DD143789A1 - Verfahren zur vergasung fester brennstoffe mit hohem wassergehalt - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Elektroenergie und Rohgas, das außerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens zu Stadt-, Synthese- und Substitutionserdgas aufbereitet werden kann, aus Brennstoffen mit hohem Wassergehalt, insbesondere Braunkohlen, die auch salzhaltig sein können. Das Ziel der Erfindung wird erreicht und dis Aufgabe gelöst durch die Kombination eines mehrstufigen Wirbelschichtsysis ms, in dem bevorzugt unter Drücken von 5 bis 30 bar die Brennstoffe mit hohem Wassergehalt durch die physi kalisehe Enthalpie des Vergasungsgases getrocknet und danach durch Luft oder Sauerstoff im Beisein von rückgeführtem wasserdampfbeladenem Generatorgas vergast werden, mit einer mechanischen, elektrostatischen und/oder nassen Gasrein igung, indirekter Generatorgasvorwärmung und Gasturbinenanlage.-' Gegebenenfalls kann diese Kombination durch eine Heißgasentschwefelung ergänzt werden. Das Verfahren kann in der Energiewirtschaft und chemischen Industrie eingesetzt werden.

Description

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergasung von festen Brennstoffen mit hohem Wassergehalt, insbesondere Braunkohlen, die auch Salze enthalten können, mit Luft und/oder Sauerstoff als Vergasungsmittel, denen auch Wasserdampf, Kohlendioxid oder andere Gase und/oder Dämpfe zugemischt sein können, zu Gasen für thermische oder chemische Prozesse, z. B. für die Elektroenergie- oder Stadt-, Synthesegas- bzw» Substitutionserdgaserzeugung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Pur die Vergasung von festen Brennstoffen in Gase der verschiedendsten Qualität, die zur Elektroenergie-, Brenn- und Synthesegaserzeugung eingesetzt werden, gibt es eine Vielzahl von Verfahren* Das Verfahrenskonzept wird dabei hauptsächlich durch die zur Verfügung stehenden Brennstoffe und das Produktionsziel bestimmt. Eine Zusammenfassung der bekannten Vergasungsverfahren gibt u. a. Rammler in "Technologie und Chemie der Braunkohlenverwertung", VEB Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig (1962), und Schmidt in "Technologie der Gaserzeugung, Band II: Vergasung", VEB V_erlag für Grundstoffindustrie Leipzig (1966).

Dementsprechend stellen die Vergasungsverfahren an die Brennstoffqualität bestimmte Forderungen in bezug auf chemische und physikalische Eigenschaften, wie z. B. Heizwert, Backfähigkeit, Körnung, Asche- und insbesondere Wassergehalt. Die bekannten Vergasungsverfahren für Braunkohle erfordern- gleichgültig, ob

der Brennstoff als Brikett, Knorpel oder Staub eingesetzt wird - einen Wassergehalt im Brennstoff zwischen 5 ... 25 Masse- %, d. h», geförderte Rohbraunkohle muß z. B. vor dem Vergasungsverfahren klassifiziert oder/und gemahlen, aber £aStimmer getrocknet werden« Eine Absenkung des Mahlaufwandes kann erreicht werden durch den Einsatz der sogenannten Rauchgastrocknung. Beim Durchströmen der nassen Kohlen mit heißen Rauchgasen wird stückige Kohle rissig, so daß der mechanische Zerkleinerungsaufwand sinkt. Gleichzeitig wird durch die physikalische Enthalpie der Rauchgase das Kohlewasser weitgehend verdampft. Die Verdampfungswärme des Kohlewassers kann insbesondere wegen Korrosionserscheinungen und den daraus resultierenden hohen Materialaufwendungen meist nicht zurückgewonnen werden, obwohl in Abhängigkeit vom Wasserdampfpartialdruck in den Rauchgasen das Temperaturniveau der Kondensationslinie deutlich über dem Umgebungswärme temperaturniveau liegt und damit das Rauchgas einen bestimmten Exergieanteil aufweist. Für Wärmeübertrager entsteht durch den ¥/asserdampfanteil im Rauchgas eine zusätzliche Belastung. Bedingt durch die Technologie und Maschinentechnik der Kohleumwandlung in Brenn- und Chemiegase ist beim Einsatz von Brennstoffen mit Wassergehalten >25 ... 30 Masse-% eine Kohletrocknung in separaten Anlagen erforderlich. Ein großer Teil des während der Kohletrocknung als Wrasen anfallenden Wasserdampfes wird damit dem Prozeß der Kohleumwandlung nicht zur Verfügung gestellt. Die Ableitung der Wrasen aus der Prozeßkette der Kohleumwandlung stellt einen energetischen und stofflichen Verlust dar, der durch zusätzliche Energie- und Stoffströme, die durch zusätzliche Prozeßstufen oder separate Verfahren - meist Industriekraftwerke - bereitgestellt werden, ausgeglichen werden muß. Außer Wasserdampf zur Sicherung der heterogenen und homogenen Wassergasreaktion bei der Brenn- und Chemiegaserzeugung oder Luft und/oder Wasserdampf beim Einsatz erzeugter Brenngase in offenen Gasturbinenanlagen zur Einhaltung der vorgegebenen Gasturbineneintrittstemperatur, muß bei der Erzeugung von Stadt-, Synthese- oder Substitutionserdgas Elektroenergie zur Sauerstofferzeugung- bereitgestellt werden.

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Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Absenkung des spezifischen Energie- und Stoffverbrauches bei der Erzeugung von Elektroenergie, Brenn- und Chemiegasen und in der Erhöhung der spezifischen Anlagenleistung, d. h. in der Absenkung des spezifischen Materialverbrauches im Maschinenbau·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung hat die technische Aufgabe, eine Kombination von Prozeßstufen vorzuschlagen, die es ermöglicht, den größten Teil des Wassers der Brennstoffe - auch bei Wassergehalten größer 25 bis 30 Masse-% im Brennstoff - stofflich und energetisch für die Herstellung der Produkte Elektroenergie, Brenn- und Chemiegas zu nutzen, indem das Brennstoffwasser als Arbeitsmittel in Kreisprozessen zur Erzeugung von technischer Arbeit und/oder als Reaktant zur Realisierung der heterogenen und homogenen Wassergasreaktionen bei der Vergasung bzw. CO-Konvertierung wirksam wird, so daß in Kreisprozessen Verdichterarbeit und bei der chemischen Verarbeitung Prozeödampf eingespart werden.

Das Ziel der Erfindung wird erreicht, indem erfindungsgemäß nacheinander ein mehrstufiges Wirbelschichtsystem zur Brennstoff trocknung und -vergasung, das mit bekannten Systemen zur Brennstoff- und Ascheschleusung sowie Staubrückführung versehen ist, eine bekannte mechanische, nasse oder elektrostatische Staubabscheidung, die bei Verfahrensdrückeη und Wasserdampfsättigungstemperatur arbeitet, eine direktbefeuerte Gas- und Luftvorwärmung und eine Gasturbinenanlage geschaltet werden.

Im Falle der Elektroenergieerzeugung besteht die Gasturbinenanlage aus einer Brennkammer, Gasexpansionsturbine, Vergasungs- und Verbrennungsluftverdichter, Turbogenerator zur Elektroenergieerzeugung und Abhitzeverwertung.

Im Falle der Chemiegaserzeugung ist zwischen der Gasentstaubung und der Gasvorwärmung eine bekannte CO-Rohgaskonvertierung im Bypaß geschaltet, die Gasturbinenanlage besitzt keine Brennkammer und keine Luftverdichtung, sondern eine der Gasexpansionsturbine nachgeschaltete Dampferzeugung, Wasserdampfkondensation, Kohledioxidwäsche und Gasrückverdichtung,

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Der erfindungsgemäße Verfahrensablauf ist gekannzeichnet durch

- die Vergasung des auf einen Wassergehalt von IO bis 20 Masseprozent getrockneten Brennstoffes mit Luft und/oder Sauerstoff im Beisein von rückgeführtem, wasserdampfbeladenem Generatorgas, vorzugsweise unter Drücken zwischen 5 und 30 bar und Temperaturen zwischen 1000 und I4OO K,

- die Beladung des bei der Vergasung anfallenden Gases mit Brennstoffwasser auf einen Wassergehalt von 30 bis 60 Volumenprozent in einer durch das heiße Vergasungsgas angetriebenen ein- oder mehrstufigen Wirbelschichttrocknung des Brennstoffes,

- eine unter Abgabe von technischer Arbeit verlaufende Expansion des physikalisch und gegebenenfalls chemisch gereinigten wasserdampfbeladenen Generatorgases, das im Falle der Stadt- und Chemiegaserzeugung zur Sicherung des erforderlichen Kohiitaionoxid/Wasserstoff-Verhältnisses mindestens teilweise CO-konvertiert und zur Steigerung des Arbeitsvermögens bis auf eine Temperatur von 1100 K indirekt vorgewärmt bzw. im Falle der Elektroenergieerzeugung vorgewärmt und mit Luft vollständig verbrannt wird.

Die Wasserdampfbeladung des Vergasungsgases kann außerdem gesteigert werden, indem, außer dem zur Aufrechterhaltung des Aseheaustrages notwendiger, brennbarer Staub und/oder aus der der Vergasungsstufe vorgeschalteten Stufe des Wirbelschichtsystems abgezogener Brennstoff nachgeschalteten oder fremden brennstoffverbrauchenden Prozeßstufen zugeführt wird.

Zur Entlastung der Umwelt und nachgeschalteter Anlagen kann durch Zugabe von schwefelbindenden Zuschlagen zum Brennstoff, wie z« B. Kalk, oder durch Anordnung eines bekannten Gasentschwefelungsverfahrens zwischen Generatorgasentstaubung und Vorwärmung eine weitgehende Entschwefelung des Generatorgases gesichert werden., '

Im Falle des Einsatzes von salzhaltigen Brennstoffen wird das mit dem Generatorgas ausgetragene Salz durch eine Druck-Heißwasserwäsche, die bei Wasser-dampfSättigungstemperatur arbeitet, ausgewaschen. Diese Wäsche kann nach der mechanischen oder/und elektrostatischen Gasentstaubung gleichzeitig die Feinreinigung des Gases von Staub sichern.

Im Falle der Erzeugung von Elektroenergie kann das weitgehend durch Luft erzeugte Vergasungsgas vor Eintritt in die Trocknerstufen des Wirbelschichtsystems nach der Grobstaubabscheidung durch ein Eisenoxidrieselbett im Gegenstrom gefahren werden. Dabei reduziert das Vergasungsgas Magnetit zu Fdstit und Eisen. Gleichzeitig gibt das Vergasungsgas Schwefel an das Rieselbett ab, Durch Regeneration der reduzierten Eisenmasse in einer mit Entnahme- oder Abhitzedampf betriebenen Wirbelschicht, in der der Wasserdampf Eisen und Wüstit wieder zu Magnetit oxidiert, kann ein Gemisch von Wasserstoff, Schwefelwasserstoff und Wasserdampf erzeigt werden, das außerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens zu elementarem Schwefel und Wasserstoff aufbereitet werden kann.

1. Ausführungsbeispiel

Das Produktionsziel des im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Verfahrens ist Elektroenergie. Der Verfahrensdruck wird bestimmt durch die Gasturbinenanlage, die das Vergasungsgas mit einem EntSpannungsverhältnis von 1 zu 12 auf Umgebungsdruck entspannt. Er beträgt deshalb im Wirbelschichtsystem 14,5 bis 15 bar.

Eingesetzt wird ein Brennstoff mit einer Körnung von 0 bis 30 mm und folgender Zusammensetzung (alle Angaben beziehen sich auf 1 kg Brennstoff);

C	0,2365	Masseanteil
H	0,0178	Masseanteil
O	0,0953	Masseanteil
N	0,0025	Masseanteil
S	0,0035	Masseanteil
A	0,0444	Masseanteil
W	0,6000	Masseanteil

In den Trocknerstufen des Vergasungsreaktors werden durch indirekte Wärmezufuhr und die nutzbare physikalische Enthalpie des Vergasungsgases 0,525 kg Wasser verdampft und mit dem Generatorgas abgeführt, Die Vergasung des getrockneten Brennstoffes erfolgt durch 0,65 m^{3 x}^ 600 K heiße Luft und 0,0876 m³ rückverdichtetejf* Generatorgas. Es entstehen 1,186 m Vergasungsgas mit einer Temperatur von 1273 ⁰C und folgender Analyse

X) Al"

Alle Yolumenangaben beziehen sich auf 760 Torr umd ^UC₈

H2 0,1670 Raumanteil

CO 0,2071 Raumanteil

HpO 0,0668 Raumariteil

CO₂ 0,0881 Raumanteil

CH₄ . 0,0125 Raumanteil

N₂ 0,4562 Raumanteil '

H₂S 0,0013 Raumanteil

Nach Aufnahme des verdampften Brennstoffwassers liegt folgende Generatorgaszusammensetzung vor:

H₂ O₅1077 Raumanteil

CO 0,1335 Raumanteil

H₂O 0,3984 Raumanteil

CO₂ 0,0568 Raumanteil

CH. ' 0,0080 Raumanteil

N₂ 0,2941 Raumanteil

HpS 0,0015 Raumanteil

Die Gas temperatur beträgt am Reaktorausgang 200⁰C. In der Gasreinigung v/erden 0,1153 kg Asche und Brennstoff staub mit einem Heizwert von 440 kcal abgeschieden und einem direktbefeuerten Wärmeübertrager zur Vorwärmung des gereinigten Generatorgases und der Verbrennungsluft der Gasturbinenanlage zugefahren. Nach der Entstaubung kann das wasserdampfgesättigte Generatorgas z_e B. in einer Heißpottaschewäsche weitgehend entschwefelt werden.

Nach dem direktbefeuerten Wärmeübertrager, in dem das Generatorgas auf 600⁰C und die Verbrennungsluft auf 500⁰C vorgewärmt werden, erfolgt die vollständige Verbrennung des Generatorgases in einem aufgeladenen Dampferzeuger. Das Verbrennungsgas wird mit Gasturbineneingangstemperatur, z« B. mit 900⁰C, in die Gaaentspannungsturbine gefahren und unter Abgabe von technischer Arbeit, die in einem Turbogenerator in Elektroenergie umgewandelt und zur Drucklufterzeugung eingesetzt wird, auf Umgebungsdruck entspannt. Das bei der angegebenen Turbinerieingangstemperatur und dem Entspannungsverhältnis mit einer Temperatur um 750 K anfallende Turbinenabgas wird zur Speisewasservorwärmung des der Gasturbine vorgeschalteten Dampfsystems verwendet« Durch den im Turbinengaa enthaltenen Wasserdampf, der zum größten Teil durch die Verdampfung des Kohlewassers erzeugt wurde, erreicht die

Gasturbinenanlage, bezogen auf ihre Masse, eine höhere spezifi-' sehe elektrische Leistung gegenüber Gasturbinenanlagen, die mit Brenngasen aus vorgetrockneten Brennstoffen arbeiten.

2. Ausführungsbeispiel Das Ziel besteht in der Erzeugung eines Chemierohgases, das außerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens zu Tferschiedenen Synthesegasen, zu Stadt- und Substitutionsgas aufbereitet werden kann.

Eingesetzt wird der Brennstoff und der Vergasungsprozeß des ersten Ausführungsbeispieles. Die Vergasung erfolgt mit 1,2194 m" rückverdichtetem Generatorgas, das annähernd eine Temperatur von 550 K und folgende Zusammensetzung hat

H₂ 0,1855 Raumanteil

CO 0,1173 Raumanteil

H₂O 0,5344 Raumanteil

CO₂ 0,1393 Raumanteil

CH₄ 0,0153 Raumanteil

H₂S 0,0021 Raumanteil

H₂ 0,0061 Raumanteil

3 und 0,1455 m Sauerstoff mit einem Reinheitsgrad von 95 %.

Bei 900 ⁰C und einem Druck von 28 bar entstehen 1,785 m Vergasungsgas mit folgender Zusammensetzung»

H2	0,2534 Raumanteil
CO	0,1602 Raumanteil
H2O	0,3638 Raumanteil
co2	0,19.03 Raumanteil
CH4	0,0209 Raumanteil
H2S	0,0029 Raumanteil
	0,0085 Raumanteil

Nach Aufnahme des zu verdampfenden 0,525 kg Brennstoffwassers fallen dann 2,4388 nr Generatorgas mit der oben angegebenen Zusammensetzung qxi_? von dem je die Hälfte nach bei rund 200 ⁰C durchgeführter Entstaubung zur Rückverdichtung oder zur Entschwefelung gefahren werden. Die Wirbelschicht in der Vergasungs-

zone wird durch das rückgeführte Generatorgas erzeugt. Der Vergasungssauerstoff wird in die Wirbelschicht eingeblasen.

Aus dem Vergasungsreaktor werden 0,12414 kg Asche und Staub mit einem Heizwert von 513 kcal' ausgetragen. Damit wird in einem direkt befeuerten Wärmeübertrager das Rückgas auf 500⁰C und das der Entspannungsturbine zugeführte Generatorgas vorgewärmt. Bei zweistufiger Entspannung des Generatorgases entsprechend

Pt ' Po - Po ^: P/i =5 und Vorwärmung auf 70O⁰C bzw. Zv/i~ L d ά ^70O⁰C

schenüberhitzung auf 73O⁰C kann die Gasturbine eine technische Arbeit von 0,300 kWh abgeben. Diese technische Arbeit wird eingesetzt zur Rückverdichtung des Generatorgases zum Vergasungsmittel, zur Luftzerlegung und zur Rückverdichtung der nach der Kühlung, Wasserdampfkondensation und COp-Grobwäsche vorliegenden 0,416 m.3 Produktionsrohgas.

Vor dem direkt befeuerten Wärmeübertrager wird zur Sicherung des in Abhängigkeit des Produktionszieles erforderlichen CO/Hp-Verhältnisses eine CO-Rohgaskonvertierung durchgeführt. Im Falle der Methanolsynthesegaserzeugung werden 20 Volumenprozent des zum Vorwärmer gefahrenen Generatorgases durch.die CO-Rohgaskonvertia?ung gefahren. Nach Vermischen des konvertierten und nicht konvertierbaren Rohgases ist die Gastemperatur von rund 600 auf 620 K gestiegen. Die Gaszusammensetzung ist folgende:

Volumenanteil Volumenanteil Volumenanteil Volumenanteil Volumenanteil Volumenanteil N₂ 0,0061 Volumenanteil

Im Falle der Stadt-, Ammoniaksynthesegas- und Synthesewasserstofferzeugung wird das gesamte Rohgas konvertiert, dabei 'steigt die Temperatur des Gases von 600 auf 710 K_e Die Gaszusammensetzung ist dann folgende:

H2	. 0,2022
CO	0,1006
H2O	0,5178
co2	0,1560
CH4	O,Q152
H0S	. 0,0021

	-	0,2855	9 _ £1 ύ*ί
H2	0,0173	Volumenanteil
CO	0,4344	Volumenanteil
H2O	0,2393	Volumenanteil φ
co2	0,0153	Volumenanteil
CH	0,0021	Volumenanteil
H S'	Volumenanteil

Up 0,0061 Volumenanteil

Pur die Verdichtung des Rückgases von 27,5 auf 30,25 at, die bei einem w . = 0,6 des Verdichters zu einer maximalen Temperaturerhöhung von 10 K führt, werden 0,006 kWh benötigt. Wach der Gaskühlung, Wasserdampfkondensation und C0₂-Wäsche werden im Falle der vollständigen CO-Rohgaskonvertierung 0,4296 m^ Produktionsgas mit einer Zusammensetzung vo.n

H2	0,810	Volumenanteil
CO	0,049	Volumenanteil
H2O	0,047"	Volumenanteil
co2	0,028	Volumenanteil
CH4	0,043	Volumenanteil
H2S	0,007	Volumenanteil
N0	0,016	Volumenanteil

erzeugt. Die zweistufige Rückverdichtung von 1,01 at auf 25 at erfordert eine technische Arbeit in Höhe von 0,065 kWh. Pur die Erzeugung der erforderlichen 0.1455 m-* Sauerstoff durch Luftzerlegung und dessen Verdichtung auf 30 at werden rund 0,09 kWi benötigt»

Damit kann die Verfahrenskombination bei einem sonstigen Elektroenergiebedarf von rund 0,025 kWh noch 0,114 kWh Elektroenergie mit einem Wärmewert von 93 kcal abgeben.

In dieser Variante arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren ohne Bedarf an Vergasungsdampf, mit Elektroenergieabgabe und einem auf die Heizwerte bezogenen Wirkungsgrad von ti = 0,671.

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Claims (4)

1. Erfindungsanspruch

   1. Verfahren zur Vergasung fester Brennstoffe mit hohem Wassergehalt, insbesondere Braunkohlen, die auch Salze enthalten können_s mit Luft und/oder Sauerstoff als Vergasungsmittel, denen auch Wasserdampf, Kohlendioxid oder andere Gase und/ oder Dämpfe zugemischt sein können₅ zu Gasen für thermische oder chemische Prozesse ₉ z. B. fur die Elektroenergie- oder Stadt-, Synthesegas- bzw«, Substitutionserdgaserzeugung, gekennzeichnet dadurch, daß

   - die Vergasung der auf einen Wassergehalt von 10 bis 20 Masse-Ja getrockneten Brennstoffe mit Luft und/oder Sauerstoff im Beisein von rückgeführtem wasserdampfbeladenem Generatorgas, vorzugsweise unter Drücken zwischen 5 und 30 bar und Temperaturen zwischen 1000 und 1400 K,

   -die Beladung des bei der Vergasung anfallenden Gases mit Brennstoffwasser auf einen Wassergehalt von 30 bis 60 Masse-$ in einer durch das heiße Vergasungsgas angetriebenen ein» oder mehrstufigen Wirbelschichttrocknung des Brennstoffes

   - die Expansion des physikalisch und. gegebenenfalls chemisch gereinigten wasserdampfbeladenen Generatorgases unter Ab~ gäbe von technischer Arbeit, wobei im Falle der Stadt- und Chemiegaserzeugung zur Sicherung des erforderlichen Kohlen™ monoxid/Wasserstoff-Verhältnisses mindestens ein Teilstrom CO-konvertiert, zur Steigerung des Arbeitsvermögens das gesamte Generatorgas indirekt bis auf eine T_emperatur von 1100 K vorgewärmt und im Falle der Elektroenergieerzeugung vollständig verbrannt wird,

   erfolgt,

   2_e Verfahren zur Vergasung fester Brennstoffe mit hohem Wassergehalt,, gekennzeichnet dadurch, daß

   die Wasserdampfbeladung des Vergasungsgases erhöht wird, in dem eine höhere Menge getrockneter Staub aus der kombinierten Vergasung und Trocknungsstufe abgezogen wird als zur Aufrechterhaltung des Asoheaustrages erforderlich.

   2ϋ./\ϋί: 19/ 9* 8 (Hi 7 iK
2. 3. Verfahren zur Vergasung fester Brennstoffe mit hohem Y/assergehalt, gekennzeichnet dadurch, daß dem Brennstoff schwefelbindende Zuschläge zugemischt werden, oder daß zwischen Generatorgasentstaubung und -vorwärmung eine weitgehende Entschwefelung des Generatorgases erfolgt.
3. 4. Verfahren zur Vergasung fester Brennstoffe mit hohem Wassergehalt, gekennzeichnet dadurch, daß das von Staub mechanisch und/oder elektrostatisch gereinigte Generatorgas beim Einsatz salzhaltiger Brennstoffe unter Druck bei Wasserdampfsättigungstpmperatur mit V/asser gewaschen wird.
4. 5. Verfahren zur Vergasung fester Brennstoffe mit hohem Wassergehalt, gekennzeichnet dadurch, daß das hauptsächlich mit Luft erzeugte Vergasungsgas nach einer Grobentstaubung durch ein Eisenoxidrieselbett im Gegenstrom gefahren wird, bevor es in die ein- oder mehrstufige V/irbelschichtbrennstofftrocknung gefahren wird.

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