Handbuch der Brennertechnik fr Industriefen

Joachim G. Wnning /Ambrogio Milani (Hrsg.)

VERLAGVULKAN

Handbuch der Brennertechnik

fr IndustriefenGrundlagen

BrennertechnikenAnwendungen

IV

Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek

Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der DeutschenNationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet ber

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abrufbar.

ISBN 978-3-8027-2938-6

2007 Vulkan-Verlag GmbH Ein Unternehmen der Oldenbourg-VerlagsgruppeHuyssenallee 52-56, D-45128 EssenTelefon: (02 01) 8 20 02-0, Internet: http://www.vulkan-verlag.de

Lektorat/Projektmanagement: Dipl.-Ing. Stephan SchalmE-Mail: s.schalm@vulkan-verlag.de

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Vorwort

Die Anforderungen an die Energieeffizienz sowie die Schadstoffemis-sionen von Industriefen steigen stndig und haben nach den jngstenEnergiepreissteigerungen sowie der Diskussion um die durch CO2-Emis-sionen mitverursachte Klimavernderung eine hohe Prioritt. In vielenUnternehmen, auch in der Stahlindustrie und in Betrieben mit Wrmebe-handlung hat die Energieeinsparung einen hohen Stellenwert bekommen.Die Schwerpunkte dieses Buches liegen deshalb klar auf den Gebietender Energieeffizienz und der Emissionsminderung.

Dieses Buch soll dabei helfen, eine Brcke zwischen Theorie und Praxiszu schlagen und somit gleichzeitig dem engagierten Praktiker, wie auchPersonen aus dem Bereich Forschung und Lehre ntzlich sein.

Im Handbuch der Brennertechnik fr Industriefen werden in den ersten Kapiteln die unverzicht-baren theoretischen Grundlagen der Verbrennungslehre, Strmungstechnik und Wrmebertra-gung behandelt. Dabei wurden nur diejenigen Aspekte behandelt, die fr die Brennertechnikwesentlich sind. In den folgenden Kapiteln werden die Brcken zur Brennertechnik geschlagenund Feuerungskonzepte besprochen, Schadstoffbildung und -minderung diskutiert sowie dieWrmerckgewinnung zur Verbrennungsluftvorwrmung als wichtigste Manahme zur Steigerungder Energieeffizienz erlutert. Im Kapitel Industriebrenner werden dann anhand von Beispielen diewesentlichen Bauarten von Industriebrennern sowie deren Einbindung in die Ofenanlagenkon-zepte vorgestellt. Abschlieend folgen Kapitel ber Normung und gesetzliche Vorschriften, wei-terfhrende Literatur, relevante Forschungsinstitute sowie ein Anhang mit relevanten Stoffwerten.

In den kommenden Jahrzehnten werden viele Aufgaben zu lsen sein, um mit knapper werdenenRessourcen, das hohe Produktionsniveau zu halten. Auch die sinnvolle Forderung nach einermglichst geringen Umweltbeeinflussung durch industrielle Verbrennungsprozesse wird dabeieine Herausforderung sein. Die Entwicklung im Bereich der Verbrennungstechnik ist zurzeit sehrrasant. Manche der im Buch beschriebenen technischen Lsungen werden bestimmt schon inwenigen Jahren durch Weiterentwicklungen und Innovation ergnzt, die grundlegenden Prinzipienwerden aber weiterhin Gltigkeit besitzen. Es ist deshalb unerlsslich, sich stndig ber neue Ent-wicklungen weiterhin zu informieren. Am Schluss des Buches wird aus diesem Grund versucht,Hinweise darauf zu geben, wo weitere Informationen zum Thema zu finden sind.

Mein besonderer Dank gilt meinen beiden Lehrern aus meiner Aachener Studentenzeit. Mit denBeitrgen ber die Verbrennungslehre (Prof. G. Woelk) und Wrmebertragung (Prof. U. Renz)werden die wesentlichen Grundlagen der Verbrennungstechnik fundiert behandelt. Zum Kapitel 8haben eine Vielzahl von Personen und Firmen mit Beitrgen und Bildmaterial beigetragen. Auchihnen gebhrt mein herzlichster Dank. Auch Dr. Beneke mchte ich dafr danken, dass er dasKapitel 9, Normung, komplett bernommen hat. Dank auch an meinen Mitherausgeber Dr. Milani,der durch seine positive Einstellung und seinen Flei immer wieder dafr sorgte, dass die Arbeitan diesem Buch nicht nur Mhe machte, sondern auch eine groe Freude war.

Renningen, 2007Joachim G. Wnning

Vorwort V

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Themen2007

Heft 1: Strom- undWrmeproduktion mit Erdgas

(Anlass: e-world of energy andwater) Heft 2: Heizsysteme fr

Industrie und Gewerbe (Anlass: ISH)Heft 3: Verbrennungstechnik (Anlass:

Hannover Messe) Heft 4:Hochtemperaturprozesse (Anlass:

Thermprocess) Heft 5: Messen, Steuern,Automatisieren Heft 6: Brenner und Feuerungen

Heft 7: Thermoprozesstechnik (Anlass: Hrterei-Kolloquium) Heft 8: Erdgas in der industriellen

Fertigung

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Autoren

Dr. Franz BenekeFachverband Thermoprozesstechnik im VDMALyoner Strae 18 60528 Frankfurt am MainKapitel 9

Dipl.-Ing. Jrg tom Feldepromeos GmbHAm Weichselgarten 2191058 ErlangenKapitel 8.1.5

Dr. Ing. Ambrogio MilaniSal inf san Barnaba 1016 136 Genova ItalienKapitel 2, 4

Prof. Dr.-Ing. Ulrich RenzMeischenfeld 7752076 AachenKapitel 3

Prof. Dr.-Ing. Gnther WoelkEenbesweg 46291CA VaalsNiederlandeKapitel 1

Dipl.-Ing. Gerrit WohlschlgerElster Kromschrder GmbHStrotheweg 149504 Lotte (Bren) Kapitel 8.1.1 8.1.2

Dr.-Ing. Joachim G. WnningWS Wrmeprozesstechnik GmbHDornierstr. 1471272 RenningenKapitel 2, 4, 5, 6, 7, 8

Autoren VII

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Detektion vonUnverbranntem ( CO/H2 )

Messung vonSauerstoff ( O2 )

Inhalt

Vorwort ........................................................................................................................ III

Autoren ........................................................................................................................ V

1. Verbrennungslehre .............................................................................................. 1

1.1 Stchiometrie .......................................................................................................... 1

1.1.1 Reaktionselemente technischer Brennstoffe .......................................................... 1

1.1.2 Charakteristische Gren fr die Zusammensetzung von gasfrmigen

Brennstoffen ............................................................................................................ 2

1.1.2.1 Charakteristische Atomsummen bei gasfrmigen Brennstoffen ............................ 2

1.1.3 Verbrennungsrechnung .......................................................................................... 4

1.1.3.1 Berechnung des Luftbedarfs .................................................................................. 5

1.1.3.2 Berechnung der Abgasmenge und der Abgaszusammensetzung ........................ 7

1.2 Energiestrme im Ofenraum .................................................................................. 11

1.2.1 Kennzeichnende Ofenflchen ................................................................................ 11

1.2.2 Charakteristische Leistungen und Wrmestrme .................................................. 11

1.2.3 Energiebilanz .......................................................................................................... 14

1.2.4 Wirkungsgrade ........................................................................................................ 14

1.2.4.1 Feuerungstechnischer Wirkungsgrad .................................................................... 14

1.2.4.2 Ofentechnischer Wirkungsgrad .............................................................................. 15

1.2.4.3 Wrmetechnischer Wirkungsgrad .......................................................................... 17

1.2.5 Brennstoffersparnis bei Luftvorwrmung .............................................................. 17

2. Strmungstechnik .............................................................................................. 19

2.1 Ideales Gas ...................................................................................................