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Stichwort: SOx#NOx -Rauchgasrückführung
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Verfahren zur Entfernung von gasförmigen Schadstoffen durch Einleitung
eines mit den Schadstoffen reagierenden Reaktionsmittels in den Rauchgasstrom Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von gasförmigen Schadstoffen durch
Einleitung eines mit den Schadstoffen reagierenden Reaktionsmittels in den Rauchgasstrom.
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Aus der DE-OS 25 50 635 ist ein solches Verfahren zur Entfernung von
Stickstoffoxiden aus einem Rauchgas durch Einleitung von Ammoniak in eine Zone mit
einer Temperatur von 700 - l.l000C in Gegenwart von Sauerstoff bekannt, bei dem
das Ammoniak oder ein Ammoniakvorprodukt durch eine Vielzahl von in verschiedenen
Positionen über den Querschnitt der Gasströmung verteilten Düsen eingeleitet wird.
Hierbei kann ein Gas oder eine Flüssigkeit zugeführt werden. Es wird bevorzugt,
das Gas oder die Flüssigkeit mit Dampf, Wasser oder einem Inertgas zu verdünnen.
Zur wirksamen Entfernung von NOx ist es erforderlich, daß das NOx enthaltende Rauchgas
bei einer Temperatur von mehr 0 als 700 C und vorzugsweise bei einer Temperatur
von 0 800 - 1.100 C und insbesondere bei einer Temperatur 0 von 900 - 1.000 C mit
dem Ammoniak in Gegenwart von Sauerstoff behandelt wird. Bei dem Verfahren gemäß
der DE-OS 25 50 635 wird nicht berücksichtigt, daß in Abhängigkeit von den Lastverhältnissen,
die in der Feuerungsanlage herrschen, und/oder den eingesetzten Brennstoffen sich
die Temperatur in dem Raum
der Feuerungsanlage ändern kann, in den
das Ammoniak eingeleitet wird.
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Weiterhin ist aus der DE-OS 25 32 471 ein Verfahren zur Entfernung
von Stickstoffoxiden und Schwefeloxiden in dem vorstehend genannten Temperaturbereich
bekannt, bei dem eine durch Schwefeloxide umwandelbare Verbindung des Calciums,
des Magnesiums, des Mangans oder des Natriums in das auf einer Temperatur oberhalb
3000C gehaltene Abgas eingeführt und danach das Abgas auf unterhalb 3000C abgekühlt
wird, wobei die Schwefeloxide in Form des Sulfats des Metalls entfernt werden.
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Als Verbindungen der vorstehend genannten Metalle werden vorzugsweise
Oxide, Hydroxide, Carbonate, Bicarbonate, Formiate, Acetate oder Benzoate oder Mischungen
derselben eingesetzt. Dabei kann die durch Schwefeloxide umwandelbare Verbindung
dem Abgas vor Zugabe des Ammoniaks oder der Ammoniakvorstufe oder gleichzeitig mit
dieser oder nach Zugabe des Ammoniaks oder der Ammoniakvorstufe eingesetzt werden.
Das zur Entfernung der Schwefeloxide eingesetzte Reaktionsmittel kann dabei in Form
einer wässrigen Lösung oder Dispersion oder in Pulverform verwendet werden.
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Auch hier findet sich kein Hinweis auf die Berücksichtigung von Temperaturschwankungen
im Bereich der Einleitstelle in Abhängigkeit von der Feuerungsbelastung und/oder
dem eingesetzten Brennstoff.
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In der DE-PS 24 11 672 wird das Verfahren zur Entfernung von Stickstoffoxiden
mittels Ammoniak noch dahingehend erweitert, daß die Reaktion mit Ammoniak in Gegenwart
eines paraffinischen, olefinischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffes oder deren
Gemische, oxidierten oder sulfonierten Kohlenwasserstoffes in einem Temperaturbereich
zwischen 705 und l.0950C erfolgt. In dieser Patentschrift findet sich darüber hinaus
der Hinweis, daß bei alleiniger Benutzung
von Ammoniak oder einer
Ammoniakvorstufe dieses mit dem Rauchgasstrom in einem engeren Temperaturbereich
von 870 - l.0950C in Kontakt gebracht werden muß.
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Aus der DE-OS 23 20 304 ist ein Verfahren zur thermischen Behandlung
von Rauchgasen bekannt, bei dem der Abgasstrom mit Kohlenwasserstoffen, sauerstoffhaltigen
Kohlenwasserstoffen, stickstoffhaltigen Kohlenwasserstoffen, halogenhaltigen Kohlenwasserstoffen
oder schwefelhaltigen Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Sauerstoff bei einer
Temperatur von 400 - 2.7O00C zur Reduktion des NOx zu molekularem Stickstoff kontaktiert
wird, wobei bestimmte Verhältnisse von Kohlenstoff zu NO und Sauerstoff zu Kohlenx
stoff vorgegeben sind. Auch hier findet sich im Zusammenhang mit der Heizungsanlage
kein Hinweis auf eine Anpassung des Verfahrens hinsichtlich der Optimierung der
Temperatur an der Einleitstelle der in den Abgasstrom einzubringenden Kohlenwasserstoffe.
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Schließlich ist aus der DE-OS 31 39 080 ein Verfahren zur Absorption
von Schadstoffen aus Verbrennungsabgasen mittels trockener Absorptionsmassen bekannt,
bei dem das staubförmige Reaktionsmittel, beispielsweise Calciumhydroxid, unmittelbar
in den Rauchgasstrom bei 350 - 4000C vor Verlassen des Feuerungskessels mit einer
Geschwindigkeit von 12 - 16 m/sec quer zum Rauchgasstrom eingeblasen wird. Die hierfür
verwendeten Dosierrohre reichen in einen mit Heizflächen bestückten Kessel zug und
sind mit ihren äußeren Enden an eine Dosiereinrichtung angeschlossen. Auch hier
findet sich kein Hinweis darauf, daß der dort erwähnte Temperaturbereich mit einer
Fensterbreite von nur 500 sich in Abhängigkeit von den Lastverhältnissen und/oder
von dem eingesetzten Brennstoff bezüglich der Dosierrohre verschieben kann.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren
anzugeben, bei dem eine für die Reaktion zwischen den Schadstoffen und dem eingebrachten
Reaktionsmittel erforderliche optimale Reaktionstemperatur bzw. ein -feld auf einfache
Weise im Einleitbereich des Reaktionsmittels eingehalten werden kann.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Teilstrom des Rauchgases
stromab der Einleitstelle des Reaktionsmittels abgesaugt und ggf. nach Erwärmung
zur Einstellung optimaler Reaktionstemperaturverhältnisse im Bereich der Einleitstelle
dem Rauchgashauptstrom zugemischt wird.
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Hiermit kann das Temperaturfeld für eine optimale Reaktion bei geänderter
Feuerungsbelastung und/oder Einsatz eines anderen Brennstoffes im Bereich der Einleitstelle
durch Menge und/oder Temperatur des rückgeführten Rauchgases gehalten werden.
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Bei dieser Verfahrensführung kann bei maximaler Feuerleistung (Vollast)
der Teilstrom mit niedrigerer Temperatur in den Bereich der Einleitstelle eingeleitet
werden, so daß die dort herrschende oberhalb der optimalen Temperatur liegende Temperatur
auf die optimale Temperatur heruntergekühlt werden kann.
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Bei Belastungsänderungen kann die abgesaugte Teilstroms menge dem
an der Einleitstelle erwünschten Temperaturfeld angepaßt werden. Bei der erfindungsgemäßen
Verfahrensführung ist es daher nicht wie bei der DE-PS 24 11 672 erforderlich, eine
Aufspreizung des für die Reaktion erforderlichen Temperaturfeldes mit Hilfe als
zusätzliches Reduktionsmittel wirkender Hilfsgase zu bewirken.
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Bei kleineren Lasten, insbesondere bei Kleinstlast der Feuerungsanlage,
kann mit maximal möglichem Teilstrom an abgesaugtem Rauchgas gefahren werden, da
die
Erwärmung des Rauchgases über die Absaugtemperatur es ermöglicht, den Rauchgashauptstrom
auf die gewünschte optimale Reaktionstemperatur aufzuheizen.
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Durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung kann mittels der Rauchgasrückführung
in den Bereich der Einleitstelle durch Wärmezufuhr oder Abkühlung das Temperaturfeld
an einem Ort, nämlich der Einleitstelle, gehalten werden und gleichzeitig die optimale
Reaktionstemperatur gehalten werden. Im Falle der Entfernung von NO liegt für die
äquimolare Hauptreaktion von x NH3 und NO die optimale Temperatur bei l.0000C und
das bevorzugte Temperaturfeld liegt zwischen 800 -l.OOO0C.
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Vorzugsweise wird die Absaugstelle für den Rauchgasteilstrom so gelegt,
daß die Absaugung bei einer Rauchgas-0 temperatur < 400 C erfolgt und bis zu
20 Vol.-% der maximal möglichen Abgasmenge (Vollastmenge) abgesaugt werden.
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Es soll darauf hingewiesen werden, daß eine Rauchgasrückführung bei
Feuerungsanlagen in den Feuerraum oberhalb der Brenner an sich bekannt ist. Die
Rauchgasrückführung dient dort dem Aufbau einer reduzierenden Zone oberhalb der
Brenner und nicht der Einstellung der optimalen Temperaturverhältnisse für die Reaktion
zwischen einem Reaktionsmittel und Schadgasen.
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Vorzugsweise wird das Reaktionsmittel dem Teilstrom stromauf der Einleitstelle
zugemischt. Bei der Verfahrensführung gemäß der DE-OS 25 50 635 erfolgt zwar eine
Verdünnung des in den Rauchgasstrom eingeleiteten Ammoniaks, jedoch nicht in einem
solchen Maße, daß eine Vormischung vorliegt.
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Für die Erwärmung des zurückgeführten Rauchgasteilstroms kann mindestens
ein Brenner vorgesehen sein,
der mit festen, flüssigen oder gasförmigen
Brennstoffen, wie Kohlenstaub, Öl oder Gas betrieben werden kann.
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Die in einer solchen Erwärmung des abgesaugten Teilstroms in den Teilstrom
eingebrachte Wärmemenge kann durch die stromab der Einleitstelle liegenden nachgeschalteten
Anlagenteile für den Wärmetausch wirtschaftlich genutzt werden, z. B. bei der Vorwärmung
von Speisewasser oder Überhitzung von Dampf. Es ist auch möglich, heißeres Rauchgas
aus der Feuerungsanlage abzuziehen.
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Um eine homogene Gasphase zwischen Hauptrauchgasstrom und rückgeführtem
Teilstrom zu erzielen, ist es von Vorteil, wenn der vorgemischte Teilstrom mit hohem
Impuls dem Hauptstrom zugemischt wird.
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Bei der Erwärmung des rückgeführten Teilstroms mit einem Brenner ist
es darüber hinaus möglich, daß der Brenner sowohl mit Sauerstoffüberschuß als auch
mit Sauerstoffmangel in Abhängigkeit von dem eingesetzten Reaktionsmittel betrieben
werden kann. Damit kann der Sauerstoffgehalt im Bereich der Einleitstelle eingestellt
werden. In diesem Zusammenhang soll noch erwähnt werden, daß unabhängig von der
Art der Erwärmung das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil bietet, daß bei Teillast
der Feuerungsanlage, bei der diese mit einem wesentlich höheren Luftüberschuß als
bei Vollast gefahren werden muß, durch die Aufheizung des rückgeführten Teilstroms
der Luftüberschuß des Hauptstroms abgesenkt werden kann und damit die Schadstofferzeugung,
die von dem Luftüberschuß in der Feuerung abhängig ist, vermindert werden kann.
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Zur Entfernung von NO werden in an sich bekannter x Weise Ammoniak,
eine Ammoniakvorstufe in Gegenwart oder Abwesenheit der in der DE-PS 24 11 672 genannten
Kohlenstoffverbindungen eingesetzt. Eine Verfahrens-
führung nach
DE-OS 23 20 304 erscheint auch möglich, da an der Einleitstelle keine Flamme mehr
vorhanden ist. Zur Entfernung von SO ebenfalls zusammen mit x Fluor und Chlor werden
die mit den Schwefeloxiden reagierenden Verbindungen der Alkali- und Erdalkalimetalle
eingesetzt. Diese Reaktionsmittel können getrennt oder zusammen in den Hauptrauchgasstrom
eingeleitet werden. Wie bereits erwähnt, wird jedoch eine Einleitung in den rückgeführten
Rauchgasstrom bevorzugt. Die bevorzugte Rauchgasrückführungstemperatur < 4000C
ist durch die maximale Betriebstemperatur der zur Zeit vorhandenen heißgehenden
Gebläse bestimmt.
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Die Erfindung richtet sich auch auf eine Feuerungsanlage zur Durchführung
des Verfahrens mit einem Feuerungsraum, einem daran anschließenden Rauchgaszug und
einer Einrichtung zum Einleiten eines Reaktionsmittels.
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Die Feuerungsanlage ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß
der Rauchgaszug stromab der Einleitstelle zur Einleitung des Reaktionsmittels mit
einer Rauchgasrückführungsleitung verbunden ist, in der mindestens ein Sauggebläse
angeordnet ist, und daß stromab des Sauggebläses eine Einrichtung zur Erwärmung
des in der Rauchgasrückführungsleitung geführten Gases vorgesehen ist, und daß das
andere Ende der Rauchgasrückführungsleitung mit dem Rauchgaszug im Bereich der Einleitstelle
verbunden ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung kann das Reaktionsmittel getrennt von dem rückgeführten Rauchgas direkt
in den Rauchgaszug eingebracht werden. Bevorzugt wird jedoch, daß die Einrichtung
zum Einleiten des Reaktionsmittels stromab der Einrichtung zum Erwärmen mit der
Rauchgasrückführungsleitung verbunden ist, da auf diese Weise eine intensive Vormischung
erreicht wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren soll anhand der beigefügten Figuren
näher erläutert werden. Es zeigt: Figur 1 ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Feuerungsanlage, Figur 2 einen Schnitt durch den Rauchgaszug
gemäß Figur 1 mit einer Aufsicht auf das dort eingesetzte Eindüsungsrohr.
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Bei der erfindungsgemäßen Feuerungsanlage wird über Brenner 1 Brennstaub
in den Feuerraum eingeblasen, in dem eine Temperatur von ca. l.5000C herrscht.
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Die bei der Verbrennung entstehenden Rauchgase werden in einem Rauchgaszug
2 aus dem Feuerraum abgeführt.
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In dem Rauchgaszug 2 sind zur Abfuhr von Wärme in an sich bekannter
Weise mit Wasser und/oder Dampf beaufschlagte Rohrgassen 3 angeordnet. Dem zweifach
umgelenkten Rauchgaszug ist ein Luftvorwärmer 4 nachgeschaltet, in dem der Rauchgasstrom
seine Wärme auf über ein Gebläse 5 angesaugte und in einem Rohrkanal 6 geführte
Verbrennungsluft überträgt. Dem Luftvorwärmer 4 ist zur Abscheidung von Staub ein
Elektrofilter 6 nachgeschaltet.
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Am Ende des mit einer Teilungswand 2a versehenen Rauchgaszuges 2 ist
stromauf des Luftvorwärmers 4 mit dem Rauchgaszug ein Absaugraum 7 verbunden, der
in einen Rauchgasrückführungskanal 8 übergeht. In diesem ist eine Meßstelle 9. und
ein heißgehendes Rauchgasrückführungsgebläse 10. Das freie Ende des Rauchgasrückführungskanals
8 ist mit den Enden eines Eindüsungsrohr 11 verbunden, das sich quer durch den Rauchgaszug
2 an einer Stelle erstreckt, bei
der bei Vollast eine Temperatur
von ca. l.1000C herrscht.
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Eine einseitige Beaufschlagung des Rohres 11 ist auch möglich. Das
Rauchgas wird in den der Eindüsungsstelle nachgeschalteten Anlagenteilen auf eine
Tempe-0 ratur von ca. 400 C abgekühlt und mit dieser Temperatur durch das Rückführungsgebläse
10 abgesaugt. Mit dem Rauchgasrückführungskanal ist ein nicht näher gezeichneter
Voreindüsungsring 12 verbunden, dem über eine Reaktionsmittelpumpe 13 aus einem
Reaktionsmittelbehälter 14 Reaktionsmittel zugeführt wird, z. B.
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eine wässrige Ammoniaklösung zur Entfernung von NO x aus dem Rauchgas.
In der Kanal strecke zwischen Voreindüsring 12 und Eindüsrohr 11 erfolgt eine Vormischung.
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Die in den Kanal 8 voreingedüste Reaktionsmittelmenge hängt von der
Schadstoffkonzentration im Hauptstrom ab. Die Menge des rückgeführten Abgases und
dessen Temperatur hängt von dem Temperaturfeld im Bereich der Eindüsrohre ab. Falls
eine Erwärmung erforderlich ist, kann ein offen in den Rauchgasrückführungskanal
brennender Brenner 15 zugeschaltet werden, der das rückgeführte Rauchgas erwärmt.
Da solche Brenner an sich bekannt sind, ist in der Figur 1 auf Details verzichtet
worden.
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Als Alternative für eine Erwärmung ist in der Figur 1 schematisch
eine Heißgasabsaugung 16 dargestellt, die heißes Rauchgas aus dem Rauchgaszug nahe
dem Feuerraum absaugt und dem rückgeführten Rauchgas aufgrund der Ejektorwirkung
des von dem Rauchgasrückführungsgebläses 10 geförderten Rauchgasstromes zumischt.
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Während der Hauptgasstrom einen Impuls von 15 m/sec aufweist, wird
der Impuls für den aus den gerichteten Schlitzen lla des Eindüsungsrohrs austretenden
Rauchgases mittels des Gebläses 10 wesentlich höher, z. B.
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im Bereich von 20m/sec, eingestellt.
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Wie aus der Figur 2 ersichtlich ist, sind die Austrittsschlitze lla
und llb auf die Freiräume zwischen den Rohrgassen 3 ausgerichtet.
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Beispiele Wenn bei Vollast im Bereich des Eindüsrohrs 11 eine Temperatur
von l.1000C herrscht und die Temperatur auf die vorstehend erwähnte Optimaltemperatur
von l.0000C zurückgeführt werden soll, werden 15 Vol.-% der maximal möglichen Abgasmenge
von 500.000 Nm3/h über den Rauchgasrückführungskanal mit 4000C zurückgeführt, wodurch
die Temperatur von l.1000C auf ca. l.0000C abgesenkt wird (Kühlung).
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Wenn bei Teillast von 40 % die Temperatur im Bereich des Eindüsrohrs
11 auf eine Temperatur von 7000C abfällt und die Rauchgasmenge gegenüber der maximal
möglichen Rauchgasmenge um 60 Vol.-% reduziert worden ist, werden 20 Vol.-% des
maximal möglichen Rauchgases mit 4000C zurückgeführt und mit Hilfe des Brenners
15 und/oder der Heißgasrücksaugung auf eine Temperatur von l.0000C erwärmt, so daß
sich im Reaktionsbereich eine näher an der optimalen Reaktionstemperatur liegende
Temperatur von ca. 8000C ergibt, d. h. die Tempe-0 ratur an der Einleitstelle wurde
um 100 C erhöht.
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Unter die Erfindung fällt auch, daß für verschiedene optimale Reaktionstemperaturzonen
erfordernde Reaktionsmittel verschiedene Einleitstellen vorgesehen sind, denen ggf.
auf verschiedene Temperaturen erwärmte rückgeführte Rauchgasströme zugeführt werden,
die z. B. nach dem Gebläse 10 voneinander abzweigen.
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Auch ist es möglich, bei verschiedenen Einleitstellen für verschiedene
Reaktionsmittel den Hauptgasstrom
auf unterschiedliche Temperaturen
abzukühlen. Gemäß der DE-OS 25 32 471 wird dabei jedoch bevorzugt, daß Ammoniak,
die Ammoniakvorstufe und die Kohlenstoffverbindungen bei einer Temperatur unterhalb
l.lOO0C, 0 jedoch oberhalb von 300 C, zugeführt werden.
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Der Inhalt der in der Beschreibungseinleitung genannten Schriften
wird ausdrücklich zum Offenbarungsinhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht, um
die Einzelheiten bezüglich der einzelnen Reaktionsmittel, die an sich bekannt sind,
nicht in allen Einzelheiten in die vorliegende Anmeldung aufnehmen zu müssen.
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Wie aus der Aufgabenstellung ersichtlich, wird unter einer "optimalen
Reaktionstemperatur" auch ein "Temperaturfeld" mit vorgegebener Spreizung verstanden,
da in den großen Querschnitten der Rauchgasmenge der dort strömende Rauchgasstrom
in Strömungsrichtung und in Querschnitt gesehen nicht immer sicher auf einen einzigen
Temperaturwert gehalten werden kann.