Verbranding

Verbranding

De warmte die vrijkomt bij het verbrandingsproces is de voornaamste warmtebron voor de meeste ketels. Sommige ketels verwarmen water op andere manieren, zoals elektrische ketels, maar deze zijn minder gebruikelijk dan ketels die op fossiele brandstoffen werken.

Het verbrandingsproces omvat de verbranding van waterstofatomen in een brandstof om warmte vrij te maken. Aangezien fossiel gestookte ketels en stoom direct met elkaar verbonden zijn, is het essentieel om het verbrandingsproces te begrijpen om beter te begrijpen hoe stoom wordt gegenereerd. Dit hoofdstuk behandelt het verbrandingsproces en zijn relevantie voor stoomproductie.

Chemische Reactie van Verbranding

Verbranding is de snelle oxidatie van brandstof, wat resulteert in een energieoverdracht in de vorm van warmte en licht. Voor deze les is het noodzakelijk om enkele veelvoorkomende chemische elementen en hun symbolen te kennen.

Tabel Chemische Symbolen

Opmerking: Hoewel zuurstof het chemische symbool 'O' heeft, komt het meestal voor in zijn chemische samenstelling 'O2' en wordt het vaak als zodanig aangegeven.

Brandstoffen zijn gebaseerd op koolwaterstoffen en worden weergegeven door de chemische symbolen CxHy; de waarden van x en y variëren afhankelijk van de brandstof. Andere stoffen kunnen worden gevormd wanneer elementen samen binden, zoals wanneer twee delen waterstof (H) binden met één deel zuurstof (O) om water (H2O) te vormen.

De onderstaande afbeelding toont de chemische reactie die optreedt wanneer brandstof (CxHy) wordt verbrand met zuurstof (O). De reactanten van de chemische reactie zijn brandstof (koolwaterstoffen) en zuurstof. De producten van de chemische reactie zijn koolstofdioxide (CO2), water (H2O) en ΔH.

Het symbool 'ΔH' (delta H) is de reactiewarmte (ook bekend als enthalpie van reactie). ΔH vertegenwoordigt de hoeveelheid energie die vrijkomt/wordt overgedragen door de chemische reactie. ΔH varieert afhankelijk van hoe volledig de verbranding is.

Chemische Reactie van Verbranding

Vereisten voor Verbranding

Verbranding kan alleen plaatsvinden als drie factoren aanwezig zijn:

• Zuurstof
• Warmte
• Brandstof

In het geval van een ketel wordt zuurstof geleverd door omgevingslucht, die ongeveer 21% zuurstof bevat. De belangrijkste ketelbrandstoffen zijn aardgas, stookolie en steenkool. Warmte kan worden geleverd tijdens ontsteking, zoals bij het creëren van een elektrische boog om het lucht/brandstofmengsel te ontsteken.

Een branddriehoek (ook bekend als verbrandingsdriehoek) geeft de vereisten voor verbranding aan; een brandtetraëder (hieronder weergegeven) heeft een vergelijkbaar doel.

Brandtetraëder

De drie verbrandingsfactoren moeten ook op de juiste manier in verhouding worden geleverd, anders kan verbranding niet plaatsvinden. Te veel lucht en te weinig brandstof kunnen verbranding voorkomen, net als te veel brandstof en te weinig lucht.

Perfect, Compleet en Onvolledig

Ketelverbranding wordt aangeduid als perfect, compleet of onvolledig.

• Perfecte Verbranding – de exacte hoeveelheid lucht wordt geleverd om volledige verbranding van de brandstof te bereiken. Perfecte verbranding is alleen haalbaar onder laboratoriumomstandigheden.
• Volledige Verbranding – de minimale hoeveelheid lucht wordt geleverd om volledige verbranding te bereiken. Keteloperators moeten altijd proberen volledige verbranding te bereiken.
• Onvolledige Verbranding – er wordt te weinig lucht geleverd en onvolledige verbranding treedt op. 

Volledige verbranding is essentieel om een vermindering van de ketelefficiëntie en potentiële veiligheidsrisico's te voorkomen. Wanneer brandstof volledig verbrandt, zijn veelvoorkomende verbrandingsproducten koolstofdioxide (CO2), waterdamp (H2O), stikstof (N2), zwaveloxide (SOx) en stikstofoxide (NOx). Als brandstof niet volledig verbrandt, kunnen verbrandingsproducten koolstofmonoxide (CO), roet en rook omvatten.

Koolstofmonoxide is een giftig ontvlambaar gas dat minder dicht is dan lucht. Onvolledige verbranding kan leiden tot de vorming van koolstofmonoxide, wat niet gewenst is, omdat het een gezondheids- en veiligheidsrisico vormt. Andere bijproducten van onvolledige verbranding zijn roet en rook, die beide de warmteoverdracht binnen de ketel kunnen verminderen, wat leidt tot een algehele vermindering van de efficiëntie.

Primaire, Secundaire en Overtollige Lucht

De hoeveelheid lucht die aan een ketel voor verbranding wordt geleverd, varieert afhankelijk van of de verbranding compleet of onvolledig is. Het is mogelijk om de verbrandingsgassen te meten om te bepalen of de verbranding compleet of onvolledig was. Te veel zuurstof in de verbrandingsgassen geeft aan dat er te veel lucht voor verbranding is geleverd. Hoge niveaus van koolstofmonoxide in de verbrandingsgassen geven aan dat er te weinig lucht is geleverd en dat de verbranding onvolledig was.

Als brandstof onvolledig verbrandt tijdens verbranding, zullen de koolstofmonoxideniveaus hoog zijn en moet er meer lucht worden geleverd door de ketelbrander om volledige verbranding te bereiken. Als er te veel lucht wordt geleverd tijdens verbranding, zullen de zuurstofniveaus in de verbrandingsgassen hoog zijn en moet de hoeveelheid lucht die aan de ketelbrander wordt geleverd, worden verminderd.

De totale lucht die aan de ketel wordt geleverd, wordt verder gecategoriseerd als primair, secundair of overtollig.

• Primaire Lucht – wordt gemengd met de brandstof voordat deze de verbrandingsruimte bereikt. Primaire lucht regelt de hoeveelheid brandstof die wordt verbrand.
• Secundaire Lucht – wordt toegevoegd aan de verbrandingsruimte tijdens verbranding. Secundaire lucht regelt hoe efficiënt brandstof wordt verbrand.
• Overtollige Lucht – is lucht die aan het verbrandingsproces wordt toegevoegd en niet nodig was voor verbranding. Overtollige lucht is secundaire lucht die geen deel uitmaakte van het verbrandingsproces.
• Totale Lucht – de som van de lucht die voor het verbrandingsproces wordt geleverd, d.w.z. primaire lucht + secundaire lucht + overtollige lucht = totale lucht.

Opmerking: De term verdunde lucht beschrijft de lucht die aan de rookgasafvoer (ruimte tussen de ketel en de schoorsteen) wordt toegevoegd om de verbrandingsgassen van de ketel naar de atmosfeer te laten stromen

Gerelateerde Online Technische Cursussen

Basisprincipes van de Interne Verbrandingsmotor

Dieselmotor Grondbeginselen (Deel 1)

Dieselmotor Grondbeginselen (Deel 2)

Inleiding tot Stoom, Ketels en Thermodynamica

Hoe Kolen Gestookte Energiecentrales Werken

Hoe Gasturbines Werken (Verbrandingsturbines)

Aanvullende Bronnen

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