RP-Energie-Lexikon
fachlich fundiert, unabhängig von Lobby-Interessen

Flammenlose Oxidation

<<<  |  >>>

Akronym: FLOX

Definition: eine Verbrennung mit Abgasrezirkulation, bei der keine sichtbare Flamme auftritt

Englisch: flameless oxidation

Kategorie: Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 06.01.2017; letzte Änderung: 21.02.2017

Die flammenlose Oxidation eines Brennstoffs (z. B. Erdgas) ist ein Verbrennungsvorgang, bei dem keine sichtbare Flamme auftritt. Im Vergleich zu einer gewöhnlichen Verbrennung mit sichtbarer Flamme werden hierbei lokale Spitzen-Temperaturen vermieden, obwohl die durchschnittliche Temperatur in dem Bereich, in dem die Oxidation stattfindet, unter Umständen weit über 1000 °C liegen kann. Dieses Verfahren ermöglicht eine stickoxidarme Verbrennung selbst bei recht hohen Temperaturen, wie sie z. B. für gewisse industrielle Öfen benötigt werden.

Funktionsprinzip und erzielte Vorteile

Schon seit langer Zeit ist bekannt, dass eine katalytische Oxidation auch bei relativ niedrigen Temperaturen und deswegen ohne sichtbare Flamme erfolgen kann. Jedoch bringt die Verwendung eines Katalysators in einem Brennraum eine Reihe von Nachteilen mit sich und hat sich deswegen nicht für eine breite Anwendung durchsetzen können. Deswegen ist es von großem Interesse, dass eine flammenlose Oxidation (Akronym: FLOX) durch Verwendung eines speziell konstruierten Brenners (“FLOX-Brenners”) auch ohne Katalysator erreicht werden kann. Hierbei treten in der Brennkammer, die keine weitere Einbauten benötigt, besondere Umstände auf:

Diverse Prozessparameter, z. B. die Temperatur und Geschwindigkeit der zugeführten Verbrennungsluft, müssen den Randbedingungen wie z. B. dem eingesetzten Brennstoff und der nötigen Prozesstemperatur angepasst werden.

Die oben genannten Umstände haben wesentliche Auswirkungen auf die Charakteristika der Verbrennung:

Daraus ergeben sich die folgenden praktischen Vorteile der flammenlosen Oxidation:

Natürlich hängt das Ausmaß und die Bedeutung der genannten Vorteile stark von der jeweiligen Anwendung ab. Besonders wichtig sind die Vorteile für industrielle Prozesse, bei denen hohe Temperaturen erreicht werden müssen (siehe unten).

Alternative Technologien

Bereits oben erwähnt wurde die katalytische Oxidation, bei der ein geeigneter Katalysator im Brennraum eingebaut sein muss. Es gibt auch beispielsweise für den Abbau unerwünschter organischer Substanzen in der chemischen Industrie Apparate, die eine flammenlose thermische Oxidation an porösen Keramikteilen in einem Festbettreaktor ausnutzen. Hierbei gibt es auch Ähnlichkeiten zu den Porenbrennern; auch diese ermöglichen eine recht schadstoffarme Verbrennung und können niederkalorische oder uneinheitlicher Gase verwerten. Im Gegensatz zu solchen Verfahren benötigt die flammenlose Oxidation nach dem FLOX-Verfahren aber keine besonderen Einbauten im Brennraum (die teils eine begrenzte Lebensdauer haben); sie erfolgt allein in der Gasphase.

Noch niedrigere Stickoxidemissionen auch bei sehr hohen Temperaturen lassen sich erzielen durch eine Verbrennung mit reinem Sauerstoff (z. B. in einem Sauerstoff-Rekuperationsbrenner); jedoch ist die Produktion dieses Sauerstoffs aufwendig – nicht zuletzt wegen des dafür entstehenden Energiebedarfs.

Eine weitere Möglichkeit wäre der Einsatz von Elektrowärme, was aber erheblich weniger energieeffizient wäre.

Verglichen mit diesen Alternativen ist das FLOX-Verfahren, welches eine hohe Energieeffizienz mit moderaten Stickoxidemissionen verbindet, für den Praxiseinsatz recht attraktiv.

Problem des Brennerstarts

Die flammenlose Oxidation funktioniert nur unter den oben beschriebenen Bedingungen, insbesondere für eine hohe Temperatur der zugeführten Verbrennungsluft und eine gute Vermischung mit Abgasen durch interne Abgasrezirkulation. Diese Umstände sind beim Brennerstart und in der Aufwärmphase aber meist nicht erreichbar. Deswegen müssen FLOX-Brenner in der Regel so konstruiert werden, dass sie zunächst im konventionellen Betrieb mit einer Flamme arbeiten; erst wenn die Brennraumtemperatur genügend hoch ist (z. B. über 800 °C), kann auf den eigentlichen FLOX-Betrieb umgeschaltet werden. Unter Umständen muss auch später wieder auf den Betrieb mit Flamme zurückgeschaltet werden, wenn die Prozesstemperatur für die Anwendung allmählich sinken muss.

Die genannte Problematik führt leider einerseits dazu, dass die Konstruktion und Steuerung solcher Brenner komplizierter ist und dass andererseits die genannten Vorteile in der Startphase zum Teil entfallen. Deswegen eignen sich solche Brenner am ehesten für Anwendungen, bei denen der Brenner für lange Zeit ununterbrochen laufen kann.

Überwachung des Brennvorgangs

Der Betrieb konventioneller Brenner wird häufig mit optischen Sensoren (auch für UV-Licht) überwacht, die im Kern das Leuchten der Flamme ausnutzen. Diese Technologie ist für flammenlose Brenner nicht anwendbar, da kaum ein Leuchten auftritt. Deswegen müssen angepasste Methoden eingesetzt werden, etwa die Überwachung der Temperatur des Brennraums.

Anwendung flammenloser Brennverfahren

Industrielle Prozesse

Viele industrielle Prozesse erfordern Wärmebehandlungsöfen, die mit einer hohen Temperatur betrieben werden. Ein Beispiel hierfür ist die Stahlverarbeitung; Stahl muss beispielsweise mit Normalglühen oder Rekristallisationsglühen behandelt werden, um bestimmte Materialeigenschaften zu optimieren. In anderen Fällen müssen Rohstoffe bei hohen Temperaturen geschmolzen werden, beispielsweise für die Herstellung von Gläsern und Keramiken.

Vor der Einführung von FLOX-Brennern versuchte man, einen hohen Wirkungsgrad trotz hoher Prozesstemperaturen allein durch den Einsatz von Rekuperation zu erreichen. Das zentrale Problem war hierbei allerdings, dass eine starke Vorerwärmung der Verbrennungsluft die Verbrennungstemperaturen und damit die Bildung von Stickoxiden stark ansteigen ließ. Deswegen musste teilweise der Grad der Rekuperation begrenzt werden unter Inkaufnahme eines reduzierten Feuerungswirkungsgrads. Mit FLOX-Brennern ist es nun möglich, gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad und niedrige Stickoxidemissionen zu erzielen, ohne dass hierfür eine aufwendige Abgasbehandlung notwendig ist.

In der Stahlindustrie und der sonstigen Metallindustrie werden FLOX-Brenner bereits relativ häufig eingesetzt, meist in Form keramischer Rekuperationsbrenner oder regenerativer Brenner. Beispielsweise können Schmiede- und Walzwerksöfen damit beheizt werden. In der Glas- und Keramikproduktion dagegen sind noch Hürden zu überwinden; die Entwicklung angepasster neuer Verfahren ist relativ aufwendig, weswegen konventionelle Produktionsverfahren trotz erheblicher Nachteile in ökonomischer und ökologischer Hinsicht nicht schnell aufgegeben werden. Jedoch könnte der Einsatz von FLOX-Brennern z. B. für Glasschmelzwannen gebräuchlich werden, zumindest wenn Energiekosten und ökologische Anforderungen noch weiter steigen.

Nutzung oder Entsorgung von Schwachgasen

Schwachgase (niederkalorische Gase) aus diversen Quellen (z. B. Mülldeponien, Biogas, Biomassevergasung oder auch Erdgasförderung aus qualitativ niederwertigen Lagern) lassen sich häufig schwer nutzen, da eine stabile Verbrennung bei geringem und schwankendem Heizwert z. B. in Verbrennungsmotoren schwierig sein kann. Deswegen besteht für viele Schwachgase z. B. aus Deponien bislang häufig nur die Möglichkeit der nutzlosen Abfackelung.

Interessant ist deswegen die Entwicklung von FLOX-Brennern, die den Einsatz von Schwachgasen z. B. für Mikro-Gasturbinen oder Stirlingmotoren möglich machen. (Teils geht es auch nur um eine zuverlässige Deponiegasverbrennung ohne Nutzung der entstehenden Wärme.) Wichtig ist, dass solche Technologien auch im kleinen Maßstab funktionieren, um auch begrenzte Mengen solcher Schwachgase gut nutzen zu können.

Es gibt außerdem Versuche, z. B. Deponie Restgase in einer Wirbelschichtfeuerung effektiv zu entsorgen. Hier erfolgt eine flammenlose Oxidation in einer Wirbelschicht, die einen inerten Stoff wie z. B. Sand enthält. Dieses Verfahren ermöglicht eine relativ lange Verweilzeit der Gase im heißen Bereich.

Mikro-Blockheizkraftwerke

Große Mengen von Heizwärme werden heutzutage dezentral ohne Kraft-Wärme-Kopplung mit einfachen Brennern z. B. mit Erdgas erzeugt, wobei die Exergie des Brennstoffs größtenteils ungenutzt bleibt; andernorts werden für die Stromerzeugung dann Gaskraftwerke betrieben, deren Abwärme oft schwer nutzbar ist. Von daher wäre eine nennenswerte Verbreitung der Kraft-Wärme-Kopplung auch für kleinere Heizungsanlagen energiewirtschaftlich wünschenswert, zumal deren Stromerzeugung größtenteils im Winter erfolgen würde, wenn der Bedarf am höchsten ist.

Konventionelle Verbrennungsmotoren sind für sehr kleine Leistungen (wenige Kilowatt) nur begrenzt sinnvoll einsetzbar; interessant erscheinen in diesem Anwendungsfeld Stirlingmotoren. Solche benötigen einen Brenner, der relativ hohe Temperaturen (viel höher als für den normalen Heizbetrieb) erzeugt, und dies mit hohem Wirkungsgrad und geringen Stickoxidemissionen. Genau hierfür erscheint die FLOX-Technologie als gut geeignet.

Brennstoffzellen

Die meisten Brennstoffzellen können nicht direkt mit Methan aus Erdgas betrieben werden, sondern benötigen Wasserstoff. Dieser kann aus Erdgas mithilfe eines sogenannten Reformers gewonnen werden. Für einen breiten Einsatz solcher Brennstoffzellen, beispielsweise für Heizungsanlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung, ist es notwendig, kompakte Reformer im kleinen Leistungsbereich zu entwickeln, die dennoch mit hohem Wirkungsgrad arbeiten. Dies war bislang schwierig, ist aber mithilfe von FLOX-Brennern wesentlich leichter zu erzielen. Ein solcher Brenner kann mit geringem Gasverbrauch die nötige Prozesstemperatur von z. B. 800 °C für die Wasserdampfreformierung erreichen.

Kohlekraftwerke

Das Prinzip der flammenlosen Oxidation lässt sich auch für die Verbrennung von Kohlestaub einsetzen. Bereits heute verwenden manche Kohlekraftwerke eine Hochdruck-Kohlenstaubfeuerung. Die Umstellung solcher Brenner auf eine flammenlose Oxidation könnte erhebliche Stickoxid-Reduktionen ermöglichen. Vor allem aber wäre diese Technologie interessant bei der Entwicklung hocheffizienter Gas-und-Dampf-Kraftwerke (GUD-Kraftwerke) mit elektrischen Wirkungsgraden von womöglich weit über 50 %. Solche Kraftwerke wurden bisher nur für den Betrieb mit Erdgas entwickelt.

Literatur

[1]BINE-Informationsdienst, Flammenlose Verbrennung, http://www.bine.info/fileadmin/content/Publikationen/Projekt-Infos/2006/Projekt-Info_07-2006/projekt_0706_internet-x.pdf
[2]Deutsche Bundesstiftung Umwelt, “Weniger Energie und weniger Emissionen: Umweltpreisträger Joachim A. Wünning und Joachim G. Wünning”, https://www.dbu.de/123artikel36769_2430.html

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Verbrennung, Brenner, Stickoxide, Schwachgas, Porenbrenner, Stirlingmotor, Brennstoffzelle, regenerativer Brenner
sowie andere Artikel in der Kategorie Wärme und Kälte

Teilen Sie den Link auf diesen Artikel mit anderen:

Die Startseite gibt Ihnen den Einstieg in das RP-Energie-Lexikon, auch mit Tipps zur Benutzung.
Hier finden Sie diverse Ratgeber-Artikel, insbesondere im Bereich der Haustechnik.
Hiermit wird Ihnen ein zufällig ausgewählter Lexikonartikel angezeigt.
Der RP-Energie-Blog präsentiert Interessantes und Aktuelles zum Thema Energie. Er ist auch als E-Mail-Newsletter erhältlich.
Hier finden Sie die Kontaktinformationen und das Impressum.
Werden Sie ein Sponsor des RP-Energie-Lexikons – des besten deutschsprachigen Energielexikons im Internet!
Hier erfahren Sie mehr über den Autor des RP-Energie-Lexikons und seine Grundsätze.
Hier können Sie die Artikel des RP-Energie-Lexikons nach Kategorien geordnet durchstöbern.
Verbreitete Irrtümer zu Energiefragen werden hier detailliert aufgedeckt.
Der Glossar fasst die Definitionen von Fachbegriffen aus den Artikeln zusammen.
Mit dem Energie-Quiz können Sie Ihr Wissen im Energiebereich testen und vertiefen.
Hier werden die Hintergründe des Projekts beschrieben, auch die gewählten Grundsätze.
Mit zigtausenden von Nutzern pro Monat ist das RP-Energie-Lexikon zu einer interessanten Werbeplattform geworden.
Vom Autor des RP-Energie-Lexikons können Sie auch Beratung erhalten, insbesondere zu Energie-Technologien.
Hier finden Sie die Liste aller Artikel zu einem bestimmten Anfangsbuchstaben.
Hier können Sie nach Artikeln suchen, deren Titel ein bestimmtes Stichwort enthalten.
Geben Sie das Stichwort ein, wählen Sie den passenden Eintrag in der Liste und klicken Sie auf "dorthin gehen".
(Beachten Sie auch die Volltextsuche beim Menüpunkt "Suche"!)