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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur thermischen
Stoffumwandlung und Energieerzeugung.
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Die
bei den bekannten Verbrennungsverfahren am häufigsten zum Einsatz kommende
Dampfkesseltechnologie dient vorrangig der Elektroenergieerzeugung
und einer nachgelagerten Prozessdampfversorgung. Der niederenergetische
Abdampf muss üblicherweise
wegen Mangels an geeigneten Nutzern weiter abgekühlt und Restenergie ungenutzt vernichtet
werden, um sie dann der Energieerzeugungsanlage wieder zuführen zu
können.
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Bei
Kleinanlagen, insbesondere bei den Blockheizkraftwerken (BHKW) ist
eine wirtschaftliche Fahrweise nur beim Verkauf von Heizwärme möglich. Der
thermische Nutzungsgrad dieser Anlagen ist dann im Normalbetrieb
entsprechend schlecht. Eine industrielle Nutzung von Wärme ist
nur im höherenergetischen
Niveau wirtschaftlich.
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine neue Vorrichtung zur
thermischen Stoffumwandlung bereit zu stellen.
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Nach
der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch
1 und ein Verfahren gemäß Anspruch
13.
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Die
Verwendung einer Wirbelstrombrennkammer ermöglicht auch die Verwertung
von sehr feuchten Brennstoffen oder schwer trennbaren, wertstoffhaltigen
Industrieabfällen
und eine Umwandlung in speicher- und trennbare Energieträger.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ist Gegenstand der Ansprüche 4 und
15. Die Zirkulation des Rauchgases ermöglicht eine vorteilhafte Auskopplung
von Energie aus dem Rauchgasreaktor über Abhitzekessel oder Trocknungsanlagen,
in denen die Restenergie in das System zurückgeführt und durch Mischen mit frischer
Verbrennungsenergie in der Wirbelstrombrennkammer (26)
und im Rauchgasreaktor (6 ; 100; 102)
gemischt und im Energieniveau angehoben wird. Durch die mehrfache Temperaturänderung
des Rauchgases erfolgt ein vorteilhaftes chemisches Ausreagieren
der Bestandteile, insbesondere der Säuren und Stäube.
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Weitere
Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den im Folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten,
in keiner Weise als Einschränkung
der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus
den übrigen
Unteransprüchen.
Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur thermischen Stoffumwandlung
und Energieerzeugung gemäß einer
Ausführungsform,
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2 eine
schematische Darstellung einer Brennkammer gemäß einer ersten Ausführungsform,
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3 eine
schematische Darstellung einer Brennkammer gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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4 eine
schematische Darstellung einer Brennkammer gemäß einer dritten Ausführungsform,
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5 eine
schematische Darstellung einer Brennkammer gemäß einer vierten Ausführungsform,
und
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6 eine
schematische Darstellung eines Rauchgasreaktors gemäß einer
Ausführungsform.
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Gleiche
oder gleich wirkende Teile werden in den verschiedenen Figuren mit
denselben Bezugszeichen bezeichnet und gewöhnlich nur einmal beschrieben.
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1 zeigt
eine Vorrichtung 10 zur thermischen Stoffumwandlung und
Energieerzeugung.
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Die
Vorrichtung 10 hat eine Brennkammer 20 und einen
Rauchgasreaktor 50.
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Die
Brennkammer 20 hat zwei Nebenstrombrennkammern (NBK, auch
Nebenbrennkammern genannt) 22', 22'',
im Folgenden auch gemeinsam als 22 bezeichnet, denen jeweils
eine Brennstoffzufuhrvorrichtung 24', 24'',
z.B. in Form einer Brennstoffleitung zugeordnet ist. Weiterhin hat
sie eine Wirbelstrombrennkammer (WSBK) 26, die mit den
Nebenstrombrennkammern 22 verbunden ist. Die Wirbelstrombrennkammer 26 hat
einen Rauchgasaustritt 28, der ausgangsseitig mit dem Rauchgasreaktor 50 verbunden
ist.
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Der
Rauchgasreaktor 50 ist dreistufig aufgebaut mit einer Anströmkammer 52,
einer Durchströmkammer 54 und
einer Abströmkammer 56.
In jeder dieser Kammern sind – nicht
dargestellte Pyrolyseschnecken 58 in Form verschieden großer Paddelschnecken
angeordnet.
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Die
Abströmkammer 56 ist über eine
Leitung 60 mit einem Wärmetauscher 62 verbunden,
und der Wärmetauscher 62 ist über eine
Leitung 64 und 66 mit der Anströmkammer 52 und über eine
Leitung 64 und 68 mit der Brennkammer 20,
insbesondere mit der Wirbelstrombrennkammer 26 verbunden.
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Die
Abströmkammer 56 ist über eine
Leitung 70 mit der Brennkammer 20, insbesondere
mit der Nebenstrombrennkammer 22 verbunden.
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Der
Rauchgasreaktor 50 ist über
einen Rauchgasauslass 80 mit einem Thermoöl-Abhitzekessel 82 verbunden.
Der Thermoöl-Abhitzekessel 82 ist
zum einen über
eine Leitung 84 mit einer Vorrichtung 86 zur Rauchgasreinigung
mit anschließender
Abgabe von Heißluft über eine
Leitung 88 und zum anderen über eine Leitung 90 mit
einem ORC-Kraftwerk (ORC = Organic Rankine Cycle) 92 zur
Verstromung von Niedertemperaturabwärme und Erzeugung von Elektroenergie 96 bzw.
zur Erzeugung von Heizwärme 94 verbunden.
Die aus dem Rauchgasauslass 80 austretenden Rauchgasströme können für unterschiedliche
thermische Prozesse verwendet werden.
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Arbeitsweise
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Ein
beliebiger Stoffstrom (Brennstoff) wird grundsätzlich extern mechanisch aufbereitet über die Brennstoffleitungen 24', 24'' zugeführt und innerhalb der Anlage 10,
insbesondere in den Nebenstrombrennkammern 22', 22'' thermisch vorbehandelt, so dass
er in der Wirbelstrombrennkammer 26 optimal zu Asche verbrennt.
Hier wird ein direkter Brennstoffstrom thermisch verwertet.
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Der
direkte Brennstoffstrom wird in eine oder mehrere Nebenstrombrennkammern 24', 24'' eindosiert und vom Rauchgasstrom
der Wirbelstrombrennkammer 26 umspült. Dabei verdampft die in
dem Brennstoff vorhandene Feuchtigkeit, der Brennstoff entgast und
verkohlt. Das mit dem Rauchgasstrom mitgerissene Entgasungsprodukt
brennt in der Nachbrennkammer, die sich auf dem Weg zwischen dem Rauchgasausgang
der Nebenbrennkammer 22 und dem Rauchgaseintritt 28 in
den Rauchgasreaktor befindet, aus. Die gebildete Kohle und andere
Rückstände werden
zyklisch in die Wirbelstrombrennkammer 26 abgegeben, wo
sie in einem glühenden
Kohlebett ähnlich
einem Wirbelbett ausbrennen. Der aus zirkulierendem Rauchgas bestehende
Wirbelstrom reißt
die Ascheteilchen mit, und er gelangt über die Durchströmung der
Nebenstrombrennkammer sowie den Rauchgasaustritt 28 in
den Rauchgasreaktor 50, in dem die Ascheteilchen abgelagert
werden. Gleichzeitig wird ein in der Brennkammer 20 definiert
abgelagerter Ascheteil zyklisch ausgetragen, um ein zusetzen der
Ofensohle zu verhindern.
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Der
indirekte Brennstoffstrom wird in aufbereiteter, getrockneter und
pulverisierter Form über eine
Zuteilerschnecke in der integrierten Pyrolyseeinrichtung 52 oder 54 mit
der Abwärme
des Rauchgasreaktors 50 vergast. Dabei entstehen Dämpfe und Pyrolysekoks
werden sofort in der Wirbelstrombrennkammer 26 zu Rauchgaswärme verbrannt
oder in einem zuvor eingebundenen Kondensator (Aufbereitung 110 und
Tanklager 112) zu Pyrolyseöl abgekühlt. Dieses kann bei Zwischenlagerung
im Bedarfsfall zur Spitzenlastfahrweise mit Stützbrennern verbrannt oder in
anderen technischen Anlagen weiterverarbeitet werden. Das erzeugte
Pyrolyseöl
ist somit eine gewandelte, aufkonzentrierte und speicherbare Energieform
eines z.B. an sich schlechten Brennstoffes. Durch die thermischen
Zwischenschritte zur Stoffumwandlung wird bei konstanter Verbrennungsleistung der
Stoffdurchsatz vervielfacht und Energie in Form von Öl gespeichert.
Zum anderen wird es möglich, über einen
gestuften Zersetzungsvorgang eine Monoverbrennung ohne Zuführung von
Fremdenergie zu realisieren, um hochwertige, gering verunreinigte Zwischenprodukte
zu erzeugen. Der für
dieses thermische Verfahren erforderliche Energiebedarf wird in der
Funktion des Rauchgasreaktors 50, insbesondere in so genannten
Rauchgaszirkulationskreisen gespeichert.
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Bei
der indirekten Brennstoffzuführung
in die Brennkammern werden nur Zersetzungsstoffe aus der thermischen
Vorverarbeitung verbrannt.
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Von
dem Rauchgasstrom in der Abströmkammer 56 des
Rauchgasreaktors 50 wird ein vorgegebener Anteil über den
Auslass 80 abgeführt (Rauchgasabführung),
und ein weiterer vorgegebener Anteil wird über den Wärmetauscher 62 zurück in die
Anströmkammer 52 und/oder
die Wirbelstrombrennkammer 26 geleitet (Rauchgaszirkulation
bzw. Rauchgasrezirkulation), um dessen Restwärme in die Anströmkammer 52 des
Reaktors 50 und/oder die Wirbelstrombrennkammer 56 zurückzuführen.
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Der
Aufbau von Rauchgaszirkulationskreisen über den Reaktor funktioniert
prinzipiell wie bei einem Turbolader eines Motors. Es wird die wertvolle Restenergie
zurückgeführt. In
den variabel nutzbaren Rauchgaskreisen wird die ausgekoppelte Energie
mit frisch erzeugter Rauchgasenergie angereichert, gemischt und
mit einem definierten Energieniveau wieder zur Nutzung bereitgestellt.
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Ein
Teil des erzeugten Abgasstromes wird dabei als geregelt über den
Rauchgasreaktorauslass 80 endgültig abgezogen und z.B. über die
Leitung 88 gereinigt in die Atmosphäre abgegeben. Die dabei ausgekoppelte
Energie wird vorrangig von einem Thermoölstrom übernommen und kann so bedarfsgerecht
in nahezu jede im Industrieprozess erforderliche Energieform umgewandelt
werden.
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Über die
zirkulierenden Rauchgasströme 104 können größere und
besser geeignete Energiemengen als im Abgasstrom bei dem Auslass 80 ausgekoppelt
werden und so eine regelbare, bedarfsgeführte Energieversorgung realisiert
werden. Je nach Energieniveau des verwendeten Einsatzmaterial kann
bis zum 3-fachen des erzeugten Rauchgasstromes über den Reaktor zirkulieren.
Dieses große Rauchgasvolumen
mit entsprechend hohen Strömungsgeschwindigkeiten
im Rauchgasreaktor hat auch positive Eigenschaften für die Rauchgasreinigung.
Der im Rauchgasstrom enthaltene hohe Feinstaubanteil wird ständig in
einen ca. 1000°C
heißen Rauchgasstrom
zurückgeführt. Dabei
verbinden sich ständig
Partikel und bilden größere Partikel,
die im System als Reinigungsmittel arbeiten und die eingebauten
Strömungsprofile
der Durchströmungskammern 54 frei
schleifen. Durch den mehrfachen Wärmeübergang der Rauchgasbestandteile
erfolgt ein gutes chemisches Ausreagieren der Bestandteile (Säuren). Durch
gezielte Zugabe von Additiven in den Rauchgasstrom kann eine weiter
verbesserte Rauchgasreinigung erfolgen. Der im System entstehende
Flugstaub ist fest, weitestgehend neutralisiert, verschlackt nicht
und kann gut in Gewebefiltern abgeschieden werden.
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Der
Rauchgasreaktor 50 hat eine feuerfeste Ausmauerung, in
deren Kopfteil in allen drei Kammern 52, 54 und 56 die
Paddelschnecken 58 angeordnet sind. welche als indirekt
beheizte Pyrolyseeinrichtung betrieben werden.
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Die
Ein und Ausgänge
der Pyrolyseschnecken sind in Reihe verbunden und bilden im Inneren eine
eigene Dampfatmosphäre.
In der 1. Stufe 52 wird bei Materialtemperaturen < 180°C die Restfeuchtigkeit
verdampft und als Abluftstrom über
den Wirbelstrom mit verbrannt. In der 2. Stufe 54 werden bei
Materialtemperaturen um 350°C
die leicht flüchtigen
Bestandteile entgast. In der 3. Stufe erfolgt bei Temperaturen < 450°C die vollständige Pyrolyse
und Wandlung in Pyrolyseöl
und Koks. Der Öldampf
wird aus den Paddelschnecken 58 abgesaugt und kondensiert.
Die nach der Kondensation verbleibenden ca. 100°C heißen Abgase werden in einem
internen Wärmetauscher
auf ca. 600°C
aufgeheizt und wieder in die Pyrolyseschnecken 58 zurückgeführt. Ein
Teilstrom wird dabei ständig
an den Wirbelstrom abgegeben und dort mit verbrannt. Der verbleibende
Pyrolysekoks wird direkt in die Nebenstrombrennkammer transportiert,
mit dem ca. 1100°C
heißen
Rauchgasstrom aus der Wirbelstrombrennkammer entzündet und
als glühender
Brennstoff über
eine interne Drehklappe in die Wirbelstrombrennkammer eingeleitet und
hier ausgebrannt.
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Im
Ergebnis wird die stoffliche Verwertung insbesondere auch von sehr
feuchten Rohstoffen oder schwer trennbaren, wertstoffhaltigen Industrieabfällen in
speicher- und trennbare
Energieträger
erreicht.
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Die
Wärmeauskopplung
erfolgt im höher
energetischen Niveau durch Stabilisierung der Rauchgastemperatur
zur Nutzung als:
- a) Trocknungswärme
- b) Mehrstufige Hochdruckdampferzeugung für Dampfturbinenanlage
- c) Erzeugung eines 300°C
heißen
Thermoträgerölstroms
zur universellen Nutzung, beispielsweise als:
- c1) Elektroenergieerzeugungsanlage mit ORC-Kraftwerk
- c2) Sattdampferzeugung zum Betrieb eines Dampfmotors oder einer
Destillationsanlage
- c3) Heißlufterzeugung
zur Futter- oder Nahrungsmitteltrocknung
- c4) Kaltluft- oder Gefrierkälteerzeugung über eine Absorbtionskälteanlage
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Es
ist auch möglich,
mehrere Rauchgasquellen (Brennkammern) 20 zu verwenden
und das Rauchgas gleichzeitig dem Rauchgasreaktor 50 bzw. insbesondere
der Anströmkammer 52 zuzuführen.
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Aus
der Abströmkammer 56 können auch gleichzeitig
mehrere Rauchgasströme,
auch unterschiedlicher Größe, entnommen
und beliebigen thermischen Prozessen zugeführt werden.
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Durch
den Aufbau interner Wärmekreisläufe wird
eine ständige
Aufladung mit thermischer Energie gesichert und so eine universelle
Nutzung als Energiequelle für
die verschiedensten Anforderungen ermöglicht. Eine besonderer Vorteil
besteht in der thermischen Verwertung und schadstoffarmen Verbrennung
aller denkbaren Einsatzstoffe als Brennstoffstrom. Entsprechend
den spezifischen Eigenschaften des Einsatzstoffes wird der thermische
Verwertungsprozess so gesteuert, dass Energiekomponenten entstehen,
die in den speziellen Brennkammern gut bzw. optimal verbrennen oder
so kombiniert eingesetzt werden können, dass eine bedarfsgeführte Energieerzeugung
realisiert wird.
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Naturgemäß sind im
Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen
möglich.
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2 bis 5 zeigen
verschiedene Möglichkeiten
für den
Aufbau der Brennkammer 20.
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2 zeigt
eine Brennkammer 20',
bei der die Brennstoffzufuhr direkt in die Wirbelstrombrennkammer 26' erfolgt. Es
wird also keine Nebenstrombrennkammer verwendet. Dies ist nur bei
gut geeigneten Brennstoffen möglich.
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3 zeigt
eine Brennkammer 20'' mit einer Nebenstrombrennkammer 22' mit Brennstoffzufuhr 24' und einer Wirbelstrombrennkammer 26''.
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4 zeigt
eine Brennkammer 20''' mit zwei Nebenstrombrennkammern 22', 22'', denen jeweils eine Brennstoffzufuhr 24', 24'' zugeordnet ist, und die mit einer
Wirbelstrombrennkammer 26''' verbunden sind.
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5 zeigt
eine Brennkammer 20'''' mit
vier Nebenstrombrennkammern 22', 22'', 22''', 22'''', denen jeweils
eine Brennstoffzufuhr 24', 24'', 24''', 24'''' zugeordnet
ist, und die mit einer Wirbelstrombrennkammer 26'''' verbunden sind.
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Die
Anzahl der Nebenstrombrennkammern wird bevorzugt in Abhängigkeit
von der Größe der Wirbelstrombrennkammer 26 und
von den Eigenschaften des zu verwertenden Brennstoffs gewählt.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
Rauchgasreaktors 50. Dieser hat im Bereich der Anströmkammer 52 einen
oder mehrere Rauchgasanschlüsse 100', 100'', 100''', 1000'''' zur Zuführung von
Rauchgas von einer oder mehreren Brennkammern (Verbrennungsöfen) 20 sowie
einen Anschluss 102 zur Zufuhr von Rauchgas aus der Abströmkammer 56 zum
Zwecke der Rauchgaszirkulation. Im Bereich der Abströmkammer 56 ist
ein entsprechender Anschluss 104 zur Abfuhr von Rauchgas
und Einleitung in die Anströmkammer 52 zum
Zwecke der Rauchgaszirkulation vorgesehen. Im Bereich der Abströmkammer 56 sind
weiterhin zwei Anschlüsse 106' und 106'' zur Entnahme von Rauchgas vorgesehen,
wobei das Rauchgas anschließend
bevorzugt gereinigt wird und/oder über einen Bypass einem Schornsteinanschluss
zugeführt
wird.
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Verwertung eines
Brennstoffs in einem Brennkammersystem, bestehend aus einer Nebenstrombrennkammer
(20) zur Ent- und Vergasung des Brennstoffes und einer
Wirbelstrombrennkammer (26) zur Verbrennung der Reste aus
der Nebenstrombrennkammer (20) und zur Erzeugung von Rauchgasen,
die über
einen Rauchgasreaktor (50) geleitet eine indirekt beheizte,
externe thermochemische Verwertungseinheit beheizt.
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Weiterhin
betrifft sie ein Vergasungsverfahren zur energetischen Umwandlung
eines Brennstoffs in eine mit Energie angereicherte organische Flüssigkeit
(Pyrolyseöl)
mit einer Vorrichtung 58, die eine mehrstufige Zersetzung
des Brennstoffes ermöglicht.
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Der
Brennstoff wird je nach dessen stofflichen Eigenschaften über den
Vergaser (58) in einen Gas-/Dampfstrom und Kohle-/Koksstrom
gewandelt und getrennt den Brennkammern (20; 26)
zugeführt. Für den Prozess
ungeeignete Materialien werden direkt der Brennkammer (20)
zugeführt
und ebenfalls als getrennte Zersetzungsprodukte verbrannt. Das Gas
wird in der Brennkammer 20 verbrannt, der Festbrennstoff
in der Wirbelstrombrennkammer (26).
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Durch
Zwischenschalten einer Kondensationsanlage in den Gasstrom aus der
Pyrolyseeinrichtung wird ein Pyrolyseöl gewonnen, der wässrige Teil wird
als Abfall in die Brennkammern eingespritzt und verbrannt.