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Regenerativer Brenner

Definition: ein zyklisch betriebener Brenner mit Rückgewinnung von Abgaswärme mithilfe eines Regenerators

Englisch: regenerative burner

Kategorie: Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 07.01.2017; letzte Änderung: 03.11.2018

Industrielle Öfen z. B. in der Metallindustrie oder keramischen Industrie müssen häufig bei relativ hohen Temperaturen arbeiten, wodurch die Abgastemperatur zwangsläufig entsprechend hoch ist. Deswegen ist es wünschenswert, eine Form der Abgas-Wärmerückgewinnung zwecks Erhöhung der Energieeffizienz zu praktizieren. Eine der Möglichkeiten hierfür ist die Nutzung regenerativer Brenner. Solche werden immer paarweise betrieben. Zu einer Zeit arbeitet immer jeweils nur einer der Brenner, wobei beim anderen – z. B. am entgegengesetzten Ende der Brennkammer angebracht – das Abgas durch einen Regenerator (eine Kammer mit einem Wärmespeichermedium) strömt, bevor es in den Schornstein abgegeben wird (siehe Abbildung 1). Wenn beispielsweise nach einigen Minuten Betriebszeit der Regenerator genügend aufgeheizt ist, wird der ursprünglich laufende Brenner abgestellt, und der andere wird in Betrieb genommen. Bei Letzterem strömt nun die zugeführte Verbrennungsluft zunächst durch den Regenerator, um dort vorgewärmt zu werden. Auf diese Weise wird die gespeicherte Wärme in den Prozess zurückgeführt.

Ofen mit regenerativen Brennern
Abbildung 1: Ein Ofen mit zwei regenerativen Brennern. Momentan arbeitet Brenner 1, während derer Generator von Brenner 2 “aufgeladen” wird.

Der Regenerator kann einfach eine Kammer sein, in der feuerfeste Steine oder keramische Bauteile mit möglichst großer Oberfläche stehen, um die herum das Abgas bzw. die Verbrennungsluft strömt. Dies ist ein robuster technischer Ansatz, da die Wärmespeicherelemente sehr beständig sind und bei Bedarf (z. B. bei zu starker Verschmutzung) auch leicht ausgetauscht werden könnten.

Die am Eintritt des Schornsteins gemessene Abgastemperatur kann beispielsweise bei 200 °C liegen, selbst wenn die Ofentemperatur mehr als 1000 °C beträgt. Der Grad der Wärmerückgewinnung kann bei diesem Verfahren also relativ hoch liegen, so dass Feuerungswirkungsgrade über 80 % auch bei hohen Ofentemperaturen möglich sind. Der Brennstoffverbrauch und die klimaschädlichen CO2-Emissionen sind damit entsprechend reduziert. Ein wichtiges Detail ist hierbei, dass die Strömungsrichtungen von Abgas und Verbrennungsluft in der wärmespeichernden Kammer entgegengesetzt zueinander sind. Die “Aufladung” einer Kammer wird bereits dann beendet, wenn die Seite, an der das Abgas in Richtung Schornstein austritt, noch nicht allzu heiß geworden ist; die andere Seite (die dem Ofen zugewandt ist) kann dann bereits wesentlich heißer sein. Die später in der Gegenrichtung strömende Frischluft wird zunächst am weniger heißen Ende vorgewärmt, erreicht aber vor dem Austreten am heißeren Ende eine recht hohe Temperatur.

Mögliche Alternativen

Es gäbe auch andere Möglichkeiten, die vom Abgas transportierte Wärme zu nutzen:

  • Man könnte für die Vorerhitzung der Verbrennungsluft einen Gegenstrom-Wärmeübertrager als Rekuperator einsetzen; dies funktioniert bereits mit einem einzelnen Brenner, der dann kontinuierlich arbeiten kann. Der Nachteil ist, dass ein Wärmeübertrager konstruktiv aufwendiger ist als ein einfacher Wärmespeicher; es besteht beispielsweise auch mehr als bei einem einfachen Regenerator die Gefahr, dass er durch Ablagerung von Ruß an Wirksamkeit verliert. Der Umstand, dass regenerative Brenner nur in Paaren (also nicht einzelnen) eingesetzt werden können, ist nicht unbedingt störend; oft werden ohnehin mehrere Brenner eingesetzt, beispielsweise um eine große Brennkammer gleichmäßiger zu beheizen.
  • Man könnte mithilfe eines Wärmeübertragers die Abgaswärme auch für andere Zwecke nutzen. Allerdings existiert am Ort häufig keine Anwendung, deren Wärmebedarf mengenmäßig und zeitlich gut zum Angebot vom Ofen passt.

Problematik der Stickoxid-Emissionen

Die Vorerhitzung der Verbrennungsluft hat leider oft zur Folge, dass die Verbrennungstemperatur ansteigt und mit ihr auch die Bildung von Stickoxiden zunimmt. Vor allem bei hohen Ofentemperaturen ist dies ein Problem, welches den Einsatz einer zusätzlichen Entstickungsanlage zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten notwendig machen kann. Das Problem lässt sich aber oft auch durch den Einsatz von Brennern mit flammenloser Oxidation lösen.

Siehe auch: Brenner, Regenerator, Wärmerückgewinnung, Wärmespeicher, flammenlose Oxidation, Stickoxide
sowie andere Artikel in der Kategorie Wärme und Kälte

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