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Die Erfindung bezieht sich auf ein Rohgaswaschsystem in einer Flugstromvergasungseinrichtung für die Umsetzung von Aschehaltigen Brennstoffen mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel zu einem Rohgas mit einem hohen Wasserstoffanteil, bei dem der Brennstoff in einem Vergasungsreaktor bei Temperaturen von 1200 bis 1900°C und Verfahrensdrücken bis 10 MPa zu Rohgas und flüssiger Schlacke umgesetzt wird.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Quenchen und Reinigen von Rohgas eines Flugstromvergasers, bei dem innerhalb eines Druckmantels unter einem Reaktionsraum ein Quenchraum angeordnet ist, ein das Rohgas vom Reaktionsraum in den Quenchraum führendes Leitrohr in den Quenchraum ragt und der Quenchraum oberhalb eines Quenchersumpfes einen den Druckmantel passierenden Rohgasausgang aufweist.
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Die Flugstromvergasung wird für die Vergasung verschiedener kohlenstoffhaltiger Brennstoffe eingesetzt. Die verwendeten Reaktoren bestehen dabei aus zwei Räumen. Im oberen Teil wird der Brennstoff vergast und, wenn vorhanden, die Asche geschmolzen. Das heiße Rohgas wird zusammen mit der flüssigen Schlacke dem zweiten Raum (Quencher) zugeführt. Unter Eindüsung von Wasser findet neben der Abkühlung des Rohgases die schlagartige Erstarrung der Schlacke statt. Die angestrebte Abkühlung des Rohgases auf Sättigungstemperatur wird als Vollquenchung bezeichnet. Die benötigte Quenchwassermenge wird mit einem Sicherheitsfaktor beaufschlagt, um das Durchbrechen von heißem Rohgas in den Rohgasabgang zu verhindern.
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Bei der Freiraumquenchung wurden grobkörnige Partikel, Schlackeklumpen und große Mengen Feinstaub in den Rohgasabgang mitgerissen. Die nachgeschalteten Anlagen werden insbesondere durch Feinstaub beeinträchtigt.
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Bei der Freiraumquenchung wird Wasser über Quenchdüsen in den Rohgasstrom eingedüst. Dabei wird das heiße Rohgas auf seine Sättigungstemperatur abgekühlt. Die im Reaktor aufgeschmolzene Schlacke erstarrt bei diesem Vorgang und fällt in ein Wasserbad im Sumpf des Quenchers. Das Rohgas wird anschließend umgelenkt und verlässt den Reaktor über den Rohgasabgang. Grobe Partikel können durch das Restquenchwasser (aus dem Überschuss durch Verwendung eines Sicherheitsfaktors) mit herausgewaschen werden. Durch die Umlenkung und die damit einhergehende Beschleunigung des Rohgases unmittelbar vor dem Rohgasabgang werden Tropfen und Partikel mitgerissen.
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In dem Patentdokument
DE102013218830.7 ist ein Quencher mit integrierter Wäsche vorgeschlagen worden, der auch als Scrubber Quench bezeichnet werden kann. Die angegebenen Einbauten, insbesondere der gekühlte Bereich des Zentralrohres, sind aufwändig.
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Neben der Freiraumquenchung und dem Scrubber Quench gibt es die Tauchquenchung, wo das Rohgas mit Hilfe eines eingebrachten Rohres in ein Wasserbad im Quenchersumpf getaucht, umgelenkt und dem Rohgasaustritt zugeführt wird. Das Gas wird erst im Wasserbad auf Sättigungstemperatur abgekühlt. Grobe Partikel und die Schlacke sollen durch das Abtauchen im Wasserbad aus dem Rohgas entfernt werden. Im Tauchrohr kommt es aufgrund des direkten Kontakts zwischen Wasserfilm und heißem Rohgas zu einer teilweisen Kühlung des Rohgases.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Quencher für einen Flugstromvergaser derart auszugestalten, dass zum Einen das Rohgas effektiv gekühlt wird und bei Verlassen des Quenchers eine erheblich reduzierte Fracht an Partikeln aufweist und zum Anderen der Quencher sicher betrieben werden kann.
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Das Problem wird durch einen Quencher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Ausführung des Quenchrohres 4 und des Zentralrohres 8 als Doppelmantel. So können beide Bauteile gekühlt ausgeführt werden. Eine aufwandarme Produktion, im Vergleich zu gewickelten Bauteilen (Kühlung mit Rohrschlangen), ist damit möglich.
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Das Durchbrennen des Quench- und Zentralrohrs wird durch die Durchströmung des Doppelmantels mit Kühlwasser verhindert.
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Bei den Varianten 1 bis 3 stehen durch die Verwendung von Quench und Waschwasser als Kühlmedium sehr hohe Wassermengen zur Verfügung, wodurch eine sehr gute Bauteilkühlung sichergestellt werden kann. Beschädigungen des Rohres können über die Leittechnik detektiert werden. Tritt eine Beschädigung des Rohres ein, tritt Wasser aus dem Tauchrohr über diese aus. In der Leittechnik ist die Düsenkennlinie hinterlegt, wodurch die anstehende Druckdifferenz zwischen Doppelmantel und Quench sowie der über die Quenchdüsen strömende Massestrom bekannt sind. Kommt es zur Beschädigung des Quenchrohres nimmt die Druckdifferenz ab, bei gleichzeitiger Erhöhung des Massedurchsatzes.
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Bei den Varianten 4 und 5 können Schäden am Zentralrohr sehr einfach detektiert werden. Wird das Rohr bei Variante 4 beschädigt, läuft das Wasser über die Beschädigung aus dem Rohr. Die nachzuspeisende Wassermenge nimmt zu, was messtechnisch erfasst wird. Bei Variante 5 können über die Differenz aus Vorlauf- und Rücklaufmenge Schäden am Zentralrohr festgestellt werden.
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Durch die Kühlung der Einbauten, insbesondere bei den Varianten 1–3, nimmt die thermische Belastung der Werkstoffe ab. Es können so kostengünstige Werkstoffe verwendet werden.
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Das Quenchwassers fungiert bei den Varianten 1 bis 3 als Quenchwasser und als Kühlwasser für das Quenchrohr. Dem Quenchwasser wird damit eine zusätzliche Funktion zugeordnet. Der Gewinn liegt in einer zusätzlichen Bauteilkühlung, ohne dass bestehende Kühlsysteme erweitert werden müssen.
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Das Quenchwasser wird konditioniert, insbesondere hinsichtlich Feststoffanteil und Anteil an gelösten Karbonaten.
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Die erfindungsgemäße Quencheinrichtung weist einen niedrigen Wasserverbrauch bezogen auf die Quenchwirkung auf.
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Das beschriebene Konzept eines gekühlten Zentralrohr im Quencher, lässt sich auf die Reaktoren höherer Leistung (größer 500MW) anwenden.
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Nach der Quenchung im Rohr ist eine Abtauchung im Wasserbad möglich (abhängig vom Anlagenkonzept dargestellt in 3), eine nachgeschaltete Gegenstromwäsche im äußeren Ringraum ist realisierbar.
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Ein herkömmlich angeordnetes Skirt mit der gesamten Messtechnik kann entfallen.
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Bei der erfindungsgemäßen Quencheinrichtung ist eine Integration der Überwachung in bestehende Mess- und Regelungstechnik des Quenchwasserkreislaufs möglich.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 als Variante 1 einen Freiraumquench mit geschlossenem, selbstkühlendem Zentralrohr,
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2 Detail A aus 1,
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3 als Variante 2 einen Freiraumquench mit geschlossenem, selbstkühlendem Zentralrohr,
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4 Detail A aus 3,
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5 als Variante 3 einen Freiraumquench mit offenem, gekühlendem Zentralrohr,
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6 Detail A aus 5,
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7 als Variante 4 einen Freiraumquench mit abgeschlossenem, gekühlendem Zentralrohr.
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8 Detail A aus 7,.
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9 als Variante 5 einen Freiraumquench mit abgeschlossenem Zentralrohr und Durchflusskühlung sowie
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10 Detail A aus 9.
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Es wird eine Quenchung im Rohr mit einer aufwandarmen Ausgestaltung des Zentralrohres beschrieben. Für die Ausführung der Rohrquenchung werden dabei 5 Varianten für ein gekühltes Zentralrohr dargestellt. Nach der Quenchung schließen sich zusätzliche Waschstufen an.
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Die Variante 1 ist in 1 dargestellt. Aus dem Reaktor (1) werden das heiße Rohgas und die geschmolzene Schlacke über den Schlackeablaufkörper (3) in die Quenchzone (7) geleitet. Die Quenchzone (7) wird durch ein zentral eingebautes Rohr (4, 8) begrenzt. Dieses Rohr besteht aus dem gekühlten Quenchrohr (4) sowie dem gekühlten Zentralrohr (8). Das Quenchrohr kann konisch ausgeführt sein. Bei der Variante 1 ist das gekühlte Quenchrohr (4) mit dem Schlackeablaufkörper (3) gasdicht verbunden. Das Quenchrohr (4) und das Zentralrohr (8) verfügen über einen Doppelmantel. Im Zwischenraum befindet sich Wasser zur Kühlung des Mantels, insbesondere für die Seite, welche die Quenchzone (7) begrenzt. Im Quenchrohr (4) sind die Quenchdüsen (5) verschraubt. Sie werden über den Zwischenraum, Wassermantel des Quenchrohres (4) versorgt. So stehen große Wassermengen für die Kühlung des Quenchrohres zur Verfügung ohne dass eine neue Wasserquelle benötigt wird. Dem Quenchwasser (6) wird damit eine neue Funktion in Form der Kühlung des Quenchrohres zugeordnet. Das Quenchwasser (6) wird über die Quenchdüsen (5) der Quenchzone (7) zugeführt und stellt eine Vollquenchung im Zentralrohr (8) sicher. Um eine sichere Vollquenchung zu realisieren, wird das Quenchwasser mit einem Sicherheitsfaktor beaufschlagt. Die heiße flüssige Schlacke erstarrt während der Quenchung vollständig.
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Das Zentralrohr (8) wird ebenfalls über den Zwischenraum, Wassermantel gekühlt. Das zur Kühlung verwendete Wasser wird anschließend über die Waschdüsen des Zentralrohres (9) in die Quenchzone (7) eingedüst. So wird eine ausreichende Spülung des Zentralrohres sichergestellt, damit Ablagerungen und Verstopfungen verhindert werden. Das voll gequenchte Rohgas verlässt das Zentralrohr (9), wird umgelenkt und strömt im äußeren Ringraum (13) in Richtung Rohgasabgang (16). Im äußeren Ringraum (13) können zusätzliche Waschvorrichtungen (hier dargestellt mit Gegenstromwäscher, 14 und 15) installiert werden. Über den Rohgasabgang (16) verlässt das Rohgas den Reaktor. Die erstarrte Schlacke, das anfallende Restquenchwasser (aus 6) sowie das Waschwasser (10) aus dem Zentralrohr (8) und das im Ringraum (13) optional eingedüste Waschwasser (15) sammeln sich im Wasserbad im Quenchersumpf (11). Dieses Wasser wird in das Flash System abgezogen (12). Die Schlacke mit einem Teil des Wassers aus dem Quenchersumpf (11) wird über den Schlackeabgang (17) den nachgeschalteten Schlackeaustragssystem zugeführt.
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Variante 2 ist in 3 dargestellt. Bei Variante 2 ist das gekühlte Zentralrohr (8) (baugleich mit Variante 1) im Wasserbad im Quenchersumpf (11) abgetaucht. Das im Zentralrohr (8) voll gequenchte Rohgas wird im Wasserbad umgelenkt und steigt an die Wasseroberfläche im äußeren Ringraum (13). Durch die Abtauchung erfährt das Rohgas eine Wäsche. Im Ringraum (13) kann ein Gegenstromwäscher (14, 15) installiert sein. Die erstarrte Schlacke, das anfallende Restquenchwasser, aus (6) sowie das Waschwasser (10) aus dem Zentralrohr (8) und das im Ringraum (13) optional eingedüste Waschwasser (15), sammeln sich im Wasserbad im Quenchersumpf (11). Dieses Wasser wird in das Flash System abgezogen (12).
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Die Schlacke mit einem Teil des Wassers (welches nicht in das Flashsystem abgezogen wird) aus dem Quenchersumpf (11) wird über den Schlackeabgang (17) dem nachgeschalteten Schlackeaustragssystem zugeführt.
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In 5 ist Variante 3 dargestellt, die ein gekühltes Quench- und Zentralrohr (4, 8) aufweist. Die Funktionsweise entspricht der Variante 1. Im Unterschied zur Variante 1 ist das Quenchrohr (4) nicht gasdicht am Schlackeablaufkörper (3) befestigt. Zwischen Schlackeablaufkörper (3) und dem Quenchrohr (4) existiert ein definierter Spalt (18). Über diesen Spalt (18) strömt kaltes, gesättigtes Rohgas aus dem äußeren Ringraum (13) in das Quenchrohr. So wird der obere Bereich des Quenchrohres (4) zusätzlich mit kaltem Gas gekühlt, durch die Strömung des kalten Gases wird aber auch verhindert, dass sich heißes Rohgas hinter den Quenchdüsen (5) sammeln kann. Die Gefahr der Beschädigung der Quenchdüsen (5) sowie des oberen Quenchrohres (4) wird reduziert.
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Variante 4 wird in 7 dargestellt. Aus dem Reaktor (1) werden das heiße Rohgas und die geschmolzene Schlacke über den Schlackeablaufkörper (3) in die Quenchzone (7) geleitet. Die Quenchzone (7) wird durch das Zentralrohr (8) begrenzt. Dieses besitzt einen Doppelmantel, welcher vollständig mit Wasser gefüllt ist. Dieses Wasser sorgt für eine sichere Kühlung des Zentralrohres. Die Kühlung wird über Erwärmung und teilweiser Verdampfung des Kühlwassers sichergestellt. Der entstehende Dampf im Zentralrohr wird über ein Ablassventil (19) in den äußeren Ringraum (13) abgelassen und gelangt in das Rohgas. Die Verluste an Kühlwasser werden durch die Nachspeisung (18) mit frischem Kühlwasser ausgeglichen. Durch die Verdampfung des Kühlwassers im Zentralrohr werden große Mengen an Energie benötigt. Aus diesem Grund kann der Kühlwasserbedarf für das Zentralrohr minimiert werden. Eine Beschädigung des Zentralrohres kann einfach detektiert werden. Bei einer Beschädigung nimmt die nachzuspeisende Wassermenge schlagartig zu. Im oberen Bereich des Zentralrohres befinden sich die Quenchdüsen (5). Darunter sind die Waschdüsen (9) angeordnet. Die Quenchdüsen und die Waschdüsen werden über separate Leitungen (6, 10) versorgt. Es wird eine Vollquenchung im Zentralrohr (8) sichergestellt. Um diese zu realisieren wird die Menge an Quenchwasser mit einem Sicherheitsfaktor beaufschlagt. Die heiße flüssige Schlacke erstarrt während der Quenchung vollständig. Durch die Waschdüsen wird eine ausreichende Spülung des Zentralrohres (8) sichergestellt, womit Ablagerungen und Verstopfungen verhindert werden. Das voll gequenchte Rohgas verlässt das Zentralrohr (9), wird umgelenkt und strömt im äußeren Ringraum (13) in Richtung Rohgasabgang (16). Im äußeren Ringraum können zusätzliche Waschvorrichtungen (hier dargestellt mit Gegenstromwäscher, 14 und 15) installiert sein. Über den Rohgasabgang (16) verlässt das Rohgas den Reaktor. Die erstarrte Schlacke, das anfallende Restquenchwasser (aus dem Quenchwasser 6) sowie das Waschwasser (10) aus dem Zentralrohr (8) und das im Ringraum (13) optional eingedüste Waschwasser (15) sammeln sich im Wasserbad im Quenchersumpf (11). Zur Füllstandsregelung wird Wasser in ein Flash System abgezogen (12). Die Schlacke mit einem Teil des Wassers aus dem Quenchersumpf (11) wird über den Schlackeabgang (17) den nachgeschalteten Schlackeaustragssystem zugeführt.
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Variante 5 wird in 9 dargestellt. Aus dem Reaktor (1) werden das heiße Rohgas und die geschmolzene Schlacke über den Schlackeablaufkörper (3) in die Quenchzone (7) geleitet. Die Quenchzone (7) wird durch das Zentralrohr (8) begrenzt. Dieses besitzt einen Doppelmantel (8), der mit Wasser gekühlt ist. Dieses Kühlwasser wird aus einem externen Kühlkreislauf entnommen. In der 9 sind ein Zulauf (18)- und zwei Ablaufstutzen (19) dargestellt. Die endgültige Anzahl ist von der Geometrie des Tauchrohres (8) und konstruktiven Randbedingungen abhängig. Die abgeführte Wärme muss durch einen geeigneten Wärmeübertragungsprozess wieder abgegeben werden. Die Quenchung und die nachfolgende Prozessführung entspricht der Variante 4.
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Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken anhand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren. Bezugszeichenliste für offenes und geschlossenes Zentralrohr, Variante 1 bis 3:
| 1 | Reaktor |
| 2 | Heißes Rohgas mit geschmolzener Schlacke |
| 3 | Schlackeablaufkörper |
| 4 | Selbstkühlendes Quenchrohr (konisch) |
| 5 | Quenchdüsen |
| 6 | Versorgung Selbstkühlendes Quenchrohr mit Quenchwasser |
| 7 | Quenchzone (im gesamten Zentralrohr) |
| 8 | Selbstkühlendes Zentralrohr (Abtauchung möglich, Variante 2) |
| 9 | Waschdüsen Zentralrohr |
| 10 | Versorgung selbstkühlendes Zentralrohr mit Waschwasser |
| 11 | Quenchersumpf |
| 12 | Abzug Schwarzwasser |
| 13 | Äußerer Ringraum mit Gegenstromwäsche |
| 14 | Waschdüsen für Gegenstromwäsche |
| 15 | Versorgung Waschdüsen Gegenstromwäsche |
| 16 | Rohgasabgang |
| 17 | Schlackeabgang |
| 18 | Spalt zwischen Schlackeablaufkörper und Zentralrohr |
Bezugszeichenliste für abgeschlossenes Zentralrohr, Variante 4:
| 1 | Reaktor |
| 2 | Heißes Rohgas mit geschmolzener Schlacke |
| 3 | Schlackeablaufkörper |
| 4 | |
| 5 | Quenchdüsen |
| 6 | Versorgung Quenchdüsen mit Quenchwasser |
| 7 | Quenchzone (im gesamten Zentralrohr) |
| 8 | Selbstkühlendes Zentralrohr und Quenchrohr |
| 9 | Waschdüsen Zentralrohr |
| 10 | Versorgung Waschdüsen mit Waschwasser |
| 11 | Quenchersumpf |
| 12 | Abzug Schwarzwasser |
| 13 | Äußerer Ringraum mit Gegenstromwäsche |
| 14 | Waschdüsen für Gegenstromwäsche |
| 15 | Versorgung Waschdüsen Gegenstromwäsche |
| 16 | Rohgasabgang |
| 17 | Schlackeabgang |
| 18 | Nachspeisung des Zentralrohr mit Kühlwasser |
| 19 | Ablassventil |
Bezugszeichenliste für abgeschlossenes Zentralrohr mit Kühlkreislauf, Variante 5:
| 1 | Reaktor |
| 2 | Heißes Rohgas mit geschmolzener Schlacke |
| 3 | Schlackeablaufkörper |
| 4 | |
| 5 | Quenchdüsen |
| 6 | Versorgung Quenchdüsen mit Quenchwasser |
| 7 | Quenchzone (im gesamten Zentralrohr) |
| 8 | Selbstkühlendes Zentralrohr (Abtauchung möglich) |
| 9 | Waschdüsen Zentralrohr |
| 10 | Versorgung Waschdüsen mit Waschwasser |
| 11 | Quenchersumpf |
| 12 | Abzug Schwarzwasser |
| 13 | Äußerer Ringraum mit Gegenstromwäsche |
| 14 | Waschdüsen für Gegenstromwäsche |
| 15 | Versorgung Waschdüsen Gegenstromwäsche |
| 16 | Rohgasabgang |
| 17 | Schlackeabgang |
| 18 | Zulauf Quenchwasser zur Kühlung des Zentral und -Quenchrohr mit Quenchwasser |
| 19 | Ablauf Quenchwasser zur Kühlung des Zentral und -Quenchrohr mit Quenchwasser |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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