Verbrennung
Die bei der Verbrennung freigesetzte Wärme ist die primäre Wärmequelle für die meisten Kessel. Einige Kessel erhitzen Wasser auf alternative Weise, wie z.B. Elektrokessel, jedoch sind diese weniger verbreitet als fossil befeuerte Kessel.
Der Verbrennungsprozess umfasst die Oxidation der Wasserstoffatome eines Brennstoffs zur Freisetzung von Wärme. Da fossil befeuerte Kessel und Dampf direkt miteinander verbunden sind, ist ein Verständnis des Verbrennungsprozesses notwendig, um die Dampferzeugung besser zu verstehen. Dieses Kapitel behandelt den Verbrennungsprozess und seine Bedeutung für die Dampferzeugung.
Chemische Reaktion der Verbrennung
Verbrennung ist die schnelle Oxidation eines Brennstoffs, die zu einem Energietransfer in Form von Wärme und Licht führt. Für diese Lektion ist es notwendig, einige gängige chemische Elemente und ihre Symbole zu kennen.
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Chemisches Symbol |
Element oder Substanz |
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C |
Kohlenstoff |
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H |
Wasserstoff |
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CxHy |
Kohlenwasserstoffe |
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O |
Sauerstoff |
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CO2 |
Kohlendioxid |
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H2O |
Wasser |
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N2 |
Stickstoff |
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CO |
Kohlenmonoxid |
Tabelle der chemischen Symbole
Hinweis: Obwohl Sauerstoff das chemische Symbol 'O' hat, ist er am häufigsten in seiner molekularen Form 'O2' und wird oft so angegeben.
Brennstoffe basieren auf Kohlenwasserstoffen und werden durch die chemischen Symbole CxHy dargestellt; die Werte von x und y variieren je nach Brennstoff. Andere Substanzen können entstehen, wenn sich Elemente verbinden, wie wenn sich zwei Teile Wasserstoff (H) mit einem Teil Sauerstoff (O) verbinden, um Wasser (H2O) zu bilden.
Das untenstehende Bild zeigt die chemische Reaktion , die auftritt, wenn Brennstoff (CxHy) mit Sauerstoff (O) verbrannt wird. Die Reaktanten der chemischen Reaktion sind Brennstoff (Kohlenwasserstoffe) und Sauerstoff. Die Produkte der chemischen Reaktion sind Kohlendioxid (CO2), Wasser (H2O) und ΔH.
Das Symbol 'ΔH' (Delta H) ist die Reaktionswärme (auch bekannt als Reaktionsenthalpie). ΔH repräsentiert die Menge an Energie, die durch die chemische Reaktion freigesetzt/übertragen wird. ΔH variiert je nachdem, wie vollständig die Verbrennung ist.
Chemische Reaktion der Verbrennung
Anforderungen an die Verbrennung
Verbrennung kann nur stattfinden, wenn drei Faktoren vorhanden sind:
- Sauerstoff
- Wärme
- Brennstoff
Im Falle eines Kessels wird Sauerstoff durch Umgebungsluft bereitgestellt, die etwa 21% Sauerstoff enthält. Vorherrschende Kesselbrennstoffe sind Erdgas, Heizöl und Kohle. Wärme kann während der Zündung bereitgestellt werden, z.B. durch Erzeugen eines elektrischen Funkens, um das Luft/Brennstoff-Gemisch zu entzünden.
Ein Feuerdreieck (auch bekannt als Verbrennungsdreieck) zeigt die Anforderungen der Verbrennung an; ein Feuertetraeder (unten gezeigt) erfüllt einen ähnlichen Zweck.
Feuertetraeder
Die drei Verbrennungsfaktoren müssen auch im proportional korrekten Verhältnis bereitgestellt werden, andernfalls kann keine Verbrennung stattfinden. Zu viel Luft und zu wenig Brennstoff können die Verbrennung verhindern, ebenso wie zu viel Brennstoff und zu wenig Luft.
Perfekt, Vollständig und Unvollständig
Kesselverbrennung wird als perfekt, vollständig oder unvollständig bezeichnet.
- Perfekte Verbrennung – die exakte Menge an Luft wird bereitgestellt, um eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs zu erreichen. Perfekte Verbrennung ist nur unter Laborbedingungen erreichbar.
- Vollständige Verbrennung – die minimale Menge an Luft wird bereitgestellt, um eine vollständige Verbrennung zu erreichen. Kesselbetreiber sollten immer versuchen, vollständige Verbrennung zu erreichen.
- Unvollständige Verbrennung – zu wenig Luft wird bereitgestellt und es kommt zu unvollständiger Verbrennung.
Vollständige Verbrennung ist entscheidend, um eine Reduzierung der Kesseleffizienz und potenzielle Sicherheitsrisiken zu vermeiden. Wenn Brennstoff vollständig verbrennt, sind häufige Verbrennungsprodukte Kohlendioxid (CO2), Wasserdampf (H2O), Stickstoff (N2), Schwefeloxid (SOx) und Stickstoffoxid (NOx). Wenn der Brennstoff nicht vollständig verbrennt, können Verbrennungsprodukte Kohlenmonoxid (CO), Ruß und Rauch umfassen.
Kohlenmonoxid ist ein giftiges, brennbares Gas, das weniger dicht als Luft ist. Unvollständige Verbrennung kann zur Erzeugung von Kohlenmonoxid führen, was nicht erwünscht ist, da es ein Gesundheits- und Sicherheitsrisiko darstellt. Andere Nebenprodukte unvollständiger Verbrennung sind Ruß und Rauch, die beide den Wärmetransfer im Kessel reduzieren können, was zu einer insgesamt geringeren Effizienz führt.
Primär-, Sekundär- und Überschussluft
Die Menge der an einen Kessel zur Verbrennung gelieferten Luft variiert je nachdem, ob die Verbrennung vollständig oder unvollständig ist. Es ist möglich, die Verbrennungsgase zu messen, um festzustellen, ob die Verbrennung vollständig oder unvollständig war. Zu viel Sauerstoff in den Verbrennungsgasen weist darauf hin, dass zu viel Luft für die Verbrennung bereitgestellt wurde. Hohe Kohlenmonoxidwerte in den Verbrennungsgasen weisen darauf hin, dass zu wenig Luft bereitgestellt wurde und die Verbrennung unvollständig war.
Wenn Brennstoff während der Verbrennung unverbrannt bleibt, werden die Kohlenmonoxidwerte hoch sein, und es muss mehr Luft vom Kesselbrenner bereitgestellt werden, um vollständige Verbrennung zu erreichen. Wenn während der Verbrennung zu viel Luft bereitgestellt wird, werden die Sauerstoffwerte in den Verbrennungsgasen hoch sein, und die Menge der an den Kesselbrenner gelieferten Luft muss reduziert werden.
Die Gesamtluft, die dem Kessel zugeführt wird, wird weiter als primär, sekundär oder überschüssig kategorisiert.
- Primärluft – wird mit dem Brennstoff vor dem Erreichen des Verbrennungsraums gemischt. Primärluft steuert die Menge des verbrannten Brennstoffs.
- Sekundärluft – wird dem Verbrennungsraum während der Verbrennung hinzugefügt. Sekundärluft steuert, wie effizient der Brennstoff verbrannt wird.
- Überschussluft – ist Luft, die dem Verbrennungsprozess hinzugefügt wird, aber nicht für die Verbrennung benötigt wird. Überschussluft ist Sekundärluft, die nicht Teil des Verbrennungsprozesses war.
- Gesamtluft – die Summe der für den Verbrennungsprozess bereitgestellten Luft, d.h. Primärluft + Sekundärluft + Überschussluft = Gesamtluft.
Hinweis: Der Begriff Verdünnungsluft beschreibt die Luft, die dem Abgasrohr (Raum zwischen Kessel und Schornstein) hinzugefügt wird, um den Abgasfluss vom Kessel zur Atmosphäre zu unterstützen
Zusätzliche Ressourcen
https://en.wikipedia.org/wiki/Combustion
https://www.bbc.co.uk/bitesize/topics/zypsgk7/articles/zcwxcj6#
http://www.auburn.edu/academic/forestry_wildlife/fire/combustion.htm