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Die Erfindung betrifft eine drehbare
verbesserte Vorrichtung zur katalytischen Reinigung gasförmiger Abströme.
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Anwendung findet die Erfindung insbesondere
bei Systemen zum Wärmeaustausch
oder solchen, die geeignet sind, mit verunreinigenden Substanzen
wie flüchtigen
organischen Verbindungen (C.O.V) beladene Luft zu reinigen, wobei
diese Substanzen oxidiert und durch thermische oder katalytische
Veraschung eliminiert werden können.
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Aus der Patentschrift FR-A-2 720
488 kennt man eine Wärmeaustausch-
oder thermische Austauschvorrichtung, die auch zur Reinigung durch thermischen
und/oder katalytischen Effekt von verunreinigten Gasen wie C.O.V
dient. Sie umfasst eine Hülle
oder einen Käfig,
eine Einführungsleitung
für verunreinigte
Abströme
in den Käfig,
eine andere zum Abziehen der behandelten Abströme aus dem Käfig, eine
Ringausbildung, die eine inerte Charge fester partikelförmiger Materialien
enthält,
die über eine
große
Wärmeaustauschfläche verfügen (Siliziumoxid,
Granit oder leichtere Materialien wie metallische Zellstrukturen
oder andere oder auch Cryogenknötchen
für negative
Temperaturen etc.), die innerhalb des Käfigs angeordnet sind. Die Ringausbildung kann
unterteilt werden in mehrere Teile durch eine Innentrennwand oder
gegebenenfalls als Träger
für eine
gewisse Anzahl von Körben
dienen. Antriebsmittel werden verwendet, um die Ringkranzausbildung
und den Käfig
in einer Drehbewegung das eine um das andere um eine vertikale Achse
anzutreiben (sei es, dass die Kranzausbildung sich dreht und der Käfig fest
ist, sei es, dass die Ringkranzausbildung dagegen fest ist und der
Käfig sich
um sie dreht). Im ersten Winkelsektor der Ringkranzausbildung erfolgt eine
erste Wärmeübertragung
zwischen den Abströmen
und der inerten Charge. Über
einen zweiten Sektor der Ringkranzausbildung erfolgt eine zweite Wärmeübertragung
zwischen Abströmen
und der Charge in der Ringkranzausbildung. Ein thermischer gegebenenfalls
mit einem katalytischen Bett versehener Reaktor ist in diesem zentralen
Teil angeordnet, um die verunreinigenden Substanzen in den Abströmen zu verbrennen,
welche durch die erste Winkelzone kanalisiert werden.
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Aus der Patentschrift FR-A-2 728
483 kennt man eine katalytische Reinigungsvorrichtung für durch
COV verunreinigte Abströme,
welche im Inneren eines festen Käfigs
eine sich drehende Ringkranzausbildung vertikaler Achse umfasst,
die über
ein katalytisches Ringbett verfügt,
das deren Innenwandung auskleidet sowie über eine Ringcharge außerhalb
des katalytischen Betts aus einem Material, das über eine große Wärmeaustauscherfläche verfügt, aufweist.
Die Abströme
durchsetzen zweimal das katalytische Bett zu beiden Seiten der zentralen
Zone. Ein Brenner ist oberhalb der zentralen Reaktionszone angeordnet
und vermittels einer Drehdichtung mit einer Brennstoffeinspritzleitung
verbunden. Verwendet wird er, um die eintretenden Abströme derart
zu erwärmen,
dass ein autothermischer Betriebspunkt erreicht wird oder gegebenenfalls
um eine Wärmezufuhr
für den
Fall durchzuführen,
wo der Gehalt an verunreinigenden COV-Verbindungen unzureichend,
um dies zu erreichen, ist.
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Aus der Patentschrift EP-A-0 194
430 ist es bekannt, die Temperatur eines katalytischen Reaktors
durch geregelte Injektion einer reaktiven Substanz sowie eines Kühlgases
zu steuern.
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Durch die Patentanmeldung FR-A-2
246 724 ist es ebenfalls bekannt, Mittel zur elektrischen Beheizung
anzuwenden, um einen katalytischen Regenerator zu erhitzen, der
im Auslasskreis von Brennkraftmaschinen angeordnet ist.
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Aus der Patentanmeldung EP-A-0 037
119 ist es ebenfalls bekannt, Mittel zur elektrischen Heizung zu
verwenden, um eine Reinigungsvorrichtung mit katalytischem Reaktor
zu erwärmen.
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Das Verfahren nach der Erfindung
ermöglicht
die kontinuierliche Reinigung durch katalytische Verbrennung gasförmiger mit
verunreinigenden Substanzen wie organoflüchtigen Verbindungen (COV) beladener
Abströme
in einer Vorrichtung, die über
einen Käfig,
eine Ringkranzausbildung vertikaler Achse verfügt, welche im Inneren des Käfigs angeordnet ist
und über
wenigstens eine thermische Charge von Materia lien verfügt, die
eine große
Wärmeaustauscherfläche aufweisen,
Antriebsmittel, um die Ringkranzausbildung relativ zum Käfig anzutreiben,
einen Reaktor mit katalytischem Bett, der im zentralen Teil der
Vorrichtung angeordnet ist, um die Abströme zu reinigen, wenigstens
eine Leitung zum Einführen
von Abströmen
in den Käfig
und wenigstens eine Leitung zum Abziehen von Abströmen aus
dem Käfig,
Mittel zur elektrischen Beheizung sowie Mittel zur kontrollierten
Einspritzung eines Brennstoffs und/oder wenigstens eines nicht entflammbaren
und kühlenden Fluids,
das in der Lage ist, die Verbrennungstemperatur zu steuern. Das
Verfahren umfasst nacheinander:
- – eine vorgeschaltete
Phase zur Erwärmung
des Reaktors mit katalytischem Bett über einen Zeitraum, der notwendig
ist, um das katalytische Bett auf eine ausreichende Temperatur zu
bringen, die für
das Anlaufen oder Zünden
einer katalytischen Oxidationsreaktion von verunreinigenden Substanzen
geeignet ist, und zwar durch zeitweise Verbindung elektrischer in
das katalytische Bett eingebettete Heizmittel mit einem Apparat
zur elektrischen Versorgung außerhalb
der Vorrichtung, während
die Ringkranzausbildung unbeweglich bezüglich des Käfigs und nach Trennung der
Heizmittel vom Gerät
der äußeren elektrischen
Versorgung ist;
- – eine
Betriebsphase, wobei die Ringkranzausbildung relativ zum Käfig in Drehung
versetzt wird, indem die Antriebsmittel aktiviert werden und eine permanente
Zirkulation von zu reinigenden Abströmen durch die Ringkranzausbildung
und eine thermische Steuerung der autothermen Reaktion unter Verwendung
dieser Injektionsmittel hergestellt wird.
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Das Verfahren zeitigt zahlreiche
Vorteile. Die Verwendung von Heizelementen in innigem Kontakt mit
dem Katalysator und die man temporär mit einer Vorrichtung zur äußern Stromversorgung
vor Beginn der eigentlichen Reinigungsvorgänge verbindet, erleichtert
in erheblichem Masse die Realisation und die Verwendung der eingesetzten
Vorrichtung.
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a) Die Vorwärmung des Katalysators ist
vergleichsweise schneller als mit indirekten Heizmitteln mit Warmluftzirkulation,
die früher
verwendet wurden, wo der Reaktor auf eine hohe Betriebstemperatur durch
eine Zirkulation von erwärmter
Luft vermittels eines Hilfbrenners gebracht wurde. Nicht nur weil
die Heizung wirksamer wegen des engen Kontakts zwischen den heizenden
Elementen und dem Katalysator ist, vielmehr auch, weil der Zeitraum
des Vorwärmens
viel kürzer
ist. Die in Kraft befindlichen Vorschriften bedingen es nämlich, codifizierte
Sicherheitsfolgen einzuhalten, um industrielle Brenner zu versorgen
und zu zünden,
welche die eingesetzten Betriebsvorgänge verlängern.
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Die vorgeschaltete Stufe der Erwärmung kann
außerhalb
der normalen Betriebsperioden der Vorrichtung, bei Nacht oder während der
Wochenenden und bei geringeren Kosten vorgenommen werden, wobei
man die Tarife der sog. „Nachtstunden" ausnutzt. Die Verbindung
mit dem elektrischen Netz wird vereinfacht, weil sie nur hergestellt
wird, wenn die Ringkranzausbildung still steht. Die Mittel zur Steuerung
der Betriebstemperatur sind Kreise zur Injektion von Fluiden (Kraftstoff
und zerstäubtes
Wasser beispielsweise), die der Zuführungsleitung für die Abströme zugeordnet
und leicht zu installieren sind. Die Ausbildung der Vorrichtung
ist günstig
für eine Verminderung
der Herstellungs- und Wartungskosten und eine Vereinfachung der
eingesetzten Sicherheitsmittel.
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Andere Merkmale und Vorteile der
verbesserten Vorrichtung nach der Erfindung ergeben sich beim Lesen
der nachstehenden Beschreibung nicht als begrezend anzusehender
Beispiele mit Bezug auf 1,
die schematisch im Schnitt eine Ausführungsform der Vorrichtung
zeigt.
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Die Vorrichtung 1 umfasst
(1) eine Ringkranzausbildung 1 mit
vertikaler Achse, die im Innern eines Mantels oder eines äußeren metallischen
Käfigs 2 zylindrischer
Form beispielsweise angeordnet ist. Der Durchmesser von Käfig oder
Mantel bzw. Hülle 2 ist
größer als
der der Ringkranzausbildung 1. Diese ist beispielsweise
bezüglich
des Käfigs 2 dezentriert.
Zu beiden Seiten der die Vertikalachse der Ringkranzausbildung enthaltenden
Diametralebene und einem begrenzten Winkelsektor folgend, umfasst der
Käfig einen
Teil der seitlichen Wandung 4, die im wesentlichen eine
Tangente zur seitlichen Wandung der Ringkranzausbildung 5 bildet.
Der Innenraum des Käfigs
um die Ringkranzausbildung 1 zu beiden Seiten des Teils
der Wandung 4 umfasst so zwei abgerundete Zonen variablen
Querschnitts Za und Zb. Sie stehen jeweils in Verbindung mit einer
Leitung 6 zum Zuführen
zu reinigender gasförmiger
Abströme und
einer Leitung 7 zum Abziehen eben dieser Abströme nach
der Reinigung.
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Die Ringkranzausbildung 1 ist
mit einer Innenabtrennung versehen, die aus radialen Platten oder
Winkelsektoren 8, die regelmäßig verteilt sind, gebildet
ist. Ein durch eine oder mehrere dieser radialen Platten 8 begrenzter
Winkelsektor A kanalisiert die zu reinigenden in die konvergente
Zone Za eingeführten
Abströme
gegen die zentrale Zone der Ringkranzausbildung (Strom Fe). Ein
zweiter Winkelsektor B lässt
die zentrale Zone 8 der Ringkranzausbildung mit der divergenten
Zone Zb und mit der Abzugsleitung 7 (Strom Fs) in Verbindung
treten.
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Die Innenwand der Ringkranzausbildung
ist umlaufend mit einem katalytischen ringförmigen Bett 9 ausgekleidet,
das aus einem Bett von Partikeln oder gegebenenfalls einem Honigwabenkatalysator besteht.
Die Abströme
müssen
das katalytische Bett ein erstes Mal durchsetzen, um die zentrale
Reaktionszone zu erreichen und zweites Mal, um sie zu verlassen
und die gegenüberliegende
Ringzone zu durchströmen,
bevor sie nach außen
abgezogen werden.
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Heizmittel werden verwendet, um das
katalytische Bett 9 zu erwärmen. Man verwendet beispielsweise
elektrische Widerstände
R (2), die mitten im katalytischen
Bett auf dem gesamten Innenumfang der Ringkranzausbildung angeordnet
sind und mit Mitteln zur elektrischen Verbindung (nicht dargestellt)
verbunden sind, die man mit dem elektrischen Netz oder manuell oder
dank eines Verschaltungsroboters an sich bekannter Art verbinden
kann.
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Im Teil der verbleibenden Ringkranzausbildung 1 außerhalb
dieses katalytischen Betts 9 und zwischen den Trennplatten 8 ist
eine inerte Masse M verteilt, die aus einem Material mit großer Wärmeaustauscherfläche gebildet
ist. Es kann sich um Kugeln aus Keramik oder metallische Kugeln,
Späne oder
Verarbeitungsschnitzel zur Auskleidung, sei es lose oder strukturiert,
um eine Zellkonstruktion mit regelmäßigen oder unregelmäßigen Zellen,
wie beispielsweise eine Honigwabenkonstruktion, metallische oder
keramische Matten, die gewebt, gestrickt oder genadelt sein können, handeln.
Auch kann man beispielsweise eine Zellkonstruktion verwenden, wie sie beschrieben
ist in der Patentschrift FR 2 564 037 der Anmelderin oder auch aus
Kieseln gebildet ist.
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Um die Konstruktion und die Beladung
zu erleichtern, kann die Ringkranzausbildung auch so ausgelegt sein,
dass sie als Träger
für eine
Anzahl von parallelepipedförmiger
Körbe 10,
die voneinander getrennt sind, dient, wie in 1 dargestellt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung können
Mittel zur partikelförmigen
Filtration außerhalb
der Ringkranzausbildung hinzugefügt
werden, derart, dass Staub und Partikel festgehalten werden, die
auf Dauer geeignet sind, die thermische Masse M und das katalytische
Bett 9 zu verschmutzen. Diese Filtrationsmittel können gebildet sein
durch eine filtrierende Schicht 11, beispielsweise in Form
einer vorgeformten Matte von 3 bis 10 cm Dicke, die leicht entfernt
werden kann, aus metallischen, keramischen oder Verbundmaterialien
oder allgemein aus einem gewebten oder nicht gewebten Material (Filz),
dessen Dichte auf das nachgesuchte Einfangvermögen eingestellt ist. Diese
Filtrationsschicht nimmt aufgrund ihrer großen Oberfläche am Wärmeaustausch teil.
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In der die Achse 3 der Ringkranzausbildung enthaltenden
Symmetrieebene, wobei die Schmalheit des Raums zwischen ihr und
dem Käfig
aufgrund der Tatsache seiner Exzentrizität und der vorgeschobenen Ausbildung
der Wandung 4 bleibt, erzeugt einen ausreichenden Druckverlust,
um die direkten Umfangsverbindungen zwischen den beiden Räumen vor
und hinter Za und Zb zu verhindern, anstatt durch die zentrale Zone
Zc zu gehen. Dichtungen oder Zungen 12 können gegebenenfalls
am Umfang der Ringkranzausbildung angeordnet werden, wo die Temperatur
relativ niedrig ist, um eine vollkommene Abdichtung herzustellen.
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Ringkranzausbildung und Käfig sind
an ihren unteren und oberen Bereichen durch plane Platten 13 geschlossen.
Zwischen den entsprechenden Platten der Ringkranzausbildung und
dem Käfig
sind mehrere (nicht dargestellte) Bürsten in gleichzeitiger Abstützung vorgesehen,
welche die parasitären
Umströmungen
zwischen den Zonen Za und Zb verhindern.
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Antriebsmittel (nicht dargestellt),
die oberhalb des Käfigs
beispielsweise angeordnet sind, werden mit der Achse 3 der
Ringkranzausbildung gekuppelt, um sie bezüglich des Käfigs in Drehung zu versetzen.
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Der Zwischenringsektor Zd, der durch
den Teil der Wandung 4 des Käfigs begrenzt ist, umfasst vorzugsweise
eine Öffnung
vermittels einer Leitung 14, über die Frischluft eingeführt wird,
die dazu bestimmt ist, die schädlichen
Abströme
durch die thermische Masse oder die thermische Masse und den Katalysator
in den wenigen vor ihr vorbeilaufenden Winkelsektoren der Ringkranzausbildung
zu reinigen, bevor jedes Mal die Strömungsrichtung umgekehrt wird.
Die Reinigungsluft nach Durchströmen der
gereinigten Sektoren findet sich in der zentralen Zone, wo sie mit
dem Hauptstrom zur Zone Zb durch die Ringkranzausbildung 1 mitgerissen
wird.
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In dem dem Sektor Ze gegenüberliegenden Sektor
Zd umfasst der Käfig
eine andere Leitung 15 zum Einführen von Frischluft, der dazu
bestimmt ist, gegebenenfalls die Temperatur der katalytischen Reaktion,
wenn sie zu hoch wird, zu steuern.
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Die Vorrichtung umfasst auch ein
Mittel 16 zur Injektion eines Kraftstoffs wie GPL (flüssiges Propangas)
beispielsweise sowie ein Mittel 17 zur Injektion eines
Kühlfluids
wie zerstäubten
Wassers, beispielsweise um die Wirkung der über die Leitung 15 eingeblasenen
Luft zu vervollständigen.
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Betriebsweise
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Eine erste Stufe besteht darin, das
katalytische Bett 9 auf eine ausreichende Temperatur (beispielsweise
200 bis 300°C)
zu bringen, damit die Oxidationsreaktion in Anwesenheit von COV
starten kann. Man schaltet die Verbindungseinrichtungen, die mit
elektrischen Heizwiderständen
R des katalytischen Betts verbunden sind, an eine äußere Energiequelle,
beispielsweise das elektrische Netz. Der Vorgang erfolgt bevorzugt
außerhalb
der normalen Betriebsstunden der Vorrichtung und nutzt so die Bereiche
reduzierten Tarifs (beispielsweise die Nacht).
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Ist die Reaktionstemperatur (beispielsweise 300°C) erreicht,
so wird die Vorrichtung in Gang gesetzt, indem der Ringkranz 1 in
Drehung versetzt wird und eine Zirkulation der Abströme im Inneren
des Käfigs 2 hervorgerufen
wird. Die Abströme
durchsetzen zweimal das katalytische Bett 9, einmal, um
die zentrale Zone des Ringkranzes 1 zu erreichen, der von der
Einführungszone
Za kommt, ein zweites Mal, um die Abzugszone Zb zu erreichen. Die
Oxidationsreaktion löst
spontan in Anwesenheit der COV-Partikel in
den Abströmen
aus. Sie ist exotherm und wird so geregelt, dass ausreichend Energie
abgegeben wird, um im wesentlichen die Wärmeverluste zu kompensieren.
Entsprechend der thermischen Leistungsfähigkeit der thermischen Charge
M und der Betriebstemperatur genügt
ein Anteil von 0,3 bis 1 g COV pro m3 Abströme im allgemeinen für einen
autothermischen Betrieb.
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Über
die Leitung 15 kann man Frischluft derart einblasen, dass
in einem ersten Takt die Temperatur der katalytischen Reaktion gesteuert
wird, wenn sie zu hoch geworden ist. Zeigt sich dieses Einblasen zur
Sicherstellung der geforderten thermischen Steuerung als unzureichend,
so löst
man die Injektion über
die Leitung 17 eines zerstäubten Fluids, beispielsweise
Wasser, aus, das sich mit den zu behandelnden Abströmen vermischt.
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Die Injektionsmittel 16, 17 für Kraftstoff
und Kühlfluid
in die Zuführungsleitung 6 ermöglichen
es, die Temperaturänderungen
zu kompensieren, die mit den Veränderungen
des Gehalts an verunreinigenden Verbindungen (COV) der Abströme verknüpft sind.
Vermindert sich der Gehalt, so steuert man eine Kraftstoffeinspritzung
derart, dass die im zentralen Teil des Käfigs 2 herrschende
Temperatur erneut angehoben wird. Erhöht sich die Temperatur der
reaktiven Zone unter dem Einfluss einer Erhöhung des COV-Gehalts, so steuert
man eine Injektion des Kühlfluids
(beispielsweise zerstäubten
Wassers), derart, dass sie in einen normalen Betriebsbereich zurückgeführt wird.
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Nach ihrem doppelten Durchgang durch
das katalytische Bett zu beiden Seiten der zentralen Zone Zc befinden
sich die COV durch die Reaktion zu verschiedenen Produkten umgeformt:
CO2, H2O, N2 hauptsächlich,
SOx und NOx als Spuren.
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Die aus der reaktiven Zone stammende Gase
bei erhöhter
Temperatur durchsetzen den Teil der Charge M, der sich in der Winkelzone
B des Ringkranzes befindet und geben an ihn einen guten Teil ihrer
Wärme ab.
Die Drehung des Ringkranzes 1 bezüglich des Käfigs 2 führt allmählich die
erwärmten Elemente
gegen die Winkelzone A, wo sie ihrerseits an die eintretenden Gase
vermittels der Zuführungsleitung 6 einen
Teil der angesammelten Wärmeenergie
abgeben können.
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Die Ausbildung der gerade beschriebenen Ausführungsform
mit ihrem sich drehenden Ringkranz 1 mit katalytischem
Bett 9, ihren in das katalytische Bett 9 integrierten
Heizmitteln R und ihren Mitteln zur thermischen Steuerung durch
Injektion von Fluiden ermöglicht
es, beachtlich die Herstellungs- und Betriebskosten der Vorrichtung
bezüglich
den früheren
Ausführungsformen
zu senken. Die Heizmittel R für
das katalytische Bett werden vor der Inbetriebnahme der Vorrichtung
abgeschaltet, man vermeidet so Drehverbinder, die ansonsten für ihre Speisung
notwendig wären.
Die Temperatursteuermittel (Injektoren 16 für Kraftstoff,
Wasserinjektor 17 beispielsweise) werden einfach mit der
Zuführungsleitung 6 verbunden.
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Der katalytische Reaktor besteht
hier aus einem Bett 9, das in den sich drehenden Ringkranz 1 eingesetzt
ist. Man verlässt
jedoch nicht den Rahmen der Erfindung, wenn man einen katalytischen
Reaktor verwendet, der allgemein in der zentralen Zone Zc des Ringkranzes
angeordnet ist, ebenfalls vorausgesetzt, dass Heizmittel ebenfalls
während
der Stufen der Vorheizung vor dem Reinigungsbetrieb arbeiten und
vor dem Einschalten der Vorrichtung abgeschaltet werden.