Hundert Jahre Stufenrost-Entwicklung

Hundert Jahre Stufenrost-Entwicklung
Hundert Jahre Stufenrost-Entwicklung
Joachim Kümmel
Der Stufenrost – auch als Treppenrost bezeichnet – wurde und wird in vieltausendfacher
Ausführung in aller Welt eingesetzt mit Dutzenden verschiedener Roststäbe für eine
Vielzahl von Brennstoffen – von der Kohle über Rückstände bis zu Biomassen aller Art.
Zur Dampfmaschine
Speisewasserzuleitung
Oberwasserkessel
Überhitzerrohre
Siederohre
Unterwasserkessel
a = Blech für
die Wasserführung
Treppenrost
a
Bild 1:
Steinmüller-Steilrohr-Kessel mit
einer Treppen-Feuerung – gebaut
um das Jahr 1920
Der folgende Fachbeitrag beschreibt die Technologie der Stufenrostfeuerung mit beweglichen gegossenen Roststäben im Vergleich zu einer neu entwickelten FL-Rostfeuerung
mit starren Roststufen bestehend aus gewalzten Flossenrohren aus C-Stählen.
Dieses Rostsystem – Treppen- oder Stufenrost genannt – wurde eingesetzt für homogene Brennstoffe wie (Nuss-)Kohlen, Briketts und dergleichen und arbeitete in der
Regel – ohne Zonenluftregelung – mit hohen Luftüberschusszahlen. Kamine sollten/
mussten rauchen.
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Rost | Dampferzeuger
– Innovationsbeschreibung einer neuen Rostfeuerung –
Rost | Dampferzeuger
Joachim Kümmel
Bild 2:
Luftgekühlter Steinmüller-Treppenrost mit gusseisernen Roststäben aus dem Herstellungsprogramm 1918–1925
Quelle:
Fürst, A.: Das Weltreich der Technik. Berlin:
Verlag Ullstein, 1924
Das Grundprinzip dieser Rostfeuerung mit den Basiselementen der gusseisernen beweglichen Roststäbe hat sich in den letzten 100 Jahren kaum verändert.
Die Weiterentwicklungen betrafen im Wesentlichen folgende Rost-Elemente:
• Aufteilung der Rostfläche in Unterwind-Zonen,
• Anpassung der Roststabbewegungen an veränderte Brennstoffspezifikationen bzw.
an deren veränderte Brennverhalten,
• Anpassung der Luftdüsen an/in den Roststäben an veränderte Brennstoffe und
deren spezifischen Brennverhalten,
• Legieren der Roststäbe bei Einsatz hochkaloriger korrosiver Brennstoffe wie z.B.
Haus- und Gewerbeabfall,
• Verschiedene korrosive Brennstoffbegleiter erfordern bisweilen brennstoffangepasste Legierungen,
• Einsatz von zusätzlichem Opfermaterial auf/an den Roststäben bei besonders stark
erosiven Abfallbrennstoffen u.a.m.
Unveränderte Problempunkte sind geblieben, wie die hohen Investitionskosten, die
Korrosionsanfälligkeiten, die teils erheblich reduzierten Verfügbarkeiten und Reisezeiten der Anlagen sowie die Abhängigkeit vieler Kesselbauer von den Herstellern der
Rostfeuerungsanlagen.
Der nachfolgend beschriebene von der IBB-Technology entwickelte FlossenwandStufenrost ist eine Neuentwicklung in der Rost-Feuerungstechnologie mit den Möglichkeiten einer großen Brennstoff-Einsatzbreite, mit geringeren Investitionskosten,
größeren Verfügbarkeiten und höheren Anlagenwirkungsgraden.
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Hundert Jahre Stufenrost-Entwicklung
Die spezifischen Investitionskosten für die thermische Nutzung von Hausmüll, Biomassen wie Stroh – in den vorgenannten Leistungsbereichen – übersteigen die Grenzen
der Wirtschaftlichkeit in der Regel erheblich.
Niedrigere Investitionskosten, z.B. durch den Einbau sogenannter luftgekühlter Roste,
werden negativ kompensiert durch teilweise extrem hohe Reparaturkosten, durch
korrodierende Rostsysteme, verschlackende Kesselanlagen und daraus resultierend
reduzierte Verfügbarkeiten der Anlagen.
Bei Rostfeuerungen mit wassergekühlten Rosten ist das Reparaturaufkommen zwar
geringer, dem steht jedoch ein erheblich höherer Investitionsaufwand gegenüber, und
für die vor genannten Leistungsbereiche erhebliche Wärmeverluste aus der Rostkühlung
bis zu einer Größe von 0,6–1,2 MW = f (Anlagengröße).
Diese Wärme- und Wirkungsgradeverluste sowie die Abschreibungen auf die zusätzlichen Investitionskosten summieren sich auf bis zu 400.000–800.000 EUR/a, d.h. auf
2–4 Millionen EUR in nur 5 Jahren.
Kessel- und Feuerungsanlagen für die Brennstoffe Holz, Stroh und sonstige Biomassen
unterliegen der gleichen Problematik.
Die Brennstoffe Hausmüll aber auch Holz, Stroh und sonstige Biomassen gehören zu den
schwierigsten Brennstoffen, insbesondere für den Einsatz in Groß-Feuerungsanlagen.
Hierfür sind im Wesentlichen folgende Eigenschaften dieser Brennstoffe verantwortlich:
• Heizwertschwankungen von 8.000 bis 25.000 kJ/kg
• Flüchtige Bestandteile im Brennstoff von 10 bis 65 %
• Brennstoffstücklängen zwischen 10 und 1000 mm
• Volumina der Brennstoff-Fraktionen von 1,0 bis 5.000 cm³
• Korrosionsauslösende Brennstoffbegleiter
• Wassergehalte im Brennstoff von 15 bis 55 % und
• daraus resultierend Abbrennzeiten der Brennstofffraktionen zwischen 10 bis 1.000
Sekunden je kg Brennstoffmasse.
Die daraus resultierenden Brenneigenschaften der Brennstoffe Hausmüll und anderer
Brennstoffe wie Biomassen, Holz, Stroh sowie Hähnchen-Schlachtabfällen – erschweren
die Zuführung der verbrennungsspezifischen Luftmengen – sowohl lokal wie temporär
auf die einzelnen Rostzonen.
Die zum Einsatz kommenden Rostsysteme für die Verbrennung von Abfällen und
Biomassen weisen im Leistungsbereich von z.B. 10–60 MW Verbrennungsflächen
zwischen 10 m² bis 50 m² aus bei Rost-Breiten von 2–6 m und Rost-Längen von 6–9 m.
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Rost | Dampferzeuger
Verbrennung von Hausmüll, Biomassen wie Holz, Stroh aller Arten, Hähnchen-Schlachtabfällen usw. auf einem neu entwickelten korrosionsresistenten Flossen-Stufenrost im
Leistungsbereich von 25.000–160.000 t/a
Joachim Kümmel
Rost | Dampferzeuger
Aus den vor aufgeführten Daten errechnet sich die Schwankungsbreite des spezifischen
Verbrennungsluftbedarfs – ausgedrückt in Prozent – auf etwa 30 bis > 200 % je m²
Rostfläche im 100 %-Lastfall.
Der vorgenannte 30 %-Wert bezieht sich – bei luftgekühlten Rosten – auch auf die
erforderliche Mindestluftmenge für die Kühlung der Roststäbe.
Heizwerte und Konsistenz der zur Verfeuerung kommenden Brennstoffe wie auch die
zum Einsatz kommenden Regelsysteme sowie die Rost- bzw. Roststabkonstruktionen
generieren im Kraftwerksbetrieb erhebliche Schieflagen im Brennbett – mit gemessenen
Temperaturschwankungen im Feuerraum zwischen 600 °C und 1.200 °C.
An den Roststabrändern und vor den Roststabköpfen werden bei den bekannten Roststabkonstruktionen durch temporären und lokalen Luftmangel pyrolytische Reaktionen
ausgelöst: Die dann in den Abgassträhnen enthaltenen CO+H2+CnHm-Gehalte können
bis zu 28 Vol.-% erreichen, d.h. diese Abgassträhnen erreichen dann temporär Heizwerte bis zu 3.500 kJ/m³ bei einer Abgas-/Pyrolysegastemperatur von 700–1.000 °C.
Bild 3:
Brennbett mit Temperaturschieflagen zwischen 600 und 1.600 °C (± 100 K)
Die Auswirkungen der Boudouardschen Gasreaktionen – siehe Berichte HT-Korrosionen
der TU Dresden [11] – auf die gegebenen und auf dem Rost wirksam werdenden
Heizwerte sollen hier nicht weiter betrachtet werden.
Diese Pyrolysegas enthaltenen Abgassträhnen können dann – nach Nußbaumer [7] –
bei einer nachfolgend gestuften Luftzuführung mit Lambda-Werten von 0,9–1,2 lokale
Temperaturspitzen von 1.500 °C bis zu 2.000 °C erreichen.
Insbesondere die derzeit bekannten und eingesetzten Roststäbe reagieren – unabhängig von deren Legierungsbestandteilen – bei diesen Hot-Spot-Temperaturen mit
starken Hochtemperaturkorrosionen an den Roststäben wie zum Teil auch an den
Kesselheizflächen.
Diese Korrosionen treten zwar nur temporär und mit wandernden Lokalitäten auf,
aber mit hohen Wiederholungszahlen.
Da die Korrosionen im Wesentlichen an den Luftdurchlässen der Roststäbe auftreten,
werden diese Korrosionsbereiche erheblich vergrößert bis zur Bildung großflächiger
Luftdurchtritte (Bild 5), so dass die Schieflagen in der Verbrennungsluftverteilung verstärkt und in der Folge diese Hochtemperaturkorrosionen nochmal beschleunigt werden.
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Rost | Dampferzeuger
Hundert Jahre Stufenrost-Entwicklung
Beispiel eines luftgekühlten Roststabes mit geringem
luftseitigen Druckverlust, ohne Soll-Führung von kühlender
Verbrennungsluft: Große Korrosionsanfälligkeiten
Bild 4:
IBB-Roststab mit geführter, den Roststab kühlender,
Verbrennungsluft bei höherem luftseitigen Druckverlust
(Patent angemeldet)
Roststab-Ausführungen mit
hohem bzw. geringem Korrosionsrisiko
Auch Roststäbe aus hochlegiertem Stahlguss mit eingegossenen Kühlrohren zeigen
an den Roststabköpfen und an den seitlichen Stoßstellen immer wieder Hochtemperaturkorrosionen, wenn die Hotspots an diesen Roststabstellen Temperaturwerte von
550 °C oder gar 700 °C übersteigen.
Diese Hochtemperaturkorrosionen werden insbesondere verstärkt durch korrosive
Bestandteile aus den Brennstoffen bzw. aus den Brennstoffaschen wie Chlor, Schwefel
und den Buntmetallanteilen – die teils in Form von flüssigen Chloriden und Sulfaten
auftreten – wenn deren Schmelzpunkte überschritten werden.
• Schmelzpunkte von Chloriden: NaCl
801 °C
KCl
770 °C
PbCI2
501 °C
ZnCl2
313 °C
FeCl3
307 °C
SnCl2
247 °C
• Schmelzpunkt von Natriumsulfat: Na2SO4 884 °C
Die Eutektika der Chloride und Sulfate können Schmelzpunkte von 400 °C ± 50 K
erreichen, womit eine wesentliche Grenztemperatur für diese Korrosionsart definiert
werden kann. [1]
Die bekannten und in den Verbrennungsanlagen eingesetzten sogenannten luftgekühlten
Roststäbe mit Längs- oder auch Querrippen unter den Roststabflächen können mit etwa
450–650 Watt/m² Wärmeabstrahlung die erforderlichen maximal zulässigen RoststabTemperaturwerte zur Vermeidung der vor beschriebenen Korrosions-GrenzwertTemperaturen nicht sicherstellen. Auch die Luftverteilung auf diesen Rosten – sowohl in
der Längs- wie auch in der Querachse – ist ungenügend bis mangelhaft, bedingt durch
die zu geringen luftseitigen Druckverluste im Rostsystem wie sowohl die Betriebswerte
wie auch Rechnungsergebnisse [4] belegen:
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Joachim Kümmel
Tabelle 1:
Luft-Schieflagen=f(ΔpR: ΔpB)
Rost | Dampferzeuger
ΔpRoststabΔpBrennstoff Luft-Schieflage
mbarmbar
%
1,2
1,0 40 bis 50
4,0
70 bis 90
3,0
1,0
18 bis 22
4,0
30 bis 40
1,0
15 bis 20
4,0
25 bis 36
4,0
Bei der Bewertung der vor aufgeführten
Luft-Schieflagen d.h. der Brennbettschieflagen sind des Weiteren die Druckverlustschwankungen im Brennstoffbett zu
beachten bedingt durch Brennstoffkrater
im Brennstoffbett, durch ungleichmäßigen Abbrand und durch unterschiedliche
Heizwerte und Brennstoff-Fraktionen im
Brennstoffbett neben weiteren Ursachen.
Eine wesentliche Ursache für die teils hohen Druckverlustschwankungen im Brennstoffbett – und die damit verbundene Forderung nach die Luftverteilung stabilisierenden
hohen luftseitigen Druckverluste im Roststab, d.h. vor den Roststabdüsen – ist u.a. in
der Tatsache begründet, dass die Brennstoffe Abfall und Biomassen auf einer ebenen
Rostfläche aufliegen.
Bild 5:
Korrodierte Roststäbe aus einer Biomassefeuerung
Eine gleichmäßige Luftverteilung unter und im Brennstoffbett wird so extrem stark
behindert bzw. verhindert, mit den Folgewirkungen der vorbeschriebenen Strähnenbildung sowie den lokal und temporär generierten Pyrolysegasen.
Überlagert bzw. verstärkt werden die durch den beschriebenen Mechanismus generierten Hochtemperaturkorrosionen durch die im Brennstoff enthaltenen Chloride
und Sulfate. Beim Auftreffen der Eutektika dieser Chloride und Sulfate – mit Schmelztemperaturen unter 400 °C ± 50 K – auf die teils 550–800 °C heißen Roststäbe wird
der Korrosionsmechanismus erheblich beschleunigt.
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Zur Reduzierung solcher Korrosionen wurden wassergekühlte Roste entwickelt, bei
welchen Kühlrohre in die Roststäbe eingegossen werden, oder diese wurden durch
wassergekühlte Balken und/oder wassergekühlte Platten ersetzt. Neben dem Vorteil,
dass die Temperaturen dieser wassergekühlten Rost-Elemente im Wesentlichen unterhalb der Eutektika-Schmelzpunkte liegen, wurde das Problem einer gleichmäßigeren
Luftverteilung auf dem Rost nicht gelöst.
Diese bisher bekannten und eingesetzten Rostsysteme mit wassergekühlten Roststäben
sind darüber hinaus noch belastet durch die Notwendigkeit, für die Rostkühlung ein
investitionsaufwendiges kesselexternes Niedertemperatur-Kühlsystem zu installieren
mit Umwälzpumpen, Rückkühlern, Druckhalte- und Steuer- bzw. Regelsystemen usw.
Bild 6:
Schüttelrost mit Schwingungsantrieb, aufwändige Konstruktion
Auch bei diesem Verfahren geht die Rost-Kühlwärme mit den spez. Kühlwerten von
20–40 (50) KW/m² Rostfläche für den Kraftwerksprozess z.T. verloren, mit nicht unerheblichen Verlusten an Wirkungsgraden und MWh-Gutschriften.
Der wassergekühlte Schüttelrost mit seiner Flossenwandkonstruktion – entwickelt für
die Verfeuerung von Nusskohle – hat zwar das Prinzip der ebenen Brennstoffauflage
verlassen, konnte aber die Anforderungen an eine Feuerung für die Verbrennung
inhomogener Brennstoffe wie Holz, Stroh und sonstigen Biomassen sowie Müll und
Gewerbeabfälle usw. nicht erfüllen.
Dem System Schüttelrost fehlen die verbrennungsrelevanten Kriterien wie Wälzstufen,
Brennbettabstürze, abbrennspezifische Brennstofftransportsysteme für die Rostzonen I
bis V, wirksame Seitenwandabdichtungen, In-Situ-Reinigungssysteme für die Rostoberflächen und die Luftdüsen u.a.m.
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Rost | Dampferzeuger
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Die Verbrennung von Stroh ist auch nach Jahrzehnten Entwicklungsarbeit nach wie
vor problembehaftet, bedingt durch die niedrige Dichte dieses Brennstoffes, seiner
spezifisch großen Oberfläche, den hohen Gehalten an Chlor, Schwefel, Kalium,
Natrium und Kapillarwasser usw. insbesondere aber auch wegen der emissions- und
schlackefördernden Feuerungssysteme.
Energiegehalt
kWh/kg
0%
Feuchte
10,1
0%
Feuchte
8,3
15 %
Feuchte
4,0
30 %
Feuchte
8%
Feuchte
4,7
3,3
Stroh
Holz
Holz- Stein1l
pellets kohle Heizöl
Hinweis:
Kurzhalm-Strohmenge
in Deutschland: etwa >> 10 Mio. t/a
Langhalm-Strohmenge könnte
in Deutschland etwa >> 20 Mio. t/a erreichen.
Bild 7:
Heizwert-Vergleiche verschiedener
Brennstoffe
Beim Flossenstufenrost (Bild 8) sind die
genannten Konstruktionskriterien für die
Verbrennung von Stroh von besonderer
Bedeutung: Die Verbrennungsluftzuführung ist geschwindigkeitsreduziert, optimal vergleichmäßigt und die Luftmengen
in den Rostzonen können brennstoffspezifisch und lastabhängig optimal geregelt
werden. Brennraum und Nachbrennkammer werden dem B-Brennverhalten
entsprechend angepasst.
Vor diesem Hintergrund waren die Anforderungen an ein neu zu entwickelndes
Rostsystem – ohne die beschriebenen
Problembereiche – neu zu definieren
und durch folgende Anforderungen zu
kennzeichnen:
1. dass die Rostoberfläche keine Planflächen – sondern in der Querachse gewellte
Oberflächen aufweist – mit einer Vielzahl von Luftdüsen unter dem Brennstoffbett
und dass der Brennstoff auf der quer gewellten Rostoberfläche keine Flächenberührung, sondern nur noch Linien- und/oder Punktberührung hat, ohne erosive
Auswirkungen auf die Rostoberfläche,
2. dass der Brennstoff auf dem Rost nicht mehr mittels Roststäben auf breiter Fläche
verdichtend auf die nächste etwa 80–100 mm tiefer liegende Rostebene geschoben
wird, sondern auflockernd d.h. luftdurchlässiger auf die nächste etwa 200–300 mm
d.h. auf die mehr als doppelt tiefere liegende Rostebene überwälzt wird mit dem
Ergebnis geringerer luftseitiger Druckverluste im Brennstoffbett,
3. dass die Rost-Kühlwärme – aufgenommen in den Flossenwand-Kühlrohren – verlustlos unmittelbar in den Kreislauf der Kesselanlage eingebunden wird, ohne im
Dauerbetrieb arbeitende NT-Umwälzpumpen, ohne Rückkühler/Wärmetauscher,
ohne Steuer- und Regelsystemen usw.,
4. dass die Rost-Oberflächentemperatur – unabhängig von den Brennstoffheizwerten
und unabhängig von der Kessellast – immer über der Taupunkttemperatur der
Feuergase und immer unter den Eutektika-Schmelztemperaturen der Brennstoffbegleiter liegt – d.h. zwischen 180 °C und 310 °C – auch bei Betrieb mit Heißluft,
5. dass das wassergekühlte Flossenwand-Rostsystem – bei einem Primärluftdruck unter
der Rostfläche von 4–5 mbar – keine Luftleckagen zwischen den Rostzonen und den
Kesselseitenwandabschlüssen zulässt, bei Entfall aller Rost-Dehnkompensatoren,
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Hundert Jahre Stufenrost-Entwicklung
7. dass der Verbrennungsrost – erheblich gewichtsreduziert – aus preisgünstigem
C-Stahl hergestellt und bei Einsatz hochkorrosiver bzw. erosiver Brennstoffe partiell mit korrosions- bzw. erosionsresistenten Materialien beschichtet werden kann,
8. dass das FL-Rostsystem ausschließlich aus und mit bewährten Konstruktionselementen hergestellt wird,
Kessel-Flossenwand
Roststufe
Luftkanal
im Stößel
Luftdüsen
Flossenstufenrost
Brennstoff-Stößel mit
getakteten, hydraulischen
Antrieben in
2/3-Vorschub-Stellung
Luftdüsen in den Rohrflossen
Bild 8:
Prinzipzeichnung (Ausschnitt) des Flossen-Stufenrostes mit Transportstößeln im Förder- und Ruhezustand
Quelle: Patent PCT/EP 2015/060219: Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von Brennstoffmaterial aus Abfall und
Biomasse. 08.Mai 2015/Pr. 16.Juni 2014
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6. dass mit den vor aufgeführten Maßnahmen die Luftverteilung im Rost verbessert
und so die erheblichen Feuerbettschieflagen reduziert d.h. weitgehend verhindert
werden,
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9. dass das hier vorgestellte Rostsystem voraussichtlich – als das einzig bekannte Rostsystem – partiell mit einem Atümaten im Betriebszustand von Schlacken gereinigt
werden kann,
10.dass dieses erheblich kostengünstigere Rostsystem in Gänze vom Kesselbauer hergestellt werden kann. Das Rostsystem muss vom Kesselbauer nicht zugekauft werden.
Für die verfahrensnotwendigen Anpassungen der Feuerräume und Nachbrennkammern
[10] an das FL-Rostsystem – bei Einsatz der genannten Sonderbrennstoffe und Rückstände –
stehen langjährig erprobte Bauelemente zur Verfügung wie das Sekundärluft-Düsenprisma. [3]
Das hier vorgestellte FL-Rostsystem zeichnet sich durch die Einfachheit seiner Konstruktion aus und wird die genannten Anforderungen und Zielsetzungen erfüllen.
Weitere Einsatzbereiche für diese Neuentwicklung wird die Zukunft zeigen.
Quellen
[1] Beneke, H.: Lexikon der Korrosion und des Korrosionsschutzes. Essen: Vulkanverlag, 1992
[2] Fürst, A.: Das Weltreich der Technik. Berlin: Verlag Ullstein, 1924
[3] Görner, K.; Klasen, T.: Sekundärlufteindüsung in Feuerräume. Sekundärluft-Düsenprisma aus
Vortrag der Universität Essen, Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik
[4] Kümmel, J.: Berechnungen und Messungen der JBB-Technology, D41464-Neuss
[5] Kümmel, J.: Tailend-MVA-Kesselanlage mit Sekundärluft-Düsenprisma – www.kuemmelboiler.
de
[6] Kümmel, J.: Flingersches Korrosionsdiagramm betr. Überhitzer-Heizflächen in MVAs. Vortrag
Dampfkessel in MVAs…., VDI-Seminar
[7] Tagungsband zum 4. Holzenergiesymposium der ETH Zürich und Holz-Zentralblatt Nr. 38, 21.
September 2012
[8] Patent DE 102 57 305A1 2004.06.17: Hochtemperatur-Strahlungs-Endüberhitzer für den Einsatz
in korrosiver Rauchgasatmosphäre, 17. Juni 2004
[9] Patent PCT/EP 2015/060219: Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von Brennstoffmaterial aus Abfall und Biomasse. 08.Mai 2015/Pr. 16.Juni 2014
[10]Patent P4401821: Verfahern und Vorrichtung zur Eindüsung von Sekundärluft in die Nachbrennkammer einer Abfallverbrennungsanlage, erteilt im Jahre 1998
[11]Technische Universität Dresden: Berichte HT-Korrosionen
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