DE2120022A1 - Verbrennungsofen mit Wärmeaustausch zwischen den heissen Abgasen des Ofens und einer diesem zugeführten kälteren Gasströmung - Google Patents

Verbrennungsofen mit Wärmeaustausch zwischen den heissen Abgasen des Ofens und einer diesem zugeführten kälteren Gasströmung

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DE2120022A1 DE19712120022 DE2120022A DE2120022A1 DE 2120022 A1 DE2120022 A1 DE 2120022A1 DE 19712120022 DE19712120022 DE 19712120022 DE 2120022 A DE2120022 A DE 2120022A DE 2120022 A1 DE2120022 A1 DE 2120022A1
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description

OR-INa. Dir>L.-!N0>. M. £,C OIPL.-f-HYS. Ο.?. DIPL.-PHYS.
HÖGER - STELLRECHT-GRIESSBACH - HAECKER
PATENTANWÄLTE IN STUTTGART λ α Ο Π Π Ο ^
A 38 802 h
•23.April 1971
t-35
Ser.No. 31 961
universal Oil Products Company Des Plaines, Illinois 60016, USA 30 Algonquin Road
Verbrennungsofen mit Wärmeaustausch zwischen den heissen Abgasen des Ofens und einer diesem zugeführten kälteren Gasströmung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsofen mit einer langgestreckten Verbrennungszone, die an einem Ende über einen Abgasschacht mit der Atmosphäre verbunden ist, mit mindestens einer einstellbaren Frischluftzufuhr und mit Wärmeaustausch zwischen den heissen Abgasen des Ofens und einer diesem zugeführten kälteren. Gasströmung.
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Zweck der Erfindung ist es, einen Verbrennungsofen dieser Art zu entwickeln, der es ermöglicht, die in einem Trockenofen oder in einer ähnlichen Behandlungszone zum thermischen Behandeln von Gegenständen, beispielsweise zum Trocknen des Überzuges auf einem die Behandlungszone durchlaufenden Drahtes, entstehenden brennbaren Bestandteile einer die Gegenstände aufheizenden Gasströmung aus dieser wieder zu entfernen, bevor sie als Abgas in die Atmosphäre abgeführt wird.
Es ist naheliegend, zur Beseitigung der brennbaren Bestandteile einer Gasströmung in diese eine offene Flamme einzuführen, In welcher diese Bestandteile dann verbrannt werden. Für eine vollkommene Verbrennung sind dabei die drei Gesichtspunkte Verweilzeit, Temperatur und Verwirbelung von Bedeutung.
Für Verbrennungssysteme mit hohem Wirkungsgrad gibt as eine Reihe von Konstruktionen mit Wärmetauschern, die einen Wärmeaustausch zwischen den heissen Abgasen und einer dem System zugeführten kälteren Gasströmung ermöglichen. Diese Konstruktionen sind jedoch nicht ohne weiteres auf Trockenofen o.dgl. anwendbar, wo es für gewöhnlich erwünscht ist, einen Teil des Abgasstromes erneut zu erwärmen und in Umlauf zu bringen. Weiterhin treten bei der Behandlung von Gasströmen mit hohem Heizwert infolge der entstehenden hohen Temperaturen erhebliche Schwierigkeiten auf. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsofen der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem in einfacher Weise und mit minimalem Brennstoffaufwand die Temperatur der eingeführten Gasströmung erhöht, eine Rezirkulation der Gasströmung ermöglicht und zugleich das Auftreten von unzulässigen Temperaturerhöhungen vermieden wird.
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Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass für die Gasströmung ein Kreislauf vorhanden ist, der von dem einen Ende der Verbrennungszone durch eine Behandlungszone zur thermischen Behandlung von Gegenständen, in welcher dabei brennbare Stoffe entstehen und sich der Gasströmung beimischen, zu dem anderen Ende der Verbrennungszone führt, dass an dem anderen Ende der Verbrennungszone ein Brenner mit einstellbarer Brennstoffzufuhr angeordnet ist, dass da-s eine Ende der Verbrennungszone über einen Rückführkanal zum Rückführen der heissen Abgase unmittelbar mit dem anderen Ende der Verbrennungszone verbunden ist und dass in der Gasströmung ein Gebläse vorgesehen ist, das die Gasströmung durch die Verbrennungszone, die Behandlungszone, den Rückführkanal sowie auch durch den Abgasschacht aufrecht erhalten zu vermag.
Vorteilhafterweise ist dabei das andere Ende der Verbrennungszone über einen Nebenschlusskanal zur Wiederzuführung eines Teiles der Gasströmung zu der Behandlungszone unmittelbar mit dieser Verbunden.
Es ist günstig, wenn der Rückführkanal und die Verbrennungszone und gegebenenfalls der Nebenschlusskanal und der Rückführkanal miteinander in Wärmeaustauschverbindung stehen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist an dem einen Ende der Verbrennungszone ein Wärmetauscher angeordnet, der einerseits mit einem Frischlufteinlass und andererseits zum Zumischen von erwärmter Frischluft zu der Gasströmung mit der Behandlungszone verbunden ist.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Rückführkanal und gegebenenfalls der Nebenschlusskanal - im Querschnitt gesehen - ringförmig um die Verbrennungszone bzw. um den Rtickführkanal angeordnet.
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Die erfindungsgemässe Konstruktion ist im besonderen dazu geeignet, einen Gasstrom mit hohem Heizwert ohne übermässigen Temperaturanstieg in der Verbrennungszone zu entzünden. Wegen des erforderlichen Metallgehäuses der Verbrennungszone kann es beispielsweise unerwünscht sein, eine Temperatur von mehr als 730 bis 760° C zu erreichen. Die vorliegende Konstruktion ergibt eine Rezirkulation der heissen Abgase von dem Auslass der Verbrennungszone in deren Einlass, wo sie sich mit der eingeführten Gasströmung vermischen. Da die Gasströmung eine verhältnismässig niedrige Temperatur von ungefähr 260° C aufweist, ist ein Brenner vorgesehen, um diese anzuwärmen. Sofern nicht sehr viel Brennstoff aufgewendet wird, ist es schwierig, P die Verbrennung anlaufen zu lassen. Auch wenn eine Vorwärmung durchgeführt wird, um eine Oxydation zu erzielen, ergibt sich am Auslass der Einheit eine Temperaturerhöhung auf ungefähr 730° C. Durch Zumischen eines Teiles der wiederumlaufenden Gasströmung von einer Temperatur von ungefähr 730° C zu der Gasströmung von ungefähr 260 C ergibt sich dann eine Mischung von ungefähr 570 C, die eine Entzündung der brennbaren Bestandteile der Gasströmung ermöglicht. Innerhalb der Verbrennungs-'zone besteht dann eine geringere Temperaturdifferenz, wodurch ein besserer Wirkungsgrad erzielt wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die der Gasströmung zugemischten wiederumlaufenden heissen Abgase durch einen ringförmigen Kanal zurückgeführt, der mit der Aussenwand der Verbrennungszone in indirekter Wärmeaustauschbeziehung steht, so dass in dem System eine maximale Wärmemenge zurückgehalten wird. Vorteilhafterweise ist stromabwärts von der Verbrennungszone ein Wärmetauscher vorgesehen, der Frischluft durch indirekten Wärmeaustausch mit den die Verbrennungszone verlassenden heissen Abgasen erwärmt. Die erwärmte Frischluft, zusammen mit einem Teil der Abgase und gegebenenfalls einem Teil
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der unverbrannten Gasströmung wird dann der Behandlungszone zugeführt, aus der die Gasströmung abgezogen worden ist.
In einfachster Ausführung kann ein einzelnes Gebläse verwendet werden, um die Gasströmung aus der Behandlungszone abzuziehen und in die Verbrennungszone einzuführen sowie eine Strömung durch den Rückführkanal zu erzeugen. Gegebenenfalls können zusätzliche Gebläse verwendet werden, um die Strömungsgeschwindigkeiten in den einzelnen Kanälen zu beeinflussen.
Gemäss einer Weiterentwicklung kann ein Nebenschlusskanal vorgesehen sein, der gegebenenfalls um den Rückführkanal herum verläuft und mit diesem in Wärmeaustauschbeziehung steht derart, dass zum Ofen oder zur Behandlungszone ein .Teil der Gasströmung zurückgeführt wird. Dieser Nebenschluss gestattet die Einführung eines vorbestimmten Teiles der Gasströmung in die Verbrennungszone, um dort für eine ungefähr 80%ige Umwandlung eine Verweilzeit von etwa 0,1 bis O,2 Sekunden zu bewirken. Eine Verlängerung des Kanales von der Verbrennungszone gestattet eine grössere Verweilzeit von ungefähr 0,5 bis 0,6 Sekunden und somit eine etwa 90%ige Umwandlung.
Der Wiederumlauf der heissen Abgase aus der Verbrennungszone hat die Wirkung, dass die Einlasstemperatür bei im wesentlichen konstanter Auslasstemperatür erhöht und hierdurch der Brennstoffverbrauch des Brenners am Einlass der Verbrennungszone reduziert wird. Weiterhin wird hierdurch ein Temperaturanstieg der Gasströmung in der Verbrennungszone vermieden.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und im Zusammenhang mit der Zeichnung, die zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung enthält. In der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausfuhrungsform gemäss der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform gemäss der Erfindung;
. Fig. 3 einen schematischen Teilschnitt durch ein System zur Einführung von heissen Umlaufgasen in den Verbrennungsteil.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist eine thermische Verbrennungsanlage dargestellt, die eine Verbrennungszone 1 hat, die von einem Aussengehäus.e 2 umgeben ist. Dieses Aussengehäuse hat eine Einlassöffnung 3, die in einer Prallplatte gebildet ist, und ein Auslassteil 5, der mit einem Abgasschacht 6 verbunden ist. Durch Gasröhren 7 wird eine Wärmetarscherzone 8 geschaffen, um einen über einen Frischlufteinlass 9 eingeführten Frischluftstrom zu erwärmen. Der Frischlufteinlass 9 hat eine Ventilklappe 10, um den Frischluftstrom in das System zu steuern. Vor der Einlassöffnung 3 ist ein Mischteil 11 in Kommunikation mit einem Gebläse 12 vorgesehen, dem eine Gasströmung aus einem Leitungsrohr 13 und Frischluft über ein Leitungsrohr 14 zugeführt wird. Durch eine Ventilklappe 15 wird die in das System an dieser Stelle eingeführte Frischluftmenge gesteuert.
In Fig. 1 ist ferner schematisch ein kleiner Trockenofen als Behändlungsζone 16 dargestellt, die durch ein Anbaugehäuse 17 umgeben ist, welches beschichtete Drähte oder andere ummantelte Gegenstände aufnehmen kann, die durch die Behandlungszone hindurchbewegt werden. Durch einen Auslass 18 fliesst die Gasströmung zu einem Leitungsrohr 13 und von dort über das Gebläse 12 um einen Brenner 19 herum in den thermischen Ver-
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brennungsteil der Baueinheit. Der Brenner 19 wird über eine Leitung 2O und ein Steuerventil 21 mit Brennstoff versorgt.
Am Stromabwärtsende der Verbrennungszone 1 ist in der Seitenwand eine Heissgasöffnung 22 vorgesehen, die mit einem Rückführkanal 23 und ferner einem Umlaufkanal 24 verbunden ist, der in die Behandlungszone 16 einmündet. Der Umlaufkanal 24 ist in offener Kommunikation mit der Wärmetauscherzone 8, so dass nun ein Gasstromgemisch aus Verbrennungsprodukten "und vorgewärmter Luft in die Behandlungszone eingeführt wird.
Mit der Verbennungszone 1 bzw. mit dem Mischteil 11 ist ein Nebenschlusskanal 25 verbunden, so dass ein Teil der Gasströmung vom Gebläse 12 die Verbrennungszone umgehen und lairaittelbar zurück zur Behandlungszone 16 unter Zumischung von vorgewärmter Frischluft und heissen, aus dem Auslass 18 kommenden Verbrennungsgasen strömen kann. Der Nebenschlusskanal 25 gestattet eine gesteuerte Verbrennung, wobei nur ein vorbestixaater Teil der gesamten Gasströmung als Reststrom durch einen Abgasschacht 6 abgegeben wird.
Ferner kann der Temperaturanstieg in dem Verbrennungsteil gesteuert werden, wobei sich ein Abgleich der verschiedenen Gas-Ströme, insbesondere in Bezug auf Menge und Temperatur für die Wiedereinführung in die Behandlungszone ergibt. Eine Ventilklappe 25' kann dabei zur Steuerung der Ströme verwendet werden.
Fig. 2 zeigt eine weitere Aisführungsform der erfindungsgenessen Anlage, bei der die Rückführ- und Nebenschlusskanäle üb eine innere Verbrennungszone herum vorgesehen sind. Eir<e innere Verbrennungszone 26 ist durch ein Innengehäuse 27 definiert, das eine Gaseinlassöffnung 28 und einen offenen, in eine Gasrohr-
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anordnung 29 und einen mit dem /Jxjasschacht 31 verbundenen Auslassteil 30 einmündenden Auslass hat. Ferner ist eine Abgasleitung 32 mit einem Gebläse 33 verbunden, die in einen Einlassteil 34, eine Mischzone 35 und einen zum Verbrcnnungsteil führenden Einlass 28 mündet. Innerhalb des Einlasses 28 ist ein Brenner 36 vorgesehen, welcher eine gesteuerte Erwärmung für die Gasströmung bewirkt, die in die Verbrennungszone 26 einmündet, wodurch eine Entzündung der Gasströmung sichergestellt wird* Der Brenner 36 erhält über eine Leitung 37 und ein Ventil 38 Brennstoff.
Konzentrisch um das Innengehäuse 27 ist zur Bildung eines Rückführkanals 40 ein Zwischengehäuse 39 vorgesehen. Vom Auslassende der Verbrennungszone 26 kommende Heissgase fliessen durch eine regulierbare Sone 41 in den Rückführkanal 40 und werden von dem letzteren der Mischzone 35 und dem Einlass 28 unter entsprechender Ablenkung zugeführt, wodurch die vom Gebläse 33 kommende , mit brennbaren Bestandteilen versehene Gasströmung mit Abgasen vermischt wird* Durch den Wiederumlauf von Heissgasen ergibt sich ein GasStromgemisch von höherer Temperatur, so dass dementsprechend der Temperaturanstieg auf der ganzen Lange der Verbrennungszone 26 reduziert wird. Wenn beispielsweise die Temperatur der Gasströmung 260° C ist, also unterhalb der Entzündungstemperatur liegt f ergibt die Zumischung von ausströmenden Keissgasen mit der Gasströmung eine Temperatur von ungefähr 570° C, so dass nun eine Entzündung eintreten kann und der Temperaturanstieg in der Verbrennungszone lediglich 160 C ist und eine maxim. temperatur von ungefähr 730° C entsteht.
zone lediglich 160 C ist und eine maximale Verbrennungszonen-
In das Ströfflabwärtsende der thermischen Verbrennungsaniage ist eine Wärmetauscherzone 4A eingebaut, über eine Einlassleitung 42 und eine Ventilklappe 43 tritt Frischluft ein. Es ergibt
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sich ein indirekter Wärmeaustausch zwischen Frischluft und Verbrennungsgas in der Gasrohranordnung 29. Damit kann ein vorgewärmter Frischluftstrom dem Heisgasstrom zugemischt werden, der in den Umlaufkanal 45 einmündet, wobei dann das Gasgemisch einem Trockenofen über den Auslass 46 zugeführt wird.
Um das Innengehäuse 27 und das Zwischengehäuse 39 herum ist zur Bildung eines Nebenschlusskanals 48 ein Aussengehäuse 47 angeordnet. Eine Einlassöffnung 49 kommuniziert mit dem Gebläseeinlassteil 34 und über den Nebenschlusskanal 48 mit einem stromabwärts gelegenen Teil, und zwar in offener Kommunikation mit dem Umlaufkanal 45, so dass nur ein Teil der Gasströmung die Verbrennungszone vollständig umgehen kann und in die Behandlungszone unter Zumischung mit mindestens einem Teil der sich ergebenden Verbrennungsgase und gesteuerten Mengen von vorgewärmter Luft wieder in Umlauf gebracht wird.
Es können verschiedene Arten von Steuermitteln oder Ventilen verwendet werden. In der Zeichnung sind in der Zone 41 bewegliche Ventilklappen 50 angebracht, durch welche die Heissgasmenge reguliert wird, die in den Rückführkanal 40 eingeleitet oder aus dem Verbrennungsteil in die Behandlungszone eingeleitet wird. Eine Ventilklappe 51 steuert die Gasmenge, die über den Nebenschlusskanal 48 unmittelbar zu der Behandlungszone in Umlauf gebracht wird. Es kann erwünscht sein, lediglich einen kleinen Teil der Gasströmung in die Verbrennungszone 26 einzuführen und ferner einen verhältnismässig kleinen Teil der sich ergebenden heissen Verbrennungsgase dem Abgasschacht 31 zuzuführen.
Die Anordnung nach Fig.2 bewirkt ähnlich wie diejenige nach Fig. 1 eine verlängerte Verweilzeit in der Verbrennungszone.
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Von der Verbrennungszono 26 kommende Heissgase strömen durch eine Rohranordnung 29 zum Auslassteil 30,der mit dem Abgasschacht verbunden ist, so dass für die thermische Umwandlung von mitgeführten Bestandteilen zur Reduzierung der Luftverschmutzung eine ausreichende Zeit vorgesehen ist. In der Anordnung nach Fig.2 können innerhalb des Auslassteils 30 oder vor den Wärmetauscherrohren 29 weiterhin andere Steuerventilmittel eingebaut sein, um so den Gasstrom in engeren Grenzen zu steuern.
Die vorliegende thermische Verbrennungsanlage ist nicht auf irgendwelche vorbestimmte Gasstrommengen in den verschiedenen Kanälen und im zentralen Verbrennungsteil beschränkt. Der volumetrische Gasstrom durch die Verbrennungszone kann im wesentlichen gleich dem Strom durch den Nebenschlusskanal 48 sein oder auch grosser oder geringer. In allen Fällen ist es günstig, eine beträchtliche Menge von heissen, von dar Verbrennungszone 26 kommenden Verbrennungsgasen über den Rückführkanal 4O dem Verbrennungseinlass wieder zuzuführen, um so eine höhere Einlasstemperatür in dieser Zone zu erzeugen, wodurch die Verbrennung aufrechterhalten wird und der Temperaturanstieg in der Anlage begrenzt wird. Veränderungen können ferner in dem Wärmetauscherteil oder in der Positionierung von bestimmten Gaskanälen gemacht werden, da die Zeichnung lediglich die Erfindung schematisch darstellt. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform wird jedoch zwischen dem Rückführkanal und der Verbrennungszone 26 und ferner zwischen dem Rückführkanal 4O und dem Nebenschlusskanal 48 ein Wärmeaustausch durchgeführt.
Fig. 2 und 3 zeigen eine Abwandlung der Ausführungsform der Verbrennungszone innerhalb des Gehäuses. Das Innengehäuse 27 hat eine Vielzahl von im Abstand angeordneten, im Winkel vor-
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gesehenen Gaseinlässen 52, durch die kleine Anteile des vom Riickführkanal 4O kommenden Gasstromes an im Abstand angeordneten Punkten der Verb rennungs zone 26 zugeführt v/erden. Hierdurch wird der Temperaturanstieg in der Verbrennungszone reduziert. Die Gaseinlässe 52 sind nur schematisch dargestellt und können in bezug auf ihre Anzahl und ihre Winkelanordnung zur Wand der Verbrennungszone den Verhältnissen entsprechend abgewandelt werden.
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Claims (12)

A 38 802 h 23.April 1971 Patentansprüche :
1. Verbrennungsofen mit einer langgestreckten Verbrennungszone, die an einem Ende über einen Abgasschacht mit der Atmosphäre verbunden ist, mit mindestens einer einstellbaren Frischluftzufuhr und mit Wärmeaustausch zwischen den heissen Abgasen des Ofens und einer diesem zugeführten kälteren Gasströmung, dadurch gekennzeichnet, dass für die Gasströmung ein Kreislauf vorhanden ist, der von dem einen Ende (22) der Verbrennungszone (1) durch eine Behandlungszone (16) zur thermischen Behandlung von Gegenständen, in welcher dabei brennbare Stoffe entstehen und sich der Gasströmung beimischen^ zu dem anderen Ende (11) der Verbrennungszone (1) führt, dass an dem anderen Ende (11) der Verbrennungszone (1) ein Brenner (19) mit einstellbarer Brennstoffzufuhr angeordnet ist, dass das eine Ende (22) der Verbrennungszone (1) über einen Rückführkanal (23) zum Rückführen der heisssoi Abgase unmittelbar mit dem anderen Ende (11) der Verbrennungszone (1) verbunden ist und dass in der Gasströmung ein Gebläse (12) vorgesehen ist, das die Gasströmung durch die Verbrennungszone (1), die Behandlungszone (16), den Rückführkanal (23) sowie auch durch den Abgasschacht (6) aufrechtzuerhalten vermag.
2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungszone (16) ein Trockenofen ist.
3. Verbrennungsofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (19) ungefähr zentrisch zu der Verbrennungszone (1) angeordnet und in diese hinein gerichtet ist.
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4". Verbrennungsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurh gekennzeichnet, dass der Rückführkanal (23) und die Verbrennungszone (1) in WärmeaustauschVerbindung stehen.
5. Verbrennungsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Ende (11) der Verbrennungszone (1) über einen Nebenschlusskanal (25) zur Wiederzuführung eines Teiles der Gasströmung zu der Behandlungszone (16) unmittelbar mit dieser verbunden ist.
6. Verbrennungsofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenschlusskanal (25) und der Rückführkanal (2.3) in Wärmeaustauschverbindung stehen.
7. Verbrennungsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem einen Ende (22) der Verbrennungszone (1) ein Wärmetauscher (8) angeordnet ist, der einerseits mit einem Frischlufteinlass (9) und andererseits zum Zumischen von erwärmter Frischluft zu der Gasströmung mit der Behändlungszone (16) verbunden ist.
8. Verbrennungsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass an dem einen Ende (22) der Verbrennungszone (1) Strömungs-Einstellglieder (251) vorgesehen sind, mit denen die Strömung in dem .Rückführkanal (23) bzw. zu der Behandlungszone (16) einstellbar ist.
9. Verbrennungszofen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückführkanal (40) - im Querschnitt gesehen - ringförmig um die Verbrennungszone (26) angeordnet ist.
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10. Verbrennungsofen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich-rnet, dass der Nebenschlusskanal (48) - im Querschnitt, gesehen - ringförmig um den Rückführkanal (40) angeordnet ist.
11. Verbrennungsofen nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ncbenschlusskanal (48) Ströimmgs-Einstellglieder (51) vorgesehen sind, mit denen die Strömung zu der Verbrennungszone (26) bzw. zu dem "Nebenschlusskanal (48) einstellbar ist.
12. Verbrennungsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasströmung vor der Zuführung zu der Verbrennungszone' (1) eine vorbestimmte Menge an Frischluft zumischbar ist.
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