Verbrennungstechnik

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Diethart
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1.Brennstoffe
2.Heizwert
2.1 Oberer Heizwert
2.2 Unterer Heizwert
3.Verbrennungsvorgang
3.1 Verbrennungsgleichungen
4.Ermittlung von Sauerstoff-, Luftbedarf u.
Rauchgasmenge
5.Verbrennungskontrolle
6.Verbrennungsdreiecke
6.1 BUNTE - Dreieck
6.2 Ostwald - Dreieck
7.
Enthalpie - Temperatur - Diagramm
1. Brennstoffe
Im Brennstoff ist Energie chemisch gebunden, die durch die Verbrennung, d.h. durch Reaktion
mit Sauerstoff frei wird. Diese Energie wird vielseitig ausgenutzt (z.B. für die Dampferzwugung,
Heizungen usw.)
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Man unterscheidet zwischen:
♦ feste Brennstoffe (z.B. Holz, Kohle)
♦ flüssige Brennstoffe (z.B. Heizöl)
♦ gasförmige Brennstoffe (z.B. Erdgas, Hochofengas)
Der Brennstoff besteht grundsätzlich aus:
a.) brennbaren Bestandteil
Kohlenstoff C
Schwefel S
Wasserstoff H2
b.) Ballaststoffe
Asche
Wasser
Stickstoff N2
Sauerstoff O2
Bei festen und flüssigen Brennstoffen werden die Mengen der vorhandenen Elemente durch eine
Analyse bestimmt und als Massenanteile (Massenprozente) angegeben.
Die Summe der Massenanteile muss 100% ergeben.
C + s + h + a + w + n + o = 1 (Kleinbuchstaben stehen für Massenanteile)
Bei Brenngasen wird keine Elementaranalyse sondern eine Analyse der Raumanteile (Vol%) der
Einzelgase durchgeführt. Die Summe muss wieder 100% ergeben.
CO2b + COb + H2b + CH4b + C2H4b + C2H6b + Σ CnHmb + N2b + O2b = 1
Äthen (Äthylen)
Äthan
Wenn wir diese Gase als ideal ansehen, so sind die Raumteile gleichzeitig „Mol“ – Anteile. Im
Brenngas vorhandenes H2O wird nicht als Raumanteil, sondern durch Angabe der relativen
Gasfeuchte ϕG berücksichtigt.
2. Heizwert
Die im Brennstoff gebundene Energie wird durch den Heizwert gekennzeichnet.
Man unterscheidet dabei:
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♦ oberer Heizwert HO
♦ unterer Heizwert HU
Als Heizwert bezeichnet man jene Wärmemenge, welche bei vollständiger und vollkommener
Verbrennung von 1 kg (bei Gasen 1 m³) Brennstoff frei wird.
Der Unterschied zwischen HO und HU liegt darin, dass bei HO die Kondensationswärme des bei
der Verbrennung entstandenen Wasserdampfes mit eingerechnet wird, d.h. der Wasserdampf
muss kondensiert sein.
Bei HU wird die Kondensationswärme nicht berücksichtigt. Im Kesselbetrieb hat im allgemeinen
nur HU praktisch Bedeutung, da in den meisten Fällen die Kondensationswärme des
Wasserdampfes nicht nutzbar gemacht werden kann.
Zusammenhang: HU – HO
HU = HO – w * r
w….. Wasseranteil
r……Verdampfungswärme
Auf die Masse bezogen:
HU, HO
kJ
kg
Auf die Molmasse bezogen:
HUm, HOm
kJ
kmol
 kJ   kg   kJ 
HUm = HU*M =   ⋅ 
= 

 kg   kmol   kmol 
Für Gase:
HUm = HUN * Vmn
3
 kJ   Nm 
⋅
 Nm 3   kmol  =

 

 KJ 
 kmol 


Der Heizwert kann auf zwei Arten ermittelt werden:
1. Experimentell, d.h. durch Bombenkalorimeter
2. Rechnerisch mit empirischen Formeln (z.B. nach W. Boie)
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3. Verbrennungsvorgang
Kohlenstoff, Wasserstoff und Schwefel, bilden gasförmige Verbrennungsprodukte. Reagieren
diese Stoffe zu den Endprodukten CO2, H2O und SO2, so wird die Verbrennung als vollständig
bezeichnet.
Treten jedoch nach der Verbrennung noch brennbare Gase wie CO, H2 und CH4 oder feste
brennbare Stoffe auf, so ist die Verbrennung unvollständig.
Für eine vollständige Verbrennung müssen folgende drei Bedingungen erfüllt sein:
1. erforderlicher Sauerstoff muss vorhanden sein
Er wird meist der Umgebungsluft entnommen. In besonderen
Fällen wird auch reiner Sauerstoff verwendet, wie beispielsweise
beim Schweißen zum Erzielen hoher Temperaturen.
2. Zündtemperatur muss erreicht sein
Man versteht darunter die Temperatur, bei der die Verbrennung so
schnell verläuft, dass sie unter starker Wärmeabgabe sich selbst
aufrecht erhält.
3. Zündgrenzen müssen eingehalten werden
Dies ist bei Gasen und Dämpfen wichtig, d.h. es muss die
Mischung des Gases mit dem Sauerstoff oder Verbrennungsluft
örtlich stimmen. Diese sind dadurch begründet, dass die bei der
Reaktion des Gases mit dem Sauerstoff frei werdende Wärme
ausreichen muss, um eine Mindesttemperatur aufrecht zu erhalten.
Das ist durch eine kleine Luftmenge in einer großen Gasmenge
nicht möglich, da dann nur ein kleiner Teil des Brenngases
reagieren kann, also nur wenig Energie frei wird.
Aber auch eine kleine Gasmenge in einer großen Luftmenge liegt
außerhalb der Zündgrenzen, da durch die kleine Gasmenge die
große Gemischmenge nicht auf der notwendigen
Mindesttemperatur gehalten werden kann.
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3.1 Verbrennungsgleichungen
C + O2 = CO2
C + ½ O2 = CO
CO + ½ O2 = CO2
H2 + ½ O2 = H2O
S + O2 = SO2
4. Ermittlung von Sauerstoff,- Luftbedarf und Rauchgasmenge
Man ermittelt zuerst für die an der Verbrennung beteiligten Elemente mit Hilfe der
Verbrennungsgleichungen die benötigte Sauerstoffmenge. Daraus ergibt sich über den
Sauerstoffanteil der Luft die erforderliche Verbrennungsluftmenge.
Für feste und flüssige Brennstoffe gilt:
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Kohlendioxid:
C + O2 = CO2
1 [kmol ]C + 1 [kmol ]O2 = 1 [kmol ] CO2
Blick ins PSE nach Molmasse
 kg 
 kg 
 kg 
+ 2 * 16 
= 44 
CO2
12 


 kmol 
 kmol 
 kmol 
/ : 12 (um auf 1 kg C zu beziehen)
1 [kg ] C +
32
[kg ] O2 = 44 [kg ] CO2
12
12
für 1 kg Brennstoff erforderliche Sauerstoffmenge:
in [kg ] :
c*
32
[kg ] O2
12
(für 12 kg C brauche ich 32 kg O2)
(für 1 kg C brauche ich 32/12 kg O2)
(für c kg C brauche ich c* 32/12 kg O2)
in [kmol ]:
c*
1
[kmol ] O2
12
( für 12 kg C brauche ich 1 kmol O2)
(für 1 kg C brauche ich 1/12 kmol O2)
(für c kg brauche ich c* 1/12 kmol O2)
[
]
in Nm 3 :
[
]
c* 1.86 Nm 3 O2
m= ρ * V
 32 
m  12 
3
V=
= 
 = 1.86 Nm
ρ 1.42 


Wasser:
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[
]
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H2 + ½ O2 = H2O
1 [kmol ] H2 + ½ [kmol ] O2 = 1 [kmol ] H2O
 kg 
 kg 
 kg 
2 
H2 + 16 
O2 = 18 


 H2O
 kmol 
 kmol 
 kmol 
1 [kg ] H2 + 8 [kg ] O2 = 9 [kg ] H2O
für 1 kg Brennstoff erforderliche Sauerstoffmenge:
in [kg ] :
h* 8 [kg ] O2
in [kmol ]:
h*
1
[kmol ] O2
4
(für 2 kg H brauche ich ½ kmol O2)
(für 1 kg H brauche ich ¼ kmol O2)
1
(für h kg H brauche ich h* kmol O2)
4
[
]
in Nm 3 :
[
]
h*5.63 Nm 3 O2
V=
m
ρ
=
[
8
= 5.63 Nm 3
1.42
]
Schwefeldioxid:
S + O2 = SO2
1
[kmol ] S + 1 [kmol ] O
32
2
 kg 
 kmol  S + 32
=1
[kmol ] SO
 kg 
 kmol  O2 = 64
2
 kg 
 kmol  SO2
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1
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[kg ] S + 1 [kg ] O
2
=2
[kg ] SO
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2
für 1 kg Brennstoff erforderliche Sauerstoffmenge:
in [kg ] :
s* 1 [kg ] O2
in [kmol ]:
s*
[
1
[kmol ] O2
32
]
in Nm 3 :
[
]
s* 0.7 Nm 3 O2
Der gesamte benötigte Sauerstoffbedarf:
Das ist bereits im Brennstoff enthalten und brauche
es nicht mehr zuführen!
 kgO2  32
* c + 8 * h + 1 * s – 1 *o
O2 
=
 kgBr  12
 kmolO2  1
1
1
1
O2 
=
*c+ *h+
*s *o

4
32
32
 kgBr  12
[
]
O2 Nm 3 = 1,86 * c + 5,6 * h + 0,7 * s – 0,7 * o
Bestandteile der Luft:
Für eine einfachere Berechnung wird der
Edelgasanteil zum Stickstoffanteil dazugerechnet,
d.h. Stickstoffanteil = 79 Vol%
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Vol%
Stickstoff
Sauerstoff
Edelgase
78
21
1
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Masse%
76,2
23,20
0,6
Die zur Verbrennung benötigte Mindestluftmenge (trocken):
 kgO2 


 kgLuft 
O2  kgBr 
Lmintr = 
=
 kgBr  0,232  kgO2 
 kgLuft 


 kmolO2 


 kmolLuft 
O2  kgBr 
Lmintr = 
=
 kgBr  0,21  kmolO2 
 kmolLuft 


(da wir das Gas als ideal ansehen, sind die
Raumanteile (Vol%) gleich Mol-Anteile)
 Nm 3O2 


 Nm 3 Luft  O2  kgBr 
Lmintr = 
=
3
 kgBr  0,21  Nm O2 


3
 Nm Luft 
Mit Berücksichtigung des Wasserdampfgehaltes in der Luft (Luftfeuchtigkeit):
lminf = lmintr + wL * lmintr = (1-wL)*lmintr
wL = Luftfeuchte
wL =
pD
pD
=
pL
p − pD
pD = ϕ * pS
pD = Teildruck des Wasserdampfes
pL = Teildruck der trockenen Luft
p = Gesamtdruck
ϕ = relative Luftfeuchtigkeit
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ϕ=
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pD
pS
pS = Sättigungsdruck des Wasserdampfes
wL =
ϕ ⋅ pS
 kmolH 2 O   Nm 3 H 2 O 


p − ϕ ⋅ p S  kmolLuft   Nm 3 Luft 
 ϕ ⋅ pS
wL = 0,62* 
 p − ϕ ⋅ pS
  kgH 2 O 
 
 Wie kommt man zu 0,62?
  kgLuft 
MolmasseH 2 O
18
=
=
= 0,62
MolmasseLuft
28,963
tatsächliche Luftmenge:
ltats = λ * l minf
λ = Luftüberschusszahl
Rauchgasmenge:
Kohlendioxid CO2:
in [kg ] :
c*
44  kgCO2 
12  kgBr 
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in [kmol ]:
c*
[
1  kmolCO2 
12  kgBr 
]
in Nm 3 :
 Nm 3CO2 
c * 1,86 

 kgBr 
Schwefeldioxid SO2 :
in [kg ] :
 kgSO2 
s*2 

 kgBr 
in [kmol ]:
s*
[
1  kmolSO2 
32  kgBr 
]
in Nm 3 :
 Nm 3 SO2 
s * 0,7 

 kgBr 
Wasser H2O :
in [kg ] :
Das ist schon im
Das wird durch die Verbrennungsluft
Brennstoff vorhanden zugeführt!
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 kgH 2 O 
9 * h + w + wL * λ * lmin 
 w = Wasseranteil im Brennstoff (liegt flüssig vor)
 kgBr 
in [kmol ]:
 kmolH 2 O 
w
1
* h + + wL * λ * lmin 

2
18
 kgBr 
[
]
in Nm 3 :
m
ρ
=
1
=1,24
0,8038
 Nm 3 H 2 O 
11,2 * h + 1,24 * w + wL * lmin * λ 

 kgBr 
Stickstoff N2 :
in [kg ] :
Das führe ich durch die Verbrennungsluft zu
Im Brennstoff vorhanden
 kgN 2 
n + 0,762 * λ * lmin 

 kgBr 
in [kmol ]:
Seite 12
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 kmolN 2 
n
+ 0,79 * λ * lmin 

28
 kgBr 
[
]
in Nm 3 :
 Nm 3 N 2 
n * 0,8 + 0,79 * λ * lmin 

 kgBr 
m
ρ
=
1
= 0,8
1,2504
Sauerstoff O2:
in [kg ] :
 kgO2 
0,23 * (λ – 1) * lmin 

 kgBr 
in [kmol ]:
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 kmolO2 
0,21 * (λ – 1) * lmin 

 KgBr 
[
]
in Nm 3 :
 Nm 3O2 
0,21 * (λ – 1) * lmin 

 kgBr 
Man unterscheidet :
1. trockene min. RG – Menge
2. feuchte min. RG – Menge
3. trockene tats. RG – Menge
4. feuchte tats. RG – Menge
zu 1. :
Vtro min = VCO2 + VSO2 + VN2
 Nm 3 RG 
= 1,86 * c + 0,7 * s + 0,8 * n + 0,79 * lmin 

 kgBr 
zu 2. :
V f min = Vtr min + 11,2 * h + 1,24 * w + wL * lmin
 Nm 3 RG 


 kgBr 
zu 3. :
Vtr tats = VCO2 + VSO2 + VN2 +VO2
 Nm 3 RG 
= 1,86 * c + 0,7 * s + 0,8 * n + 0,79 * λ * lmin + 0,21 * ( λ – 1) * lmin 

 kgBr 
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zu 4. :
 Nm 3 RG 
V ftat = V trtat + 11,2 * h +1,24 * w + wL * λ * lmin 

 kgBr 
5. Verbrennungskontrolle
Um die Güte der Verbrennung zu überprüfen, müssen das Luftverhältnis l, eventuell vorhandene
brennbare Abgasbestandteile, sowie die festen Rückstände ermittelt werden. Eine unmittelbare
Luftmengenmessung ist ungenau, da eventuell falsch angesaugte Luft nicht berücksichtigt
werden kann. Auch die exakte Messung der Abgasmenge ist kaum möglich. Das Luftverhältnis
und die auf die Brennstoffmenge bezogene Abgasmenge können aber aus der
Abgaszusammensetzung berechnet werden. Die Abgasanalyse gibt somit genau Auskunft
darüber, ob die Verbrennung richtig ausgeführt wird.
Abgasanalyse:
♦ Chemische Verfahren (Orsatgerät)
♦ Physikalisches Verfahren (z.B. auf Infrarotabsorptionsbasis)
Auswertung der Messung:
Stoffbilanzen: Alle Stoffe die der Feuerung zugeführt werden, müssen sie auch wieder verlassen.
Brennstoff
C,h,s,w,n,o,a
Feuchtes Gas
CO2, SO2, H2O, CO, CH4, H2, N2, O2
O2, N2, H2O
Feuchte Verbrennungsluft
Asche und Unverbranntes
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Ermittlung der Abgasmenge aus der Kohlenstoffbilanz:
INPUT = OUTPUT
Durch Brennstoff zugeführt
c
12
 kmolc 
 kgBr  = Vtr


Gesamtes hinter „=“ ist nach der
Verbrennung im Rauchgas
 kmolAs 
 kmolc  c kmolc
 kgBr  * (CO2 + CO + CH4)  kmolAs  + 12 kgBr




c - c = α * c = vergaster Kohlenstoff
α *c




12
Vtr = 

 CO2 + CO + CH 4 


Feuchte Abgasmenge:
Vf = Vtr + VH2O
Stickstoffbilanz:
Durch Verbrennungsluft zugeführt
n
+ 0,79 * λ * lmin = Vtr * N2
28
n
+ 0,79 * λ * l min
28
Vtr =
N2
Durch Brennstoff zugeführt Durch Abgas abgeführt
λ erhält man nun durch gleichsetzen von Vtr Stickstoff und Vtr Kohlenstoff:
α *c
12
CO2 + CO + CH 4
n
+ 0,79 * l min * λ
= 28
N2
λ
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Vtr
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λ *c
* N2
n
12
=
+ 0,79 * λ * l min
CO 2 + CO + CH 4 28
α *c
* N2
n
12
−
= 0,79 * λ * l min
CO2 + CO + CH 4 28
1
0,79 * l min
α *c


* N2


n
12
⋅
− 
 CO2 + CO + CH 4 28 




α *c


* N2


1
n
12

λ=
− 
0,79 * l min  CO2 + CO + CH 4 28 




6. Verbrennungsdreiecke
Verbrennungsdreiecke veranschaulichen den Zusammenhang zwischen dem CO2-, O2- und COGehalt des Abgases und ermöglichen die graphische Ermittlung des Luftverhältnisses.
Man unterscheidet zwischen:
6.1 Bunte-Dreieck
6.2 Ostwald Dreieck
Das Ostwald – Dreieck gilt nur für einen bestimmten Brennstoff und Verbrennung
ohne feste Rückstände, jedoch wird die vollständige Verbrennung des
Kohlenstoffes erfaßt. Mit dem Ostwald – Dreieck kann das Luftverhältnis
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graphisch ermittelt und die Richtigkeit der Abgasanalyse kontrolliert werden, da
durch Bestimmung zweier Abgasanteile der dritte vorliegt.
6. Enthalpie – Temperatur – Diagramm
Für genauere wärmetechnischen Berechnungen wird für den jeweiligen Brennstoff ein H –t –
Diagramm erstellt. Der Wärmeinhalt des Rauchgases kann dabei entweder auf 1 m³ Rauchgas
oder auf 1 kg Brennstoff bezogen sein. Die Bezugsart aud 1 kg hat den Vorteil, dass der
Heizwert unabhängig von der Luftüberschusszahl l als horizontale Gerade festliegt. Ferner ist es
günstig, als Bezugstemperatur nicht 0°C, sondern Umgebungs- bzw. Kesselhaustemperatur
anzunehmen, da dann eventuell einströmende Falschluft Wärme mitbringt.
Zur Berechnung des Diagramms ist die Kenntnis der spezifischen Wärme der
Rauchgasbestandteile nötig. Da die spezifische Wärme von der Temperatur abhängig ist, rechnet
man mit einem Mittelwert cpm, welcher die mittlere spezifische Wärme zwischen den
Temperaturen 0 und t [°C] darstellt und aus Tabellen entnommen wird. Den Wärmeinhalt des
gesamten Rauchgases bei t [°C] erhält man durch Addition der Wärmeinhalte aller
Rauchgasanteile. Mit steigendem l wird die Kurve steiler, da die Rauchgasmenge pro kg
Brennstoff mit höherem l steigt. Über 1500°C muss vor allem die Aufspaltung von CO2, H2O
berücksichtigt werden, da vom Rauchgas zusätzlich Wärme aufgenommen wird, was wiederum
einen steileren Anstieg der H- t- Kurve zur Folge hat.
Der auf 1 kg Brennstoff bezogene Wärmeinhalt eines Rauchgasanteiles beträgt bei t [°C]:
 kJ 
H.. = cpm.. * V..* t 

 kgBr 
z.B. für CO2
HCO2 = cpm, CO2 * VCO2*t
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