Die Rauchgaszusammensetzung und der Luftüberschuss werden durch die Kombination von Gasanalyse mit Stoff- und Elementarbilanzen rund um die Verbrennungseinheit bewertet. In einer Pilotanlage messen Betreiber üblicherweise die Konzentrationen von trockenem Rauchgas an CO₂, O₂, CO, SO₂ und N₂ unter Verwendung eines Orsat-Apparats oder kontinuierlicher Gasanalysatoren. Anschließend berechnen sie den theoretischen Sauerstoffbedarf aus der Brennstoffzusammensetzung und vergleichen ihn mit dem tatsächlich zugeführten Sauerstoff in der Verbrennungsluft.

Wichtigste Erkenntnis: Die Rauchgasanalyse zeigt an, wie viel Sauerstoff nach der Verbrennung verbleibt, während Brennstoff- und Luftstromdaten den theoretischen Bedarf festlegen. Der Vergleich der tatsächlich zugeführten Luft mit der stöchiometrischen Luft und der Abgleich des Ergebnisses mit der gemessenen Rauchgaszusammensetzung ergibt den prozentualen Luftüberschuss und verifiziert die Stoffbilanz der Verbrennung.

Festlegung der Verbrennungsbasis

Definition der Brennstoffzusammensetzung

Die Analyse beginnt mit der Zusammensetzung des trockenen oder eingesetzten Brennstoffs. Die Bilanz sollte Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel, bereits im Brennstoff gebundenen Sauerstoff, Feuchtigkeit, Asche sowie Stickstoff oder andere relevante Bestandteile identifizieren.

Bei gasförmigen Brennstoffen kann die Zusammensetzung als Molenbrüche von Methan, Ethan, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und anderen Komponenten ausgedrückt werden. Bei festen oder flüssigen Brennstoffen wird die Elementaranalyse üblicherweise als Massenprozent von Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Schwefel, Stickstoff, Asche und Feuchtigkeit angegeben.

Wahl einer konsistenten Basis

Eine Berechnung wird auf einer definierten Basis durchgeführt, wie z. B. 100 kmol Brennstoff, 100 kg Kohle oder einem gemessenen Betriebszeitraum der Pilotanlage. Alle Mengen an Brennstoff, Luft, Rauchgas und Rückständen müssen dieselbe Basis verwenden.

Die Analyse unterscheidet zudem zwischen feuchtem Rauchgas, das Wasserdampf enthält, und trockenem Rauchgas, aus dem Wasser entfernt wurde. Die meisten Ergebnisse von Orsat-Geräten und Abgasmessungen werden auf trockener Basis angegeben.

Berechnung des theoretischen Sauerstoffbedarfs

Anwendung der Stöchiometrie der vollständigen Verbrennung

Der theoretische Sauerstoffbedarf wird für die vollständige Oxidation zu den höchsten erwarteten Oxidationsstufen berechnet:

Kohlenstoff wird zu CO₂ umgewandelt.
Wasserstoff wird zu H₂O umgewandelt.
Schwefel wird zu SO₂ umgewandelt.

Für einen Brennstoff, der elementaren Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel und Sauerstoff enthält, wird der Netto-Sauerstoffbedarf auf Massenbasis üblicherweise wie folgt geschrieben:

[ n_{O_2,\text{net}}

n_C+\frac{n_H}{4}+n_S-\frac{n_O}{2} ]

Hierbei sind (n_C), (n_H), (n_S) und (n_O) die Mengen an Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel und brennstoffgebundenem Sauerstoff, ausgedrückt in konsistenten atomaren Einheiten.

Brennstoffgebundener Sauerstoff wird subtrahiert, da er zur Oxidation beiträgt. Der theoretische Bedarf basiert auf einer vollständigen Verbrennung, daher definiert gemessenes Kohlenmonoxid oder unverbrannter Brennstoff den theoretischen Sauerstoffbedarf nicht neu.

Umrechnung des Sauerstoffbedarfs in stöchiometrische Luft

Für gewöhnliche trockene Luft beträgt der Sauerstoffgehalt etwa 21 % nach Volumen oder Molenbruch, wobei Stickstoff den Großteil des Rests ausmacht. Daher gilt:

[ n_{\text{air,stoich}}

\frac{n_{O_2,\text{stoich}}}{y_{O_2,\text{air}}} ]

Die Verwendung der korrekten tatsächlichen Luftzusammensetzung ist wichtig, wenn die Pilotanlage mit sauerstoffangereicherter Luft, rückgeführtem Rauchgas, befeuchteter Luft oder einem anderen Oxidationsmittel arbeitet.

Messung der Rauchgaszusammensetzung

Verwendung von Orsat- oder instrumenteller Analyse

Ein traditioneller Orsat-Analysator misst Bestandteile des trockenen Rauchgases durch selektive Absorption von Kohlendioxid, Sauerstoff und manchmal Kohlenmonoxid. Stickstoff wird üblicherweise durch Differenzbildung ermittelt:

[ y_{N_2}

1-y_{CO_2}-y_{O_2}-y_{CO}-y_{\text{other}} ]

Moderne Pilotanlagen verwenden häufig kontinuierliche Analysatoren, die auf Techniken wie paramagnetischer Sauerstoffmessung, Infrarot-Kohlendioxid- und Kohlenmonoxidmessung oder Ultraviolett-Schwefeldioxidmessung basieren.

Angabe der Basis und Probenahmebedingungen

Ein Rauchgasergebnis sollte angeben, ob sich die Konzentrationen auf eine trockene oder feuchte Basis beziehen, ob es sich um Volumen- oder Molenbrüche handelt sowie die Temperatur und den Druck bei der Probenahme. Probenahmeleitungen können Filtration, Kühlung, Kondensationskontrolle und Feuchtigkeitskorrektur erfordern.

Eine schlechte Probenahme kann zu irreführenden Ergebnissen führen. Kondensiertes Wasser, Leckagen, Partikelbelastung, Querempfindlichkeiten des Analysators oder ein nicht repräsentativer Probenahmeort können die scheinbare Gaszusammensetzung verfälschen.

Interpretation der Hauptkomponenten

CO₂ zeigt die Kohlenstoffoxidation an und ist nützlich zur Überprüfung der Kohlenstoffbilanz. Eine niedrige CO₂-Konzentration kann auf hohen Luftüberschuss, unvollständige Verbrennung, Brennstoffverdünnung oder Kohlenstoff, der nicht im beprobten Gas enthalten ist, zurückzuführen sein.

O₂ repräsentiert den Sauerstoff, der nach den Verbrennungsreaktionen verbleibt. Es ist der am häufigsten verwendete Rauchgasindikator zur Steuerung des Luftüberschusses, muss jedoch zusammen mit CO- und Messungen unverbrannter Brennstoffe interpretiert werden.

CO und Restkohlenwasserstoffe deuten auf eine unvollständige Verbrennung hin. Ihr Vorhandensein kann aus unzureichender Luftzufuhr, schlechter Brennstoff-Luft-Vermischung, unzureichender Verweilzeit, niedriger Temperatur oder instabilem Brennerbetrieb resultieren.

SO₂ hängt primär mit der Schwefelumwandlung zusammen und hilft bei der Bewertung von Schwefelbilanzen und der nachgeschalteten Sauergasbehandlung. Stickstoff wird größtenteils aus der Verbrennungsluft mitgeführt, obwohl brennstoffgebundener Stickstoff und die Bildung von Stickoxiden eine zusätzliche Analyse erfordern können.

Bestimmung des prozentualen Luftüberschusses

Berechnung aus Luftstromdaten

Wenn die tatsächliche Luftzufuhr gemessen wird, lautet der prozentuale Luftüberschuss:

[ %\text{ excess air}

\frac{n_{\text{air,actual}}-n_{\text{air,stoich}}} {n_{\text{air,stoich}}} \times 100 ]

Äquivalent dazu, unter Verwendung des aus der Luft zugeführten Sauerstoffs:

[ %\text{ excess air}

\frac{n_{O_2,\text{actual}}-n_{O_2,\text{stoich}}} {n_{O_2,\text{stoich}}} \times 100 ]

Der Luftüberschusskoeffizient ist:

[ \lambda

\frac{n_{\text{air,actual}}}{n_{\text{air,stoich}}}

1+\frac{%\text{ excess air}}{100} ]

Somit entspricht 15 % Luftüberschuss einem (\lambda=1,15).

Schätzung aus dem Sauerstoffgehalt im trockenen Rauchgas

Für eine vollständige Verbrennung mit gewöhnlicher Luft und vernachlässigbarem Sauerstoff im Brennstoff ist eine gängige Näherung basierend auf dem Sauerstoff im trockenen Rauchgas:

[ %\text{ excess air} \approx \frac{y_{O_2,\text{dry}}} {0.21-y_{O_2,\text{dry}}} \times 100 ]

Diese Beziehung setzt voraus, dass der gemessene Sauerstoff der Hauptindikator für das überschüssige Oxidationsmittel ist und die Luftzusammensetzung bekannt ist.

Die Näherung wird unzuverlässiger, wenn Kohlenmonoxid, unverbrannter Brennstoff, Sauerstoffanreicherung, Luftleckagen, Rauchgasrückführung oder signifikant brennstoffgebundener Sauerstoff vorhanden sind.

Gegenprüfung mit einer vollständigen Stoffbilanz

Das sicherste Verfahren in Pilotanlagen vergleicht zwei unabhängige Schätzungen:

Berechnung der theoretischen Luft aus der Elementaranalyse des Brennstoffs.
Berechnung der tatsächlichen Luft aus dem gemessenen Luftstrom.
Analyse des trockenen Rauchgases.
Rekonstruktion des Ausgangsstroms unter Verwendung von Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Schwefel-, Sauerstoff- und Stickstoffbilanzen.
Vergleich der berechneten und gemessenen Zusammensetzungen.

Übereinstimmung stützt die Validität der Betriebsdaten. Eine erhebliche Diskrepanz kann auf einen Fehler im Analysator, Lufteintritt, ungenaue Brennstoffzusammensetzung, nicht gemessene feste Rückstände oder unvollständige Verbrennung hinweisen.

Verständnis der Kompromisse

Zu wenig Luft verursacht unvollständige Verbrennung

Ein Betrieb unterhalb des stöchiometrischen Luftbedarfs kann CO, Ruß, Rauch, Wasserstoff, Methan oder andere unverbrannte Kohlenwasserstoffe erzeugen. Dies verringert auch die rückgewinnbare Wärme, da ein Teil der chemischen Energie des Brennstoffs im Abgas oder in Rückständen verbleibt.

Niedrige Sauerstoffwerte allein beweisen keinen effizienten Betrieb. Ein Rauchgas mit niedrigem O₂-Gehalt, begleitet von erhöhtem CO, kann auf Sauerstoffmangel oder schlechte Vermischung hinweisen.

Zu viel Luft reduziert den thermischen Wirkungsgrad

Luftüberschuss fördert zwar die vollständige Verbrennung, erhöht aber auch das Volumen an Stickstoff und ungenutztem Sauerstoff, das vom Ofen erhitzt wird. Diese Gase entweichen durch den Schornstein und führen sensible Wärme aus dem Prozess ab.

Übermäßige Luft kann daher den thermischen Wirkungsgrad senken, die Anforderungen an Ventilatoren und Kanäle erhöhen und Schadstoffkonzentrationen verdünnen. Der geeignete Betriebspunkt ist das niedrigste Luftüberschussniveau, das eine stabile, vollständige Verbrennung aufrechterhält und Sicherheits- sowie Emissionsanforderungen erfüllt.

Luftleckagen können die Berechnung verfälschen

Luft, die durch Ofendichtungen, Inspektionsöffnungen, Kanalverbindungen oder Probenahmestellen eintritt, erhöht den gemessenen Sauerstoffgehalt im Rauchgas, ohne notwendigerweise die dem Brenner zugeführte Verbrennungsluft darzustellen. Dies kann dazu führen, dass der berechnete Luftüberschuss höher erscheint, als die Brennereinstellung vermuten lässt.

Bilanzen in Pilotanlagen sollten daher nach Möglichkeit zwischen Verbrennungsluft und unkontrollierter Falschluft unterscheiden.

Feuchtigkeit und Taupunkt müssen berücksichtigt werden

Brennstofffeuchtigkeit und Wasser, das aus der Wasserstoffverbrennung entsteht, erscheinen im feuchten Rauchgas, fehlen jedoch in den Ergebnissen des trockenen Orsat-Apparats. Diese Unterscheidung ist wichtig, wenn gemessene Konzentrationen in Gesamtströmungsraten umgerechnet oder eine Sauerstoffbilanz erstellt wird.

Das Rauchgas muss in Wärmerückgewinnungsanlagen zudem oberhalb seines relevanten Wasser- oder Säuretaupunkts bleiben, sofern eine Kondensation nicht absichtlich gesteuert wird. Schwefelhaltige Brennstoffe können bei gleichzeitiger Kondensation von Schwefeloxiden und Wasser saure Kondensate und Korrosionsrisiken erzeugen.

Anwendung auf Ihre Pilotanlage

Die geeignete Methode hängt vom Zweck des Experiments und der verfügbaren Instrumentierung ab.

Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Verbrennungseffizienz liegt: Messen Sie kontinuierlich trockenes O₂, CO₂ und CO, berechnen Sie die theoretische Luft aus der Brennstoffzusammensetzung und arbeiten Sie mit dem minimalen Luftüberschuss, der CO und unverbrannten Brennstoff auf einem akzeptabel niedrigen Niveau hält.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Verifizierung der Stoffbilanz liegt: Verwenden Sie eine feste Brennstoffbasis, messen Sie Luft- und Rauchgasströmungsraten, analysieren Sie das trockene Gas und schließen Sie die Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Schwefel-, Sauerstoff- und Stickstoffbilanzen.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Brenner- oder Ofensteuerung liegt: Verwenden Sie den O₂-Gehalt im Rauchgas als Steuerungsindikator, validieren Sie diesen jedoch gegen CO, Luftleckagen, Brennstofffluss und regelmäßige Kalibrierung der Analysatoren.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf Emissionen oder Abgasbehandlung liegt: Verfolgen Sie CO₂, CO, SO₂, Sauerstoff, Feuchtigkeit und relevante Schadstoffe auf einer klar angegebenen trockenen oder feuchten Basis, bevor Sie Wäscher und andere Behandlungsanlagen dimensionieren oder bewerten.

Eine zuverlässige Bewertung des Luftüberschusses erfordert sowohl eine genaue Rauchgasmessung als auch eine stöchiometrisch konsistente Verbrennungsbilanz.

Zusammenfassungstabelle:

Bewertungsbereich	Hauptmethode	Wichtige Überlegungen
Brennstoffbasis	Analyse von Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel, Sauerstoff, Feuchtigkeit und Asche	Verwenden Sie eine konsistente Massen- oder Molbasis
Theoretischer Sauerstoff	Anwendung der Stöchiometrie der vollständigen Verbrennung	Subtrahieren Sie brennstoffgebundenen Sauerstoff
Stöchiometrische Luft	Teilen Sie den Sauerstoffbedarf durch den Sauerstoffanteil der Luft	Anpassung für angereicherte, befeuchtete oder rückgeführte Luft
Rauchgasanalyse	Messung von trockenem O₂, CO₂, CO, SO₂ und N₂	Geben Sie trockene oder feuchte Basis sowie Probenahmebedingungen an
Luftüberschuss aus Flussdaten	Vergleich der tatsächlichen Luft mit der stöchiometrischen Luft	% Luftüberschuss = (tatsächliche Luft - stöchiometrische Luft) / stöchiometrische Luft x 100
Luftüberschuss aus O₂	Verwendung der Sauerstoffkonzentration im trockenen Rauchgas	Näherung: O₂ / (0,21 - O₂) x 100
Bilanzverifizierung	Abgleich von Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel, Sauerstoff und Stickstoff	Prüfung auf Leckagen, Analysatorfehler, Feuchtigkeit und unverbrannten Brennstoff
Betriebskompromiss	Minimierung des Luftüberschusses bei Aufrechterhaltung der vollständigen Verbrennung	Überwachung von O₂ zusammen mit CO und unverbrannten Kohlenwasserstoffen

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