Verbrennungssteuerung in Erdgasöfen: Luft-Kraftstoff-Verhältnis, Luftüberschuss und Verbrennungsanalyse
Die Verbrennungssteuerung ist der am meisten vernachlässigte Aspekt beim Betrieb von Gasheizungen. Die meisten Gasheizungen arbeiten mit zu viel Luftüberschuss, was Brennstoff verschwendet und die Effizienz mindert. Ein optimal eingestellter Brenner mit dem richtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis ermöglicht Brennstoffeinsparungen von 5 bis 15 Prozent und eine Reduzierung der CO-Emissionen um 20 bis 50 Prozent. Die Einstellung ist zwar unkompliziert, erfordert aber Sorgfalt und regelmäßige Überprüfung. Im Folgenden beschreibe ich die Vorgehensweise, die ich bei der Überprüfung des Betriebs einer Gasheizung anwende.
Grundlagen der Verbrennungschemie
Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan (CH4) mit geringeren Anteilen an Ethan, Propan und Inertgasen. Die vollständige Verbrennungsreaktion mit reinem Sauerstoff lautet:
CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O
In der Praxis besteht die Verbrennungsluft aus einem Gemisch von Sauerstoff (21 Prozent) und Stickstoff (79 Prozent). Das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis für Erdgas liegt je nach Gaszusammensetzung zwischen 9,5 und 10,5 Kubikmetern Luft pro Kubikmeter Gas. Das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem Ofen ist stets höher als das stöchiometrische, da ein gewisser Luftüberschuss für eine vollständige Verbrennung erforderlich ist.
Der Luftüberschuss ist die Luftmenge, die über das stöchiometrische Verhältnis hinaus zugeführt wird. Er wird als Prozentsatz des stöchiometrischen Luftvolumens angegeben. Beispielsweise bedeutet ein Luftüberschuss von 10 Prozent, dass das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis das 1,10-fache des stöchiometrischen Verhältnisses beträgt.
Warum überschüssige Luft wichtig ist
Für eine vollständige Verbrennung ist ein gewisser Luftüberschuss erforderlich. Bei zu wenig Luft verläuft die Verbrennung unvollständig, und das Abgas enthält Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Das CO und die unverbrannten Kohlenwasserstoffe stellen einen Kraftstoffverlust und ein regulatorisches Problem dar.
Bei zu viel Luft entzieht die überschüssige Luft der Flamme Wärme und transportiert diese über den Auspuff ab. Die Abgastemperatur steigt, und die Kraftstoffeffizienz sinkt. Der optimale Luftüberschuss ist der niedrigste Wert, der eine vollständige Verbrennung mit geringem CO-Ausstoß gewährleistet.
Bei Erdgasbrennern liegt der optimale Luftüberschuss bei 5 bis 10 Prozent für Hochgeschwindigkeitsbrenner und bei 10 bis 20 Prozent für atmosphärische Niedergeschwindigkeitsbrenner. Die CO-Emissionen sollten im optimalen Fall unter 50 ppm (korrigiert auf 3 Prozent O₂) liegen.
Wie sich überschüssige Luft auf die Effizienz auswirkt
Der Zusammenhang zwischen Luftüberschuss und Wirkungsgrad ist signifikant. Eine Reduzierung des Luftüberschusses von 20 auf 10 Prozent verbessert den Kraftstoffwirkungsgrad um 3 bis 5 Prozent. Eine weitere Reduzierung von 10 auf 5 Prozent steigert den Wirkungsgrad um weitere 1 bis 2 Prozent. Unterhalb von 5 Prozent Luftüberschuss steigen die CO-Emissionen rapide an, und die Gefahr unvollständiger Verbrennung wird zu einem Sicherheits- und Qualitätsproblem.
Bei einem 5-MW-Gasofen mit 6000 Betriebsstunden pro Jahr führt eine Effizienzsteigerung von 5 Prozent zu einer Einsparung von 250 kW Brennstoffleistung, was 1,5 Millionen kWh Erdgas pro Jahr entspricht. Bei einem Preis von 0,40 USD pro Kubikmeter ergibt das eine jährliche Brennstoffkostenersparnis von 150.000 bis 200.000 USD.
Verbrennungsanalyseverfahren
Die Verbrennungsanalyse erfolgt mit einem tragbaren Abgasanalysegerät. Das Analysegerät misst die Konzentrationen von O₂, CO, CO₂, NO, NO₂ und die Temperatur im Abgas. Die Analyse dauert 30 bis 60 Minuten pro Brenner und läuft wie folgt ab:
Den Ofen einschalten und auf Betriebstemperatur bringen.
2. Führen Sie die Sonde in den Abgasstrom in der Nähe des Brenners ein.
3. Die Zusammensetzung des Rauchgases bei der aktuellen Feuerungsleistung ist zu dokumentieren.
4. Stellen Sie das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so ein, dass der O2-Gehalt den Zielwert erreicht.
5. Überprüfen Sie, ob der CO-Gehalt unter dem Grenzwert liegt (typischerweise 50 ppm, korrigiert auf 3 Prozent O2).
6. Wiederholen Sie den Vorgang für jede Schussfrequenz im Arbeitsbereich.
Der angestrebte Sauerstoffgehalt (O₂) für einen Hochgeschwindigkeits-Rekuperationsbrenner liegt bei 3 bis 5 Prozent (entspricht einem Luftüberschuss von 15 bis 25 Prozent). Für einen Low-NOx-Brenner mit Abgasrückführung (AGR) beträgt der angestrebte O₂-Gehalt 5 bis 8 Prozent. Der CO-Gehalt sollte bei diesem angestrebten O₂-Gehalt unter 50 ppm liegen.
Liegt der CO-Gehalt bei der Ziel-O₂-Konzentration über 50 ppm, muss der Brenner gewartet werden. Die häufigsten Ursachen für einen zu hohen CO-Gehalt sind: verschlissene Brennerdüsen (Brenner austauschen), verschmutzte Brennerdüsen (Brenner reinigen) und ein falsches Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Regler neu kalibrieren).
Häufige Verbrennungsprobleme
Problem 1: Zu viel Luft wird zugeführt. Symptome sind ein hoher Sauerstoffgehalt im Abgas (über 5 Prozent bei einem Hochgeschwindigkeitsbrenner), eine hohe Abgastemperatur und eine geringe Brennstoffeffizienz. Die Ursache ist meist ein falsches Luft-Kraftstoff-Verhältnis, eine undichte Luftklappe oder ein falsch ausgerichteter Brenner. Abhilfe schafft die Korrektur des Verhältnisses, die Reparatur der Luftklappe oder die Neuausrichtung des Brenners.
Problem 2: Der CO-Gehalt ist zu hoch. Symptome sind ein CO-Wert über 50 ppm im Abgas, Rauchentwicklung im Abgas und möglicherweise Rußablagerungen am Werkstück. Die Ursache ist meist ein zu niedriges Luft-Kraftstoff-Verhältnis (zu wenig Luft), ein verschlissener Brenner oder ein verstopfter Lufteinlass. Abhilfe schafft eine Erhöhung der Luftzufuhr, der Austausch des Brenners oder die Reinigung des Lufteinlasses.
Problem 3: Der NOx-Gehalt ist zu hoch. Symptom: NO-Werte über 100 ppm im Abgas. Ursache ist üblicherweise eine zu hohe Verbrennungsrate bei unzureichender Abgasrückführung (AGR), ein falsch ausgerichteter Brenner oder eine zu hohe Luftzufuhr. Abhilfe schafft der Einbau oder die Justierung der AGR, die Neuausrichtung des Brenners oder die Reduzierung der Luftzufuhr.
Problem 4: Unregelmäßige Verbrennung. Symptome sind schwankende Ofentemperatur, schwankender Sauerstoffgehalt im Abgas und ungleichmäßige Heizleistung. Ursache ist meist ein verschlissener Regler, eine undichte Luftklappe oder schwankender Gasdruck. Abhilfe schafft der Austausch des Reglers, die Reparatur der Luftklappe oder der Einbau eines Gasdruckreglers.
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelsysteme
Moderne Gasheizungsregelungssysteme verwenden einen Querverhältnisregler, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis über den gesamten Leistungsbereich optimal zu halten. Die Querverhältnisregelung verbindet die Luft- und Gasventile so, dass die Luft dem Gas stets leicht vorauseilt (oder je nach Brennertyp leicht hinterherhinkt). Dadurch wird verhindert, dass das Gemisch beim Erhöhen der Leistung zu mager oder beim Reduzieren der Leistung zu fett wird.
Der Verhältnisregler verwendet einen Kraftstoffdurchflussmesser (oder ein Gasdrucksignal) und einen Luftdurchflussmesser, um das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu berechnen. Das berechnete Verhältnis wird mit dem Sollwert verglichen, und die Luftklappe wird so gesteuert, dass der Sollwert eingehalten wird. Der Regler verfügt außerdem über einen Korrektureingang vom O₂-Analysator, der langfristige Abweichungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ausgleicht.
Ein optimal eingestellter Gemischregler hält das Luft-Kraftstoff-Verhältnis über den gesamten Schussbereich innerhalb von 2 Prozent des Sollwerts. Ein schlecht eingestellter Regler kann um 10 bis 20 Prozent abweichen, was zu entsprechenden Effizienz- und Emissionsverlusten führt.
Jährliche Verbrennungswartung
MONTE INTELLIGENCE empfiehlt eine jährliche Wartung der Verbrennungsanlage aller Gasheizungsanlagen. Diese Wartung wird von einem Servicetechniker durchgeführt und umfasst: eine Verbrennungsanalyse jedes Brenners bei drei Leistungsstufen (niedrig, mittel, hoch), die Kalibrierung des Verhältnisreglers, die Überprüfung von Zünder und Flammenfühler sowie die Überprüfung von Luftklappe und Gasventil. Die Wartung dauert ein bis zwei Tage pro Heizung, und die typische Energieeinsparung beträgt drei bis acht Prozent in den folgenden zwölf Betriebsmonaten.
Die Kosten für die Wartung amortisieren sich innerhalb von ein bis drei Monaten durch die reduzierten Brennstoffkosten. Im Rahmen der Wartung werden außerdem Probleme mit Brennern und Steuerungssystemen identifiziert, die unbehandelt zu ungeplanten Ausfallzeiten führen können.
Sprechen Sie mit MONTE INTELLIGENCE über Verbrennungsoptimierung
Für Käufer, die an einer Optimierung der Verbrennungsanlage ihres bestehenden Gasofens interessiert sind, kann MONTE INTELLIGENCE Engineering einen Servicebesuch vereinbaren und einen schriftlichen Bericht mit den Testergebnissen und den empfohlenen Anpassungen erstellen. Besuchen Sie uns!www.cnlymonte.com/products-gas-furnace.html Produktspezifikationen finden Sie hier. Für eine Serviceanfrage senden Sie bitte eine E-Mail an helenxu@cnlymonte.com mit dem Betreff „Verbrennungsoptimierung“ und Angaben zu Ihrem Ofentyp, Brennermodell und Ihren aktuellen Brennstoffkosten.
