Leseprobe: Whitepaper – Einfluss- und Messgrößen bei Brenner- und Kesselanlagen und ihre Bedeutung für die Optimierung von Wirkungsgrad und Emissionen

Wärmeerzeugung in Brenner- und Kesselanlagen

Kesselanlage

Bei der Stromerzeugung, bei der Beheizung von Gebäuden, bei der Herstellung von Zement und Glas und bei vielen weiteren industriellen Anwendungen stellen Kesselanlagen die benötigte thermische Energie zur Verfügung. Mit Brennstoffen wie Kohle, Öl oder Gas sind sie in der Lage, große Energiemengen mit einem guten Gesamtwirkungsgrad zu erzeugen.

Da bei der Wärmeerzeugung große Mengen an Brennstoff eingesetzt werden und durch die Verbrennung große Mengen an Abgasen entstehen, kommt es bei der Einstellung von Kesselanlagen auf einen hohen Wirkungsgrad bei möglichst niedrigen Schadstoffemissionen an – besonders, weil die gesetzlichen Emissionsgrenzwerte für Schadstoffe wie NOx, CO und CO₂ immer strenger werden.

Aus diesem Grund werden bei der Inbetriebnahme und Wartung von Kesseln und Brennern sowie bei offiziellen Messungen die Emissionswerte ermittelt. Anhand dieser Daten kann die Wirtschaftlichkeit der Anlage und die Einstellung des Brenners umfassend beurteilt werden. Um die Effizienz der Kesselanlage zu optimieren und um die Emissionen an die gesetzlichen Anforderungen anpassen zu können, ist es wichtig, die Grundprinzipien des Verbrennungsprozesses zu kennen und den Einfluss der einzelnen Mess- und Regelgrößen auf Leistung und Schadstoffausstoß zu verstehen.

Der Verbrennungsprozess in Brenner- und Kesselanlagen

Verbrennungsprozess in Kesselanlage

Für die Wärmeerzeugung in Heizkesselsystemen werden Kohlenstoff oder Kohlenwasserstoff-Verbindungen mit dem Sauerstoff der Luft verbrannt. Die Verbrennung findet in einem abgeschlossenen Feuerraum statt. Mittels eines Wärmetauschers wird die entstehende thermische Energie an ein Wärmeträgermedium übertragen und an ihren Bestimmungsort geleitet. Feste Brennstoffe werden in einem Festbett, einem Wirbelbett oder in einer Flugstaubwolke verbrannt, flüssige Brennstoffe werden über einen Brenner als Nebel in den Feuerraum gesprüht, und gasförmige Brennstoffe werden bereits im Brenner mit der Verbrennungsluft gemischt.

Die übrigen Anlagenkomponenten sorgen für die Zuführung und Verteilung des Brennstoffs, für die Übertragung und Ableitung der Wärme sowie für die Abführung von Verbrennungsgasen und Verbrennungsrückständen wie Asche und Schlacke.

Bei der Verbrennung entstehen zahlreiche Substanzen, die als Abgas aus dem Feuerraum abgeleitet werden. Den größten Teil des Abgases oder Rauchgases machen Wasserdampf und Kohlendioxid (CO₂) aus, die als Reaktionsprodukte von Brennstoff und Verbrennungsluft entstehen. Daneben enthält das Rauchgas je nach Luftzufuhr Stickoxide (NOx) oder Kohlenmonoxid (CO) und unvollständig verbrannte Brennstoffanteile. Durch Verunreinigungen der Brennstoffe können auch Schwefelwasserstoff, Schwefeloxide, Flusssäure (HF) und Salzsäure (HCl) im Rauchgas enthalten sein, zudem sind Ruß, Schwermetalle und Stäube häufig zu finden.

Chemische Reaktionen beim Verbrennungsprozess

Zusammensetzung von Luft auf der Erdoberfläche

Bereits die Verbrennungsluft setzt sich aus mehreren Substanzen zusammen. Sie enthält vor allem Stickstoff (N₂) und Sauerstoff (O₂), einen veränderlichen Anteil an Wasserdampf sowie Spuren von Kohlendioxid (CO₂), Wasserstoff (H₂) und Edelgasen. Mit Ausnahme des Sauerstoffs und geringer Teile des Stickstoffs finden sich diese Bestandteile auch im Abgas wieder.

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