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

Lösung der Aufgaben

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

Abgas der Verbrennung nach Gl (10):       66.67% N₂     +   33.33 % H₂O

Abgas der Verbrennung nach Gl (11):         9,1  % CO₂ +   18,2   % H₂O   + 72,7% N₂

Sättigungstemperatur °C	Sättigungsdruck Pa	Sättigungskonzentration % H2O
50	12334	12,3
60 – 0,612 = 59,388		18,2     Gl. (10)
60	19919	19,1
70	31161	31,2
70 + 1,3 = 71,3		33,33   Gl. (11)
80	47359	47,4

18,2       =      19,1 – 0,9                              19,1 -  6,8      =         12,3

                                                                                  60°C                           50°C  

            10 ,0K            6,8

              0,9 K             X                     X = ( 0,9 * 6,8 ) / 10,0 = 0,612 K

2,13                16,4   

X                     10                   X =  21,3 / 16,4 = 1,3

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

Abgas der Verbrennung nach Gl (10):       66.67% N₂     +   33.33 % H₂O

Abgas der Verbrennung nach Gl (10):         9,1  % CO₂ +   18,2   % H₂O   + 72,7% N₂

Gl. (10)           Trocken:         100 % N₂

Gl. (11)           Trocken:           9,1   CO₂              +        72,7  N₂                    =         81,8

                                               9,1 / 81,8                               72,7 / 81,8

                                               11,1 % CO₂                              +         88,9 % N₂      =        100 %

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

Luftzahl	Abgas	CO2	H2O	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 der Abgastaupunkt nach Beispiel Nr. 1

Luftzahl	Abgas	CO2	N2	O2	S
l=1,0	Volumen        (trocken)	0,95	7,65	0	8,6
	[%]                (trocken)	11,05	88,95	0	100
l=1,1	Volumen        (trocken)	0,95	8,41	0,19	9,55
	[%]                (trocken)	9,95	88,06	1,99	100
l=1,3	Volumen        (trocken)	0,95	9,93	0,57	11,45
	[%]                (trocken)	8,3	86,72	4,98	100
l=1,5	Volumen        (trocken)	0,95	11,45	0,95	13,35
	[%]                (trocken)	7,17	86,42	7,17	100

Aufgabe 4: Berechnen Sie die fehlenden Werte in Tabelle 5 unter Zugrundelegung der Tabellen 1, 2 und 4 und der Abbildung 2!

Zusammensetzung	Heizöl	Erdgas L	Erdgas H
	Gew.-%	Vol.-%	Vol.-%
Kohlenstoff (C)	86
Wasserstoff (H)	13
Stickstoff (N)	0,5	14	1
Schwefel (S)	0,3
Methan (CH4)		82	93
Kohlenwasserstoffe (C2H6)		3	5
ABGASWERTE
CO2, max.                                        %	15,5	10,3
Lmin.                                         m³/kg	11,1	8,37
Vmin. trocken                                  m³/kg	10,4	7,64
Vmin. feucht                                   m³/kg	11,8	9,37
Abgastaupunkt  λ = 1,05             °C	48,6	57,8
Abgastaupunkt  λ = 1,1               °C	47,8	56,9
Abgastaupunkt  λ = 1,2               °C	46	54,9
Abgastaupunkt  λ = 1,4               °C	43	51,9

Tabelle 5 Feuerungstechnische Kennzahlen von Erdöl und Erdgas

Heizöl:

Brennstoff-Komponente	Anteil	Luftbedarf m³ / kg	Abgas m³ / kg
C	0,86	7,65	1,61        CO2
H	0,13	3,44	1,44        H2O
S	0,005	0,01	0,002       SO2
N	0,005	0	0,004         N2
Lmin.		11,1	11,1*0,79  N2
Vmin. feucht			11,8
Vmin. trocken			10,4
CO2, max,trocken			15,5
V λ. feucht λ = 1,05; 1,1; 1,2; 1,4	12,4	12,9	14	16,2

´

H2O % λ = 1,05; 1,1; 1,2; 1,4	11,6%	11,2%	10,3%	8,89%
Taupunkt λ = 1,05; 1,1; 1,2; 1,4	48,6°C	47,8°C	46°C	43°C

Heizöl-Taupunkt, lineare Interpolation

Taupunkt	50 °C	40 °C	48,57	47,76	45,92	43,04
Sättigung	12,3%	7,4 %	11,6	11,2	10,3	8,89
∆Sättigung	12,3 – 7,4 =   4,9   %		11,6-7,4= 4,2	3,8	2,9	1,49
∆Taupunkt	50    –  40 =   10   °C		4,2*10/4,9=8,57	7,76	5,92	3,04

Erdgas H:      82 % CH4;     3 % C₂H₆;        14% N₂ Luft: 21 % O₂% ,   79  % N₂

CH₄           +         2 O₂     + 2(79/21) N₂ ®        CO₂     +       2 H₂O    + 2(79/21) N₂

CH₄           +         2 O₂     + 7,59 N₂ ®        CO₂     +       2 H₂O    + 7,59 N₂

C₂H₆         +         3,5O₂  + 3,5(79/21) N₂ ®        2 CO₂  +       3 H₂O    + 3,5(79/21) N₂ C₂H₆    +         3,5O₂  + 13,2 N₂ ®        2 CO₂  +       3 H₂O    + 13,2 N₂  

Stöchiometrische  Methan- und Ethanverbrennung

1

CH4

+

2 O2

+

7,59 N2

Þ

CO2

+

2 H2O

+

7,59 N2

2

C2H6

+

3,5  O2

+

13,2 N2

Þ

2CO2

+

3 H2O

+

13,2 N2

Stöchiometrische Erdgasverbrennung

3

0,82× CH4 0,03 C2H6

+

0,82×2 0,03×3,5 =1,75  O2

+

0,82×7,59 0,03×13,2 =  6,62 N2

+

0.14 N2

Þ

0,82 0,03× 2 = 0,88  CO2

+

0,82×2 0,03×3 =  1,73 H2O

+

= 6,62 N2

+

0.14 N2

4

1 m³ Erdgas

+

8,37 m³  Luft

Þ

9,37   m³  Abgas    ( mit 0,88  m³  CO2   und   1,73  m³  H2O) H2O =18,5 %

5 % Luftüberschuss

5

1 m³ Erdgas

+

8,79 m³  Luft

Þ

9,79 m³  Abgas    ( mit 0,88  m³  CO2   und   1,73  m³  H2O ) H2O  =17,7 %

10 % Luftüberschuss

6

1 m³ Erdgas

+

9,21 m³  Luft

Þ

10,2  m³  Abgas    ( mit 0,88  m³  CO2   und   1,73  m³  H2O )  H2O  =17 %

20 % Luftüberschuss

6

1 m³ Erdgas

+

10 m³  Luft

Þ

11 m³  Abgas    ( mit 0,88  m³  CO2   und   1,73  m³  H2O )  H2O  = 15,7 %

40 % Luftüberschuss

6

1 m³ Erdgas

+

11,7 m³  Luft

Þ

12,7 m³  Abgas    ( mit 0,88  m³  CO2   und   1,73  m³  H2O )  H2O  = 13,6 %

Erdgas L -Taupunkt, lineare Interpolation

Taupunkt	50 °C	60 °C	51,88	54,93	56,81	57,83
Sättigung	12,3%	19,1 %	13,6	15,7	17	17,7
∆Sättigung	6,9   %		1,3	3,4	4,7	5,4
∆Taupunkt	10    °C		1,88	4,93	6,81	7,83

Aufgabe 5:  Wie hoch ist die Luftzahl bei der Verbrennung, dargestellt in  Abbildung 3?      

Abbildung 3: Methanverbrennung mit einem Bunsenbrenner

Lösung A:

Stöchiometrische Verbrennung:  CH₄ + 2 O₂  == CO₂ + 2 H₂O,    

O₂ / CH₄ = 2.

Molfraktion in Abb. 3:     CH₄:  ca. 0,095,    O₂:  ca. 0,19,   d.h. O₂/ CH₄ = 2.

Also zeigt Abb. 3 die stöchiometrische Verbrennung  mit   l = 1.

Lösung B

Molfraktionen:          CH₄ = 0,095,  O₂   = 0,19,    N₂ = 1 – 0,19 – 0,095   = 0,715

in der Luft: N₂  = 0,79           O₂ / 0,21.

CH₄ + 2O₂ + (79/21) N₂ = 0,095 + 0,19 + 0,715 = 1,0 ist die stöchiometrische Methan-Luft-Mischung.

Aufgabe 6: Bei einer Verbrennung befindet sich die Flamme im Dissoziationsgleichgewicht. Die Zusammensetzung des Abgases ist:

λ = 1,02                     CO₂=13%      O₂= 0,44%               CO = 40 ppm

λ = 1,2                        CO₂=11,1%   O₂= 3,72%               CO = ?

Wie hoch ist die CO-Konzentration in der Flamme bei 20 % Luftüberschuss, wenn alle anderen Bedingungen gleich sind?

Lösung

Aufgabe 7: Welcher Anteil des Brennstoffschwefels ist als Schwefeldioxid und als Schwefeltrioxid bei der Verbrennung mit 2 % und mit 20 % Luftüberschuss vorhanden, wenn sich die Schwefeloxide im Dissoziationsgleichgewicht befinden?

λ = 1,02                      O₂= 0,44%               SO₂= 25 ppm

λ = 1,2                         O₂= 3,72%               SO₂= 5,4 ppm

K 1000 °C  = SO₃²/( SO₂²×O2)= 0,0277

λ = 1,02           

SO_x  =  SO₂+ SO₃

SO₂= 25 ppm,            SO₃= 55,2 ppm,        SO_x = SO₂ +SO₃= 80,2 ppm

SO₂=25/80,2 = 31,2 %

λ = 1,2          

SO_x  =  SO₂+ SO₃

SO₂= 5,4 ppm,           SO₃= 74,6 ppm,        SO_x = SO₂ +SO₃= 80,0 ppm

SO₂=5,4/74,6 = 7,2 %

Aufgabe 8: Warum steigt die NO-Bildung, und warum sinkt die CO₂–, SO₃– und H₂O–Bildung mit zunehmender Verbrennungstemperatur?

Antwort: Die NO-Bildung ist endotherm, die CO₂–, SO₃– und H₂O–Bildungsreaktionen sind exotherm. Die Regel nach le Chatelier besagt, dass die Reaktionsrichtung immer diejenige ist, welche die Extremwerte mindert. Ist die Flammentemperatur zu hoch, so werden die Reaktionsrichtungen gefördert, die einen weiteren Anstieg der Flammentemperatur verhindern.

Aufgabe 9:  In welche Richtung verschiebt sich die Dissoziationslinie der Schwefelverbrennung bzw. Schwefeloxiddissoziation bei einer starken Zunahme des Feuerraumdruckes?

Antwort: . Die Regel nach le Chatelier besagt, dass die Reaktionsrichtung immer diejenige ist, welche die Extremwerte mindert. Die Globalreaktion der Schwefelverbrennung bzw. Schwefeloxiddissoziation lautet:

Bei der Verbrennung entstehen aus 3 Molekülen  (2 SO₂ und 1 O₂  )  2 Moleküle (2 SO₃).

Die Reaktion führt also bei konstantem Feuerraumdruck zu einer Druckminderung. Einer Erhöhung des Feuerraumdruckes wirkt die Druckminderung entgegen: Also wird die Reaktion der SO₃–Bildung begünstigt; Die Reaktionsrichtung verschiebt sich rechts in Gleichung (20), die Dissoziationslinie verschiebt sich rechts in Abbildung (5).

Aufgabe 10:  Interpretation der Tabellen 5a, 5b und 5c.

a) Wie hoch ist die CO-Konzentration bei 10 % Luftüberschuss bei homogener Brennstoff-Luft-Mischung im Abgas eines Heizkessels mit einer Feuerraum-Endtemperatur von 1500 K?

b) Wie hoch ist die CO-Konzentration bei 10 % Luftüberschuss bei homogener Brennstoff-Luft-Mischung im Abgas eines Heizkessels mit einer Feuerraum-Endtemperatur von 1700 K?

c) Wie hoch ist die CO-Konzentration bei 20 % Luftüberschuss bei inhomogener Brennstoff-Luft-Mischung im Abgas eines Heizkessels mit einer Feuerraum-Endtemperatur von 1700 K, wenn in der einen Feuerraumhälfte 10% Luftmangel und in der anderen Feuerraumhälfte 50% Luftüberschuss herrschen?

a)         Tabelle 5a,                 λ=1,1             1500 K                       CO =   5 ppm

b)         Tabelle 5a,                 λ=1,1             1700 K                       CO = 60 ppm  

c)         Tabelle 5c,                 λ=0,9              1700 K                       31840  ppm

Tabelle 5c,                 λ=1,5              1700 K                             20  ppm

(31840 + 20) / 2  =  15920 ppm

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

Lösung:

Einfluss der Änderung der Luftzahl auf die Dissoziation von CO2 in Analogie zu Abbildung 4

Bei einer Reduzierung der Luftzahl erhöht sich die CO-Konzentration nach den Dissoziationsgleichungen (12) und (13). Die Erhöhung der CO-Konzentration ist unabhängig von der Brennerleistung.  Die Luftzahl, bei der die CO-Konzentration ca. 40 ppm überschreitet, ist im Diagramm der Aufgabenstellung bei allen drei Brennerleistungen ca. 1, 05.

zu wenig Luft    Þ   unvollständige Verbrennung   Þ  viel CO

Bei einer Erhöhung der Luftzahl sinkt die Verbrennungstemperatur. Insbesondere bei kleinen Brennerleistungen wird der Luftzahlbereich immer  kleiner, in dem die Verbrennungstemperatur ca. 1600 K übersteigt. Dies ist die Temperatur, bei der die CO-Dissoziation einfriert, und zugleich die Mindesttemperatur für eine vollständige CO-Verbrennung bei Hausheizungen.

Die Luftzahl, bei der 1600 K Verbrennungstemperatur unterschritten wird, beträgt in Abbildung 4 ca. 1,3, 1,6 und 1,8 für die Brennerleistungen 10, 20 und 35 kW. Die Luftzahl, bei der die CO-Konzentration ca. 40 ppm überschreitet, beträgt nach Abbildung 6 bei den drei Brennerleistungen ebenfalls ca. 1,3, 1,6 und 1,8.

zu viel Luft   Þ     zu niedrige Verbrennungstemperatur    Þ      unvollständige

Verbrennung    Þ    viel CO, insbesondere bei kleiner Brennerleistung

Aufgabe 12: Warum ist das Starten eines Verbrennungsmotors schwieriger im Winter als im Sommer?

Im Winter ist der ausgekühlte Motor kälter als im Sommer. Dadurch ist der Löschabstand größer. Dies erschwert den Start des Motors.

Aufgabe 13: Wie gehen Sie vor, wenn bei der Inbetriebnahme einer Heizungsanlage der Brenner nicht zündet?

Bei der Inbetriebnahme sind die Temperaturen der Feuerraumwand und der Brennerbauteile kälter als im ausgestalteten Zustand beim Taktbetrieb. Dies führt zu einer Verminderung der Flammentemperatur und zu einer Vergrößerung des Löschabstandes. Mit einer Verminderung der Luftzahl kann man den Kaltstart verbessern. Gegebenfalls muss zum Kaltstart die Luftzahl so weit reduziert we