I. Luftvorwärmung an Gasfeuerungen. II. Heizwerthöhe von Brenngasen und Wirkungsgrad sowie Gasverbrauch bei der Gasverwendung. III. Sauerstoffangereicherte Luft und feuerungstechnische Kenngrößen von Brenngasen

58 Pages·1955·3.523 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. F. Schuster (auth.)

FORSCH U NGSBE RICHTE
DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS
NORDRH EIN -WESTFALEN
Herausgegeben von Staatssekretär Prof. Leo Brandt
Nr.168
Prof. Dr.-Ing. F. Schuster
I. Luftvorwärmung an Gasfeuerungen
11. Heizwerthöhe von Brenngasen und Wirkungsgrad
sowie Gasverbrauch bei der Gasverwendung
111. Sauerstoffangereicherte Luft
und feuerungstechnische Kenngrößen von Brenngasen
aus dem
Gaswärme -Institut, Langenberg (Rhld.)
Als Manuskript gedruckt
WESTDEUTSCHER VERLAG / KOLN UND OPLADEN
1955
ISBN 978-3-663-03684-5 ISBN 978-3-663-04873-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04873-2
Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
I. Luftvorwärmung an Gasfeuerungen
G 1 i e der u n g
1 • Vorteile der Vorwärmung der Verbrennungs luft aus
. .
der Abgaswärme · · · · · · · · · · · · · · s. 4
2. Berechnung der Brennstoffersparnis · · · · · · · · s. 4
3. Heizwerthöhe und Brennstoffersparnis · s. 5
4. Einfluß von Inerten auf die Brennstoffersparnis · · · · S. 6
5. Quantitative Auswirkung der Luftvorwärmung bei
.
technischen Brenngasen · · · · · · · · · · · · s. 6
6. Einfluß des feuerungstechnischen Wirkungsgrades und
der Luftzahl · • · · · · · · · · · · · · · · · · · • · s. 7
7. Brennstoffersparnis durch Luftvorwärmung bei
verschiedenen Gasarten · · · · · · · · S. 10
8. Auswirkung von sauerstoffangereicherter Luft · · · · · · S. 10
9. Untersuchung eines einfachen Luftvorwärmers · · · · · • S. 11
.
10. Ergebnisse · · · · · · · · · · · · · · · S • 13
11 • Verbesserungsmöglichkeiten · s. 14
.
12. Zusammenfassung · · · · · · · · · · · · S. 14
Sei te 3
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
1. Vorteile der Vorwärmung der Verbrennungsluft aus der Abgaswärme
Durch Vorwärmung der Verbrennungs luft aus der fühlbaren Wärme (Enthalpie)
heißer Abgase von Feuerungen wird ein Teil der im Brennstoff aufgebrach
ten Wärme in den Ofen zurückgeführt und ersetzt Brennstoffwärme, wodurch
Brennstoff eingespart wird. Selbstverständlich könnte man die Ausnutzung
der Abgas-Enthalpie auch auf die Vorwärmung von Brenngas ausdehnen. Wäh
rend sich jedoch Luft bis zu den höchsten feuerungstechnisch in Betracht
kommenden Temperaturen vorwärmen läßt, ist die Vorwärmung von Brenngasen
auf bestimmte Fälle beschränkt. Bei nichtkohlenwasserstoffhaltigen Gasen,
wie Generatorgas, kann ebenfalls störungsfrei bis zu hohen Temperaturen
vorgewärmt werden. Bei kohlenwasserstoffhaltigen Gasen, wie Ferngas usw.,
o
scheidet sich jedoch bei Temperaturen oberhalb etwa 500 C durch Spaltung
Kohlenstoff (Ruß) ab. In der Regel verzichtet man auf die Vorwärmung die
ser Gase ganz und überträgt die Abgaswärme nur auf die Verbrennungsluft.
Die Bedeutung der Vorwärmung liegt nicht nur in der Brennstoffersparnis.
Arbeitstemperaturen eines Wärmeprozesses, die höher als die Verbrennungs
temperatur des Brennstoffes liegen, können nur durch Vorwärmung erreicht
werden.
Es ist von Interesse, nicht nur qualitativ festzustellen, daß die Aus
nutzung der Abgas-Enthalpie zur Luftvorwärmung Brenngas-Einsparung be
deutet, sondern man möchte auch die quantitative Auswirkung wissen.
2. Berechnung der Brennstoffersparnis
F. SCHUSTER *) hat eine Formel zur Berechnung der Brennstoffersparnis
(Brennstoffverbrauch ohne Luftvorwärmung minus Brennstoffverbrauch für
die gleiche Wärmeleistung, jedoch mit Luftvorwärmung) abgeleitet. Hat
ein Brenngas einen (unteren) Heizwert Hu kcal/Nm3, dann bleibt zur Aus
nutzung im Ofen, also ohne die Enthalpie der Abgase, ohne Luftvorwärmung
eine Wärmemenge
Hu • 11 f
( 1 ) Q = ---..,.----=-- kc al
100
%
~f . • • • feuerungstechnischer Wirkungsgrad in
*) Monatsbulletin schweiz. Verein von Gas- und Wasserfachmännern 33
(1953) Nr. 6
Sei te 4
Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
3
zur Verfügung, die von 1 Nm des Brenngases geliefert wird. Mit Luftvor
wärmung müssen die Bedingungen des Ofens ungeändert bleiben. Die Wärme
menge Q wird jedoch von f Nm3 Brenngas (f< 1) geliefert. Außer dem Brenn
stoffheizwert wird aber auch die Wärmemenge durch Vorwärmung, die ~ kcal
je Nm3 Brenngas betrage, zur Aufrechterhaltung von Q beitragen. Es gilt
Q = (Ru . 11 f + CL) • f kcal
Durch Gleichsetzen der beiden Ausdrücke (1) und (2) ergibt sich
11
Ru • f
f
Ru •
~f+'L
Die Brennstoffersparnis BE durch Vorwärmung ist dann
%
(4) BE = (1 - f) • 1 00
oder mit Gleichung (3)
9...
al
BE ------~-------. 100 ~
'1
'L
Ru . f +
Im folgenden wird für Koksgeneratorgas als Beispiel eines Schwachgases,
für Koksofengas als Beispiel eines üblichen St~dt- oder Ferngases und
für Methan als Beispiel eines Reichgases (Erdgas) die Brennstoffersparnis
nach Formel (5) für verschiedene Bedingungen berechnet. Dabei wird der
Einfluß der Reizwerthöhe, des feuerungstechnischen Wirkungsgrades, des
Luftüberschusses und der Vorwärmtemperatur untersucht.
3. Reizwerthöhe und Brennstoffersparnis
Zur Feststellung etwaiger Beziehungen zwischen der Heizwerthöhe eines
Gases und der durch Vorwärmung erzielbaren Brennstoffersparnis wurde zu
nächst für die reinen Einzelgase Wasserstoff, Kohlenoxyd, Methan, Pro
pylen (= schwere Kohlenwasserstoffe) und Propan die Brennstoffersparnis
bei Vorwärmung der Verbrennungsluft allein und der Verbrennungs luft und
des Gases selbst auf 100 oe für eine Luftzahl n = 1 und einen feuerungs
technischen Wirkungsgard 1f = 0,50 nach Formel (5) berechnet:
Sei te 5
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
Vorwärmung
Hu
der Verbrennungs- des Gases und der
3
kcal/Nm luft Verbrennungsluft
Wasserstoff, H2 2570 BE = 5,5 % BE = 8,9 %
Kohlenoxyd, CO 3020 4,7 % 8,0 %
Methan, CH4 8550 6,5 % 7,3 %
Propylen, C3H6 (C H ) 21070 5,9 % (6,5 %)
n m
Propan, C3H8 22350 6,2 % (6,7 %)
Ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen Heizwert ist zwar einigermaßen
bei Vorwärmung von Gas und Luft zu erkennen: mit höherem Heizwert nimmt
die Brennstoffersparnis durch Vorwärmung ab; doch ist der Fall, daß die
Verbrennungs luft allein vorgewärmt wird praktisch wichtiger, und für
diesen Fall besteht kein Zusammenhang.
4. Einfluß von Inerten auf die Brennstoffersparnis
Ehe auf die technische Brenngase, die aus einem von mehreren
Gemi~ch
Einzelgasen bestehen, eingegangen wird, soll noch der Einfluß eines Ge
halts der Einzelbrenngase an Inerten (C02, N2) überlegt werden. Wird
lediglich die Luft vorgewärmt, dann hat ein Gehalt an Inerten keinen
Einfluß auf die Brennstoffersparnis und sie wird auch für die technischen
Brenngase zwischen 4,7 und 6,5 % bleiben. Werden jedoch Gas und Luft vor
gewärmt, so vergrößert der InertengehaI t den Wert von 'L. Da die Brenn
stoffersparnis immer unter dem Wert von 100 % bleiben muß, vergrößert
aus mathematischen Gründen (Bruch, dem im Zähler und Nenner die gleiche
Zahl zugezählt wird) der Inertengehalt die Brennstoffersparnis.
5. Quantitative Auswirkung der Luftvorwärmung bei
technischen Brenngasen
Koksofengas mit der Zusammensetzung
. . . . .
H2 55 Vol-% Cn Hm • • • 2 Vol-%
CO 6 Vol-% CO2 2 Vol-%
. . . . . .
CH4 25 Vol-% N2 10 Vol-%
Seite 6
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
hat einen Heizwert Hu = 4154 kcal/Nm3 und braucht zur vollkommenen Ver
3 3
brennung theoretisch (Luftzahl n = 1) eine Luftmenge Lmin ; 4,26 Nm /Nm
Koksofengas.
Für die Konstruktion von Luftvorwärmern ist es wichtig zu wissen, ob die
Vorwärmtemperaturen theoretisch möglich und mit den üblichen Wärmeaus
tauschwirkungsgraden erreichbar sind. Die nachfolgenden Überlegungen
dienen der Beantwortung.
6. Einfluß des feuerungstechnischen Wirkungsgrades und der Luftzahl
Die feuerungstechnischen Wirkungsgrade ~f = 0,90/0,80/0,70/0,60/0,50
liegen für Luftzahlen n = 1,00/1,25/1,50 bei folgenden Temperaturen:
n = 1,00 n = 1,25 n = 1,50
oe oe oe
'1f = 0,90 250 210 180
oe oe oe
0,80 490 410 350
oe oe oe
0,70 710 600 520
oe oe oe
0,60 920 780 680
oe oe oe
0,50 1120 950 830
Das bedeutet, daß unter den jeweiligen Verbrennungsbedingungen die Ver
brennungsluft theoretisch auch nur bis zu diesen Grenztemperaturen vorge
wärmt werden kann, weil das wärmeabgebende Mittel (Abgase) heißer sein
muß als das wärmeaufnehmende Mittel (Luft). Es fragt sich nunmehr, welche
Vo rwa.. rmW.l r k ungsgra d e (TIL v w = ii ALbu gfat s • 1 00 a~l ) d·l esen Gr enz t empera t uren
entsprechen.
Es ergeben sich folgende Werte:
n = 1,00 n = 1,25 n = 1,50
l1f = 0,90 'Tl vw = 80,4 % 83,8 % 86,2 %
0,80 79,8 % 83,3 % 85,8 %
0,70 79,5 % 83,0 % 85,6 %
0,60 79,0 % 82,7 % 85,4 %
0,50 78,6 % 82,5 % 85,1 %'
Sei te 7
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Weetfalen
%
~ ~
50
~
~ 0
S
N
H
~
:~ ~
H~ V ~~= 0,5
0 40
>
+> V V
~
~
H Vo
~
0 30 / 0
H VV 0
~ ~
~ ~
W V V ~= p,7
°M
H~ 20 /
~ / V
~
W
H
/
~ ~
~
~0 10
+>
w
§ ~ ~ =0 9
H~ ~
~
oe
100 300 500 700 900 1100
200 400 600 800 1000
Vorwärmtemperatur der Verbrennungs luft
A b b i 1 dun g 1
Brennstoffersparnis durch Vorwärmung der Verbrennungsluft aus der
Enthalpie der Verbrennungsgase bei Verfeuerung von Koksofengas in
Abhängigkeit von der Vorwärmtemperatur für verschiedene
feuerungstechnische Wirkungsgrade. n = 1,00
Da in der Praxis die Temperaturen der vorgewärmten Luft wesentlich unter
denen der Abgase bleiben, liegen die praktischen Vorwärmwirkungsgrade so
gar unter den an sich schon erreichbaren Werten der Übersicht auf Seite 7.
Abbildung 1 zeigt die Brennstoffersparnis durch Vorwärmung allein der
Verbrennungs luft aus der Enthalpie der Verbrennungsgase bei Verfeuerung
von Koksofengas in Abhängigkeit von der Temperatur der vorgewärmten Luft
für verschiedene feuerungstechnische Wirkungsgrade bei einer Luftzahl
n = 1. Abbildung 2 bringt in entsprechender Weise die Brennstoffersparnis
bei ~f = 0,5 für verschiedene Luftzahlen. Die Kurven lassen erkennen,
daß die Brennstoffersparnis durch Luftvorwärmung mit steigender Vorwärm
temperatur, niedrigerem feuerungs technischem Wirkungsgrad und steigendem
Seite 8
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
I
%
bO pO (.) (.)
s::: 0 0
;::::s 50
El u u 0
:m~ '" l!"\ {"\.J
3 n=1 V1 ,000 0"\ ,,........
I-l ~
0 V ~=1'7°n=
::- 1',00
+> 40 / /
Ct-! / V V
;::::s V
H / V
V
~
() / /
$... /
;:::I 30
'Ö / V V
U)
.,-1 ~
s::: /
I-l
m I
20
P<
U) /
I-l ~
Q)
Ct-!
Ct-! i;:%
0
+> 10
Us::)
s:: ~
Q) ~
I-l
~
oe
100 300 500 700 900 1100
200 400 600 800 1000
Vorwärmtemperatur der Verbrennungsluft
A b b i 1 dun g 2
Brennstoffersparnis durch Vorwärmung der Verbrennungs luft aus der
Enthalpie der Verbrennungsgase bei Verfeuerung von Koksofengas in
Abhängigkeit von der Vorwärmtemperatur für
verschiedene Luftzahlen. ~ f = 0,50
Luftüberschuß zunimmt. Diese grundlegenden Gesetzmäßigkeiten gelten un
abhängig von der Brenngasart; lediglich die Größe der Gasersparnis ist
bei gleicher Temperatur, gleichem feuerungstechnischem Wirkungsgrad und
gleicher Luftzahl mit der Brenngasart verschieden, wie noch gezeigt wird.
Während man in der Praxis stets auf möglichst hohe Vorwärmtemperatur
arbeiten wird, strebt man - nur der Brennstoffersparnis durch Luftvor
wärmung wegen - keineswegs niedrigem feuerungstechnischem Wirkungsgrad
und hohem Luftüberschuß zu. Im Gegenteil. Man trachtet danach, durch
hohen feuerungstechnischen Wirkungsgrad und geringen Luftüberschuß schon
in der Feuerung selbst mit bester Brennstoffausnutzung zu arbeiten und
Sei te 9
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
erst jene Restenthalpie der Verbrennungsgase, die aus dem Feuerraum ab
ziehen muß, zur Luftvorwärmung bestens heranzuziehen.
7. Brennstoffersparnis durch Luftvorwärmung bei verschiedenen Gasarten
Einen Vergleich verschiedener Gasarten gibt die folgende Übersicht, die
für n = 1, ~f = 0,50 und einer Vorwärmtemperatur von 100 oe gilt:
BE Hu *) kcal/Nm3
%
Hochofengichtgas 4,7 ca. 950
Koksgeneratorgas 4,9 % 1200
Kokswassergas 5,1 % 2500
%
Koksofengas (Ferngas) • • • • 6,0 4150
stadtgas I (Kohlengas und Kokswassergas) • 5,8 % }
3850
Stadtgas 11 (Kohlengas und KOksgeneratorgas) 5,9 %
Methan (Erdgas trocken) • . . • • 6,5 % 8550
%
Propan (Flüssiggas) . . . 6,2 22350
Die Übersicht bestätigt die bereits aus dem Verhalten der reinen Einzel
gase und dem Einfluß der Inerten weiter oben gezogenen Schlüsse.
8. Auswirkung von sauerstoffangereicherter Luft
Die Betrachtungen über die wissenschaftlichen Grundlagen abschließend,
wäre noch der Einfluß der sauerstoffangereicherten Luft zu untersuchen.
Zum Vergleich sei die Verbrennung von Methan mit a-Luft von 50 Vol-%
Sauerstoffgehalt herangezogen:
0
n = 1 = 0,50 t 100 e
1{f vw
n-Luft: BE == 6,5 %
a-Luft (50 %): =: 2,8 %
Dieses Ergebnis deckt sich mit den bisherigen Überlegungen, weil der
höhere Sauerstoffgehalt einem kleineren -Wert gleichkommt. Gleichwohl
~
gilt auch für die Sauerstoffanreicherung der Verbrennungsluft, soweit
sie praktisch in Betracht kommt, im Hinblick auf die Brennstoffersparnis
durch Luftvorwärmung das, was in diesem Zusammenhang über das Streben
*) Siehe Arbeitsblatt Nr. 3 der Zeitschrift "Gaswärme" 3 (1954) Nr. 3
Seite 10