düsen eine lange Lebensdauer bzw. Standzeit besitzen und bei der Instandhaltung äußerst wirtschaftlich sind. Noch ein weiteres vorteilhaftes Merkmal des Ofens besteht darin, daß die Lufteinblasdüsen ein Zurückströmen der fluidisierbaren Substanz in den Luftkasten wirksam stoppen, wodurch der Luftkasten und das Rohr, durch das Luft in diesen eingeleitet wird, vollständig vor der heißen fluidisierbaren Substanz in der Verbrennungskammer geschützt sind, wenn die Verbrennung gestoppt wird.

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Claims

Ansprüche

Wirbelschicht-Verbrennungsofen mit einer Luftverteilplatte in einem unteren Bereich desselben, dadurch gekennzeichnet , daß die Luftverteilplatte (2) mit einer großen Anzahl von Lufteinblasdüsen (6, 6¹, 6") versehen ist, die in Abständen gleichmäßig über diese verteilt sind, und daß die Lufteinblasdüsen (6, 6¹, 6") aus einem porösen feuerfesten Material bestehen, das eine gute Luftdurchlässigkeit, eine hohe Hitzebeständigkeit und eine hohe Verschleißfestigkeit aufweist, und die Lufteinblasdüsen (6, 6¹, 6") derart konstruiert und in der Luftverteilplatte (2) gehaltert sind, daß die gesamte Menge der Luft zur Wirbelschichtbildung, die eingeblasen und mittels der Luftverteilplatte (2) verteilt

wird, durch die Lufteinblasdüsen (6, 6¹, 6") hindurchtreten muß.
2. Wirbelschicht-Verbrennungsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/

daß die Luftverteilplatte (2) mit gleichmäßig verteilten, angesenkten Durchgangslöchern (8, 8¹) ausgebildet ist, deren jedes eine nach unten gerichtete Schulter (8a, 8'a) aufweist,

daß jede Lufteinblasdüse (6, 6', 6") mit einem Bodenflansch (6a, 11a, 12a) versehen ist, daß jede Lufteinblasdüse (6, 6¹, 6") in eines der angesenkten Löcher (8, 8¹) derart eingepaßt ist, daß ihr Bodenflansch (6a, 11a, 12a) an der Schulter (8a, 8'a) anliegt, und

daß eine Einrichtung (9) zum Festhalten einer jeden Lufteinblasdüse (6, 6', 6") in dem jeweiligen angesenkten Loch (8, 8') vorgesehen ist.
3. Wirbelschicht-Verbrennungsofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Schulter (6a) mit der Lufteinblasdüse (6) einstückig ausgebildet ist.
4. Wirbelschicht-Verbrennungsofen nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Hülse (7) um denjenigen Teil jeder Lufteinblasdüse gepaßt ist, bei dem es sich nicht um den Bodenfiansch handelt.
5. Wirbelschicht-Verbrennungsofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die äußere Hülse (7) und die Lufteinblasdüse (6) von der oberen Oberfläche der Luftverteilplatte (2) hervorstehen.
6. Wirbelschicht-Verbrennungsofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Hülse (11, 12) um jede Lufteinblasdüse (6¹, 6") gepaßt ist, und daß die Schulter (11a, 12a) am unteren Bereich der Hülse ausgebildet ist.
7. Wirbelschicht-Verbrennungsofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Hülse (11) von der oberen Oberfläche der Luftvertei!platte (2) hervorsteht.
8. Wirbelschicht-Verbrennungsofen nach einem der Ansprüche 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die obere Oberfläche der Lufteinblasdüse (6¹) auf einem niedrigeren Niveau als der obere Rand der Hülse (11) liegt.
9. Wirbelschicht-Verbrennungsofen nach einem der Ansprüche 4 oder 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

daß der obere Rand der Hülse (12) mit der oberen Oberfläche der Luftverteilplatte (2) bündig ist.
10. Wirbelschicht-Verbrennungsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

daß die Lufteinblasdüse (6") einen kuppelartigen oberen Bereich (10) aufweist, der von der oberen Oberfläche der Luftverteilplatte (2) hervorsteht.

· Wirbelschicht-Verbrennungsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,

daß es sich bei der Einrichtung zum Festhalten der Lufteinblasdüse um eine ringförmige Trägerplatte (9) handelt, die an der unteren Oberfläche der Luftverteilplatte (2) befestigt ist.