125 Jahre IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 19/1997, Seite 42 ff.

HEIZUNGSTECHNIK

Emissionsarme Öl- und Gasgebläsebrenner für Kleinfeuerungsanlagen

Rüdiger Rebbe

Spätestens bei der jährlichen Überprüfung der Heizungsanlage stellt sich für viele Anlagenbetreiber die Frage nach Brennertausch oder Ersatz des Wärmeerzeugers. Zu Zeiten einer wirtschaftlich eher angespannten Lage wird aus Kostengründen tendenziell der Brennertausch bevorzugt. Läßt sich diese Tendenz mit dem Wunsch des Anlagenbetreibers nach Umweltschutz bei garantierter Funktionalität und Betriebssicherheit vereinbaren? Im folgenden werden nach einem kurzen Überblick das Emissionseinsparpotential beim Brennertausch und unterschiedliche Brennertechniken beschrieben.

1. Einleitung

Nach den wissenschaftlichen Erkenntnissen der letzten gut zehn Jahre ist Stickoxid (NOx) der Luftschadstoff Nummer 1. NOx erhöht die Ozonkonzentration im unteren Teil der Atmosphäre, ist hauptverantwortlich für das Waldsterben und kann zur Kruppschen Krankheit führen.

Tabelle 1: Abgase einer Kesselanlage
 

Heizöl

Erdgas H

Nennleistung

20 kW

20 kW

Jahresnutzungsgrad

90 %

90 %

Brennstoffverbrauch

3150 kg/a

3610 m3/a

 

Emissionen bezogen auf die Grenzwerte der prEN 267

Emissionsmenge bezogen auf das Beispiel

Emissionen bezogen auf die Grenzwerte der prEN 676

Emissionsmenge bezogen auf das Beispiel

CO

110 mg/kWh

4,1 kg/a

100 mg/kWh

3,7 kg/a

NOx

265 mg/kWh

9,9 kg/a

170 mg/kWh

6,4 kg/a

 

Emissionen bezogen auf die Grenzwerte des Blauen Engels RAL-UZ 80

Emissionsmenge bezogen auf das Beispiel

Emissionen bezogen auf die Grenzwerte des Blauen Engels RAL-UZ 80

Emissionsmenge bezogen auf das Beispiel

CO

80 mg/kWh

3,0 kg/a

60 mg/kWh

2,2 kg/a

NOx

120 mg/kWh

4,5 kg/a

70 mg/kWh

2,6 kg/a

In den privaten Haushalten der Bundesrepublik wird der größte Teil der fossilen Brennstoffe in den Heizungsanlagen umgesetzt. Die Heizungsindustrie ist also in der Verantwortung bzw. durch die Novellierung der 1. BImschV in der Pflicht, die bei der Produktion der benötigten Wärme zwangsläufig entstehenden NOx-Emissionen durch technisch ausgereifte, emissionsarme Produkte zu vermindern.

2. Grenzwerte im Vergleich

Wieviel NOx in einer Standardheizungsanlage jährlich gebildet wird, kann, nach Öl und Gas getrennt, der Tabelle 1 entnommen werden. Verglichen werden die Grenzwerte der Europanormen EN 267 und EN 676 mit den zur Zeit gültigen Grenzwerten der Blauen Engel RAL-UZ 9 und RAL-UZ 80. Ausgehend von den jeweiligen Grenzwerten ist eine Reduzierung der NOx-Emissionen durch den Einbau eines emissionsarmen Brenners um über 50% erreichbar.

Bild 1: Bei Verbrennungsprozessen entsteht NO in der Flammenfront und in der Zone der Verbrennungsprodukte durch drei Mechanismen.

3. Emissionsarme Brennertechniken

NOx wird bei der thermischen Umsetzung von fossilen Brennstoffen mit Luft in den heißen Zonen der Flammenfront nach drei verschiedenen Bildungsmechanismen gebildet (Bild 1). Wieviel NOx bei der Verbrennung entsteht, hängt stark von der Temperatur, der Verweilzeit in diesem Temperaturbereich und vom Sauerstoffgehalt bzw. Sauerstoffpartialdruck ab. Bei Temperaturen oberhalb von 1500°C nehmen die NOx-Emissionen weiter zu und die CO-Emissionen ab. Diese beiden Emissionen verhalten sich wie Feuer und Wasser. Mit der entsprechenden Brennertechnik ist es allerdings möglich, diesem physikalischen Gesetz zum Trotz, eine nahezu CO-freie und NOx-arme Verbrennung zu realisieren.

Fünf grundlegend unterschiedliche Brennertechniken, zwei für Gas und drei für Heizöl, werden im folgenden beschrieben.

Bild 2: Gasoberflächenbrenner

3.1 Gasoberflächenbrenner (Bild 2)

Durch einen Turbulator wird der Brennstoff auf der Druckseite mit Luft homogen gemischt. Lokale Luftmangelzonen werden vermieden. Über das Verteilblech und die Rückschlagsicherung wird das homogene Gemisch gleichmäßig dem Flammenträger zugeführt. Viele kleine Flammen bilden einen Flammenteppich ohne Hochtemperaturnester. Die Energie des Flammenteppichs wird schnell an den Flammenträger übertragen und von dort aus in Form von Festkörperstrahlung an die Brennkammer abgeführt. Niedrigste Schadstoff- und Geräuschemissionen werden kesselunabhängig erreicht.

Bild 3: Gasbrenner mit gestufter Brennstoffzufuhr.

3.2 Gasgebläsebrenner mit gestufter Brennstoffzufuhr (Bild 3)

Der Brennstoff wird in zwei Teile zu 30% und 70% aufgeteilt. Die kleinere Gasmenge verbrennt in der Primärzone mit einem großen Luftüberschuß in einer kalten Flamme. Der Luftüberschuß ist so groß, daß die Brennstoffumsetzung unterhalb von 1500°C abläuft. In der Sekundärzone wird in das Abgas-Luft-Gemisch die größere Gasmenge gedüst. In diesem Gemisch ist der prozentuale Sauerstoffanteil geringer als in Luft. Die Abgase der Primärzone verhalten sich wie Ballast, die Verbrennungstemperatur der Sekundärzone wird reduziert. Die Sauerstoffpartialdruckverschiebung und die geringen Verbrennungstemperaturen wirken der NOx-Bildung entscheidend entgegen. Die NOx-Emissionen lassen sich mit dieser Brennertechnik nahezu unabhängig von der Konstruktion des Wärmeerzeugers reduzieren.

Bild 4: Gelbbrenner mit Rezirkulation.

3.3 Gelbbrenner mit Rezirkulation (Bild 4)

Dieser Brennertyp für Heizöl basiert auf dem einfachen Aufbau eines Öldruckzerstäubers. Durch Unterdruck werden nach dem Prinzip der Wasserstrahlpumpe bereits ausreagierte Abgase in die Reaktionszone zurückgeführt. Die angepaßte Luftführung und die Sprühcharakteristik der Öldüse sorgen für eine optimale Verwirbelung des Brennstoff-Luftgemisches mit den Abgasen. Durch die rückgeführten Abgase wird der prozentuale Anteil des Sauerstoffs in der Reaktionszone verringert. Die Abgase verhalten sich wie Ballast und reduzieren die Verbrennungstemperatur. Das Heizöl wird durch die große Mischenergie sehr schnell verdampft. Die Flamme brennt blau und wird durch das Prinzip der Flacker-Infrarot-Detektion (IRD) überwacht. Bei großzügigen Brennkammern wird die Rezirkulation durch einen Rezirkulationsaufsatz stabilisiert. Bei moderneren Brennkammern, deren Konstruktion eine interne Abgasrezirkulation bereits vorsieht, wird der Rezirkulationsaufsatz des Brenners einfach entfernt. Das Emissionsreduzierungspotential dieser Brennertechnik ist im starken Maße abhängig von der Konstruktion der Brennkammer. Tendenziell lassen sich die Emissionen in großen Feuerräumen oder Rohrbrennkammern weiter reduzieren als in heißen Brennkammern.

Bild 5: Blaubrenner mit Rezirkulation.

3.4 Blaubrenner mit Rezirkulation (Bild 5)

Durch die sehr große Mischenergie wird der Brennstoff sehr schnell verdampft. Das verdampfte, gasförmige Heizöl wird in einer stark rotierenden Flamme im keramischen Brennerrohr blau verbrannt. Die Verbrennung ist ruß- und nahezu CO-frei. Durch Unterdruck werden Abgase in die Reaktionszone geführt. Die entsprechende Luftführung sorgt für eine gute Verwirbelung des Brennstoff-Luftgemisches mit den Abgasen. Die Abgase verhalten sich wie Ballast und reduzieren die Verbrennungstemperatur. Der prozentuale Sauerstoffanteil verringert sich. Die Emissionen sind nahezu unabhängig vom Wärmeerzeuger, da der Brennstoff im Brennerrohr und nicht im Wärmeerzeuger umgesetzt wird. Aus diesem Grunde können auch in der Vergangenheit häufig überdimensionierte Heizkessel mit an den tatsächlichen Wärmebedarf angepaßten Brennerleistungen bei geeigneten Maßnahmen zur Schwitzwasservermeidung befeuert werden.

Bild 6: Blaubrenner mit Druckluftzerstäubung; zweistufig, 7 bis 18 kW.
 

Bild 7: Prinzip der Druckzerstäuberdüse.

3.5 Blaubrenner mit Druckluftzerstäubung (Bild 6)

Die kleinste Leistung von Ölbrennern ist durch die Größe der Öldüsen (Bild 7) physikalisch vorgegeben und liegt in der Praxis etwa bei 14 kW. Geringere Leistungen sind mit Öldruckzerstäubern unter anderem durch die Fertigungsmöglichkeiten und durch die Verschmutzungsgefahr der Öldüsen nicht erreichbar. Beim Druckluftzerstäuber erfolgt die Zerstäubung des Heizöls mit Druckluft von etwa 0,8 bar (Bild 8). Nicht die Bewegungsenergie des Heizöls sondern die der Luft zerstäubt den Brennstoff. Die von einem Doppelmembran-Verdichter erzeugte Druckluft wird konzentrisch durch den Düsenstock der Druckluftzerstäuberdüse zugeführt (Bild 9). Der an der Ölpumpe einzustellende Öldruck von etwa 2 bis 16 bar dient ausschließlich der Einstellung des gewünschten Öldurchsatzes (Bild 10). Brennleistungen ab etwa 7 kW sind mit diesem Prinzip realisierbar.

Bild 8: Prinzip der Druckluftzerstäuberdüse.

Das fein zerstäubte Heizöl wird in einer stark rotierenden Flamme im keramischen Brennerrohr blau verbrannt. Durch die homogene Verwirbelung des Brennstoff-Luftgemisches und die zurückgeführten Abgase werden niedrigste Emissionen nahezu unabhängig vom Wärmeerzeuger erreicht. Ein besonderes Gewicht erhält dieses Konzept durch den optionalen zweistufigen Betrieb. So läßt sich z.B. in der ersten Brennstufe der Wärmebedarf des Gebäudes mit 8 kW decken und in der zweiten Stufe mit 18 kW eine komfortable Trinkwassererwärmung ermöglichen.

Bild 9: Blaubrenner mit Druckluftzerstäubung.

4. Praxismessungen

Die Emissionswerte der beschriebenen Gasgebläsebrenner halten die zu erwartenden Grenzwerte der 1. BImschV sicher und nahezu kesselunabhängig ein. Praxisuntersuchungen von verschiedenen Ölbrennersystemen zeigen dagegen leistungs- und wärmeerzeugerabhängig unterschiedliche Ergebnisse (Bild 11).

Bild 10: Leistungseinstellung.

Tendenziell verringern sich die Emissionen der Gelbbrenner mit steigender Leistung durch bessere Gemischaufbereitung und höhere Mischenergien. Blaubrenner führen bei steigender Leistung zu höheren Energiedichten und damit zu höheren Emissionen.

Bild 11: NOx-Emissionen bei unterschiedlichen Ölbrennersystemen.

5. Fazit

Umweltentlastung fängt beim Brenner an. Durch den Einbau moderner, emissionsarmer Brenner ist eine spürbare Senkung der umweltschädigenden Emissionen erreichbar. Für die Einhaltung der BImSchV-Grenzwerte gibt es auch für bestehende Anlagen funktionierende und bewährte Brennersysteme. Die Modernisierung der Heizungsanlage durch den Einbau eines schadstoffreduzierten Brenners ist daher durchaus zu empfehlen.

B i l d e r :   Giersch GmbH, Hemer

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