Die Verbrennungsrechnung lässt sich mit Hilfe von Reaktionsgleichungen ausführen, wobei die Elemente fester und flüssiger Brennstoffe durch die Elementaranalyse ermittelt und in Masseteilen angegeben werden. Bei der Verbrennung gasförmiger Brennstoffe wird von der Analyse der Einzelgase ausgegangen. Bezugsbasis ist die vollkommene Verbrennung. Zwischen der Elementaranalyse und dem Heizwert eines Brennstoffes besteht ein Zusammenhang, der sich für feste Brennstoffe beispielhaft wie folgt darstellt:

H_u =  34.800 C + 93.800 H + 10.460 S + 6.280 N - 10.800 O - 2.450 W in kJ/kg

Für flüssige Brennstoffe (z. B. Erdöl) gilt:

H_u =  35.150 C + 94.100 H + 10.460 (S – O) in kJ/kg

Die Faktoren vor den Brennstoffbestandteilen (in kg/kg) stellen dabei Koeffizienten dar, die ihren Anteil am Gesamtheizwert widerspiegeln. Die Summe der Bestandteile ist 1. Aus den Gleichungssystemen lässt sich der Sauerstoff- und daraus der Luftbedarf ermitteln. Weitere Zusammenhänge wurden zwischen dem Heizwert und dem Luftbedarf sowie der Rauchgasmenge gefunden, deren Genauigkeit von der Auswahl und der Anzahl der ausgewerteten Analysen abhängt. Die Zusammensetzung der Luft ist dabei sehr wichtig! Ein geringerer Sauerstoffanteil führt z. B. zu einer etwas größeren Verbrennungsluftmenge.

Mit den Angaben zur Luftmenge kann also die spezifische Rauchgaszusammensetzung und –menge berechnet werden. Ergänzend kann zudem noch die maximale bzw. adiabate Flammentemperatur (theoretische Verbrennungstemperatur) bestimmt werden, die bei einem angenommenen Feuerungswärmeverlust letztlich Rückschlüsse auf die reale Temperatur zulässt.

Während bei der Verbrennung von festen und flüssigen Brennstoffen zum Teil sehr aufwendige Rechnungen durchgeführt werden müssen, gestalten sich die Rechnungen für gasförmige Brennstoffe u. a. wegen des gleichen Aggregatzustandes des Brennstoffes und der Verbrennungsgase relativ einfach (Bild 2).

Die ausgewählten (festen) Biomassen lassen hinsichtlich ihrer chemisch-stofflichen Eigenschaften eine Reihe von Divergenzen erkennen. So schwankt der Heizwert zwischen 12.400 (Sägespäne) und 18.200 (Miscanthus) kJ/kg; der Wassergehalt zwischen 9,7 (Kokosnussschalen) und 33 (Sägespäne) Gew.-% und der Aschegehalt zwischen 0,34 (Sägespäne) und 5,68 (Stroh) Gew.-%. Halmgutbrennstoffe unterscheiden sich von Holzbrennstoffen aus verbrennungstechnischer Sicht vor allem durch höhere Aschegehalte. 

In den folgenden Bildern sind wichtige Verbrennungsgrößen über den Heizwert aufgetragen.

Bild 4: spezifisches feuchtes Rauchgasvolumen und Mindestluftmenge als Funktion des Heizwertes


Bild 5: Korrelation zwischen adiabater und realer Verbrennungstemperatur und Heizwert


Bild 6: Wassergehalt (roh) und Aschegehalt (wasserfrei) als Funktion des Heizwertes  

Die Kurven für das spezifische feuchte Rauchgasvolumen und die Mindestluftmenge können annähernd als geradlinige Funktion proportional dem Heizwert dargestellt werden (Bild 4). Mit zunehmender Feuchte wird zum einen die erforderliche Luftmenge vergrößert und zum anderen der Wasserdampfgehalt im Rauchgas erhöht.

Die Verbrennungstemperatur ist eine zentrale Bestimmungsgröße für die Oxidationsmechanismen und damit für die Schadstoffbildung, aber auch für die Materialbeanspruchung und den Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses. Bei der Darstellung der Verbrennungstemperatur (Bild 5) sieht man, dass die Streuung wesentlich größer ist. Sie ist nicht nur abhängig vom Heizwert sondern auch von der Wärmekapazität sowohl der Ausgangsstoffe als auch der Endprodukte der Verbrennungsreaktion. Unbeteiligte, aber anwesende Stoffe sollten dabei unbedingt mit berücksichtigt werden. Meist ist eine adiabate Betrachtung ungeeignet, da diese die Reaktionsgeschwindigkeit (sie gibt an, wie viele Teilchen pro Zeit in einer chemischen Reaktion umgesetzt werden) unberücksichtig lässt. Diese Geschwindigkeit hängt aber von vielen Faktoren, wie z. B. der Konzentration, ab. Die Abweichungen zwischen adiabater und möglicher (realer) Verbrennungstemperatur betragen 165 K (bei Altholz bzw. Restholzabfälle) bis 200 K (bei Holzabfälle aus Möbelproduktion bzw. Tischlereiabfälle).

Der Wassergehalt (grobe und hygroskopische Feuchtigkeit) hat einen entscheidenden Einfluss auf den Verbrennungsvorgang. Hohe Feuchtigkeit führt zu einem Heizwertverlust, setzt die Verbrennungstemperatur herab, erhöht den Abgasvolumenstrom und begünstigt einen unvollständigen Ausbrand. Dieser ist u. a. von der Feuerungstechnik (Feuerraumgestaltung, Verbrennungs- und Luftstufung, Regelungstechnik, Anlagendimensionierung), der Feuerungseinstellung (Brennstoffzufuhr, Luftverteilung, Luftmenge), dem Lastzustand (Teillast, Mittellast, Nennlast) und der Brennstoffbeschaffenheit (Stückigkeit, Feuchte, Ascheschmelzverhalten) abhängig. Da wasserfreie Biomasse in der Natur praktisch nicht vorkommt, müssen während der Verbrennung mehr oder weniger große Mengen an Feuchtigkeit verdampfen.

Die Aschegehalte, durchaus emissionsrelevant, unterscheiden sich voneinander (siehe Tabelle 1). Bei Stroh oder Ganzpflanzen liegt dieser bei rund 3 - 6 Gew.-%, während Holz nur um ca. 1 Gew.-% Asche enthält. Der Schadstoffgehalt der Aschen hängt außer von der Art und Schwermetallbelastung des Brennstoffes auch von der Feuerungstechnik und den Feuerungsbedingungen ab.

Trotz einer gewissen Streubreite lässt sich relativ gut eine Gerade (Trendlinie) durch die Punkte ziehen (Bild 6).

4 ZUSAMMENFASSUNG

Die Verbrennungsrechnung liefert die notwendigen Daten für die Auslegung eines Dampferzeugers. Die Luft- und Rauchgasmassen sind die erforderlichen Eingangsgrößen. Vollständige Verbrennung wird vorausgesetzt. Der durchaus vorhandene Fehler bei der Rechnung liegt weniger bei der Analyse selbst, als viel mehr bei der nicht korrekten Probenahme (DIN 51701: feste Brennstoffe; DIN 51750: flüssige Brennstoffe; DIN 51853: gasförmige Brennstoffe). Diese muss der Art, Zusammensetzung und Qualität des Brennstoffes entsprechen. Ein statistischer Mittelwert (Brennstoffband!) ist für die Dimensionierung einer Brennkammer durchaus ausreichend.

5 LITERATUR

[1]            Mollier, R.: Die Gleichungen des Verbrennungsvorganges. Z. VDI 65 (1921) S. 1095-1096
[2]            Boie, W.: Vom Brennstoff zum Rauchgas. B.G. Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig 1957

[3]            Boie, W.: Praktische Verbrennungsformeln für Erdgase. In: Wiss. Z. TU Dresden 19 (1970) 3, S. 523-527

[4]            Gampe, U.; Will, G.; Kraus, E.; Koppe, K.: Energietechnik. In: Taschenbuch der technischen Formeln (Hrsg: Fischer, K.-H. u. a.) Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hauser Verlag München Wien 2005, ISBN 3446219749, S. 470-508

[5]            Kost, T.: Brennstofftechnische Charakterisierung von Haushaltabfällen.
Dissertation TU Dresden 2001

[6]            Bernstein, W.; Koppe, K.: Bedeutung von dezentralen Energieanlagen im Hinblick auf Wettbewerb, Zuverlässigkeit und Umwelt. Fachkongress Freiberg 2000. In: Tagungsband,
ohne Seitenangabe

[7]            Matschke, J.: Bewertung dezentraler Energiesysteme zur Versorgung mit Elektroenergie und Wärme auf der Grundlage der thermischen Nutzung alternativer Brenn- und Abfallstoffe mit einem wissensbasierten Entscheidungshilfesystem. Dissertation TU Dresden 2001

[8]            Koppe, K.: Thermische Nutzung der Biomasse – Grundlage einer regenerativen CO₂-armen Energieversorgung. Kumulative Habilitationsschrift. TU Dresden 2005

Quelle : ENERGETIKA A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ – 2005. Ostrava 2005, Tagungsband, ISBN 80-248-0909-5, S. 105-111

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