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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von feinkörniger mineralischen Stoffen, beispielsweise mineralischer Carbonate, Tone oder metallische Erze.
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Solche Vorrichtungen weisen einen Vorwärmer, einen Calcinator und einen Kühler auf. Prinzipiell verlaufen der Stoffstrom des Feststoffes und der Gasstrom im Gegenstrom, wobei üblicherweise abschnittsweise ein Gleichstrom mit dazwischengeschalteten Abscheidern, insbesondere Zyklonabscheidern vorliegt. Während das Gas die Anlage von unten nach oben durchströmt, durchläuft das Aufgabematerial die Anlage mittels Schwerkraft von oben nach unten. Daher werden Vorwärmer, Calcinator und Kühler üblicherweise übereinander angeordnet. Da insbesondere Vorwärmer und Kühler üblicherweise mehrstufig ausgebildet sind, ergibt sich eine hohe Bauhöhe, die der Summe der Höhe der einzelnen Baugruppen beziehungsweise Prozessstufen entspricht. Doch gerade diese Bauhöhe stellt vielerorts durch Erdbebenrisiken, Starkwinde oder örtlichen Vorschriften ein Problem in der Umsetzung dar, was zum Teil eine Nutzung dieser Technologie unmöglich macht.
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Als weitere Schwachpunkt der Flugstromtechnologie ist neben der Bauhöhe zudem eine recht kurze Verweilzeit im Calcinator zu nennen. Es ist bekannt, dass durch eine Verlängerung der Prozesszeit, sich die Produkteigenschaften weiter den späteren Anforderungen anpassen lassen. Wird zur Verlängerung der Verweilzeit eine entsprechende Vorrichtung zum Beispiel Verweilbehälter oder Materialrückführungen integriert, erhöht sich die Bauhöhe weiter.
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Aus der
EP 0 125 973 B1 ist eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Mineralien in pulveriger Form mit Gasen bekannt.
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Aus der
WO 98/55418 A1 ist eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Pulver bekannt.
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Aus der
EP 1 060 146 B1 ist eine Ofenanlage und ein Verfahren zur Zementherstellung bekannt.
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Durch die vergleichsweise große Bauhöhe ist aus statischen Gründen der tragende Stahlbau sehr aufwändig und kostenintensiv. Mancherorts ist die Errichtung einer solchen Anlage durch örtlich Höhenlimitierungen oder aufgrund von Gefahren durch Erdbeben oder starken Winden gänzlich undenkbar.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die auch unter diesen Randbedingungen realisierbar ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Wärmebehandlung wie beispielsweise und insbesondere Röstung, Kalzination, Dehydratation oder Phasenänderungen, von mineralischen Stoffen, insbesondere feinkörnigen mineralischen Stoffen. Beispielsweise und insbesondere sind die mineralischen Stoffe ausgewählt aus der Gruppe umfassendmineralischer Carbonate, Gips, Kalkstein, Magnesit, Dolomit, Phosphaterz, Tonen, Metallerzen oder einer Mischungen hieraus. Die Vorrichtung weist drei Baugruppen auf, wobei eine erste Baugruppe ein Vorwärmer ist, wobei eine zweite Baugruppe ein Calcinator ist und wobei eine dritte Baugruppe ein Kühler ist. Diese werden üblicherweise übereinander angeordnet, sodass das Material von oben nach unten durch die Vorrichtung gelangt. In einzelnen Abschnitten der Vorrichtung wird das Material vom Gasstrom gegen die Schwerkraft angehoben, doch insgesamt durchläuft das Material getrieben durch die Schwerkraft die Anlage von oben nach unten. Um die hierdurch entstehende große Bauhöhe zu reduzieren werden erfindungsgemäß zwei der drei Baugruppennebeneinander angeordnet. Beispielsweise werden der Calcinator und der Kühler übereinander und somit neben dem Vorwärmer angeordnet. Alternativ und bevorzugt werden der Vorwärmer und der Calcinator übereinander und somit neben dem Kühler angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden alle drei Baugruppen nebeneinander angeordnet. Somit Sind sowohl Vorwärmer als auch Calcinator als auch Kühler nebeneinander angeordnet.
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Die Anordnung nebeneinander erhöht zwar auf der einen Seite die benötigte Grundfläche, auf der anderen Seite wird jedoch die Höhe reduziert. Bei begrenzten Grundflächen, beispielsweise bei der Erweiterung bestehender Anlagen, kann das Nebeneinanderplatzieren von zwei Baugruppen, beispielsweise des Kühler und des Calcinator, bereits einen Vorteil im Höhenbau aufweisen. Dabei hat sich als vorteilhaft gezeigt, dass in einer Ausführungsform, bei der Kühler und Calcinator nebeneinander angeordnet sind, ein am unteren Ende des Calcinators angeordnete Brennvorrichtung aus einem Brennerraum und wenigstens einem Brenner, der einen vergleichsweise hohen Anteil am Gesamtanlagengewicht aufweist, in einer tieferen Höhe montiert werden kann. Hierdurch kann ein leichterer Stahlbau eingesetzt werden. Zusätzlich wird die Montage als auch die späteren Wartungsarbeiten des Brennerraumes und des Brenners durch die niedrige Anordnung erleichtert. Ebenso kann es vorteilhaft sein, den Vorwärmer neben dem Calcinator anzuordnen. Für Anlagen, bei der die Grundfläche baulich nicht begrenzt ist, zeigt sich bei der Nebeneinanderplatzierung aller drei Baugruppen, dass die Reduktion der Höhe gegenüber der Zunahme der Grundfläche einen positiven Einfluss auf die tragende Stahlkonstruktion hat, und dass hierdurch eine einfachere und günstigere Konstruktion gewählt werden kann.
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Ein weiterer Vorteil dieser Bauweise ist, dass zudem eine deutlich verkürzte Montagezeit der Gesamtanlage erzielt werden kann, da hierbei mehrere vorgefertigte Zykloneinheiten der unterschiedlichen Prozessstufen auf einer Bühnenebene verbaut werden können. Zudem können auch die Kraneinheiten für Montage und bei späteren Revisionen deutlich kleiner gewählt werden.
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Bei einer Vorrichtung, bei der der Vorwärmer neben dem Calcinator angeordnet ist hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass der Abwurfpunkt des Calcinator-Produktes nach oben verschoben werden kann, ohne dass sich die absolute Bauhöhe des Vorwärmers über dem Grund entsprechend nach oben verschiebt. Dadurch kann der Abwurfpunkte des Calcinators den weiteren Erfordernissen der Anlagengestaltung optimiert plattziert werden, ohne dass die Gesamtbauhöhe der Vorrichtung vergrößert wird. So kann beispielsweise durch das Verschieben des Abwurfpunktes des Calcinators nach oben weitere Komponenten, beispielsweise Verweilreaktoren oder Materialstromteiler mit Rückführungen in den Calcinator, in den Materialweg zwischen Calcinator und Kühler installiert werden ohne dass sich hierdurch die gesamte Bauhöhe vergrößert.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Vorwärmer einen ersten Materialeingang und einen ersten Materialausgang auf. Der erste Materialausgang wird auch Abwurfpunkt des Vorwärmers genannt. Weiter weist der Calcinator einen zweiten Materialeingang und einen zweiten Materialausgang auf. Der zweite Materialausgang wird auch Abwurfpunkt des Calcinators genannt. Weiter weist der Kühler einen dritten Materialeingang und einen dritten Materialausgang auf. Der dritte Materialausgang wird auch Abwurfpunkt des Kühlers genannt. Vorteilhafter Weise ist der erste Materialausgang oberhalb der zweiten Materialeingangs angeordnet und der zweite Materialausgang ist oberhalb des dritten Materialeingangs angeordnet. Auf diese Weise wird eine geringe Bauhöhe erreicht, gleichzeitig aber auch eine Förderung von Material gegen die Schwerkraft verhindert.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Vorwärmer einen ersten Gaseingang und einen ersten Gasausgang auf. Weiter weist der Calcinator einen zweiten Gaseingang und einen zweiten Gasausgang auf. Weiter weist der Kühler einen dritten Gaseingang und einen dritten Gasausgang auf. Vorteilhafter Weise ist der zweite Gasausgang mit dem ersten Gaseingang über eine erste Gasleitung verbunden und der dritte Gasausgang ist mit dem zweiten Gaseingang über eine zweite Gasleitung verbunden. Die erste Gasleitung und die zweite Gasleitung weisen jeweils einen fallenden Gasleitungsteil und an der Unterseite eine untere Umlenkung auf. Optional und bevorzugt weisen die erste Gasleitung und die zweite Gasleitung jeweils eine obere Umlenkung auf. Da die Bestandteile nicht mehr wie üblich übereinander angeordnet sind, muss nun das heiße Gas umgelenkt und jeweils auf ein niedrigeres Niveau geführt werden, so dass der Gasstrom in die nachfolgende Baugruppe wieder von unten eintritt. Hierdurch verlängert sich zwar der Weg der Gasführung und es wird gleichzeitig mehr Oberfläche geschaffen, was zu einem Wärmeverlust führt, dieses wird durch die geringere Höhe der Gesamtkonstruktion jedoch kompensiert. Optional können diese verbindenden Gasleitungen als Prozessraum zur Konditionierung der Gasströmung genutzt werden. Beispielsweise kann in die erste Gasleitung zwischen dem Kühler und dem Calcinator weitere Energie durch das Zumischen von Heißgas mittels einer Heißgaszuführung aus anderen Prozessen oder eines Heißgaserzeugers oder aber auch durch direkte Zufuhr von Brennstoffen oder elektrischer Energie erfolgen. Die Strecke der zweiten Gasleitung begünstigt die Durchmischung der Gasströme. In die erste Gasleitung zwischen den Calcinator und den Vorwärme können in einer weiteren Ausführungsform Additive, beispielsweise und insbesondere zur NOx-Minimierung, eingebracht werden. Durch die Länge der Gasleitung erhöht sich die Verweilzeit zur Umsetzung zwischen dem Additiv, beispielsweise Ammoniak und NOx.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine untere Umlenkung als U-förmige Umlenkung ausgebildet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine untere Umlenkung als eine U-förmige Umlenkung mit einem verjüngenden Verlauf ausgeführt. Hierdurch kommt es zu einem Düseneffekt und einer Beschleunigung des Gases am Ende, was vorteilhaft ist, um die Ablagerungen in der unteren Umlenkung zu verringern.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die untere Umlenkungen einen Einströmtopf, eine Absetzkammer oder einen Wirbeltopf auf. Die erste Gasleitung beziehungsweise die zweite Gasleitung sind hierbei über die untere Umlenkung seitlich mit dem Einströmtopf, der Absetzkammer oder dem Wirbeltopf verbunden. Bevorzugt weisen der Einströmtopf, die Absetzkammer und der Wirbeltopf einen Materialaustrag zur Entfernung von Ablagerungsstoffen auf.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die zweite unteren Umlenkung der zweiten Gasleitung eine zweite Entnahme für Feststoff auf. Vorzugsweise wird der hier ausgetragene Feststoff über den dritten Materialeingang des Kühlers wieder aufgegeben. Anderenfalls kann der Feststoff auch direkt ausgetragen werden und je nach Zusammensetzung dem Produkt zugeführt oder verworfen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die erste untere Umlenkung der ersten Gasleitung eine erste Entnahme für einen Feststoff auf. Vorzugsweise wird der hier ausgetragene Feststoff über den dritten Materialeingang des Kühlers wieder aufgegeben. Anderenfalls kann der Feststoff auch direkt ausgetragen werden und je nach Zusammensetzung dem Produkt zugeführt oder verworfen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist in wenigstens einem fallenden Gasleitungsteil ein Ventilator angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem zweiten Materialausgang und dem dritten Materialeingang ein Verweilzeitbehälter angeordnet. Der zweite Materialausgang ist oberhalb des Verweilzeitbehälters angeordnet und der dritte Materialeingang ist unterhalb des Verweilzeitbehälters angeordnet. Der Verweilzeitbehälter dient dazu, das zu behandelnde Temperatur eine gewisse Zeit auf der erhöhten Temperatur zu halten, um weitere Umsetzungen zeitlich zu ermöglichen. Der Verweilzeitbehälter kann bereits ein Rohr mit geringer Neigung sein, kann aber auch beispielsweise entsprechend der
DE 10 2019 201 763 A1 ausgeführt sein.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem zweiten Materialaustrag und dem dritten Materialeingang ein Materialstromteiler angeordnet. Der Materialstromteiler weist einen ersten Teilstromausgang und einen zweiten Teilstromausgang auf. Der erste Teilstromausgang ist mit dem dritten Materialeingang verbunden und der zweite Teilstromausgang ist mit dem Calcinator verbunden. Somit wird ein Teil des Materialstromes wieder in den Calcinator zurückgeführt wird. Hierdurch erhöht sich die stochastische Verweilzeit des Materials im Calcinator. Die Zufuhr kann hierbei über den zweiten Materialeingang oder alternativ über einen weiteren optionalen separaten Materialeingang in den Calcinator erfolgen, der sich entsprechend des Temperaturprofiles des Calcinators in einer höheren Position der Steigleitung befinden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Calcinator wenigstens einen ansteigenden Calcinator-Abschnitt auf. Optional kann der Calcinator einen fallende Calcinator-Abschnitt aufweisen. Wenn der Calcinator einen fallende Calcinator-Abschnitt aufweist, so ist der fallende Calcinator-Abschnitt kürzer als der ansteigende Calcinator-Abschnitt. Durch den fallenden Calcinator-Abschnitt kann die Höhe des zweiten Materialausgangs optimal an die Erfordernisse der Vorrichtung angepasst werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden in der ersten Gasleitung und/oder der zweiten Gasleitung weitere Additive zur Konditionierung des Gasstromes zugeführt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in der ersten Gasleitung und/oder der zweiten Gasleitung thermische Energie zugeführt.
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Durch diesen Anordungen der Baugruppen lassen sich im unteren Bereich des Calcinators unterschiedliche Brennerraumgeometrien beziehungsweise Brennerinstallationen installieren, ohne dabei Einfluss auf die Höhenlage der Einlässe und Auslässe der Material- und Gasströmungen der Vorrichtung zu nehmen.
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Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
- 1 Ausführungsbeispiel ohne Verweilzeitbehälter
- 2 Ausführungsbeispiel mit Verweilzeitbehälter
- 3 detaillierte Darstellung
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In 1 ist eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmebehandlung schematisch dargestellt. Die Vorrichtung weist einen Vorwärmer 10, einen Calcinator 20 und einen Kühler 30 auf, die nebeneinander angeordnet sind, wodurch zwar mehr Fläche benötigt wird, die Bauhöhe jedoch reduziert werden kann.
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Das zu bearbeitende Material tritt durch eine Eduktzuführung 60 in den ersten Materialeingang 12 in den Vorwärmer ein, wird durch den Abgasstrom des Calcinators erwärmt und tritt über einen ersten Materialausgang 14 erwärmt wieder aus. Von hier gelangt das Material in den zweiten Materialeingang 22 des Calcinators 20 und wird hier thermisch umgesetzt. Über einen zweiten Materialausgang 24 verlässt das Material den Calcinator und gelangt über den dritten Materialeingang 32 in den Kühler 30. Hier wird das Material abgekühlt und verlässt den Kühler durch den Materialausgag 34 über die Produktabführung 70.
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Der Gasstrom ist im Ganzen betrachtet gegenläufig. Über die Gaszuführung 80 gelangt kühles Gas in den dritten Gaseingang 36 in den Kühler 30 und wird dort durch das Material erwärmt. Durch den dritten Gasausgang 38 verlässt das erwärmte Gas den Kühler 30. Da sich der zweite Gaseinlass 26 des Calcinators 20 durch die nebeneinander liegende Bauweise deutlich niedriger befindet, weist die Vorrichtung eine zweite Gasleitung 50 auf, die am unteren Ende eine zweite untere Umlenkung 52 aufweist.
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Üblicherweise befindet sich in direkter Nähe des zweiten Gaseinlasses 26 ein Brennerraum zur Zuführung der notwendigen thermischen Energie. Der hier von unten eintretende vorgewärmter Gasstrom des Kühlers 30 dient als Hauptverbrennungsluft. Das Gas strömt durch den Calcinator 20, welcher beispielsweise und bevorzugt am Ende einen Abscheidezyklon aufweist, um Gas und Material zu trennen. Das Gas wird dann durch den zweiten Gasausgang 28 in die erste Gasleitung 40 geführt, um erneut auf ein tiefer liegendes Niveau des ersten Gaseingangs 16 des Vorwärmers 10 geführt zu werden. Dazu weist die erste Gasleitung ebenfalls am unteren eine erste untere Umlenkung 42 auf. Im Vorwärmer 10 erwärmt das heiße von unten eintretende Gas das kalte von oben eintretende Material und wird selber dabei abgekühlt. Das kühle Gas wird dann durch den ersten Gasausgang 18 zu Gasabführung 90 geleitet. Die Gasabführung 90 kann beispielsweise einen Staubabscheider aufweisen.
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Die in 2 gezeigte zweite erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmebehandlung unterscheidet sich von der in 1 gezeigten ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmebehandlung dadurch, dass diese zusätzlich einen Verweilzeitbehälter 100 zwischen dem zweiten Materialausgang 24 und dem dritten Materialeingang 32 aufweist.
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In 3 ist eine beispielhaftere Ausgestaltung der zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmebehandlung detaillierter dargestellt. Erkennbar ist, dass in der in 3 gezeigten Ausführungsform sowohl der Vorwärmer 10 als auch der Kühler 30 jeweils durch drei Zyklonstufen gebildet sind, wobei jede Zyklonstufe jeweils eine Steigleitung und einen damit verbunden Zyklonabscheider aufweist sowie eine Materialschurre mit Gasabschlussorgan und Dispersionsorgan. Zusätzlich ist neben der Eduktzuführung 60, eine weiter Materialzuführung 110 beispielsweise zur Rückführung von Filterstäuben dargestellt. Innerhalb der Steigleitungen der einzelnen Zyklonstufen bewegen sich der Materialstrom und der Gasstrom im Gleichstrom, in Summe durchlaufen Gas- und Materialstrom die Vorrichtung dennoch im Gegenstrom. Die einzelnen Baugruppen, Calcinator 20, Vorwärmer 10 und Kühler 30, sind mit Gasleitungen 40, 50 verbunden, wobei der untere Verbindung in der gezeigten Ausführungsform ein U-förmigen untere Umlenkung 42, 52 erfolgt. Die Materialausgänge 14, 24 der einzelnen Baugruppen sind herbei so zu den Materialeingängen 22, 32 verbunden, sodass eine Materialzufuhr mittels Schurren ohne weitere Förderorgane (vertikal oder horizontal) erfolgt. Zudem ist hier eine zusätzlicher Verweilbehälter 100 vorgesehen, um die Zeit des Materials bei Prozesstemperatur zu erhöhen. Vorteil der hier gezeigten Ausführungsform ist, dass durch eine geschickte Höhenorientierung der unteren Umlenkungen 42, 52 die hier austretenden Feststoff-Materialströme wieder dem Kühler 30 zugeführt werden können.
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In dieser beispielhaften Ausführungsform sind weiterhin die erfindungsmäßigen Vorzüge ersichtlich, dass bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik, bei der alle Zyklonstufen übereinander angeordnet sind, die Bauhöhe erheblich reduziert werden kann. Hierdurch kann beispielsweise für die Materialzufuhr 60 zur Vorwärmerstufe ein gegenüber dem Stand der Technik kürzeres Förderorgan verwendet werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Baugruppen nebeneinander liegt der Schwerpunkt der einzelnen Baugruppen jeweils auf einem deutlich tieferen Höhenniveau im Vergleich zum Stand der Technik. Eine Modifikation der Anordnung, Baugrößen, Anzahl der Zyklonstufen, Längen der Steigleitungen sowie Einbau weiterer Baugruppen, wie zum Beispiel hier gezeigt eines Verweilbehälter 100, beeinflussen nur die Höhe einer einzelnen Baugruppe, hier des Calcinator, und nicht die Bauhöhe und Gestaltung der anderen beiden Baugruppen
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorwärmer
- 12
- erster Materialeingang
- 14
- erster Materialausgang
- 16
- erster Gaseingang
- 18
- erster Gasausgang
- 20
- Calcinator
- 22
- zweiter Materialeingang
- 24
- zweiter Materialausgang
- 26
- zweiter Gaseingang
- 28
- zweiter Gasausgang
- 30
- Kühler
- 32
- dritter Materialeingang
- 34
- dritter Materialausgang
- 36
- dritter Gaseingang
- 38
- dritter Gasausgang
- 40
- erste Gasleitung
- 42
- erste untere Umlenkung
- 50
- zweite Gasleitung
- 52
- zweite untere Umlenkung
- 60
- Eduktzuführung
- 70
- Produktabführung
- 80
- Gaszuführung
- 90
- Gasabführung
- 100
- Verweilzeitbehälter
- 110
- weitere Materialzuführung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0125973 B1 [0004]
- US 6574885 B1 [0005]
- WO 9855418 A1 [0006]
- EP 1060146 B1 [0007]
- DE 102019201763 A1 [0024]
