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Verbrennung

Definition: eine chemische Reaktion zwischen einem Brennstoff oder Kraftstoff und Sauerstoff

Englisch: combustion

Kategorien: Grundbegriffe, physikalische Grundlagen, Wärme und Kälte

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Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 27.02.2013; letzte Änderung: 22.02.2017

Verbrennungsprozesse gehören zu den technisch wichtigsten chemischen Reaktionen und finden z. B. in Verbrennungsmotoren, Wärmekraftwerken und Heizkesseln statt. Der weitaus größte Teil der Energie, die die Menschheit heute umsetzt, stammt aus der Verbrennung fossiler Energieträger. Bei einer Verbrennung reagiert ein Brennstoff oder Kraftstoff mit Sauerstoff, der in der Regel als Bestandteil von Luft zugeführt wird, unter Freisetzung von Wärme und zum kleineren Teil auch Licht. Der Brennstoff wird oxidiert, d. h. er geht chemische Verbindungen mit Sauerstoff ein:

Die meisten Brennstoffe bestehen vorwiegend aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Dies trifft vor allem auf Kohlenwasserstoff-Brennstoffe wie z. B. Heizöl, Dieselkraftstoff, Benzin und Kerosin zu. Manche Brennstoffe wie Ethanol und Methanol haben auch einen wesentlichen Gehalt an Sauerstoff. Sie sind quasi bereits teilweise oxidiert und weisen deswegen typischerweise einen reduzierten Heizwert auf.

Die zugeführte Luft besteht zu gut 20 % aus Sauerstoff, der für die Verbrennung benötigt wird. Der Rest ist hauptsächlich Stickstoff, der an der Reaktion idealerweise nicht teilnimmt, sondern einfach im Abgas verbleibt. Bei hohen Verbrennungstemperaturen reagiert Stickstoff aber auch mit Sauerstoff zu diversen Stickoxiden. Dies ist unerwünscht, weil Stickoxide giftig sind und gleichzeitig die Wärmeausbeute etwas reduziert wird.

Wenn eine Verbrennung sehr schnell abläuft, spricht man auch von einer Verpuffung, Deflagration oder Detonation, umgangssprachlich oft auch von Explosion.

Eine Oxidation in einem erweiterten Sinne ist auch mit anderen chemischen Substanzen als Sauerstoff möglich, beispielsweise mit Halogenen wie Chlor. Jedoch erfolgt eine Verbrennung in aller Regel mit Sauerstoff aus Luft.

In seltenen Fällen wird eine Verbrennung mit reinem Sauerstoff durchgeführt, der z. B. durch Luftzerlegung gewonnen wird. Dies führt zu wesentlich höheren Verbrennungstemperaturen und vermeidet trotzdem die Bildung von Stickoxiden, soweit Stickstoff nicht über den Brennstoff eingebracht wird.

Der Sauerstoffindex eines Materials bedeutet grob gesagt, welcher minimaler Sauerstoffgehalt der Luft für eine Verbrennung notwendig ist. Er ist also ein Maß für die Brennbarkeit eines Materials.

Verbrennungsluftverhältnis

Ein wichtiger Parameter jeder Verbrennung ist das Verbrennungsluftverhältnis. Oft ideal ist ein Verbrennungsluftverhältnis von ca. 1 (stöchiometrische Verbrennung) oder etwas größer, d. h. ein kleiner Luftüberschuss. Bei Festbrennstoffen wie Kohle oder Biomasse ist allerdings oft ein höherer Luftüberschuss nötig, um auch lokalen Sauerstoffmangel zu vermeiden, der sonst zu einer unvollständigen Verbrennung führen würde.

Erzeugung von Wärme

Der Zweck der meisten technischen Verbrennungsprozesse ist die Freisetzung von Energie in Form von Wärme, obwohl manchmal auch die Beseitigung von Abfallstoffen (z. B. Müll oder Altholz) im Vordergrund steht. Oft wird die Wärme teilweise gleich weiter umgesetzt in mechanische Energie, z. B. in Verbrennungsmotoren, Dampfturbinen oder Gasturbinen. Der Brennstoff oder Kraftstoff wird als ein Energieträger verwendet. Wegen der relativ hohen Energiedichte von Kraftstoffen, verglichen mit anderen Energiespeichern wie z. B. aufladbaren Batterien, sind diese auch zur Mitführung in Fahrzeugen und Flugzeugen gut geeignet.

Die bei einer Verbrennung entstehende Wärmemenge wird durch den Heizwert bestimmt, wenn der Wasseranteil im Abgas gasförmig (d. h. als Wasserdampf) abgeführt wird. Wenn der Wasserdampf jedoch kondensiert wird, erhält man zusätzlich die Kondensationswärme, und die gesamte Wärmeausbeute wird durch den (höheren) Brennwert bestimmt.

Die Freisetzung von Wärme bei einer Verbrennung äußert sich natürlich in einer starken Steigerung der Temperatur der teilnehmenden Substanzen. Die Verbrennungstemperatur hängt jedoch keineswegs nur von der freisetzten Wärmemenge ab. Sie nimmt z. B. ab, wenn ein deutlicher Luftüberschuss auftritt, da die überschüssige Luft ja auch aufgeheizt werden muss. Ebenfalls kann eine Kühlung der Flammen durch Abgabe von Wärmestrahlung erfolgen, insbesondere wenn sich Rußteilchen in der Flamme befinden. Die Verbrennungstemperatur wirkt sich wiederum auf die Verbrennung aus: Bei zu niedrigen Temperaturen ist die Verbrennung oft unvollständig, während bei zu hohen Temperaturen die Bildung von Stickoxiden zunimmt (siehe oben). Allerdings können Stickoxide auch gleich wieder zerfallen, wenn das Abgas genügend langsam abgekühlt wird.

Einbußen bei der Wärmeerzeugung (Energieverluste) können auf verschiedene Weisen entstehen, z. B. durch unvollständige Verbrennung, über die Abgase (siehe unten) oder durch andere Wärmeverluste z. B. eines Heizkessels.

Flammen

Flammen sind eine typische, aber nicht immer auftretende Begleiterscheinung einer Verbrennung. Es handelt sich um heiße Gase, z. T. versetzt mit kleinen festen Partikeln, die Licht durch Glühemission aussenden.

Bei Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe sind Flammen oft gelb und relativ stark leuchtend durch kleine Rußpartikel. (Da diese Partikel anschließend noch verbrennen können, muss dies nicht unbedingt zu starken Rußemissionen führen.) Blaue Flammen weisen dagegen auf höhere Verbrennungstemperaturen und geringe Rußgehalte hin; das blaue Licht stammt von diversen angeregten Molekülen und Radikalen, die teils nur Zwischenprodukten der Verbrennung sind. Bei manchen Brennstoffen wie z. B. Methanol leuchten die Flammen nur sehr schwach. Es gibt im Übrigen Verfahren für eine flammenlose Oxidation auch für Brennstoffe, die sonst mit einer Flamme verbrennen.

Alle Flammen geben auch infrarotes (unsichtbares Licht, Wärmestrahlung) ab, die erheblich zum Abtransport der erzeugten Wärme beitragen kann.

Abgase

Das Abgas einer Verbrennung kann diverse Stoffe enthalten:

  • die oxidierten Substanzen wie das in geringen Konzentrationen ungiftige, aber klimaschädliche Kohlendioxid sowie Wasserdampf
  • Produkte einer unvollständigen Verbrennung wie das giftige Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Rußpartikel
  • giftige Stickoxide (v. a. bei hohen Verbrennungstemperaturen und schneller Abkühlung)
  • chemisch aggressives Schwefeldioxid, wenn der Brennstoff Schwefel enthält
  • in sehr kleinen Mengen hochgiftige Dioxine und Furane (z. B. bei der Verbrennung von Holz oder Müll)
  • kleine Partikel, z. B. Sulfatpartikel, die aus unerwünschten Bestandteilen des Brennstoffs entstehen können
  • restlichen Sauerstoff sowie den eingebrachten Stickstoff

Im Idealfall besteht ein Abgas nur aus ungiftigen Substanzen wie CO2, Wasserdampf, Sauerstoff und Stickstoff. Oft ist dies aber nicht der Fall, und das Abgas muss nachbehandelt werden, z. B. mit einem Abgaskatalysator oder einem Partikelfilter.

Auch ungiftige Abgase sind wegen des klimaschädlichen Kohlendioxids ökologisch bedenklich. Ein Lösungsansatz wäre die CO2-Abscheidung und -Speicherung.

Da Abgase eine Verbrennungsanlage meist mit erhöhter Temperatur verlassen (der Abgastemperatur), entstehen gewisse Energieverluste, die als Abgasverlust bezeichnet werden.

Feste Verbrennungsprodukte

Wenn bei einer Verbrennung feste Partikel z. B. aus Ruß oder Sulfaten bilden, können sie diese z. B. in einem Heizkessel ablagern oder auch bei der Nachbehandlung des Abgases in einem Filter anfallen. Unverbrannte Kohlenwasserstoffe können sich an die Partikel anlagern. Die Partikel sind oft klein genug, um lungengängig zu sein, und sind aufgrund diverser anhaftender Substanzen giftig.

Vor allem bei Festbrennstoffen entsteht auch Asche aus Mineralstoffen, die im Brennstoff enthalten sind. Holzasche enthält diverse Pflanzennährstoffe, die die Asche im Prinzip als Dünger interessant machen, leider aber auch diverse natürlich vorkommende giftige Schwermetalle.

Verbrennungsverfahren; Probleme der Verbrennungstechnik

Je nach Brennstoff und Anwendung kommen sehr unterschiedliche Verbrennungsverfahren zum Einsatz:

  • In Heizkesseln wird die Verbrennung von einem Brenner durchgeführt, wobei Details des Heizkessels für die Qualität und Effizienz der Verbrennung ebenfalls sehr wichtig sind.
  • Verbrennungsmotoren wird entweder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeführt (bei Ottomotoren), oder man führt den Kraftstoff separat z. B. über eine Einspritzanlage direkt in den Brennraum ein (bei Direkteinspritzer-Otto- und Dieselmotoren). Meist erfolgt eine innere Verbrennung in einem Brennraum, in wenigen Fällen (z. B. bei Stirlingmotoren) auch eine äußere Verbrennung.
  • Für große Feuerungen z. B. in Kraftwerken gibt es verschiedenste Anlagen, z. B. Rostfeuerungen und Wirbelschichtfeuerungen.

Vor allem gasförmige Brennstoffe wie Erdgas können mit einfachen technischen Mitteln vollständig und sauber verbrannt werden. Ein Problem kann jedoch die Bildung von Stickoxiden sein, die durch eine ausgefeilte Verbrennungstechnik stark vermindert werden kann.

In Verbrennungsmotoren (v. a. in Ottomotoren) kann die vorzeitige Entzündung ein Problem sein, vor allem bei hohem Verdichtungsverhältnis. Hilfreich ist hier der Einsatz eines Kraftstoffs mit hoher Klopffestigkeit. Bei Dieselmotoren ist eine vorzeitige Entzündung nicht möglich, jedoch ist eine ausreichend hohe Zündwilligkeit wichtig, die durch die Cetanzahl des Kraftstoffs spezifiziert wird. Eine ausreichend hohe Flammengeschwindigkeit ist bei allen schnell drehenden Verbrennungsmotoren wichtig, weswegen z. B. Schweröl in kleinen Dieselmotoren auch mit starker Vorwärmung nicht verwendbar wäre.

Verhältnismäßig kompliziert und entsprechend schwieriger zu optimieren ist die Verbrennung von Festbrennstoffen wie Kohle, Holz oder anderer Biomasse:

  • Die Verhältnisse im Brennraum sind meist sehr inhomogen, d. h. uneinheitlich, vor allem weil eine vollständige Vermischung von Brennstoff und Luft nicht möglich ist.
  • Die Verbrennung kann auch in mehreren Phasen verlaufen; z. B. erfolgt bei Holz zunächst eine Trocknung, dann ein Ausgasen brennbarer Stoffe (→ Biomassevergasung) und schließlich der Abbrand des verkohlten Holzes.
  • Eine optimale Luftzufuhr wird erschwert durch den festen Brennstoff selbst, z. B. wenn von unten zugeführte Luft an einem Holzscheit abgelenkt wird, welches an der Oberseite brennt und dort mehr Sauerstoff bräuchte. Allerdings kann zunächst unvollständig verbranntes Holzgas in den Flammen weiter oben noch vollständig ausbrennen, wenn von der Seite weitere Luft zuströmt. Unter Umständen kann auch Asche die Luftzufuhr behindern, z. B. wenn ein Rost damit zu stark verdeckt wird.
  • Wenn Flammen auf wesentlich kühleren festen Brennstoff treffen, sinkt dort die Verbrennungstemperatur stark ab, so dass es z. B. zu einer starken Rußbildung kommen kann.
  • Die Zusammensetzung von Biomasse ist oft stark variabel. Beispielsweise variiert bei Holz die Zusammensetzung je nach Baumart und Trocknungsgrad, und Rindenanteile sind anders als das Kernholz. Bioabfälle sind meist besonders heterogen.
  • Eine variable Leistung der Feuerung ist schwerer als z. B. mit Erdgas oder Heizöl zu erreichen, da die Brennstoffzufuhr nicht schnell geändert werden kann. Eine Regelung der Leistung über die Luftzufuhr (z. B. bei einem Holzofen) ist problematisch, da dies zu unvollständiger Verbrennung führen kann.
  • Besonders schwierig ist das Starten des Verbrennungsprozesses. Beim Anfeuern ist die Verbrennungstemperatur oft zu niedrig für eine vollständige Verbrennung, und die Dosierung der Luftzufuhr ist schwieriger.

Die Verbrennungstechnik für viele verschiedene Brennstoffe wurde über lange Zeit optimiert. Jedoch sind viele weitere Entwicklungen nötig, um die Qualität der Verbrennung z. B. in Hinblick auf die Abgase weiter zu verbessern, um weitere Brennstoffe (auch inhomogene) gut einsetzbar zu machen, oder um die Verbrennung in anderen Leistungsklassen (z. B. auch in kleineren Anlagen) zu ermöglichen.

Vorbehandlung von Brennstoffen

Manchmal ist auch eine Vorbehandlung des Brennstoffs sehr hilfreich:

  • Flüssige Brennstoffe z. B. aus Erdöl können in einer Erdölraffinerie entschwefelt werden, d. h. ihr Schwefelgehalt wird stark reduziert. Dies reduziert die Entstehung von giftigem und aggressivem Schwefeldioxid bei der Verbrennung.
  • Erdölprodukte werden in Raffinerien auch anderweitig stark optimiert, z. B. durch Fraktionierung (Einengung der Bandbreite verschiedener Substanzen) und Beifügen von Additiven, z. B. um die Klopffestigkeit oder die Zündwilligkeit zu erhöhen oder um die Rußbildung zu vermindern.
  • Brennholz kann zu kleineren Scheiten verarbeitet werden oder gleich zu Holzpellets, die wesentlich einfacher und sauberer verbrannt werden können – auch in kleinen automatischen Feuerungen. Auch beim Transport sind Pellets vorteilhaft.
  • In Brennern für Schweröl wird das Öl oft erst stark erwärmt, damit es genügend dünnflüssig für eine Zerstäubung und flüchtiger wird.

Siehe auch: Brennstoff, Festbrennstoff, Kraftstoff, Wärme, Brenner, Heizkessel, Verbrennungsmotor, Heizwert, Brennwert, Enthalpie, Sauerstoffindex, Verbrennungsluftverhältnis, stöchiometrische Verbrennung, flammenlose Oxidation, Lambdasonde, Abgas, Emissionen und Immissionen, Abgasverlust, Ruß, Monoverbrennung, Mitverbrennung, Abfackelung
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