Reaktionsraum. 0 C Luft Flüssiges Wasser 0 C

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1 35 3. Energiemwandlng 3.1 Heizwerte nd rennwerte Drch die Oxidation des im rennstoff enthaltenen Kohlenstoffs nd Wasserstoff wird die chemische Enthalpie in Wärme mgewandelt. Eine abgegebene Reaktionsenthalpie wird thermodynamisch mit einem negativen Wert beschrieben. In der Verbrennngstechnik wird jedoch diese Enthalpie traditionsgemäß mit einem positiven Wert angegeben. Dieser wird dann als Heizwert oder rennwert bezeichnet. Wird entsprechend ild 31 das as nach der Verbrennng af 0 C abgekühlt, so liegt das entstandene Wasser flüssig vor. Die dabei mgewandelte Enthalpie wird als rennwert H o bezeichnet (Frühere ezeichnng oberer Heizwert. Das as wird jedoch nach der Verbrennng mit Temperatren oberhalb des Tapnktes abgeführt, so dass das Wasser dampfförmig vorliegt. Dadrch wird die Kondensationsenthalpie nicht in Wärme mgewandelt. Die dann mgewandelte chemische Enthalpie des rennstoffs wird als Heizwert h bezeichnet (Frühere ezeichnng nterer Heizwert. eide Werte nterscheiden sich also nr m den Anteil der Kondensationsenthalpie h H o x H O h V, (31 wobei x H O der Wasseranteil im as ist nd h V ( 500 kj/kg die spez. Verdampfngsoder Kondensationsenthalpie des Wassers sind. 0 C rennstoff Reaktionsram rennwert H O Trockenes Verbrennngsgas 0 C 0 C ft Flüssiges Wasser 0 C ild 31: estimmng des rennwertes In Tabelle 31 sind Heiz nd rennwerte für typische rennstoffe afgeführt. Die Werte für die fossilen rennstoffe stellen Mittelwerte für Detschland dar (Energiedaten des ndesministerims für Wirtschaft Wasserstoff besitzt den höchsten Heizwert bezogen af die Masse. Hier ist der Unterschied zwischen renn nd Heizwert am größten. Dieser Unterschied ist bei den fossilen rennstoffen bei Erdgas mit 10 % am höchsten. ei Erdgas hängt der Heizwert vergleichsweise stärker von der Zsammensetzng ab. Ist diese bei renngasen bekannt, so kann der Heizwert über h x i h i (3 berechnet werden, wobei x i die Massenanteile der brennbaren asanteile nd h i deren Heizwert sind. Die Anteile sind in der Regel CH 4, H nd CO, deren Heizwerte in Tabelle 31 afgeführt sind. ei festen nd flüssigen rennstoffen liegen die C nd HAtome in verschiedensten indngsarten vor. erechnet man den Heizwert entsprechend l. (3 as dem C nd H Massenanteil der rennstoffanalyse nach Tabelle 1, so ergeben sich folglich z hohe Heizwerte. Insbesondere, wenn Saerstoff bereits im rennstoff vorhanden ist, wie z.. bei

2 36 Methanol, ergeben sich erheblich höhere Heizwerte bei Verendng der l. (3. Daher mss der Heizwert von flüssigen nd festen rennstoffen stets experimentell ermittelt werden. Die Heizwerte für die flüssigen rennstoffe schwanken je nach Qellenangaben etwa ± 3 %. Z beachten ist die nterschiedliche Dichte bei den flüssigen rennstoffen, da diese in der Regel nach Volmen (iter nd nicht nach Masse verkaft werden. So besitzt ein iter Dieselkraftstoff etwa 14 % mehr Energie als ein iter Ottokraftstoff. ei Steinkohlen hängen die Heizwerte von der Zsammensetzng, insbesondere vom Anteil der flüchtigen estandteile, ab nd können daher etwa ± 8 % vom angegebenen Mittelwert abweichen. Rohbrankohle hat einen relativ geringen Heizwert af rnd des hohen Anteils an flüssigem Wasser. rankohlenstab, der getrocknet ist, besitzt folglich einen höheren Wert. Dieser ist niedriger als der bei Steinkohlen wegen des ehaltes an Saerstoff (siehe Tabelle 1. Der Heizwert von Hölzern hängt von deren Art nd Fechtigkeitsgehalt ab. In der Tabelle sind daher nr Anhaltswerte für den trockenen Zstand afgeführt. emerkenswert ist, dass Holz relativ niedrige Heizwerte besitzt, insbesondere für den volmenbezogenen Wert. Daher ist der Energietransport bei Steinkohlen wesentlich effizienter als bei Holz. rennstoff ρ Heizwert rennwert kg/m 3 i.n. MJ/m 3 i. N. MJ/kg MJ/m 3 i. N. MJ/kg 0,090 10,8 10 1,8 14 1,5 1,6 10,1 1,6 10,1 0,718 35,9 50,0 39,8 55,4,01 93, 46,4 101, 50,3 Wasserstoff Kohlenmonoxid Methan Propan Erdgas Erdgas H Kokereigas ichtgas iogas Heizöl E Heizöl S Diesel enzin Methanol Äthanol raphit Steinkohle Koks Petrolkoks Rohbrankohle rankohlenstab Hölzer (trocken 0,83 0,79 0,51 1,5 1,35 0,9 0, ,8 37,4 17,5 3,3 3, J/m 3 i. N. 36,3 39,0 35,9 31,3 16, 1,6 65,6 38,6 8,7 1,6 10, ,3 47,3 34,3,4, ,7 41,0 4,7 4,9 19,9 6,8 33,8 9,7 8,7 30,9 8, , 41,3 19,7 3,3 3, ,4 5,3 38,6,5, ,4 43,3 45,4 46,5,7 9,7 33,8 31,7 8,9 10,5 18 Tabelle 31: Anhaltswerte für Heiz nd rennwerte (Aktelle Daten siehe ndesministerim für Wirtschaft: Je höher der Heizwert von rennstoffen ist, desto höher ist ach deren ftbedarf. In ild 3 sind für verschiedene brennbare Stoffe der ftbedarf nd der Heizwert eingezeichnet. Man erkennt, dass ein nahez linearer Zsammenhang besteht. Znehmend werden rennstoffe eingesetzt, die as Abfall nd Reststoffen hergestellt werden. Deren Zsammensetzng ist

3 37 oftmals nicht gena bekannt. Ist jedoch der Heizwert bekannt, kann der ftbedarf in gter Näherng as ild 3 ermittelt werden. 0 Propan Stöchiometrischer ftbedarf Hochofengas CO iogas Methanol Deponiegas Holz Textilien Zeitngen Äthanol rankohlenstab mmi. eder Erdgas Kokereigas Kohlenstoff Anthrazit Atoreifen Steinkohle Koks Knststoff Heizöl S Erdgas H enzin Heizöl E enzol 0,33 [kg /MJ] h Heizwert h in MJ/kg ild 3: Zsammenhang zwischen Heizwert nd ftbedarf ei Heizwerten wird die Einheit der Energie oftmals anstatt in kj in kwh oder bei älteren Qellen in kcal angegeben. Für Angaben von globalen Energieverbrächen sind noch die Steinkohleneinheit (SKE, die Rohöleinheit (RÖE nd die Erdgaseinheit gebrächlich. Die Umrechnng der verschiedenen Energieeinheiten ist der Tabelle 3 z entnehmen. kj kcal kwh kg SKE kg RÖE m 3 Erdgas 1 Kilojole (kj 0,388 0, , , , Kilocalorie (kcal 4,1868 0, , ,0001 0, Kilowattstnde (kwh ,13 0,086 0,113 1 kg Steinkohleneinheit ,14 0,7 0,93 (SKE 1 kg Rohöleinheit (RÖE ,63 1,48 1,319 1 m 3 Erdgas ,816 1,083 0,758 Tabelle 3: Umrechnngen für Energieeinheiten Die Rohbrennstoffe müssen, wie teilweise im vorherigen Kapitel krz beschrieben, nach der ewinnng as der Erde zr Ntzng afbereitet werden. Die Afbereitng kostet Energie. Zählt man die Energie für den Transport nd die Speicherng hinz, so ergibt sich die sogenannte ereitstellngsenergie. Diese ist für einige rennstoffe in Tabelle 33 zsammengestellt. Andere Qellen geben teilweise leicht abweichende Werte (+ 1 % des Anteils vom Heizwert an. Für Erdgas nd Erdöl benötigt man demnach etwa 10 bis 13 % nd für Steinkohlen 7 % des Heizwertes zr ereitstellng. ei Steinkohlen müssen allerdings

4 38 nach dem Verbrennngsprozess noch erhebliche Energiemengen zr Entschwefelng nd zr Entstabng afgebracht werden. Solche ereitstellngsenergien sind in den Heizwerten nicht enthalten. Diese sind notwendig zr Ermittlng des kmlierten Energieafwandes im Rahmen von Ökostdien, wie z.. für Abwasserrohrleitngen bei Jeschar et al nd 1996 sowie Specht et al gezeigt wrde. rennstoff ereitstellngsenergie in MJ/kg in % vom Heizwert Erdgas 4,6 13 Heizöl 4,7 11 Heizöl S 4,1 10 Steinkohle,1 7 Koks 6,0 1 rankohle 0,3 3 Strom ohne Verteilng Strom mit Verteilng 0.33 kwh el /kwh prim kwh el /kwh prim Tabelle 33: ereitstellngsenergie für fossile rennstoffe nach Mach 1997 nd Forschngsstelle für Energiewirtschaft, München

5 39 3. Verbrennngsgastemperatren 3..1 ezeichnngen Das as nach der Verbrennng wird als Verbrennngsgas nd die Temperatr entsprechend als Verbrennngstemperatr bezeichnet (ild 33. ei einer adiabaten Verbrennng werden die höchsten Temperatren erreicht. ei Temperatren oberhalb 1800 C mss berücksichtigt werden, dass as leichgewichtsgründen der Umsatz nicht als vollständig angesehen werden kann. Man nterscheidet dann zwischen der adiabaten Verbrennngstemperatr mit nd ohne Dissoziation von askomponenten. Diese Temperatren wrden früher ach als theoretische bzw. kalorische Verbrennngsgastemperatr bezeichnet. rennstoff ft M &, M & Adiabate rennkammer Verbrennngsgas M & Adiabate Verbrennngsgastemperatr ad rennstoff ft, M & Nicht adiabate rennkammer Q & v Verbrennngsgas M & Verbrennngsgastemperatr Ofen/Heizkessel Q & Abgas M & Abgastemperatr A rennstoff M & Q & v Abgas M & ft, Q & Abgastemperatr A (fester rennstoff Ofen/Heizkessel Q & Q & v Rachgas Reinigng Abgas ft ild 33: Verbrennngstemperatren

6 40 Das nach der vollständigen Ntzng in die Umgebng abgegebene as wird als Abgas nd die zgehörige Temperatr als Abgastemperatr bezeichnet. Die Verbrennng mit Wärmeabgabe kann entsprechend ild 3 in zwei hintereinander geschalteten Apparaten oder ach nr in einem Apparat drchgeführt werden. Enthält das as nach der Verbrennng Stab, wie z.. bei festen rennstoffen oder staberzegenden ütern, so wird es als Rachgas bezeichnet. Erst nach der Reinigng ist es ein Abgas. 3.. Adiabate Verbrennngstemperatr Die Verbrennng in einer adiabaten rennkammer ergibt die höchste Temperatr des ases. Diese adiabate Verbrennngsgastemperatr ad erhält man as der Energiebilanz m die rennkammer entsprechend ild 3. (h + c + c c + h. (33 p p p ad diss Energie wird mit dem Massenstrom des rennstoffs M & nd der Verbrennngslft M & zgeführt. Die mit dem rennstoff zgeführte Enthalpie c ist gegenüber dem Heizwert h vernachlässigbar. Asnahme sind lediglich heiße Schwachgase. Abgeführt wird die Enthalpie des Verbrennngsgasmassenstroms M & nd Dissoziationsenthalpie der nicht vollständig oxidierten askomponenten. Für die Dissoziationsenthalpie gilt oder h CO H O H diss CO x H xo x H M h CO M h x + + H M h + O M h, (34 H ρ h ρ CO CO H H O O H H h diss xco + x H + xo + xh ρ MCO ρ MH ρ MO ρ MH h ρ h ρ h, (35 wobei ρ die Dichte des ases nach l. (45 nd Reaktionen wie h die Dissoziationsenthalpien der i CO CO + 1 / O H O H + 1 / O H O OH + H O O + O H + H H sw. sind (Tabelle 6. In l. (33 bedeten noch c p nd c p die spez. Wärmekapazität des rennstoffs bzw. der ft nd cp die mittlere spezifische Wärmekapazität des ases nach der Verbrennng. Die spezifische Wärmekapazität ist temperatrabhängig. Daher mss entsprechend der Definition der Enthalpie bei der ilanzierng zwischen der ft nd astemperatr ein mittlerer Wert eingeführt werden

7 41 h p ( d c ( c. (36 p Für diesen gilt folglich c p T 1 cp( T dt T T (37 T wobei zweckmäßigerweise absolte Temperatren verwendet werden. Die Temperatrabhängigkeit der spezifischen Wärmekapazität einer askomponente kann nämlich sehr gt drch die Potenzfnktion c p ( T c ( T n T p 0 T (38 0 angenähert werden [Müller 1968]. Damit ergibt sich als Mittelwert einer askomponente c c p ( T ( T p 0 1 n + 1 ( T T n (39 T T 1 0 Die mittlere spezifische Wärmekapazität des asgemisches erhält man as der massenbezogenen Wichtng der spezifischen Wärmekapazität der einzelnen Komponenten c p 1 xi cpi x i ρi c ρ pi. (310 In Tabelle 34 sind die spezifischen Wärmekapazitäten mit den dazgehörigen Exponenten n nd die Dichten für die wichtigsten askomponenten afgeführt. ild 34 zeigt die Temperatrabhängigkeit der spezifischen Wärmekapazität des Verbrennngsgases für vier typische rennstoffe. Für die Massenströme gilt nd M & λ & (311 M + λ. (31 Mit diesen beiden leichngen ergibt sich as der Energiebilanz (33 für die adiabate Verbrennngstemperatr h h λ diss p ad +. (313 λ cp cp 1+ λ cp c

8 4 as c p n ρ M kj/(kgk kg/m 3 kg/kmol N 1,00 0,11 1,34 8,0 O 0,90 0,15 1,410 3,0 CO 0,84 0,30 1,939 44,0 H O 1,75 0,0 0,793 18,0 CO 1,00 0,1 1,34 8,0 H 14, 0,05 0,088,0 Tabelle 34: Spez. Wärmekapazität nd Dichte bei 73 K nd 1 bar Mittlere spezifische Wärmekapazität [kj/(kg K] 1,30 1,5 1,0 1,15 1,10 1,05 1,00 Erdgas Heizöl E Anthrazitkohle ichtgas λ 1,0 λ 1, 0, Verbrennngsgastemperatr [ C] ild 34: Mittlere spezifische Wärmekapazität des Verbrennngsgases In ild 35 wird die adiabate Verbrennngsgastemperatr nach l. (313 nd die zgehörigen Konzentrationen bei der Verbrennng von Erdgas mit einer af 800 C vorgewärmten ft gezeigt. Hieras ist ersichtlich, dass sich die maximale Temperatr nicht bei einer stöchiometrischen Verbrennng ( λ 1 sondern, bei einer nterstöchiometrischen Verbrennng mit etwa λ 0,9 ergibt. Die mgesetzte Enthalpie ist in diesem Fall zwar geringer als bei λ 1, der ftbedarf ist jedoch ebenfalls geringer. Die verschiedenen Komponenten erreichen bei nterschiedlichen ftzahlen ihre maximalen Konzentrationen.

9 43 Konzentration 1,E+00 1,E01 1,E0 H O CO CO N OH H O O H 1,E03 Adiabate Verbrennng Erdgas ft: 0,1% O ftvorwärmng: 800 C 1,E04 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1, 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 ftzahl λ Adiabate astemperatr [ C] ild 35: Temperatr nd Konzentration bei der adiabaten Verbrennng von Erdgas In ild 36 wird der Einflss der Dissoziation af die adiabate Verbrennngsgastemperatr beschrieben. ei dem obersten Temperatrverlaf ist die Dissoziation nicht berücksichtigt. Der maximale Wert ergibt sich in diesem Fall bei λ 1. ei der mittleren Krve ist die Dissoziation von CO nd H O berücksichtigt, bei der nteren Krve zsätzlich ach die von O nd H. As dem ild ist ersichtlich, dass die Dissoziation nr etwa oberhalb Temperatren von 1800 C einen Einflss asübt nd dass die Dissoziation von O nd H bis z Temperatren von etwa 300 C noch vernachlässigbar ist. Adiabate astemperatr [ C] CO, H O, H, CO, N erücksichtigte Abgaskomponenten: CO, H O, O, N CO, H O, O, N, CO, H CO, H O, O, N, CO, H, O, H, OH 000 Erdgas 1900 ft: 0,1 Vol% O ftvorwärmng: 800 C ,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1, 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 ftzahl λ ild 36: Vergleich der astemperatr mit nd ohne Dissoziation Ist die ft nr wenig vorgewärmt, so beträgt die Enthalpie der ft λ c p nr etwa 1 bis 3 % des Heizwertes. Dann kann näherngsweise

10 44 p ( + λ cp λ c 1 (314 gesetzt werden. Für die Verbrennngsgastemperatr folgt somit ad h (1 + λ c p h c diss p +. (315 Diese Temperatr ist demnach mso niedriger, je höher die ftzahl ist, nd mso höher, je höher die ftvorwärmng nd je höher der O ehalt der Verbrennngslft nd je niedriger damit der ftbedarf ist astemperatr [ C] ichtgas CO H lasflammkohle asflammenkohle Heizöl E Erdgas Antrazitkohle rankohle 1 1, 1,4 1,6 1,8 ftzahl λ ild 37: Adiabate Verbrennngstemperatr mit Dissoziation ild 37 zeigt die adiabate Flammentemperatr für typische rennstoffe. ei Heizöl ergibt sich nr eine geringfügig höhere Verbrennngsgastemperatr als bei Erdgas. Kohlen besitzen dagegen etwas niedrigere Verbrennngsgastemperatren. Schwachgase wie ichtgase ergeben nr niedrige Verbrennngsgastemperatren. Daher zünden nd verbrennen die ase relativ schlecht, weshalb in diesen Fällen die ft oft vorgewärmt wird. Kohlenmonoxid nd Wasserstoff ergeben vergleichsweise die höchsten Verbrennngstemperatren.

11 Temperatr [ C] ft 800 C 600 C 400 C 00 C C ,7 0,8 0,9 1 1,1 1, 1,3 1,4 ftzahl λ ild 38: Einflss der ftvorwärmng af die Verbrennngsgastemperatr Adiabate Verbrennng von Erdgas, λ 1,1 0,3 0,5 Temperatr [ C] H O CO 0, 0,15 0,1 Konzentration ,05 O CO H ,1 0,6 0,31 0,36 0,41 O Konzentration in der ft ild 39: Einflss der O Anreicherng Der Einflss der ftvorwärmng af die adiabate Verbrennngsgastemperatr ist in ild 38 wiederm am eispiel von Erdgas dargestellt. Je höher die Temperatr ist, desto geringer wird der Einflss der ftvorwärmng af die adiabate Verbrennngsgastemperatr, da größere Anteile dissoziieren. In ild 39 ist schließlich noch der Einflss der O Anreicherng der ft dargestellt. Drch relativ geringe Saerstoffanreicherngen lässt sich die adiabate Flammentemperatr bereits erheblich steigern.

12 Nichtadiabate Verbrennngsgas nd Abgastemperatr In realen rennkammern sind stets Wandverlste vorhanden. Da eine Verbrennng in der Regel mit ftzahlen größer 1,1 drchgeführt wird, ist die Temperatr so niedrig, dass die Dissoziation vernachlässigt werden kann. Die Energiebilanz latet dann M & h + c c + Q&, (316 p p V wobei Q V der Verlstwärmestrom ist. Mit der Näherng (314 ergibt sich für die Temperatr des Verbrennngsgases h Q& V + p λ c. (317 ibt das Verbrennngsgas den Ntzwärmestrom Q ab, so latet die Energiebilanz M & h + c c + Q& + Q& (30 p p wobei A dann die Abgastemperatr ist. Für diese erhält man hieras mit l. (314 h Q& Q& & V A M + pa λ c A V. (31 Die Höhe der Abgastemperatr hängt also von der Wärmeabgabe nd damit Art des Prozesses ab.

13 rennstoffbedarf Feerngstechnischer Wirkngsgrad Als rennstoffbedarf für den benötigten Wärmestrom Q ergibt sich as der Energiebilanz (30 des drchzführenden Prozesses & V h. (3 M 1 Q& + Q& λ cpa ( A / h Zm Vergleich von Prozessen wird der af den Prodktstrom M Energiebedarf verwendet bezogene spezifische h 1 h + Q& V λ cpa ( A /h (33 wobei h die spezifische Enthalpieänderng des Prodktes entsprechend Q & M & h (34 ist. Zr erteilng von Feerngsanlagen wird der feerngstechnische Wirkngsgrad Q& + Q& & V η f (35 M h eingeführt, der das Verhältnis der abgegebenen Wärme zr eingesetzten rennstoffenergie angibt. Mit l. (3 erhält man η λ c ( pa A f 1. (36 h Dieser Wirkngsgrad ist in ild 310 für die beiden rennstoffe Erdgas nd Heizöl dargestellt. Man erkennt, dass der Wirkngsgrad mso höher ist, je niedriger die Abgastemperatr ist nd je mehr sich die ftzahl dem stöchiometrischen Wert eins annähert. ei gleicher Abgastemperatr nd ftzahl hat Heizöl zwar einen etwas höheren feerngstechnischen Wirkngsgrad, in praxi müssen jedoch af rnd des Säretapnktes bei Heizölfeerngen höhere Abgastemperatren eingehalten werden als bei Erdgasfeerngen. Zr erteilng der Isolierng einer Anlage wird der Apparatewirkngsgrad Q& η a Q& + Q& (318 v

14 48 eingeführt, der den benötigten (gentzten Wärmestrom in Relation zr gesamten Wärmeerzegng setzt. Zr erteilng des Anteils der gentzten Wärme zm afgewendeten rennstoff wird der esamtwirkngsgrad Q& η ges (37 M & h eingeführt. Mit l. (318 folgt dann für den esamtwirkngsgrad η ges η η. (38 f a Dieser ist also kleiner als der feerngstechnische Wirkngsgrad. Feerngstechischer Wirkngsgrad 1 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 0,9 0,91 0,9 Erdgas Heizöl E λ 1 λ 1, λ 1,5 λ Temperatrdifferenz zwischen Abgas nd Verbrennngslft [K] ild 310: Feerngstechnischer Wirkngsgrad 3.3. Wärmerückgewinnng as dem Abgas ei vielen Prozessen der Hochtemperatrtechnik verlassen die Verbrennngsgase den Ofen mit Temperatren weit oberhalb von 00 C. In ild 311 ist deshalb der feerngstechnische Wirkngsgrad bis Astrittstemperatren von 1000 C dargestellt. Man erkennt, dass die Wirkngsgrade bis af etwa 40 % absinken.

15 49 1 Feerngstechischer Wirkngsgrad 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Erdgas λ 1 λ 1, λ 1,5 λ 0, Temperatrdifferenz zwischen Abgas nd Verbrennngslft [K] ild 311: Feerngstechnischer Wirkngsgrad für Erdgas Zr Senkng des spezifischen Energieverbraches bietet sich eine Wärmerückgewinnng as dem heißen as an, indem die Umgebngslft mit der Temperatr in einem Rekperator af die Temperatr V vorgewärmt wird, wie in ild 31 prinzipiell dargestellt ist. ezeichnet man den rennstoffstrom mit nd ohne Wärmerückgewinnng mit M bzw. M o, so lässt sich als Energieeinsparngsgrad E 1 0 h h (39 definieren. rennstoff Q.. Q Ofenabgas Umgebngslft Abgas A., M OA Vorgewärmte ft V., M ild 31: Feerngsanlage mit Wärmerückgewinngng as dem Abgas Mit dem rennstoffverbrach nach leichng (3 erhält man daras λ cpao ( AO λ c ( h E 1 (330 h pa A

16 50 wobei A die Abgastemperatr hinter dem Rekperator nd AO die Abgastemperatr des Ofens ist. Diese Temperatr wäre die Abgastemperatr ohne Wärmerückgewinnng. Die Höhe der ftvorwärmng nd damit die Temperatrabsenkng des Abgases hängt von der üte des Rekperators ab. Für dessen eschreibng wird der Wirkngsgrad η R c c p p ( V ( AO c c pa p ( AO A ( AO (331 definiert, der die Enthalpieafnahme der ft bezogen af deren maximale Enthalpieafnahme (Erwärmng af AO ist. Damit ergibt sich as leichng (330 E 1 h h λ c ( λ c ( pa AO pa AO 1 η R λ c p λ c pa. (33 nd mit dem feerngstechnischen Wirkngsgrad entsprechend leichng (36 E 1 1 ( 1 η f ηf 1 η R λ c p λ c pa. (333 Dieser Energieeinsparngsgrad ist in ild 313 dargestellt. Hieras ist ersichtlich, dass sich insbesondere bei niedrigen feerngstechnischen Wirkngsgraden drch die Wärmerückgewinnng viel Energie einsparen lässt. ei einem feerngstechnischen Wirkngsgrad von beispielsweise 0,5 nd einem Rekperatorwirkngsgrad von ebenfalls nr 0,5 ergibt sich eine relative Energieeinsparng von etwa 35 %. Rel. Energieeinsparng E [] 1 0,8 0,6 0,4 0, 0 0 0, 0,4 0,6 0,8 1 η f 0,1 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Wirkngsgrad des Rekperators η R ild 313: Relative Energieeinsparng drch ftvorwärmng

17 51 Der Energieeinsparng stehen allerdings die Investitionskosten des Rekperators gegenüber. Diese sind bis z ftvorwärmtemperatren von etwa 600 C noch relativ gering, da sie dann as Stahl gebat werden können. ässt das Verbrennngsgas eine wesentlich höhere Vorwärmng der ft z, so werden hierz in der Regel Regeneratoren as keramischen Materialien eingesetzt. Es ist z beachten, dass eine ftvorwärmng problematisch werden kann bei Abgasen, die einen hohen Stabanteil oder flüssige Metalloxide (Anbackngen an den Wänden oder korrosiv wirkende Sprengase enthalten Wärmerückgewinnng drch rennstoffvorwärmng ei heizwertarmen rennstoffen kann eine Wärmerückgewinnng as dem Abgas wirtschaftlich sein, bei der nicht nr die Verbrennngslft, sondern ach der rennstoff vorgewärmt wird. In ild 314 ist die Anordnng der Rekperatoren nd der Temperatrverlaf schematisch dargestellt. Hierbei wird vom Abgas der Ofenanlage zerst die ft af die Temperatr V nd dann der rennstoff af die Temperatr V vorgewärmt. Das Verbrennngsgas kühlt sich im ersten Rekperator af die Temperatr A nd dann af die endgültige Abgastemperatr A ab. Für den Wirkngsgrad des ftrekperators gilt entsprechend l. (331 η R c c p p ( V ( AO c c pa p ( AO A ( AO (334 nd analog für den rennstoffrekperator η R c c ( V ( A cpa c ( A A ( A. (335 Q. Ofenabgas AO Umgebngslft Rekperator. Vorgewärmte ft V, M Vorgewärmter rennstoff A V., M rennstoff Rekperator Abgas. M g, A AO V Abgas ft A V Abgas ild 314: Prinzip der ft nd rennvorwärmng rennstoff A Strömngslänge

18 5 Ersetzt man in l. (330 für die Energieeinsparng die Temperatr A drch l. (335 nd die Temperatr A drch l. (334 so folgt mit dem feerngstechnischen Wirkngsgrad nach l. (36 für A AO mit ηf 1 (336 * 1 (1 η (1 η (1 η E * f R R λ c * p η R ηr (337 (1 + λ cpa nd c * η R ηr. (338 (1 + λ cpa Die Energieeinsparng ist in ild 315 in Abhängigkeit vom ftbedarf dargestellt, nd zwar beispielhaft für λ 1,1 nd c p / c pa 0,9 sowie c / c pa 0,9. Ebenfalls eingetragen ist die Energieeinsparng E nr bei ftvorwärmng ( η R 0. As dem Vergleich der Verläfe ist ersichtlich, dass eine rennstoffvorwärmng nr bei rennstoffen mit einem ftbedarf kleiner als < 3 z einer nennenswerten Energieeinsparng beiträgt. Solch ein niedriger ftbedarf ist nr bei heizwertarmen rennstoffen gegeben. 1 Rel. Energieeinsparng E 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0,1 0 η R 0,8 η R 0,8 η R 0,8 η R 0 λ 1, ftbedarf η f 0,4 0,6 0,8 ild 315: Relative Energieeinsparng drch ft nd rennstoffvorwärmng O Anreicherng der ft Eine weitere Möglichkeit zr Senkng des spezifischen Energieverbraches besteht in der Saerstoffanreicherng der Verbrennngslft, wie schematisch in ild 316 dargestellt ist. Die ft as der Umgebng wird mit reinem Saerstoff vermischt, so dass die

19 53 Verbrennngslft eine O Konzentration x O > 0,1 oder x O > 0,3 besitzt. Nach den leichngen (4 bzw. (5 sinkt dadrch der ftbedarf nd folglich ach der Abgasstrom, wodrch die Abgasverlste vermindert werden. rennstoff Umgebngslft x Saerstoff O Verbrennngslft x O Q. Abgas ild 316: Senkng des spezifischen Energieverbraches drch Saerstoffanreicherng der Verbrennngslft As leichng (3 erhält man mit leichng (5 für den rennstoffbedarf Q& h. (339 λ O 1 1+ cpa ( A / h x O Definiert man die relative Energieeinsparng wiederm z h E 1, (340 h 0 wobei M o h der af die O Konzentration der Umgebngslft x O U 0,3 bezogene rennstoffbedarf ist, so folgt as den obigen beiden leichngen λ O h 1+ cpa ( A x O U E 1. (341 λ O h 1+ cpa ( A x O In ild 317 ist diese relative rennstoffeinsparng in Abhängigkeit von der O Anreicherng der ft beispielhaft für Erdgas dargestellt. Man erkennt, dass die rennstoffeinsparng mso höher ist, je höher die Abgastemperatr ist nd je stärker die ftzahl von eins abweicht. As der Darstellng ist insbesondere ersichtlich, dass schon geringe Saerstoffanreicherngen asreichen, m relativ hohe rennstoffeinsparngen z erreichen, nd dass eine weitere Anreicherng die rennstoffeinsparng nr noch geringfügig erhöht.

20 54 Rel. rennstoffeinsparng E 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0,1 Erdgas λ 1,1 λ 1,3 Abgastemperatr 1600 C 1400 C 100 C 1000 C 800 C 600 C 400 C 0,0 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Saerstoffgehalt in der angereicherten ft [m 3 O/m 3 ft] ild 317: Einflss des Saerstoffgehalts der Verbrennngslft af die relative rennstoffeinsparng Den eingesparten rennstoffkosten stehen jedoch die Saerstoffkosten gegenüber. Zr wirtschaftlichen erteilng der O Anreicherng werden daher die jeweiligen Kosten miteinander verglichen. eim etrieb ohne O Anreicherng ergeben sich die Kosten z K 0 M 0 k &, (34 wobei M o der dann benötigte rennstoffstrom nd k der Preis des rennstoffs ist. eim etrieb mit O Anreicherng fallen die Kosten K M & k + k (343 O O an, wobei M O der eingesetzte O Massenstrom nd k O der Preis des Saerstoffs ist. Die Investitionskosten für die Installation der O Anreicherng sind vergleichsweise gering nd können im Saerstoffpreis berücksichtigt werden. Die Höhe des O Stromes hängt von der O Anreicherng gemäß O O xo x λ x 1 x O O U O U (344 ab. Definiert man eine Kosteneinsparng analog zr rennstoffeinsparng E K K 1, (345 K 0 so folgt mit den leichngen (340 bis (344

21 55 λ O x O O U O EK E (1 E xo 1 xo U k x k. (346 1 Abgastemperatr Rel. Kosteneinsparng E K 0,75 0,5 0, C 1400 C 100 C 1000 C 800 C 600 C 400 C Erdgas λ 1,3 0,5 0 0,05 0,1 0,15 0, 0,5 0,3 0,35 0,4 Preisverhältnis Saerstoff/rennstoff ild 318: Relative Kosteneinsparng für reinen Saerstoffbetrieb Diese leichng zeigt, dass die Kosteneinsparng nicht von den Einzelpreisen, sondern nr vom Preisverhältnis abhängt. Wegen k O > 0 ist die Kosteneinsparng stets kleiner als die Energieeinsparng. Nr im Idealfall k O 0 werden beide gleich groß. In ild 318 ist die relative Kosteneinsparng in Abhängigkeit vom Preisverhältnis mit der Abgastemperatr als Parameter dargestellt, nd zwar beispielhaft für Erdgas bei maximaler O Anreicherng (x O 1. Die Kosteneinsparng nimmt linear mit steigendem Preisverhältnis ab. Unterhalb der inie E K 0 führt die O Anreicherng z einer Erhöhng der Kosten. Zr Zeit liegt das Preisverhältnis Saerstoff z rennstoff ngefähr im ereich 0,. Demnach erhält man eine Kosteneinsparng erst bei Prozessen mit Abgastemperatren oberhalb etwa 700 C. Das maximale Preisverhältnis, bis z dem eine O Anreicherng noch wirtschaftlich ist, ergibt sich as den leichngen (341 nd (346 mit E K 0 z k k O max c pa h 1 1 xo U λ O 1 ( A xo U. (347 Dieses Preisverhältnis hängt demnach nr von der Abgastemperatr, dem rennstoff nd der ftzahl ab, dagegen nicht von der Höhe der O Anreicherng. In ild 319 ist dieses maximale Preisverhältnis in Abhängigkeit von der Abgastemperatr für verschiedene rennstoffe bei einer ftzahl von 1,3 gezeigt.

22 56 0,8 0,7 ftzahl λ 1,3 Anthrazitkohle renzpreisverhältnis [] 0,6 0,5 0,4 0,3 0, Erdgas Heizöl E 0, Abgastemperatr [ C] ild 319: renzpreisverhältnis bei Saerstoffanreicherng ei den derzeitigen Preisen lohnt sich eine O Anreicherng zr Energieeinsparng in der Regel nicht. Eine Wärmerückgewinnng as dem Abgas wird wirtschaftlicher sein. Eine O Anreicherng kann jedoch as anderen ründen wirtschaftlich werden, beispielsweise wenn dadrch bei einer bestehenden Anlage eine Prodktionssteigerng erreicht werden kann oder wenn bei sehr schmtzigen Abgasen, wie as der Abfallverbrennng, zsätzliche Kosten bei der Abgasreinigng eingespart werden können.

23 Hashaltsfeerngen Hashaltsfeerngen sind drch sehr niedrige Prozesstemperatren gekennzeichnet, die drch die Rücklaftemperatr des Heizwasserkreislafes gegeben sind. Zr Senkng des Energieverbraches der privaten Hashalte können der feerngstechnische Wirkngsgrad erhöht werden nd der rennwert gentzt werden Feerngstechnischer Wirkngsgrad Zr Energieeinsparng in den privaten Hashalten ist ab dem Jahre 1998 ernet ein höherer Wert für den feerngstechnischen Wirkngsgrad der Heizngsanlagen vorgeschrieben (Tabelle 35. Je nach röße der Anlage müssen die Wirkngsgrade oberhalb 89 bis 91 % liegen. ei Altanlagen wird die ft in der Regel drch die Injektorwirkng des astretenden rennstoffs angesagt. Dadrch ergeben sich ftzahlen in der rößenordnng von drei, so dass entsprechend ild 310 der geforderte Wirkngsgrad nicht eingehalten werden kann. Moderne Anlagen haben daher eine geregelte ftzfhr, m möglichst niedrige ftzahlen, in der Regel m 1,1, einzstellen. Mit einer zsätzlich leicht abgesenkten Abgastemperatr erreichen moderne (konventionelle Heizanlagen feerngstechnische Wirkngsgrade m 94 %. Af die sich hierbei eventell ergebende Kondensatproblematik an den Schornsteinwänden af rnd des höheren Wasserdampfanteils nd damit der höheren Tapnkttemperatr wird hier nicht weiter eingegangen. Nennwärmeleistng bis 1983 ab 1983 ab 1988 ab 1998 in kw > Tabelle 35: renzwerte in % für Abgasverlste bei Öl nd asfeerngsanlagen nach ajahr 3.4. rennwertntzng In der Heizngstechnik kann af rnd des niedrigen Temperatrniveas der Prozesswärme rennstoffenergie drch rennwertntzng eingespart werden. Hierbei wird ein Teil der Kondensationsenthalpie des Wasserdampfes im Abgas gentzt. Die Fechte des Abgases wrde bereits mit ild 10 erlätert. Die Tapnkttemperatr des Abgases ist in ild 11 dargestellt. Danach mss das Abgas bei Erdgas nter 60 C nd bei Heizöl sogar nter 50 C abgekühlt werden, bevor der Dampf kondensiert. Da Erdgas zdem noch den höheren Anteil an Wasserdampf besitzt, hat dieser rennstoff den überwiegenden Marktanteil bei der rennwertntzng. Je mehr das Abgas abgekühlt wird, desto mehr kondensiert folglich. Zr erteilng der rennwertntzng wird der Kondensationsgrad η x ( A ( H O Kon 1 (348 x H O t

24 58 eingeführt, wobei x H O( A die Sättigngsfechte des Abgases der Temperatr A nd x H O( t die Sättigngsfechte entsprechend ild 10 bei der Tapnkttemperatr ist. Diese Fechte ist die des Verbrennngsgases. Mit leichng (5 ergibt sich hieras η p ( A ( p p ( t ( H O gl gl 1 (349 pgl t p ph O A mit den leichgewichtsdampfdrck des p gl nach l. (6 p gl h Kon 1 1 ( p 0 exp. (350 R H O T T 0 In ild 30 ist der Kondensationsgrad in Abhängigkeit von der Abgastemperatr bei verschiedenen ftzahlen für Erdgas nd Heizöl dargestellt. Je niedriger die ftzahl ist, desto mehr kondensiert. 1 0,9 Kondensationsgrad ηkon 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0,1 0 Heizöl E 1,1 1, 1, Abgastemperatr [ C] λ Erdgas 1,1 1, 1,3 ild 30: Kondensationsgrad rennwertntzng Die Energieeinsparng beträgt E H h 0 η Kon, (351 h wobei H o der rennwert ist. Der Unterschied zm Heizwert ist bei Erdgas im Vergleich z den anderen fossilen rennstoffen am höchsten nd beträgt entsprechend Tabelle 31 10,5 %. ei einer maximalen Heiztemperatr von 40 C mit einer Rücklaftemperatr des Heizngswassers von 30 C ist eine Abkühlng des Abgases bis etwa 40 C möglich. Nach ild 30 beträgt dann die rennwertntzng 60 %. Der feerngstechnische Wirkngsgrad beträgt bei dieser Abgastemperatr gemäß ild %. Der gesamte feerngstechnische Wirkngsgrad bei rennwertntzng kann somit maximale Werte von 105 % (bezogen af den Heizwert erreichen. egenüber modernen konventionellen Heizngen mit

25 59 feerngstechnischen Wirkngsgraden bis z 94 % ist somit eine Energieeinsparng von rnd 11 % möglich. Diese Einsparng besteht somit z 6 % as der rennwertntzng nd z 5 % as der Senkng der Abgasverlste. Der feerngstechnische Wirkngsgrad ist traditionell af den Heizwert bezogen, weshalb sich in der rennwerttechnik Wirkngsgrade größer als eins eingebürgert haben. ildet man thermodynamisch korrekter diesen Wirkngsgrad mit dem rennwert, so ergibt sich der in ild 31 gezeigte Verlaf für die beiden rennstoffe Erdgas nd Heizöl. Anhand dieser Darstellng lässt sich die Erhöhng des Wirkngsgrades drch eine Absenkng der Abgastemperatr direkt ablesen. eispielsweise erhält man bei einer Erdgasfeerng mit einer ftzahl von 1, drch eine Absenkng der Abgastemperatr von 10 C af 40 C eine Steigerng des Wirkngsgrades von 84 % af 94 %. Man erkennt, wie wichtig bei der rennwertntzng besonders niedrige Abgastemperatren nd damit niedrige Heizngstemperatren sind. 1,00 0,98 0,96 0,94 Wirkngsgrad 0,9 0,90 0,88 0,86 0,84 0,8 Erdgas λ 1,0 1, 1,5 1,0 1, 1,5 Heizöl E 0, Abgastemperatr [ C] ild 31: Wirkngsgrad von Feerngsanlagen mit dem rennwert als ezgsgröße Den eingesparten rennstoffkosten stehen wiederm höhere Investitionskosten gegenüber, da die rennwertkessel technisch afwendiger sind nd af rnd der geringeren Heiztemperatren größere Heizflächen benötigt werden. ei bisher errichteten Häsern ist die Heizanlage af höhere Vor nd Rücklaftemperatren des Wasserkreislafes als 40 bzw. 30 C asgelegt. ei älteren Anlagen betragen die Vor nd Rücklaftemperatren bis z 70 bis 50 C. ei Ersatz dieser Heizng drch eine rennwertheizng ist die Kondensationswärme folglich geringer als die oben angegebenen 6 %, was die Wirtschaftlichkeit verschlechtert. Dagegen kann bei Nebaten das Heizngssystem af die niedrigen Wassertemperatren ohne wesentlichen Zsatzkosten asgelegt werden, wobei eine Fßbodenheizng sehr geeignet ist. Da das Abgas einen Sättigngszstand besitzt, tritt an der Wand des Schornsteins Kondensation af. Die Wand mss folglich särebeständig asgelegt sein. Daher werden als Schornstein meist Rohre as Edelstahl oder speziellen Knststoffen verwendet. Wird eine konventionelle Heizng drch eine rennwertheizng ersetzt, mss ach der Schornstein

26 60 saniert werden. Soweit möglich, wird in diesen ein särebeständiges Rohr eingezogen. Da der Abgasstrom bei einer neen Anlage geringer ist, reicht ein kleinerer Qerschnitt as. ei rennwertheizngen bietet sich eine Installation af dem Dach an, wodrch die Kosten für den Schornstein eingespart werden. 3.5 Verbrennng von Metallen Nicht nr fossile rennstoffe sondern ach eine Vielzahl weiterer Stoffe können oxidiert nd damit verbrannt werden. Die meisten dieser Stoffe kommen jedoch nicht natürlich vor nd sind folglich relativ teer. Daher bleibt deren Oxidation af Spezialfälle beschränkt. In diesem Abschnitt wird als eispiel die Verbrennng von einigen Metallen behandelt. In Form von Stab können diese sehr gt reagieren nd verbrennen. In ild 3 sind die Massenströme bei einer adiabaten Verbrennng dargestellt. Als Verbrennngsprodkt ergibt sich ein Metalloxid, das af rnd der sehr hohen Verbrennngstemperatr flüssig vorliegt, nd ein as, das as Stickstoff nd gegebenenfalls für ftzahlen größer als eins as Überschsssaerstoff besteht. Für die Massenströme gilt M Met, h M Oxid, Schm, h ad M, M g, ad ild 3: Massenströme bei der Metallverbrennng nd x M & M & (35 Ox Met O ( 1 xo λ x + λ, (353 Met N Met wobei x N nd x O die Massenkonzentrationen von Stickstoff nd Saerstoff in der ft sind. Der Saerstoff nd ftbedarf berechnet sich nach den in Abschnitt angegebenen ln. (3 nd (5. In der Tabelle 36 sind diese beiden Werte für die Verbrennng der vier Metalle Chrom, Alminim, Magnesim nd Eisen afgeführt. Drch Vergleich mit den Tabellen 3 nd 5 ist ersichtlich, dass Metalle einen sehr geringen ftbedarf haben. Metall Oxid O h M Met Schm c ( λ 1 hschm ad kgo kg Met kg kg ft Met MJ kg Met kg kmol C kj kg Oxid kj kg Cr Cr O 3 0,46,0 11, , Al Al O 3 0,89 3,9 31, ,3 478 Mg MgO 0,67,9 5, , Fe Fe 3 O 4 0,38 1,7 6, , Oxid K C Tabelle 36: Zr erechnng der Verbrennng von Metallen

27 61 Als Energiebilanz gilt Met Ox ( cox ad + hschm + cp ad h + c. (354 Mit dem Metall wird Reaktionsenthalpie zgeführt. Die mit der ft zgeführte Enthalpie ist vernachlässigbar. Mit dem Metalloxid wird ach Schmelzenthalpie abgeführt. Die spezifische Wärmekapazität c Ox der Metalloxide ist in ild 33 dargestellt. Die mittlere spezifische Wärmekapazität des ases wird mit l. (310 berechnet. Mit den ln. (35 nd (353 folgt für die Verbrennngstemperatr ad h xo h Schm xo cox + ( λ xo c. (355,0 spezifische Wärmekapazität [kj/kg K] 1,8 1,6 1,4 1, 1,0 0,8 Fe 3 O 4 MgO Al O 3 CrO3 0, Temperatr [K] ild 33: Spezifische Wärmekapazität der Metalloxide Diese Temperatr ist für eine stöchiometrische Verbrennng ( λ 1 in Tabelle 36 mit den zgehörigen Enthalpieen afgeführt. Man erkennt, dass die Verbrennngstemperatr nicht nr viel höher als die Schmelzemperatr sondern ach sehr viel höher als die Verbrennngstemperatr der fossilen rennstoffe ist. Die Verbrennngstemperatr ist trotz der gegenüber den fossilen rennstoffen relativ niedrigen Reaktionsenthalpie so hoch, da der Saerstoffbedarf so gering ist. Af rnd ihrer hoher Temperatr lechten die Metalloxide sehr hell. Daher werden diese bei Feerwerken eingesetzt.