Brennstoffe

Heizwert

Oberer Heizwert

Unterer Heizwert

Verbrennungsvorgang

Verbrennungsgleichungen

Ermittlung von Sauerstoff-, Luftbedarf u. Rauchgasmenge

Verbrennungskontrolle

Verbrennungsdreiecke

BUNTE - Dreieck

Ostwald - Dreieck

Enthalpie - Temperatur - Diagramm

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.)

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 b.) Ballaststoffe

Kohlenstoff C Asche

Schwefel S Wasser

Wasserstoff H₂ 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.

CO₂^b + CO^b + H₂^b + CH₄^b + C₂H₄^b + C₂H₆^b +   C_nH_m^b + N₂^b + O₂^b = 1

Athen (Athylen) Athan

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 _G berücksichtigt.

Die im Brennstoff gebundene Energie wird durch den Heizwert gekennzeichnet.

Man unterscheidet dabei:

oberer Heizwert H_O

unterer Heizwert H_U

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

H_U = H_O - w * r              w... Wasseranteil

r..Verdampfungswärme

Auf die Masse bezogen:

H_U, H_O  

Auf die Molmasse bezogen:

H_Um, H_Om  H_Um = H_U*M = =

Für Gase:

H_Um = H_UN * V_mn                                 =

Der Heizwert kann auf zwei Arten ermittelt werden:

Experimentell, d.h. durch Bombenkalorimeter

Rechnerisch mit empirischen Formeln (z.B. nach W. Boie)

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:

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.

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.

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.

C + O₂ = CO₂

C + ½ O₂ = CO

CO + ½ O_{2 =} CO₂

H₂ + ½ O₂ = H₂O

S + O₂ = SO₂

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:

C + O₂ = CO₂

1 C + 1 O₂ = 1 CO₂

Blick ins PSE nach Molmasse

12 + 2 * 16 = 44 CO₂

/ : 12 (um auf 1 kg C zu beziehen)

1 C + O₂ = CO₂

für 1 kg Brennstoff erforderliche Sauerstoffmenge

in :

c * O₂ (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 :

c* O₂ ( 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 :

c* 1.86 O₂ m=  * V V= = = 1.86

H₂ + ½ O₂ = H₂O

1 H₂ + ½ O₂ = 1 H₂O

2 H₂ + 16 O₂ = 18 H₂O

1 H₂ + 8 O₂ = 9 H₂O

für 1 kg Brennstoff erforderliche Sauerstoffmenge:

in :

h* 8 O₂

in :

h* O₂ (für 2 kg H brauche ich ½ kmol O₂)

(für 1 kg H brauche ich ¼ kmol O₂)

(für h kg H brauche ich h* kmol O₂)

in :

h*5.63 O₂ V= = = 5.63

S + O₂ = SO₂

1 S + 1 O₂ = 1 SO₂

32 S + 32 O₂ = 64 SO₂ 

1 S + 1 O₂ = 2 SO₂

für 1 kg Brennstoff erforderliche Sauerstoffmenge:

in :

s* 1 O₂

in :

s* O₂

in :

s* 0.7 O₂

Der gesamte benötigte Sauerstoffbedarf:

Das ist bereits im Brennstoff enthalten und brauche es nicht mehr zuführen!

O2 = * c + 8 * h + 1 * s - 1 *o

O2 = * c + * h + *s - * o

O2 = 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%

Die zur Verbrennung benötigte Mindestluftmenge (trocken):

L_mintr = =

L_mintr = = (da wir das Gas als ideal ansehen, sind die Raumanteile (Vol%) gleich Mol-Anteile)

L_mintr = =

Mit Berücksichtigung des Wasserdampfgehaltes in der Luft (Luftfeuchtigkeit):

l_minf = l_mintr + w_L * l_mintr = (1-w_L)*l_mintr

wL = Luftfeuchte

wL = = pD = Teildruck des Wasserdampfes

pL = Teildruck der trockenen Luft

p = Gesamtdruck

p_D =  * p_S  = relative Luftfeuchtigkeit

=

pS = Sättigungsdruck des Wasserdampfes

wL =

wL = 0,62* Wie kommt man zu 0,62?

= = = 0,62

tatsächliche Luftmenge:

l_tats =  * l _minf                    = Luftüberschusszahl

Kohlendioxid CO₂:

in :

c *

in :

c *

in :

c * 1,86

Schwefeldioxid SO₂ :

in :

s * 2

in :

s *

in :

s * 0,7

Wasser H2O :

in :

Das ist schon im Das wird durch die Verbrennungsluft

Brennstoff vorhanden zugeführt!

9 * h + w + w_L *  * l_min w = Wasseranteil im Brennstoff (liegt flüssig vor)

in :

* h ++ w_L *  * l_min

in :

                          = =1,24

11,2 * h + 1,24 * w + w_L * l_min * 

Stickstoff N₂ :

in :

Das führe ich durch die Verbrennungsluft zu

Im Brennstoff vorhanden

n + 0,762 * * l_min

in :

+ 0,79 *  * l_min

in :

n * 0,8 + 0,79 *  * l_min

= = 0,8

Sauerstoff O₂:

in :

0,23 * ( - 1) * l_min

in :

0,21 * ( - 1) * lmin

in :

0,21 * ( - 1) * lmin

Man unterscheidet :

trockene min. RG - Menge

feuchte min. RG - Menge

trockene tats. RG - Menge

feuchte tats. RG - Menge

zu 1. :

V_{tro min} = V_CO2 + V_SO2 + V_N2

= 1,86 * c + 0,7 * s + 0,8 * n + 0,79 * l_min

zu 2. :

V _{f min} = Vtr _min + 11,2 * h + 1,24 * w + w_L * l_min

zu 3. :

Vtr tats = V_CO2 + V_SO2 + V_N2 +V_O2

= 1,86 * c + 0,7 * s + 0,8 * n + 0,79 *  * l_min + 0,21 * (  - 1) * l_min

zu 4. :

V _ftat = V _trtat + 11,2 * h +1,24 * w + w_L * * l_min

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                  Feuchtes Gas

C,h,s,w,n,o,a               CO₂, SO₂, H₂O, CO, CH₄, H₂, N₂, O₂

O₂, N₂, H₂O                 Asche und Unverbranntes

Feuchte Verbrennungsluft

Ermittlung der Abgasmenge aus der Kohlenstoffbilanz:

INPUT = OUTPUT

Durch Brennstoff zugeführt               Gesamtes hinter "=" ist nach der Verbrennung im Rauchgas

= V_tr * (CO₂ + CO + CH₄) + V_tr

c - =  * c = vergaster Kohlenstoff

Vtr =

Feuchte Abgasmenge:

V_f = V_tr + VH₂O

Stickstoffbilanz:

Durch Verbrennungsluft zugeführt

+ 0,79 *  * l_min = V_tr * N₂ V_tr =

Durch Brennstoff zugeführt Durch Abgas abgeführt

 erhält man nun durch gleichsetzen von V_tr Stickstoff und V_tr Kohlenstoff:

= 

=

=

 =

Verbrennungsdreiecke veranschaulichen den Zusammenhang zwischen dem CO2-, O2- und CO- Gehalt 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 graphisch ermittelt und die Richtigkeit der Abgasanalyse kontrolliert werden, da durch Bestimmung zweier Abgasanteile der dritte vorliegt.

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 c_pm, 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]:

H.. = cpm.. * V..* t

z.B. für CO₂

H_CO2 = c_pm, _CO2 * V_CO2*t