EP0804705A1 - Verfahren zur verbrennung von stoffen in einer wirbelschicht - Google Patents

Verfahren zur verbrennung von stoffen in einer wirbelschicht

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EP0804705A1
EP0804705A1 EP96901273A EP96901273A EP0804705A1 EP 0804705 A1 EP0804705 A1 EP 0804705A1 EP 96901273 A EP96901273 A EP 96901273A EP 96901273 A EP96901273 A EP 96901273A EP 0804705 A1 EP0804705 A1 EP 0804705A1
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fluidized bed
gas stream
gasification bell
bell
combustion chamber
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23B—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING ONLY SOLID FUEL
    • F23B90/00—Combustion methods not related to a particular type of apparatus
    • F23B90/04—Combustion methods not related to a particular type of apparatus including secondary combustion
    • F23B90/06—Combustion methods not related to a particular type of apparatus including secondary combustion the primary combustion being a gasification or pyrolysis in a reductive atmosphere
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C10/00—Fluidised bed combustion apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B15/00—Fluidised-bed furnaces; Other furnaces using or treating finely-divided materials in dispersion
    • F27B15/02—Details, accessories or equipment specially adapted for furnaces of these types
    • F27B15/10—Arrangements of air or gas supply devices

Definitions

  • the invention relates to a method for the combustion of substances in a fluidized bed and to an apparatus for carrying out this method.
  • the invention has for its object to avoid the disadvantages mentioned and to create an inexpensive system that has a good combustion efficiency and is very universally suitable for the combustion of substances of all kinds.
  • REPLACEMENT BLADE This object is achieved by the features of claim 1.
  • a gasification bell is arranged in the region of the fluidized bed and that gas is introduced from the gasification bell into the fluidized bed and burned there can be achieved that the substances to be burned are primarily gasified and that basically only then does the combustion in the fluidized bed begin .
  • the solids which have not yet been gasified remain essentially in the gasification bell until they have been gasified. Only a small part of the solids ever emerges from the gasification bell and into the surrounding fluidized bed. Ultimately, this already shows that in the process according to the invention, the solids can always be burned with a very good firing efficiency without z. B. a complex circulation process is required.
  • a primary gas stream is introduced into the fluidized bed from the open underside of the gasification bell and a secondary gas stream is discharged laterally for post-combustion of unburned gaseous and / or solid components.
  • the number of combustion stages can be increased by the secondary gas stream emerging from the gasification bell from a plurality of lateral outlet openings arranged one behind the other in the flow direction of the flue gas.
  • the secondary gas stream is optionally introduced directly into the fluidized bed.
  • a transverse flow is generated in the fluidized bed, which intensifies the combustion by achieving better mixing of the gas with the air.
  • the introduction into the fluidized bed also improves the integration of the pollutants into the reaction components of the fluidized bed.
  • the pollutants contained in the secondary gas are also incorporated into the fluidized bed.
  • the secondary gas stream into the flue gas stream above the fluidized bed. This makes it possible to maintain the free space temperature at the level required for good combustion. In addition, an excellent additional swirling of the flue gas stream is achieved and the afterburning is thereby intensified.
  • the secondary gas stream emerging from the gasification bell can be introduced into a combustion chamber, which also supplies air. is guided, heating surfaces being arranged in the combustion chamber, which serve to dissipate heat into a heating system, the combustion gases which are produced being discharged into the fluidized bed and / or into the flue gas stream. Thanks to a controlled air supply, the boiler can be regulated quickly at any time. The resulting combustion gases are optionally cleaned in the fluidized bed.
  • the gas can e.g. B. a gas storage can be supplied from which it can be requested if necessary.
  • FIG. 1 shows a cross section through a combustion chamber with a gasification bell, from which a primary gas stream and a secondary gas stream emerge;
  • FIG. 2 shows a cross section through a combustion chamber with a gasification bell, which additionally has an inner combustion chamber.
  • FIG. 1 of the drawing 1 denotes a combustion chamber, in which a gasification bell 3 with Au Ben walls 4 is arranged surrounded by boiler walls 2.
  • the gasification bell 3 is arranged in the combustion chamber 1 in the region of a fluidized bed 5.
  • a nozzle base 6 is arranged below the gasification bell 3 and the fluidized bed.
  • the nozzle base 6 is formed by air supply pipes 7, from which air outlet nozzles 8 branch off. Between the air supply pipes 7 there are openings 9 for the outflow of the ashes resulting from the combustion.
  • a cooled ash extractor 10 is provided in the boiler wall 2 for the exit of the ash.
  • a nozzle 11 of a line 12 opens into the gasification bell 3 for the supply of the substances to be gasified and burned.
  • the gasification bell 3 A nozzle 11 of a line 12 opens into the gasification bell 3 for the supply of the substances to be gasified and burned.
  • the gasification bell 3 has on its underside an opening 14 extending over its diameter, from which the primary gas also emerges.
  • outlet openings 15 are provided in the outer walls 4 of the gasification bell 3 for the secondary gas flow.
  • the combustion chamber 1 shown in the upper area is followed by a boiler (not shown in the drawing) with its auxiliary devices.
  • an inner combustion chamber 16 is arranged on the side of the gasification bell 3. Gas burners 17 open into the upper region of the combustion chamber 16. Gas enters the gas burner 17 from the gasification bell 3.
  • a line 18 is led to the gas burner 17, through which air is supplied.
  • heating surfaces 19 are arranged below the gas burner.
  • a wall 20 of the combustion chamber 16 extends down into the region of the fluidized bed 5.
  • the inner combustion chamber 16 of the gasification bell 3 also has an outlet opening 21 on its underside for the combustion gases which arise in the inner combustion chamber 16.
  • Air outlet nozzles 8 of the gasification bell 3 and the fluidized bed 5 supply the air required for the gasification and combustion as well as for the fluidization.
  • the feed gasified at a temperature between 850 ° C and 900 ° C. This temperature is controlled in the gasification bell 3 by giving off heat to heating surfaces which are arranged, for example, on the outer walls 4. However, this may also be done by a controlled immersion and immersion of the outer walls 4 of the gasification bell 3 in the fluidized bed 5. In principle, it must be ensured that the temperature inside the gasification bell 3 is below the melting temperature of the ash emerging from the gasifying substances.
  • ERS ⁇ ZBL ⁇ T otherwise already takes place via the boiler walls 2, which are designed in a manner known per se as membrane walls.
  • combustion chamber 1 is fully functional 5 even if outlet openings 5 for a secondary gas flow in the outer walls 4 of the gasification bell 3 are closed or are not present at all.
  • introduction of a secondary gas stream in addition to the introduction of the primary gas stream is ultimately dependent on the properties of the substances to be combusted.
  • the method according to the invention is also particularly suitable for known methods for
  • Burning substances to be supplemented can be supplemented.
  • additional technologies such as catalysts, HOK filters, flue gas scrubbing, spray absorbers or the like. Due to the relatively small size of the plant, there are additional financial advantages in the area of operating and maintenance costs. It is an inexpensive technical solution for the energetic utilization of substances that

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Description

Verfahren zur Verbrennung von Stoffen in einer Wirbelschicht
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbrennung von Stoffen in einer Wir¬ belschicht und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Grundsätzlich ist es bereits bekannt, mittels einer stationären Wirbelschicht, Stoffe zu verbrennen, wobei erreicht wird, daß Schadstoffe durch Zugabe von Kalkstein in die Wir¬ belschicht eingebunden werden. Außerdem sind durch die niedrigen Verbrennungstempera¬ turen niedrige NOx-Emissionen erzielbar. Ein weiterer Vorteil der Verbrennung in einer Wirbelschicht ist die Möglichkeit, auch breπnwertarme Stoffe relativ schadstoffrei zu verbrennen.
Bisher bekannte Verfahren weisen jedoch den Nachteil auf, daß der Kohlenstoffanteil der brennbaren Stoffe letztlich noch nicht in einem Maße verbrannt wird, wie es an sich wün¬ schenswert wäre. Um diesen Nachteil zu beseitigen ist es bisher erforderlich, aufwendige Ascheumlaufverfahren einzusetzen. Nachteilig ist es jedoch auch hier, daß derartige Anlagen stets nur auf eine sehr kleine Bandbreite von zu verbrennenden Stoffen angestimmt werden können und daß es, sofern andere Stoffe verbrannt werden sollen, in der Regel zu Schwie¬ rigkeiten kommt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden und eine kostengünstige Anlage zu schaffen, die einen guten Feuerungswirkungsgrad aufweist und sehr universell zur Verbrennung von Stoffen aller Art geeignet ist.
ERSÄTZBLATT (REGEL 26) Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, daß im Bereich der Wirbelschicht eine Vergasungsglocke angeordnet ist und daß aus der Vergasungsglocke Gas in die Wirbelschicht eingeleitet und dort verbrannt wird, läßt sich erreichen, daß die zu verbrennenden Stoffe vorrangig vergast werden und daß im Grunde erst danach die Verbrennung in der Wirbelschicht einsetzt. Die noch nicht vergasten Fest¬ stoffe verbleiben dabei bis zu ihrer Vergasung im wesentlichen in der Vergasungsglocke. Nur ein kleiner Teil der Feststoffe tritt überhaupt aus der Vergasungsglocke aus und in die umge¬ bende Wirbelschicht ein. Letztlich ergibt sich bereits hieraus, daß bei dem erfindungsge¬ mäßen Verfahren die Feststoffe stets mit einem sehr guten Feuerungswirkungsgrad ver- brannt werden können, ohne daß z. B. ein aufwendiges Umlaufverfahren erforderlich ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird aus der offenen Unterseite der Vergasungsglocke ein Primärgasstrom in die Wirbelschicht eingeleitet und seitlich ein Sekundärgasstrom für eine Nachverbrennung unverbrannter gasförmiger oder/und fester Bestandteile ausgeleitet. Hierdurch wird neben einer besseren Durchmischung eine stufen¬ förmige NOx-arme Verbrennung erreicht.
Die Anzahl der Verbrennungsstufen läßt sich steigern, indem der Sekundärgasstrom aus mehreren in Strömungsrichtung des Rauchgases hintereinander angeordneten seitlichen Auslaßöffnungen aus der Vergasungsglocke austritt.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorgesehen, daß der Sekundärgasstrom wahlweise direkt in die Wirbelschicht eingeleitet wird. Hierdurch wird in der Wirbelschicht eine Quer¬ strömung erzeugt, die die Verbrennung intensiviert, indem eine bessere Durchmischung des Gases mit der Luft erzielt wird. Durch die Einleitung in die Wirbelschicht wird im übrigen eine verbesserte Einbindung der Schadstoffe in die Reaktionskomponenten der Wirbelschicht erzielt. Insbesondere werden in diesem Fall auch die im Sekundärgas enthaltenen Schadstoffe in die Wirbelschicht eingebunden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es auch möglich, den Sekundär¬ gasstrom oberhalb der Wirbelschicht in den Rauchgasstrom einzuleiten. Hierdurch ist es möglich, die Freiraumtemperatur auf dem für eine gute Verbrennung erforderlichen Niveau zu halien. Im übrigen erreicht man eine hervorragende zusätzliche Verwirbelung des Rauchgasstrornes und intensiviert hierdurch die Nachverbrennung.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorgesehen, daß der aus der Vergasungsglocke austretende Sekundärgasstrom in eine Brennkammer eingeleitet werden kann, der außerdem Luft zu- geführt wird, wobei in der Brennkammer Heizflächen angeordnet sind, die der Ableitung von Wärme in ein Heizsystem dienen, wobei die entstehenden Verbrenπungsgase in die Wirbel¬ schicht oder/und in den Rauchgasstrom abgeleitet werden. Hier ist durch eine gesteuerte Luftzufuhr jederzeit eine schnelle Leistungsregelung des Heizkessels möglich. Die entste- heπden Verbrennungsgase werden gegebenenfalls in der Wirbelschicht gereinigt.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß es zudem möglich ist, der Vergasungsglocke zusätzlich Gas für eine weitere Nutzung zu entnehmen. Das Gas kann z. B. einem Gasspeicher zugeführt werden, aus dem es bei Bedarf abgefordert werden kann.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 , einen Querschnitt durch eine Brennkammer mit einer Vergasungsglocke, aus der ein Primärgasstrom und ein Sekundärgasstrom austritt;
Figur 2, einen Querschnitt durch eine Brennkammer mit einer Vergasungsglocke, die zu¬ sätzlich eine innere Brennkammer aufweist.
In der Figur 1 der Zeichnung ist mit 1 eine Brennkammer bezeichnet, bei der von Kessel¬ wandungen 2 umgeben eine Vergasuπgsglocke 3 mit Au Ben Wandungen 4 angeordnet ist. Die Vergasungsglocke 3 ist in der Brennkammer 1 im Bereich einer Wirbelschicht 5 angeordnet. Unterhalb der Vergasungsglocke 3 und der Wirbelschicht ist ein Düsenboden 6 angeordnet. Der Düsenboden 6 ist von Luftzuführungsrohren 7 gebildet, von denen Luftaustrittsdüsen 8 abzweigen. Zwischen den Luftzuführungsrohren 7 befinden sich Öffnungen 9 für den Abfluß der bei der Verbrennung anfallenden Asche. Für den Austritt der Asche ist ein gekühlter Ascheabzug 10 in der Kesselwandung 2 vorgesehen.
In die Vergasungsglocke 3 mündet eine Düse 11 einer Leitung 12 für die Zuführung der zu vergasenden und zu verbrennenden Stoffe ein. Außerdem sind in die Vergasungsglocke 3
Luftaustrittsdüsen 13 geführt. Die Vergasungsglocke 3 weist an ihrer Unterseite eine sich über ihren Durchmesser ersireckende Öffnung 14 auf, aus der auch das Primärgas austritt. Außerdem sind in den Außenwsnduπgen 4 der Vergasungsglocke 3 Austrittsöffnungen 15 für den Sekundärgasstrom vorgesehen. Im übrigen schließt sich an die abgebildete Brennkammer 1 im oberen Bereich ein in der Zeichnung nicht dargestellter Kessel mit seinen Nebenein¬ richtungen an. Unterhalb des Ascheabzugs 10 der Brennkammer 1 schließt sich ein Aschekühler mit seinen Abfördereiπrichtungen an. Bei dem in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist seitlich der Vergasungsglocke 3 eine innere Brennkammer 16 angeordnet. In den oberen Bereich der Brennkammer 16 münden Gasbrenner 17 ein. In den Gasbrenner 17 tritt aus der Vergasungsglocke 3 Gas ein. Außerdem ist an die Gasbrenner 17 eine Leitung 18 geführt, über die Luft zugeführt wird. In der Brennkammer 16 sind unterhalb der Gasbrenner 17 Heizflächen 19 angeordnet. Eine Wandung 20 der Brennkammer 16 erstreckt sich nach unten in den Bereich der Wirbel¬ schicht 5 hinein. Die innere Brennkammer 16 der Vergasungsglocke 3 weist außerdem an ihrer Unterseite eine Austrittsöffnung 21 für die in der inneren Brennkammer 16 entste- henden Verbrennungsgase auf.
Bei der in der Figur 1 dargestellten Brennkammer 1 wird nach dem Aufheizen der Wirbel¬ schicht 5 mittels einer in der Zeichnung nicht dargestellten Stützheizung auf ca. 850 °C der zu verbrennende Stoff über die Leitung 12 und die Düse 11 in die Vergasungsglocke 3 ge- bracht und tritt dort aus. Gleichzeitig wird über die Luftzuführungsrohre 7 und deren
Luftaustrittsdüsen 8 der Vergasungsglocke 3 und der Wirbelschicht 5 die für die Vergasung und Verbrennung sowie für die Fluidisierung erforderliche Luft zugeführt. In der Ver¬ gasungsglocke 3 vergast der zugeführte Stoff bei einer Temperatur zwischen 850 °C und 900 °C. Diese Temperatur wird in der Vergasungsglocke 3 durch Wärmeabgabe an Heizflä- chen, die beispielsweise an den Außenwandungen 4 angeordnet sind, gesteuert. Dieses ge¬ schieht aber ggf. auch durch ein gesteuertes Ein- und Austauchen der Außenwandungen 4 der Vergasungsglocke 3 in die Wirbelschicht 5. Grundsätzlich muß beachtet werden, daß die Temperatur innerhalb der Vergasungsglocke 3 unter der Schmelztemperatur der aus den vergasenden Stoffen austretenden Asche liegt.
Das in der Vergasungsglocke 3 entstehende Gas tritt zu einem überwiegenden Anteil als Primärgasstrom über die Öffnung 14 an der Unterseite der Vergasungsglocke 3 in die Wir¬ belschicht 5 über und verbrennt dort. Die bei der Verbrennung entstehenden Schadgase werden dabei durch die Kalksteinzugabe in der Wirbelschicht 5 eingebunden. Durch eine zu- sätzliche Sekundärgaszuführuπg über die Austrittsöffnungen 15 in den Außenwandungen 4 der Vergasungsglocke wird erreicht, daß unverbrannte Bestandteile des Primärgases in einer Nachverbrennuπgszone verbrannt werden. Dies geschieht insbesondere durch eine Querverwirbelung der Wirbelschicht 5 durch die Einleitung des Sekundärgasstromes. Im übrigen gelangt der aus der Brennkammer 1 austretende Rauchgasstrom anschließend in den Bereich des in der Zeichnung nicht dargestellten nachgeschalteten Kessels und gibt dort Wärme an andere Heizflächen ab. Eine Wärmeabgabe an das Dampfwassersystem des Kessels
ERSÄΓZBLÄΓT (REGEL 26) erfolgt im übrigen auch bereits über die Kesselwandungen 2, die in an sich bekannter Weise als Membranwandungen ausgebildet sind.
Grundsätzlich wird darauf hingewiesen werden, daß die Brennkammer 1 durchaus auch dann 5 funktionsfähig ist, wenn Austrittsöffnungen 5 für einen Sekundärgasstrom in den Außen¬ wandungen 4 der Vergasungsglocke 3 geschlossen bzw. gar nicht vorhanden sind. Die Ein¬ leitung eines Sekundärgasstromes zusätzlich zu der Einleitung des Primärgasstromes ist letztlich abhängig von den Eigenschaften der zugeführten, zu verbrennenden Stoffe.
1 0 Bei dem in der Figur 2 dargestellten Ausführuπgsbeispiel tritt zusätzlich zu dem Primär¬ gasstrom an der Unterseite der Vergasungsglocke 3 ein Gasstrom aus der Vergasungsgiocke 3 in die Gasbrenner 17 ein. Gleichzeitig wird über die Leitungen 18 Luft zugeführt, so daß sich der Gasstrom unter hoher Wärmeentwickelung entzündet. Dieser gelangt dann in die innere Brennkammer 16, wo er an Heizflächen 19 entlanggeführt wird. Über die Heizflächen 1 5 19 wird Wärme abgeführt, die in das sich anschließende Kesselsystem gelangt. Durch eine Regelung der Luftzufuhr über die Leitung 18 ist es möglich, die Heizleistung des Kesselsy¬ stems schnell zu verändern. Aufgrund nach unten geführten Ausbildung der inneren Brenn¬ kammer 16 treten die Verbrennungsgase anschließend über die Austrittsöffnung 21 an der Unterseite der inneren Brennkammer 16 direkt in die Wirbelschicht 5 ein. Hierdurch wird
20 erreicht, daß enthaltene Schadgase durch die Kalksteinzugabe in der Wirbelschicht 5 ein¬ gebunden werden. Im übrigen entspricht der Ablauf der anderen Vergasungs- bzw. Ver¬ brennungsvorgänge den Abläufen in der in Figur 1 dargestellten Brennkammer 1.
Das erfinduπgsgemäße Verfahren ist insbesondere auch geeignet, bekannte Verfahren zur
25 Verbrennung von Stoffen zu ergänzen. Insbesondere können so hohe Investitionskosten für zusätzliche Techniken, wie Katalysatoren, HOK-Filter, Rauchgaswäsche, Sprühsbsorber o. ä., eingespart werden. Aufgrund des relativ kleinen Anlagenumfanges ergeben sich zusätz¬ liche finanzielle Vorteile im Bereich der Betriebs- und Instandhaltungskosten. Es handelt sich um eine preiswerte technische Lösung zur energetischen Verwertung von Stoffen, die
3 0 dem Kreislaufwirtschaftsgesetz voll Rechnung trägt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verbrennung von Stoffen in einer Wirbelschicht (5), dadurch αekenn- zeichnet, daß im Bereich der Wirbelschicht (5) eine Vergasungsglocke (3) angeordnet ist, in der die Stoffe zunächst ganz oder teilweise vergast werden, und daß aus der Vergasungs¬ glocke (3) Gas in die Wirbelschicht (5) eingeleitet und dort verbrannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß aus der Unterseite der Ver- gasungsglocke (3) ein Primärgasstrom in die Wirbelschicht (5) eingeleitet wird und daß seitlich ein Sekundärgasstrom für eine Nachverbrennung unverbrannter gasförmiger oder/und fester Bestandteile austritt, wobei die Einleitung des Sekundärgasstromes in Strömungsrichtung des Rauchgases hinter der Einleitung des Primärgasstromes erfolgt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Sekun¬ därgasstrom in die Wirbelschicht (5) eingeleitet wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärgas¬ strom oberhalb der Wirbelschicht (5) in den Rauchgasstrom eingeleitet wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Ver¬ gasungsglocke (3) austretende Sekundärgasstrom in eine Brennkammer (16) eingeleitet wird, der außerdem Luft zugeführt wird, daß in der Brennkammer (16) Heizflächen (19) angeordnet sind, die der Ableitung von Wärme in ein Heizsystem dienen und daß die ent¬ stehenden Verbrennungsgase in die Wirbelschicht (5) oder/und in den Rauchgasstrom ein¬ geleitet werden.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Vergasungsglocke (3) zusätzlich Gas für eine weitere Nutzung entnommen wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, nach mindestens einem der vorherge- hei.den Ansprüche, mit einer Brennkammer, in der Stoffe in einer Wirbelschicht verbrannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennkammer (1) im Bereich der Wirbel¬ schicht (5) eine Vergasungsglocke (3) angeordnet ist, in der die Stoffe zunächst ganz oder teilweise vergast werden, und daß aus wenigstens einer Öffnung (14) der Vergasungsglocke (3) Gas in die Wirbelschicht (5) eingeleitet und dort verbrannt wird.
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