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Schwelverfahren für kohlenstoffhaltige Stoffe und Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schwelen kohlenstoffhaltiger
Stoffe zwecks völliger oder teilweiser Entfernung der flüchtigen Bestandteile und,
sofern es sich um Kohle handelt, Gewinnung eines Kokses, der entweder frei von flüchtigen
Bestandteilen ist oder nur noch einen bestimmten Teil an solchen enthält.
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Man kennt Schwelverfahren für kohlenstoffhaltige Stoffe, die gleichzeitig
in mehreren Kammern unter Verwendung überhitzten Dampfes durchgeführt werden. Der
Wasserdampfstrom wird hier nacheinander durch die einzelnen Kammern geleitet. Ferner
sind Schwelverfahren bekannt, bei denen die Wärme des den Behandlungsraum verlassenden,
aus Dampf und flüchtigem Stoff bestehenden Gemisches in einem Wärmeaustauscher zur
Erzeugung neuen Dampfes ausgenutzt wird. Dieser neue Dampf wird dann in den Behandlungsraum
zurückgeleitet.
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Die Erfindung geht von einem Verfahren aus, bei dem die Schwelung
in mehreren Kammern mit überhitztem Dampf durchgeführt wird und die Wärme des aus
der Kammer abziehenden Dampfgemisches zur Erzeugung neuen Dampfes ausgenutzt wird.
Gemäß der Erfindung wird in den Kammern mit verschiedenen Drücken gearbeitet. Außerdem
entnehmen die Kammern geringeren Druckes den Dampf für die Behandlung des Rohstoffes
aus der Kühlungswärme der flüchtigen Bestandteile, die aus den mit höherem Druck
arbeitenden Kammern austreten.
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Die Ausgangsstoffe werden durch eine Kammer geschickt, wo sie unter
der Einwirkung des überhitzten hochgespannten Dampfes destilliert werden. Ein Dampfstrom
geringeren Wärmeinhaltes, der verstäubtes Wasser enthalten kann, wird in an sich
bekannter Weise so eingeleitet, daß er - durch die Destillationsrückstände überhitzt
wird und als weiterer Heizdampf dient, der sich mit dem ursprünglichen überhitzten
Dampf mischt. Menge und Temperatur des durch den zu kühlenden Koks geführten Dampfes
werden derart geregelt, daß er bei seiner Vereinigung mit dem eigentlichen Heizdampf
die gleiche Temperatur besitzt. Zur Aufrechterhaltung bestimmter Drücke in den Kammern
sind an den Abschneidern Regelventile angebracht.
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. Die flüchtigen Bestandteile werden mit dem Dampf abgezogen und in
einem Wärmeaustauscher, an den ein Abscheider angeschlossen ist, kondensiert. Die
hierbei frei werdende Wärme wird dazu benutzt, eine weitere Dampfmenge von geringerem
Druck beispiels-weise durch Kochen von Wasser in dem Wärmeaustauscher zu erzeugen.
Diese weitere Dampfmenge wird einer zweiten Kammer zugeführt, in der sie weitere
kohlenstoffhaltige
Stoffe bei geringerem Druck erhitzt. Die Ausgangsstoffe
werden also gleichzeitig durch eine Reihe von Behandlungskammern geschickt und durch
überhitzten Dampf erhitzt. Die entstehenden Dämpfe werden durch eine Reine von Wärmeaustauschvorrichtungen
geschickt.
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Der Druck des erzeugten Dampfes ist dabei in jeder Vorrichtung niedriger
als in der vorhergehenden.
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Das Verfahren gestattet eine erhebliche Verkleinerung der ganzen Anlage
gegenüber einer solchen, die mit denselben Drücken arbeitet. Es können kleinere
Überhitzer, kleinere Leitungen und auch kleinere Kondensatoren Anwendung finden.
Da der Dampf und die flüchtigen Ölbestandteile viel langsamer durch die Behandlungsräume
strömen, gehen die chemischen Zersetzungsvorgänge so vor sich, daß ein vollständiger
Gleichgewichtszustand erreicht wird. Hierdurch ist wiederum größtmögliche Wärmeausnutzung
bei größter Leistungsfähigkeit bedingt.
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Die Erfindung sei an Hand der Behandlung von Kohle im folgenden näher
beschrieben. Erwähnt sei jedoch, daß auch andere Stoffe, wie Ölschiefer, Lignit,
Torf, Holz oder sonstige Stoffe, die als Brennstoffe verwendbar sind bzw. solche
liefern, verarbeitet werden können.
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Die Zuführung des Rohstoffes in die Kammer erfolgt absatzweise von
oben, während der Koks absatzweise von unten abgezogen wird. Die zu destillierenden
Stoffe werden zweckmäßig durch Sieben sortiert, bevor sie eingeführt werden, und
die gebrochenen Kohlen verschiedener Größe werden mehreren auf verschiedenen Drücken
erhaltenen Kammern zugeführt, und zwar werden die gröberen Kohlen in der Kammer
niedrigeren Druckes behandelt. Hierdurch läßt sich ein größerer Wirkungsgrad der
gesamten Anlage erreichen, als wenn die gemischten Sorten allen Kammern geichmäßig
zugeführt werden. Die kleinstöckige Kohle erfordert eine bedeutend kürzere Destillationsdauer.
In einer Kammer von gegebener Größe kann also in einer gegebenen Zeit ein größerer
Durchsatz erreicht werden. Wird dagegen Kohle von verschiedener Stückgröße erhitzt,
so werden die kleinen Teile überbehandelt, während die größeren Stücke unter Umständen
nur bis zu dem Punkt destilliert werden, wo sie gerade das Öl und das reichste Gas
abgeben.
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Der überhitzte Dampf wird bei einer Temperatur zugeführt, die hoch
genug ist, die flüchtigen Bestandteile, soweit gewünscht, zu destillieren, aber
nicht hoch genug. ist, um den festen Kohlenstoff zu vergasen. Dieser verläßt den
Behandlungsraum in seiner Gesamtheit oder im wesentlichen als Koks. Es werden Temperaturen
von 7oo bis 870° C angewendet, aber bei höheren Temperaturen wird die Kohle mit
größerer Schnelligkeit hindurchgeführt.
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Da Dampf die einzige Wärmequelle ist und nur ein Teil der Überhitzungswärme
des Dampfes bei der Destillation zur Verfügung steht, wird nur ein kleiner Anteil
der Gesamtwärme des Dampfes in der Kammer ausgenutzt.
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Ein erheblicher Teil der verbleibenden Gesamtwärme des aus der Kammer
austretend--n Dampfes kann vorteilhaft dazu benutzt werden, einen Teil des Frischdampfes
für die nächste Kammer; die mit geringerem Druck arbeitet, zu erzeugen. Die fühlbare
und die latente Wärme der flüchtigen Bestandteile der Kohle können in gleicher Weise
benutzt werden.
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Die Druckdifferenz zwischen den Behandlungsräumen ist derart, daß
die Differenz zwischen der Kondensationstemperatur des Dampfes und der flüchtigen
Bestandteile der Kohle einerseits und des frisch erzeugten Dampfes andererseits
ganz oder nahezu gleich ist zwischen zwei Kammern, wobei die letzte Kammer mit Atmosphärendruck,
vorzugsweise sogar mit Unterdruck arbeitet.
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Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Abb. i ist ein schematischer, senkrechter Schnitt durch einen Behandlungsraum
und seine Zubehörteile.
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Abb.2 ist eine schematische Darstellung einer Kammerbatterie und einiger
ihrer Verbindungen.
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Die Ausgangsstoffe, beispielsweise in Gestalt von sortierter Kohle,
werden den Kammern aus dem zylindrischen Behälter- i zugeführt, welcher einen oberen
Schütttrichter und eine angelenkte Bodenklappe aufweist. Das Fassungsvermögen dieses
Behälters ist gleich dem Rauminhalt. des Füllrumpfes 3. Der dampfdichte, kappenförmige
Abschluß 2 der Kammer wird gelöst, indem er um 6o° gedreht und um ein Scharnier
317 nach rückwärts geschwenkt wird. Um den Druck in dem Füllrumpf 3 aufzuheben,
wird ein Druckablaßventil 30 geöffnet, und die Dämpfe werden in einen der
folgenden Verdampfer bei ungefähr Atmosphärendruck abgeleitet, ohne daß dabei die
Wärme der Auslaßdämpfe verlorengeht. Der Behälter i mit seinem Inhalt wird dann
in den Füllrumpf 3 gesenkt, bis er nahezu auf dem Bodenschieber q. dieses Füllrumpfes
aufruht, dann wird die Behälterklappe ausgelöst und der Behälter gehoben, so daß
seine Füllung in den Füllrumpf mit minimaler Schleifwirkung an der Kohle rutscht.
Es ist angenommen, daß die Kammer während dieses Füllvorganges in durchgehendem
Betriebe
steht. Daher war der Schieber 4 am Boden des Füllrumpfes geschlossen und die eigentliche
Kammer 7, 8 bis zu diesem Schieber 4 gefüllt. Während des Füllvorganges war die
Destillation kontinuierlich fortgeschritten, und die Oberfläche der Füllung hat
sich allmählich von dem Schieber 4 bis annähernd zur Höhe des- Dampfablasses 6 gesenkt.
Sobald der Rumpf 3 gefüllt ist, was nicht mehr als i Minute erfordern sollte, wird
die Kappe 2- geschlossen, das mit einer Hochdruckquelle, z. B. der Leitung 34 oder
dem Abscheider 29, verbundene Ventil 30a geöffnet, um den Druck gegenüber demjenigen
an der Unterseite des Schiebers 4. teilweise auszugleichen, und dann der Schieber
4 geöffnet, so daß der Hilfsfüllrumpf 5 aus dem Füllrumpf 3 gefüllt wird. Der Füllrumpf
3 bleibt nun oben geschlossen, bis die Füllungshöhe in dein Behandlungsraum bis
unter den Schieber 4 sinkt, worauf der Füllvorgang wiederholt wird.
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Da der Strom der Stoffe in dem Behandlungsraum 7, 8 ununterbrochen
ist, ist es zweckmäßig, auch den Zufluß des überhitzten Dampfes konstant zu machen.
Daher werden die Dampfbelieferung und die Dampftemperatur eingestellt, sobald die
Anlage in Betrieb genommen wird, nachdem einmal das geeignete Gleichgewicht zwischen
der Dampfzuführung und der Fördergeschwindigkeit der Füllung bestimmt ist.
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Der Schaft 7 der Kammer wird vorzugsweise aus Stahlplatten hergestellt,
die so bemessen sind, daß sie den Festigkeitsanforderungen jeder Kammer entsprechen,
die naturgemäß verschieden sind. Die Abmessungen können sich, wie dargestellt, nach
dem Boden zu etwas vergrößern. Die Längenabmessungen des Schaftes 7 müssen derart
sein, daß für die größten Kohlestücke Zeit genug vorhanden ist, um vollkommen zu
destillieren, während sie in der Kammer 7, 8 nach abwärts gehen. Hierbei wird dem
Dampf zwar -ein Teil seiner Überhitzungswärme entzogen, aber er bleibt noch genügend
überhitzt, um irgendeine nennenswerte Kondensation in der Kammer vor seinem Austritt
auszuschließen.
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Der Dampfauslaß 6 ist ein Mehrwegestück mit vier oder sechs Zweigen
611, die aus der Kammer an in gleichem Abstand voneinander liegenden Stellen rund
um den Umfang der Kammer abführen. Die Zweige steigen einige -Zentimeter von ihrer
Mündung in der Kammerwand aus an, damit keine feinen Stoffe der Füllung in die Dampfleitung
34 durch den Strom der abgeführten Dämpfe und Gase mitgerissen werden.
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Der Behandlungsraum ist an der Einführungsstelle des überhitzten Dampfes
am heißesten, und wenn die Wandungen in geeiglieter Weise gegen Strahlung isoliert
sind, haben die Wandungen an allen Stellen dieselbe Temperatur wie der mit ihnen
in Berührung stehende Dampf. Damit die für die Destillation notwendigen hohen Temperaturen
nicht ein häufiges Abschalten bei Ausbesserungen- der Kammer notwendig machen, ist
es wünschenswert, daß der den höchsten Tem . peraturen ausgesetzte Teil der Wandungen
aus einem Baustoff langer Lebensdauer besteht. Die Kammer besitzt daher vorzugsweise
einen auswechselbaren Abschnitt 8, der aus Nickelchrom oder anderem hitzebeständigem
Baustoff besteht. Der Abschnitt 8 braucht sich nur eine kurze Entfernung über diejenige
Stelle hinaus zu erstrecken, wo der überhitzte Dampf eintritt.
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Die die Austragsgeschwindigkeit regelnde Vorrichtung i i besteht aus
zwei Walzen oder Rädern mit an ihren Umfängen- liegenden Taschen. Diese drehen sich
in entgegengesetzten Richtungen, und zwar an ihrer Oberseite voneinander weg, damit
die an ihnen vorbeigehenden Stoffe nicht zerstört oder gemahlen werden, wie es der
Fall sein würde, wenn die Rollen oder Walzen sich in solcher Richtung drehen, daß
die Stoffe gezwungen werden, zwischen ihnen hindurchzugehen. Die Walzen drehen sich
mit gleichmäßiger Geschwindigkeit und können mit nicht dargestellten Zahnrädern
versehen sein, so daß gewünschtenfalls die Austragsgeschwindigkeit geändert werden
kann.
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In den Teilen des Schaftes unter dem Einlaß 9 für den überhitzten
Dampf und über dem Einlaß 12 für den gesättigten Dampf einschließlich des Abschnitts
io über der Regeleinrichtung i i und auch einschließlich des Raumes über dieser
Regeleinrichtung wird gekühlt oder Wärme wiedergewonnen. Der Abschnitt io der Kammer
muß lang, und zwar ebenso lang wie der Abschnitt 7, 8 sein. Die von der Regeleinrichtung
i i fallenden Teile gelangen unmittelbar durch den Schieber 14, welcher gerade oberhalb
des Auslaßrumpfes 15 liegt, in diesen hinein, bis er bis ganz oder nahezu an den
Schieber 14 voll ist. Wie oben beschrieben, strömt gesättigter Dampf mit demselben
Druck wie der überhitzte Dampf in den Abschnitt 13 des Schaftes durch den Kanal
12 ein. Durch das Ventil 31 zugeführtes Gas hat . dieselbe Wirkung. Wenn dieser
gesättigte Dampf im Gegenstrom zu den herabsinkenden Stoffen aufsteigt, wird er
zunächst in Trockendampf umgewandelt und dann überhitzt. Bei einer geeigneten Einstellung
der Zuführung des gesättigten Dampfes erreicht der bei 12 zugeführte Dampf in Höhe
der Kanäle 9 annähernd denselben Überhitzungsgrad wie der aus dem bei 21 schematisch
gezeichneten Überhitzer zugeleitete
Dampf. Die Temperatur des Kokses
wird herabgesetzt von dem Maximalwert in der Höhe 8 bis auf die Temperatur eines
bei dem in der Kammer herrschenden Druck gesättigten Dampfes. Es wird somit fast
die ganze restliche fühlbare Wärme des Kokses entzogen, und diese Wärme dient auch
dazu, die Destillation der Kohle in der Kammer zu unterstützen.
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Der Auslaßrumpf 15 ist an seinem Boden durch eine Kappe 16
geschlossen, deren Bauweise derjenigen der Kappe 2 am Füllrumpf 3 gleich sein kann.
Der Auslaßrumpf 15 besitzt auch ein Druckablaßventil 31, das mit der gleichen Leitung
wie das Druckablaßventil 3o am Füllrumpf 3 vexbunden ist.
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Sobald der Schieber ¢ nach Entleerung des Füllrumpfes 3 geschlossen
ist, muß der Auslaßrumpf 15 voll, daher der Schieber 1q. geschlossen sein. Der Auslaßrumpf
15 wird jetzt durch Abnahme der Bodenkappe 16 nach vorheriger vorübergehender
Öffnung des Druckablaßventils 31 geöffnet, und der Inhalt fällt heraus. Die
Kappe 16 wird dann schnell geschlossen, das Ventil 31 momentan geöffnet, um den
Druck in dem Auslaßrumpf 15 wieder herzustellen, und dann der Schieber 1q.
geöffnet, so daß das Material, das sich über ihm angesammelt hat, in den Auslaßrumpf
herabfällt.
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Das Schieberventil i9 arbeitet schnell und ändert die Strömung zwischen
den beiden Dampfeinlaßkanälen in irgendwelchen Verhältnissen. Dieses Schieberventil
ist insbesondere wünschenswert, wenn es hinter einem Hauptdampfventil i8 liegt.
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Aus dem Rohr 33 kann Wasser in den in die Kammer durch den Kanal 12
einströmenden Dampf geleitet werden, um durch den Koks verdampft zu werden. - Die
Menge muß aber derart sein, daß keine freie Feuchtigkeit im Koks verbleibt. Vorzugsweise
wird gesättigter Dampf, der zerstäubtes Wasser mit sich führt, benutzt. Die besten
Ergebnisse werden bei Benutzung einer teilweise entgasten Kohle als rauchloser Brennstoff
erreicht, wenn sie sich in einem physikalisch trockenen Zustande befindet. Daher
kann zu viel in den Behandlungsraum mitgeführtes Wasser schädlich sein, da es das
behandelte Material feucht beläßt.
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Die gemischten Dämpfe und Gase werden aus der Kammer durch die Dampfleitung
3:I in den Wärmeaustauscher, Abwärmekessel oder Verdampfer 26 übergeleitet. Wasser
aus dem Speisewasservorwärmer der Dampfanlage oder aus irgendeiner sonstigen Quelle
heißen Wassers wird in den Verdampfer 26 durch das Rohr 27 geleitet. Dieses Rohr
ist der Bequemlichkeit wegen als mit Rippen 35 versehen dargestellt. Ringförmige
Leitflächen 36 ragen von der Innenwand des Wärmeaustauschers bis in die Zwischenräume
der Rippen vor. Durch geeignete Regelung der Wasserströmung wird erreicht, daß alle
Dämpfe kondensieren und das Gas gekühlt wird. Die Folge davon ist, daß Dampf aus
dem Wasser erzeugt wird und--der folgenden Kammer zugeführt werden kann. Die Dampferzeugung
für jede der ersten folgenden Kammer kann auf diese Weise erreicht werden, und um
die notwendige Wärmeübertragung bei der Dampferzeugung sicherzustellen, ist es notwendig,
daß eine Temperaturdifferenz in den Verdampfern 26 zwischen den eintretenden gemischten
Dämpfen und Gasen und dem austretenden frisch erzeugten Dampf vorhanden ist. Dies
kann durch Aufrechterhaltung entsprechender Druckdifferenzen mit Hilfe selbsttätig
wirkender Drosselventile 28 erreicht werden.
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Bei dem in Abb.2 dargestellten Beispiel mit fünf aufeinanderfolgenden
Kammern nehmen die Drücke in den aufeinanderfolgenden Behandlungsräumen von links
nach rechts ab. Sollte es in irgendeinem Augenblick wünschenswert sein, die Drücke
in einigen der Kammern bis unter Atmosphärendruck zu senken, dann wären Vakuumpumpen
37 erforderlich, wie sie in Verbindung mit der fünften Kammer dargestellt sind.
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Jeder Abscheider 29 nimmt die austretenden Produkte von Kondensaten
und gekühlten Gasen unter dem in dem entsprechenden Verdampfer herrschenden Druck
auf. Das Volumen ist groß genug, um Zeit für die möglichst reine Abscheidung von
Gas, 01 und Wasser zu schaffen. Das erzeugte Gas kann einem Vorrats- oder
Waschbehälter 38 zugeführt und für einen beliebigen Zweck verwendet werden. Das
Öl kann raffiniert und das kondensierte Wasser zwecks Gewinnung der mitgeführten
wertvollen Bestandteile, vorzugsweise Stickstoffverbindungen, behandelt werden.
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Utah-Kohle aus dem Castle-Gate-Kohlendistrikt beispielsweise wurde
nach dem vorstehenden Verfahren durch Dampf erhitzt, der mit einer Temperatur von
6oo bis 82o° C in eine kontinuierlich belieferte Kammer eingeführt wurde. Ein großer
Teil der Wärme aus dem erhitzten Produkt wurde wiedergewonnen. Bei der so erreichbaren
Temperatur fand nur geringe oder keine Zersetzung der Kohlenwasserstoffe oder anderer
flüchtiger Bestandteile statt. Die Kohle ergab 132,5 1 Öl pro Tonne. Dieses
01 wurde fraktioniert destilliert in Motorbrennstoffdestillat 22 °/o, schweres
Motordestillat 22 "/o, Krackstoffe 25 °4, während der Rest .Schmieröl, Wachsdestillat
und Pechrückstände waren. Aus einer Rohölmenge wurden 2o % Teersäuren
abgeschieden,
die für Schaumschwimmverfahren und Holzkonservierung geeignet sind. Zwei verschiedene
Förderungen von Förderkohle aus zwei verschiedenen Steinkohlengruben lieferten ähnliche
Ergebnisse sowohl bei Destillation unter Atmosphärendruck als auch bei höheren Drücken.
Die Kohle ergab außerdem 99,i m3 Gas pro Tonne von je 8 455 WE. Das Gas enthielt
sehr wenig an Paraffin-Kohlenwasserstoffen und Wasserstoff reiche Leuchtstoffe.
Die zurückbleibende Kohle war ebenso leicht entzündlich wie Rohkohle und konnte
unter günstigen Bedingungen mittels eines Streichholzes entzündet werden. Durch
das Verfahren wurde eine in ähnlicher Weise leicht entzündliche Kohle aus in Pittsburg
handelsüblichem Anthrazit hergestellt.- Abkühlen der Kohle aus der Kammer durch
trockenen Dampf beseitigte die ihr sonst eigene Tendenz, spontan zu verbrennen,
ohne daß dadurch ihre leichte Entzündbarkeit beeinträchtigt wurde.