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

Typologisierung der Verbrennungen

Abbildung 1: Typologisierung der Verbrennungen

Alle der in Abbildung 1 aufgezählten Reaktionen sind Verbrennungsreaktionen. Die Kasten B und C unterscheiden sich nur insofern, als in der Medizinwissenschaft auch die Hautverbrennung mit dem Wort „Verbrennung“ bezeichnet wird, obgleich es sich dort um eine „Verbrühung“ und nicht um Verbrennung handelt. Die Verbrennungen in den Kästen B, C und O laufen bei niedrigen Temperaturen, mitunter in wässriger Phase ab.

In solchen Fällen spricht man zwar von Verbrennung (Oxidation), nicht aber von Verfeuerung. Die biochemischen Verbrennungen (z.B. Verrottung von Biomasse an der Luft, anaerobe und aerobe  Nährstoffverbrennung in den Muskelzellen) sind langsam ablaufende Reaktionen. Die Verbrennungswärme ist unabhängig davon, ob die Reaktion schnell oder langsam verläuft. Ist die Reaktion langsam, so steht genügend Zeit für die Wärmeabfuhr zur Verfügung, daher ist die Verbrennungstemperatur oft nur unwesentlich höher als die Umgebungstemperatur.  Verläuft hingegen die Reaktion sehr schnell, so steigt die Verbrennungstemperatur, da die gleiche Wärmemenge in einer kürzeren Zeit freigesetzt wird. Die Erhöhung der Reaktionstemperatur beschleunigt die Reaktion. Bei Temperaturerhöhung kann die langsame Verbrennung durch Selbstzündung in Flammenverbrennung und/oder Detonation umschlagen.

Bei einer Reaktionstemperatur > 1500 K tritt in der gasförmigen Reaktionszone Ionenbildung auf, die Reaktion wird durch starke Lichtemission und meist durch hörbare Reaktionsgeräusche (Flammengeräusche) begleitet. Diese Verbrennungsreaktion, die so genannte Flammenverbrennung (Kasten D), ist die häufigste Verbrennungsart in der Feuerungstechnik. Da weltweit über 98% des Brennstoffverbrauchs auf der Flammenverbrennung beruht, werden die physikalischen und chemischen Mechanismen dieser Verbrennungsform am ausführlichsten behandelt. Beispiele sind: Feuerbrände, Heizbrenner, interne Verbrennungsmotoren, Strahltriebwerke, Kraftwerksfeuerungen, etc.

Läuft die Verbrennung auf einem Temperaturniveau von  700 bis 1500 K ab, spricht man von flammenloser Verfeuerung (siehe Kasten E, G, H und J).  Durch intensive Wärmeentnahme aus der Feuerungszone kann die Reaktionstemperatur der Verbrennung so weit reduziert werden, dass die Verfeuerung der meist gasförmigen Brennstoffe flammenlos verläuft. In der Reaktionszone tritt in der Regel keine Ionisation auf, schwache Lichtemission hingegen ist nicht ausgeschlossen. Die meisten dieser Verfahren wurden erst nach 1970 entwickelt. Die flammenlose Magerverbrennung (Kasten G) ermöglicht die Verbrennung von Naturgasen(Schwachgase) mit einem sehr hohen Inertgasanteil (CO2- oder N2-Anteil). Die Anwendung liegt in erster Linie im Kraftwerkbereich. Bei dem niedrigen Temperaturniveau der flammenlosen Verbrennung wird die thermische Stickstoffbildung bei der Verbrennung zu weitestgehend vermieden. Bei der so genannten kalten Flamme wird die Wärmeentwicklung in der kalten Flammenfront für die Beschleunigung der Ölverdampfung bei kleiner Brennerleistung eingesetzt. Das COSTAIR-System ermöglicht sehr niedrige Flammentemperatur bei Gasfeuerungen. Die Matrix-Strahlungsbrenner und Matrix-Kaltbrenner der Fa. Viessmann bilden den Übergang zwischen flammenloser Verbrennung und katalytischer Verbrennung.

Katalytische Verbrennung wird oft bei Gaswärmestrahlern angewandt, findet aber auch bei der Russverbrennung in Abgasen von Dieselmotoren statt. Zusammen mit den  Brennstoffzellen (siehe Kasten F, K, L, M, N und O), wird diese Verbrennung an anderer Stelle behandelt.

Verbrennungsreaktionen

Geschichtliches:

●          In der Antike war Feuer eines der vier Elemente (Feuer, Wasser, Erde, Luft)

– nach heutiger Vorstellung handelt es sich um die Aggregatzustände:

●          Theophrastus Paracelsus, Arzt und Philosoph,  (1493 - 1541) nennt die antike Bezeichnung der Elemente vier Aggregatzustände: Wasser = flüssig, Erde = fest,

Luft = gasförmig; Feuer = ätherförmig  und betrachtet zwei Sachen als chemischer Vorgang: 1) die Auflösung eines Stoffes in einer Flüssigkeit und 2) die Verbrennung.

●          Joachim Becher, Arzt und Chemiker, (1635-1682) entwickelte die Vorstellung, dass bei der Verbrennung ein Fluidum (eine Art Fettigkeit) die Materie verlässt.

●          Georg Ernst Stahl, Arzt und Chemiker,  (1690 – 1743) entwickelte aus Bechers Idee die so genannte Phlogistontheorie, (phlox = Flamme), wonach bei der Verbrennung ein gewichtsloser Substanz (Stoff), Phlogiston, die Materie verlässt. Die Luft hat die Aufgabe, Phlogiston bei der Verbrennung aufzunehmen. Nach dieser Theorie wäre Phlogiston eine art gewichtsloses Gegenteil des Sauerstoffes.  

	Phlogistontheorie:	Chemie	Elektronenchemie:
Oxidation	Phlogistonabgabe	Oxigenaufnahme	Elektronenabgabe
Reduktion	Phlogistonaufnahme	Oxigenabgabe	Elektronenaufnahme

Antoine Laurent Lavoasier, (1743-1794) hat die Rolle des Sauerstoffes bei der Verbrennung erkannt und somit die Phlogistontheorie zur heute üblichen Notierung der Verbrennung weiterentwickelt. Nach Lavoasier kann die Abgabe von Phlogiston als Aufnahme von Sauerstoff aufgefasst werden. So entstand die auch heute noch übliche globale Notierung der Verbrennungsvorgänge.

Globalreaktionen:

Einige Beispiele für die Beschreibung der Brennstoffverbrennung mit globalen chemischen Reaktionen sind:

C                     +         O₂ ®                    CO₂                                                    (1)

2 CO               +         O₂ ®                    2 CO₂                                                (2)

2 H₂                 +         O₂ ®                    2 H₂O                                                (3)

CH₄                                  +         2 O₂ ®                    CO₂                 +       2 H₂O                (4)

C₂H₄                                +         3 O₂ ®                    2 CO₂              +       2 H₂O                (5)

C₁₀H₂₀                            +         15 O₂ ®                    10 CO₂           +       10 H₂O              (6)

Die Globalreaktionen beschreiben nicht den Ablauf der Vorgänge, nur deren Ergebnis. So kann man mit Hilfe der Globalreaktionen den Luftbedarf, die Abgasmenge der Verbrennung und die Abgaszusammensetzung berechen:

Luftbedarf und Abgasvolumen: Die Bruttoreaktionen nach Gln. (1 – 6) sind allgemeingültig in dem Sinne, dass sie alle in Abb. 1 gezeigten Verbrennungstypen richtig beschreiben. Mit Hilfe der Bruttoreaktionen kann man beispielsweise den Luftbedarf und die sich bildende Abgasmenge ermitteln. Nimmt man als Beispiel die in Gl. (2) beschriebene Reaktion

2 CO               +         O₂ ®                    2 CO₂  ,                                              (2)

so sind die Volumina der beteiligten Komponente

2 Vol.  CO  + 1 Vol.  O₂ ®  2 Vol.        CO₂ oder                                      (7)

2 Vol. CO  + 1 Vol.   O₂  + 4 Vol. N₂    in der Luft       ®   2 Vol. CO₂  + 4 Vol. N₂                     (8)

2 Vol. CO + 5 Vol. Luft        ®  6 Volumeneinheiten Abgas.                                         (9)

Die Ableitung von Gl. (7) aus Gl. (2) erfolgt durch die Anwendung des Avogadro-Gesetzes, 1811, („Gleiche Mengen von Gasen oder "Dämpfen" derselben Temperatur und desselben Drucks weisen dieselbe Zahl an Molekülen auf.“ N_A = 6.022137 * 10²³ mol^-1).  In Normzustand, bei 0 °C Temperatur und 1,01325 bar Gasdruck, beträgt das Molvolumen eines Gases 22,41 Liter bzw. das Kilomolvolumen 22,41 m³. Bei Normdruck und Raumtemperatur kann mit  22 Liter bzw. 24 m³ gerechnet werden. In Gl. (8) wurde angenommen, dass die Luft rund 20 % Sauerstoff enthält, ferner dass Druck und Temperatur der an der Reaktion beteiligten Gase gleich sind und dass die beteiligten Reaktionspartner ideale Gase sind (Theorie idealer Gase). Bei Gl. (9) wurde angenommen, dass die Abgastemperatur mit der Temperatur der an der Reaktion beteiligten Gase identisch ist.

Folgende Beispiele setzen das Volumenverhältnis in trockener Luft von 1 Volumenteil O₂ und  4 Volumenteile N₂ voraus (synthetische Luft):

Stöchiometrische Wasserstoffverbrennung in synthetischer Luft                                  

2 H₂     +                     O₂ ®                    2 H₂O                                                              (3)

2 H₂     +         4 N₂     +O₂ ®                    4  N₂                +         2  H₂O                        (10)

66.67% N₂     +         33.33 % H₂O

Stöchiometrische Methanverbrennung in synthetischer Luft                                         

CH₄     +         2 O₂ ®        CO₂                 +         2 H₂O                                      (4)

CH₄     +         8 N₂      +2 O₂ ®        CO₂                 +         2 H₂O              +   8 N₂                      (11)

9,1 %CO₂ +         18,2 % H₂O   + 72,7% N₂

Aufgabe 1: Ermitteln Sie den Abgastaupunkt der Verbrennungsprodukte der Reaktionen nach den Gleichungen (10) und (11) mit Hilfe von Tabelle 1 oder Abbildung 2!

Aufgabe 2: Ermitteln Sie die Zusammensetzung der „trockenen“ Abgase der Reaktionen nach den  Gleichungen (10) und (11)!

Temperatur [°C]	Sättigungsdruck [Pa]	Wasserdampf-Volumenanteil bei Sättigung in der Luft bei 1,013 bar Luftdruck  [%]
- 20	155	0,16
- 10	308	0,31
0	611	0,61
10	1227	1,2
20	2367	2,4
30	4242	4,2
40	7375	7,4
50	12334	12,3
60	19919	19,1
70	31161	31,2
80	47359	47,4
90	70108	70,1
100	101325	100

Tabelle 1:  Sättigungsdruck von Wasser in der Luft bei 1013 mbar Luftdruck

Abbildung 2:  Sättigungsdruck von Wasser in der Luft bei 1013 mbar Luftdruck

Tabelle 2 zeigt den Berechnungsvorgang der Abgaszusammensetzung bei Erdgasverbrennung mit synthetischer Luft (20 % O2 und 80 %  N2) bei der stöchiometrischen Verbrennung und bei der Verbrennung mit 10, 30 und 50 % Luftüberschuss. Der Einfachheit halber wird die „Erdgaszusammensetzung“  mit 95 % CH4 und 5 % N2 angenommen.  Anschließend wird der Abgastaupunkt bei der stöchiometrischen Verbrennung und bei der Verbrennung mit 10, 30 und 50 % Luftüberschuss ermittelt.

Stöchiometrische  Methanverbrennung mit synthetischer Luft nach Gln (4),(11)

1

CH4

+

2O2

Þ

CO2

+

2H2O

2

CH4

+

2 O2

+

8N2

Þ

CO2

+

2 H2O

+

8 N2

Stöchiometrische Erdgasverbrennung mit 95% Methan und  5% Stickstoff

3

0,95× CH4

+

0,95×2 O2 =1,9 O2

+

0,95×8 N2 =7,6 N2

+

0.05 N2

Þ

0,95× CO2

+

0,95×2 H2O =1,9 H2O

+

0,95×8 N2 =7,6 N2

+

0.05 N2

10 % Luftüberschuss

4

0,95× CH4

+

0,95 ×2 O2 =1,9 O2

+

0,95×8N2 =7,6 N2

+

0.05 N2+ 0,76 N2+ 0,19 O2

Þ

0,95× CO2

+

0,95×2 H2O =1,9 H2O

+

0,95×8 N2 =7,6 N2

+

0.05 N2+ 0,76 N2+ 0,19 O2

30 % Luftüberschuss :

5

0,95× CH4

+

0,95 ×2 O2 =1,9 O2

+

0,95×8 N2 =7,6 N2

+

0.05 N2+ 2,28 N2+ 0,57 O2

Þ

0,95× CO2

+

0,95×2 H2O =1,9 H2O

+

0,95×8 N2 =7,6 N2

+

0.05 N2+ 2,28 N2+ 0,57 O2

50 % Luftüberschuss

6

0,95× CH4

+

0,95×2 O2 =1,9 O2

+

0,95×8 N2 =7,6 N2

+

0.05 N2+ 3,8 N2+ 0,95 O2

Þ

0,95× CO2

+

0,95×2 H2O =1,9 H2O

+

0,95×8 N2 =7,6 N2

+

0.05 N2 3,8 N2+ 0,95 O2

Tabelle 2:  Berechnung der Abgaszusammensetzung

Luftzahl	Abgas	CO2		N2	O2	S	Taupunkt
l=1,0	Volumenanteil   (feucht)	0,95	1,9	7,65	0	10,5	58  [°C]
	[%]                    (feucht)	9,05	18,1	72,86	0	100
l=1,1	Volumenanteil   (feucht)	0,95	1,9	8,41	0,19	11,45	55  [°C]
	[%]                    (feucht)	8,3	16,52	73,13	1,65	100
l=1,3	Volumenanteil   (feucht)	0,95	1,9	9,93	0,57	13,35	52  [°C]
	[%]                    (feucht)	7,11	14,23	74,38	4,27	100
l=1,5	Volumenanteil   (feucht)	0,95	1,9	11,45	0,95	15,25	49  [°C]
	[%]                    (feucht)	6,23	12,46	75,08	6,23	100

Tabelle 3: Berechnung des Abgastaupunkts der Verbrennung nach Tabelle 2

Tabelle 3 zeigt, dass das Abgas sowohl die auch die höchste H2O –Konzentration bei der Verbrennung aufweist. Die höchstmögliche CO2- Abgaskonzentration im wird als

CO2 max bezeichnet. Die maximale CO2- Konzentration ist eine brennstoffspezifische Größe.

Aufgabe 3: Ermitteln Sie die Zusammensetzung der trockenen Abgase nach Tabelle 3!

Luftzahl	Abgas	CO2	N2	O2	S
l=1,0	Volumen        (trocken)
	[%]                (trocken)
l=1,1	Volumen        (trocken)
	[%]                (trocken)
l=1,3	Volumen        (trocken)
	[%]                (trocken)
l=1,5	Volumen        (trocken)
	[%]                (trocken)

Die Verbrennungsberechnungen flüssiger und fester Brennstoffe werden nach der Elementaranalyse der Brennstoffe durchgeführt. Für die Berechnung benötigt man das Atomgewicht der brennbaren Elemente. Die Vorgehensweise wird anhand der Karbonverbrennung nach Gl. (1) gezeigt:

C                     +         O2 Þ                    CO2

12 kg              +         32                   kg        Þ                    44 kg

12 kg              +         22,41              m³       Þ                    22,41 m³

1 kg                +         22,41 /12       m³       Þ                    22,41/12 m³

1 kg                +         1,87                m³       Þ 1,87 m³ 

1 kg                +         1,87/0,21  =  8,89 (m³ Luft) / (kg C) für 21 Vol.-%  O2 in der Luft.

Die Berechnung der Verbrennung anderer Brennstoffkomponente erfolgt nach dem gleichen Muster. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengestellt.

	Stoff Anteil	Luftbedarf L min oder L0	Abgasmenge V min oder V0	Produkt
		m³ / kg	m³ / kg
Brenn-stoff-anteil	C	8,89 m³ / kg C	1,87 m³ / kg	CO2
	H	26,44 m³ / kg H	11,11 m³ / kg	H2O
	S	3,32 m³ / kg S	0,68 m³ / kg	SO2
	O