Effizienzsteigerung am Brennersystem
Verbrennungsluftgebläse
Für eine vollständige Verbrennung ist ein optimales Brennstoff-/Luftgemisch notwendig. Industriekessel-anlagen werden jedoch häufig auch im Teillastbetrieb gefahren. Hier werden sowohl die Brennstoff- als auch die Luftzufuhr reduziert.
Das Verbrennungsluftgebläse ohne Drehzahlregelung läuft auch in Teillastbereichen bei Nenndrehzahl, da in diesem Fall die der Verbrennung zugeführte Luftmenge rein über das Schließen von Luftklappen gedrosselt wird. Das Gebläse nimmt dabei eine hohe elektrische Leistung auf, die durch die Drosselung nutzlos verpufft. Wird die Luftmenge vorwiegend durch eine Modulation der Drehzahl des Gebläses verändert, so ist die Leistungsaufnahme in Teillastbereichen sehr viel geringer.
Analog zur Reduktion der Leistungsaufnahme verhält sich auch die Geräuschentwicklung. Alle Anlagen, die häufig und lange in Teillastbereichen betrieben werden, sollten mit drehzahlgeregelten Gebläsen ausgerüstet werden.
Bei einem Brennerlastprofil mit mittlerer Auslastung lassen sich so bereits rund 65 % der elektrischen Energie einsparen. Das macht in der Regel eine jährliche Einsparung im 4-stelligen Eurobereich aus, wodurch sich ein drehzahlgeregelter Brenner meist innerhalb eines Jahres amortisiert.
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Beispiel: |
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Kesselleistung |
2.500 kW |
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Brennergebläse |
10 kW |
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Stromeinsparung |
etwa 51.257 kWh/a (65,5 %) |
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Kosteneinsparung |
etwa 10.251 €/a (bei Strompreis 0,20 €/kWh) Stand 2022 |
Energieeinsparung durch drehzahlgeregeltes Brennergebläse
Luftüberschuss
Das Ideal in der Verbrennungstechnik ist die stöchiometrische Verbrennung. Das ist der Fall, wenn alle Brennstoffmoleküle vollständig mit dem Luftsauerstoff reagieren, ohne dass unverbrannter Brennstoff oder Sauerstoff übrigbleibt.
Wird während des Verbrennungsprozesses zu wenig Luftsauerstoff zugeführt, so kann nur eine unvollständige Verbrennungsreaktion stattfinden. Die negative Folge wäre die Entstehung von Kohlenmonoxid, einem hochgiftigen Gas. Wird die Luftmenge zu stark erhöht, haben bereits alle Brennstoffmoleküle mit den Sauerstoffmolekülen reagiert. Die restlichen Sauerstoffmoleküle bilden einen nicht benötigten Überschuss. Da als Verbrennungsluft üblicherweise die kalte Umgebungsluft verwendet wird, wird mit einem unnötig hohen Luftüberschuss also lediglich diese kalte Verbrennungsluft aufgeheizt, die gemeinsam mit den Rauchgasen in die Atmosphäre abgegeben wird.
Eine optimale Verbrennungslufteinstellung ist also wichtig für die Effizienz und den sicheren, schadstoffarmen Betrieb. Bedingt durch Luftdruck, Lufttemperatur und Luftfeuchteschwankungen auf der einen Seite und Schwankungen der Brennstoffqualität, welche in Deutschland in den nächsten Jahren durch die weitere Liberalisierung des Gasmarktes weiter zunehmen werden, auf der anderen Seite muss im Vergleich zum theoretischen Optimum als Sicherheit ein gewisser Luftüberschuss eingestellt werden. Die Entstehung von giftigem und explosionsfähigem Kohlenmonoxid muss schließlich unter allen Umständen verhindert werden. Diese Einstellungen werden im Normalfall bei der Inbetriebnahme der Kesselanlage und während der halbjährlichen oder jährlichen Wartungsarbeiten vorgenommen und überprüft.
O2- und CO-Regelung am Heißwasserkessel (vereinfachte Darstellung)
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Regelung |
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O2-Messsonde |
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CO-Messsonde |
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Rauchgass |
Um die Anlagen auch bei wechselnden Bedingungen näher am optimalen Betriebspunkt betreiben zu können, sind kontinuierliche Mess- und Regeleinrichtungen notwendig. Eine O2-Regelung besteht im Wesentlichen aus einer im Abgasstrom installierten Sauerstoffmesssonde nebst Regelgerät. Diese erfasst dabei kontinuierlich den Restsauerstoffgehalt im Abgas und gibt das Signal an die Brennersteuerung weiter, welche die erforderliche Luftmenge nachjustiert.
Seit einigen Jahren sind Kombinationselektroden (O2 und CO) verfügbar. In Kombination mit einer CO-Messung kann der Luftüberschuss λ noch besser an die CO-Grenze gelegt werden. Mit dem Einsatz einer O2- und CO-Regelung des Luftüberschusses kann der üblicherweise bei Volllast eingestellte Luftüberschuss von 3 – 4 Vol.-% Sauerstoff im Abgas auf 0,5 – 1,0 Vol.-% Sauerstoff reduziert werden. Bei gleicher Abgastemperatur entspricht dies einer Verringerung des Abgasverlustes um etwa 1 Prozentpunkt. Beim Brennstoff Öl ist eine CO-Regelung nicht einsetzbar.
Restsauerstoffgehalt und Luftüberschuss bei der O2- und CO-Regelung über der Brennerlast
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Ohne Regelung |
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Mit O2-Regelung |
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Mit O2- und CO-Regelung |
Leistungsanpassung
In Bestandsanlagen, aber auch in Neuanlagen, ist bei Heißwasser- und Heizkesseln in den meisten Betriebszuständen im Verhältnis zur aktuell tatsächlich benötigten Leistung eine viel zu große Kesselleistung vorhanden.
Die Ursachen hierfür sind:
- Heizlastkurve im Jahresverlauf. Die maximale Leistung wird nur an ganz wenigen Tagen im Jahr benötigt
- Verringerung des Bedarfs bei bestehenden Anlagen, z.B. durch den Wegfall von Heizungssystemen oder vor allem in Nah- und Fernwärmesystemen durch bessere Isolierung der Wärmeverbraucher
- Nachträgliche Nutzung vorhandener Wärmerückgewinnungspotentiale
- Überdimensionierung in der Planung bei Neuanlagen
- Viel zu große Sicherheiten in der Auslegung des tatsächlichen Wärmebedarfs, z.B. durch falsche Bewertung der Gleichzeitigkeitsfaktoren der Verbraucher, Berücksichtigung allzu üppiger Leistungsreserven oder ein noch nicht realisierter, bereits berücksichtigter Ausbau der Verbraucher
Die Folge ist eine in Bezug auf die Kesselleistung geringe oder sogar sehr geringe Wärmeabnahme. Sinkt die Wärmeabnahme dabei unter die Minimallast der Feuerung, führt dies zu einer hohen Anzahl von Brennerein- und -ausschaltungen. Dadurch werden Vorlüftverluste und auch Temperaturwechselspannungen verursacht, die insbesondere bei langen Vorlüftzeiten extrem sein können.
Um eine zu große Kesselleistung auszugleichen, können folgende Maßnahmen getroffen werden:
- Einsatz von Brennern mit hohem Regelbereich
- Einbau von Schwachlaststeuerungen, die das sofortige Hochregeln nach dem Brennerstart zeitlich verzögern
- Optimierung der Leistungsregelung, d. h. der Regelparameter für den Brennerein- und Brennerausschaltpunkt
- Anpassung der Brennerleistung an die tatsächlichen Anforderungen. Dies bedingt dann eine entsprechende Brennermodifikation oder auch den Anbau eines Brenners mit kleinerem Leistungsbereich
- Einbau von Wärmespeichern
- Auswahl von gestuften Leistungen bei Mehrkesselanlagen
Temperaturverlauf vor und nach der Anpassung der Brennerleistung in einer Hochdruck-HW-Anlage
Vor der Korrektur (blau): Unrentabel arbeitender Kessel
Merkmale: 2-stufige Brennerregelung; Brennereinschaltintervall ca. 7,5 Minuten mit jeweils 35 Sekunden Vorlüftzeit; temperaturbedingte Wechselbelastung des Kessels hier unnötig hoch.
Bei jedem Zünden des Brenners sind Vorlüftverluste vorhanden.
Nach der Korrektur (lila): Kostensparend arbeitender Kessel
Merkmale: 2-stufige Brennerregelung, in den Nachtstunden schwachlastgeführt; Brennereinschaltintervall ca. 44 Minuten mit jeweils 35 Sekunden Vorlüftzeit; temperaturbedingte Wechselbelastung des Kessels hier auf ein ermüdungsfreies Maß reduziert. Wärmeverluste beim Vorlüften deutlich reduziert auf ein Fünftel.
Vorlüften
Vor jedem Brennerstart ist sicherzustellen, dass sich in den Rauchgaswegen keine zündfähigen Gemische befinden. In der Praxis wird dies durch das Vorlüften erreicht. Bevor der Brenner die Flamme zündet, läuft das Verbrennungsluftgebläse an und presst kalte Umgebungsluft durch die heißen, noch auf Betriebstemperatur befindlichen Rauchgaswege. Die kalte Luft erwärmt sich dabei und entzieht dem Kessel Wärme. Vorgeschrieben ist ein ausreichender Luftwechsel, was besonders bei häufigen Brennerstarts einen nicht unerheblichen Energieverlust darstellen kann.
Neben der schlechten Wirtschaftlichkeit von häufigen Brennerstarts gehen diese auch zu Lasten der Lebensdauer. Es sind im Idealfall 1–2 Brennereinschaltzyklen je Stunde anzustreben. Bei mehr als 4 Brennereinschaltzyklen je Stunde sollten Maßnahmen zur Verringerung der Brennerschaltungen wie z.B. eine Leistungsanpassung des Brenners getroffen werden.
