125 Jahre IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 19/1997, Seite 35 ff.

HEIZUNGSTECHNIK

Keramische Flächenbrenner

in modulierenden Gas-Brennwertkesseln - Aufbau, Emissionen, Erfahrungen

Dipl.-Ing. Naihe Shen, Dr.-Ing. Andreas Meißner*

Hoher Wirkungsgrad und niedrige Schadstoff-Emission sind zwei wichtige Merkmale moderner Brennwertkessel. Dabei spielt der Brenner eine entscheidende Rolle. Viele Gas-Brennwertkessel werden heute mit einem keramischen Flächenbrenner ausgestattet. Außer dem hohen Wirkungsgrad und der niedrigen Emission zeichnen sich die keramischen Flächenbrenner auch durch die hohe Betriebssicherheit und die lange Lebensdauer aus.

Der Vormischbrenner

In einem Brennwertkessel wird die Kondensationswärme des im Abgas vorhandenen Wasserdampfes genutzt. Dabei muß das Abgas auf eine Temperatur unterhalb des Taupunktes abgekühlt werden, damit der Wasserdampf kondensieren kann. Die Taupunkttemperatur ist vom Wasserdampfgehalt im Abgas abhängig. Je höher der Wasserdampfgehalt, desto höher wird auch die Taupunkttemperatur. Der Wasserdampfgehalt im Abgas ist wiederum von der Brennstoffzusammensetzung (Wasserstoffgehalt), der Feuchte der Luft und dem Luftüberschuß bei der Verbrennung abhängig. Um eine hohe Taupunkttemperatur zu haben, muß der Luftüberschuß klein gehalten werden.

Ganz ohne Luftüberschuß ist aber eine vollständige Verbrennung praktisch nicht möglich. Um die Schadstoffemission zu minimieren, ist auch ein bestimmter Luftüberschuß notwendig. Um den Luftüberschuß genau zu kontrollieren, werden in viele Brennwertkessel gebläseunterstützte vollständig vormischende Brenner eingesetzt. Dabei wird das Brenngas mit der vorgegebenen Luftmenge vor der Verbrennung vollständig durchgemischt.

Der modulierende Brenner

Bei dem modulierenden Brenner wird die Brennerleistung dem aktuellen Wärmebedarf angepaßt. Dadurch wird eine lange Brennerlaufzeit erreicht und die Schaltfrequenz reduziert. Da die Schadstoffemission in der Anfahrphase besonders hoch ist, hat ein modulierender Kessel praktisch eine niedrigere Schadstoffemission als ein nicht modulierender Kessel mit der gleichen Angabe von Emissionswerten. Denn die angegebenen Emissionswerte werden nach den gültigen Prüfvorschriften beim stationären Zustand gemessen. Die reduzierte Schaltfrequenz erhöht außerdem die Lebensdauer des Kessels.

Insbesondere für Brennwertkessel erhöht die Leistungsmodulation auch den Nutzungsgrad des Kessels. Bei niedrigerer Leistung wird das Abgas bis auf die Rücklauftemperatur abgekühlt. Der geringere Abgasdurchsatz verlängert die Verweilzeit des Abgases im Wärmeaustauscher, so daß der übersättigte Wasserdampf vollständig an der Oberfläche des Wärmeaustauschers kondensieren kann.

Die Leistungsmodulation wird meistens durch ein drehzahlgeregeltes Gebläse realisiert, das bei niedrigerer Drehzahl weniger Strom verbraucht. Um den Luftüberschuß bei der Verbrennung genau einzuhalten, muß die Gasmenge proportional zur Luftmenge verändert werden. Diese sogenannte Gas/Luftverbundregelung kann durch ein pneumatisch gesteuertes Gasventil verwirklicht werden.

Möglichkeiten zur Reduzierung der NO_x-Emission

Bei der Verbrennung wird auch Stickstoff zu Stickoxiden (NO_x) umgewandelt. Stickoxide fördern die bodennahe Ozonbildung und sind mitverantwortlich für den "sauren Regen". Deshalb wurden verstärkte Anstrengungen in den letzten Jahren unternommen, um die NO_x-Emission zu vermindern.

Die NO_x-Bildung wird in drei Mechanismen unterteilt:
Das "thermische NO" entsteht aus dem mit der Verbrennungsluft in die Flamme eingebrachten molekularen Stickstoff. Die thermische NO-Bildung macht den Hauptanteil der NO_x-Emission aus und ist im allgemeinen eine Funktion der Temperatur, der Verweilzeit und der Sauerstoffkonzentration. Bei Temperaturen oberhalb von 1300°C steigt die Menge an gebildetem NO exponentiell mit der Temperatur an.

Die "Prompt-NO-Bildung" erfolgt durch Spaltung von molekularem Stickstoff durch CH_n-Radikale unter Bildung von Stickstoffradikalen und Zwischenprodukten, die wiederum zu NO weiter reagieren. Die "Prompt-NO-Bildung" liefert zwar geringe NO_x-Konzentrationen, setzt aber schon bei relativ niedrigerer Temperatur von ca. 700°C ein.

Die "Brennstoff-NO-Bildung" spielt für gasbefeuerte Brenner keine Rolle, weil in Brenngasen praktisch kein gebundener Stickstoff vorhanden ist.

Da die meiste NO_x-Emission bei einer hohen Temperatur erzeugt wird, muß die Verbrennungstemperatur niedrig gehalten werden. Dies kann durch folgende Maßnahmen erreicht werden:

Flammenkühlung durch Brennereinsätze: Bei atmosphärischen Brennern wird die Flamme häufig durch Kühlstäbe gekühlt. Die Kühlstäbe werden von der Flamme aufgeheizt und geben die Wärme durch Strahlung an die Umgebung ab. Dadurch werden die Temperaturspitzen in der Flamme abgebaut. Dies führt zu einer deutlichen NO_x-Reduzierung. Eine weitere, gleichmäßige Flammenkühlung kann dadurch aber nicht erreicht werden. Bei übermäßiger, örtlicher Kühlung der Flamme droht die Gefahr, daß die CO-Emission zu hoch wird. Außerdem könnte die erhöhte Strahlung der Stäbe die Brenneroberfläche beschädigen.

Flammenkühlung durch die Luft und das Abgas: Diese Methode hat in der Praxis viele Gesichter, z.B. Stufenverbrennung, Abgasrückführung und "Schmetterlingbrenner" etc. Bei solchen Methoden wird die Flammenoberfläche vergrößert, die durch die Luft und das Abgas gekühlt wird. Die Abgasrückführung hat den zusätzlichen Vorteil, daß der Sauerstoffpartialdruck gesenkt wird. Der niedrigere Sauerstoffpartialdruck erschwert die NO-Bildung zusätzlich. Die zurückgeführte Abgasmenge muß aber sehr genau dosiert und geregelt werden. Der "Schmetterlingbrenner" realisiert eine innere Abgasrezirkulation durch sein besonderes Flammenbild, so daß ein zusätzliches Dosier- und Regelsystem nicht notwendig ist. Alle diese Methoden setzen aber eine höhere Luftzahl voraus, die für die Brennwertnutzung ungünstig ist.

Verringerung der Flächenbelastung: Eine niedrigere Flächenbelastung führt zu einer größeren Flammenfront und damit zu einer niedrigeren Verbrennungstemperatur, vorausgesetzt, daß sich die Flamme auf der gesamten Fläche gleichmäßig verteilt. Außerdem wird die Verweilzeit in der Zone hoher Temperatur verkürzt. Deshalb haben die heutigen Brennwertgeräte meistens einen Flächenbrenner.

Die katalytische Verbrennung: Durch ausgewählte Katalysatoren, wie z.B. die Edelmetalle Palladium und Platin, kann die Verbrennungstemperatur bis unter 600°C gesenkt werden, ohne daß die Verbrennung unvollständig wird. Dadurch können die NO_x- und die CO-Emission gleichzeitig auf ein sehr niedriges Niveau gesenkt werden. Ein katalytischer Brenner ist relativ teuer und funktioniert erst dann richtig, wenn die Betriebstemperatur erreicht wird. Deshalb werden neuerdings in den Heizkesseln die sogenannten katalytisch unterstützten Brenner eingesetzt, die die normale Verbrennung mit Effekten der katalytischen Verbrennung kombinieren.

Der Flächenbrenner

Um die Verbrennungstemperatur zu senken, soll die Flammenfront vergrößert werden. Eine große Flammenfront wird erreicht, wenn die Flamme auf der gesamten Brenneroberfläche verteilt wird. Ein solcher Brenner wird als Flächenbrenner bezeichnet. Auf der Brenneroberfläche sind die einzelnen Flammen kaum zu erkennen, weil sie in einen kontinuierlichen Flammenteppich zusammengewachsen sind.

Um die Verbrennungstemperatur weiter zu senken, kann die Brenneroberfläche selbst eine zusätzliche Kühlfunktion übernehmen. Ein Teil der Verbrennungswärme kann nämlich über die Brenneroberfläche abtransportiert werden. Der einfachste Weg, die Wärme von der Brenneroberfläche abzubringen, ist die Strahlung, weil die Wärmeübertragung durch die Strahlung kein Medium benötigt. Außerdem ist die Wärmemenge, die durch Strahlung übertragen wird, proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur. Dadurch wird eine übermäßige Kühlung bei einer niedrigeren Verbrennungstemperatur vermieden und eine besonders gute Kühlwirkung erreicht, wenn die Temperatur zu hoch ist. Diese Eigenschaft ist wichtig, weil ein modulierender Kessel bei unterschiedlichen Belastungen keine konstante Verbrennungstemperatur hat.

Damit eine große Wärmemenge durch die Strahlung abgegeben wird, muß die Brenneroberfläche eine hohe Temperatur aufweisen. Gleichzeitig muß die Brennerplatte einen Flammenrückschlag verhindern können. Das heißt, die Flamme an der Vorderseite der Brennerplatte darf das Gas-Luft-Gemisch an der Rückseite nicht zünden. Am besten soll die Rückseite der Brennerplatte kalt bleiben. Dies verringert nicht nur die Gefahr eines Flammenrückschlages, sondern auch die Strahlung nach hinten, die das Gas-Luft-Gemisch ungünstig erwärmt.

Diese Bedingungen erfüllt idealweise der keramische Flächenbrenner.

Der keramische Flächenbrenner

Der keramische Flächenbrenner wurde vor über 50 Jahren für Gas-Infrarot-Strahler entwickelt. Die Keramikplatten sind gelocht. Der Lochdurchmesser ist so dimensioniert, daß die Flammenwurzel bei vorgegebenen Randbedingungen ca. 1 bis 2 mm tief im Loch sitzt. So wird die Keramikplatte direkt von der Flamme zum Glühen erhitzt. Die Keramik ist ein guter Strahler und gibt die Wärme schnell durch die Strahlung ab. Gleichzeitig wird die Flamme durch die Wärmeabgabe an die Keramikplatte gekühlt und die NO_x-Emission wird reduziert.

Keramik ist ein preiswertes Material. Sie ist chemisch stabil und hitzebeständig. Deshalb hat Keramik eine sehr lange Lebensdauer. Die Bruchfestigkeit der Keramik-Platten wird durch die Plattendicke bestimmt und wird somit zu einem weiteren positiven Einflußfaktor. Dicke Platten verhindern den Effekt des Flammenrückschlages. Dabei ist ein möglichst großer Temperaturunterschied zwischen der Vorderseite (der Seite zum Brennraum) und der Rückseite (der Seite zum Mischraum) der Keramik-Platte wünschenswert. Das heißt, die Wärmeleitfähigkeit der Keramik-Platte soll möglichst niedrig sein. Deshalb sind die als Brennerplatte eingesetzten Keramik-Platten eine spezielle Keramik mit einer hohen Porosität. Die Wärmeleitfähigkeit ist so gering, daß die Temperatur auf der Rückseite bei glühender Vorderseite (ca. 950°C) unter 150°C liegt.

Die niedrigere Wärmeleitfähigkeit vermindert auch die Wärmeabgabe von der Rückseite. Die Wärmeabgabe durch die Strahlung von der Vorderseite wird aber erhöht, weil die höhere Porosität die Emissionszahl der Oberfläche erhöht.

Die in den Brennwertgeräten eingesetzten Keramik-Platten haben in der Regel eine höhere Flächenbelastung als die in Strahlern, weil eine kleinere Abmessung bei den Brennwertgeräten erwünscht und auch umsetzbar ist. Eine höhere Flächenbelastung mit einer höheren Fließgeschwindigkeit des Gas-Luft-Gemisches durch die Löcher der Keramik-Platte wird mittels Luftgebläse realisiert. Hierbei werden die Flammen aus den Löchern herausgetragen und ein blauer Flammenteppich bildet sich vor der Keramik-Platte.

Die Keramik-Platte wird bei hoher Leistung nicht mehr unmittelbar von der Flamme beheizt. Die Platte glüht dann nicht mehr und verliert teilweise auch die entsprechende Wirkung zur NO_x-Senkung. Die NO_x-Emission ist aber trotzdem relativ niedrig, weil der Flammenteppich eine relativ große Flammenfront hat.

Bild 1: Oberflächenstruktur der Effekt-Platte.

Bei den modulierenden Brennwertgeräten wird durch eine optimale Einstellung der Luftzahl erreicht, daß die Keramik-Platte im Teillastbereich glüht. Da ein modulierender Kessel in der überwiegenden Zeit bei Teillast brennt, glüht die Platte in der meisten Zeit. Deshalb ist die durchschnittliche NO_x-Emission sehr gering. Diese durchschnittliche Emission ist in der gültigen Prüfvorschrift als Normemissionsfaktor genau definiert.

Durch eine besondere Oberflächenstruktur der Platte kann der Bereich der glühenden Verbrennung erweitert werden. Die Effekt-Platten (Bild 1) glühen auch dann, wenn die Verbrennung nicht mehr in, sondern vor den Löchern stattfindet. So kann die NO_x-Emission auch bei höherer Flächenbelastung gesenkt werden.

Die Effekt-Platte hat auch dann eine zusätzliche NO_x-senkende Wirkung, wenn die Platte nicht glüht. Durch die Oberflächenstruktur werden die Flammen unterschiedlich lang, so daß der Flammenteppich vor der Platte eine wellige Oberfläche hat. Dieser Flammenteppich hat eine größere Flammenfront und einen höheren Wirbelgrad in der Flammenzone. Dadurch kann die NOx-Emission, ähnlich wie beim "Schmetterling-Brenner", nochmals gesenkt werden.

Weitere neue Oberflächenstrukturen werden zur Zeit erforscht, um das Emissionsverhalten und die Flammenstabilität bei höheren Flächenbelastungen weiter zu verbessern.

Einsatzgrenze

Trotz der genannten Vorzüge kann ein keramischer Flächenbrenner nur dann gut funktionieren, wenn dessen Einsatzgrenzen eingehalten werden. Insbesondere sollen folgende Grenzen beachtet werden:

Flächenbelastung: Die Flächenbelastung der Keramik-Platte ist maximal auf ca. 1 W/mm² begrenzt. Oberhalb dieser Grenze übersteigt die NO_x-Emission die behördliche Auflage, weil die NO_x-Emission nahezu linear mit der Flächenbelastung steigt (Bild 2).

Ein weiterer Grund dieser Begrenzung der Flächenbelastung ist die nachlassende Flammenstabilität. Die Flammenstabilität kann durch Senkung der Luftzahl erhöht werden. Praktische Erfahrungen zeigen jedoch, daß eine hohe Flächenbelastung mit niedriger Luftzahl häufig zu Resonanzgeräuschen führt. Es gibt jedoch eine Forschungsarbeit, die das Problem durch die Entwicklung einer besonderen Oberflächenstruktur im wesentlichen gelöst hat.

Bild 2: NOx-Emission in Abhängigkeit von der Flächenbelastung. (Meßwerte von Gamat-Schwank am Gas-Brennwertkessel WG 200)

Luftzahl l: Die Luftzahl ist für einen hohen Wirkungsgrad, eine niedrige Schadstoffemission, eine stabile Verbrennung und die Sicherheit der Brenner sehr wichtig. Um einen hohen Wirkungsgrad bei Brennwertgeräten zu erzielen, soll die Luftzahl nicht größer als 1,4 sein. Eine zu hohe Luftzahl erhöht auch die CO-Emission und kann bei schwankender Gasqualität (niedrigerem Wobbeindex) die Flammenstabilität beeinträchtigen. Andererseits soll die Luftzahl nicht auf kleiner als 1,2 eingestellt werden. Bei zu niedriger Luftzahl steigt die NO_x-Emission. Außerdem kann die Keramik-Platte überhitzt werden.

Bei einer Überhitzung der Platte über längere Zeit ist ein Flammenrückschlag nicht auszuschließen, insbesondere dann, wenn die Flächenbelastung niedrig ist. Denn bei kleinerer Belastung ist die Fließgeschwindigkeit des Gas-Luft-Gemisches niedrig und die Platte wird nicht so gut durch das durchströmende Gas-Luft-Gemisch gekühlt wie bei höherer Belastung. Bei kurzzeitiger Überhitzung ist die Gefahr eines Flammenrückschlages sehr gering, weil die Platte wegen ihrer Dicke relativ träge ist.

In der Praxis ist es üblich, daß das Gas-Luft-Verhältnis nach CO₂-Anteil im Abgas eingestellt wird. Bei gleicher Luftzahl ist der CO₂-Anteil im Abgas von der Gasart abhängig. Die Tabelle 1 zeigt der Unterschied der CO₂- und O₂-Anteile zwischen dem Normprüfgas für Erdgas E G20, und dem zur Zeit in den neuen Bundesländern und Berlin eingespeisten Verbundgas Nord bei bestimmten Luftzahlen.

Tabelle 1: CO₂- und O₂-Anteil im Abgas bei verschiedenen Luftzahlen (G20: CO₂-max = 11,73%; V_min,tr = 8,52 m³/m³; Lmin = 9,52 m³/m³, Verbundgas Nord: CO₂-max = 12,20%; V_min,tr = 9,30 m³/m³; L_min = 10,36 m³/m³)

Luftzahl	G20		Verbundgas Nord
Luftzahl	CO₂ %	O₂ %	CO₂ %	O₂ %
1,10	10,55	2,11	10,98	2,10
1,15	10,05	3,01	10,45	3,01
1,20	9,59	3,84	9,98	3,82
1,25	9,17	4,59	9,54	4,57
1,30	8,79	5,27	9,14	5,26
1,35	8,43	5,90	8,78	5,89
1,40	8,11	6,49	8,44	6,47
1,45	7,81	7,03	8,13	7,01
1,50	7,53	7,53	7,84	7,51

Aus der Tabelle 1 ist zu erkennen, daß der Unterschied der CO₂-Anteile bei gleicher Luftzahl nicht zu vernachlässigen ist. Deshalb ist die Einstellung der Luftzahl nach dem gemessenen CO₂-Anteil bei unterschiedlicher Gasart nicht geeignet. Die von den meisten Schornsteinfegern und Heizungsinstallateuren benutzten Abgasmeßgeräte messen den CO₂-Anteil jedoch nicht direkt. Bei solchen Geräten wird der O₂-Anteil gemessen. Der CO₂-Anteil wird in der Regel für Erdgas E nach G20 umgerechnet. Da der O₂-Anteil im Abgas bei einer bestimmten Luftzahl weitgehend von der Gasart unabhängig ist, wie die Tabelle 1 zeigt, entspricht der umgerechnete CO₂-Anteil einer bestimmten Luftzahl. Der optimale Bereich des CO₂-Anteils für keramische Flächenbrenner liegt dann zwischen 8,1 und 9,6%.

Weitere Entwicklungen

Der Keramische Flächenbrenner wird zur Zeit weiterentwickelt. In der näheren Zukunft werden folgende Neuentwicklungen erwartet:
Neue geometrische Form: Die jetzigen Keramischen Flächenbrenner sind aus einfachen Keramik-Platten. Um die Einsatzmöglichkeit zu erweitern, werden andere Brennerformen, wie z.B. zylindrisch oder halbkugelförmig, von den Kesselherstellern gewünscht.

Katalytische Beschichtung: Durch die katalytische Beschichtung können die Flammentemperatur und die Emissionswerte weiter gesenkt werden.

Neue Lochform und Lochverteilung: Die Löcher in der Keramik-Platte sind zur Zeit gerade Zylinder und gleichmäßig verteilt. Durch veränderte Lochform und Lochverteilung ist es möglich, daß die Platte auch bei hoher Flächenbelastung niedrige Emissionen und hohe Flammenstabilität aufweist.

Fazit

Der keramische Flächenbrenner ist ein für modulierende Gas-Brennwertkessel sehr gut geeigneter Brenner. Niedrige Emission bei einem großen Modulationsbereich ist eine sehr zu schätzende Eigenschaft. Der keramische Flächenbrenner brennt auch bei kurzzeitiger Überlastung und Schwankung der Luftzahl bzw. des Druckes sicher. So wird eine lange Lebensdauer gewährleistet. Durch weitere Verbesserungen wird der Einsatzbereich von keramischen Flächenbrennern in der Zukunft noch erweitert.

B i l d e r : Gamat-Schwank Wärmegeräte GmbH, Berlin

* Dipl.-Ing. Naihe Shen ist Entwicklungsingenieur und Dr.-Ing. Andreas Meißner Leiter Entwicklungslabor im Unternehmen Gamat-Schwank Wärmegeräte GmbH, Berlin.

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