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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Nutzung von grünem Petrolkoks,
der bei der Spaltung von Erdölfraktionen
als Rückstand
anfällt und
nur etwa 6–14
% flüchtige
Bestandteile und einen Heizwert von 30–34 GJ/t aufweist. Die Erfindung betrifft
außerdem
eine Brenneranlage zum Verbrennen von kohlenstoffhaltigen Stäuben mit
einem sich zunächst
vom Brennereingang konisch erweiternden und dann zum Brennerausgang
sich wieder konisch verjüngenden
Brennerraum, in den bis über
den Übergang
ein Primärluft
und Staub zuführendes
Zentralrohr mit endseitigem Strömungsumlenker
hineinragt und dem ein eine Tangentialströmung erzielende Sekundärluftzuführung zugeordnet
ist.
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Petrolkoks
entsteht beim Cracken von Erdölfraktionen.
Er zeichnet sich durch einen niedrigen Aschegehalt aus. Roher Petrolkoks
wird bei etwa 1.300°C
calciniert und kann dann zur Herstellung von Anoden oder auch in
Stahlwerken und Gießereien zum
Aufkohlen verwendet werden. Wegen des geringen Heizwertes ist der
Einsatz von grünem
Petrolkoks in Industrieöfen
und ähnlichen
Anlagen sehr stark eingegrenzt. Man hat versucht, mit Hilfe von verschiedenen
Verfahren den Einsatzbereich dieses grünen Petrolkokses zu verbessern.
Aus der allgemeinen Technik, insbesondere dem Verbrennen von Kohlenstaub
ist es bekannt, Kohlenstaubbrenner so auszubilden, dass der Kohlenstaub
mit Hilfe von Luft in einer axialen Führung zugeführt wird, während in der Brennkammerwand
tangentiale Sekundärluftleitungen
angeordnet sind bzw. deren Mündungen, über die
die Sekundärluft
in axialer schraubenlinienförmiger
Führung
die Staubzuführung
umschließt und
so die Aufenthaltszeit im Brenner erhöht (
US-A-1 910 735 ,
DE-25 27 618 A1 ). Abgesehen
davon, dass es sich hier um reinen Kohlenstaub, also nicht um Petrolkoks
handelt, ist bei diesen bekannten Kohlenstaubbrennern von Nachteil,
dass sie sehr starken Schwankungen, abhängig vom Feuchtigkeitsgehalt der
Kohle, von den flüchtigen
Bestandteilen und Ähnlichem
unterworfen sind und daher ein Dauerbetrieb nur schwierig möglich ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine
Brenneranlage zu schaffen, mit denen eine wirtschaftliche thermische Nutzung
von Petrolkoks möglich
ist.
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Die
Aufgabe wird verfahrensgemäß dadurch gelöst, dass
der Petrolkoks auf eine den pneumatischen Transport ermöglichende
Staubfeinheit gemahlen und getrocknet wird, zur Brenneranlage pneumatisch
transportiert und gegebenenfalls zwischengelagert und dann dosiert
unter Zugabe von Sekundärluft
mit dieser und der als Transportluft dienenden Primärluft dynamisch
vermischt und in diesem Mischzustand vollständig oder zumindest weitgehend
vollständig
durch gezielte Führung
im Brennerraum zu Heißgasen
umgesetzt wird, wobei zur Erhöhung
der Verweilzeit und Vergleichmäßigung des
Temperaturprofils im Brennerraum Tertiärluft zugemischt wird.
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Mit
einem derartigen Verfahren ist es nun möglich, Petrolkoks mit brennstofftechnisch
ungünstigen
Merkmalen so zu verarbeiten, dass eine vorteilhafte wirtschaftlich
technische Nutzung des grünen Petrolkokses
möglich
wird. Der so anfallende Petrolkoks wird auf den pneumatischen Transport
zugeschnitten aufbereitet und kann dann nicht nur pneumatisch gut
transportiert, sondern auch in der Brenneranlage optimal in Heißgas umgewandelt
werden, das dann für
die verschiedensten Zwecke eingesetzt werden kann. Durch geschickte
und gezielte Zugabe von Primärluft
und Sekundärluft
und dann der Tertiärluft
erreicht man nicht nur eine entsprechend gezielte Führung im
Brennerraum, sondern auch eine gezielte Erhöhung der Verweilzeit und Vergleichmäßigung des
Temperaturprofils unter gleichzeitiger Senkung des Stickoxydgehaltes
im Rauchgas. Das Rauchgas bzw. Heißgas kann dann zum Beheizen
von Ringschachtöfen
in der Kalk- und Dolomitindustrie, zum Beheizen von Glasschmelzwannen,
in Anlagen zum Trocknen/Kalzinieren von mineralischen Rohstoffen wie
Sand und Ton oder in Anlagen zum Trocknen/Kalzinieren von festen
Brennstoffen wie Kohle, Koks und Anthrazit vorteilhaft eingesetzt
werden.
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Nach
einer zweckmäßigen Ausbildung
der Erfindung ist vorgesehen, dass der Petrolkoks auf 5 % R 63 μm aufgemahlen
und auf eine Restfeuchte < 2
% getrocknet wird. Bei einem Restgehalt von 5 % über R 63 μm ist ein einwandfreier pneumatischer Transport
möglich,
ebenso bei einer Restfeuchte < 2 %.
Ein solches Material, d.h. ein so aufbereiteter Petrolkoks wird
dann nicht nur pneumatisch gefördert, sondern
auch pneumatisch in den Brennerraum hineinbefördert, wo er mit Sekundärluft und
Tertiärluft angereichert
und als ein so ausgebildetes Mischgut dann auch gut verbrannt werden
kann. Die hochwertigen Heißgase
können
dann wie weiter oben geschildert weiter verwendet werden.
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Um
die erwähnte
tangentiale Rückführung und
weitere Führung
des aufgemahlenen und getrockneten Petrolkoks im Brennerraum sicherzustellen,
ist vorgesehen, dass der Petrolkoks nach dem Mahlen und Trocknen
mit der Primärluft
mit 20–30 m/s über ein
Zentralrohr in den Brennerraum geblasen und am Rohrausgang umgelenkt
und mit der Primär-
und Sekundärluft
vermischt wird. Dieses Staub-Luft-Gemisch eignet sich dann bestens
um dieses problematische Gut wirksam zu verbrennen und weiterzuverarbeiten.
Insgesamt wird dabei etwa 9 m3/kg (stöchiometrisch)
an Verbrennungsluft in Form von Primär-, Sekundär- und Tertiärluft zugegeben,
um den erwähnten
angestrebten Erfolg zu erzielen.
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Die
intensive Vermischung des Petrolkoksstaubes mit der Verbrennungsluft,
d.h. also insbesondere der Primär-
und Sekundärluft
erreicht man dadurch, dass der aufbereitete Petrolkoksstaub zu einem
Großteil
in axialer Richtung zum Brennereingang zurückgeführt wird. Wie schon erwähnt wird dies
dadurch erreicht, dass am Rohrausgang des Zentralrohres das Gemisch
aus Primärluft
und Petrolkoksstaub so umgelenkt wird, dass es im Wesentlichen zum
Brennereingang zurückströmt und zwar natürlich außerhalb
dieses Zentralrohres, um dann wieder umgeleitet und mit der Sekundärluft zusammen
im Gemisch in den eigentlichen Brennerraum hineingebracht zu werden.
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Die
gezielte Führung
und Mischung von Verbrennungsluft und Petrolkoksstaub wird insbesondere
auch dadurch sichergestellt, dass die Sekundärluft rotierend und mit hoher
Geschwindigkeit vom Brennereingang aus eingeblasen und mit der Primärluft und
dem Petrolkoksstaub vermischt wird. Die Einleitung der Sekundärluft erfolgt
tangential, sodass eine rotierende Strömung erfolgt, um so die Führung und Vermischung
abzusichern.
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Der
gesamte Verbrennungsprozess wird dadurch optimiert und abgesichert,
dass bei extrem schlecht ausbrennenden Partikeln oder anderen brennstofftechnischen
oder verfahrensbedingten Umständen
oder zur Unterstützung
des Brennprozesses immer Tertiärluft
vor dem Brennerausgang in den Brennerraum eingedüst wird. Auch dieses Eindüsen der
Tertiärluft
erfolgt tangential und damit die Rotation unterstützend, sodass
damit wie auch angestrebt, die Verweilzeit innerhalb der Brennerkammer weiterhin
erhöht
und der Brennprozess insgesamt verbessert werden kann. Während der
erste Teil des Brennerraums quasi als Diffusor wirkt, ist der düsenförmig auslaufende
weitere Teil des Brennerraums ein den Brennprozess unterstützender
Bereich.
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Brenneranlagen
zum Verbrennen von kohlenstoffhaltigen Stäuben sind wie weiter vorne
erläutert
grundsätzlich
bekannt. Dabei zeichnen sich diese kohlenstoffhaltigen Stäube, d.h.
also insbesondere Kohlenstaub dadurch aus, dass sie einen relativ
hohen Heizwert aufweisen, sodass die mit Primär- und Sekundärluft angereicherte
Verbrennungsluft in der Regel ausreicht, um diese Materialien wirksam
zu verbrennen. Um auch den problematischen Petrolkoks wirksam zu
Heißgasen
umsetzen zu können, sieht
die Erfindung vor, dass dem Brennerraum eine Mahl- und Trocknungsanlage
für Petrolkoks
vorgeordnet und über
ein pneumatisches Transportsystem damit verbunden ist, dass dem
Transportsystem ein Zwischenverdichter zuschaltbar ist und dass
jenseits des Übergangs
brennerausgangsseitig gestuft Tertiärluft einführende Tangentialdüsen angeordnet
sind. Ein solches Verfahren dient zur Verwirklichung des Verfahrens
nach den vorher genannten Verfahrensansprüchen, wobei über die
Mahl- und Trocknungsanlage und das dann nachfolgende pneumatische
Transportieren des Petrolkokses bereits ein Gemisch zur Verfügung steht,
das in den Brennerraum hineintransportiert werden kann, um dort
mit Sekundärluft,
die entsprechend eingeführt
wird, vermischt und dann verbrannt zu werden, wobei im zweiten Teil des
Brennerraums gestuft Tertiärluft
hineingedüst wird,
um so eine möglichst
vollständige
Umsetzung des Petrolkokses in Heißgas zu erreichen. Wie schon weiter
vorne erwähnt,
wird durch die entsprechende Aufarbeitung und dann den Transport
des Petrolkokses ein Gemisch zur Verfügung gestellt, das nicht nur gut
transportiert, sondern auch zwischengelagert, dann weitertransportiert
und schließlich
verbrannt werden kann. Der Zwischenverdichter kann irgendwo im Transportsystem
zwischengeschaltet werden, insbesondere dann, wenn der gemahlene
und getrocknete Petrolkoks zwischengelagert worden ist.
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Die
Diffusorwirkung am Eingang des Brennerraums wird dadurch erreicht,
dass der am Zentralrohr brennerseitig angeordnete Strömungsumlenker
als konkav geformte halbrunde Linse ausgebildet ist. Damit erreicht
man, dass das Gemisch aus Primärluft
und Petrolkoksstaub annähernd
ganz an der Linse umgeleitet, also am Strömungsumlenker umgeleitet und
wieder in Richtung Brennereingang zurückströmt, wo das Gemisch mit der
einströmenden
Sekundärluft
in Verbindung kommt und über diese
dann in den zweiten Bereich des Brennerraums hineingeführt wird,
wo über
die Tangentialdüsen
Tertiärluft
zugeführt
wird. Die halbrunde Linse bzw. der besonders ausgeführte Strömungsumlenker
soll und erreicht die gewünschte
intensive Vermischung mit der Sekundärluft und natürlich auch
mit der eigentlichen Primärluft.
Weiter vorn ist darauf hingewiesen worden, dass an Primär-, Sekundär- und Tertiärluft insgesamt
rund 9 m3/kg Verbrennungsluft zugeführt wird,
wobei die Aufteilung zwischen Primär-, Sekundär- und Tertiärluft den
Gegebenheiten entsprechend eingestellt werden kann. In der Regel
liegt sie bei je etwa einem Drittel.
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Nach
einer weiteren Ausbildung ist es auch denkbar, dass der Strömungsumlenker
als vertikale Prallplatte ausgeführt
ist. Da die Primärluft
mit dem Petrolkoksstaub immerhin mit 20–30 m/s eingeleitet wird, wird
wie gewünscht
ein Großteil
des Gemisches wieder in Richtung Brennereingang zurückgeführt. Dabei
kann dieses Rückführen gezielt
dadurch unterstützt
werden, dass dem Strömungsumlenker
die Umlenkung unterstützende
oder gar bewirkende Luftdüsen
zugeordnet sind. Dies ist insbesondere bei einer vertikalen Prallplatte
von Vorteil, weil dann mit der Rückführung des
Gemisches aus Petrolkoksstaub und Primärluft im Bereich des Brennereingangs
die gewünschte
intensive Durchmischung erfolgen kann. Die für diese Luftdüsen benötigte Verbrennungsluft
kann von der Sekundärluftzuleitung abgezweigt
werden.
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Die
Rückführung im
Bereich der Linse bzw. hinter der Linse oder dem Strömungsumlenker
kann dadurch verbessert werden, dass die Linse eine den Reibwiderstand
verringernde Beschichtung aufweist. Diese Beschichtung hat außerdem den
Vorteil, dass die Standzeiten dieser Strömungsumlenker erhöht und dass
die Gefahr des Eintragens von irgendwelchen Metallteilen dadurch
verringert wird. Vorteilhaft dabei ist insbesondere, dass die gewünschte Diffusorwirkung
so unterstützt
wird.
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Eine
weitere Unterstützung
der Diffusorwirkung erreicht man erfindungsgemäß dadurch, dass die Beschichtung
der Linse die Staubverteilung bewirkende, zumindest aber unterstützende Verteilungskanäle aufweist.
Diese Verteilungskanäle
können
dabei so geformt sein, dass das Primärluft/Petrolkoksstaubgemisch
eine andere Drehung erhält, als
die brennereingangsseitig eingeführte
Sekundärluft.
Die Sekundärluftzuführung ist
gemäß der Erfindung
so ausgebildet, dass sie eine tangentiale Strömung bewirkend ausgeführt ist.
Obwohl beide Strömungen
in gewisser Hinsicht in unterschiedlichen Höhen erfolgen, erfolgt doch
die gewünschte
Durchmischung und Vergleichmäßigung so
gezielt, dass eine anschließende
Verbrennung damit optimiert wird.
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Die
in derartigen Mahl- und Trocknungsanlagen eingesetzten Siebeinheiten
weisen eine gleiche Lochung auf. Hier vorgesehen ist, dass der Mahl-
und Trocknungsanlage eine Siebeinheit mit R 63 μm-Sieben zugeordnet ist, d.h.
der entstehende Petrolkoksstaub weist nach Passieren der Siebe eine
Körnung von
im Wesentlichen 63 μm
und weniger auf. Er eignet sich so für die pneumatische Förderung
und eben auch die gezielte Verbrennung zu Heißgasen.
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Die
Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein Verfahren
und eine Anlage geschaffen ist, mit der grüner Petrolkoks gezielt mit
der Verbrennungsluft zu für
weitere Ofenprozesse erforderlich Heißgase umgesetzt werden kann.
Damit wird der ansonsten kaum für
Industrieanlagen geeignete Petrolkoks nun als Ersatz für Erdgas
oder Ähnliches
einsetzbar, wobei dies vor allem dadurch erreicht wird, dass der
Petrolkoks sehr weit aufgemahlen und dabei getrocknet und so pneumatisch
förderbar
wird. Derartige grüne
Petrolkokse haben in der Regel einen Wassergehalt von 6–12 %, einen
Aschegehalt von < 1
%, flüchtige
Bestandteile von 6–14
%, einen Schwefelgehalt von 1–7
% und einen Heizwert von 30–32,6
GJ/t. Schon diese Aufzählung
der brennstofftechnischen Merkmale zeigt, dass es sich um einen
problematischen Rohstoff handelt, der aber mit Hilfe des Verfahrens
und der Brenneranlage vorteilhaft und wirksam in Heißgas umgewandelt
wird, das dann für
die unterschiedlichsten Ofenprozesse eingesetzt werden kann. Dabei
handelt es sich vor allem um das Beheizen von Ringschachtöfen in der Kalk-
und Düngemittelindustrie,
sowie das Beheizen von Glasschmelzwannen. Das Heißgas kann
aber auch in anderen Bereichen Erdgas und ähnliche Brennstoffe ersetzend
eingesetzt werden.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt
ist. Es zeigen:
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1 ein
vereinfachtes Verfahrensschema,
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2 eine
vergrößerte Wiedergabe
des Kerns der Brenneranlage,
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3 einen
Schnitt durch einen Strömungsumlenker
und
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4 eine
Draufsicht auf die Vorderseite eines Strömungsumlenkers.
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Eine
Brenneranlage 1 ist in 1 dargestellt, wobei
der Petrolkoks zunächst
im Petrolkoksbunker 4 vorgehalten ist und von diesem in
die Mahl- und Trocknungsanlage 2 geleitet wird. Unter Zugabe
von Heißgas
oder Ähnlichem
erfolgt hier die Trocknung des Petrolkokses und gleichzeitige Zerkleinerung. Dabei
kann es sich um Walzenschüsseln-,
Kugel-Kugelringmühlen,
Pendel-Stabmühlen,
Prallmühlen oder ähnliche
Aggregate handeln, die in der Lage sind, durch geeignete Mahltechnik
und Sichtung die für
die Verbrennung erforderliche Mahlfeinheit von 5 % R 63 μm zu erreichen.
Der Mahl- und Trocknungsanlage 2 ist eine Siebeinheit 3 oder
eine Sichteranlage zugeordnet, in der die Trennung bzw. Überprüfung der
Mahlfeinheit erfolgt. Über
ein pneumatisches Transportsystem 5 gelangt dann das Staub-Luft-Gemisch
gegebenenfalls über
einen Zwischenverdichter 6 in eine Zwischenbunker 7 oder
direkt in den Brennerraum 10. Mit 9 ist die Brennerflamme
bezeichnet und mit 8 der nachgeordnete Kesselraum, in dem
die Heißgase
weiter verarbeitet werden.
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Der
Zwischenverdichter 6 kann auch den Zwischenbunkern 7, 7' nachgeordnet
werden, um so ein Luft-Staub-Gemisch zu erzeugen und in Richtung Brennerraum 10 zu
transportieren. In den Brennerraum 10 führt vom Brenner 11 her
ein Zentralrohr 15, das im Bereich des Übergangs 16 einen
Strömungsumlenker 17 aufweist. Über diesen
Strömungsumlenker 17 wird
das Primärluft/Petrolkoksstaubgemisch umgelenkt
und wieder in Richtung Brennereingang 11 zurückgeführt. Dort
erfolgt die Sekundärluftzuführung 12 und
zwar mit einem tangentialen Einsatz 13, um so eine bestimmte
und gezielte Führung
und Durchmischung von Luft und Staub zu gewährleisten.
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2 zeigt
den Kernbereich der eigentlichen Brenneranlage 1 mit dem
Brennerraum 10. Die Darstellung verdeutlicht, dass dieser
Brennerraum 10 bis zum Übergang 16 sich
konisch erweiternd ausgebildet ist, um dann düsenförmig sich konisch bis zum Brennerausgang 27 wieder
zu verjüngen.
Am Brennereingang 11 erfolgt die Sekundärluftzuführung 12. Gezeigt
ist hier auch der tangentiale Ansatz 13, über den
erreicht wird, dass sich die angedeutete Tangentialströmung 25 ergibt,
die bis zum Eingang in den Kesselraum 8 weiter erhalten
bleibt. Hierzu dienen die hinter dem Übergang 16 angeordneten
Tangentialdüsen 26, 28, über die
Tertiärluft
zugeführt
wird. Die Tertiärluftversorgung
ist mit 29 bezeichnet und es ist auch angedeutet, dass
es sich hier um einen Abzweig aus der Sekundärluftversorgung handelt. Diese
Tangentialdüsen 26, 28 sind
so angeordnet, dass sie gestuft die Tertiärluft zuführen und zwar ebenfalls tangential,
um so die Tangentialluftführung
bzw. Tangentialströmung 25 noch
möglichst
weit zu unterstützen.
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Am
Ende des Zentralrohres 15 ist ein Strömungsumlenker 17 angeordnet. 2 verdeutlicht, dass
dadurch das Gemisch aus Primärluft
und Petrolkoksstaub in Richtung Brennereingang 11 zurückgeleitet
wird. Diese Rückströmung ist
mit 24 bezeichnet. Die Tangentialströmung 25 umfasst in
gewisser Hinsicht diese Rückströmung 24,
wobei eine gezielte Durchmischung im Außenbereich erfolgt, sodass eine
stark mit Luft angereicherte Staubmenge durch den Brennerraum 10 streicht
und in die Brennerflamme 9 übergeht.
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Der
Strömungsumlenker 17 kann
die Form einer einfachen Platte oder einer Linse 18 aufweisen, wobei
nach 3 rundum Luftdüsen 19, 20 angeordnet
sein können,
um so das Gemisch aus Petrolkoksstaub und Primärluft gezielt insgesamt zurückzuführen, zumindest
aber sehr weitgehend. Auf der Innenseite dieser Linse 18 oder
des Strömungsumlenkers 17 allgemein
ist eine besondere Beschichtung 21 aufgebracht, die nach 4 von
einem Kegel 23 ausgehend in Verteilungskanäle 22 übergeht.
Diese Verteilungskanäle 22 geben
dem Primärluft/Petrolkoksstaubgemisch
einen gewissen Drall, sodass dieser vorzugsweise entgegengesetzt
der Tangentialströmung 25 in
Richtung Brennereingang 11 zurückgeführt wird.
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Alle
genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden,
werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen.