DE2717760A1 - Vorrichtung zur verbrennung von festen und halbfesten abfallteilchen, insbesondere polymeren - Google Patents

Description

Ucht, Schmidt Hansmann & Henmann

* UeW. Schmidt. Hcrarann. Han-mann · PMtfach 701205 -8000 München 70 '

Patentanwälte

Dipl.-lng. Martin Licht Dr. Reinhold Schmidt Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

Albert-Roehaupter-Str. 8000 München 70

Titafon: (089)7603091 Titex: 5 212 284p«ud

Lipetli München

JOHN ZINK COMPANY 4401 South Peoria Tulsa, Oklahoma U.S.A.

21. April 1977 Ke/Ba

Vorrichtung zur Verbrennung von festen und halb· festen Abfal1tei1chen, insbesondere Polymeren

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Deutsch· Bank München. Kto.-Nr. 82/08050 (BLZ 70070010)

Postscheck München Nr. 163397-802

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbrennung von festen und halbfesten Abfal 1tei1chen, insbesondere Polymeren, und befasst sich vor allem mit der Verbrennung von solchem Abfallpolymermaterial, wie Polyäthylen, Plasten, Gummiverbindungen, halbfesten Schlämmen und anderen verbrennbaren Feststoffen.

Es fallen große Mengen an Abfallplastikmaterialien an, die beseitigt werden müssen, und dies ist bisher in gewöhnlichen öfen geschehen, wobei jedoch erhebliche Schwierigkeiten auftraten. Viele Probleme ergeben sich durch die unvollständige Verbrennung und die daraus folgende Verschmutzung der Atmosphäre mit Rauch und toxischen Chemikalien. Andere Probleme entstehen aus zu hohen Temperaturen innerhalb der Verbrennungsvorrichtung, etc.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Vorrichtung zur Verbrennung zu schaffen, durch die ausgewählte Feststoffmaterialien, beispielsweise Polymere, die bei einer bestimmten Temperatur schmelzen, unter kontrollierten Temperaturbedingungen vollständig verbrannt werden können, wobei die Verbrennungswärme ausgenutzt wird.

In diesem Zusammenhang soll eine Vorrichtung der genannten Art geschaffen werden, in der das Feststoffmaterial geschmolzen und in einem ersten Abschnitt verdampft wird, und zwar unter reduzierenden Bedingungen, um dadurch Verbrennungsprodukte zu erzeugen, die in einen Nachbrennerabschnitt strömen, wo die Gase mit Luftüberschuß vollständig verbrannt werden, und zwar unter kontrollierten Temperaturbedingungen, so daß keine Stickoxide entstehen.

In diesem Zusammenhang soll die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung für Abfall aus Polymermaterial so beschaffen sein,

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daß das feste Material geschmolzen wird und ein Flüssigkeitsbad entsteht, das an der Oberfläche unter reduzierenden Bedingungen brennt, so daß Verbrennungsprodukte erzeugt werden, die zu einer Nachbrennerkammer aufsteigen, wo die Gase unter Luftüberschuß vollständig verbrannt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine zylindrische Vorrichtung gelöst, die entweder waagrecht oder senkrecht angeordnet ist und drei Tandem-Abschnitte aufweist, sowie einen Bodenabschnitt mit wassergekühlten Wänden, der, während er in der Verbrennungszone eine gewählte Temperatur aufrechterhält, Mittel aufweist, mit denen die Verbrennungswärme entfernt warden kann, um sie irgendwo zu nutzen, falls dies gewünscht wird. Ferner ist eine öffnungseinrichtung vorhanden, die zur Beschickung der unteren Kammer mit Abfallmaterial dient. Mit einem Brenner oder einer anderen Vorrichtung wird das Feststoffmaterial gezündet. Die teilweise Verbrennung des Feststoffmaterials schafft eine Betriebstemperatur, bei der das Material schmilzt und auf dem Boden der Kammer ein Flüssigkeitsbad bildet. Verbrennungsluft wird in die Kammer durch mehrere Rohre unter Druck eingeblasen und dient dazu, das Material unter reduzierenden Bedingungen teilweise zu verbrennen.

Die gasförmigen Verbrennungsprodukte strömen durch eine keramische Drossel am Kopf der unteren Kammer in einen Nachbrennerabschnitt, der oben auf der Drossel angeordnet ist. Hier werden von einem Brenner Mittel zum Zünden der brennbaren Gase geboten, die durch die Drossel nach oben steigt, und es wird unter Druck stehende Verbrennungsluft im Oberschuss durch mehrere Rohre tangential zu der Nachbrennerkammer zugeführt, die die Verweilzeit vergrößert und für eine turbulente Vermischung sorgt, so daß alle verbrennbaren Bestand-

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teile des Abfallmaterials vollständig verbrannt werden.

Als weiteres Mittel zur Aufrechterhaltung einer Grenztemperatur in der Nachbrennerkammer können Dampf, Wasserteilchen, Wasserdampf, Luft oder inerte Gase so eingeblasen werden, daß sie die Verbrennungsprodukte verdünnen und abkühlen, bevor diese in den Kamin eintreten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine senkrechte Schnittansicht der erfindungsgemäßen Vorri chtung,

Fig. 2 eine vergrößerte Detailansicht der unteren Kammer oder Reduktionskammer,

Fig. 3 eine Detailansicht der unteren Kammer, aus der das System zur Einleitung von Verbrennungsluft ersichtlich ist,

Fig. 4 eine Detailansicht der unteren Kammer, die die Eintrittsöffnung für das Feststoffmaterial und den Brenner zeigt, und

Fig. 5 eine Ansicht der Brennerkonstruktion, wie sie in die untere Reduktionskammer und die Nachbrennerkammer eingebaut wird.

In Fig. 1 ist in senkrechter Schnittansicht die vollständige

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Vorrichtung 10 zur Verbrennung von festen und halbfesten Abfal 1teilchen, insbesondere aus Kunststoffen, dargestellt. Die Vorrichtung weist drei Basisteile auf plus Schornstein, falls erforderlich, nämlich eine untere Verbrennungskammer 16, die eine reduzierende Atmosphäre enthält, in die Feststoffmaterial zusammen mit der Verbrennungsluft in einer weniger als stöchiometrisehen Menge eingeblasen wird, ferner einen mittleren Teil 52, der eine keramische Drosselsteile darstellt, die eine verkleinerte Mittelöffnung für den Durchgang der Verbrennungsprodukte aus der unteren Kammer aufweist, und oben auf der Drosselstelle einen dritten Teil 12, in dem die in der reduzierenden Atmosphäre der unteren Kammer erzeugten Gase mit Luftüberschuss vollständig verbrannt werden.

Das Bezugszeichen 16 bezeichnet ganz allgemein die untere oder Reduktionskammer. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet ganz allgemein die obere oder Nachbrennerkammer. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet den Kamin, von dem aus die Verbrennungsprodukte in die Atmosphäre entweichen. Die untere Kammer 16 bildet eine doppelwandige, senkrechte, zylindrische Kammer mit einem Boden 21, einer Außenwand 17, Innenwänden 18 und einem oberen Flansch 53 zur Befestigung an dem Drosselteil.

Dem Ringraum 20 zwischen den Außen- und Innenwänden 17 und 18 wird mit Hilfe einer Einlassleitung 22 Wasser zugeführt, das in dieser Leitung gemäß dem Pfeil 24 strömt und dabei von einem Ventil 23 gesteuert wird. Das eintretende Wasser strömt in den Boden der unteren Kammer und verlässt diesen je nachdem als heißes Wasser oder Dampf gemäß dem Pfeil 27 durch die Austrittsleitung 26 am oberen Ende der Kammer. Der Gegendruck wird mit Hilfe eines Austrittsventils

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28 gesteuert.

Der Wassermantel besitzt eine doppelte Aufgabe, um die Temperatur des in der unteren Reduktionskammer verbrannten Abfallmaterials zu steuern. In der Kammer befindet sich ein Keramikboden 30, und das Feststoffmaterial kann in den Innenraum 29 durch eine Öffnung 46 eingeblasen werden, die noch im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben wird.

Dieses System eignet sich zur Verbrennung von Abfallmaterialien, die bei einer gewählten Temperatur schmelzen, so beispielsweise Polymermaterialien, wie Polyäthylen, Polypropylen und ganz allgemein thermoplastische Materialien. Die Temperatur, die in der unteren Kammer aufrechterhalten wird, ist so gewählt, daß diese Materialien schmelzen, wodurch ein Flüssigkeitsbad 32 entsteht, das eine Oberfläche 38 aufweist. Eine Öffnung 70 ist in der Wand der unteren Kammer vorhanden. In diese Öffnung wird ein Brenner eingesteckt, der eine Einrichtung zur Zündung des Festmaterials bildet und außerdem die Oberfläche 38 des Flüssigkeitsbads 32 in Brand setzt. Einzelheiten des Brenners sind im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben.

Mehrere tangentiale Leitungen 36, die insbesondere in Fig. dargestellt sind, erstrecken sich durch die Wand der unteren Kammer an einer Stelle über der Oberfläche 38 des geschmolzenen Materials. Außerdem ist eine Sammelleitung 34 vorhanden, die die untere Kammer 16 umgibt und an die diese Leitungen

36 durch eine Drossel 35 und eine zu einem Kompressor, Gebläse oder einer anderen Quelle 36 für Pressluft führende Leitung

37 angeschlossen sind. Mit Hilfe der Drossel 35 wird die Strömungsgeschwindigkeit der in den Raum 29 eintretenden

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Verbrennungsluft gesteuert, so daß eine reduzierende Atmosphäre aufrechterhalten wird. Das heißt, die Luftmenge ist geringer als die zur vollständigen Verbrennung der Elemente in dem Material, das gerade verbrannt wird, erforderlich ist. Durch Verwendung einer geringeren Verbrennungsluftmenge sind die in der unteren Kammer erzeugten Verbrennungsprodukte noch weiter verbrennbar und strömen in den Nachbrenner oder die obere Kammer 12 nach oben.

Der Zweck der Drossel 52, die aufgrund der hohen Temperatur aus Keramikmaterial gefertigt ist, besteht darin, eine öffnung 54 reduzierten Querschnitts zu schaffen, so daß die Gase im Raum 29 beim Durchgang durch die Öffnung 54 nach oben eingeschnürt werden.

Die obereKammer 12 erstreckt sich von der Drossel aus aufwärts und kann einen Teil der Drossel bilden, jedoch auch als getrennter Teil an der Drossel 52 angebracht werden. Die obere Kammer 12 weist eine Außenwand 48 mit einer Wärmeisolierung 50 über der inneren Oberfläche auf.

In der Nähe des Bodens der oberen oder Nachbrennerkammer sind mehrere Lufteintrittsleitungen 44 ähnlich den Leitungen 36 in der unteren Kammer vorhanden, die jedoch aufwärts geneigt sind, und sich tangential erstrecken, so daß eine schraubenförmige Wirbelbewegung der Gase in dem oberen Teil bewirkt wird, die eine innige Vermischung und eine längere Verweilzeit mit sich bringt und damit auch eine vollständigere Verbrennung. Eine Sammelleitung 42 dient zum Transport der Luft zu den Leitungen 44.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist die Sammelleitung 42 durch

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eine Leitung 43 und eine zweite Luftdrossel 41 sowie eine Leitung 40 an die Luftquelle 36 angeschlossen. Die Drossel 41 wird benötigt, um im Inneren der Nachbrennerkammer 51 einen überschuss an Verbrennungsluft zu erzeugen, so daß alle Verbrennungsprodukte vollständig verbrannt werden, bevor sie durch den Teil 64 zum Kamin 66 nach oben strömen.

Um eine gewählte Maximal temperatur der oberen Kammer aufrechtzuerhalten, sind mehrere Leitungen 62 vorgesehen, die durch die Wand der oberen Kammer in der Nähe ihres oberen Endes laufen. Diese Leitungen sind an eine Dampfsammelleitung 60 angeschlossen, die durch ein Ventil 58 und eine Leitung 56 in üblicher Weise mit Dampf versorgt wird. Anstelle von Dampf können Wasserteilchen oder Luft oder inerte Gase Verwendung finden.

Wie im Falle der unteren Kammer16 so ist auch hier eine Brenneröffnung 70 vorgesehen, die im einzelnen in Fig. 5 dargestellt ist.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, die im Detail die Konstruktion der unteren Reduktionskammer der hier beschriebenen Vorrichtung zeigt, weist diese Kammer eine Bodenplatte 21 auf, die eine zylindrische Außenwand 17 und eine zylindrische Innenwand 18 trägt, welche beide an der Bodenplatte und einen oberen Flansch 53 angeschweißt sind. Das Eintrittsrohr 22 ist unten angeordnet und dient zum Wassertransport gemäß dem Pfeil 24 in den Raum 20 zwischen den beiden Wänden. Dieses Wasser strömt durch eine obere Leitung 26 gemäß dem Pfeil 27 wieder aus dem Wandzwischenraum aus. Das Bezugszeichen 36 bezeichnet eine von mehreren Luftleitungen, die über der Oberseite des Keramikmaterials 30 angeordnet sind, welches

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den Boden der unteren Kammer bedeckt. Die tangentiale Lage der Luftleitung ist im Zusammenhang mit Figur 3 erläutert.

Eine Brenneröffnung 70 mit Anschlußflansch 72 ist so angeordnet, daß eine Brennerflamme direkt nach innen und abwärts auf die Oberfläche 38 des flüssigen Materials 32 gerichtet werden kann, das sich auf dem Keramikmaterial 30 befindet.

In Figur 3 ist eine Sammelleitung 34 gezeigt, die den Bodenteil außerhalb der Außenwand 17 umgibt. Mehrere Leitungen 36 sind vorhanden, deren Anzahl an sich beliebig ist, wobei jedoch im vorliegenden Fall nur vier solcher Leitungen dargestellt sind. Diese Leitungen werden mit Druckluft aus der Sammelleitung 34 beliefert.

Das Bezugszeichen 39 bezeichnet eine flexible Kupplung, beispielsweise eine Gummimuffe, die zwischen dieser Leitung 36 und dem von der Sammelleitung 34 kommenden Leitungsstück benutzt wird. Wie bereits erwähnt erwähnt wurde und aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist eine Drossel 35 zur Steuerung der von der Leitung 37 aus dem Luftkompressor oder dem Gebläse 36 von Fig. 1 in die untere Kammer einströmenden Luftmenge vorgesehen.

Ferner ist eine senkrechte Leitung 40 vorhanden, ehe in Fig. 3 waagrecht verlaufend dargestellt ist und zu einer zweiten Drossel 41 sowie einer Leitung 43 führt, an die mehrere Luftleitungen 44 angeschlossen sind, welche sich durch die Wand der oberen Kammer hindurcherstrecken, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Sammelleitung und die Leitungen sind den in Fig. 3 gezeigten ähnlich mit Ausnahme der Tatsache, daß die Leitungen 44 nach oben geneigt sind.

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In Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht der unteren Kammer dargestellt, und zwar längs der Ebene 4-4 in Fig. 1. Diese Ansicht zeigt die innere und die äußere Wand 17 und 18 sowie die Brenneröffnung 70 mit dem Flansch 72. Außerdem zeigt sie eine der Kupplungen 22 für die untere Leitung zum Einführen von Wasser in den Ringraum 20 zwischen den Wänden 17 und 18.

Das dargestellte Rohr 46 weist eine durch die Wand hindurchführende öffnung auf sowie eine Luftdichtung 84, und eine Beschickungsvorrichtung, beispielsweise ein Strömungsmittelabzugsrohr, ein Tauchkolben oder eine Förderschnecke, ermöglichen es, daß das Polymerabfallmaterial in die Kammer eingespeist wird. Die Beschickungsvorrichtung 86 ist in jeder Hinsicht herkömmlicher Natur. Sie bedarf deshalb keiner weiteren Erläuterung; es sei nur daraufhingewiesen, daß in der Kammer ein Oberdruck gegenüber dem Atmosphärendruck vorhanden ist, so daß Mittel vorgesehen werden müssen, die verhindern, daß heiße Verbrennungsprodukte durch das Rohr 46 entweichen. Dieser Teil der herkömmlichen Konstruktion ist allgemein mit 86 bezeichnet.

Die öffnungen 70 sind sowohl in der unteren Kammer 16 als auch in der oberen Kammer 12 vorgesehen und dienen zur Zündung des festen und flüssigen Materials in der unteren Kammer sowie zur Zündung des gasförmigen Materials in der oberen Kammer, wobei das gasförmige Material durch die Drosselöffnung 54 nach oben strömt. Eine Ausführungsform des Brenners ist in Fig. 5 dargestellt. Der dort gezeigte Brenner weist ein Brennerrohr 74 auf, das axial in der öffnung 70 mit Hilfe nicht dargestellter, jedoch bekannter Mittel getragen wird. Dem Brenner wird durch ein Ventil

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76 und ein Rohr 77 Gas zugeführt. In dem Ende des Brennerrohres 74 befindet sich eine herkömmliche öffnung, die einen langen Gasstrahl 80 erzeugt, der mit hoher Geschwindigkeit aus dem Ende des Brennerrohres 74 austritt. Diese hohe Geschwindigkeit des Gasstrahls 80 bewirkt, daß Verbrennungsluft durch den Ringraum zwischen dem Brennerrohr 74 und der Öffnungswand 70 in Form eines durch die Pfeile 78 angedeuteten Luftstroms eingesaugt wird, durch einen erweiterten Teil 79 der öffnung strömt, dann durch den Ringraum und schließlich in das Innere 29 der Kammer 16 gemäß den Pfeilen 82 einströmt, so daß der Gasstrahl sich mit der Luft 82 vermischt und verbrennt. Die Flamme, die den Gasstrahl 80 zündet, wird durch eine bekannte Vorrichtung erzeugt und daher hier nicht weiter beschrieben.

Im obigen wurde eine dreiteilige Konstruktion zur Beschickung von festem, teilchenförmigen Material, das in Stücke gemahlen oder in für die Verbrennung geeignete Größen zerkleinert wurde, durch eine Beschickungsöffnung in eine untere Verbrennungskammer hinein beschrieben, in der das Material durch einen Brenner gezündet wird. Es wird eine ausgewählte Verbrennungstemperatur in dieser unteren Verbrennungskammer aufrechterhalten, die so bemessen ist, daß das in die Kammer eingetragene Material schmilzt und am Kammerboden ein Flüssigkeitsbad bildet, so daß das Material an seiner Oberfläche 38 verbrennt. Die Verbrennung der Flüssigkeit 32 wird durch Luft gefördert, die unter Druck durch mehrere tangentiale Leitungen 36 eingeblasen wird, so daß sich die von der Oberfläche 38 aufsteigenden Gase verwirbeln und vermischen. Die zugeführte Luftmenge ist geringer als die stöchiometrisehe, so daß in dem Raum eine reduzierende Atmosphäre entsteht, und verbrennbare gasförmige Produkte durch eine Drossel 52 nach oben in die

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Nachbrennerkammer 12 strömen. In dieser Kammer ist ein Brenner zum Zünden der Gase vorgesehen, und mehrere Luftleitungen 44 sind vorhanden. Außerdem sind Mittel vorhanden, mit denen der Luftstrom gesteuert werden kann, so daß in der unteren Kammer eine Luftmenge vorhanden ist, die geringer ist als die stö'chi ometri sehe, so daß in der oberen Kammer ein Luftüberschuß auftritt, so daß eine vollständige Verbrennung aller verbrennbaren Produkte stattfindet. Der tangentiale Luftstrom in beiden Kammern dient zur Verbesserung der Vermischung und Verbrennung der Gase. Dazu kommt, daß in die obere Kammer, falls erforderlich, Dampf eingeblasen werden kann, um die Temperatur auf einem maximalen Grenzwert zu halten.

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Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE

   . \.j Vorrichtung zur Verbrennung von festen und halbfesten Arbfal 1 tei 1 chen, insbesondere Kunststoffteilchen, gekennzeichnet durch einen zylindrischen Bodenteil (16) mit doppelten, zylindrischen Wänden (17, 18), eine Vorrichtung (22, 26) zum Zuführen von Wasser in eine bodenseitige Eintrittsöffnung und Abführung von Dampf aus einer oberen Austrittsöffnung, eine Einrichtung (23) zur Steuerung der Menge des einströmenden Wassers und damit zur Aufrechterhaltung einer gewählten Temperatur im Bodenteil (16), ferner durch eine Vorrichtung (46) zum Einspeisen von teilchenförmigern Feststoffmaterial gewählter thermischer und Verbrennungseigenschaften an einer Öffnung in der Nähe des oberen Endes (53) des Bodenteils, eine Wärmeisoliervorrichtung (30) über dem Boden (21) des Bodenteils (16), die das tei1chenförmige Material trägt, eine Brennervorrichtung (70, 76, 77) in dem Bodenteil zum Zünden des teilchenförmigen Materials, eine Vorrichtung (34, 35, 36, 37) zum Einblasen einer gesteuerten Druckluftmenge zur Verbrennung des teilchenförmigen Materials unter reduzierenden Bedingungen mit einer unter der stöchiometrisehen Menge liegenden Luftmenge, einen mittleren Drosselteil (52), der oben auf dem Bodenteil (16) angeordnet ist, aus hitzebeständigem Material besteht und eine zentrale öffnung (54) kleineren Durchmessers aufweist als der Durchmesser des Bodenteils (16) misst, eine oben auf dem Drosselteil (52) angeordnete Nachbrennerkammer (12), die eine hitzebeständige Auskleidung (50) aufweist sowie eine Einrichtung (42, 43, 44) zum Einblasen von überschüssiger unter Druck stehender Verbrennungsluft zur vollständigen Verbrennung der in der Verbrennungskammer des Bodenteils erzeugten Gase, und durch eine Kaminvorrichtung (66) zur Ableitung der Verbrennungs-

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   ORIGINAL INSPECTED

   produkte aus der Nachbrennerkammer (12) in die Atmosphäre, wobei der Bodenteil (16), der mittlere Drosselteil (52) und die Nachbrennerkammer (12) fest miteinander verbunden und abgedichtet sind.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Brennervorrichtung (17) in der Nachbrennerkammer (12) zum Zünden der in dem Bodenteil (16) erzeugten Gase.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (56, 58, 60, 62) zum Einblasen von Dampf in die Nachbrennerkammer (12) zur Steuerung der in ihr herrschenden Temperatur.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Einrichtung zum Einblasen von Druckluft mehrere durch die Wand des Bodenteils (16) geführte und tangential zum Innenraum (29) des Bodenteils gerichtete Rohre (36) aufwei st.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Einrichtung zum Einblasen von Druckluft mehrere durch die Wand des Nachbrenners in der Nähe seines Bodens geführte Leitungen (44) aufweist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem teilchenförmigen Material Stoffe gehören, die bei einer Temperatur unter der Verbrennungstemperatur schmelzen und auf dem Boden (30) des Bodenteils (16) ein Flüssigkeitsbad (32) bilden.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

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   daß das tei1chenförmige Abfallmaterial aus festen Polymeren besteh t.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymere in die Klasse der Polyäthylene und thermoplastischen Gummis gehören.

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