Verbrennungstechnik. 1. Brennstoffe. 1.Brennstoffe. 2.Heizwert. 2.1 Oberer Heizwert 2.2 Unterer Heizwert. 3.Verbrennungsvorgang

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1 Verbrennungstechnik 1.Brennstoffe.Heizwert.1 Oberer Heizwert. Unterer Heizwert.Verbrennungsvorgang.1 Verbrennungsgleichungen 4.Ermittlung von Sauerstoff-, Luftbedarf u. Rauchgasmenge 5.Verbrennungskontrolle 6.Verbrennungsdreiecke 6.1 BUNTE - Dreieck 6. 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.) Seite 1

2 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 H Stickstoff N Sauerstoff O 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. CO b + CO b + H b + CH 4 b + C H 4 b + C H 6 b + Σ C n H m b + N b + O b = 1 Äthen (Äthylen) Äthan Wenn wir diese Gase als ideal ansehen, so sind die Raumteile gleichzeitig Mol Anteile. Im Brenngas vorhandenes H O wird nicht als Raumanteil, sondern durch Angabe der relativen Gasfeuchte ϕ G berücksichtigt.. Heizwert Die im Brennstoff gebundene Energie wird durch den Heizwert gekennzeichnet. Man unterscheidet dabei: Seite

3 oberer Heizwert H O unterer Heizwert H U Als Heizwert bezeichnet man jene Wärmemenge, welche bei vollständiger und vollkommener Verbrennung von 1 (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 kj Auf die Molmasse bezogen: kj H Um, H Om H Um = H U *M = kj = kj Für Gase: H Um = H UN * V mn kj Nm Nm = KJ Der Heizwert kann auf zwei Arten ermittelt werden: 1. Experimentell, d.h. durch Bombenkalorimeter. Rechnerisch mit empirischen Formeln (z.b. nach W. Boie) Seite

4 . Verbrennungsvorgang Kohlenstoff, Wasserstoff und Schwefel, bilden gasförmige Verbrennungsprodukte. Reagieren diese Stoffe zu den Endprodukten CO, H O und SO, so wird die Verbrennung als vollständig bezeichnet. Treten jedoch nach der Verbrennung noch brennbare Gase wie CO, H und CH 4 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.. 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. Seite 4

5 .1 Verbrennungsgleichungen C + O = CO C + ½ O = CO CO + ½ O = CO H + ½ O = H O S + O = SO 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: Seite 5

6 Kohlendioxid: C + O = CO 1 [ ] C + 1 [ ] O = 1 [ ] CO 1 + * 16 = 44 1 [ ] C + [ ] O = 44 [ ] CO 1 1 CO Blick ins PSE nach Molmasse / : 1 (um auf 1 C zu beziehen) für 1 Brennstoff erforderliche Sauerstoffmenge: in [ ]: in [ ]: c * [ ] O (für 1 C brauche ich O ) 1 (für 1 C brauche ich /1 O) (für c C brauche ich c* /1 O ) in [ Nm ]: c* 1 [ ] O ( für 1 C brauche ich 1 O ) 1 c* 1.86 [ ] (für 1 C brauche ich 1/1 O ) (für c brauche ich c* 1/1 O ) m Nm O m= ρ * V V= = 1 ρ 1.4 = 1.86 [ Nm ] Wasser: Seite 6

7 H + ½ O = H O 1 [ ] H + ½ [ ] O = 1 [ ] H O H + 16 O = 18 H O 1 [ ] H + 8 [ ] O = 9 [ ] H O für 1 Brennstoff erforderliche Sauerstoffmenge: in [ ]: h* 8 [ ] O in [ ]: in [ Nm ]: h* 1 [ ] O (für H brauche ich ½ O ) 4 h*5.6 [ ] m Nm O V= = ρ 1. 4 (für 1 H brauche ich ¼ O ) (für h H brauche ich h* 4 1 O ) 8 = 5.6 [ ] Nm Schwefeldioxid: S + O = SO 1 [ ] S + 1 [ ] O = 1 [ ] SO S + O = 64 SO Seite 7

8 1 [ ] S + 1 [ ] O = [ ] SO für 1 Brennstoff erforderliche Sauerstoffmenge: in [ ]: s* 1 [ ] O in [ ]: s* 1 [ ] O in [ Nm ]: s* 0.7 [ Nm ] O Der gesamte benötigte Sauerstoffbedarf: Das ist bereits im Brennstoff enthalten und brauche es nicht mehr zuführen! O O = * c + 8 * h + 1 * s 1 *o Br 1 O O = * c + * h + *s - * o Br 1 4 O [ Nm ] = 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% Seite 8

9 Vol% Masse% Stickstoff 78 76, Sauerstoff 1,0 Edelgase 1 0,6 Die zur Verbrennung benötigte Mindestluftmenge (trocken): Luft L mintr = = Br O 0, O Br O Luft Luft L mintr = = Br O 0,1 O Br O Luft (da wir das Gas als ideal ansehen, sind die Raumanteile (Vol%) gleich Mol-Anteile) Nm Luft L mintr = = Br O 0,1 Nm O Br Nm O Nm Luft Mit Berücksichtigung des Wasserdampfgehaltes in der Luft (Luftfeuchtigkeit): l minf = l mintr + w L * l mintr = (1-w L )*l mintr wl = Luftfeuchte wl = p D = ϕ * p S p D p = D pl p pd pd = Teildruck des Wasserdampfes pl = Teildruck der trockenen Luft p = Gesamtdruck ϕ = relative Luftfeuchtigkeit Seite 9

10 ϕ = p p D S ps = Sättigungsdruck des Wasserdampfes wl = ϕ p S p ϕ p S H O Luft Nm H O Nm Luft wl = 0,6* ϕ ps p ϕ p S H O Luft Wie kommt man zu 0,6? = MolmasseH O 18 = MolmasseLuft 8, 96 = 0,6 tatsächliche Luftmenge: l tats = λ * l minf λ = Luftüberschusszahl Rauchgasmenge: Kohlendioxid CO : in [ ]: 44 c * 1 CO Br Seite 10

11 in [ ]: c * 1 1 CO Br in [ Nm ]: Nm CO c * 1,86 Br Schwefeldioxid SO : in [ ] : SO s * Br in [ ]: in [ Nm ]: 1 s * SO Br Nm SO s * 0,7 Br Wasser HO : in [ ]: Das ist schon im Das wird durch die Verbrennungsluft Brennstoff vorhanden zugeführt! Seite 11

12 H 9 * h + w + w L * λ * l O min Br w = Wasseranteil im Brennstoff (liegt flüssig vor) in [ ]: 1 w H * h wl * λ * l O min Br in [ Nm ]: m 1 = ρ 0, 808 =1,4 Nm H 11, * h + 1,4 * w + w L * l min * λ O Br Stickstoff N : in [ ]: Im Brennstoff vorhanden Das führe ich durch die Verbrennungsluft zu n + 0,76 * λ * l min N Br in [ ]: Seite 1

13 in [ Nm ]: n + 0,79 * λ * lmin 8 N Br Nm N n * 0,8 + 0,79 * λ * l min Br m 1 = = 0,8 ρ 1, 504 Sauerstoff O : in [ ]: in [ ]: O 0, * (λ 1) * l min Br Seite 1

14 in [ Nm ]: O 0,1 * (λ 1) * lmin KgBr Nm O 0,1 * (λ 1) * lmin Br Man unterscheidet : 1. trockene min. RG Menge. feuchte min. RG Menge. trockene tats. RG Menge 4. feuchte tats. RG Menge zu 1. : V tro min = V CO + V SO + V N Nm RG = 1,86 * c + 0,7 * s + 0,8 * n + 0,79 * l min Br zu. : Nm RG V f min = Vtr min + 11, * h + 1,4 * w + w L * l min Br zu. : Vtr tats = V CO + V SO + V N +V O Nm RG = 1,86 * c + 0,7 * s + 0,8 * n + 0,79 * λ * l min + 0,1 * ( λ 1) * l min Br Seite 14

15 zu 4. : Nm RG V ftat = V trtat + 11, * h +1,4 * w + w L * λ * l min Br 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 Feuchtes Gas C,h,s,w,n,o,a CO, SO, H O, CO, CH 4, H, N, O O, N, H O Feuchte Verbrennungsluft Asche und Unverbranntes Seite 15

16 Ermittlung der Abgasmenge aus der Kohlenstoffbilanz: INPUT = OUTPUT Durch Brennstoff zugeführt Gesamtes hinter = ist nach der Verbrennung im Rauchgas c 1 c Br As = V tr * (CO + CO + CH 4 ) Br c As c + 1 c Br V tr c - c = α * c = vergaster Kohlenstoff Vtr = CO α * c 1 + CO + CH 4 Feuchte Abgasmenge: V f = V tr + VH O Stickstoffbilanz: Durch Verbrennungsluft zugeführt n + 0,79 * λ * lmin = V tr * N V tr = 8 n + 0,79 * λ * l 8 N min Durch Brennstoff zugeführt Durch Abgas abgeführt λ erhält man nun durch gleichsetzen von V tr Stickstoff und V tr Kohlenstoff: CO α * c 1 + CO + CH 4 = n + 0,79 * l 8 N min * λ λ Seite 16

17 λ * c * N 1 CO + CO + CH 4 n 8 = + 0,79 * λ * lmin α * c * N 1 CO + CO + CH n 4 8 0,79* λ * l = min 1 0,79* l min α * c * N 1 CO + CO + CH 4 8 n λ = 1 0,79* l min α * c * N 1 n CO + CO + CH Verbrennungsdreiecke Verbrennungsdreiecke veranschaulichen den Zusammenhang zwischen dem CO-, O- und CO- Gehalt des Abgases und ermöglichen die graphische Ermittlung des Luftverhältnisses. Man unterscheidet zwischen: 6.1 Bunte-Dreieck 6. 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 Seite 17

18 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 Brennstoff bezogen sein. Die Bezugsart aud 1 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 Brennstoff mit höherem l steigt. Über 1500 C muss vor allem die Aufspaltung von CO, HO berücksichtigt werden, da vom Rauchgas zusätzlich Wärme aufgenommen wird, was wiederum einen steileren Anstieg der H- t- Kurve zur Folge hat. Der auf 1 Brennstoff bezogene Wärmeinhalt eines Rauchgasanteiles beträgt bei t [ C]: H.. = cpm.. * V..* t kj Br z.b. für CO H CO = c pm, CO * V CO *t Seite 18

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