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Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Behandeln von Feingut
mit Gas in Tromben Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der physikalischen, chemischen
oder anderweitigen Behandlung von Feingut. Sie betrifft besonders ein Verfahren,
bei dem das Feingut mit Gasen in Tromben aufbereitet wird, wobei der Austausch zwischen
dem Gas und dem Feingut in einer Strömungsvorrichtung stattfindet.
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Es sind die verschiedensten Verfahren bekannt, bei denen Gas in Wirbeln
od. dgl. geführt wird und auf Feingut einwirkt. Die gebräuchlichen Wirbelbettverfahren
erfüllen aber die strömungstechnischen Vorbedingungen einer Trombe, nur für die
eine erstrebte intensive Behandlung nötig sind, nicht in befriedigender Weisc Die
ungeordnete Strömung und die enge Schichtung des Bebandlungsgutes im Wirbelbett
läßt keine volle Kornumspulung mit immer frischem Behandlungsgut zu.
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Zyklone weisen zwar eine geordnete Strömungsführung auf, jedoch haben
sie gewöhnlich eine so hohe Winkelgeschwindigkeit und einen so kleinen Durchmesser,
daß das Behandlungsgut durch die Fliehkraftwirkung ausgeschleudert wird.
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Es ist daneben auch bekanntgeworden, Feingut in einer oder mehreren
hintereinander gelagerten Tromben zu behandeln, doch ist hierzu stets eine große
Anlage notwendig, da für jede Trombeiein eigenes Gefäß benötigt wird.
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Die Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gestellt, diesem Mangel
abzuhelfen und zwei oder mehrere Tromben in einem einzigen Gefäß zu erzeugen. Diese
Tromben sollen sozusagen »luftmanipuliert« von selbst entstehen. Sie sollen sich
derart unabhängig voneinander und beständig ausbilden, daß sie wie ein körperlich
greifbares Gerät die Behandlung durchführen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum kontinuierlichen Behandeln
von Feingut mit Gasen in Tromben vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, daß
in einem einfach oder mehrfach kegelförmigen oder zylindrischen Gefäß zwei oder
mehr Tromben vom Behandlungsmittel übereinander durch Einblasen des Behandlungsmittels
unter Druck aus mindestens zwei Strömungsantriebsöffnungen erzeugt werden und dem
unter Druck eingeblasenen Behandlungsmittel z. B. durch einen kerzenartigen Einbau
eine Strömung aufgeprägt wird, die horizontal über die ganze Fläche gleiche Umfangsgeschwindigkeit
besitzt sowie vertikal abwärts oder auch aufwärts gerichtete Geschwindigkeitsanteile
auslöst.
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Besonders vorteilhaft ist dieses Verfahren, wenn nur ein Teil des
Bchandlungsmiftels unter Druck und der Rest möglichst nahe den Druckdüsen eingeblasen
wird. Es können auch mehrere dieser Reaktionsgefäße zusammengeschaltet werden und
außer dem Behandlungsgut auch ein oder mehrere Kreisläufe thermisch und chemisch
zusätzlich umlaufendes Feinkorn in
Reaktion gebracht werden, wobei die Wirbelkammern
oder sonstige Reaktionsgefäße unter verschiedenem Druck stehen können. Die Wärme
kann durch erhitztes indifferentes Peingut zugeführt werden, wobei dieses Feingut
mit Reaktionsmittel beladen wird, Katalysatoren enthält oder aus solchen besteht
und überwiegend einen Korndurchmesser von 50 Mikron aufweist Beispielhafte Vorrichtungen
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind aus den Zeichnungen ersichtlich.
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Fig. 1 stellt eine Wirbelvorrichtung dar; Fig. 2 zeigt ein Strömungsdiagramm
der Vorrichtung nach Fig. 1; Fig. 3 zeigt einen Wirbler nach Fig. 1 mit windschlüpfigen
Füllkörpern; Fig. 4 zeigt ein Strömungsdiagramm des Wirblers nach Fig. 3; Fig. 5
gibt einen Wirbler mit oben angeordnetem Gasaustritt wieder; Fig. 6 zeigt ein Strömungsdiagramm
des Wirblers nach Fig. 5; Fig. 7 zeigt eine Wirbelvorrichtung mit Ab deckplatte
und kerzenartigem Einbau; Fig. 8 zeigt ein Strömungsdiagramm in der Ebene A-A der
Fig. 7; Fig. 9 zeigt ein Strömungsdiagrarnm in der Ebene B-B der Fig. 7; Fig. 10
stellt eine Wirbelvorrichtung in Doppelkegelform dar; Fig. 11 zeigt eine flügelartige
Rippe des Wirblers nach Fig. 10;
Fig. 12 zeigt schematisch den Aufbau
einer Vorrichtung zur Durchführung eines Anwendungsbeispiels.
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In einem bekannten Wirbler, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, sind
in einer Wirbelkammer 1 tangential blasende Düsen 3 um den Gasaustritt 2 angeordnet.
Diese erzeugen eine zum Wendekopf 4 aufsteigende, überwiegend horizontal kreisende
Strömung, die in dem Wendekopf 4 umgelenkt und durch einen Staubabscheider 5 mit
Öffnung 6 abgezogen wird. Das zu behandelnde Gut wird dabei durch die Gutaufgabe
7 eingeffihrt.
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Es wurde nun gefunden, daß die Umfangsgeschwindigkeit der Strömung
über den ganzen Kreisquerschnitt von gleicher Größenordnung ist und daß axial Geschwindigkeiten
auftreten, die sowohl am Mantel der Wirbelkammer 1 wie auch in Nähe der Achse der
Wirbelkammer aufwärts, dazwischen jedoch abwärts gerichtet sind, wie es in Fig.
2 durch Pfeile deutlich wird. Ein besonderes Kennzeichen dieser Erscheinung ist
es, daß durch den Ringquerschnitt 8-9 am Mantel der Kammer 1 bedeutend mehr Gas
aufsteigt, als durch die Düsen 3 eingeblasen wird. Es ist dies darauf zurückzuführen,
daß die Düsen 3 durch Gasreibung versuchen, Gas anzusaugen, und ihnen durch den
Ringquerschnitt 9-10 zwischen Mantel und Achse auch tatsächlich Gas zuströmt. Welches
Verhältnis zwischen den Gasmengen in den beiden Ringquerscbnitten 8-9 und 9-10 besteht,
ist vollständig von dem Druck abhängig, mit dem die Düsen 3 beaufschlagt werden.
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Beispielsweise kann durch den Ringquerschnitt 8-9 die doppelte Gasmenge
aufsteigen, als durch den Ringquerschnitt 9-10 abwärts geführt wird. Wärmetechnisch
hat dies die äußerst wichtige Folge, daß bei 7 aufgegebenes Gut, das in die Nähe
der Düsen 3 gelangt, niemals mit der vollen Temperatur des durch die Düsen 3 zuströmenden
Gases beheizt werden kann, sondern nur mit einer Mischtemperatur, da das durch den
Ringquerschnitt9-10 vom Wendekopf 4 zurückkehrende Gas bereits abgekühlt ist und
sich bei den Düsen 3 mit frisch zutretendem heißen Gas vermischt.
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Um die Achse 11 zeigt die Strömung aufwärts und abwärts gerichtete
Komponenten, doch sind diese von geringer Größe.
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Bringt man nun in der sonst nicht veränderten Kammer 1 im Austritt
2 einen windschlüpfigen Füllkörper 12, wie in Fig. 3 gezeigt, an, so ändert sich
an der Strömung in den Ringquerschnitten 8-9 und 9-10 nichts. Dagegen treten, wie
aus Fig. 4 ersichtlich, in dem Ringquerscbnitt 10-11 bedeutend größere Axialgeschwindigkeiten
auf, die außen aufwärts und innen abwärts gerichtet sind. Der Radius 10-11 ist jedoch
gegenüber den beiden Ringquerschnitten 8-9 und 9-10 ziemlich klein.
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Auf eine Weise ändert sich, wie gefunden wurde, an diesem grundsätzlichen
Charakter der Strömung auch dann nichts, wenn man den Gasaustritt 2 von unten nach
oben verlegt, wie dies Fig. 5 zeigt. Hier enthält der Wendekopf 4 eine nach den
Regeln des Gasturbinenbaus gestaltete Mündung 13 als Gasaustritt, während die Gaszufuhr
über tangential blasende Düsen 14 und 14a entweder in Höhe des größten Durchmessers
der Kammer oder, wenn der beaufschlagende Druck entsprechend erhöht wird, über dem
Fuß der Wirbelkammer 1, der dem Herd eines Hochofens nachgebildet ist, erfolgt.
Wie das zugehörige Diagramm der Axialgeschwindigkeit Fig. 6 zeigt, findet sich wieder
innerhalb des Ringes 8-9 und im Kreisquerschnitt 10-11 eine aufsteigende, im Ring
9-10 eine absteigende Strömung.
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Die an sich zu erwartende, dem Gesetz des konstanten Produktes aus
Radius und Umfangsgeschwindigkeit gehorchende Strömung bleibt also aus. Man kann
daher das Gas genausogut durch die Mündung 13 wie durch den Austritt 2 abziehen,
ohne an den Strömungsverhältnissen in der Honzontalebene etwas zu ändern.
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Es bleibt jeder radial weiter außen liegende Stromfaden gegenüber
seinem weiter innen liegendem Nachbarn zurück, so daß Feingut, das in eine solche
Strömung gelangt, eine Drehbewegung um seine Vertikalachse erhält, was für eine
Wärmeübertragung von großer Bedeutung ist. Der Nachteil dieser Anordnung besteht
jedoch noch darin, daß die unerwünschte absteigende Strömung im Kreisquerschnitt
9-10 bestebenbleibt und eine Mischtemperatur erzeugt wird.
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Will man dies vermeiden, so muß der Umlenkungsimpuls durch den Wendekopf
4 beseitigt werden.
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Außerdem dürfen die Düsen 14 und 14a das Gas nicht nach unten saugen.
Daher ist es zweckmäßig, auf den Wendekopf 4 und die Mündung 13 zu verzichten, dagegen
die Wirbelkammer 1 durch eine ebene Platte 15 a abzudecken, die Gasabzugsöffnung
15 mit einem nach innen übergreifenden Kragen 16 zu versehen und das Gas beispielsweise
durch einen kerzenartigen Einbau 17 zuzuführen. Der kerzenartige Einbau 17 enthält
vorteilhaft oben tangential gerichtete Schlitze 18, durch die heißes, nicht unter
Druck stehendes Gas in das Innere des Wirblers angesaugt werden kann, während durch
die engen, ,ebenfalls tangential gerichteten Öffnungen 19 unter Druck stehendes
heißes Gas mit hoher Geschwindigkeit ausströmt.
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Wie gefunden wurde, sind bei dieser Anordnung, die in Fig. 7 gezeigt
ist, bis herab zur Horizontalebelle 24-A keine absteigenden Axialgeschwindigkeiten
mehr vorhanden. Die Ringzone 9-10 ist fast neutral, d. h. ihre Axialgeschwindigkeit
annähernd Null. In der Ebene B-B findet sich dagegen im Ring 9-10 eine mäßige Abwärtsströmung,
die aus heißem Gas besteht und daher nicht mehr eine Mischtemperatur liefert.
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Von dem ganzen Kammerinnenraum 8-10 ist somit nur der Abschnitt 8-9
wirksam. Es ist daher notwendig, den Radius der Kammer und die Gasgeschwindigkeit
so zu wählen, daß das Behandlungsgut nur in dem Hohlkegel 8-9 bewegt wird.
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Häufig besteht die Forderung, bei der Behandlung erhitztes Feinkorn
wieder abzuziehen. In diesem Fall kann man die Anordnung nach Fig. 7 durch eine
solche nach Fig. 10 ergänzen, bei der der untere Teil der schachtartigen Kammer
1 durch einen zweiten Kegel 20 verlängert ist. Etwa in halber Höhe des Schachtes
1 befindet sich ein klerzenartiger Mitteleinbau 17 mit Saugöffnungen 18 und Druckdüsen
19. Während aus den Einblasdüsen 9 unter Druck stehendes Gas austritt, kommt aus
den Druckdüsen 18 unter Unterdruck angesaugtes heißes Gas. Der Gasstrom der beiden
dicht nebeneinander liegenden Düsengruppen zieht durch einen in der Kegel achse
liegenden Zugstutzen 15 ab.
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Der kerzenartige Mitteleinbau ruht auf bei spielsweise zwei mit ihrer
Querachse der Wirbelströmungsrichtung folgenden flügelartigen Rippen 21, deren eine
im Schnitt nach C-C Fig. 11 in Fig. 10 eingetragen ist. Diese Rippen 21 enthalten
je eine Bohrung 22 zum Anschluß der Gasaustrittsöffnungen 18 und 19. Der Unterteil
20 des Schachtes 1 enthält eine entsprechend ausgestaltete untere Düsengruppe 23
mit Gasaustritten 18 und 19. Durch diese kann kaltes Gas von etwa gleicher Zusammensetzung
wie das im Oberteil des Schachtes verwendete zutreten. Für die Zuführung des Feinkornes
ist eine tangentiale, aber pneumatische, am
Kopf des Schachtmantels
angeordnete Zuspeisvorrichtung 24 vorgesehen.
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Das bis zum Überströmen der Rippen 21 erhitzte Feingut wird von der
von unten kommenden Strömung 18-19 erfaßt und in den Auslauf 25 hinabgedrückt.
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Hierbei kühlt es sich ab, während die untere Strömung 18-19 sich ihrerseits
bis nahe an die Temperatur des Feingutes hei den Rippen 21 anwärmt. Zum Abzug der
unteren Strömung 18-19 besitzt die Gaszuführung 23 ein Innenrohr26, durch das das
Gas nach außen entweichen kann. Strömungstechnisch legt die beim Mifteieinbau austretende
Strömung 18-19 eine Decke über den unteren Kegel 2Q, so daß in diesem der Abzug
der die untere Düsengruppe 23 verlassenden Sitrömung 18-19 durch das Innenrohr 26
tatsächlich ermöglicht wird.
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Der Austausch zwischen einem Gas und einem Feingut in einer Strömungseinrichtung
der beschriebenen Art läßt sich auf vollständige Kreisprozesse thermischer, chemischer
oder sonstiger Vorgänge ausdehnen.
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In Fig. 12 ist die Herstellung von pulverförmigem Eisenschwamm schematisch
als Beispiel dargestellt.
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In einem nach Fig. 10 gestalteten Schwammofen 27 wird feinkörniges
Erz durch eine Zuführung 28 pneumatisch eingestäubt und durch entgegenströmendes
CO zu Fe-Pulver reduziert. Das hierdurch mit CO2 beladene CO geht überwiegend als
Kreisgas zu einem C O2-Regenerator 29. Zunächst dient dabei ebensoviel CO + C Ol
zur Kühlung des gebildeten Schwammes, wie frisches C O im C O2-Regeneratof 29 entsteht.
Um dies zu erreichen, durchläuft das C O-C O2-Gemisch einen Abhitzekessel 30. Von
einem Gebläse mit Hoch-und Niederdruckventil 31 wird es dem Unterteil des Schwammofens
27 zugeführt. Von da gelangt es zu einem Brenner des A1203-Erhitzers32, während
der gekühlte Schwamm hei 33 entnommen werden kann.
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In den C O2-Regenerator 29 wird Kohlenstaub oder konvertiertes Wassergas,
das wesentlich mehr H2 als CO enthält, durch eine Öffnung 34 eingeblasen, um Anfall
von Brennstoffasche und Beladung des gebildeten CO mit Brennstoff-S zu vermeiden.
Die Regeneration des C O2 erfolgt nach der Gleichung: CO2 + H2 = CO + H2O, so daß
Wasserdampf entsteht. Da dieser wegen des großen Überschusses von CO im Schwammofen
27 unschädlich ist und stets den Prozeß in gleicher Menge verläßt, wie C O2 regenerilert
und CO neu gebildet wird, ist ein solches Verfahren statthaft, wobei noch zu berücksichtigen
ist, daß hei den angewandten Temperaturen ein Teil des H2O und des C O2 wider Dissoziation
verfällt.
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Die für die C O2-Regeneration benötigte Wärme wird von einem durch
eine Zuspeisungsvorrichtung 35 eingetragenen erhitzten feinkörnigen Stoff, z. B.
gemahlenes Al203, eingebracht, der an den chemischen oder sonstigen Umsätzen nicht
teilnimmt, sondern nur seine Wärme abgibt. Zu diesem Zweck ist der Regenerotor 29
in bekannter Weise mit einem Rolltisch 36 versehen, so daß sich die Tasche 37 vom
Regenerator druckdicht absperren läßt. In der Tasche 37 auges ammeltes Al203 kann,
zweckmäßig über einen nicht dargestellten Zwischenbehälter, dem Feinkornerhitzer
32 aufgegeben werden. Das abgekühlt vom Schwammofen 27 kommende C O-C O2-Gemisch
kann so im C O2-Regenerator 29 wieder durch Al2 O3 erhitzt und regeneriert werden,
so daß reines CO, mit etwas H2O beladen, zum Schwammofen 27 gelangt. Das CO-CO2-Gemisch
wird von einem weiteren Gebläse mit Hoch-und Niederdruckstufe 38 geführt. Dieses
Gebläse 38,
das im CO2-RegeneratorAq einen um einige 100 mm WS höheren Druck aufrechterhält
als im Schwammofen 27> kann das gebildete C O ohne weitere Fördereinrichtung
aus dem Regenerator 29 in den Schwammofen 27 leiten. Um Brennstoffstaub und Al203
in die Tasche 37 drücken zu können, besitzen der C O2-Regenerator 29 und der Al2
03-Erhitzer 32 die gleichen erfindungsgemäßen 5 trömungs einrichtungen, wie zu Fig.
7 besprochen.
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Umgekehrt erfolgt die Wiedererhitzung des abgekiihlten Al2 ob ebenfalls
in einem Strömungsofen nach der Erfindung durch Verbrennung des aus der Schwammrednktion
im Sichwammofen 27 ausscheidenden Gemisches von C O und C °2J dessen Menge hierfür
ausreicht. Weitere Zufuhr von Brennstoff als durch die Öffnung 39 ist daher nicht
nötig. Um das erhitzte Al2 O3 abziehen zu können, ist auch der Ofen 32 mit Rolltisch
36 und Tasche 37 versehene Dem sinngemäß nach Fig. 7 gestalteten Brenner 39 wird
außer dem C O-C O2-Gemisch die im Rekuperator 40 durch die Abgase des Ofens 32 erhitzte
Verbrennungsluft zugeführt. Diesem Brenner 39 kann auch das H2 O des Abhitzekessels
3Q zugeleitet werden, was zur Dämpfung der Flammentemperatur führt. Jedoch ist es
richtiger, dieses H2Q zur Erzeugung des für den Regenerator 29 benötigten Wassergases
zu verwenden. Das kreisende Al2 Os wird bei der Zuführung 41 dem Erhitzer 32 aufgegeben
und beim Auslaß 37 des Al2 O5-Erhitzers 32 abgezogen. Von dort wird das Alg O3 über
die Zuspeisevorrichtung 35 zum Regenerator 29 zurückgefördert.
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In sinngemäß er Abänderung des Verfahrens läßt sich bei Fortfall
der Wiederabkühlung des entstandenen Eisenschwamms aus diesem eine Schmelze erzeugen.
Auch läßt sich mit den erfindungsgemäßen Strömungsöfen und dem geschilderten Kreislauf
eines Wärmeübertragers, z. B. Al2 08, Wassergas ununterbrochen gewinnen, in dem
man in einer Einheit gast, wobei die nötige Wärme kreisendes Al903 zuführt, während
dieser Wärmeträger in einer zweiten Einheit wieder erhitzt wird.
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Diese beiden Einheiten kann man auch unter verschiedenem Druck betreiben,
indem man das Al2 03 unter gewöhnlichem Druck erhitzt, dann aber unter 30 atü in
die zweite Einheit einpumpt, so daß in dieser die Gleichgewichtsbedingungen für
die Entstehung von C H4 vorliegen. Man kann auf diese Weise ohne °2 ein Stadtgas
von 4000 kcal oder ein Ferngas von 8000 kcal unmittelbar gewinnen und muß dabei
nicht wie in der Wirbelkammer von backenden Brennstoffen absehen.
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Während einerseits das Wirbelbett die Anwendung nur verhältnismäßig
niedriger Gasdurchtrittsgeschwindigkeit gestattet und schmelzflüssig werdende Körper
überhaupt nicht verarbeiten kann, andererseits ein solches Wirbelbett zu mehrfachem
Umlauf des Behandlungsgutes zwingt, da die Verweilzeit, z. B. zur Vergasung von
Kohle oder zur Reduktion von Erz, nicht ausreicht und Gas wie Behandlungsgut gleichsinnig
von unten eingeführt werden, so daß deren Geschwindigkeiten miteinander gekoppelt
sind und ein Wärmegegenstrom ausbleibt, sind im Strömungsofen nach der Erfindung
alle Komponenten, wie Druck, Gasgeschwindigkeit, B el adungshöhe des Gases mit Feingut,
Verweilzeit und Korngröße des Feingutes, der Kohle, des kreisenden Wärmeträgers,
z. B. des Al2 O3, sowie gegebenenfalls die zu übertragende Wärmemenge, aufeinander
abstimmbar.
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Alle Beheizungsvorgänge lassen sich mit Naturgas oder Öl, die C O2-Reduktion
nach den Crackregeln für CH4 ebenfalls mit diesen beiden Stoffen durchführen.
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Dem kreisenden Wärmeträger kann man Stoffe beimischen, wie CaO zur
S-Bindung bei metallurgischen Reaktionen oder Katalysatoren. Auch kann der Wärmeträger
selbst an den Reaktionen teilnehmen.