DE2657856A1 - Reaktorsystem fuer ein fluidatbett - Google Patents

Reaktorsystem fuer ein fluidatbett

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DE2657856A1
DE2657856A1 DE19762657856 DE2657856A DE2657856A1 DE 2657856 A1 DE2657856 A1 DE 2657856A1 DE 19762657856 DE19762657856 DE 19762657856 DE 2657856 A DE2657856 A DE 2657856A DE 2657856 A1 DE2657856 A1 DE 2657856A1
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Description

PATENTANWÄLTE
Dipl.-lng. P. WIRTH · Dr. V. SCHMIED-KOWARZIK Dlpl.-Ing. G. DANNENBERG - Dr. P. WEINHOLD ■ Dr. D. GUDEL
281134 6 FRANKFURT AM MAIN
TELEFON (0611}
237014 GR. ESCHENHEIMER STP.ASSE
20. -Dezember"119?6
Gu/Schu
COMMOm'ffiALTH SCIENTIFIC AND INDUSTRIAL RESEARCH ORGANIZATION Limestone Avenue
Campbell / AUSTRALIEN
Reaktorsystem für ein Fluidatbett
827/0930
Die Erfindung bezieht sich auf rohrförmige Reaktoren in öfen mit einem Fluidatbett. Sie ist insbesondere anwendbar auf ein in sich geschlossenes Reaktorsystem für kohlenstoffhaltige Materialien, bei denen wenigstens ein Teil des Koks (char) oder des Gases oder des im Reaktor erzeugten Teers dem Fluidatbstt ZUi" Verbrennung im Bett zugeführt v/ir-K urn desr.en Temperatur aufrechtzuerhalten.
Systeme,, in denen chemische Reaktoren und/oder Rohre mit einem Fluid oder teilchenförmigem Material ganz oder teilweise in ein Fluidatbett eingetaucht v/erden, um die Temperatur einer Reaktion zu steuern, oder um ¥ärme oder Kälte aus dem Bett abzuziehen, sind bekannt. Beispielsweise beschreiben D» Kunii und 0. Levenspiel in ihrem Buch " Fluidization Engineering", Seite 24 einen chemischen Reaktor von CF. Adams et äl, der in "Industrial Engineering Chemistry", Band 46, Seite 2458 (1954) erwähnt ist. Die U3-r5 2,674,61-2 und 3,562,115 beschreiben ebenfalls von einem Fluidatbett kontrollierte Reaktorsysteme (die erstgenannte PS ein rohrförmiges Reaktorsystem, die an zweiter Stelle genannte PS eine Retorte zum Karbonisieren, die in ein steuerndes Fluidatbett eingetaucht ist), Denselben Gegenstand beschreibt die australische Patentanmeldung Nr. 51 833/73 (dieses Dokument beschreibt einen Kiln oder Darrofen, der von eineni Fluidatbett getragen ist, der auch beispielsweise zum Einfrieren %ron Objekten verwendet werden kann, beispielsweise Krabben). Die Erzeugung von Dampf unter Verwendung von Wasser führenden Rohren, die in einen heißen Fluidatbett eingetaucht sind, ist ebenfalls bekannt. Eine neuere Veröffentlichung, die solche S3rsteme beschreibt, ist der Aufsatz von H.B. Locke im "Journal of the Institute of Fuel", September 1974 auf den Seiten 190 - 197.
Verwendung von Systemen mit Fluidatbett in diesen Fällen ist nicht schwer zu erfassen, weil eine Beheizung durch ein Fluidatbett eine Anzahl von Vorteilen verglichen mit einer Heizung über Gaskonvektion aufweist. Solche Vorteile sind:
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I. Die Bett-Temperatur kann relativ niedrig und gleichförmig eingestellt werden, wodurch die Gefahr von heißen Stellen und des Ausbrennens verringert wird und dünnwandigere Rohre eingesetzt v/erden können;
II. Die äußeren Rohrflächer» werden sauber und relativ frei von Korrosion, Erosion und Ablagerungen gehalten;
III. Es ergeben sich hohe. Wärmeübergangs zahlen - etwa eine Größenordnung höher als diejenigen für ähnliche Rohre in Öfen mit heißen, konvektierenden Gasen wodurch weniger Metallrohre irn Wärmeübertragungssystem verwendet werden können, was wiederum die Kapitalkosten des Systems verringert.
In der australischen Patentanmeldung 83 215/75 wird es erwähnt, 'daß teilchenförmiges, brennbares oder teilweise brennbares Material (beispielsweise Ausschußmaterial aus einer Kohlewäsche) einem Fluidatbett zugeführt wird, so daß das brennbare Material innerhalb des Fluidatbettes verbrannt wird und die Temperatur des Bettes aufrecht erhalten bleibt, ohne daß zusätzlicher Brennstoff zugeführt werden muß. Die vorstehende Erfindung ergibt in einem ihrer Aspekte einen Vorteil bezüglich dieses Systems, weil Kohle oder ähnliches Material in trockenem teilchenförmigem Zustand oder in pastenförmiger oder schleimiger Form karbonisiert oder auf andere Weise in einem Gefäß zur Reaktion gebracht werden kann, welches in ein Fluidatbett eingetaucht ist. Wenigstens ein Teil des verbrennbaren Produktes der Reaktion kann außerdem innerhalb des Bettes verbrannt v/erden, um dessen Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten. Es wird daher ein im wesentlichen in sich geschlossenes Verfahrenssystem ausgebildet (eine,Ausnahme bilden die Fälle, beispielsweise die Behandlung von Abfällen oder dünnflüssigen Schlämmen, wobei das Fördermaterial nicht ausreichend kohlenstoffhaltiges Material enthält, um die gesamte benötigte Hitze
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zu liefern, um die Temperatur des Fluidatbettes aufrechtzuerhalten; in diesen Fällen wird auch einiges zusätzliche Öl oder Brennstoff ebenfalls im Fluidatbett verbrannt). Als weitere Verbesserung kann das Fluidatbett im wesentlichen auch für-eine getrennte Dampferzeugung verwendet werden. Der dabei hergestellte Dampf wird verwendet, um die Kohle unter Druck durch den Reaktor zu transportieren, oder um Wärme und/oder Leistung aus dem System herauszuführen.
Erfindungsgemäß umfaßt ein Reaktorsystem für teilchenförmiges, fluides oder suspendiertes Material, von dem wenigstens ein Teil kohlenstoffhaltig ist, folgende Merkmale:
I. Ein heißes Fluidatbett;
II. wenigstens einen rohrförmigen Reaktor, der durch das Fluidatbett geht und das teilchenförraige Material, das Fluide oder das suspendierte Material mit sich führt;
III. Mittel, um die gasförmigen, flüssigen und festen Reaktionsprodukte am Ausgang vom rohrförmigen Reaktor oder von wenigstens einem der rohrförmigen Reaktoren zu trennen und
IV. Mittel, um wenigstens einen Teil der Reaktionsprodukte zu dem Fluidatbett zur dortigen Verbrennung zuzuführen.
Der rohrförmige Reaktor kann eine beliebige geeignete Form und Ausrichtung im Bett haben. Er soll einen zufriedenstellenden Durchsatz des Fördermaterials des Reaktors ermöglichen. Der Durchsatz kann pneumatisch oder mechanisch erfolgen. Wenn der Durchsatz mit Gas bewirkt oder unterstützt wird, kann das Gas vorgeheizt worden sein, wobei die Abwärme des Fluidatbettes verwendet werden kann. Eine mechanische Unterstützung
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des Durchsatzes erfolgt im wesentlichen durch Verwendung einer Schnecke oder eines Vibrators, und zwar in Übereinstimmung mit bekannten Techniken. Das Fördermaterial kann durch eine Reihe von rohrförmigen Reaktoren mehrfach hindurchgeführt werden,'wenn" dies notwendig ist. Dies kann ein Zurückführen eines Töil es- dea Frod-iktgaso:; > de f.; Teers oöe-r des Kokses odar der inerten heißen Bett-Teilchen mit dem zugeführten Vorrat bedeuten« Reaktionen können unter hohem oder niedrigem Druck erfolgen. Die Temperatur des Fluidatbettes hängt wesentlich von der Art der im Reaktor durchzuführenden Reaktion ab.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, aus denen sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Die Figuren zeigen schema tisch Fluidatbett-Reaktorsysteme nach der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein rohrförmiger Reaktor. 10 horizontal innerhalb eines Fluidatbettes 11 aus teilchenförmigen! Material angeordnet. Ein kohlenstoffhaltiges Vorratiiiuaterial (bei diesem Beispiel teilchenförmiges Material 13, welches in einem Vorratstrichter 14-aufbewahrt ist) wird durch den Reaktor 10 unter Vervrendung von Gas oder Dampf transportiert, welches dadurch vorgeheizt worden ist, daß es durch Rohre 18 geleitet worden ist, die im Gebiet von Abfallgas (Rauchgas) über dem Bett vorherrschen. Dadurch wird wesentliche Wärmeenergie aus dem Abgas des Fluidatbettes und des Verbrennungogases wiedergewonnen.
Das Fluidatbett wird typisch erweise im Temr>eraturbereich zwischen 700 Und 1100° C betrieben, und zwar abhängig von dar im Reaktor 10 erforderten Reaktion. Für eine einfache Karbonisierung von Kohle bei niedriger Temperatur, die bei Temperaturen von etwa 500 oder 600°C erfolgt, und zwar abhängig davon, ob die Verweilzeit der Kohle lang oder kurz ist, wird das Fluidatbett bei einer Temperatur von etwa 75O°C gehalten. Dabei können die Reaktionsrohr au." austenitisehen Stahl bestehen (beispielsweise Stahlrohren von 50 mm Durchmesser, die herkoTimlicherweise bei Rohrervärn-arn verwendet wer,! ja). Aur.te-
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nitLseher Stahl kann auch für Reaktoren verwendet v/erden, in denen eins flüssige und dampfxöriniga Hydrierung von Kohle unter Druck unter Verwendung ge ei 3713 ter Lösungsmittel und Kydriergass stattfindet. Bei Reakciorian mit höheren Temperaturen (beispielsweise der Vergasung ocl^r Gas-Hydrierung von Kohle (liydrogasixikation) oder da::i Spalten von Kohlenwasserstoffen, ba Ki^pIeJ ev:eiaQ von Braunkohl ivA'o1':?.) jedoch v--^r den fle tallrohre für die Reaktoren erforderlich, die der Wärme und Korrosion widerstehen können.
Obgleich nur ein einziger rohrförmiger Reaktor 10 in Fig. 1 gezeigt ist, können auch Reihen von Rohren verwendet werden, um den Durchsatz zu erhöhen.
Bis etwa 50 °,i der dem Fluidatbett zugeführten Wärme kann von den rohrförmigen Reaktoren absorbiert werden. Im Fall eines am Eingang zugeführten teilchenförmigen Kohlematerlals ist es auch bei kurzen Varv/eilzeitöu^in^Syt^GTöß^nordnung von Oj 1 Sek einige flüchtige Bestandteile und Tear abzuziehen, und Koks (char) zu erzeugen. Ein Zyklon 15 am .Ausgangsende des rohrförmigen Reaktors 10 ermöglicht es, daß das Gas und die Teerprodukte vom festen Koks getrennt und über eine Leitung 16 ausgeführt werdnn. Der Koks wird in einem Gefäß 17 gesammelt. Ausreichend Koks, um die Temperatur des Fluidatbettes durch Verbrennung aufrechtzuerhalten, wird vom Gefäß 17 über eine Leitung 12 (oder durch andere geeignete Mittel, wie dies in der Beschreibung dar erwähnten australischen Patentanmeldung S3 215/75 aufgeführt ist) geführt. Alternativ kann Produktgas oder Teer in das Fluidatgas oder das ausströmende Gas aus dein Fluidatbett zum selben Zweck beigegeben werden.
Wenn es erforderlich ist (beispielsweise um die Ausbeute an Gas und Teerprodukten zu optimieren), so kann ein doppeltes Durchleitungssystem (beispielsweise das nach Fig. 2) verwendet werden. (In dieser Figur wie auch in den anderen Figuren
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sind einander ähnliche oder gleiche Bauelemente mit denselben Bezugsziffern wie in Fig. 1 versehen.) Dieses Konzept kann auf allgemeine Systeme mit mehreren Durchgängen erweitert werden, vfo die gewünschte Reaktion eine aufeinanderfolgende Wärmebehandlung des Vorrates in mehreren Stufen erfordert. Diese Behandlung in mehreren Stufen \^mn in aine-r Ksi'üe von Rohren erfolgen, die in Serie und/oder parallel geschaltet sind, wobei möglicherweise nur ein Teil ei?)es der verschiedenen Produkte einer vorhergehenden Stufe verwendet wird.
Die Temperatur in den Reaktorrohren hängt unter anderem von der verteilten Wärmeübertragungsrate durch das Rohr ab, der Bett-Temperatur, der Enthalpy des Förderstroms und der Reaktionsprodukte, der Reaktionswärme und der Anordnung der R.ohre in der Fluidatkammer (d.h. innerhalb des Bettes oder in den Rauchgasen über dem Bett).
Figur 3 zeigt eine weitere Abänderung, die bei den Systemen nach Fig. 1 und 2 angewendet v/erden kann, wobei einiges des Bettmaterials über einen Abzug nach unten ausgeführt wird und mit dem teilchenförmigen Vorratsmaterial vermischt wird, wenn dies durch das Reaktorrohr 10 geführt wird. Bei dieser Anordnung wird der mitführende Gasstrom - gegebenenfalls zusätzlich vorgeheizt,und der Wärmetransport quer durch das Reaktorrohr· wird unterstützt. Diese Anordnung verhindert auch ein Verklumpen, wenn der Förderstrom die Tendenz zu verklumpen oder zu verkoken hat, wenn er beheizt wird.
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform mit Vorheizung ähnlich nach Figur 3 mit der Ausnahme, daß der Produktkoks anstelle des inerten. Bettmaterials verwendet wird. Dies verhindert eine Verdünnung des Produktkokses mit dem Bettmaterial.
Die Ausführungsform nach Fig. 5 verwendet ein gewundenes Reaktorrohr 10, wodurch sich längere Verweilzeiten des Vorrats-
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materials in der Reaktionszone ergeben (0,1 - 10 Sekunden).
Bei der Ausführungsform nach Figur 6 wird ein vertikales Reaktorrohr verwendet. Der teilchenförmige Förderstrom wird oben zugeführt und Koks wird vom Boden abgezogen. Verweilzeiten im Reaktor von 1-100 Sekunden können bei dieser Ausführungsform erreicht werden. Die Teilchen im Rohr können bewegt oder zu einem Fluid gemacht- werden, während sie sich in der Reaktionszone befinden, und zwar durch einen in Gegenrichtung strömenden Gasstrom .19, der das Sammeln von Teer und flüchtigen Bestandteilen vom Förder- oder Vorratsstrom unterstützt.
Eine alternative Ausführungsform zur Erlangung langer Verweilzeiten ist in Figur 7 gezeigt« Dort wird der Förderstrom am Boden eines Reaktors des Typs nach Figur 6 zugeführt (wobei aber das Reaktorrohr geneigt sein soll). Der Förderstrom wird durch das Reaktorrohr durch Mitnahme in einem Fördergas transportiert. Dadurch haben die größeren Teilchen längere Verweilzeiten in der Reaktionszone als kleinere Teilchen. Dies ist im allgemeinen für eine äquivalente Umwandlung der größeren Teilchen notwendig. Die Neigung des Reaktorrohres erleichtert die Abführung von flüchtigen Produkten aus dem Förderstrom.
Das U-förmige Reaktorrohr nach Fig. 1 ermöglicht es, daß das Fördermaterial und der erhaltene Koks mehrfach in einem Kreislauf geführt wird, bevor der Produktkoks abgezogen wird. Dadurch können die Verweilzeiten der festen Teilchen im Reaktor auf 100 - 1000 Sekunden angehoben werden, und zwar abhängig vom Volumen der gespeicherten Festteilchen und abhängig vom Umlauf im Verhältnis zu der Zufuhr oder zum Abzug von Koks. Die festen Teilchen strömen nach unten in einem sich bewegenden Bett 20 innerhalb eines vertikalen Schenkels des U-förmigen Rohres und werden nach oben wieder zurückgeführt in dem anderen Schenkel, wobei sie durch ein Fördergas mitgenommen
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werden, welches bei einem Gaseinlaß 21 zugeführt wird. Ein Vorratstrichter 22 enthält vorzugsweise heißes Bettmaterial zur Mitnahme im zirkulierenden Gas, um den Umlauf und den Wärmeübergang zu erleichtern. Zusätzliche Festteilchen werden kontinuierlich oder intermetierend von der Oberseite (wie in der Figur dargestellt) oder vom Boden des Reaktors abgezogen.
Obgleich bei' den beschriebenen Ausführungs'beispielen Vorräte mit festem teilchenförmigen Material gezeigt wurden, können auch andere Vorratsmaterialien verwendet v/erden, beispielsweise Schlamme oder Flüssigkeiten, die kohlenstoffhaltige Materialien enthalten und ein festes, flüssiges oder gasförmiges Produkt ergeben, welches in dem Fluidatbett verbrannt werden kann, um dessen Temperatur aufrechtzuerhalten. Bei schlammförmigen Materialien können diese entwässert werden, und zwar entweder wie in der australischen Patentanmeldung 83 2*17/75 beschrieben, oder in einem vorgeschalteten Trockenrohr—Reaktor als erster Durchgang oder erste Durchgänge eines mehrstufigen Behandlungssystems nach der Erfindung.
In einem System können verschiedene Reaktionstypen durchgeführt werden. Beispielsweise können bei Kohle Schlamme entwässert werden (im Fall der Behandlung von Abfällen aus einer Kohlewäscherei) in einem Trocknungsrohr-Reaktor, der getrocknete Schlamm kann bei niedrigen Temperaturen in einem Karbonisierungsreaktor mit mehreren Rohren karbonisiert werden, um verschiedene Teerprodukte, Gas und Koks zu erzeugen, ein Teil des Teeres kann thermisch gespalten oder dealkyliert werden, um leichtere aromatische Kohlenwasserstoffe, Äthylen und pyrolytischen Kohlenstoff zu ergeben, ein Teil des Kokse3 kann mit Dampf vergast werden, um Synthesegas und Aktivkohle zu ergeben, und ein weiterer Teil des Kokses kann als Brennmittel im Ofen verbrannt v/erden, um Wärme den verschiedenen Reaktionen zuzuführen, und um Dampf und Energie zu erzeugen. Ein solches integriertes Schema verwandelt1 Kohle in Öl, Gas, Aktivkohle, Koks., Dampf und Energie.
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Das System nach der vorliegenden Erfindung findet ebenfalls eine nützliche Anwendung bei der Wiedergewinnung von Produkten aus industriellen und kommunalen Abfällen. Zusätzlich hat es Anwendungen bei der Wärmebehandlung von Mineralien durch Prozesse wie Trocknen, Rösten, Kalzinieren·, Reduzieren (beispielsweise von Eisenerz) und anderen pyronietallurgischen Verfahren, wenn parallele Reaktorsysteme verwendet werden. Ein System behandelt dabei die'kohlenstoffhaltigen Materialien, um die Wärme für das Fluidatbett zu liefern. In ähnlicher Weise kann die vorliegende Erfindung zum Destillieren und zur Pyrolyse von festen und flüssigen organischen Materialien verwendet werden.
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Claims (13)

1. Fteaktorsystem für teilchenförmiges, fluides oder suspendiertes Material, von dem wenigstens ein Teil kohlenstoffhaltig ist,
gekennzeichnet durch
I. ein heißes Fluidatbött,
II, wenigstens einen rohrförmigen Reaktor, der durch das Fluidatbett geht und das teilchenförrnige Material, das Fluide oder das suspendierte Material mit sich führt,
III. Mittel, um. die gasförmigen, flüssigen und festen Reaktionsprodukte am Ausgang vorn rohrförmigen Reaktor oder von wenigstens einem dsr rohrförmigen Reaktoren zu trennen und
IV, Mittel, um wenigstens einen Teil der Reaktionsprodukte zu dem Pluidatbett zur dortigen Verbrennung zuzuführen.
2. Reaktorsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß Mittel für die Zufuhr von Gas zum Fördern des Materials durch den oder die rohrförmigen Reaktoren vorgesehen sind.
3. Reaktorsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch- gekennzeichnet, daß die Trennmittel als Zyklon (15) ausgebildet sind,
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INSPECTED
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4. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 - J, rl ο. d u roh gekennzeichnet, dan der rohrf-'irmige Reaktor· (10) oder wenigstens einer der rohrförnü -;ώ !leakboren gewunden ist, um die Verweilzelt riss Iiat^i-ial3 in dem oder den Reaktoren su vergrößern (FIc- 3K
5. Reaktors3'-3"texT: nach einem der Ansprüche 1 - 3, d α d u r c h g e k e η η ;: 9 i c h η ο t , daß der rohrförmig« Reaktor (K)) oder wenigstens einer der rohrförmigen Reaktoren einen Winkel mit der Horizontal ο η einschließt und daß das Material nach oben dorthin durchgefördort wird (Fig. 7).
6. Reaktorsystem nach Anspruch 1,
dadurch g eke η nze lehnet , daß der rohrförnige Reaktor (10) oder wenigstens einer der rohrförmigen Reaktoren sich vertikal innerhalb des Fluidatbettes (11) befindet, daß das behandelte Material in teil« chenförraiger Form vorliegt und durch den vertikalen Reaktor oder die Reaktoren durch P^hv/erkraf t gefördert wird, und daß Mittel für die Zufuhr von Gas vorgesehen sind, und zwar in ein231 Gegenstrom zum Teilchens brom durch den oder die vertikalen Reaktoren, wodurch die darin enthaltenen Teilchen bewegt oder fluidiert v/erden (Fig. 6).
7. Reaktorsysten nach Anspruch 2,
d a d u r c Ii g e k e η η :t eich η e t , daß der rohrföraige Reaktor (10) oder wenigstens einer der rohrförmigen Reaktoren im wesentlichen U-förmig ausgebildet ist, daß das zu behandelnde Material teilchenförmig vorliegt, \vad daß die Mittel für die Zufuhr von Gas das Gas bei einer Geschwindigkeit zuführen können, die ausreicht} um das teilchenxörmige Material im Gasstrom durch den oder jeden U-fÖrmigan Reaktor mitzunehmen (FIg. 8).
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8. Reaktorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichne daß der oder jeder U-förmige Reaktor (10) derart angeordnet ist, daß die Ebene, die die Arme des U enthält, einen spitzen Winkel mit der Vertikalen einschließt.
9. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter rohrförmiger Reaktor (10) oder eine Reihe von rohrförmigen Reaktoren vorgesehen ist, die durch das Fluidatbett (11) geführt sind, wobei wenigstens ein Teil der Reaktionsprodukte vom ersten rohrförmigen Reaktor oder einer Serie von rohrförmigen Reaktoren durch den zweiten Reaktor oder die Reaktoren für eine nachfolgende Behandlung gefördert wird (Flg. 2).
10. Reaktorsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein weiterer rohrförmiger Reaktor (10) oder eine Reihe von rohrförmigen Reaktoren vorgesehen ist, die für eine v/eitere Behandlung von wenigstens einem Teil des oder der Reaktionsprodukte einer vorhergehenden Behandlungsstufe durch das Fluidatbett (11) gehen.
11. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (118) vorgesehen sind, um Teilchen aus dem heißen Fluidatbett (11) herauszuziehen und diese mit dem zu behandelnden Material zu mischen, wodurch das Material vorbehandelt wird.
12. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet,
daß Mittel (15) vorgesehen sind, um feste Teilchen von den . festen Reaktionsprodukten abzuziehen und diese abgezogenen
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Teilchen rait dem zu behandelnden Material zu mischen, wodurch das Material vorbehandelt wird (Fig. 4).
13. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 -12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeaiastauscher (18) sich innerhalb oder über dem Fluidatbett (11) befindet (Fig. 1).
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