Brennstoffverbrennung

Brennstoffverbrennung

Typologisierung der Verbrennungen

Verbrennungsreaktionen

Globalreaktionen

Elementarschritte

Reaktion und Dissoziation, Reaktionsrichtung

Einführung in die Brennerkonstruktion

Flammentemperatur, Verbrennungstemperatur

Zündtemperatur und Flammenstabilität

Flammengeschwindigkeit, Flammenhalterung,

Rückschlagsicherung

Flammenverbrennung

Schadstoffarme Gasbrennerkonstruktionen

Schadstoffarme Ölbrennerkonstruktionen

Lösung der Aufgaben

Einführung in die Brennerkonstruktion

Flammentemperatur, Verbrennungstemperatur

Verbrennungswärme: Die bei der Verbrennung freiwerdende Wärme nennt man Verbrennungswärme. Sie wird auch Brennwert oder Verbrennungsenergie genannt, in der Literatur wird sie häufig mit DH bezeichnet und wird oft als Bestandteil der Globalreaktion betrachtet, wie in Gl. (21).

2 C_nH_{2n
+ 2}+ (3n+1) O₂ ® 2n CO₂ + (2n+2) H₂O - DH (21)

Ist die Reaktion exotherm, wird DH mit negativem Vorzeichen notiert. Verläuft die Reaktion endotherm, wird DH mit positivem Vorzeichen versehen. In der Chemie wird DH als Enthalpie bezeichnet. Der Terminus für Enthalpie ist in der Feuerungstechnik Brennwert oder oberer Heizwert. Mit Hilfe der Reaktionswärme kann die

Kalorische Flammentemperatur berechnet werden.

DH = m_{Reaktionsprodukt} × cp _{Reaktionsprodukt} × DT. (22)

m_{Reaktionsprodukt} die Masse der Reaktionsprodukte, also nach Gl. (21) die Masse von

2n CO₂ + (2n+2) H₂O,

cp _{Reaktionsprodukt} die spezifische Wärme der Reaktionsprodukte und

DT die Temperaturerhöhung der Reaktionsprodukte.

Die kalorische Flammentemperatur ist demnach

T Reaktion = T Anfangstemperatur + D T . (23)

Die kalorische Flammentemperatur kann so hoch sein, dass dabei schon eine Dissoziation stattfindet, d.h. die Reaktion (in diesem Beispiel nach Gl. (21)) läuft gar nicht vollständig ab. Daher ist die kalorische Flammentemperatur ein theoretischer Wert, der in der Flamme nie erreicht werden kann.

Bei der Bestimmung der adiabatischen Flammentemperatur wird die Verbrennungswärme um die Verbrennungsenergie der Dissoziationsprodukte gemindert.

Die adiabate Flammentemperatur berücksichtigt also die Dissoziation in der Flamme. Zu ihrer Berechnung werden demnach auch die Dissoziationsgleichgewichtskonstanten und die Stoffdaten der Dissoziationsprodukte benötigt.

Bei starker Dissoziation ist die adiabate Flammentemperatur niedriger als die kalorische.

Die kalorische und die adiabatische Flammentemperatur sind unabhängig von der Flammengröße und von der Brennerleistung.

Die Verbrennungstemperatur berücksichtigt neben der Dissoziation die Wärmeabgabe der Flamme, die vorwiegend durch Flammenstrahlung stattfindet. Die Verbrennungstemperatur hängt demnach nicht nur von den Stoffdaten des Brennstoffes und des Abgases sondern auch von der Konstruktion des Brenners und des Feuerraumes ab.

Die Verbrennungstemperatur wird von der Flammengröße (Brennerleistung) stark beeinflusst: Bei sonst gleichen Bedingungen vermindert sich die Verbrennungstemperatur mit abnehmender Brennerleistung. Die Verbrennungstemperatur ist stets niedriger als die Flammentemperatur.

Abbildung 6: Gerechnete kalorische und adiabate Flammentemperatur einer Heizölflamme und gemessene Verbrennungstemperatur eines Blaubrenners bei 10, 20 und 35 kW Brennerleistung in einem 35 kW Stahl – Heizkessel mit 70 °C Wassertemperatur.

Aufgabe 11: Bei einer Verkleinerung der Brennerleistung wird der Luftzahlbereich, in dem eine zufrieden stellende Verbrennung möglich ist, bei Heizölfeuerung insbesondere bei der Leistung unterhalb ca. 15 kW immer kleiner, siehe Abbildung 7.

Wie erklären Sie es?

Abbildung 7: Einfluss der Luftzahl auf die Kohlenmonoxid-Konzentration im Abgas bei der Verbrennung von Heizöl EL für verschiedene Brennerleistungen

Zündtemperatur und Flammenstabilität

Zündtemperatur Die Zündtemperatur eines Stoffes ist die Temperatur, auf die der Stoff mindestens erwärmt werden muss, um sich bei Berührung mit Sauerstoff (Luft) von selbst zu entzünden (Dieselmotor). Die Zündung eines brennbaren Stoffes erfolgt, wenn die Oxydation so beschleunigt wird, dass sie unter Feuererscheinung weiter verläuft. Bei der Zündtemperatur liegen durch thermische Effekte (z.B. durch Dissoziation) Radikale vor, die eine Kettenreaktion ermöglichen.

Flammenverbrennung: Beim Verbrennen muss die Verbrennungs-Temperatur einen signifikant höheren Wert als die Zündtemperatur erreichen, die zum Fortbestehen einer eingeleiteten Verbrennung erforderlich ist. In diesem Fall verläuft die Verbrennung nach dem Muster im Kasten A in Abbildung 1 (siehe auch Abbildung 8).

Flammenloser Verbrennung: Liegt die Verbrennungstemperatur nur unwesentlich über der Zündtemperatur, wird die Verbrennung instabil. Die Verbrennung kann jedoch durch strömungstechnische oder durch konstruktive Maßnahmen stabilisiert werden (siehe Kasten E in Abbildung 1 und Abbildung 8).

Katalytische Verbrennung: Liegt die Verbrennungstemperatur niedriger als die Zündtemperatur, erlischt die Flamme. Die Verbrennung kann jedoch durch geeignete Katalysatoren weiterlaufen (Kasten F in Abbildung 1 und Abbildung 8)

Mischungsverhältnis: Das Mischungsverhältnis φ ist des Mengenverhältnis von brennbarem Stoff und Sauerstoff der Brennstoff-Oxydator-Mischung. Zahlenmäßig ist es der Reziprokwert der Luftzahl, φ = 1 / λ. Je mehr das Mengenverhältnis von brennbarem Stoff und Sauerstoff das stöchiometrische Verhältnis annähert, desto rascher verläuft die Verbrennung.

Flammpunkt: d.h. die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit so viele brennbare Dämpfe zu entwickeln beginnt, dass diese bei Annäherung einer Zündquelle entflammen, bei Wegnahme jedoch erlischen. Der Flammpunkt ist in der Regel deutlich niedriger als die Zündtemperatur.

	°C		°C
Alkohol C₂H₅OH	550	Holzkohle	300
Anthrazit	400	Krepppapier	270
Baumwolle	450	Kohlenmonoxid CO	605
Benzin	500	Methan CH₄	550
Benzol C₆H₆	570	(iso) Oktan C₈H₁₈	410
Buchenholz	300	(n) Oktan C₈H₁₈	210
(n) Butan C₄H₁₀	400	(n) Pentan C₅H₁₂	285
Dieselöl, Heizöl	350	Propan C₃H₈	450
Eichenholz	330	Seidenpapier	250
Ethan C₂H₆	515	Steinkohle	350
Ethen (Ethylen) C₂H₄	425	Schmieröl	530
Ethin(Acetylen) C₂H₂	305	Wasserstoff H₂	590
Fichtenholz	280	Zeitungspapier	180

Tabelle 6: Zündtemperatur einiger Brennstoffe [°C]

Abbildung 8: Verschiedene Bereiche der Flammenstabilität der stöchiometrischen

H₂-O₂-Verbrennung.

Abbildung 9: Verschiedene Möglichkeiten der Verbrennung:

Nach Eintritt der Luft und des Brennstoffs in den Brennraum wird die Mischung zuerst Durch Flammenstrahlung, Flammenzirkulation, Wärmeleitung etc. vorgewärmt. In diesem Bereich kann das zerstäubte Heizöl verdampfen (Blaubrenner) und eine Pyrolyse des Brennstoffes stattfinden. Beim Erreichen der Zündtemperatur erfolgt eine starke Temperaturerhöhung (Beginn der Flammenfront). Kurve 1: Hohe Flammentemperatur, langsame Flammenabkühlung: wenig CO, wenig Russ, eventuell viel NO; Kurve 2: Rasche Temperaturabkühlung der Flamme: eventuell CO und Russbildung, wenig NO; Kurve 3: bei Flammenverbrennung CO und Russbildung, bei flammenloser Verbrennung gute Werte; Kurve 4: nur katalytische Verbrennung möglich.

Zündgrenze: Die Zündung von Brenngas-Luft oder Brenngas-Sauerstoff-Gemischen ist nur innerhalb begrenzter Mischungsverhältnisse möglich. Die Grenzen, zwischen denen sich Gasgemische entzünden, werden als Zündgrenze bezeichnet. Die obere Zündgrenze ist die maximale und die untere Zündgrenze die minimale noch zündbare Konzentration eines Brenngases in Luft oder Sauerstoff. Die Zündgrenzen sind druck- und temperaturabhängig. Eine der Voraussetzungen für die Zündbarkeit ist, dass die kalorische Flammentemperatur der Brenngas-Oxidator-Mischung höher liegt als die Zündtemperatur. Eine weitere Voraussetzung ist, dass die brennbare Mischung die zu der Startreaktion notwendigen Radikale aufweist. Tabelle 7 zeigt Werte für die untere und obere Zündgrenze einiger Brenngase.

Abbildung 10: Flammentemperatur und Zündgrenzen einer Brennstoff-Oxydator-Mischung bei verschiedenen Mischungsverhältnissen (siehe auch Abb. 6)

Abbildung 10 zeigt die Flammentemperatur, die Zündtemperatur und den zündfähigen Mischungsbereich an. Die Zündtemperatur ist luftzahlabhängig, der niedrigste Wert ergibt in der Regel bei schwachem Luftmangel. Die Zündtemperatur ist die niedrigste Temperatur, bei der sich Radikale bilden, die die Startreaktion der Verbrennung ermöglichen (siehe „Elementarschritte“). Wird eine Zündflamme außerhalb des zündfähigen Bereiches betätigt, erlischt die Verbrennung nach Abschalten der Zündflamme.

Die Verbrennung ist stabil, wenn der zündbare Mischungsbereich breit ist und die Verbrennungstemperatur um mehrere hundert Kelvin über der Zündtemperatur liegt. In diesem Fall findet die Flammenverbrennung statt. Je größer der Unterschied zwischen

Zünd- und Verbrennungstemperatur ist, umso stabiler ist die Verbrennung und umso leichter ist die Zündung der Flamme.

Die Verbrennung ist instabil, wenn der zündbare Mischungsbereich schmal ist und/oder die Verbrennungstemperatur nur geringfügig über der Zündtemperatur liegt. In diesem Fall ist jedoch bei entsprechender Brennerkonstruktion eine flammenlose Verbrennung möglich.

Die Verbrennung erlischt, wenn die Verbrennungstemperatur die Zündtemperatur nicht übersteigt. In diesem Fall kann nur eine katalytische Verbrennung durchgeführt werden.

Bei der Flammenverbrennung liegt die Verbrennungstemperatur zwischen der Zündtemperatur und der Flammentemperatur. Während die Flammentemperatur aus den globalen Reaktionsgleichungen berechnet werden kann, wird die Verbrennungstemperatur von dem Flammenvolumen und der Feuerraum-Wandtemperatur mit beeinflusst.

Die Zündtemperatur kann nicht aus den Stoffwerten der brennbaren Mischung berechnet werden. Sie ist die Mindesttemperatur, bei der gleichzeitig zwei Bedingungen erfüllt werden müssen:

1) Es müssen so viele Radikale in der Mischung vorhanden sein, dass eine Kettenreaktion stattfindet. Die Konzentration der Radikale steigt mit steigender Temperatur, wird aber von anderen Para