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In jüngster Vergangenheit ist Klimaschutz weltweit zum wichtigsten Thema und zur zentralen Herausforderung der internationalen Politik geworden. Neben dem Ausbau von Wind- und Solartechnologien wird auch verstärkt der Einsatz von Biomassen zur Substitution von fossilen durch erneuerbare Energien als zielführende Maßnahme im Hinblick auf die aktuellen klimarelevanten Herausforderungen angesehen.
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Zur energetischen Nutzung von Biomassen werden thermochemische Verfahren wie Pyrolyse und Vergasung als vielversprechend angesehen, um auch bislang wenig oder ungenutzte Biomasseressourcen oder nichtrecycelbare Abfälle verwenden zu können. Der Fokus der internationalen Aktivitäten liegt darauf, mit höchster Effizienz aus dem Ausgangsmaterial feste (z.B. Charcoal), flüssige oder gasförmige Energieträger zu erzeugen, um damit die bisher genutzten fossilen Energiequellen zu ersetzen. Hierbei ist Biomasse die einzige verfügbare erneuerbare Kohlenstoffquelle, die in thermochemischen Verfahren in einem nahezu geschlossenen Kohlenstoffkreislauf genutzt werden kann.
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Als Einsatzstoff für die Biomassevergasung dienen üblicherweise holzartige Biomassen. Es ist aber festzuhalten, dass es sich hierbei um einen sehr inhomogenen Brennstoff handelt, der je nach Provenienz bzw. Eigenschaften starke Auswirkungen auf den Anlagenbetrieb haben kann.
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Um einen sicheren Betrieb der Anlagen zu gewährleisten, werden somit an den Brennstoff spezifische Anforderungen hinsichtlich Zusammensetzung und Aufbereitung gestellt. Grundsätzliche Kriterien hinsichtlich der elementaren Zusammensetzung des Brennstoffes werden für den Anteil der Alkalien (Kalium, Natrium), der Schwefelverbindungen, der Halogenverbindungen sowie der Stickstoffverbindungen definiert; dabei sollten bestimmte Grenzwerte nicht überschritten werden, da sonst negative Folgen für die brennstofftechnischen Eigenschaften (z. B. hoher Aschegehalt, niedrige Ascheerweichungstemperatur) und damit eine Störung des Anlagenbetriebes zu erwarten sind. Heiz- und Brennwert sowie Wassergehalt können als weitere Kriterien für den Einsatz von Biomassen und als wichtige Basis für die Auslegung von Anlagen zur Biomassenanwendung genannt werden, da sie maßgeblich die Vergasungstemperatur und damit auch erheblich die Alkalifreisetzung und Teerbildung beeinflussen. Darüber hinaus werden an die physikalisch-mechanischen Eigenschaften des Brennstoffes Anforderungen gestellt. Hierbei sind der jeweils grenzwertige Grob- und Feinanteil, die Sphärizität, die Partikeldichte sowie die Abriebfestigkeit zu nennen. So kann beispielsweise aufgrund eines erhöhten Feinanteils eine signifikante Steigerung der Verschlackungsgefahr im Vergaser hervorgerufen werden, was wiederum zur Störung des Anlagenbetriebes führen kann.
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Gasreinigungssysteme, die im Bereich der Kohleverbrennung (oxydierende Atmosphäre) eingesetzt werden, sind seit Jahrzehnten Stand der Technik und funktionieren weitestgehend störungsfrei. Etwas problematischer gestaltet sich die Mitverbrennung von Biomassse in Kohlekraftwerken.
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Es ist z.B. bekannt, dass die Speicherung von Biomasse in bestehenden Kohlespeichern von Kohlekraftwerken nicht trivial ist, weil aufgrund der geringeren Schüttdichte und des geringeren Heizwerts größere separate Silos als bei der Kohle zur Bevorratung benötigt werden. Wird Biomasse bereits mit Kohle vermischt gelagert, sind aufgrund der unterschiedlichen Schüttdichten und der faserigen Struktur der Biomasse regelmäßig Entmischungen bereits beim pneumatischen Transport zu den Brennern zu verzeichnen.
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Die Mitverbrennung von Holz in Kohlekraftwerken mag für eine Übergangsperiode sinnvoll sein, allerdings erscheint der Wirkungsgrad derartiger Großanlagen am technischen realisierbaren Limit angelangt zu sein, so dass andere Prozesse wie beispielsweise die Biomassevergasung und/oder Pyrolyse als effizienter zu bewerten sind.
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Aktuell und verstärkt in den nächsten Jahren wird man fossil hergestellte Energie und Chemikalien weltweit durch erneuerbaren Technologien substituieren.
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Allerdings sind die spezifischen Anforderungen der Biomasseverwendung an die Brennstoffvorbereitung und speziell an die Gasreinigung, die in reduzierender Atmosphäre betrieben wird, erheblich anspruchsvoller und so sind diese Prozesse teilweise nicht ohne Weiteres einsetzbar oder besitzen noch einen hohen Entwicklungsbedarf.
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Cellulose, Hemicellulose und Lignin sind im Wesentlichen die drei Hauptbestandteile von Holz. Für den Einsatz in Vergasungs- und Pyrolyseanlagen muss diese Biomassse in entsprechenden Vorrichtungen zerkleinert werden. Aufgrund der faserigen, länglichen und elastischen Struktur des Ausgangsmaterials ist die Durchführung mit erheblichem Aufwand und Energieeinsatz verbunden.
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Weiterhin kann der hohe Alkalgehalt, sowie die Eigenschaft Teere zu bilden ebenfalls als nachteilig bei der Pyrolyse oder Vergasung von holz- oder halmartiges Einsatzmaterial bewertet werden. Dies impliziert, dass die Partikel- und Alkaliabscheidung sowie die Verhinderung von Teerkondensation usw. anspruchsvoll sein kann.
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Speziell die längliche Partikelstruktur des Einsatzmaterials und der relativ hohe Teergehalt derartige Verfahren erfordert, dass das erzeugte Gas keine Temperaturunterschreitung widerfahren darf und, dass hinlänglich bekannte Filtrationstechniken wie Kerzenfilter aufgrund von Kapillarkondensation von Teeren verstopft werden können. Zudem ist bekannt, dass sehr kleine nadelartige Partikel in das innere des Filters gelangen können, sich verhaken und zu sehr hohen Druckverlusten führen und somit diese Filter nicht mehr abzureinigen wären. Eine Beheizung der Filter und/oder des Rohgases, zur Vermeidung von Teerkondensationen, erscheint aufgrund der geringen Wärmeleitung des keramischen Filtermaterials nicht zielführend. Zudem müsste die Abreinigung derartiger Filter mit erhitztem Pulsgas erfolgen.
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Ähnliche Kondensationsprobleme sind mit Schüttschichtfiltern zu erwarten. Zusätzlich ist zu erwähnen, dass Schüttschichtfilter, die als Festbett betrieben werden, einen kontinuierichen Druckverlustanstieg aufweisen. Eine Möglichkeit zur „Online - Abreinigung“ ist bisher nicht bekannt. Die Fließbettausführung von Schüttschichtfiltern ist in diesem Temperaturbereich (T>400 °C) äußerst aufwendig.
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Als weiterer Nachteil der beiden Abscheidevarianten (Kerzen- & Schüttschichtfilter) sind die sehr geringen Filtrationsgeschwindigkeiten von wenigen (cm/s) zu nennen und als Folge große Filterdimensionen, die zudem noch ausgemauert werden müssten, zu nennen.
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Großtechnische einsetzbare Elektrofilter arbeiten im allgemeinen nicht bei Temperaturen > 300°C. Begründet wird dies mit der mit steigender Temperatur abnehmenden Gasdichte und der damit verbundenen Schwierigkeit ein stabiles elektrisches Feld aufzubauen sowie mit dem geringen spezifischen Staubwiderstand.
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Als denkbare Variante wäre nur noch die Partikelabscheidung mittels Zyklonen zu nennen. Allerdings ist die Abscheidung von nichtsphärischen Partikeln mit geringer Dichte mit Zentrifugalkräften nicht als trivial einzustufen.
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Die Fliehkraftentstaubung ist im Vergleich zu anderen Technologien wartungsarm, relativ unempfindlich gegenüber hohen Temperaturen und wenig kostenintensiv. Sie stellt sowohl in der Luftreinhaltung als auch bei der Produktrückgewinnung bei technischen Prozessen einen wichtigen und interessanten Verfahrensschritt dar. Verfahrensbedingt kann, aufgrund der benötigten hohen Strömungsgeschwindigkeit zur Realisierung der erforderlichen Zentrifugalkraft, eine sehr kompakte und wirtschaftliche Bauweise realisiert werden. Beispiele mit besonderer ökonomischer Bedeutung sind die Entstaubung diverser abgesaugter Gasströme in der Aufbereitungs- und Stahlindustrie sowie Rückführzyklone bei der Wirbelschichtvergasung und -verbrennung.
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Zyklone werden seit langem zur Trennung von Feststoffpartikeln aus Gasen verwendet. Der Zyklonabscheider besteht im Wesentlichen aus einem zylindrischen Oberteil und einem konischen Unterteil. Das staubhaltige Gas tritt tangential, radial oder spiralförmig in einen rotationssymmetrischen Abscheideraum ein. In Rotationsströmung wird der Gasstrom spiralförmig nach unten bis hin zum Feststoffbunker geführt und steigt in einem weiteren inneren Wirbel im Zyklon wieder hoch. Das gereinigte Gas strömt über das zentral angeordnete Tauchrohr wieder aus dem Zyklon.
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Infolge der Rotationsströmung und der dadurch entstehenden Zentrifugalkräfte werden die spezifisch schwereren Feststoffteilchen an die Mantelfläche gedrängt. Aufgrund ihres Eigengewichts, sowie durch die wandnahe Grenzschichtströmung, die spiralförmig in Richtung Staubaustrag gerichtet ist, wird der Staub in den unteren Staubreservoir ausgetragen. Der radial nach innen strömende Gasstrom übt auf die Partikel eine Widerstandskraft aus, die der Zentrifugalkraft entgegen wirkt. Ist die Fliehkraft größer als die Widerstandskraft, bewegt sich ein Partikel zur Mantelfläche des Zyklons und wird abgeschieden. Ab einer gewissen Partikelgröße überwiegt die nach innen gerichtete Widerstandskraft die Zentrifugalkraft. Diese Partikelgröße wird „Grenzpartikelgröße“ genannt. Wird diese Partikelgröße unterschritten, hat dies zur Folge, dass dieser Partikel nicht mehr aus dem Gasstrom separiert wird, sondern der Strömung folgend den Zyklon über das Tauchrohr verlässt. Bei nichtsphärischen Partikeln, die bei Einsatz von Biomassen zum größten Teil auftreten, können aber noch weitere Kräfte, wie z.B. die Rotationskraft auf die Partikeln einwirken und der Zentrifugalkraft entgegenwirken, was zu einer verminderten Abscheideeffizienz führen kann. Dies bedeutet, dass mit zunehmender Staubfeinheit der Abscheidegrad des Fliehkraftabscheiders erheblich schlechter werden kann. Nachteilig ist zudem noch, dass der Betriebsbereich von Fliehkraftabscheidern, in Abhängigkeit vom Druckverlust, stark von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt und ziemlich klein ist.
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Schaut man sich die Strömung in der Zuführung zum Zyklon an, so kann je nach Gaszusammensetzung und Betriebsparameter wie Geschwindigkeit, Druck, Temperatur, Partikelbeladung usw. eine laminare oder turbulente Strömung vorliegen. Ist die Strömung laminar, so erfolgt die Strömung zum Zyklon in einzelnen Schichten, die sich nicht durchmischen. Bei Vorliegen einer turbulenten Strömung können zwar teilweise Querströmungen auftreten, diese sind aber abhängig von der kinematischen Viskosität. Besitzt das Fluid eine hohe Zähigkeit, so ist der Zusammenhalt des Fluids hoch und die Fähigkeit Störungen auszugleichen besonders ausgeprägt. Nachteilig ist, dass bei Gasen eine Zunahme der Zähigkeit mit steigernder Temperatur zu verzeichnen ist. Eine Quervermischung des Gases und der mitgeführten Partikel wäre aber förderlich für die Agglomeration der unterschiedlichen Partikelklassen. Insofern kann die Quervermischung und damit die Agglomeration durch den Einbau von Strömungsumlenkungen (Agglomerationsstufen) positiv beeinflusst werden. Hier setzt die Erfindung ein.
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In
WO 2015/075702 A1 heißt es in der Zusammenfassung : Überraschenderweise konnten innerhalb des Zyklons Feinstpartikel durch größere Partikel, vorzugsweise mit Durchmessern von 10-20 µm, eingefangen (Agglomeration) und die Effizienz erhöht werden. Allerdings ist dieses „Phänomen“ innerhalb von Fliehkraftabscheidern schon seit langem bekannt und Gegenstand vieler Untersuchungen. Der erzielbare Abscheidegrad mittels Agglomeration für kleine Partikel innerhalb des Fliehkraftabscheiders, ohne vorgeschalteter Manipulation der Gasströmung, ist überschaubar. Hinzu kommt, dass ein Verhältnis von Tauchrohrdurchmesser (DT) zu Zyklondurchmesser (DZ) von 0,1 - 0,17 vorgeschlagen wird, so dass unverhältnismäßig hohe Tauchrohrgeschwindigkeiten die Folgen sind. Dies ist ein in der bekannten Zyklonliteratur unüblich kleiner Wert. Bekanntlich verursacht die Tauchrohrströmung den größten Anteil am Druckverlust. Gewöhnlich wählt man für optimale Zyklone Verhältnisse von 0,3 - 0,6.
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In der
US 7150779 B2 wird ein akustischer Agglomerator zum Konglomerieren von Teilchen unterschiedlicher Größe vorgeschlagen, der vor Fliehkraftabscheidern positioniert werden kann. Allerdings erscheinen die Signalstärken von bis zu 200 dB recht hoch, so, dass umfangreiche Maßnahmen zur Dämpfung der Lärmemissionen erforderlich erscheinen.
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In der
DE 10135535 A1 wird empfohlen, die äußeren Wände eines Zyklons mit Agglomeratoren für die Zusammenführung von Tropfen zu versehen. Die Strömung soll u.a. von unten nach oben durch die Agglomeratoren erfolgen und anschließend in den Zyklon einströmen. Bei diesem Kozept kann eine bestimmte Anströmgeschwindigkeit nicht überschritten werden (Flutpunkt) zudem ist bei festen Teilchen eine Verstopfung gegeben.
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In der Offenlegungsschrift
DE 19815976 A1 wird eine Agglomerationsvorrichtung bestehend aus mindestens 2 Reihen von winklig, insbesondere senkrecht, zu ihren Längsachsen angeströmten Stäben vorgestellt. Dabei sollen die Stäbe der einen Reihe gegenüberder der benachbarten Reihe auf Lücke gestellt werden und zur Agglomeration von Tropfen oder Feststoffteilchen beitragen. Die Art des Abscheiders bleibt hierbei unerwähnt. Allerdings wird man mit der in Anspruch 1 postulierten Strömungsgeschwindigkeit von 2,15 m/s im laminaren Strömungsbereich verbleiben, so, dass bei den genannten Parametern keine nennenswerten Querströmungen zu verzeichnen sind und somit Agglomerationsphänomene nicht besonders ausgeprägt sein können.
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Bei allen hier vorgeschlagenen Maßnahmen möchte man mittels Agglomeration kleinere Partikel durch größere Partikel im Gasstrom „einfangen“ und so die Abscheideeffizienz von Fliehkraftabscheidern erhöhen. Das soll durch stochastische Bewegungen unterschiedlicher Partikelklassen im Gasstrom erfolgen. Das ist bei Tropfen und sphärischen Feststoffteilchen ein bekannter positiver Vorgang innerhalb von Zyklonen. Allerdings ist die Abscheidung von nichtsphärischen Partikeln mit geringer Dichte und einem sehr großen Korngrößenspektrum (0.1 bis ca 200 µm) erheblich komplexer und ist bisher nicht zufriedenstellend gelöst.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, in Staubzyklonen, durch Positionierung von Agglomerationsstufen in der Zuführungsleitung, auch Partikeln mit diffizilen Strömungseigenschaften erfolgreich abscheiden zu können.
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Die Abscheideeffizienz wird daher dadurch erhöht, dass im Eintrittsbereich vor den Staubzyklonen, zur mehrfachen Durchmischung der Strömung und somit der stark unterschiedlichen Partikelklassen, Einbauten positioniert werden, die Agglomerationen bewirken. Ziel der Maßnahme ist es, die sehr kleinen Partikelgrößen, die normalerweise unter Zentrifugalkrafteinfluß nicht abzuscheiden wären, an größere zu binden, um die Separierung anschließend im Zentrifugalkraftfeld zu realisieren.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einbauten als statische Mischer oder ähnliche Vorrichtungen wie Turbulatoren, Vortexgeneratoren, Wirbler usw. innerhalb der Rohrleitungen zu den Zyklonen positioniert werden.
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In der weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Verstärkung der Agglomeration innerhalb der Rohrleitungen zu den Zyklonen, die Einbauten mit Zuführungen für die Eindüsung von liquiden oder festen Agglomerationshilfen ausgestattet sind. Es hat sich nämlich überraschend gezeigt, dass durch Eindüsung von sehr geringen Mengen von z.B. ölhaltigen oder anderen Substanzen (Lignin) die Agglomeration von Partikeln erheblich gesteigert werden kann. Diese Maßnahme könnte man intermittierend nach Bedarf durch Online-Messung des Partikelgehaltes im Reingasstrom nach Zyklon durchführen.
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Zusätzlich besteht die Möglichkeit, den Druckverlust über den Agglomerationsstufen zu messen und bei Überschreitung eines Grenzwertes diese mit Pulsgas abzureinigen.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in 1 eine vereinfachte Schnittzeichnung durch einen Staubzyklon entsprechend der Erfindung sowie in den 2 & 3 die innerhalb der Zuleitungen zum Staubzyklon, zur Erzeugung von Quervermischungen, positionierten Agglomerationsstufen und in 4 die Skizze einer Vorrichtung zur Abreinigung dieser Agglomerationsstufen im Falle von Störungen.
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Dem in 1 allgemein mit (1) bezeichneten Staubzykon wird das Gas/Feststoff-Gemisch (2) über einen Einlass (3) zugeführt. Innerhalb dieser Zuleitung sind Vorrichtungen (4) zur Durchführung von Quervermischungen und als Folge zur Realisierung von Agglomerationen zwischen den mitgeführten Teilchen unterschiedlicher Größen positioniert. Duch diese Einbauten (4) sollen Quervermischungen sogar noch verstärkt werden um eine umfangreich Agglomerierung von Feinstpartikeln, durch interpartikuläre Kollisionen, zu bewirken und somit eine möglichst vollständige Abscheidung zu erzielen und den Betriebsbereich des Zyklons zu erweitern. Nach der Staubabtrennung mittels Zentrifugalkräften innerhalb des Zyklons (1) verlässt das gereinigte Gas den Abscheider über das Tauchrohr (5). Der Gasauslass ist symbolisch mit einem Pfeil (6) bezeichnet.
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Der abgeschiedenen Staub (7) wird über einen unteren Zyklonaustritt (8) und Apexkegel (9) zur Abbremsung der äußeren Rotationsströmung des Zyklons, in ein Staubreservoir (10) gesammelt und nach Bedarf ausgeschleust.
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In 2 ist schematisch eine denkbare Variante einer Agglomerationsstufe (12a) und einer Strömungsumlenkung (12b) angedeutet. Diese Agglomerationsstufe kann die Form eines sogenannten statischen Mischers besitzen. Die Strömungsumlenkung (12b) dient der anschließenden Ausbildung einer tangentialen Strömungsgeschwindigkeit im Staubzyklon. Diese Geschwindigkeit ist eine wichtige Größe zur Initiierung von Fliehkräften innerhalb des Abscheiders. Der Eintritt zur Agglomerationsstufe ist mit (11) und der Austritt aus der Stufe mit (13) angedeutet.
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In 3 wird eine weitere Möglichkeit (14) zur Agglomeration von Feststoffpartikeln unterschiedlicher Größe im Rohgas dargestellt. Durch die vielfache Rotation kreuzen sich die Strömungslinien der mitgeführten Partikeln mehrfach und eine verstärkte Agglomeration wird erheblich gefördert.
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4 skizziert die Möglichkeit eines Abreinungskonzeptes. Im Falle, dass im Rohgas aufgrund von Störungen der Druckverlust ansteigt, kann dieser Wert als Stellgröße zur Abreinigung über Ejektoren (15) mittels Abreinigungsmedien (16) verwendet werden.
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Hiebei bietet es sich an, um Störungen der Strömung innerhalb des Zyklons zu unterbinden, erst abzureinigen, wenn der Druckverlust einen bestimmten hohen Sollwert erreicht hat.
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Natürlich sind die beschriebenen Beispiele noch in vielfacher Hinsicht abzuändern und zu ergänzen, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. So betrifft die Erfindung auch das Verfahren zur Verstärkung der Quervermischung innerhalb der Zuführungsleitung zum Staubzyklon mit den oben beschriebenen oder ähnlichen Maßnahmen.
- 1
- Staubzyklon
- 2
- Rohgas (Eintritt Agglomerator)
- 3
- Zuleitung
- 4
- Agglomerator
- 5
- Tauchrohr
- 6
- Reingas
- 7
- Staub
- 8
- Staubaustritt 9 Apexkegel
- 10
- Staubreservoir
- 11
- Rohgas (Eintritt Agglomerator)
- 12a
- Agglomerator (Geometrie 1
- 12b
- Strömungsumlenkung
- 13
- Rohgas (Eintritt Staubzyklon)
- 14
- Agglomerator (Geometrie 2)
- 15
- Injektor
- 16
- Abreinigungsmedium
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2015/075702 A1 [0021]
- US 7150779 B2 [0022]
- DE 10135535 A1 [0023]
- DE 19815976 A1 [0024]
