Wiederholungs- und Prüfungsfragen zur Vorlesung Verbrennung

Wiederholungs- und Prüfungsfragen zur Vorlesung Verbrennung
Wiederholungs- und Prüfungsfragen zur Vorlesung Verbrennung
Die nachstehenden Fragen sind zur Strukturierung der Lerninhalte der Vorlesung und als
Hilfsmittel zur Simulation der Prüfung gedacht, um ein Gefühl für die Art der Prüfungsfragen
zu bekommen. Zu den Fragen ist jeweils eine knappe Musterlösung angegeben, deren Begründung Sie sich anhand der Vorlesungsunterlagen erarbeiten sollten. Nutzen Sie diesen
Katalog als Leitlinie zum gezielten Vertiefen und nicht nur zum Auswendiglernen.
Termin 1
1. Welchen Zusammenhang gibt es zwischen Wirtschaftsleistung und Primärenergieverbrauch?
• Im Mittel lineare Abhängigkeit, es gilt in etwa tSKE/cap a = 103$/cap a.
2. Was ist Primärenergie, was ist Sekundärenergie, wie hängen diese zusammen?
• Primärenergie ist der Energierohstoff in natürlicher Form, Sekundärenergien sind aus PE
abgeleitet , mit einerm mittleren Umwandlungsverlust von ca. 25% .
3. Wodurch unterscheiden sich Rohöl und Rohkohle chemisch? Wie kann man das begründen?
• Vor allem im molaren H/C Verhältnis, Kohlen haben 0.5-1, Öl liegt bei 2. Die Herkunft von
Kohle ist pflanzlich, die von Öl tierisch. Die Struktur der Ausgangsstoffe hat das H/CVerhältnis eingeprägt.
Termin 2
4. Formulieren Sie das allgemeine Gasgesetz in molarer Form. Welcher Ausdruck beschreibt die kinetische Energie der Teilchen? Hängt der Druck von der Art der Teilchen
ab? Wie verhält sich die Geschwindigkeit eines leichten Teilchens zu der eines schweren
Teilchens?
• p =n*ℜ*T (*); E_kin prop. zu ℜ*T; p nur abhängig von Anzahl, nicht von Art;
E_kin=1/2*m*v*v, also leichteres Teilchen höheres v.
5. Was ist der Unterschied zwischen cp und cv ? Wie hängen diese mit R zusammen?
• cv ist die Wärmekapazität der Teilchen, d.h. ihr Speichervermögen unter Einbeziehung
aller Freiheitsgrade (translatorisch, rotatorisch, vibratorisch). cp ist cv plus der Betrag isobarer Verschiebearbeit. Da diese direkt aus dem Gasgesetz resultiert, gilt: cp= cv+R .
6. Was sind Molenbruch, Massenbruch und Partialdruck?
• Molenbruch=Anzahl der Teilchen einer Spezies / Gesamtzahl aller Teilchen, Massenbruch=Masse der Teilchen einer Spezies / Gesamtmasse aller Teilchen , Partialdruck der
Spezies = Molenbruch der Spezies mal Gesamtdruck des Gemisches.
7. Was ist die Molenkonzentration? Wo wird sie benötigt?
• Molenkonzentration=Anzahl der Teilchen einer Spezies / Gesamtvolumen = p_i/(R*T) =
Xi p/RT . Die Molenkonzentration wird bei der Berechnung der Reaktionsrate benötigt.
8. Wie berechnet man die spezifische Enthalpie, die spezifische Entropie von Gasgemischen?
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•
Mit dem Molenbruch / dem Massenbruch gewichtete Summe der Spezies Enthalpien /
Entropien. Formel: h (T ) =
N
∑ hi (T ) ⋅ X i
i =1
N
s (T , p ) = ∑ si (T , p ) ⋅ X i . Formel jeweils noch
i =1
für s_i und h_i lernen.
9. Welche Bedeutung hat der Partialdruckterm in der spezifischen Entropie? Wo wird er in
der Verbrennungstechnik wichtig?
• Der Partialdruckterm der Entropie kennzeichnet die isotherme Expansions- / Kompressionsarbeit, die bei der Vermischung von Teilchenströmen oder der Änderung
der Teilchenzahl aufgewendet werden muss. Insbesondere bei der Betrachtung des
thermodynamischen Gleichgewichts von nicht- äquimolaren Reaktionen liefert dieser
Term die Druckempfindlichkeit der Gleichgewichtszusammensetzung .
10. Schreiben Sie die Bruttoreaktionsgleichung eines allgemeinen KWST für magere Bedingungen.
• CmHn + λ(m+n/4) (O2 +79/21 N2) -> m CO2 + n/2 H2O + λ(m+n/4) 79/21N2 + (λ-1)
(m+n/4) O2
11. Was ist die Luftzahl? Welche Verbrennungsregimes werden anhand der Luftzahl unterschieden? Ermitteln Sie den stöchiometrischen Luftbedarf aus obiger BRG. Berechnen
Sie allgemein den erforderlichen Luftmassenstrom für ein mageres Verbrennungssystem.
•
λ=
m air
l
n   79  Μ

=
; Cm H n : lmin =  m +  ⋅  1 +  ⋅ air ; m air =λ ⋅ lmin ⋅ m fu ;
m air , stöch lmin
4   21  Μ fu

12. Was ist eine Atombilanz? Geben Sie ein Beispiel für die Anwendung.
• Die Atombilanz ist die Massenerhaltung für Stoffumwandlungssysteme. Sie wird so genannt, da die Summe der Atome jeder Art im System konstant sein muss. Für die KWst.
Verbrennung lässt sich deswegen je eine C,H,O,N Bilanz aufstellen, durch die 4 Nebenbedingungen resultieren, mit welchen man z.B. Speziesbilanzen eliminieren kann. Beispiel: Die stöchiometrischen Faktoren der Produktspezies, m und n/2, in der Reaktion
CmHn + ..... -> m CO2 + n/2 H2O resultieren aus der Elementarbilanz von C und H.
13. Stellen Sie eine Enthalpiebilanz für die vollständige, adiabate Verbrennnung eines KWst.
Gases mit Luft bei konstantem Druck auf. Wie ändert sich die adiabate Flammentemperatur bei steigender Luftzahl? Woran liegt das?
~
n ~
n 79 ~
hCmHn (TCmHn ) + λ (m + ) hO 2 (TLuft ) + λ (m + )
hN 2 (TLuft ) =
4
4 21
~
n~
n 79 ~
n ~
m hCO 2 (Tad ) + hH 2O (Tad ) + λ (m + )
hN 2 (Tad ) + (λ − 1) (m + ) hO 2 (Tad )
2
4 21
4
; λ ↑ ⇒ Tad ↓ ; Ursache: thermischer Ballast.
14. Was ist der Heizwert? Mit welcher Methodik kann man den Heizwert messen? Wie unterscheiden sich unterer und oberer Heizwert?
•
Der Heizwert ist die mit den jeweiligen Molenbrüchen gewichtete Differenz der Standardbildungsenthalpien von Edukten und Produkten. Methodik: Kalorimeterprinzip: Die Reaktanden werden bei Standardtemperatur zugeführt. Der Reaktion wird soviel Wärme
entzogen, dass die Abgastemperatur wieder die Standardtemperatur ist. Die entzogene
Wärmemenge bezogen auf den Brennstoffstrom entspricht dem Heizwert des Brenn2/8
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stoffs. Die Unterscheidung Ho und Hu ergibt sich daraus, ob die Kondensationswärme
des bei der Verbrennung gebildeten Wassers mit eingerechnet wird.
Termin 3
15. Schreiben Sie einen Arrhenius Ansatz für die Vorwärtsreaktion A+B -> Produkte und erläutern Sie die Terme.
•

Ea  2
 n X A X B , Ao Tb ist der sogenannte Frequenzfaktor, aus dem sich
 RT 
ω = AoT b exp −
zusammen mit den Molkonzentrationen die maximal mögliche Stoßfrequenz der Reaktion
ergibt. Der Exponentialterm ergibt die Wahrscheinlichkeit, dass aus Stoß Reaktion folgt,
indem dort die kinetische Energie der Teilchen RT mit der Aktivierungsenergie der Reaktion verglichen wird. Für T-> unendlich wird die Wahrscheinlichkeit 1.
16. Schreiben Sie die Nettobildungsrate von A für die Elementarreaktion A+B ⇔ C+D in
Form temperaturabhängiger Geschwindigkeitskonstanten k(T). Was ergibt sich im
Gleichgewicht?
•
d (nX A )
= − k + (T ) n 2 X A X B + k − (T ) n 2 X C X D . Im Gleichgewicht ist die Nettobildt
k + (T ) X C X D
=
. Kc ist die chemische Gleichgewichtskondungsrate Null, d.h. K c (T ) = −
k (T ) X A X B
ω A =
stante.
17. Schreiben Sie das thermodynamische Gleichgewicht für die Reaktion O2 ⇔ 2 O, und
erläutern Sie qualitativ den Druckeinfluß.
2 −1
•
 p
 ∆G o (T ) 
X O2
mit der Differenz der freien Energie bei
K p (T ) = exp  −
=
 

RT 
X O2

 po 
~
~
Normdruck: ∆G o (T ) = 2 hO (T ) − T ⋅ ~
sO (T ) − hO 2 (T ) − T ⋅ ~
sO 2 (T ) . Da die Teilchenzahl
[
][
]
von O2 zu O zunimmt, wird sich unter Druck das Gleichgewicht in Richtung O2 verschieben.
Termin 4
18. Skizzieren Sie das Zündgrenzen Dreiecksdiagramm für CH4 , O2, N2 – Gemische mit der
Lage der Zündgrenzen. Erklären Sie die Zusammenhänge.
• Diagramm skizzieren; Bei der mageren Zündgrenze limitiert der thermische Ballast durch
den Luftüberschuss diese Grenze, wie sich an der Unabhängigkeit der Zündgrenze vom
Saustoffgehalt der Verbrennungsluft zeigen lässt, da die molare Wärmekapazität von
Stickstoff und Sauerstoff etwa gleich ist. Bei der fetten Zündgrenze dominiert der verfügbare Sauerstoff den möglichen Reaktionsumsatz und damit die Wärmefreisetzung, weshalb ein linearer Zusammenhang der fetten Zündgrenze mit dem Sauerstoffgehalt der
Verbrennungsluft gefunden wird.
19. Was ist der Löschabstand? Von welchen Parametern hängt er ab? Wo wird er angewendet bzw. wirksam?
• Der Löschabstand ist ein Abstandsbereich in der Nähe von Wänden, innerhalb dessen Reaktionen gequencht werden, d.h. verlöschen. Abhängig von: Gemisch, Druck,
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Temperatur; Anwendung: Bereich von Kolbenspalten bei Ottomotoren, was zur UHC
Emission führt; bei Rückschlagsicherungen an Vormischbrennern oder in Grubenlampen, bei der Berechnung der Brennerstablilität von laminaren Vormischbrennern.
Termin 5
20. Welche Erhaltungsgleichungen beschreiben ein Verbrennungssystem?
• Impuls, Masse, Spezies, Energie.
21. Was ist eine laminare Vormischflamme? Welche Größe ist charakteristisch für eine laminare Vormischflamme?
•
Werden Brennstoff und Luft (homogen) vermischt, bevor sie die Reaktionszone erreichen, spricht man von einer Vormischflamme. Laminar bedeutet, dass die Strömung von
molekularen Transporteffekten bestimmt wird, was gleichbedeutend mit kleinen ReZahlen ist. Die laminare Brenngeschwindigkeit ist charakteristisch für die laminare Vormischflamme.
22. Welche Flammenform bildet eine laminare Vormischflamme über einem Düsenbrenner
mit ebenem Geschwindigkeitsprofil? Wie groß ist die Brenngeschwindigkeit an der
Flammenspitze? Welche Anomalien treten wo auf?
•
Sie bildet einen Kegel. An der Flammenspitze ist die laminare Brenngeschwindigkeit
gleich der Düsengeschwindigkeit: Spitzenanomalie -> s_l grösser wg. konvektivem
Wärmetransport; Fußanomalie -> Flammenrückdruck + Quenching.
23. Skizzieren Sie die Geschwindigkeiten an der Front. Erläutern Sie die Kinematik der
Flammenfront. Wie verhält sich der Kegelwinkel bei zunehmendem Düsenimpuls?
•
Skizze Termin 5, S.11. Die Kinematik ergibt sich aus der Bedingung, dass frontnormale
Strömungsgeschwindigkeitskomponente betragsgleich der entgegengerichteten laminaren Brenngeschwindigkeit ist. Das Geschwindigkeitsdreieck auf der Abgasseite ergibt
sich durch die Bedingung, dass die Tangentialgeschwindigkeit an der Front erhalten bleiben muss, während die Normalengeschwindigkeit entsprechend der Dichteabnahme anwächst; der Kegelwinkel wird bei zunehmendem Düsenimpuls kleiner, wg.
sin(alpha)=s_l/v_d;
24. Skizzieren Sie den Temperaturverlauf einer 1-d laminaren Vormischflammenfront unter
Verwendung der Theorie von Spalding. Welchen „Trick“ wendet Spalding an? Welche
Bereiche können Sie unterscheiden? Welche Bedingungen gelten dort? Welche Parameter können Sie anhand dieses Ansatzes bestimmen?
• Skizze Termin 5 S.16. Trick: kein Temperaturgradient am Anfang der Vorwärmzone,
sowie am Ende der Reaktionszone -> keine Wärmeleitung über die beiden Zonen hinaus.
Es gibt zwei Bereiche: die Vorwärmzone, über die sich konvektiver Wärmetransport mit
der Wärmeleitung die Waage halten und die Reaktionszone, in der die Reaktionswärme
freigesetzt wird. Parameter: Flammengeschwindigkeit und Flammendicke.
25. Was ist die laminare Brenngeschwindigkeit und von welchen Parametern hängt sie ab?
Welche Größe übt den maßgeblichen Einfluß aus?
• Die Flammenfront-normale Frischgasgeschwindigkeit, bei der sich eine stationäre Flammenposition ergibt, ist die laminare Brenngeschwindigkeit. Die Brenngeschwindigkeit der
laminaren Vormischfront ist sowohl von der thermischen Diffusion als auch von der Re-
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aktionskinetik und dem Heizwert des Brennstoffes abhängig.Die Brenngeschwindigkeit ist
proportional zum Quadrat der Temperatur, dem maßgeblichen Parameter.
26. Was bestimmt die Druckabhängigkeit der laminaren Brenngeschwindigkeit? Wie ist sie
für Methan (CH4) ?
• Die Duckabhängigkeit der laminaren Brenngeschwindigkeit sl wird von der effektiven glo-
sl ( p )  p 
= 
balen Reaktionsordnung n mit
sl ( po )  po 
n−2
2
der Brenngaskinetik bestimmt. Für
Methan (n=1) ist sie proportional zu p-0.5 .
Termin 6
27. Skizzieren Sie qualitativ den Achsverlauf der Axialgeschwindigkeit in einem runden, laminaren Freistrahl für zwei Düsengeschwindigkeiten. Welche Proportionalitäten erwarten
Sie? Welcher Parameter ist maßgebend und warum?
• Skizze Termin 6, S.8. Man erwartet im Kernbereich keine Änderung der Geschwindigkeit
und im Ähnlichkeitsbereich einen Abfall mit Re d/x, d.h. für die grössere Düsengeschwindigkeit verschiebt sich der Verlauf zu größeren x/d. Der maßgebende Parameter ist die
Düsenreynoldszahl, weil sie das Verhältnis von konvektivem zu diffusivem Impulstransport darstellt und aufgrund der Freistrahlbedingungen keine weiteren Wechselwirkungen
nennenswert sind .
28. Was ist eine laminare Diffusionsflamme? Nennen Sie ein Beispiel aus der Praxis!
• Werden Brennstoff und Luft getrennt zur Reaktionszone geführt, so müssen sie erst molekular mischen, um zu reagieren. Dieser Mischungsvorgang erfolgt durch Diffusion, daher der Name. Laminar bedeutet, dass die Strömung von molekularen Transporteffekten
stark bestimmt wird, was gleichbedeutend mit kleinen Re-Zahlen ist. Beispiele sind Kerzenflamme, Feuerzeugflamme, Kochstellenbrenner.
29. Wie definiert man die Flammenlänge einer laminaren, runden Diffusionsstrahlflamme?
Wovon hängt sie ab?
• Die Lage des stöchiometrischen Massenbruchs auf der Strahlachse definiert die Flammenlänge. Die Flammenlänge der laminaren Strahlflamme ist bei konstanter Re-Zahl
proportional zum Luftbedarf des Brennstoffs und für festen Brennstoff proportional zur
Düsengeschwindigkeit (Re-Zahl).
30. Was ist das Flammenhaut-Modell der laminaren Diffusionsflamme?
• Das Flammenhautmodell nimmt an, dass die Reaktionskinetik unendlich schnell in einer
infinitesimalen Schicht an der stöchiometrischen Kontur abläuft. Das bedeutet, dass der
Reaktionsumsatz nur durch die diffusiven Mischungsvorgänge bestimmt wird und man
feste Beziehungen zwischen dem Mischungszustand, definiert durch den nichtreagierenden Mischungsbruch f, und den Spezies sowie der Temperatur angeben kann. Skizze
Termin 6, S.10 für Massenbrüche, Temperaturverlauf.
Termin 7
31. Was ist das besondere Kennzeichen des turbulenten Freistrahls?
• Da die turbulenten Transport und Mischungsvorgänge proportional zum Düsenimpuls
skalieren, hat man ein invariantes Strömungs- und Mischungsfeld. So ist z.B. das Verhältnis einer Geschwindigkeit zur Düsengeschwindigkeit für einen gegebenen Ort unab5/8
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hängig von der Re-Zahl. Deshalb ist die Massenansaugung / das Entrainment proportional zum Düsenmassenstrom.
32. Welche makroskopischen Größen charakterisieren die turbulente Wirbelkaskade? Welche Kennzahl bilden sie? Schätzen Sie aus den Makromaßen ein turbulentes Zeitmaß
ab.
• Die Makromaße von Turbulenzgeschwindigkeit u’ und –längenmass l_t definieren das
energetisch obere Ende der Turbulenzbewegung. Aus ihnen wird die Turbulenz-Re-Zahl
Ret =
u ′ ⋅ lt
ν
gebildet, aus der sich die spektrale Erstreckung der Turbulenzkaskade ab-
schätzen lässt.; τ t =
lt
.
u′
33. Welche Kennzahlen charakterisiert die Wechselwirkung zwischen Reaktion und Turbulenz? Erläutern Sie die Asymptoten.
• Die turbulente Damköhlerzahl als Verhältnis der turbulenten Mischungszeit zur chemischen Reaktionszeit. Da t =
τ t lt ⋅ sl2
λ
;a=
≈
= ν / Pr . Dat ->0 Chemiedominiert, Dat τ c u′ ⋅ a
ρ ⋅ cp
> ∞ Mischungsdominiert.
Termin 8
34. Was ist das Kennzeichen der turbulenten Diffusionsstrahlflamme? Wie stellt man deshalb
eine gewünschte Flammenlänge ein?
• Das für einen gegebenen Brennstoff konstante Verhältnis von Flammenlänge zu Düsendurchmesser. Die Flammenlänge wird deshalb über die Wahl des Düsendurchmessers
eingestellt.
35. Was ist Abheben und Ausblasen von Diffusionsstrahlflammen?
• Wenn die Zünd- und Stabilisierungszone der Flame zunehmend von der Reaktionskinetik
bestimmt wird, kommt es zum Abheben der Flamme von der Brennerdüse. Der Brennstoffstrahl saugt nun erst Luft an und es kommt zur Teilvormischung, so daß sich stromab eine teilvorgemischte, turbulente Flammenfront bildet. Dies setzt voraus, dass ein Ort
im Strahl existiert, wo die turbulente Brenngeschwindigkeit der lokalen Strömungsgeschwindigkeit die Waage hält. Wenn sich keine Zone findet, in der dieses Gleichgewicht
erreicht wird, kommt es zum Abblasen und die Flamme verlöscht.
36. Nennen Sie Maßnahmen, um den Betriebsbereich (therm. Leistung) eines Diffusionsbrenners zu erhöhen!
• Der Betriebsbereich wird durch Rezirkulationszonen vergrössert, in denen heißes Abgas
an die Zündzone transportiert wird und in denen Geschwindigkeitsgradienten bei zündfähiger Mischung existieren. Die Rezirkulationszone kann durch Staukörper oder Drall bewirkt werden.
37. Wieso kann man bei der turbulenten Diffusionsflamme mit dem Flammenhautansatz nicht
unmittelbar von der mittleren Mischung auf den mittleren Reaktionszustand schließen?
• Der Grund ist der Unterschied zwischen Makro- und Mikromischung. Durch die Makromischung liegen zwar im zeitlichen Mittel bestimmte Werte von Brennstoff und Luft lokal
vor, die aber momentan aufgrund von Ungemischtheit nicht existieren. Da aber die Reaktion molekulare Vermischung voraussetzt, muß man statt dem zeitlich mittleren Zu-
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stand die mit der Häufigkeit ihres Auftretens gewichteten Momentanzustände aufsummieren, um den mittleren lokalen Reaktionszustand zu erhalten.
Termin 9
38. Wie nennt man das einfachste Tropfenverdampfungsmodell und was besagt es qualitativ? Welches Verhältnis ist für die Verdampfung charakteristisch?
• Dies ist das D2-t Modell und es bedeutet, dass das Quadrat des Tropfendurchmessers
linear mit der Zeit abnimmt. Das Verhältnis von fühlbarer Wärme in der Umgebung zur
Verdampfungsenthalpie des Brennstoffs bildet die sog. Spalding Transferzahl, die für die
Verdampfung charakteristisch ist.
39. Welches Verhältnis bestimmt beim D2-t Modell der ruhenden Tropfenverbrennung die
Abbrandgeschwindigkeit?
• Das Verhältnis von luftbedarfsbezogenem Heizwert zur Verdampfungsenthalpie dominiert die Wärmetransportzahl und damit die Abbrandrate.
40. Welchen Einfluß hat die Tropfenrelativbewegung auf die Verdampfung oder die Abbrandgeschwindigkeit?
• Durch die Relativbewegung werden die Transportprozesse durch Aufsteilung der Gradienten intensiviert und so der Abbrand / die Verdampfung beschleunigt. Der maßgebliche Parameter ist die Tropfen Nusseltzahl, die eine Funktion der mit der Relativgeschwindigkeit gebildeten Tropfen Re-Zahl ist.
Termin 10
41. Nennen Sie die 4 Hauptschadstoffe der KWst. Verbrennung und ihre Schadwirkung.
• CO2 – Treibhausgas, CO- Blutgift, NOx- Ozonloch, saurer Regen, SOx – saurer Regen.
42. Wann entsteht CO?
• Bei der KWst. - Verbrennung als Zwischenprodukt immer! Emissionen infolge Luftmangel, Quench aus hohen Temperaturen, kurzer Verweilzeit und damit unvollständige Verbrennung.
43. Nennen Sie die drei Hauptbildungswege von NO und charakterisieren Sie die zugehörigen Entstehungsbedingungen.
• Thermisch durch Zeldovich Mechanismus, hohe Temperaturen bei ausreichendem O2
Angebot, Prompt durch CH-Radikale in der Flammenzone, Brennstoff- NO aus Brennstoff-gebundenem Stickstoff.
44. Welche Primär- und welche Sekundärmaßnahmen zur Reduktion von NOx -Emissionen
kennen Sie?
• Primär: Abgas-Rezirkulation,gestufte Verbrennung, Sekundär:SNCR und SCR.
45. Erläutern Sie das Funktionsprinzip der λ-geregelten katalytischen Abgasreinigung beim
Ottomotor. Skizzieren Sie die Konzentrationsverläufe von NO, UHC und CO über der
Luftzahl.
• Bei λ=1 ist der O-Bedarf von CO und UHC Emissionen etwa gleich dem O-Gehalt im NO,
so dass am Katalysator die Reduktion von NO unter Oxidation von UHC und CO stattfindet. Skizze Termin 10, S.18.
46. Nennen Sie die Ursachen für SOx Bildung in der Verbrennung. Welche Primär- und Sekundärmaßnahmen zur Reduktion von SOx –Emissionen kennen Sie?
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Wiederholungs- und Prüfungsfragen zur Vorlesung Verbrennung
•
Schwefelgehalt im Brennstoff. Primär: Brennstoff-Entschwefelung, Direktentschwefelung
im Feuerraum mit CaCO3, Sekundär: Rauchgaswäschen, Adsorption, katalytische und
Reduktionsverfahren.
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