IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 8/1999, Seite 52 ff.

HEIZUNGSTECHNIK

Stand und Entwicklung von Ölbrennern

Dr.-Ing. Christian Küchen*
Prof. Dr.-Ing. Heinrich Köhne**
Dipl.-Ing. Heinz-Peter Gitzinger**
Dipl.-Ing. Christoph Dötsch**

Die Anforderungen an moderne Ölheizungssysteme haben sich in den vergangenen Jahren laufend erhöht. Durch die Weiterentwicklungen der Verbrennungstechnik sind die Emissionen von Ruß, Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, allesamt Produkte einer unvollständigen Verbrennung, auf ein zu vernachlässigendes bzw. im Einzelfall nicht einmal mehr nachzuweisendes Niveau abgesenkt worden. Während die Emissionen von Schwefeloxiden bis auf den Fall einer nachgeschalteten Entschwefelung der Rauchgase allein vom Schwefelgehalt des Brennstoffs abhängen, sind die Emissionen von NOx vom eingesetzten Verbrennungsprinzip abhängig. Ein Schwerpunkt der Entwicklungen von Ölbrennern in den vergangenen Jahren war die Reduzierung der NOx-Emissionen. Die Emissionen aus Ölfeuerungen machen nur einen sehr geringen Anteil an den Gesamtemissionen dieser Schadstoffe aus.

Einleitung

Die Emissionen aus Ölfeuerungen machen nur einen sehr geringen Anteil an den Gesamtemissionen dieser Schadstoffe in Deutschland aus. Über die Reduzierung der - insgesamt auf sehr niedrigem Niveau liegenden - Emissionen hinaus liegen Schwerpunkte der Ölbrennerentwicklung für den Haushaltsbereich heute z.B. in der Verringerung des elektrischen Hilfsenergiebedarfs und in einer Reduzierung von Geräuschemissionen. Darüber hinaus befinden sich gegenüber herkömmlichen Systemen in der unteren Leistungsgrenze reduzierte 2stufige oder auch modulierende Brenner in der Entwicklung.

Neue Entwicklungen

Seitens der Ölbrennertechnik werden zunehmend Systeme mit Abgasrezirkulation und daraus resultierend einem blauen Flammenbild angeboten. Die Reduzierung der Geräuschemissionen aus der Verbrennung wird durch gezielte strömungstechnische Maßnahmen im Bereich der Luftzuführung und Mischung erreicht.

Eine Reduzierung des elektrischen Hilfsenergiebedarfs wird beispielsweise durch den Einsatz von Gleichstromgebläsemotoren für die Verbrennungsluftversorgung ermöglicht, wobei die Luftmengenregulierung über eine Drehzahleinstellung erfolgt. Die zwei Elektromotoren für die Luft- bzw. Ölförderung können bei dieser Duo-Blockbauweise energetisch unabhängig voneinander optimiert werden.

Bild 1: Prinzipbild eines wandhängenden, raumluftunabhängigen Öl-Brennwertgeräts.

Diese Technologie wird auch bei der in diesem Jahr erstmals angebotenen Öl-Wandheizzentrale mit Brennwertnutzung eingesetzt (Bild 1), die für den Leistungsbereich von 10 - 20 kW als zweistufiges System entwickelt wurde. Der Platzbedarf dieses für eine raumluftunabhängige Verbrennungsluftversorgung konzipierten Geräts liegt in der Größenordnung vergleichbarer Gas-Wandkessel. Die aus austenitischem Edelstahl gefertigten Wärmeübertrager sind so dimensioniert, daß in der kleinen Leistungsstufe Abgastemperaturen von 55°C nicht unterschritten werden, so daß keine Kondensation von Rauchgasen im Kessel stattfindet. Die Kondensationswärme wird im Abgassystem auf die Ansaugluft übertragen. In der großen Leistungsstufe wird maximal eine Abgastemperatur von 80°C erreicht, so daß Kunststoffabgassysteme eingesetzt werden können. Der Brenner startet in der großen Leistungsstufe, die auch Leistungsspitzen, z.B. bei entsprechender Brauchwasseranforderung, abdecken kann. Für den reinen Heizbetrieb ist dann die 10 kW-Stufe im allgemeinen vollkommen ausreichend.

Entwicklungsstudien

Vorverdampfungsbrenner

Bei marktgängigen modernen Ölbrennern, die in der Regel mit einer Druckzerstäubung (Simplex-Düsen) arbeiten, wird versucht, die Verbrennung durch die weitgehende Trennung von Gemischbildung und Reaktionszone zu optimieren. Dazu sind Maßnahmen erforderlich, die eine Ausbreitung der Flamme in die Zone der Gemischbildung verhindern. Dazu wird in der Regel Rauchgas in die Zone der Gemischbildung geführt. Durch die Rückführung sehr heißer Rauchgase in den kalten Luftstrom kann darüber hinaus die Verdampfung des Brennstoffs beschleunigt werden.

Diese Maßnahme wird bei den sogenannten Blaubrennern bereits umgesetzt. Die Rauchgase werden hier sowohl intern - innerhalb eines Flammenrohres - als auch extern über Öffnungen im Flammenrohr durch Unterdruck im Bereich der Luftdüse rezirkuliert. Der externe zusätzliche Massenstrom führt zu einer höheren mittleren Strömungsgeschwindigkeit im Flammenrohr. Dieser Effekt, wie auch die Inertisierung der Gasmischung durch die Rauchgase, führt zu einer Verschiebung der Flammenzone stromabwärts im Flammenrohr.

Bild 2: Vorverdampfungsbrenner, Längsschnitt.

Nun hat die RWTH Aachen im Auftrag von IWO, Hamburg, einen Brenner entwickelt, der ein neues System der schadstoffarmen Feuerung nutzt. Dabei wird die Flamme im Bereich hinter dem Flammenrohr, z.B. in einem Brennkammereinsatz, stabilisiert (Bild 2). Mit diesem Verfahren gelingt die vollständige Trennung der Bereiche der Gemischbildung und der Verbrennung. Das Flammenrohr dient dann der reinen Gemischbildung. Die entstehende Flamme leuchtet wie eine Gasflamme schwach blau und produziert aufgrund ihrer geringen Energiedichte und hohen Homogenität sehr geringe Stickoxidemissionen. Durch die Verringerung von Turbulenzen in der Flamme werden die Verbrennungsgeräusche deutlich reduziert.

Beim Brennerstart stabilisiert sich die Flamme wie bei bekannten Blaubrennersystemen im Flammenrohr. Um dies zu realisieren, muß das Rezirkulationsverhältnis abgesenkt werden, da einerseits die kalten eingesogenen Gase die Flamme zu stark kühlen und andererseits im Startbetrieb ein sehr großer Massenstrom der kalten Abgase rezirkuliert wird. Mit reduziertem Rezirkulationsverhältnis werden Flammenrohr und Umkehreinsatz zunächst aufgeheizt, bevor es zur Umschaltung auf den Vorverdampfungsbetrieb kommt. Dabei ist die Bewegung von Bauteilen in Zonen hoher Temperatur zu vermeiden, da hier aufgrund thermischer Ausdehnung Probleme auftreten können.

Ein Konzept zur Lösung der Startproblematik besteht darin, die Rezirkulationsöffnung im Startbetrieb durch einen Sperrluftstrahl teilweise zu verschließen. Durch eine Verstellung im kalten Bereich des Brenners kann dieser Sperrstrahl gestoppt und so der Übergang zum Vorverdampfungsbetrieb realisiert werden.

Die entwickelte Verbrennungstechnologie bietet darüber hinaus die Möglichkeit eines gegenüber anderen Systemen erweiterten Modulationsbereichs. Hierbei können im Vorverdampfungsbetrieb niedrige Emissionswerte auch mit einer relativ schlechten Zerstäubung erreicht werden, was eine Reduzierung des Öldrucks und damit des Öldurchsatzes bei konstanten Düsenabmessungen ermöglicht. Durch die großvolumige Vormisch- und Verdampfungszone können auch Öltropfen größerer Durchmesser vollständig verdampfen, bevor sie die Verbrennungszone erreichen.

Strahlungsbrenner

Durch den Einsatz von Strahlungsbrennern ergeben sich in vielen Bereichen der Anwendung eine Reihe von Vorteilen. Diese liegen in der Flammenstabilisierung, in der Wärmeübertragung und in der Minderung der Schadstoffemissionen. Strahlungsbrenner gestatten durch die niedrige Flammenhöhe den kompakten Bau von Wärmeübertragern und Kesseln. Darüber hinaus werden sie als Strahlungsheizungen sowie bei industriellen Trocknungs- oder Glühprozessen eingesetzt.

Die Vorteile basieren auf der Stabilisierung eines Flammenteppichs in direkter Nähe einer porösen Oberfläche und im Material der verwendeten Oberflächenstruktur. Der Festkörper heizt sich durch die Nähe der Flamme stark auf und gibt einen großen Teil der Reaktionswärme durch Wärmestrahlung an die Umgebung ab. Der Anteil der Wärmestrahlung hängt von der Temperatur der heißen Oberfläche ab, die wiederum von der auf die Größe der Fläche bezogenen Leistung - im allgemeinen Flächenbelastung genannt - bestimmt wird. Häufig werden Strahlungsbrenner mit Flächenbelastungen im Bereich um 200 kW/m2 ausgelegt. Damit liegt der Anteil der Wärmeauskopplung durch Festkörperstrahlung zwischen 30% und 40% der Gesamtleistung.

Die Schadstoffemissionen von Strahlungsbrennern sind gering. Die starke Aufheizung der Oberfläche durch die Nähe der Flammenzone bedeutet umgekehrt eine effektive Art der Flammenkühlung. Damit kann die thermische Stickoxidbildung im Vergleich zu frei stabilisierten Flammen deutlich reduziert werden. Der Effekt der Temperaturabsenkung wird durch die gleichmäßige Flammentemperatur bei Strahlungsbrennern verstärkt. Temperaturschwankungen in der Flammenzone, die mit sogenannten Hot-Spots wesentlich zur thermischen Stickoxidbildung beitragen, werden durch eine homogene (gleichmäßige) Gemischbildung vor der Verbrennung und durch die geringen Temperaturschwankungen der Oberfläche aufgrund ihrer großen Wärmekapazität reduziert. Die gleichmäßige Flammentemperatur bewirkt weiterhin einen vollständigen Ausbrand mit geringen Kohlenmonoxid- (CO) und Kohlenwasserstoffemissionen (CxHy).

Flammengeräusche können durch die Minimierung der Turbulenz in der Flamme weitgehend vermieden werden. Dies gelingt durch die Trennung der turbulenten Gemischbildung von der Verbrennung der Gase, die die großflächige poröse Oberfläche mit geringer Geschwindigkeit durchströmen.

Eine Voraussetzung für die Stabilisierung einer Flammenzone mit geringer Höhe auf einer Oberfläche ist die Bildung eines homogenen Brennstoff-/Luft-Gemisches vor der Durchströmung des porösen Materials. Ungleichmäßigkeiten (Inhomogenitäten) im Gemisch oder die getrennte Zuführung von Brennstoff und Luft beziehungsweise Sauerstoff an die Oberfläche würden zur Bildung einer Zone der Mischung oberhalb des porösen Werkstoffs führen. Die Reaktionszone würde sich in deutlicher Entfernung von der Oberfläche ausbilden und somit die Wärmeauskopplung durch Strahlung sinken.

Für die Realisierung eines Strahlungsbrenners ist die Aufbereitung eines homogenen Brennstoff-/Luft-Gemisches eine wesentliche Voraussetzung. Während dies bei gasförmigen Brennstoffen technisch leicht umsetzbar ist, stellen sich bei flüssigen Brennstoffen dazu folgende Aufgaben:

Mit der Trennung der Bereiche der Gemischbildung und der Verbrennung ergibt sich die Aufgabe der gezielten Wärmezufuhr an die Luft und/oder an den Brennstoff sowie die Auskopplung dieser Wärme aus der Verbrennung. Weiterhin stellt sich die Frage nach dem Startverfahren des Brenners, wenn die Wärme noch nicht aus der Verbrennung gewonnen werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgaben sind von Entwicklern verschiedene Ansätze untersucht worden. Viele Konzepte von Systemen der Vormischverbrennung führten in der Vergangenheit zu Problemen bei der Brennstoffaufbereitung durch die Bildung von Ablagerungen im Bereich der Brennstoffverdampfung. Besonders problematisch sind Systeme nach dem Konzept der Filmverdampfung, die hier daher nicht näher betrachtet werden.

Im folgenden werden drei Konzepte vorgestellt, die die Möglichkeiten einer Gemischaufbereitung für flüssige Brennstoffe, insbesondere Heizöl EL aufzeigen. Die Beschreibung orientiert sich an Veröffentlichungen der Entwickler.

Bild 3: Aerosolgenerator mit Luftdüse für Kleinstleistungen.

Aerosolgenerator für Kleinstleistungen

Im Hinblick auf die Möglichkeit der Zerstäubung sehr kleiner Brennstoffmassenströme (< 1 kg/h; P < 12 kW) wurde ein Aerosolgenerator auf der Basis eines porösen Sintermetallkörpers von S. Schilling entwickelt (Bild 3). Der poröse Zylinder wird über die Brennstoffzuführung mit einem Ölfilm benetzt und von Luft durchströmt. Dabei bilden sich Luftblasen, die beim Zerplatzen kleinste Öltropfen in den umgebenden Raum schleudern. Ein darüber geführter zweiter Luftstrom trägt den entstandenen Nebel weiter zum Bereich der Verbrennung. Der Aerosolgenerator wird - ähnlich wie der Ölvorwärmer in einem gängigen Düsenstock - elektrisch beheizt, um die Viskosität des Öls zu senken. Die Aufnahmeleistung beträgt 150 W. Aufgrund der begrenzten Temperaturen besteht keine Gefahr der Bildung von Ablagerungen auf dem Tropfenerzeuger.

Das System wird insbesondere auch für den Einsatz an einem Strahlungsbrenner vorgeschlagen. Der Stabilisierung der Verbrennung dient ein reaktiver Flammenhalter aus einem zylinderförmigen Sintermetall. Die Gemischaufbereitung erfolgt dann innerhalb dieses Zylinders. Aufgrund des hohen Strömungswiderstandes der Sintermetallkörper erfolgt die Luftförderung mit einem speziellen, mehrstufigen Gebläse.

Bild 4: Flächenbrenner mit Zerstäuber für kleinste Tropfen.

Zerstäuber für kleinste Tropfen

Eine andere Entwicklung zur Bildung eines quasi-homogenen Brennstoff-/Luft-Gemisches wurde von S. Herrmann 1998 vorgestellt (Bild 4). Hierbei wird der Brennstoff unter Druck auf etwa 400°C erhitzt und in einen nicht vorgeheizten Luftstrom eingespritzt. Durch die Druckabsenkung am Ventilaustritt bilden sich im überhitzten Brennstoff Dampfblasen, die den Brennstoffstrahl und einzelne Tropfen aufreißen. Damit werden im Vergleich zur herkömmlichen Druckzerstäubung (Simplex-Düsen) sehr kleine, feinverteilte Tropfen erzeugt. Diese Tropfen bilden nach der Mischung mit der Verbrennungsluft zwar kein molekulardisperses (einem Gasgemisch entsprechenden), jedoch ein Gemisch mit ähnlichen Verbrennungseigenschaften.

Die Verbrennung des entstandenen Gemisches kann an einem Reaktionskörper - zum Beispiel aus Metallamellen - erfolgen. Die Beheizung der Brennstoffaufbereitung erfolgt während der Startphase elektrisch mit einer Leistung von P = 400 W. Im Betrieb wird die erforderliche Wärmezufuhr durch die Einstrahlung des heißen Reaktionskörpers sichergestellt.

Für die Vermeidung von Ablagerungen in der Brennstoffaufbereitung ist die Einhaltung eines hohen Drucks im Brennstoff für die Dauer des Aufenthalts im Bereich hoher Temperaturen wichtig. Dies ist nach Stopp des Brenners, der sehr langsam auskühlt, zu berücksichtigen.

Bild 5: Darstellung des entwickelten Oberflächenbrenners für flüssige Brennstoffe.

Gemischbildung durch die Nutzung kalter Flammen

Bei dem am Lehrgebiet für Energie- und Stofftransport an der RWTH Aachen im Auftrag von IWO entwickelten Konzept, wird das Öl mittels einer konventionellen Druckzerstäubung oder eines anderen geeigneten Systems in einen vorgewärmten Luftstrom zerstäubt (Bild 5). Durch zusätzliche Wärmeeinstrahlung und exotherme (energiefreisetzende) Vorreaktionen im Brennstoff-/Luft-Gemisch stellen sich im Mischbereich Temperaturen bis zu etwa 470°C ein (Bild 6). Diese Temperatur liegt deutlich oberhalb des Siedebereiches von Heizöl EL (etwa 170°C bis 390°C) und damit erfolgt die Verdampfung der Brennstofftropfen vollständig und schnell.

Bild 6: Kalte Flammen - exotherme Vorreaktionen bei der Ölverdampfung.

Die sehr einfach erscheinende Lösung ist interessant, da sich das überhitzte Brennstoff-/Luft-Gemisch in einem stabilen Zustand befindet. Bei Kontakt mit Sauerstoff treten bei Kohlenwasserstoffen bereits exotherme Reaktionen auf, bevor der Brennstoff vollständig verdampft ist. Diese Reaktionen führen jedoch nicht zur Zündung des Gemisches. Selbst bei der sich einstellenden Temperatur von 470°C im überstöchiometrisch (Luftüberschuß) und homogen gemischten Brennstoffdampf erfolgt keine Zündung. Die in der Literatur beschriebene Zündtemperatur von 220°C für Heizöl EL trifft unter den Randbedingungen dieser Gemischbildung nicht zu. Diese würde bereits zur Zündung des Gemisches führen, lange bevor die Verdampfung bei einer Temperatur im Bereich des Siede-Endes von 390°C abgeschlossen wäre.

Die auftretenden exothermen Reaktionen unterliegen einem Kettenreaktionsmechanismus, der beim Erreichen der Temperatur von 470°C zum Abbruch geführt wird. Damit kann diese Temperatur als Gleichgewichtstemperatur betrachtet werden. Der beschriebene Effekt ist nicht neu. Er ist aus dem Bereich der Gasturbinen und der motorischen Verbrennung bekannt und wird als "Kalte Flamme" beschrieben. Dort kann der Effekt aufgrund extrem kurzer Zündverzugszeiten (im Bereich einiger Millisekunden) jedoch kaum genutzt werden. Bei der vorliegenden Verbrennung unter atmosphärischem Druck liegt die Zündverzugszeit jedoch über eine Sekunde, so daß der Brennstoff verdampft, mit Luft gemischt und zum Ort der Verbrennung transportiert werden kann. Die Reaktionen an der Tropfenoberfläche treten so spontan auf, daß die Verdampfung der Tropfen abgeschlossen ist, bevor sich diese an Wandungen im Brenner niederschlagen können. Ablagerungen treten nicht auf.

Die Verbrennung wird an einem porösen Gewebe aus Metall oder Keramikfasern stabilisiert. Die notwendige Luftvorwärmung erfolgt innerhalb des Brenners durch die Wärmeeinstrahlung der glühenden Oberfläche. Ein integrierter Startbrenner heizt das System innerhalb von 10 bis 15 Sekunden ohne zusätzliche elektrische Vorheizung auf die Betriebstemperatur auf. Die Umschaltung in den Dauerbetrieb kann ohne mechanisch bewegte Bauteile durch eine kurze Unterbrechung des Brennstoffstroms durchgeführt werden. Der entstehende Brennstoffdampf entzündet sich dann an der vorgeheizten Oberfläche selbst.

Zusammenfassung

Die hier angesprochenen Entwicklungen zeigen auf, daß in der Verbrennungstechnik für flüssige Brennstoffe - insbesondere für Heizöl EL - in den vergangenen Jahren erhebliche Fortschritte erzielt worden sind. Hierdurch wird der Einsatz einer Ölheizung auch in Fällen möglich, in denen dieser bisher, z.B. aus Geräuschgründen, ausgeschlossen wurde. Zu fordern ist von allen Entwicklungen, daß eine hohe Zuverlässigkeit in der Praxis erreicht wird. Aus diesem Grund sind vor einer Markteinführung neuer Verbrennungssysteme auf jeden Fall umfangreiche Felduntersuchungen erforderlich. Die im Rahmen dieses Beitrags angesprochenen Entwicklungen müssen in einigen Fällen diese Praxistauglichkeit noch beweisen, so daß die Frage nach Zeitpunkt der Marktverfügbarkeit dieser Entwicklungen zur Zeit nicht sicher beantwortet werden kann.

L i t e r a t u r :

[1] Dötsch, C.; Köhne, H.: Flamme im Umkehreinsatz stabilisiert. In: Wärmetechnik - Versorgungstechnik, Nr. 3/1998.

[2] Gitzinger, H.-P.; Issendorff, F. von; Köhne, H.: Oberflächenverbrennung für flüssige Brennstoffe II, 1998. Informationen zur Messepräsentation auf der INTHERM 98 in Stuttgart, Lehrgebiet für Energie- und Stofftransport, RWTH Aachen.

[3] Herrmann, S.: Quasi homogene Verbrennungstechnik für Heizöl EL (Free-Mix). In: Brenner in der Heiztechnik - ein Europa-Produkt. VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1998 (VDI-Berichte Nr. 1367).

[4] Schilling, S.: Aerosolbrenner mit reaktivem Flammenhalter als Flächenbrenner für Kleinstleistungen. In: Brennpunkt Nr. 34/1997.

*) Dr.-Ing. Christian Küchen, Institut für wirtschaftliche Oelheizung e.V.

**) Prof. Dr.-Ing. Heinrich Köhne, Dipl.-Ing. Heinz-Peter Gitzinger, Dipl.-Ing. Christoph Dötsch: Lehr- und Forschungsgebiet für Energie- und Stofftransport (EST) an der RWTH Aachen

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