Allgemeine Betrachtungen
Heizölfeuerungen
Sprayverbrennung, Gelbbrenner
Heizölverbrennung mit Blaubrenner
Spraycharakterisierung
Brennstoffzerstäubung
Zerstäubung von Heizöl EL mit Druckdralldüse
Tropfenverdampfung, D²-Gesetz
Ölbrenner
Feststofffeuerungen
Brennstoffaufbereitung bei Feststoffverbrennung
Klassifizierung der Feststofffeuerungen
Feststofffeuerung
Brennstoffaufbereitung bei Feststoffverbrennung
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Abbildung 34: Streichholzflamme als laminare Diffusionsflamme
Die Streichholzflamme in Abbildung 34 steht stellvertretend für die Verbrennung von festen fossilen Brennstoffen, wie Torf, Stroh, Holz, andere Biomassen, Kohle, Ölsande, Ölschiefer etc. Die Mechanismen in der Kerzenflamme, in der Tropfenverbrennung und in der Streichholzflamme weisen viele Parallelen auf. Die Wärmeabgabe der Streichholzflamme lässt Wasser und die flüchtigen brennbaren Bestandteile (Methan, höhere Kohlenwasserstoffe, Alkohole,
Aldehyde, zyklische Verbindungen und schwerflüchtige Öle bzw. Teer) aus dem Holz verdampfen. Die flüchtigen Gase zersetzen sich durch thermische Spaltung (Krackung), dabei entsteht eine hohe Konzentration an Methylen und Acetylen. Diese Gase verbrennen im fetten Bereich der Diffusionsflamme mit starker Russbildung.
Der Temperaturverlauf bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe ist in Abbildung 35 dargestellt.
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Abbildung 35: Physikalische und chemische Vorgänge bei der Feststoffverbrennung
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Kohlenstoff (wasser- u. aschefrei) % |
Brennbare Gase % |
Heterogener Anteil Gew. % |
Energieanteil der Homogenen Gasverbrennung % |
Energieanteil der Heterogenen Verbrennung % |
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Holz |
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45 – 50 |
40 – 45 |
5 – 10 |
> 95 |
3 – 5 |
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Braunkohle |
Weichkohle |
65 – 70 |
10 – 25 |
50 – 60 |
> 70 |
15 – 30 |
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Pechkohle |
70 – 75 |
15 – 35 |
40 – 50 |
> 75 |
15 – 25 |
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Steinkohle |
Flammkohle |
75 – 82 |
35 – 40 |
30 – 40 |
> 80 |
10 – 20 |
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Gasflammkohle |
82 – 85 |
30 – 35 |
40 – 50 |
> 75 |
15 – 25 |
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Gaskohle |
85 – 87 |
25 – 30 |
50 – 60 |
> 70 |
15 – 30 |
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Fettkohle |
87 – 89 |
17 – 24 |
60 – 70 |
> 65 |
20 – 35 |
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Esskohle |
89 – 90 |
12 – 15 |
65 – 75 |
> 60 |
25 – 40 |
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Magerkohle |
90 – 91,5 |
9 – 12 |
> 75 |
> 55 |
25 – 45 |
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Anthrazit |
> 91,5 |
5 - 9 |
> 80 |
> 50 |
25 – 50 |
Im Gegensatz zu Öl- und Gaskesseln wird bei den Feststoffkesseln wegen des hohen Raum- und Zeitbedarfs der Entgasung und Vergasung (siehe Abbildungen 34 und 35) ein speziell großer Feuerraum benötigt.
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Abbildung 36: Prinzip und technische Umsetzung der Holzverbrennung
Regelung von Feststofffeuerungen im Haushaltsbereich:
Die Regelung erfolgt in den meisten Fällen durch Öffnung oder Drosselung der Luftzufuhr. Bei Pelletfeuerung und bei größeren Wärmeerzeugern (MW-Bereich) kann die Regelung auch über die Brennstoffzufuhr erfolgen. Die Steuergröße ist meist die Kesselsolltemperatur. Unterstützend kann die Abgastemperatur oder die Feuerraumtemperatur eingesetzt werden. Die Regelparameter drosseln durch Öffnen und Schließen von Luftklappen die Primärluftzufuhr. Die Sekundärluft wird durch Lambdasonde geregelt.
Aufbau und Funktion der Lambda-Sonde: Eine Lambda-Sonde besteht im Wesentlichen aus einem becherförmigen Körper aus Zirkondioxid- Keramik (ZrO2), der auf der abgasseitigen Oberfläche mit gasdurchlässigem Platin und einer verschleißfesten porösen Keramik beschichtet ist. Die Innenseite hat Verbindung mit der Umgebungsluft. Die Sonde wird nahe beim Abgasstutzen des Kessels angebracht. Wenn die Sauerstoffkonzentration an der Innen- und Außenseite einen Unterschied aufweist, zeigt die Lambdasonde eine Spannung auf, die vom Konzentrationsunterschied und der Temperatur beeinflusst wird. Der Temperatureinfluss ist so groß, dass die Lambda-Sonde bei Taktbetrieb nicht ohne weiteres einsetzbar ist.
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Aufgabe 19: Warum kann sich die Lambda-Sonde für kleinere Öl- und Gasfeuerungen nicht durchsetzten?
Klassifizierung der Feststofffeuerungen
Die obere Abbrandfeuerung kann als Übergang von Durchbrand zu Abbrandfeuerung angesehen werden
Abbildung 38: Einteilung nach Brennstoff- und Luftzufuhr und Abgasabfuhr
Durchbrandfeuerung Bei der Durchbrandfeuerung brennt die Flamme durch die gesamte Brennstofffüllung. Beispiele sind: Küchenherd, Kamin, einfacher Kachelofen, einfacher Festbrennstoffofen. Durchbrandkessel benötigen besonders große Feuerräume. Die Verbrennung ist schwer zu kontrollieren. Die Nachlegeintervalle sind sehr kurz. Das Rauchgas enthält einen hohen Anteil an unverbrannten Komponenten. Die Verbrennungsleistung hängt vom Beladungszustand des Brennraumes ab (viel Brennstoff im Brennraum führt zu hoher Verbrennungsleistung). Aufgrund bestehender Umweltforderungen sind Durchbrandkessel bei Neuanlagen nicht zu anzutreffen.
Abbrandfeuerung: Die Verbrennung erfolgt im unteren Teil des Füllraumes. Beispiele sind: moderne Kachelöfen, Festbrennstofföfen und Festbrennstoffkessel. Die Ausbildung des Füllraumes und der Rauchzüge wird auf einen bestimmten Brennstoff (Holz, Kohle, Brikett, Koks) abgestimmt. Die Nachlegeintervalle sind größer und die Verbrennungsqualität ist besser als bei der Durchbrandfeuerung. Die Verbrennungsleistung kann durch die Primärluftdosierung geregelt werden.
Abbildung 39: Heizkessel mit Durchbrandfeuerung
Nach der Brennstofffüllung steigt die Wärmeleistung und somit die Kesseltemperatur. Bei zu hoher Kesseltemperatur wird die Wärmeleistung durch Drosselung der Primärluft reduziert. Die Sekundärluftzufuhr ist nicht regelbar. Daher entsteht bei der Durchbrandfeuerung zu viel Russ.
Abbildung 40: Obere Abbrandfeuerung
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Abbildung 41: Heizkessel mit Abbrandfeuerung
Nach der Brennstofffüllung steigt die Wärmefreisetzung weniger an als bei der Durchbrandfeuerung, daher ist diese Feuerung deutlich schadstoffärmer.
Bei größeren Anlagen (Abbildung 43) wird die Verbrennungsluft durch Gebläse der Verbrennung zugeführt. Primär- und Sekundärluft werden unabhängig voneinander geregelt. Durch die Primärluftregelung (Steuerung über Wärmebedarf) wird die Wärmefreisetzung beeinflusst, durch die Sekundärluftregelung (Steuerung über Lambda-Sonde) die Verbrennungsqualität.
Bei Abbrandkessel nach den Abbildungen 39 – 43 wird der Brennstoff manuell zugeführt. Abbildung 44 zeigt Möglichkeiten der automatischen Brennstoffzufuhr. Die kleinstmögliche Wärmeleistung liegt hierbei für Pärzisionshackgut bei 10 kW, für Holzpelletsfeuerungen bei 6 kW.
