DE4104507C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Verarbeiten von Abfallstoffen, insbesondere Hausmüll, zu einem brennbaren Gasgemisch, Metallen und Schlacke - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Verarbeiten von Abfallstoffen, insbesondere Hausmüll, zu einem brennbaren Gasgemisch, Metallen und SchlackeInfo
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Description
Zur Verarbeitung von Abfällen, insbesondere Hausmüll, sind verschiedene Pyrolysever
fahren bekannt. Sie arbeiten unter Luftabschluß und Temperaturen zwischen 350°C und
1.000°C, auch unter Anwendung von erhöhten Drücken. Infolge thermischer Zersetzung
entstehen neben den Stoffen, die nicht reagieren (vornehmlich Metalle und Glas), feste,
flüssige und gasförmige Stoffe.
Die Zusammensetzung der Pyrolyseprodukte ist von der Pyrolyseendtemperatur abhängig.
Die festen Rückstände bestehen neben den bereits erwähnten Stoffen aus Kohlenstoff als
Zersetzungsprodukt. Dieser liegt bei mittleren Pyrolysetemperaturen bei etwa 50% der
festen und bei etwa 20% der gesamten Pyrolyseprodukte.
Die Teer-Ölkondensatbildung erreicht im Bereich von 350°C bis 500°C ihr Maximum
von etwa 4% der gesamten Produkte und ist somit vernachlässigbar klein. Der Anteil an
wäßrigem Kondensat entspricht im wesentlichen dem Wassergehalt des Hausmülls. Er
bleibt bei Pyrolysetemperaturen größer 350°C ziemlich konstant (etwa 30% der Pyrolyse
produkte) und ist bei diesen Temperaturen dampfförmig.
Der Anteil der Gase in den Pyrolyseprodukten nimmt mit steigender Temperatur zu und
beträgt bei Temperaturen größer 400°C etwa 20%. Auch die Zusammensetzung der Gase
ist von der Pyrolyseendtemperatur abhängig: der organische Anteil und der Wasserstoff
gehalt nehmen mit höherer Temperatur zu; jedoch liegt der Wasserstoffgehalt nicht weit
über 1%. Der CO₂-Anteil nimmt mit steigender Temperatur von etwa 50% auf 45% ab.
Der CO-Anteil bleibt mit kleiner als 30% unabhängig von der Pyrolysetemperatur
ziemlich konstant.
Alle Prozentangaben sind Gewichtsprozente.
Die Pyrolyseprodukte sind im wesentlichen ein minderwertiges Gas und eine feste Masse
aus Kohlenstoff, Glas, Metallen und ähnlichen Bestandteilen des Hausmülls. Sie sind also
zur Weiterverwendung nicht geeignet und müssen zu diesem Zweck einer zusätzlichen
Behandlung unterzogen werden.
Durch die US-A-37 65 346 ist ein Pyrolyseverfahren zur Umwandlung von Abfallmaterial
in seine Grundkomponenten bekannt geworden. Bei diesem Verfahren wird die bei der
Pyrolyse von organischem Abfallmaterial erhaltene Asche zusammen mit nicht brennbaren
Abfallstoffen gepreßt und paketiert und dann in eine Hochtemperatur"verschlackungs"kammer
gebracht. In dieser werden die paketierten Abfallstoffe einer ausreichenden
Hitzebehandlung unterworfen, um sie zu geschmolzener Schlacke und geschmolzenen,
metallischen Komponenten zu reduzieren, während die gasförmigen Verbrennungsprodukte
nach unten und über die Oberfläche der heißen, geschmolzenen Rückstände gerichtet wird,
um eine vollständige Oxydation ihrer brennbaren Komponenten zu bewirken. Der Energie
bedarf wird im wesentlichen durch geeignete Fremdenergiequellen gedeckt. Brennbares
Pyrolysegas kann ergänzend eingesetzt werden.
Durch die EP-B1-0 395 397 ist ein Verfahren zur Behandlung von ausgegrabenem Land
füllmaterial bekannt geworden, das mit toxischen und gefährlichen Substanzen kontaminiert
ist. Als Energiequelle dient ein Plasmabrenner. Außerdem wird durch die Chargentür des
Kupolofens zusätzlicher kohlenstoffartiger Brennstoff einschließlich Koks und Kohle
zugegeben. Die entstehenden Abgase werden zur Zerstörung von flüchtigen toxischen und
gefährlichen Materialien einer Nachverbrennung unterzogen. Sie sind also wirtschaftlich
nicht mehr zu nutzen.
Durch die US-A-43 46 661 ist ein Schachtofen zur Behandlung von Abfallstoffen bekannt
geworden, in dem die Abfallstoffe mittels eines Hochtemperaturbettes aus einem brenn
baren, kohlenstoffhaltigen Material zur Wiederverwendung der Schmelzprodukte ge
schmolzen werden. Hier dient als Energiequelle ein Kohlenstoffbett, das stetig ergänzt
wird und mittels durch Düsen eingeblasenen Sauerstoff oder Luft auf die erforderliche
Temperatur gebracht wird. Im unteren Teil des Ofens ist ein Herd zur Aufnahme von
flüssigem Metall und flüssiger Schlacke vorgesehen, die getrennt abgezogen werden. Im
oberen Teil ist eine durch eine Glocke verschließbare Chargieröffnung für die Abfallstoffe,
sowie ein Gasabführrohr vorgesehen, durch das das Abgas des Ofens über eine Entstau
bungsvorrichtung und einen Wärmetauscher zur Vorwärmung der Verbrennungsluft in den
Kamin geleitet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verarbeiten von Abfall
stoffen, insbesondere Hausmüll, zu einem brennbaren Gasgemisch, Metallen und Schlacke
zu schaffen, das keine zusätzlichen Energieträger benötigt, das also wärmetechnisch autark
ist und zusätzlich ein brennbares Gasgemisch liefert. Das erfindungsgemäße Verfahren ist
durch Anspruch 1 gekennzeichnet, vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den
Ansprüchen 2 bis 5 zu entnehmen, die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch Anspruch
6 gekennzeichnet, vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 7
bis 13 beschrieben.
Für die Weiterbehandlung der Pyrolyseprodukte wird ein kontinuierlich arbeitender
Reaktor mit folgenden Verfahrensabläufen vorgeschlagen:
- - Der Kohlenstoff wird mittels stöchiometrischer Sauerstoffzufuhr zu CO als End produkt verbrannt und liefert dabei die Verfahrenwärme.
- - Aluminiumteile werden ebenfalls stöchiometrisch mit Sauerstoff verbrannt und liefern ebenfalls Wärme. Das Verbrennungsprodukt, die Tonerde (Al₂O₃), geht in die Schlacke über.
- - Metalle und Schlackenbildner werden verflüssigt und im flüssigen Zustand getrennt.
- - Das CO₂ im Pyrolysegas wird über die Boudouard-Reaktion zu CO umgewandelt.
- - Der Wasserdampf in den gasförmigen Pyrolyseprodukten wird über die Wassergas reaktion zu CO und H₂ umgewandelt.
- - Teere, Öle und organische Gase der gasförmigen Pyrolyseprodukte werden weiter zersetzt.
Die Produkte des Reaktorverfahrens sind also:
- - ein brennbares Gasgemisch mit hohem Heizwert, das im wesentlichen aus CO und H₂ besteht. Für dieses Gas sind verschiedene Verwendungszwecke möglich, wie Heizung, Energieerzeugung etc.
- - Ein Roheisen-Metall, das z. B. als Einsatzstoff für metallurgische Verfahren ver wendet werden kann.
- - Eine Schlacke mit glasähnlicher Zusammensetzung, die im wesentlichen aus SiO₂ und AlO₃ besteht. Diese Schlacke kann zu Bauzwecken verwendet werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein schachtförmiger Reaktor verwendet. Die
Leistung von Schachtöfen ist einsatzabhängig und wird bei gleichem Einsatz von der
spezifischen Herdfläche bestimmt (t/m² · h), Schachtöfen zur Erzeugung von Gußeisen
(Kupolöfen) haben eine spezifische Herdbelastung von etwa 10 t Gußeisen/m² · h. Bei
Schachtöfen für die Herstellung von Steinwolle liegt die spezifische Herdbelastung nur bei
3 t/m² · h.
Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Einsatzzusammensetzung des schacht
förmigen Reaktors schwankt, der Einsatz aus festen und gasförmigen Pyrolyseprodukten
besteht und das Hauptprodukt ein brennbares Gas ist, unterscheidet sich der Reaktor von
den üblichen Schachtöfen. Die spezifische Herdbelastung kann somit nicht in Produktion
pro m² Herdfläche und Stunde ausgedrückt werden. Wegen der Verarbeitung großer
Gasmengen ist jedoch eine geringe Herdbelastung anzustreben.
Die Schütthöhe im Schacht des Reaktors hängt von der Durchgasungseingenschaft der
festen Pyrolyseprodukte und von dem Druck im unteren Reaktorraum ab.
Zur Vereinheitlichung der Durchgasungsfähigkeit und zur Vergrößerung der Reaktions
flächen werden die festen Pyrolyseprodukte vor Eintritt in den Schacht des Reaktors zu
Stücken gebrochen, die im wesentlichen kleiner 60 mm sind. Metallteile behalten dabei
weitgehend die Form, die sie im Pyrolyseverfahren angenommen haben. Das Schütt
gewicht der gebrochenen Pyrolyseprodukte schwankt je nach Zusammensetzung. Es kann
im Mittel mit 0,9 t/m³ angenommen werden. Unter diesen Umständen hat sich die
Schüttsäule im Reaktor von 1,2 m bis 2,5 m als vorteilhaft erwiesen.
Der Gasdruck im unteren Reaktorteil wird aus Sicherheitsgründen niedrig gehalten (etwa
0,1 bar). Er nimmt bei der Durchströmung der Schüttsäule ab.
Die Temperatur der zu verarbeitenden Pyrolyseprodukte entspricht der Pyrolyseendtempe
ratur. Sie werden unter Luftabschluß dem Reaktor zugeführt.
Der Herd des Reaktors ist durch einen flüssigen Roheisensumpf abgedeckt, der sich aus
den Eisenbestandteilen des Hausmülls und dem Kohlenstoff bildet. Im Roheisen sind
andere Metalle gelöst. Die Dichte des Roheisensumpfes ist 6,8 t/m³. Auf dem Roheisen
schwimmt die flüssige Schlacke mit einer Dichte von 2,6 t/m³. Somit werden diese
Phasen getrennt. Die beiden Phasen laufen auch getrennt über zwei Abstiche ab. Vor
teilhaft sind freilaufende Siphonabstiche. Dadurch werden Schlacken- und Roheisenschicht
immer auf konstantem Niveau gehalten, die schwankende Zusammensetzung dieser Stoffe
im Müll egalisiert und der Prozeß im Reaktor vereinfacht.
Bei der Positionierung der Ausläufe ist beim Schlackenabstich der Druck im Reaktor und
beim Roheisenabstich zusätzlich die Dicke (Gewicht) der Schlackenschicht zu berücksichti
gen.
Zum Entleeren des Reaktors befindet sich am tiefsten Punkt des Herdes, dessen Sohle
leicht geneigt ist, ein zusätzlicher Abstich. Dieser ist normalerweise verschlossen und wird
nur im Bedarfsfall geöffnet.
Der Reaktor ist oberhalb der Herdsohle mit einem Mannloch versehen. Dieses dient zum
Ausräumen und zur Durchführung von Arbeiten im Reaktorinneren.
Der Verbrennungssauerstoff wird mittels einer Ringleitung und über den Umfang des
Schachtes des Reaktors verteilte Düsen in den Verbrennungsraum geblasen. Die Düsen
sind vorteilhaft aus Kupfer hergestellt und durch einen Wasserzwangsumlauf gekühlt. Sie
haben eine Neigung von kleiner 10°, vorteilhaft 9°, und sind so angeordnet, daß die
Sauerstoffstrahlen sich theoretisch in Ofenmitte etwas oberhalb der Schlackenschicht
treffen. Die Düsen können durch ebenfalls wassergekühlte Kupfereinsätze geführt werden,
die im vorgegebenen Winkel an den Außenmantel angeflanscht werden. Auch eine leicht
tangentiale Anordnung der Düsen ist möglich.
Anstelle des Sauerstoffs kann aus wirtschaftlichen Gründen auch mit sauerstoffangereicher
ter Luft oder mit Luft gearbeitet werden. Wird mit Luft geblasen, so ist diese vorteilhaft
mittels der Abgase vorzuwärmen. Der Nachteil ist, daß das Verfahren und die brennbaren
Gase Stickstoff als Ballast führen.
Der Schacht des Reaktors wird durch einen Blechmantel gebildet. Der Reaktorinnenraum
ist entweder ganz mit einer feuerfesten Auskleidung zugestellt oder nur der Herd bis zu
einer Ebene, die etwa 500 mm oberhalb der Sauerstoffdüsen liegt. Der Schacht des
Reaktors wird auf eine der bekannten Arten mit Wasser gekühlt. Es ist von Vorteil, auch
den Blechmantel in der Herdgegend zu kühlen.
Die gasförmigen Pyrolyseprodukte werden unter Luftabschluß mittels Düsen im oberen
Reaktorraum über die Oberfläche der Schüttsäule geblasen. Vorteilhaft wird dazu wieder
eine Ringleitung mit wassergekühlten Kupferdüsen benutzt. Dadurch wird eine Mischung
und ein Temperaturausgleich zwischen den gasförmigen Pyrolysegasen und den Reaktorga
sen erreicht. In Kontakt mit der glühenden Kohleschicht wird der Wasserdampf nach der
endothermen Wassergasreaktion zersetzt:
C + H₂O = CO + H₂ + 131,5 kJ/mol
Dadurch werden Reaktorgase und Schacht des Reaktors zusätzlich gekühlt. Es werden
0,67 kg C je kg Wasserdampf verbraucht, die dem Reaktorprozeß verlorengehen. Ins
gesamt ist der Wärmeverlust, wenn der Wasserdampf mit einer Temperatur von 400°C
eingebracht wird, etwa 4,3 Kwh je kg Wasserdampf. Diese finden sich aber praktisch im
Heizwert des Wassergases wieder.
Wenn die festen und gasförmigen Pyrolyseprodukte mit 400°C in den Reaktorschacht
eingebracht werden, liegen die Temperaturen im Reaktor bei:
- Schüttsäule:
unten: 2.000°C
oben: 1.100°C
Mittelwert: 1.550°C
- Schlackenschicht: 1.550°C
- Roheisensumpf: 1.550°C
- Prozeßgas: 1.100°C
- Mischgas: < 1.000°C
unten: 2.000°C
oben: 1.100°C
Mittelwert: 1.550°C
- Schlackenschicht: 1.550°C
- Roheisensumpf: 1.550°C
- Prozeßgas: 1.100°C
- Mischgas: < 1.000°C
Die Temperatur in der oberen Schüttsäule ist von der Höhe der Schüttsäule abhängig.
Nach dem Boudouard-Gleichgewicht CO₂+C = 2 CO (Fig. 1) besteht bei den hohen
Temperaturen das Verbrennungsprodukt der Kohle praktisch nur aus CO. Auch das CO₂
im Pyrolysegas wird beim Auftreffen auf die glühende Kohle in der Schüttsäule zu CO
umgesetzt. Ebenso zersetzen sich die Teer-Ölkondensate. Dadurch entsteht ein Gas mit
hohem Heizwert, das im wesentlichen aus CO und H₂ besteht.
Aus Sicherheitsgründen ist es wichtig, daß der Sauerstoffgehalt in diesem Gas kleiner
4 Volumenprozent gehalten wird. Deshalb muß die Gaszusammensetzung (insbesondere der
Sauerstoffgehalt) kontinuierlich gemessen werden. Im Bedarfsfall wird die Sauerstoffzufuhr
reduziert. Grundsätzlich wird aber mit einer gleichbleibenden stöchiometrischen Sauerstoff
zufuhr gearbeitet und die Schütthöhe im Reaktor konstant gehalten.
Die Erfindung wird durch ein Ausführungsbeispiel in Fig. 2 näher erläutert:
Der wassergekühlte Auslauf 1 eines Pyrolyseofens ragt luftdicht durch eine wassergekühlte
Haube 3 in den oberen Teil eines schachtförmigen Reaktors. Die Haube ist durch einen
Flansch mit Dichtung 4 gegenüber dem Reaktor abgedichtet. An der Haube befindet sich
zudem ein wassergekühles Gasabführrohr 5 für die brennbaren gasförmigen Produkte des
Verfahrens. Diese Reaktorteile sind doppelwandig ausgebildet und mit einer Wasser
kühlung im Zwangsumlauf versehen. Im unteren Auslauf 1 befindet sich ein Brecher 2,
dessen Achsen ebenfalls wassergekühlt sind. Die gasförmigen Pyrolyseprodukte werden
über eine nicht dargestellte Leitung in eine ringförmige Verteilungsleitung 6 geführt und
von dort mittels wassergekühlter Düsen 7 auf die Oberfläche der Schüttsäule 8 geblasen.
Darunter befindet sich eine Ringleitung 9 für den Verbrennungssauerstoff, der über
wassergekühlte Kupferdüsen 10 in den Verbrennungsraum 18 des Schachtes des Reaktors
geblasen wird. Die Düsenneigung beträgt in diesem Fall 9°. Unter dem Verbrennungs
raum 18 schwimmt die Schlackenschicht 11 auf dem Roheisensumpf 13. Mit 12 ist der
Siphonabstich für die Schlacke und mit 14 der für das Roheisen bezeichnet. Ein dritter
Abstich zum Entleeren des Gefäßes ist mit 15 bezeichnet. Dieser Abstich ist im Normalfall
durch eine feuerfeste Masse geschlossen.
Der Außenmantel 16 des Gefäßes ist aus einem Stahlblech hergestellt. Dieser Blechmantel
wird von außen durch Wasserberieselung oder Spritzwasser gekühlt.
Das gesamte Gefäß ist in diesem Fall mit einer feuerfesten Masse oder Steinen 17 ausge
kleidet. Diese Masse ist im Schlacke-Roheisenbereich sowie im Bereich des Verbrennungs
raumes höherwertiger als im oberen Schachtbereich.
Claims (13)
1. Verfahren zum Verarbeiten von Abfallstoffen, insbesondere Hausmüll, zu
einem brennbaren Gasgemisch, Metallen und Schlacke, mit den folgenden Schritten:
- a) die Abfallstoffe werden in einem Pyrolyseofen unter Luftabschluß Tempera turen zwischen 350°C und 1000°C ausgesetzt und dabei wenigstens teilweise thermisch zu festen und gasförmigen Pyrolyseprodukten zersetzt;
- b) die festen Pyrolyseprodukte werden im heißen Zustand unter Luftabschluß durch einen Auslauf (1) des Pyrolyseofens von oben in ein schachtförmiges Reaktorgefäß chargiert, um in diesem eine Schüttsäule (8) zu bilden;
- c) in einem Verbrennungsraum (18) im mittleren Teil des schachtförmigen Reaktors wird ein sauerstoffhaltiges Gas eingeblasen und hierbei unter Verbrennung der in den festen Pyrolyseprodukten enthaltenen brennbaren Bestandteile (Kohlenstoff, Alumini um) eine so hohe Temperatur erzeugt, daß die festen Pyrolyseprodukte zu flüssigem Metall und Schlacke geschmolzen werden, die sich in einem im unteren Teil des schachtförmigen Reaktors ausgebildeten Herd als flüssiges Metall (13) und darauf schwimmender Schlacke (11) getrennt sammeln und abgelassen werden;
- d) die heißen Verbrennungsgase des Verbrennungsraumes (18) werden durch die Schüttsäule (8) nach oben zu einem oberen Gasauslaß (5) des schachtförmigen Reaktors geleitet;
- e) die gasförmigen Pyrolyseprodukte des Pyrolyseofens werden in den oberen Teil des Reaktorgefäßes über die glühende Oberfläche der Schüttsäule (8) geleitet und durch den oberen Gasauslaß (5) des Reaktors zusammen mit den Verbrennungsgasen aus dem Verbrennungsraum (18) abgeleitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Pyroly
seprodukte vor Eintritt in den schachtförmigen Reaktor gebrochen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine
gleichbleibende stöchiometrische Menge Sauerstoff in den Verbrennungsraum (18) des
schachtförmigen Reaktors geblasen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Höhe der Schüttsäule durch Regelung der Zufuhr der festen Pyrolyseprodukte konstant
gehalten wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens der Sauerstoffgehalt im Abgas des schachtförmigen Reaktors kontinuierlich
gemessen und bei Sauerstoffgehalten von 3 Vol.-% die Sauerstoffzufuhr gedrosselt wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1
bis 5, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- a) ein Auslauf (1) für feste Pyrolyseprodukte eines Pyrolyseofens ist luftdicht mit dem oberen Teil eines schachtförmigen Reaktorgefäßes verbunden;
- b) im oberen Teil des schachtförmigen Reaktorgefäßes sind ein Gasabführrohr (5) für das Abgas des Reaktors sowie wenigstens eine Düse (7) vorgesehen, die mit einem Gasauslaß für gasförmige Pyrolyseprodukte des Pyrolyseofens in Verbindung steht;
- c) im mittleren Teil des Reaktorgefäßes ist wenigstens eine wassergekühlte Düse angeordnet, die in einen Verbrennungsraum (18) mündet und an eine Sauerstoffquelle anschließbar ist;
- d) im unteren Teil des Reaktorgefäßes ist ein Herd zur Aufnahme von flüssi gem Metall (13) und flüssiger Schlacke (11) vorgesehen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Auslauf (1)
des Pyrolyseofens Brecher (2) für die festen Pyrolyseprodukte angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das
Reaktorgefäß einen wassergekühlten Blechmantel (16) aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das Reaktorgefäß innen mit einer feuerfesten Masse (17) ausgekleidet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das Reaktorgefäß nur im unteren Teil bis inclusive Verbrennungsraum (18) mit einer
feuerfesten Masse (17) zugestellt ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß für die Schlacke (11) und das Roheisen (13) getrennte Abstiche (12, 14) vorgesehen
sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstiche
siphonähnlich ausgebildet sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Entleeren des Reaktorgefäßes am tiefsten Punkt des Herdes ein zusätzlicher
Abstich (15) angebracht ist.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19914104507 DE4104507C2 (de) | 1991-02-14 | 1991-02-14 | Verfahren und Vorrichtung zum Verarbeiten von Abfallstoffen, insbesondere Hausmüll, zu einem brennbaren Gasgemisch, Metallen und Schlacke |
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DE19914104507 DE4104507C2 (de) | 1991-02-14 | 1991-02-14 | Verfahren und Vorrichtung zum Verarbeiten von Abfallstoffen, insbesondere Hausmüll, zu einem brennbaren Gasgemisch, Metallen und Schlacke |
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DE4104507A1 DE4104507A1 (de) | 1992-10-15 |
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ID=6425047
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