Brennstofftechnik Skript PDF - Grundlagen der Energietechnik

HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften M 338 Grundlagen der Energietechnik Brennstofftechnik - Skript - Prof. Dr.-Ing. Uwe Jung Ausgabe: WS 2024/25 Brennstofftechnik...

HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften M 338 Grundlagen der Energietechnik Brennstofftechnik - Skript - Prof. Dr.-Ing. Uwe Jung Ausgabe: WS 2024/25 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften _________________________________________________________________________________ Inhaltsverzeichnis 1 Einführung.......................................................................................................... 1 1.1 Einordnung und Aufgaben der Brennstofftechnik............................................. 1 1.2 Umwelt- und Klimarelevanz der Brennstoffnutzung......................................... 2 2 Herkunft der Brennstoffe................................................................................... 4 2.1 Einteilung und Übersicht.................................................................................. 4 2.2 Fossile Brennstoffe.......................................................................................... 5 2.2.1 Torf und Kohle............................................................................................. 5 2.2.2 Erdöl............................................................................................................ 8 2.2.3 Erdgas....................................................................................................... 10 2.2.4 Wasserstoff (grau, blau)............................................................................. 12 2.3 Regenerative Brennstoffe.............................................................................. 12 2.3.1 Biomasse................................................................................................... 12 2.3.2 Wasserstoff (weiß, grün)............................................................................ 14 2.4 Brennstoffe aus der Abfall- und Abwasserbehandlung.................................. 15 2.4.1 Ersatzbrennstoffe (EBS) und getrocknete Klärschlämme.......................... 15 2.4.2 Pyrolyseöle................................................................................................ 16 2.4.3 Deponiegas und Klärgas............................................................................ 16 2.5 Metallische Brennstoffe.................................................................................. 17 3 Charakterisierung von Brennstoffen.............................................................. 18 3.1 Zusammensetzung......................................................................................... 18 3.1.1 Elementaranalyse fester und flüssiger Brennstoffe.................................... 18 3.1.2 Brennstoffanalyse gasförmiger Brennstoffe............................................... 19 3.2 Energetische Kenngrößen............................................................................. 19 3.2.1 Brennwert und Heizwert............................................................................. 19 3.2.2 Zündtemperatur......................................................................................... 20 3.3 Feste Brennstoffe........................................................................................... 21 3.3.1 Bezugszustände und Struktur.................................................................... 21 3.3.2 Kenngrößen für alle festen Brennstoffe..................................................... 22 3.3.3 Klassifizierung und Kenngrößen von Kohlen............................................. 24 3.3.4 Klassifizierung und Kenngrößen von festen Biobrennstoffen..................... 25 3.4 Flüssige Brennstoffe...................................................................................... 26 3.4.1 Klassifizierung von Heizölen...................................................................... 26 3.4.2 Kenngrößen für flüssige Brennstoffe......................................................... 27 3.5 Gasförmige Brennstoffe................................................................................. 28 3.5.1 Klassifizierung von Brenngasen................................................................. 28 3.5.2 Kenngrößen für gasförmige Brennstoffe.................................................... 28 4 Verbrennungsrechnung................................................................................... 30 4.1 Allgemeines................................................................................................... 30 4.1.1 Voraussetzungen zur Verbrennung........................................................... 30 4.1.2 Stoffumwandlung....................................................................................... 30 4.1.3 Betrachtungen zur Verbrennungsluft......................................................... 31 4.1.4 Methoden zur Berechnungsdurchführung.................................................. 31 4.2 Klassische Methode....................................................................................... 31 4.2.1 Stöchiometrische Grundgleichungen......................................................... 31 4.2.2 Mindestsauerstoff- und Mindestluftbedarf.................................................. 32 4.2.3 Mindestabgasmenge und Abgaszusammensetzung................................. 33 4.2.4 Tatsächlicher Luftbedarf............................................................................ 36 4.2.5 Tatsächliche Abgasmenge und Abgaszusammensetzung......................... 38 4.2.6 Feuchte Luft............................................................................................... 39 4.2.7 Brennstoffkenngrößen............................................................................... 40 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften _________________________________________________________________________________ 4.3 Statistische Methode...................................................................................... 42 5 Verbrennungskontrolle.................................................................................... 43 5.1 Vollkommene und unvollkommene Verbrennung........................................... 43 5.2 Abgasanalytik................................................................................................. 44 5.3 Verbrennungsdreiecke................................................................................... 45 5.3.1 Bunte-Dreieck............................................................................................ 45 5.3.2 Ostwald-Dreieck........................................................................................ 46 6 Energetik von Verbrennungsprozessen......................................................... 48 6.1 Standardreaktionsenthalpie........................................................................... 48 6.2 Theoretische Verbrennungstemperatur.......................................................... 48 7 Kinetik von Verbrennungsprozessen............................................................. 51 7.1 Einflussgrößen............................................................................................... 51 7.2 Abschnitte der Verbrennung.......................................................................... 51 8 Kenngrößen zum Brennstoffeinsatz............................................................... 53 8.1 Abgastaupunkte............................................................................................. 53 8.1.1 Wasserdampftaupunkt............................................................................... 53 8.1.2 Schwefelsäuretaupunkt.............................................................................. 54 8.2 Effizienz von Verbrennungseinrichtungen...................................................... 55 8.2.1 Feuerungstechnischer Wirkungsgrad (Kesselwirkungsgrad)..................... 55 8.2.2 Abgaswärmestrom..................................................................................... 56 8.2.3 Nutzungsgrade.......................................................................................... 57 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften _________________________________________________________________________________ Literatur − Baehr/Kabelac: Thermodynamik, aktuelle Auflage − Brandt: Brennstoffe und Verbrennungsrechnung, 3. Aufl. (2000) − Cerbe/Wilhelms: Technische Thermodynamik, aktuelle Auflage − Joos: Technische Verbrennung (2006) − Kaltschmitt/Hartmann: Energie aus Biomasse, 2. Auflage (2009) − Recknagel/Sprenger/Schramek: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik (aktuelle Fassung) − Stach: Textbook of Coal Petrology (1982) − Żelkowski: Kohleverbrennung (1986) Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften _________________________________________________________________________________ Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ 1 Einführung 1.1 Einordnung und Aufgaben der Brennstofftechnik Die Brennstofftechnik ist ein Teilgebiet der sehr weit gefassten Energietechnik. In der Fachliteratur erfolgt eine Abhandlung auch häufig im Rahmen der Thermodynamik. Nachbardisziplinen sind Verfahrenstechnik, Gastechnik und Kraftwerkstechnik. Aufgabe der Brennstofftechnik ist die Bereitstellung von organischen Brennstoffen. Dies umfasst die Gewinnung und Aufbereitung von Brennstoffen aus fossilen und nachwachsenden Rohstoffen sowie aus Abfällen. Gewinnung bedeutet bei fossilen Stoffen deren Förderung, bei Biomasse deren Anbau und Ernte, bei Abfällen deren ordnungsgemäße Sammlung. Als weitere Aufgabe besteht die thermochemische Umwandlung zur Bereitstellung von Nutzwärme, welche durch Grundprozesse vollzogen werden. Tafelbild Abb. 1.1 Bereitstellungskette zur Nutzwärmeerzeugung Grundprozesse zur thermochemischen Umwandlung. Thermochemische Um- wandlung von organischen Brennstoffen bedeutet die Bereitstellung von thermischer Energie durch eine chemische Umwandlung unter Wärmeeinwirkung. Hierzu werden folgende Grundprozesse eingesetzt: − Verbrennung → vollständige Oxidation eines Brennstoffes (BS) − Vergasung → Veredelung eines BS durch Teiloxidation − Pyrolyse → Veredelung eines BS ohne äußere Sauerstoffzufuhr − Verkohlung → Veredelung eines BS durch sehr geringe Sauerstoffzufuhr Während die Verbrennung eine sofortige Umwandlung eines Brennstoffes in Nutz- wärme bedeutet, stellen die Veredelungsverfahren einen Zwischenschritt dar, dem eine Verbrennung als endgültige Umwandlung folgt. Eine ausführlichere Behandlung der Grundprozesse sowie sich daraus ableitender weiterer Verfahren erfolgt in Kap. 2 und 3. Ziele der Verbrennungslehre. Die Verbrennungslehre ist ein wesentlicher Bestand- teil der Brennstofftechnik und umfasst die Teilgebiete der Verbrennungsrechnung, Verbrennungskontrolle und den Brennstoffeinsatz. Die Verbrennungsrechnung dient als Vorbereitung zur Auslegung technischer Anla- gen für die thermodynamische Umwandlung, d.h. Feuerungen (Kap. 4), die Verbren- nungskontrolle zur Anlagenüberwachung (Kap. 5). Auf Grundlage der Verbren- nungsparameter werden brennstoffspezifische Kenngrößen zur Auslegung von Kraftwerkskomponenten – wie z.B. Feuerraum, Brennkammer – berechnet (Kap. 6). An den Betrieb feuerungstechnischer Anlagen bestehen als Anforderungen: − technologische Randbedingungen → Brennstoffqualität (Energiedichte, Verunreinigungen) 1 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ → Prozesstemperaturen → Abbranddauer − wirtschaftliche Prozessführung → optimale Einstellung des Brennstoff-/Luftverhältnisses → Minderung von Wärmeverlusten und Eigenverbrauch → Vermeidung von Materialschäden (Korrosion, Wärmespannungen) − Umweltschutz: → Einhaltung immissionsrechtlicher Vorschriften gemäß BImschG Bedeutung von Brennstoffen. Die Struktur des Primärenergieverbrauchs (PEV) in Deutschland weist einen Anteil von fast 90 % für organische Brennstoffe auf, was die Bedeutung der Brennstofftechnik als eigenständige Disziplin unterstreicht. Das Gros von 80 % des PEV wird durch fossile Brennstoffe wie Kohle, Erdöl und Erdgas abge- deckt. Knapp 10 % des PEV bestehen aus regenerativen Brennstoffen wie fester Biomasse (Holz, Energiepflanzen), Pflanzenöl und Biogas sowie biogenen Abfällen.1 Anwendungsgebiete für Brennstofftechnik. Stromerzeugung in thermischen Kraftwerken sowie die direkte Nutzwärmeerzeugung, z.B. in Heizwerken, Heizkraft- werken oder häuslichen Heizöfen. 1.2 Umwelt- und Klimarelevanz der Brennstoffnutzung Bei der Brennstoffnutzung entstehen Emissionen wie Kohlenstoffoxide (CO, CO 2), Kohlenwasserstoffe, Schwefeloxide, Stickstoffoxide, Wasserdampf und Partikel (Un- verbranntes, Ruß, Asche). Diese Stoffe sind umwelt- und/ oder klimarelevant. Umweltschutz. Zur Begrenzung der umweltrelevanten Stoffe sind die Bestimmun- gen des Bundesimmissionsschutzrechts zu beachten. Tab. 1.1 Auszug aus den Bundesimmissionsschutzbestimmungen Kleinfeuerungs- anlagenverordnung 1 Zahlenwerte von Stand 2020 [FNR-Graphik (herausgerechnet), 03/2021] 2 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ Als umweltrelevant ist zudem der Landschaftsverbrauch einzuordnen, z.B. bei Braunkohletagebau oder auch Nutzung landwirtschaftlicher Flächen für den Energie- pflanzenanbau (ggf. Problematik der Monokultur, Biodiversität). Klimaschutz. Zum Klimaschutz müssen die CO2-Emissionen begrenzt werden. Brennstoffe verursachen CO2-Emissionen in g CO2/kWh2 wie folgt: → Beispielrechnung im Anhang − Braunkohle → 400 g CO2/kWh − Steinkohle → 330 g CO2/kWh − Heizöl, leicht → 260 g CO2/kWh − Erdgas → 200 g CO2/kWh − Regenerative BS → …. Wesentlicher Unterschied: Fossile Brennstoffe werden verbraucht, regenerative Brennstoffe werden im Kreislauf geführt. In vereinfachter Weise wird dies an den Wegeverläufen des Kohlenstoffes (C) deutlich. Tafelbild Abb. 1.2 Werdegang des Kohlenstoffs bei fossilen bzw. regenerativen Brennstoffen Durch CCUS-Technologie (Carbon-Capture-and-Use/Storage) könnten CO2- Emissionen fossiler Brennstoffnutzung erheblich gemindert werden. Die Technologie wurde bis zur Pilotphase entwickelt, wird aber wegen möglicher Umweltschäden in europäischen Ländern wie D und F kritisch gesehen. Inzwischen wurde mit dem Klimaschutzabkommen von Paris 2015 der Ausstieg aus der Nutzung fossiler Energieträger beschlossen. Instrumente wie der europaweite Emissionshandel sollen zu einer zügigen Begrenzung des CO2-Ausstoßes führen. Ein angemessener CO2-Preis hätte Rückwirkungen auf Investitionsentscheidungen in der konventionellen Brennstofftechnik. Zum Beispiel müssten die Kosten für die Ver- feuerung von Steinkohle dann neu bewertet werden. 2 bezogen auf den Brennstoffeinsatz 3 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ 2 Herkunft der Brennstoffe 2.1 Einteilung und Übersicht Unter Brennstoffen versteht man in der Brennstofftechnik alle festen, flüssigen und gasförmigen Substanzen, die sich unter Wärmeentwicklung mit Sauerstoff verbinden. Dazu müssen feste und flüssige Stoffe zuvor in den gasförmigen Zustand überführt werden, da nur Gase sich mit Sauerstoff vermischen und verbrennen können. Die Einteilung von Brennstoffen erfolgt zum einen nach dem Aggregatzustand, zum anderen nach der Herkunft (fossil oder regenerativ). Zu jedem Endenergieträger wird die jeweilige Herkunft genannt. Tab. 2.1 Einteilung von Brennstoffen nach Aggregatzustand und Herkunft Herkunft fossil regenerativ Abfall/Abwasser Aggre- gatzustand fest Steinkohle Biofestbrennstoffe Ersatzbrennstoffe (EBS) Braunkohle Holz A1-A4 Klärschlamm (ge- Torf Holzhackschnitzel trocknet) Briketts Holz-/Strohpellets flüssig Erdölprodukte Biokraftstoffe Pyrolyseöl Heizöl Pflanzenöl Altöl aus Pflan- zenfetten Diesel Biodiesel Benzin Bioethanol gasförmig Erdgas Biogas Klärgas Flüssiggase Biomethan Deponiegas Stadtgas Kokereigas Tafelbild Einsatzbedingungen. Um Brennstoffe wirtschaftlich einsetzen zu können, sind ver- schiedene Bedingungen zu erfüllen: - Die Energiedichte eines Brennstoffes muss ausreichend hoch sein, so dass die thermochemische Umwandlung zu einem wirtschaftlich vertretbaren Wärmege- stehungspreis möglich ist. - Unerwünschte Beimengungen, wie Asche oder Schwefel, die Ursache von Be- triebsstörungen z. B. Korrosion oder von übermäßiger Umweltbelastung sein können, sollten entfernt oder auf ein Minimum herabgesetzt werden. - Brennstoffe müssen zudem → bei fossiler Herkunft – in großen Mengen vorkommen und wirtschaftlich zu fördern sein → bei regenerativer Herkunft – wirtschaftlich anzubauen und zu ernten sein → bei Herkunft aus Abfall – in ausreichend großer Menge anfallen und wirtschaft- lich einzusammeln sein (gute Logistik) 4 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ 2.2 Fossile Brennstoffe Es existieren feste, flüssige und gasförmige Energieträger als Torf, Kohle, Erdöl und Erdgas. Meist ist eine Aufbereitung zum gebrauchsfähigen Brennstoff erforderlich. 2.2.1 Torf und Kohle (a) Entstehung Torf. Eine Anhäufung abgestorbener Pflanzen in einem sauren Milieu wird als Torf bezeichnet. Vertorfungsprozesse sind alle mikrobiologischen und chemischen Pro- zesse, denen Pflanzensubstanzen ausgesetzt sind. Im erdgeschichtlichen Geste- hungsprozess stellt Torf eine Vorstufe zur Kohle dar. Es bildet sich im Durchschnitt ca. 1 mm - max. 10 mm - pro Jahr.3 Abb. 2.1 Entstehung von Torf Inkohlung. Die Entstehung von Kohle basiert auf der Anreicherung von Kohlenstoff in den organischen Molekülen einer Pflanze. Hierbei entstehen aus Holz durch Erhö- hung von Druck und Temperatur kohlenstoffhaltige Gesteine. Inkohlungsvorgänge werden in den biochemischen und den physikalischen Prozess unterteilt. Abb. 2.2 Inkohlungsprozess bei der Entstehung von Kohle Biochemischer Prozess. Um die vollständige Zersetzung von Pflanzenteilen durch aerobe Bakterien zu unterbinden, muss Inkohlung im sauerstoffarmen Milieu stattfin- den, welches beim Versinken von Pflanzenteilen in einem stehenden Gewässer ent- steht. Ablagerung von Schlamm bzw. Sand verhindert den Zutritt von Sauerstoff. Be- günstigt vom sauerstoffarmen Milieu entstehen durch anaerobe Bakterien innerhalb der pflanzlichen Substanzen sowie der umgebenden Lösung Huminsäureverbindung- en, die wiederum Polymerverbindungen aufbauen. Der pH-Wert sinkt ab. Schließlich bilden sich sehr saure, braun gefärbte Huminsubstanzen. Mikrobiologische und che- mische Prozesse der Inkohlung werden auch als Vertorfung bezeichnet. Physikalischer bzw. geologischer Prozess. Durch überlagernde Gesteinsschich- ten erhöht sich auch der Druck, denen die Pflanzenansammlung ausgesetzt ist. Es kommt zur Abnahme der Porosität und damit zur Veränderung der Struktur innerhalb des Pflanzenkörpers. Zelluläres Wasser wird durch erhöhten Druck herausgepresst, während mit zunehmender Tiefe auch die Temperatur zunimmt (in Mitteleuropa etwa 30 K pro 1.000 m). Druck, Temperatur und Zeit sind die entscheidenden Faktoren für die Kohlenstoffanreicherung in pflanzlichen Molekülen. 3Für einige Staaten wie Finnland (FIN) ist dies Anlass, Torf als "Regenerativbrennstoff" einzustufen. Etwa 6 % des PEV in FIN wird durch Torf gedeckt. 5 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ Endprodukte nach Prozessfortschritt. Man unterscheidet die einzelnen Produkte nach ihrem C-Gehalt, der sich nach einer bestimmten Gestehungszeit eingestellt hat. Weitere Kriterien sind O, H, Alter und Energieinhalt, hier ausgedrückt als Heizwert. Tab. 2.2 Einteilung fester Brennstoffe nach Inkohlungsfortschritt Alter Anteile [Masse - %] Heizwert Brennstoff [a] C O H [kJ/kg] Holz* aktuell 50 44 6 8.400 – 16.000 Torf 0,012 Mio. 55 -65 30 -40 5-7 880 – 14.000 Braunkohle 5 – 40 Mio. 65 -75 20 -30 5 -6 8.000 – 17.000 Steinkohle 285 – 500 Mio. 75 -90 5 - 18 4-6 27.000 – 32.000 Anthrazit 1.000 Mio. > 90 2-3 4 31.000 Graphit 100 0 0 32.800 * Nichtfossiler Brennstoff zum Vergleich Braunkohle. Wird Torf durch Druck- bzw. Temperaturerhöhung diagenetisch verän- dert und erfährt zudem eine C-Anreicherung, bildet sich Braunkohle. Für die Entste- hung eines bis zu 100 m mächtigen Braunkohlenflözes wird ein Zeitraum von 125.000 - 250.000 Jahren angenommen. Im Vergleich zu Torf ist Braunkohle viel dichter und härter. Eine weitergehende Einteilung erfolgt nach C-Gehalt. - Weichbraunkohle - Hartbraunkohle - Mattbraunkohle - Glanzbraunkohle C-Gehalt Abb. 2.3 Weitergehende Einteilung von Braunkohlen Weichbraunkohlen entstehen ausschließlich durch mikrobiologische und chemische Prozesse, während Hartbraunkohlen durch weitere Inkohlungsprozesse entstehen. Steinkohle. Bei Steinkohle spielt der Überlagerungsdruck eine entscheidende Rolle. Steinkohlen werden nach flüchtigen Bestandteilen (Gasen) klassifiziert. - Flammkohle Flüchtige - Gasflammkohle - Gaskohle - Fettkohle - Esskohle - Magerkohle - Anthrazit Abb. 2.4 Weitergehende Einteilung von Steinkohlen Den höchsten Kohlenstoffgehalt aus der Inkohlungsreihe hat der Anthrazit (> 90 %), welcher härter als Steinkohle ist und einen beinahe metallischen Glanz aufweist. Reinen Kohlenstoff von tiefschwarzer Farbe bezeichnet man als Graphit. (b) Lagerstätten und Förderung Torfgebiete. Torflagerstätten befinden sich in D vornehmlich im nordwestdeutschen Raum. Da Moore heute als bewahrenswerte Biotope angesehen werden, findet in D ein Abbau aus intakten Mooren nicht mehr statt. Torfabbau erfolgt nach dem Tagebauverfahren in entwässerten offenen Gruben. Das Material wird im Fließverfahren gefräst oder gebaggert sowie durch Pressen und an- schließende offene Lagerung bis zur Verwertung getrocknet. 6 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ Kohlereviere. Abb. 2.5 Europäischer Kohlegürtel Braunkohlenlagerstätten befinden sich im Wesentlichen in naher Lage zur Erdober- fläche, weshalb die Förderung zumeist im Tagebau erfolgt. Hierdurch ergeben sich erhebliche Eingriffe in die Landschaft. Steinkohleförderung erfolgt üblicherweise im Untertagebau in bis zu 1.500 m Tiefe. Aufgrund der Entstehungsgeschichte gab es in Teilen des deutschen Ruhrreviers eine Verschiebung der Kohleflöze bis zur Erdoberfläche, wo zu Beginn der Förderpe- riode daher auch Tagebau möglich war. Die erste Nutzung erfolgte dort um 1300, die industrielle Förderung setzte mit Beginn der Industrialisierung im 19. Jahrhundert ein. Der deutsche Steinkohlebergbau lief zum 31.12.2018 aus. (c) Aufbereitungs- und Veredelungsverfahren Nicht alle natürlichen Brennstoffe sind nach der Förderung sofort einsatzfähig. Erst durch geeignete Aufbereitung und/oder Veredelung entstehen aus den Primärener- gieträgern gebrauchsfähige Sekundärenergieträger. Nachfolgend sind einige Praxis- beispiele aus Vergangenheit und – noch – Gegenwart aufgeführt. Braunkohletrocknung. Braunkohle hat einen natürlichen Feuchtegehalt von bis zu 50%. Dieser muss für Einsatzzwecke als Brennstoff auf ca. 5-15 % gemindert wer- den. Hierzu werden als Vorbehandlung zur Brikettherstellung Röhrentrockner einge- setzt. Bei Kraftwerksprozessen erfolgt eine Vortrocknung mit heißem Rauchgas. Verkokung. Entgasung von Kohle bei 1.000°C zur Erzeugung von Koks für Hochö- fen der Stahlindustrie. Dabei fielen als Nebenprodukte Stadtgas und Generatorgas an. Diese finden kaum noch Anwendung und sind dem Erdgas gewichen. Kohlehydrierung. Wesentliches Verfahren ist die Fischer-Tropsch-Synthese (100- 500°C), die nach zwischenzeitlichen Versuchen – z.B. während den Ölkrisen der 1970er Jahre im damals westlichen Bereich - keine große Bedeutung mehr hat. Kohlevergasung. Thermisches Veredlungsverfahren unter Einsatz eines Verga- sungsmittels (Luft, Dampf) bei 2.000°C zur Erzeugung von Brenngas aus Kohle. 7 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ Abb. 2.6 Vortrocknung von Roh- Abb. 2.7 Kokerei, Gesamtansicht und kohle im Kraftwerksprozess Schnitt eines Einzelsegments 2.2.2 Erdöl (a) Entstehung Erdöl besteht aus einem Gemisch von verschiedenen Kohlenwasserstoffen. Der Ent- stehungsprozess begann mit der Bildung des notwendigen Muttergesteins. Hierbei und bei der weiteren Entstehung wurde analog zur Kohleentstehung die biochemi- sche und gegen Ende eine physikalische Phase durchlaufen: − Absinken abgestorbener Organik (Algen, Plankton) auf den Meeresgrund − Faulschlammbildung unter Sauerstoffabschluss − Bildung von Tonschiefer durch Auflast − Muttergestein: Gehalt organischer Substanzen von etwa 1 bis 2 %, max. 20 % − Absinken des Muttergesteins bei Aufheizen durch Erdwärme − Spaltung des organischen Materials durch Druck (220 bar) in einfache Verbin- dungen (z. B. Methan und Benzol) − Anlagerung zu komplexeren Verbindungen bei erhöhten Temperaturen (50 bis 220 °C) in 2.000 bis 4.000 Metern Tiefe → Erdöl Abb. 2.8 Phasen der Erdölentstehung (b) Lagerstätten und Förderung Erdöl befindet sich in Form kleiner Tröpfchen in feinen Poren von Speichergesteinen ( durchtränkter Schwamm). Das fließfähige Öl wird als konventionell bezeichnet. Beim Aufstieg aus den Muttergesteinen gelangte einiges Öl in höher liegende Sand- oder Schieferschichten (Ölschiefer, Ölsande, Teersande = nichtkonventionelles Öl). Etwa 2,5 % des deutschen Erdölverbrauchs kann einheimisch gedeckt werden, hauptsächlich aus dem nordwestdeutschen Raum. Lagerstätten in Europa und welt- weit: GB, NL, N,, OPEC-Staaten (konventionell); Baltische Staaten (Ölschiefer); Nordamerika (Ölsande). 8 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ In vielen Fördergebieten ist der Peak Oil (Ölfördermaximum) bereits überschritten, so auch in den britischen und niederländischen Ölfeldern der Nordsee. Die Förderung konventioneller Öle lässt sich in drei verschiedene Phasen gliedern: Primärförderung. Eruptivförderung, bei der das Öl durch natürlichen Lagerstätten- druck alleine an die Oberfläche kommt, oder Pumpförderung. Der Entölungsgrad - Grad der Ausschöpfung einer Lagerstätte - liegt in dieser Phase bei 10-20 %. Sekundärförderung. Beinhaltet Maßnahmen zur Erneuerung des natürlichen Lager- stättendrucks durch Gasinjektionen und in die Lagerstätte eingeleitetes Wasser. Der Entölungsgrad erhöht sich dadurch um weitere 15-45 %. Tertiärförderung. auch: EOR (Enhanced Oil Recovery). Einwirken auf die Kapil- larkräfte, die das Öl an einer Bewegung im Porenraum hindern (z.B. Dampffluten, chemisches Fluten). Dadurch weitere 5-15 % förderbar. Hohe Kosten. Insgesamt max. 60-80 % einer Erdöllagerstätte zu fördern, eher unterer Wert. Um die Lagerstätten des Erdöls zu erreichen, kommen verschiedene Bohrtechniken zum Einsatz, darunter das Rotary-Verfahren (Drehmeißel, am häufigsten eingesetzt) und das Horizontalbohren. Abb. 2.9 Erdölförderung – verschiedene Verfahren Die Kosten einer solchen Bohrung betragen bei einer Tiefe von etwa 5.000 Metern zwischen sieben und zwölf Millionen Euro. (c) Aufbereitungs- und Veredelungsverfahren Fraktionierte Destillation. Zur Erzeugung gebrauchsfertiger Energieträger erfolgt die Aufbereitung in Erdölraffinerien. Dabei kommt die fraktionierte Destillation zum Einsatz, wobei je nach Kondensationspunkt Sekundärenergieträger resultieren. Von den leichten Produkten der homologen Reihe werden Propan und Butan durch Kompression auf 8 bar zu Flüssiggas (LPG = Liquefied Petroleum Gas) gewandelt. Die Veredelung der Erdöldestillate führt zum ge- brauchsfertigen Endprodukt und umfasst die Schrit- te Entschwefelung und Reformieren. Beim Refor- mieren werden geradkettige Verbindungen in ring- förmige und verzweigte umgewandelt, um derart das Zündverhalten – z.B. bei motorischen Verbren- nungsprozessen - zu verbessern. Abb. 2.10 Fraktionierte Destillation 9 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ 2.2.3 Erdgas (a) Entstehung Erdgas entstand häufig parallel zum Erdöl. Die Sammlung erfolgte daher durch Mig- ration in sogenannten Erdgasfallen unterhalb von Deckgesteinen und oberhalb eines Erdölreservoirs (nasses Erdgas). Alternativ kann sich Erdgas in Gesteinen oder Sanden gebildet haben (trockenes Erdgas). Weitere Entstehungsmöglichkeit ist bei Inkohlungs- Grubengas vorgängen ausgetriebenes Gas, welches sich entsprechend bei den Kohleflözen gebildet hat (Grubengas). nasses Erdgas trockenes Erdgas Abb. 2.11 Erdgasvorkommen je nach Ent- stehungsart (b) Lagerstätten und Förderung In der Vorstellung kann nicht von einem Gastank ausgegangen werden. Analog zum Erdöl lagert Erdgas in Poren von Speichergesteinen. Die häufig auftretende Lage- rung von nassem Erdgas erklärt die räumliche Nähe von Erdgaslagerstätten zu Erd- ölfeldern, so z.B. im norddeutschen Raum. In großen Teilen Mittel- und Nordeuropas und in Nordamerika kam es vor 290 bis 315 Mio. Jahren zu Erdgasbildung. Diese Gebiete lagen damals in Äquatornähe, also im tropischen Be- reich. Im Laufe der Erdgeschichte drifteten Mit- tel- und Nordeuropa und Nordamerika mehrere tausend Kilometer nach Norden. Erdgase bestehen aus 85 % bis zu 99 % aus Methan, zudem aus anderen Kohlenwasser- stoffen und Spurenstoffen wie CO, N, H2S. Je nach Methangehalt wird unterschieden: − Erdgas H (High Gas) − Erdgas L (Low Gas) Abb. 2.12 Erdgas- und Erdöllagerstätten in D Erdgas H findet sich z.B. in der Nordsee und in den Staaten der russischen Föderati- on. Auch bei Erdgas gibt es analog zum Erdöl nichtkonventionelle Vorkommen. Da- bei handelt es sich um so genannte Gashydrate, d.h. Eis-Methan-Klumpen in der Tiefsee, deren Ausbeutung technisch-ökonomisch derzeit nicht zur Diskussion steht. Die Erdgasförderung erfolgt in reinen Erdgasfeldern oder als Nebenprodukt bei der Erdölförderung. Das Erdgas steht meist unter hohem Druck und gelangt daher ohne Fremdhilfe durch den Förderstrang zur Erdoberfläche. Jedoch gibt es auch hier be- reits Verfahren, Erdgasstätten mit zusätzlichem Druckmittel, z.B. CO2, weiter auszu- beuten, sog. EGR-Verfahren (Enhanced Gas Recovery). Ebenso kann bei der zuvor behandelten Ölförderung das mit lagernde Erdgas ggf. als Druckmittel fungieren. 10 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ Abb. 2.13 Gemeinsame Förderung von Erdgas und Erdöl (links); Erdgasförderung mit Erdgas als Druckmittel (rechts) Fracking = Hydraulic Fracturing: Unter hohem Druck wird ein Gemisch aus Wasser, Sand und Chemikalien in die Bohrung ge- presst, das viele Risse in eine gastragende Schicht sprengt (Fracs). Das Verfahren ist um- stritten wegen möglicher Um- weltauswirkungen, z.B. Grund- wasserkontamination. Abb. 2.14 Fracking, Prinzipskizze (c) Aufbereitungs- und Veredelungsverfahren Gastrocknung. Erdgas ist ideal gesättigt und muss für Anwen- dungen wie Einspeisung in das Erdgasnetz oder zur Herstellung von Kraftstoffen getrocknet wer- den, z.B. Absorptionstrocknung oder Molekularsieb. Abb. 2.15 Absorptionstrocknung von Erdgas Gasentschwefelung. Erfolgt z.B. nach dem Sulfinolverfahren. Kraftstoffherstellung. Verfahren zur Kompression oder/ und Verflüssigung: − Kompression auf 200 bar → CNG (Compressed Natural Gas) − Verflüssigung bei -160°C → LNG (Liquefied Natural Gas) Anwendungen Abb. 2.16 LNG-Gesamtsystem 11 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ 2.2.4 Wasserstoff (grau, blau) Zur Unterscheidung der Herkunft wird Wasserstoff (H2) in verschiedene Farben ein- geteilt. Die wesentlichen Farben sind im Folgenden beschrieben. Grau: Gewinnung aus fossilen Brennstoffen. In der Regel wird bei der Herstellung Erdgas unter Hitze in H2 und CO2 umgewan- delt (Dampfreformierung). Das CO2 wird anschließend unge- nutzt in die Atmosphäre abge- geben und verstärkt so den glo- balen Treibhauseffekt: Bei der Produktion von 1 t H2 entstehen rund 10 t CO2. Abb. 2.17 Wasserstofferzeu- gung aus Erdgas durch Dampf- reformierung Blau: H2 fossiler Herkunft, dessen CO2 bei der Entstehung jedoch abgeschieden und gespeichert bzw. verwendet wird, engl. Carbon Capture, and Use, and Storage (CCUS). Das bei der H2-Produktion erzeugte CO2 gelangt so nicht in die Atmosphäre und der Prozess kann bilanziell als CO2-neutral betrachtet werden. Abb. 2.18 Schematischer Ablauf von CCUS 2.3 Regenerative Brennstoffe 2.3.1 Biomasse (a) Rohstoffbasis Gewinnung von Brenn- und Kraftstoffen aus Biomasse. Unter Biomasse wird sämtli- che Phyto- und Zoomasse verstanden, die sich innerhalb menschlich relevanter Zeit- räume regeneriert, d.h. im Bereich von Jahren und wenigen Jahrzehnten. Biomasse kann als Reststoff eingesammelt oder gezielt angebaut werden. Zur Herstellung der gebrauchsfähigen Bioenergieträger Biofestbrennstoff, Biokraft- stoff und Biogas werden als Rohstoffe Pflanzen benötigt. Die Einteilung erfolgt nach der morphologischen Struktur in Lignozellulosepflanzen sowie Stärke-, Zucker- und Ölpflanzen. Als eigenständige Gruppe gilt halmgutartige Biomasse (Stroh). 12 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ Lignozellulosepflanzen. Kern- bestandteile sind Lignin, Zellulo- se und Hemizellulose in unter- schiedlichen Anteilen. Erhalt als: Reststoffe - Schwachholz, - Holzabfälle, - Landschaftspflegegräser Energiepflanzen - Kurzumtriebsplantage (KUP) - Anbaugräser Abb. 2.19 Rohstoffbasis biogener Brennstoffe (z.B. Miscanthus) Stärke- und Zuckerpflanzen dienen als Ausgangsmaterial für den Biokraftstoff Ethanol. Zuckerrohr ist relativ wärmebedürftig. Stärkepflanzen und Zuckerrübe wachsen unter den üblichen mitteleuropäischen Wetterbedingungen. Im Zuge der effektiven Ausnutzung von Feldern gibt es Winteranbau. Ölpflanzen zeichnen sich dadurch aus, dass sie Speicher- und Reservestoffe vor- nehmlich als Öl in ihren Früchten und Samen einlagern. Diese Speicherorgane stel- len die Rohmaterialien für die Produktion pflanzlicher Öle dar (Pflanzenöl). Pflanzen- öle dienen als Grundlage für Rapsmethylester (RME, "Biodiesel"). Halmgutartige Biomasse (Stroh). Ernterückstände aus der landwirtschaftlichen Produktion körnerliefernder Kulturen (Getreide, Ölsaaten und Körnermais). (b) Verarbeitung/ Umwandlung Die Verarbeitung der biogenen Rohstoffe erfolgt über verschiedene Umwandlungs- pfade zu den gebrauchsfertigen Bioenergieträgern in den Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig. Abb. 2.20 Umwandlungspfade biogener Rohstoffe bis zur Nutzenergie Ausgewählte Beispiele: 13 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ Abb. 2.21 Verkohlung im historischen Meiler; Autoklav für HTC, Produktwerdegang (a) (b) Abb. 2.22 (a) Pflanzenölpressung, (b) Umesterung von Pflanzenöl zu Biodiesel Abb. 2.23 Erzeugung von Biogas durch anaeroben Abbau in einer Biogasanlage (Ausschnitt) 2.3.2 Wasserstoff (weiß, grün) Weiß: Natürlich vorkommender moleku- larer H2, der kontinuierlich durch geo- chemische Reaktionen - zwischen Eisen und Wasser bei bestimmten Temperatu- ren und Drücken - in geologischen For- mationen entsteht. Entstehung sowie Transport in der Erdkruste ist bisher wissenschaftlich noch weitgehend un- verstanden. Grün: Erfolgt durch (Überschuss-) Strom Abb. 2.24 H2-Erzeugung durch aus Erneuerbaren Energien per Wasser- Wasserelektrolyse elektrolyse Weiterverarbeitung von grünem Wasserstoff unter Verwendung von CO2, z.B. aus Rauchgasabscheidung zu e-fuels per Fischer- Tropsch-Synthese (flüssige Kraftstoffe), per Sabatier- Prozess (Bio-Methan) oder Methanolsynthese. Abb. 2.25 Herstellung von e-fuels 14 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ 2.4 Brennstoffe aus der Abfall- und Abwasserbehandlung Aus Abfällen und Abwässern können Brennstoffe gewonnen werden, deren Einord- nung als fossil bzw. regenerativ nicht immer eindeutig möglich ist. Bei Bilanzbetrach- tungen wird daher oft willkürlich ein Schnitt bei 50 % der Inhaltsstoffe einer Abfallfrak- tion – z.B. Restmüll (Graue Tonne) – gesetzt. Der Gesetzgeber stuft die hier genannten Brennstoffe als nicht-regenerativ ein, d.h. es gibt keine Vergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). Nachfol- gend sind einige grundlegende Beispiele kurz beschrieben. 2.4.1 Ersatzbrennstoffe (EBS) und getrocknete Klärschlämme Ersatzbrennstoffe. Speziell aufbereitetes Gemisch aus heizwertreichen Abfallbe- standteilen, z.B. Holz, Papier, Kunststoffen und Textilien. Diese werden aus Gewer- beabfällen und Hausmüll gewonnen und sind im Heizwert vergleichbar mit einigen Braunkohlesorten oder mit gutem Brennholz. Abb. 2.26 Anlage zur EBS-Produktion, Ansicht von EBS Als EBS sind bestimmte Abfallsorten gemäß dem Europäischen Abfallkatalog (EAK) zugelassen. Beispiele: − 19 xx xx "Abfälle aus Abfallbehandlungsanlagen, öffentlichen Abwasserbehand- lungsanlagen sowie der Aufbereitung von Wasser für den menschlichen Ge- brauch und Wasser für industrielle Zwecke" − 19 12 xx "Abfälle aus der mechanischen Behandlung von Abfällen (z. B. Sortie- ren, Zerkleinern, Verdichten, Pelletieren Die EBS müssen zudem verschiedenen Kriterien genügen, wie Heizwert, Korngröße, Schüttdichte, Asche- und Wassergehalt4. Für Schadstoffe wie Chlor und Schwerme- talle gelten Grenzwerte. Auch: BRAM (Brennstoff aus Müll) Klärschlämme (getrocknet). Es bestehen zwei grundsätzliche Möglichkeiten, Klär- schlamm durch Energieumwandlung umzusetzen: Als Substrat für anlageneigene Faultürme zur Erzeugung des Brennstoffes Klärgas oder in getrockneter Form zur direkten Verbrennung, z.B. in Heizkraftwerken. Eine weitere Option ist die Mitver- brennung/Zuschlagfeuerung in Kohlekraftwerken, so z.B. beim KW Lippendorf. In der getrockneten Form wird Klärschlamm mitunter zu den EBS gerechnet, was sich auch aus der o.g. Definition ableitet. Die Aufbereitung umfasst die Schritte 4 Diese und andere Parameter werden in Kap. 3 definiert. 15 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ − Vorentwässerung des Nassschlamms (ca. 5 % TS) − Trocknung des Filterkuchens (ca. 25 % TS) − zum Brennstoffgranulat (> 90 % TS) Die Trocknung erfolgt z.B. durch Sonneneinstrahlung und Abwärme aus technischen Prozessen über eine Fußbodenheizung. Das Brennstoffgranulat ist lagerstabil und für eine Feuerung einblasfähig. Betrachtungsbeispiel: 1 t Trockenschlamm ersetzt 0,3 – 0,4 t Steinkohle. Dadurch wird die Emission von ca. 1 t CO2 aus fossiler Ver- brennung vermieden. Abb. 2.27 Klärschlammentwässerung mit Schneckenpresse, Klärschlammtrocknung hybrid (solar – künstlich erwärmte Luft, "elektrisches Schwein") 2.4.2 Pyrolyseöle Durch Ent- und Vergasung von Abfällen (Pyrolyse) entstehen Endprodukte fester, flüssiger und gasförmiger Art. Bei den flüssigen Stoffen handelt es sich um Pyrolyse- öle mit kraftstoffähnlichen Eigenschaften. Die Hausmüllpyrolyse hat sich großtechnisch nicht bewährt, jedoch gibt es heute bei- spielsweise Anlagen zur Pyrolyse von Altreifen. Ein gängiges Ver- fahren ist der Drehrohrofen. Abb. 2.28 Beispiel für einen Pyrolyseofen 2.4.3 Deponiegas und Klärgas Deponiegas ist artverwandt mit Biogas und Klärgas (methanhaltiger Brennstoff). Das Gas wird aus Restmülldeponien durch eine so genannte Gasfassung in Gasbrunnen gesammelt und nach einer Trocknung einem BHKW zur Verstromung zugeführt. De- poniegas gilt als nicht regenerativ, da es aus einem schwer definierbaren Abfallge- misch stammt. Es wird mit Restgaspotenzialen und einer wirtschaftlichen Gasfas- sung bis etwa 10 bis 15 Jahre nach einer Deponieschließung ge- rechnet (in D und EU wurden 2005 die meisten Deponien geschlos- sen). Danach ist die Ausgasung beendet, die Deponie inert. Abb. 2.29 Deponiegasanlage Abb. 2.30 Beispiel zur Verstromung von Klärgas im BHKW /Pro2/ 16 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ 2.5 Metallische Brennstoffe Geeignete Metalle können - in Pulverform - mittels heißer Oxidation ("Verbrennung") in ein Oxid überführt werden. Durch den exothermen Vorgang wird Wärme freige- setzt, die einer technischen Nutzung zugeführt werden kann. Beispielhaft sei hier die Reaktionsgleichung der Eisenverbrennung zu Eisen(III)-oxid genannt: 4 Fe + 3 O2 → 2 Fe2O3 + [Wärme] (2-1) Möglicherweise lassen sich ehemals mit Kohle befeuerte Kraftwerke auf Eisenstaub- verbrennung umrüsten. In einem zweiten Schritt ist denkbar, das Eisenoxid wieder zu Eisen reduzieren, um es erneut einer Verbrennung zuführen zu können. In einem regenerativen Energie- system bietet sich als Reduktionsmittel grüner Wasserstoff an. Reaktionsgleichung: Fe2O3 + H2 → 2 Fe + 3 H2O (2-2) In der Praxis könnte der Vorgang in auf Direktreduktion mit Wasserstoff umgestellten Stahlwerken erfolgen. Dadurch entsteht ein geschlossener Eisen-Energie-Kreislauf: Abb. 2.31 Eisen-Energie-Kreislauf 17 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ 3 Charakterisierung von Brennstoffen 3.1 Zusammensetzung Brennstoffe lassen sich anhand von Atomverhältnissen in vergleichsweise eng ge- fasste, klar voneinander abgrenzbare, Bereiche gruppieren. Anschaulich wird dies z.B. anhand eines H/C-O/C- Diagramms gezeigt. Maßgeblich für die Einstufung der Brennstoffe in ein Gesamtbild ist der Kohlenstoffgehalt, da dieser meist am stärksten vertreten ist. Anwendungen: Bei unbekannten Pro- ben Rückschlüsse auf Herkunft zie- hen. Kontrolle von Analysen. Abb. 3.1 Brennstoffe im H/C-O/C- Diagramm Es gibt im Wesentlichen zwei Brennstoffgruppen: − Feste und flüssige Brennstoffe mit oft unbekannten chemischen Verbindungen: Hier wird oft auf eine Elementaranalyse zurückgegriffen. − Gasförmige Brennstoffe mit bekannten chemischen Verbindungen wie Kohlen- wasserstoffe und Wasserstoff. Basis ist eine Brennstoffanalyse. 3.1.1 Elementaranalyse fester und flüssiger Brennstoffe Die Elementaranalyse (EA) stellt die Bestimmung des Gehaltes an einzelnen Ele- menten durch Verbrennung der Analysensubstanz (chemische Zusammensetzung) dar. Dabei wird der prozentuale Anteil eines Elementes am Gesamtgewicht der Sub- stanz bestimmt. Ermittelt werden folgende Anteile: − Kohlenstoffgehalt c − Stickstoffgehalt n − Wasseranteil w − Wasserstoffgehalt h − Schwefelgehalt s − Ascheanteil a − Sauerstoffgehalt o Die Gesamtaufstellung ist leicht zu merken als: c, h, o, n, s + w & a. Als Einheit wird kg/kg benutzt (d.h. kg Element pro kg Gesamtmasse der Probe), die Summe der An- teile ergibt definitionsgemäß 1 (100 %). Die Bestimmung erfolgt durch Elementarana- lysator (c, h, o, n, s) und/ oder Schwefel-/Kohlenstoffanalysator (s, c). Beim Elementaranalysator werden die Elemente durch Verbrennung der Substanz zu CO2, SO2, H2O und einem Gemisch aus N2 und NOx - letzteres danach an Cu zu N2 reduziert - umgesetzt. Anschließend werden alle Gase adsorbiert, wieder nacheinan- der desorbiert (Gaschromatographie) und durch einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) quantitativ bestimmt. Schwefel und Kohlenstoff können alternativ im Schwefel-/Kohlenstoffanalysator be- stimmt werden, d.h. Verbrennung der Probe und Analyse der Verbrennungsgase mit- tels Infrarotabsorption (IR). 18 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ 3.1.2 Brennstoffanalyse gasförmiger Brennstoffe Die Brennstoffanalyse gasförmiger Brennstoffe (Brenngasanalyse) beinhaltet die Be- stimmung der chemischen Verbindungen des Brenngases durch geeignete Gasana- lytik. Mögliche Verbindungen: − Methan (CH4) − Wasserstoff (H2) − höhere Kohlenwasserstoffe (C2H6,…) − Ballaststoffe (N2, CO2, O2) − Kohlenmonoxid (CO) Brenngase werden auf das trockene Gas bezogen. Eventuell vorhandene Wasser- dampfmengen können i.d.R. vernachlässigt werden bzw. werden als relative Gas- feuchte berücksichtigt. Die Zusammensetzung des Brenngases wird in Molanteilen – bei idealen Gasen entspricht dies näherungsweise den Volumenanteilen – angege- ben. Die Summe der Anteile ist 1 bzw. 100 %. Die Bestimmung kann durch drei Verfahrensarten erfolgen: Absorptionsverfahren nach Orsat, gaschromatographische Verfahren (GC) mit volumetrischer Bestimmung der Bestandteile bzw. GC mit Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) oder Flammenioni- sationsdetektor (FID). 3.2 Energetische Kenngrößen 3.2.1 Brennwert und Heizwert Bei der Reaktion eines Brennstoffes mit Sauerstoff wird Energie frei. Ihr Betrag wird je nach Berücksichtigung der Kondensationsenthalpie Brennwert oder Heizwert ge- nannt und kennzeichnet die im Brennstoff chemisch gebundene Energie. Kondensationsenthalpie. Viele Brennstoffe enthalten Wasserstoff und Wasser, wo- raus bei der Verbrennung Wasserdampf entsteht. Die Kondensationsenthalpie ist die Wärmeenergie, die bei der Rückkühlung der Verbrennungsprodukte auf eine Be- zugstemperatur5 abgeführt wird = Produkt aus Wasseranteil xH2O und spezifischer Kondensationsenthalpie r.6 Heizwert Hi (i = interior; früher: HU). Wärmemenge, die bei vollständiger Verbren- nung eines Stoffes frei wird, wobei das vor der Verbrennung im Brennstoff enthaltene und das dann gebildete Wasser als dampfförmig bleibend angenommen wird. Brennwert Hs (s = superior; früher: HO ). Wärmemenge, die bei vollständiger Ver- brennung nutzbar wird, wobei die Kondensationsenthalpie des bei der Verbrennung entstehenden Wasserdampfes berücksichtigt wird. Dabei liegt das vor der Verbren- nung im Brennstoff enthaltene und dann gebildete Wasser flüssig vor. Der Formelzusammenhang zwischen Brennwert und Heizwert ergibt sich als Brenn- wert = Heizwert + Kondensationsenthalpie bzw. ausgedrückt in Symbolen: Hs = Hi + x H 2 0 ∙ r (3-1) Bei Elementar- bzw. Brenngasanalyse kann wie folgt gerechnet werden: (a) feste und flüssige Brennstoffe (gemäß Boie) Hi = 34.830 c + 93.850 h + 10.460 s + 6.280 n – 10.800 o – 2.442 w kJ/kg (3-2) Hs = Hi + 2.442 (9 h + w) kJ/kg (3-3) 5 Als Bezugstemperatur wird meist die chemische Standardtemperatur 25°C eingesetzt. 6 Die spezifische Kondensationsenthalpie r von Wasser beträgt 2.442 kJ/kg bei 25°C. 19 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ (b) gasförmige Brennstoffe Hi = 10.780 H2 + 12.620 CO + 35.880 CH4 + 59.480 C2H4 + … kJ/m³ (3-4) Hs = 12.750 H2 + 12.620 CO + 39.810 CH4 + 63.420 C2H4 + … kJ/m³ (3-5) Die experimentelle Bestimmung von Verbrennungswärme und Heizwert erfolgt: − für feste und flüssige Brennstoffe gemäß DIN 51900 mit Bombenkalorimeter − bei Brenngasen zumeist mit GC. Vereinzelt werden noch Gaskalorimeter genutzt. Anschaulich wird die Energiedichte der Brennstoffe anhand einer Brennstofforgel angezeigt. Die zugehörigen Vergleichswerte sind in der Tabelle aufgeführt. Tab. 3.1 Energiedichte von Brennstoffen Brennstoff Volumen- Äquivalente* Heizöl/Diesel 1,00 Biodiesel 1,05 Holzpellets 3,33 Buchenscheitholz 5,11 Holz-Hackschnitzel (Kiefer) 10,36 Getreidestroh 18,00 Miscanthus (Elefantengras) 35,04 * in l Brennstoff als Ersatz für 1 l Heizöl Abb. 3.2 Brennstofforgel 3.2.2 Zündtemperatur Zum Begriff der "Verbrennung": Die Verbrennung beginnt, wenn der Brennstoff seine Zündtemperatur - für jeden Brennstoff unterschiedlich (!) - erreicht hat und eine in- tensive Mischung mit dem Reaktionspartner Sauerstoff vorliegt. Die Oxidationsreak- tionen verlaufen exotherm. Tafelbild Abb. 3.3 Zusammenhang zwischen Zündtemperatur und Reaktionsverlauf Tab. 3.2 Zündtemperaturen ausgewählter Brennstoffe (in Luft)7 Brennstoff Zündtemperatur [°C] Holz 200 – 300 Erdgas ca. 650 Fettkohle 250 Koks 550 - 600 Heizöl EL 230...245 Anthrazit 485 Braunkohle, Roh- 200 - 240 Stadtgas ca. 450 Torf, trocken 225 Heizöl S ca. 340 7 Daten aus: Taschenbuch für Heizungs- und Klimatechnik; Strauß, Kraftwerkstechnik 20 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ 3.3 Feste Brennstoffe Einige grundlegende Kenngrößen gelten für fossile als auch regenerative Brennstof- fe, andere Kenngrößen sind jeweils spezifisch für Brennstoffe der einen oder ande- ren Herkunft vorgesehen. 3.3.1 Bezugszustände und Struktur Für feste Brennstoffe gelten die Bezugszustände gemäß DIN 51700: roh, analysen- feucht (an), wasserfrei (wf), wasser- und aschefrei (waf), wasser- und mineralstofffrei (wmf). Abb. 3.4 Bezugszustände fester Brennstoffe nach DIN 51700 Chemische Struktur. Kohle besteht aus einem komplexen Gemisch aus alicycli- schen, heterocyclischen, gesättigten, ungesättigten und aromatischen Kohlenwas- serstoffen meist hoher Molmasse, die aus den ursprünglich pflanzlichen Überresten entstanden sind. Anders als bei Kohlen-Brennstoffen liegt der organische Kohlenstoff in biogenen Festbrennstoffen in teiloxidierter Form mit einem entsprechend erhöhten Sauerstoffgehalt vor. Dies erklärt den geringeren Heizwert der Biomasse (jeweils wasserfrei betrachtet). Abb. 3.5 (a) Beispiel für ein Makro- (b) Beispiel für eine Ligninstruktur, molekül der Steinkohle Holz (Ausschnitt) 21 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ 3.3.2 Kenngrößen für alle festen Brennstoffe Dichte. Bei festen Brennstoffen verwendete Formen der Dichte sind wie folgt: − Rohdichte → geometrische Dichte, scheinbare Dichte (eines porösen Kör- pers, Hohlräume inklusive) − Reindichte → absolute Dichte, wahre Dichte, Skelettdichte (Volumen ohne Hohlräume) − Schüttdichte → Gemenge aus Partikeln in einer Schüttung Abb. 3.6 Darstellung von Dichteformen Die bei Briketts und Pellets relevante Schüttdichte wird aus dem Quotienten der Masse des in einen Behälter geschütteten Brennstoffs und dem Füllvolumen des Behälters be- rechnet. Das Messergebnis ist dabei abhängig vom Wassergehalt, der Brennstoffart, der Form der Teilchen, deren Größenverteilung und der Verdichtung im Messbehälter. In der Regel wird die Schüttdichte im wasserfreien Zustand angegeben. Abb. 3.7 Normbehälter für die Schütt- dichtebestimmung von Festbrennstoffen In der Tabelle sind einige Beispiele für die Schüttdichte verschiedener Brennstoffe benannt, angegeben in Schüttraummeter. Tab. 3.3 Schüttdichte verschiedener Brennstoffe Brennstoff Schüttdichte [kg/m³] Steinkohle (Stücke) 770…810 Braunkohle (Brikett 7", geschüttet) 700…720 Holzpellets 650 Holzschnitzel (hart) 250 - 330 Siebanalyse bzw. Korngrößenverteilung. Bei der meist staubförmig eingesetzten Kohle (Staubfeuerung) im Bereich 0,2 bis 0,06 mm Einsatz von Prüfsieben nach DIN 1171, unterhalb 0,06 mm Windsichten, unter 0,02 mm Schlämmanalyse. Bei Biomassebrennstoffen wie Holzhackschnitzeln werden ebenfalls Prüfsiebverfah- ren eingesetzt, z.B. Plansieb- oder Trommelsiebverfahren. 22 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ Abb. 3.8 Schematische Darstellung der Funktionsweise einer Siebeinrichtung für die Bestimmung der Größenverteilung von Schüttgütern; Klassenkollektiv Wassergehalt. Bestimmung mit Trockenschrankverfahren nach DIN 51718. Dabei wird die Brennstoffprobe 2 h bei 106 °C (± 2 K) getrocknet. Der Wassergehalt ergibt sich aus der Gewichtsdifferenz vor und nach der Trocknung. Aschegehalt. Bestimmung mit Muffelofen nach DIN 51719. Die Brennstoffprobe wird 2 h bei 815 °C (± 15 K) erhitzt, danach abgekühlt und gewogen. Der Ascheanteil ergibt sich aus der Gewichtsdifferenz der Probe vor und nach der Verbrennung. Flüchtige Bestandteile. Die Bestimmung des Gehaltes an flüchtigen Bestandteilen erfolgt nach DIN 51720 ebenfalls in einem Muffelofen. Der Brennstoff wird 7 min bei 900 °C (± 10 K) verkokt. Die Erhitzung unter Luftabschluss erfolgt in einem Tiegel mit Deckel. Der um den Wassergehalt verminderte Gewichtsverlust entspricht dem Anteil der flüchtigen Bestandteile. Ascheschmelzverhalten. Die Probe wird nach DIN 51719 verascht und die entstan- dene Asche zu einem zylindrischen Probenkörper verpresst. Dieser wird nach DIN 51730 im Leitzschen Erhitzungsmikroskop untersucht, Erhitzung in Ofen unter oxidierender Atmosphäre mit fotographischer Auswertung. Bestimmt wird: − Sinterbeginn → erstmaliges Zusammenkleben einzelner Aschepartikel − Erweichungstemperatur → Rundwerden der Kanten − Halbkugeltemperatur → Grundlinie des Korpus = doppelt so lang wie Höhe − Fließtemperatur → Probekörper zerfließt auf 1/3 ursprünglicher Höhe Abb. 3.9 Ascheschmelzverhalten nach DIN 51730 23 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ Das Ascheerweichungs- und Schmelzverhalten hat erheblichen Einfluss auf den Verbrennungsprozess und kann zu nachteiligen Verschlackungen führen. Niedrige Ascheschmelzpunkte schaffen Verschlackungsprobleme insbesondere bei halmgut- artigen Biobrennstoffen. Tab. 3.4 Fließpunkt verschiedener Brennstoffe Brennstoff Fließpunkt [°C] Kohle ca. 1.500 Holz ca. 1.490 – 1.580 Stroh ca. 1.170 – 1.460 Getreide ca. 810 - 930 Abb. 3.10 Ansicht einer Maßnahmen zur Minderung von Schlackebildung: Schlackeprobe Absenken der Verbrennungstemperatur Mischen aschereicher Brennstoffe mit aschearmen Brennstoffen Erntezeitraum von Energiepflanzen auf späten Winter (Februar/März) verlegen → Auswascheffekte Immediatanalyse. Ein erster Überblick zu einem festen Brennstoff kann über die Immediat- oder Kurzanalyse bezogen werden. Diese bezieht sich auf den Rohbrenn- stoff und beinhaltet jeweils einige stoffliche und energetische Parameter: − Wassergehalt w − Aschegehalt a − Flüchtige Bestandteile f − Brennwert Hs − Heizwert Hi 3.3.3 Klassifizierung und Kenngrößen von Kohlen Für die Einteilung von Kohlen wurden Klassifizierungssysteme und Normen erstellt, die zum Teil auf internationalen Vereinbarungen beruhen. Hinweise gibt DIN 23003. Anteil Flüchtiger Bestandteile. Für die technologische Beurteilung der Kohlen spie- len die Kenntnis des Anteils an flüchtigen Bestandteilen, des bei der Verbrennung entstehenden Flammenbildes, der Zündeigenschaften, des Aschegehaltes und des Heizwertes eine Rolle. Tab. 3.5 Einteilung von Kohlen anhand Flüchtiger Bestandteile (Auszug, erweitert)8 Bezeichnung Flüchtige Zündeigenschaft Heizwert Einsatzgebiet [%] [MJ/kg] Braunkohle 50 – 60 sehr leicht zündend 3,6 – 10,5 Glanzbraunkohle 40 – 50 leicht zündend 15,0 – 22,6 Gasflammkohle 40 Kraftwerk Gaskohle 29 – 35 leicht zündend 26,2 – 29,0 Fettkohle 20 – 28 gut zündend 25,4 – 31,1 Koks Magerkohle 10 – 14 schwer zündend 27,8 – 32,3 Hausbrandofen Anthrazit 4 – 10 schwer zündend 30,0 – 31,4 Hausbrandofen, Kraftwerk 8 Strauß, Kraftwerkstechnik 24 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ Korngröße. Steinkohle und Koks werden durch Absieben in handelsübliche Korn- klassen sortiert, die je nach Verkaufsgesellschaft geringe Unterschiede aufweisen. Tab. 3.6 Einteilung von Steinkohlesorten nach Korngröße (Industriebedarf) Sorte Korngröße [mm] Knabbeln 150 bis 50 Nuss 1 80 bis 50 Nuss 2 50 bis 30 Nuss 3 30 bis 18 Nuss 4 22 bis 12 Nuss 5 12 bis 8 Feinkohle 10 (6) bis 0 Kokskohle 10 (6) bis 0 Mahlbarkeit. Die Mahlbarkeitsbestimmung erfolgt nach Hardgrove (DIN 51742) und ist wichtig für die Dimensionierung der Kohlemühlen in Kraftwerken mit Kohlestaub- feuerung. Der Hardgrove-Index °H ist eine Funktion des Durchgangs D, einer defi- nierten Bohrung in den Probekörper. Je höher der Hardgrove-Index ist, desto leichter ist die Kohle zu mahlen, d.h. desto kleiner ist der Eigenenergiebedarf des KW. Panzerung, Wechsel im Ab- stand von ca. 4.000 Betriebs- stunden erforderlich Abb. 3.11 Kohlemühle 3.3.4 Klassifizierung und Kenngrößen von festen Biobrennstoffen Für regenerative Festbrennstoffe existiert die Norm "DIN EN ISO 17225-1, 09/2014. Feste Biobrennstoffe - Brennstoffspezifikationen und -klassen". Mit der Norm werden die qualitätsbezogenen Brennstoffklassen und Spezifikationen für feste Biobrennstoffe festgelegt. Die Einteilung erfolgt in die vier Hauptgruppen Holzartige Biomasse, Halmgut, Früchte und undefinierte Mischungen. Stückigkeit, Feinanteil, Abriebfestigkeit, Rieselfähigkeit. Die Stückigkeit be- schreibt Abmessungen, Oberflächenbeschaffenheit und Geometrie von Presslingen (z.B. Halmgutpresslinge). Beispielhaft sei die Einteilung von Presslingen aus natur- belassenem Holz nach DIN 51731 angegeben. Tab. 3.7 Normierte Größenklassen für Holzpresslinge nach DIN 51731 Bezeichnung, Länge Ø bzw. Breite oder Größengruppe [cm] Höhe [cm] HP 1 > 30 > 10 HP 2 15 - 30 6 - 10 HP 3 10 - 16 3-7 HP 4 5 - 10 1-4 HP 5 1 MW. A III und A IV sind derzeit nur in Anlagen > 10 MW wirtschaftlich einsetzbar. Tab. 3.8 Einteilung der Altholzklassen Kl. Erläuterung AI naturbelassenes Holz, nur mechanisch verändert A II verleimtes, gestrichenes, beschichtetes, lackiertes oder anderweitig behan- deltes Holz, ohne: halogenorganische Verbindungen9, Holzschutzmittel A III Holz mit halogenorganischen Verbindungen in Beschichtung, ohne Holz- schutzmittel A IV mit Holzschutzmitteln behandeltes Altholz, wie Bahnschwellen10, Leitungs- masten, Hopfenstangen, Rebpfähle Ausgenommen aus der Auflistung sind PCB-belastete Hölzer, diese unterliegen der PCB/PCT-Abfallverordnung. (PCB = Polychlorierte Biphenyle) 3.4 Flüssige Brennstoffe 3.4.1 Klassifizierung von Heizölen Wesentlicher flüssiger Brennstoff ist das Heizöl. Die Klassifikation erfolgt nach DIN 51603 (Heizölqualitäten). Das Standard-Heizöl für viele Einsatzzwecke ist Heizöl EL, weitergehend klassifiziert in DIN 51603-1. Heizöl ist bislang meist fossil, jedoch gibt es bereits eine Klasse für Bio-Heizöl (geregelt in: DIN 51603-6). Tab. 3.9 Heizölqualitäten nach DIN 51603 (Auszug) Heizölsorte Erläute-  (15°C) HS S-Gehalt rung [kg/dm³] [MJ/kg] [mg/kg] Heizöl EL Standard Extraleicht 0,84 44,79 50-1.000 Heizöl EL schwefelarm max. 50 Heizöl EL alternativ Bio-Heizöl max. 50 Heizöl M Mittel 0,92 43,12 k. A. Heizöl S Schwer 0,97 42,28 10.000 9 Kohlenwasserstoff mit Brom, Jod, Fluor, Chlor; Lösungs-/Konservierungsmittel 10 mit Teerölen: witterungsbeständig, langlebig, fäulnishemmend; Phenole, Kresole → krebserregend 26 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ Weitere Kenngrößen der Norm sind Flammpunkt, Viskosität und sog. Cloud Point (CP), die unten erläutert werden. Einsatzgebiete von Heizöl EL (HEL) sind z.B. die Hausheizungen. Heizöl L und M werden nur noch selten verwendet. Heizöl S (HS) findet im Kraftwerksbereich Anwendung. Manche Heizöle werden mit Additiven versehen. Hierbei handelt es sich um metal- lurgische Verbindungen (Mg, Mn, Cu), die zum Korrosionsschutz oder zur Verbesse- rung der Fließeigenschaften bzw. der Verbrennung dienen. 3.4.2 Kenngrößen für flüssige Brennstoffe Dichte. Die Bestimmung der Dichte für Heizöle ist in DIN 51757 festgelegt. Der Kennwert dient zur Umrechnung von Volumen auf Masse und ist zur Kenntnis für Durchflussmengen notwendig. Die Dichte ist zudem eine für das Heizöl kennzeich- nende Größe: Je größer die Dichte ist, desto größer ist das Masseverhältnis C/H und desto kleiner ist der Heizwert. Wasser- und Aschegehalt. Wasser- und Aschegehalt sind bei Heizölen i.d.R. zu vernachlässigen. Jedoch können auch geringe Gehalte bei Korrosionsproblemen eine Rolle spielen. Bestimmungen erfolgen für den nicht absetzbaren Wassergehalt nach DIN 51786 und für absetzbaren Wassergehalt nach DIN 51582. Der Aschegeh- alt wird nach DIN 51575 bzw. DIN EN 7 bestimmt, die Aschezusammensetzung von Mineralölen unterliegt großen Schwankungen. Viskosität. Bezeichnet die Kraft des inneren Widerstandes, den eine Flüssigkeit der Verschiebung ihrer Moleküle entgegensetzt (Zähflüssigkeit). Die Größe ist tempera- turabhängig. Unterschieden wird zwischen der dynamischen Viskosität  [mPa s] und der kinematischen Viskosität [mm²/s]. In DIN 51063 ist angegeben, welches von HEL bis HS steigt. Bei HEL dürfen max. 6 mm²/s (Bezug: 20°C) erreicht werden. Flammpunkt (Flash Point). Der Flammpunkt – Ausdruck der Explosivität – ist ein Kriterium für die Feuergefährlichkeit brennbarer Substanzen. Anschaulich beschreibt der Kennwert die tiefste Temperatur, bei der ein aus dem Brennstoff entstehendes Dampf-Luft-Gemisch unter Atmosphärendruck in einem geschlossenen Tiegel mit Fremdzündung entflammt. Dient zur Einschätzung von Gefahrguttransporten zumeist flüssiger Brennstoffe. Die Gefahrenklassen werden je nach F. des Brennstoffes un- terschieden und danach die Sicherheitsvorkehrungen für den Umgang festgelegt. Tab. 3.10 Einteilung der Flammpunkte nach DIN 51063 Gefahrenklasse Flammpunkt Beispiel Bewertung A1 bis 21°C Benzin hochentzündlich A2 21 bis 55°C Petroleum entzündlich A3 55 bis 100°C Heizöl, Diesel ohne Regelung Die Bestimmung des Flammpunktes kann nach verschiedenen Standardmethoden erfolgen, bei denen offene oder geschlossene Tiegel zur Aufnahme und Erhitzung einer Probe eingesetzt werden, z.B. Methode nach Pensky-Martens (DIN 51718). Kristallisationspunkt (CP = Cloud Point). Bezeichnet eine Kälteeigenschaft von Heizöl und Diesel. Beschreibt die Temperatur, bei der ein blankes, flüssiges Produkt unter definierten Prüfbedingungen durch die Bildung von Paraffinkristallen trüb oder wolkig wird. Der CP darf für Heizöl EL nach DIN 51603-1 max. bei 3°C liegen. Filtrierbarkeitsgrenze (CFPP = Cold Filter Plugging Point). Gibt die Temperatur an, bei der ein Prüffilter unter definierten Bedingungen durch ausgefallene Paraffine verstopft wird. Die Grenzwerte des CFPP sind lt. DIN in Abhängigkeit des CP festge- 27 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ legt. Das durch beide Kennwerte beschriebene Kälteverhalten ist wichtig für Trans- port und Lagerung von Brenn- und Kraftstoffen. Erlaubt ist ein CFPP von max. -12°C bei einem CP von +3°C. Entsprechend je 1 K weniger für jedes K geringerer CP. Verkokungsneigung. Bestimmung des Koksrückstandes nach Conradson. Anteil der ursprünglichen Menge in %, die nach Verdampfen und Cracken als Koks zurück- bleibt. Parameter macht eine Aussage über Eignung des Brennstoffes für Verdamp- fungsbrenner, z.B. ob bei Aufschlagen der Flamme auf eine Wand Koks entsteht. 3.5 Gasförmige Brennstoffe 3.5.1 Klassifizierung von Brenngasen Traditionelle bzw. aktuelle Klassifizierung gasförmiger Brennstoffe wie folgt: Tab. 3.11 Traditionelle Einteilung nach Brennwert Bezeichnung Hs [MJ/m³] Beispiele Schwachgase, 9 Gichtgas (Hochofengas), Armgase Deponiegas => Endstadium einer Stilllegung Mittelgase 9 - 15 Wasserstoff H2, (Wassergase) Kohlenmonoxid CO Starkgase 15 - 23 Stadtgas (Kokereigas), Deponiegas => aktiver Betrieb Reichgase > 23 Erdgas Tab. 3.12 Einteilung in Gasfamilien nach DVGW-Arbeitsblatt G 260/1 (05/2008)* Gasfamilie Hauptbestandteil Gruppe 1 Wasserstoff H2 A: Stadtgas B: Kokerei- (Fern-)gas 2 Methan CH4 L: Erdgas L (Hi = 32,4 MJ/m³) H: Erdgas H (Hi = 37,8 MJ/m³) Biomethan 3 Propan C3H8, 1. Flüssiggas: Propan Butan C4H10 2. Flüssiggas: Propan/Butan-Gemische *Arbeitsblätter der DVGW (Deutsche Vereinigung Gas Wasser) fortlaufend aktualisiert. Innerhalb der Gasfamilien gibt es weitere Aufteilungen. Charakteristische Kenngrö- ßen sind Brenn- und Heizwert, Wobbe-Index und Zündverhalten. 3.5.2 Kenngrößen für gasförmige Brennstoffe Dichte. Die Dichte von Brenngasen wird zur Berechnung der Gasmasse, zur Gas- kennzeichnung und zur Berechnung des Wobbe-Index benötigt. Neben der absolu- ten Dichte ist auch die Angabe des Dichteverhältnisses d üblich. Hierbei wird die Gasdichte  auf die Dichte der trockenen Luft 0 bezogen: mit  = Dichte Brennstoff (3-6) 0 = Dichte Luft (trocken) Die Bestimmung der Gasdichte erfolgt rechnerisch. Dies ist möglich, da die Gaszu- sammensetzung meist bekannt ist und daher anhand der Einzeldichten der Kompo- nenten aus Tabellenwerken bezogen werden kann. Das Dichteverhältnis ist auch experimentell bestimmbar, indem eine gläserne Mess- kugel bekannten Rauminhaltes einmal mit trockener Luft und einmal mit dem Brenn- gas gefüllt wird. Exakte Verfahrensbeschreibung in DIN 51870. 28 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ Wobbe-Index. Der Wobbe-Index (auch Wobbe-Wert oder Wobbe-Zahl) ist ein korri- gierter Brennwert bzw. Heizwert, der das Brennverhalten von Gasen kennzeichnet. Er wird angewandt, um die Austauschbarkeit von Brenngasen zu beurteilen. Der Wobbe-Index wird aus dem Quotienten des Brennwerts und der Quadratwurzel aus dem Dichteverhältnis von Brennstoff zu Luft gebildet. Man unterscheidet – analog zu Brennwert und Heizwert - zwischen einem oberen und einem unteren Wobbe-Index. Wobbe-Index, bezogen auf (a) auf Brennwert, (b) auf Heizwert : (3-7a,b) Zwei Gase mit gleichem Wobbe-Index erzeugen bei gleichem Düsendruck (Gas- überdruck) die gleiche Wärmebelastung im Brenner. Sie können beide verwendet werden, ohne dass die Düse ausgetauscht werden muss. Deshalb ist auf Brennern der Wobbe-Index angegeben. Wichtig auch bei der Einspeisung von aufbereitetem Biogas (Biomethan) ins Erdgasnetz. Wärmebelastung B im Brenner (3-8) c = Düsenkonstante AF = Düsenquerschnitt p = Düsendruck Zündgrenzen. Bei Gasen und Dämpfen muss das Brennstoff-Luft-Gemisch inner- halb der Zündgrenzen liegen, um eine Verbrennung zu ermöglichen. Die Zündgren- zen geben die niedrigste und die höchste Gaskonzentration in Luft an, bei der eine Zündung möglich ist. Darstellung oft in Dreistoffdiagrammen. Enthalten sind das Brenngas, Luft/Sauerstoff und ein Inertgas. Auf Messgeräten zur Betriebssicherheit erfolgt die Angabe der Unteren Explosionsgrenze (UEG) bzw. eine Angabe, wie nahe die Umgebungsluft - in % - am explosionsfähigen Bereich liegt. Abb. 3.13 Zündgrenzen am Beispiel zweier Dreigasgemische 29 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ 4 Verbrennungsrechnung 4.1 Allgemeines 4.1.1 Voraussetzungen zur Verbrennung Unter dem Begriff der Verbrennung ist die chemische Verbindung einer Substanz mit Sauerstoff zu verstehen. Dabei wird Energie als Wärme freigesetzt. Die Verbrennung findet statt, wenn folgende Voraussetzungen erfüllt sind: − Brennbarer Stoff: Vorhandensein von – organischen - Brennstoffen mit der darin biochemisch gespeicherten Energie. − Sauerstoff: Der zur Verbrennung erforderliche Sauerstoff muss vorhanden sein, z.B. aus der Umgebungsluft, in reiner Form oder in Treibmitteln gebunden. − Zündtemperatur: Temperatur, bei der die Verbrennung eingeleitet und unter Wärmeabgabe aufrechterhalten wird, muss erreicht sein. − Das Brennstoff-Luft-Verhältnis muss passen (richtiges Mengenverhältnis) Abb. 4.1 Voraussetzungen für eine Verbrennung Die zum Erreichen der Zündtemperatur erforderliche Wärme kann durch verschiede- ne Wärmequellen bereitgestellt werden. Beispiele hierfür sind ein glühendes Brennstoffbett, Flammenstrahlung im sichtbaren und unsichtbaren Bereich sowie Strahlung der Feuerraumwände. 4.1.2 Stoffumwandlung Technologisch erfolgt die Verbrennung in einem Feuerraum. Unter dem Einfluss der Wärme bzw. Wärmeaufnahme zerfallen die chemischen Verbindungen, aus denen der Brennstoff besteht in ihre Elementarteile Kohlenstoff C, Wasserstoff H, Schwefel S und weitere. Diese oxidieren mit dem aus der Luft stammenden Sauerstoff O2 zu CO2, H2O, SO2 bzw. SO3 und weitere Produkte. Abb. 4.2 Stoffumwandlung bei der Verbrennung 30 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ 4.1.3 Betrachtungen zur Verbrennungsluft Die Verbrennungsluft kann mit dem Bezug Mindestluftmenge trocken (stöchiomet- risch), Luftmenge tatsächlich trocken (Luftüberschuss) und Luftmenge tatsächlich feucht (Feuchte Luft) erfolgen. Abb. 4.3 Massenbilanz der Verbrennung mit Aufteilung der Verbrennungsluft /Baehr/ Hier wird immer von vollkommener und vollständiger Verbrennung ausgegangen. Ausführungen zu unvollständiger Verbrennung unter Kap. 5 Verbrennungskontrolle. 4.1.4 Methoden zur Berechnungsdurchführung Grundsätzlich gibt es zwei Methoden der Verbrennungsrechnung (VR): − klassische VR auf Basis stöchiometrischer Grundgleichungen und Elementarana- lysen (EA) bzw. Brenngasanalysen, Sonderform: VR mit Brennstoffkenngrößen − statistische VR auf Basis empirischer Zusammenhänge zwischen Heizwert, Luft- bedarf und Abgasvolumen bei festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen 4.2 Klassische Methode 4.2.1 Stöchiometrische Grundgleichungen Gleichgültig wie ein Brennstoffelement zusammengesetzt ist und in welchen Ab- schnitten die Verbrennung abläuft, lässt sich das Endergebnis mit Hilfe von Verbren- nungsgleichungen für die einzelnen Elementaranteile (feste und flüssige Brennstoffe) bzw. aus den Raumanteilen (gasförmige Brennstoffe) rechnerisch bestimmen. Beispiele für stöchiometrische Grundgleichungen: C + O2 → CO2 (4-1) S + O2 → SO2 (4-2) H2 + 0,5 O2 → H2O (4-3) CO + 0,5 O2 → CO2 (4-4) CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O (4-5) CnHm + (n + 0,25 m) O2 → n CO2 + 0,5 m ∙ H2O (4-6) Hinzu kommen die Ballaststoffe von Brennstoffen: O2, N2, CO2 und H2O. 31 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ 4.2.2 Mindestsauerstoff- und Mindestluftbedarf Mindestsauerstoffbedarf allgemein. Theoretische Sauerstoffmenge VO2min, im Normzustand (i.N.) - bei 0°C und 1013 mbar – die geringstenfalls zu einer stöchio- metrischen Verbrennung je kg bzw. m³ Brennstoff benötigt wird. n O2  kmol O 2  VO2min =   (4-7) nB  kmol B  mit nO2 = Stoffmenge des Sauerstoffs nB = Stoffmenge des Brennstoffs Mindestluftbedarf allgemein. Die theoretische Verbrennungsluftmenge VLmin i.N. ist diejenige Trockenluftmenge, die geringstenfalls zu einer stöchiometrischen Verbren- nung, d.h. zur vollkommenen Verbrennung ohne Luftüberschuss, je kg bzw. m³ Brennstoff benötigt wird. Diese hängt vom Mindestsauerstoffbedarf VO2min i.N. je kg bzw. m³ Brennstoff ab. Zudem ist VLmin von der Luftzusammensetzung abhängig. Diese wird für die nachfolgenden Berechnungen wie folgt angenommen: - 20,9 Vol.-% Sauerstoff O2 - 79,1 Vol.-% Stickstoff N2 Daraus ergibt sich für alle Brennstoffe der Zusammenhang: VO2min  m 3L   m 3L  VLmin =   bzw.  3 (4-8) 0,209  kg B   mB  (a) Feste und flüssige Brennstoffe Ausfertigung der Formel für den Mindestsauerstoffbedarf, um als anschauliche Ein- heit m³/kg herauszubekommen: n O 2 VOmn  m3O2  VO2min = 2   (4-9) n B MB  kg B  mit VOmn2 = molares Gasvolumen (22,4 m³/kmol), hier für Sauerstoff MB = molare Brennstoffmasse [kg/kmol] Beispiel für feste Brennstoffe (hier: Kohlenstoff C) → Berechnung siehe Anhang Ergebnisse: - VO2min = 1,867 m³/kg - VLmin = 8,933 m³/kg Bei Brennstoffen mit mehreren Elementen, meist der Fall, Berechnung über Zahlen- wertgleichungen mit Elementaranalyse. Mindestsauerstoffbedarf speziell. Bei Berücksichtigung des im Brennstoff enthal- tenen Sauerstoffes (bei dessen spezifischen Normvolumen von 0,7 m³/kg): m 3O 2 VO2 min = 1,867 c + 5,6 h + 0,7 s − 0,7 o (4-10) kg B Mindestluftbedarf speziell. Bei 20,9 Vol.-% Sauerstoffanteil in der Luft ergibt sich: m 3L VL min = 8,93 c + 26,6 h + 3,35 s − 3,35 o (4-11) kg B 32 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ (b) Gasförmige Brennstoffe Betrachtung zur Formel für den Mindestsauerstoffbedarf. Ziel ist, als anschauliche Einheit m³/m³ zu erhalten: n O 2 VOmn  m3O2  VO2min = 2   (4-12) n B VBmn  m³ B  mit VBm n = molares Brennstoffvolumen Beispiel für gasförmige Brennstoffe (hier: Methan CH4) → Berechnung siehe Anhang Ergebnisse: - VO2min = 2,000 m³/m³ - VLmin = 9,569 m³/m³ Wenn eine Brenngasanalyse in Volumenanteilen vorliegt, lassen sich die Verbren- nungsvorgänge der jeweiligen Elementaranteile ebenfalls rechnerisch erfassen. Hier vereinfachen sich sogar die Verbrennungsgleichungen, da bei Gasen entweder glei- che Raumanteile oder ganze Vielfache in Verbindung treten und das Verbrennungs- gas den gleichen Raumanteil bzw. ein Vielfaches davon einnimmt. Mindestsauerstoffbedarf speziell. VO 2 min = 2 CH4 + 3 C2H4 + 3,5 C2H6 + 4,5 C3H6 + 5 C3H8 + 6,5 C4H10 + 8 C5H12 +... m 3O 2... + 0,5 H2 + 0,5 CO − O 2 (4-13) m B3 Mindestluftbedarf speziell. VL min = 9,57 CH4 + 14,35 C2H4 + 16,75 C2H6 + 21,53 C3H6 + 23,92 C3H8 + 31,10 C4H10 +... m 3L... + 38,23 C5H12 + 2,39 H2 + 2,39 CO − 4,78 O 2 (4-14) m 3B 4.2.3 Mindestabgasmenge und Abgaszusammensetzung Die Mindestabgasmenge bezieht sich auf die Verbrennung bei stöchiometrischer Luftzufuhr. Die dabei entstehende Abgaszusammensetzung wird in prozentualen Anteilen der Komponenten bezogen auf die Abgasmenge angegeben. Mindestabgasmenge allgemein. Die geringstmögliche Abgasmenge VAmin (im Normzustand) ist dementsprechend diejenige Abgasmenge, die bei stöchiometri- scher Verbrennung je kg bzw. m³ Brennstoff entsteht. Da bei der Messung von Abgasbestandteilen (z.B. CO2-, SO2-Gehalt) aus verfah- renstechnischen Gründen durch Vollfiltrierung und Abkühlung auf Raumtemperatur i. A. nur getrocknetes Abgas vorliegt und außerdem die Wärmekapazitäten von Was- serdampf und anderen Abgasbestandteilen recht verschieden sind, ist es zweckmä- ßig, das anfallende Abgas in trockene und feuchte Abgasmenge zu trennen. Die minimale trockene Abgasmenge (i.N.) beträgt je kg bzw. m³ Brennstoff:  m 3A   m3A  ,tr = VCO2 + VSO2 + VN2 VAmin min  kg  bzw.  m3  (4-15)  B  B 33 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ Die minimale feuchte Abgasmenge (auch minimale Gesamtabgasmenge) entspricht nachfolgender Formel. Die Feuchte liegt dampfförmig vor und wird durch H 2 bzw.H2O im Brennstoff verursacht.  m 3A   m 3A  ,f = VA VAmin ,tr + VH2O + VL,H2O = VAmin min   bzw.  3  (4-16)  kg B   mB  mit (a) Feste und flüssige Brennstoffe Mindestabgasmenge speziell. Für die Abgaskomponenten (i, A) CO2, SO2 und H2O gilt nachfolgende Formel. Als Brennstoff B ist das jeweilige Edukt Kohlenstoff C bzw. Schwefel S zu betrachten. ni,A Vmn  mi3.A.  Vi,A =   (4-17) nB MB  kgB  Beispiel für feste Brennstoffe (hier: Kohlenstoff C) → Berechnung siehe Anhang Ergebnis: - VCO2 = 1,867 m³/kg Bei Brennstoffen mit mehreren Elementen, meist der Fall, Berechnung über Zahlen- wertgleichungen mit Elementaranalyse. Es entsteht bei der vollständigen Verbrennung: - des Kohlenstoffanteils c die – maximale - Kohlenstoffdioxidmenge: m 3CO 2 VCO2 = 1,867 c kg B (4-18) - des Schwefelanteils die größtmögliche Schwefeldioxidmenge: 3 m SO VSO2 = 0,7 s 2 (4-19) kg B An dieser Stelle bleibt zu bemerken, dass ein gewisser Anteil des Schwefels auch in Schwefeltrioxid übergeht. Die Mengen sind aber einerseits gering und andererseits kaum vorausschätzbar (komplexer Reaktionsmechanismus). Mit dem Stickstoffanteil n im Brennstoff mit dessen spezifischen Normvolumen von 0,8 m³/kg und dem Stickstoffanteil in der theoretischen Verbrennungsluftmenge von 79,1 Vol.-% beträgt die minimale Stickstoffmenge im Abgas: m 3N 2 VN2 min = 0,8 n + 0,791 VL min (4-20) kg B Bei Vorliegen einer vollständigen Elementaranalyse kann folgende Zahlenwertformel eingesetzt werden: m 3N 2 VN2 min = 7,06 c + 21,04 h + 2,65 s − 2,65 o + 0,8 n (4-21) kg B Durch die vollständige Verbrennung des Wasserstoffanteils h und dem Wasserge- haltsanteil w im Brennstoff mit dem spezifischen Normvolumen von 1,24 m³/kg für Wasserdampf erhält man die maximale Wasserdampfmenge im Abgas in Höhe von: 34 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ m 3H 2O VAH2O = 11,11 h + 1,24 w (4-22) kg B Die minimale – trockene – Abgasmenge ist somit: m 3A VA,tr = 8,93 c + 21,04 h + 3,35 s − 2,65 o + 0,8 n min (4-23) kg B Die minimale – feuchte – Gesamtabgasmenge: m 3A VAmin = 8,93 c + 32,15 h + 3,35 s − 2,65 o + 0,8 n + 1,24 w (4-24) kg B Ergebnisse: - VN2,min = 7,066 m³/kg - VA,tr min = 8,933 m³/kg Abgaszusammensetzung. Darstellung auf Basis des berechneten Beispiels. Tab. 4.1 Prozentuale Abgaszusammensetzung am Beispiel C-Verbrennung Abgaskomponente Anteil als V [m³/kg] Anteil als r [ - ] CO2 N2  (b) Gasförmige Brennstoffe Mindestabgasmenge speziell. Für die Abgaskomponenten CO2, SO2 und H2O ist nunmehr analog anzuschreiben: n V  mi3.A.  Vi, A = i, A mn   (4-25) nB VB  m³ B  Beispiel für gasförmige Brennstoffe (hier: Methan CH4) → Berechnung siehe Anhang Die zugehörigen Zahlenwertgleichungen für CO2 und SO2:  m3CO2  VCO2 = CH4 + 2C2H4 + 2C2H6 + 3C3H6 + 3C3H8 +... + CO + CO2  3  (4-26)  mB   m3SO2  VSO2 = H2S  3  (4-27)  mB  Berechnung von VN2 in Abhängigkeit von VLmin bzw. als Zahlenwertgleichung: m 3N 2 VN2 min = N + 0,791 VL min b 2 (4-28) m 3B m 3N 2 VN2 min = 7,57CH4 + 11,35C2H4 +... + 1,89 H2 + 1,89 CO + N − 3,78 O 2 b 2 m 3B (4-29) Berechnung von VH2O: VH2O = 2 CH4 + 2 C2H4 + 3 C2H6 + 4C3H8 +... + H2 (4-30) 35  Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ Daraus resultiert die Mindestabgasmenge im trockenen Zustand: VA,tr min = 8,57 CH4 + 13,35 C2H4 + 15,25 C2H6 +... + 1,89 H2 + 2,89 CO + CO2 + Nb2 − 3,78 Ob2 + 15,25 C2H6 +... + 1,89 H2 + 2,89 CO + CO2 + Nb2 − 3,78 Ob2 mA³/mB³ (4-31) Mindestabgasmenge bei feuchtem Abgas: VA,min = 10,57 CH4 + 15,35 C2H4 + 18,25 C2H6 +... + 2,89 H2 + 2,89 CO + CO2 + Nb2 − 3,78 Ob2 + 18,25 C2H6 +... + 2,89 H2 + 2,89 CO + CO2 + Nb2 − 3,78 Ob2 mA³/mB³ (4-32) Ergebnisse: - VCO2 = 1,000 m³/m³ - VA,tr min = 8,569 m³/m³ - VH2O = 2,000 m³/m³ - VA,min = 10,569 m³/m³ - VN2,min = 7,569 m³/m³ Abgaszusammensetzung. Darstellung auf Basis des berechneten Beispiels für tro- ckenes und für feuchtes (gesamtes) Abgas. Tab. 4.2 Prozentuale Abgaszusammensetzung am Beispiel CH4-Verbrennung Abgas- Vi [m³/m³B] ri Vi,tr [m³/m³B] ri komponente feucht trocken CO2 N2 H2O  4.2.4 Tatsächlicher Luftbedarf Eine Verbrennung verläuft nicht ideal (vollkommen), d.h. nicht alle Brennstoffpartikel verbrennen (unvollkommene Verbrennung). Zur Gewährleistung einer vollkommenen Verbrennung werden technische Feuerungen daher mit Luftüberschuss betrieben. Derart soll gewährleistet werden, dass alle Brennstoffpartikel bzw. -moleküle eine Versorgung mit Sauerstoff erfahren. Die Angabe des Luftüberschusses erfolgt als Luftverhältniszahl  bzw. Luftüberschusszahl n. Luftverhältniszahl . Verhältnis von der Feuerung tatsächlich zugeführten Luftmen- ge VL zum theoretischen Mindestluftbedarf VLmin. VL = [-] (4-33) VL min Luftüberschusszahl n. Der reale Luftüberschuss ergibt sich zu: n = ( − 1) *100 in % (4-34) Hinweise zur Einstellung des Luftüberschusses. Luftüberschuss zu klein: → unvollkommene Verbrennung → lokale Bildung von CO wg. Sauerstoffmangel → bei Anwesenheit von S dort Bildung von H2S Folge: Hochtemperaturkorrosion (H2S + FeO → FeS + H2O) 36 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ Luftüberschuss zu groß: → Absenkung der Feuerraumtemperatur → größere Abgasmenge = Verminderung von Dampferzeuger-Wirkungsgrad In der Praxis erfolgt Einstellung derart, dass Luftüberschuss mit: → Qualität der Brennstoff-Luft-Durchmischung abnimmt → Abstand zur Gasförmigkeit des BS zunimmt → Steigerung der Feuerungsleistung abnimmt Aus technisch-ökonomischen Gründen ist ein möglichst geringer Luftüberschuss an- zustreben. Die Überwachung der Verbrennung und des eingestellten Luftüberschus- ses erfolgt durch die Kontrolle der Luftmenge bzw. mittels der Abgasanalytik. Tab. 4.3 Beispiele zur Einstellung der Luftverhältniszahl  bzw. der Luftüberschuss- zahl n in Feuerungsanlagen Brennstoff und Feuerungsart [-] n [%] Steinkohle (SK) bei Handbeschickung 1,6...2,0 60...100 SK bei mechanischer Beschickung 1,4...1,6 40...60 SK auf Wanderrost 1,3...1,5 30...50 Braunkohle auf mechanischem Rost 1,3...1,4 30...40 Kohlenstaub 1,15...1,4 15...40 Holzabfälle, naturbelassen 1,1...3,0 10...200 Heizöle mit Gebläsebrennern 1,1...1,2 10...20 Brenngase mit Gebläsebrenner 1,1...1,3 10...30 Brenngase mit Vormischbrennern 1,1...1,4 10...40 Bei der motorischen Verbrennung kann  im Bereich +/- 1 eingestellt werden. Daraus ergeben sich Auswirkungen auf die Motorleistung sowie auf die Abgasemissionen. Abb. 4.4 Leistung, Verbrauch und Abgasemissionen in Abhängigkeit von  am Bei- spiel der motorischen Verbrennung 37 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ Die Verbrennungstemperatur ergibt sich für ein ähnliches Beispiel wie folgt: Abb. 4.5 Verbrennungstemperatur in Abhängigkeit der Luftverhältniszahl 4.2.5 Tatsächliche Abgasmenge und Abgaszusammensetzung Die tatsächliche trockene Abgasmenge, VAtr (im Normzustand) je kg bzw. m3 Brenn- stoffeinsatz besteht, wenn die Verbrennung mit Luftüberschuss erfolgt und vollstän- dig verläuft - Vernachlässigung von CO und Ruß -, aus folgenden Teilvolumina:  m 3A   m3A  VA,tr = VCO2 + VSO2 + VN2 + VO2  kg  bzw.  m3  (4-35)  B  B Eine andere Formulierung der trockenen Abgasmenge erfolgt über die trockene Min- destabgasmenge sowie Luftverhältniszahl und Mindestluftmenge:  m 3A   m3A  VA,tr = VAmin ,tr + ( - 1) VL,min  kg  bzw.  m3  (4-36)  B  B und die tatsächliche feuchte Abgasmenge, VA:  m 3A   m3A  VA = VA,tr + VAH20  kg  bzw.  m3  (4-37)  B  B Stickstoff- und Sauerstoffvolumina berechnen sich in Abhängigkeit von VLmin und . Der Mindeststickstoff beinhaltet Brennstoff- und Luftstickstoff bei stöchiometrischer Verbrennung. Der -Term beschreibt den im Luftüberschuss enthaltenen Stickstoff. VN2 = VNmin 2 + 0,791 ( - 1) VL,min (4-38) VO2 = 0,209 ( - 1) VL,min (4-39) (a) Feste und flüssige Brennstoffe Trockenes Abgas als Zahlenwertgleichung:  m 3A  VA,tr = 1,867 c + 0,7 s + 0,8 n + (-0,209) VL,min  kg  (4-40)  B 38 Brennstofftechnik HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften __________________________________________________________________________________ Feuchtes Abgas als Zahlenwertgleichung:  m 3A  VA = VA,tr + 11,11 h + 1,24 w  kg  (4-41)