Verbrennung (Chemie)

mini|hochkant=1.25|Flammen eines Holzfeuers

Eine Verbrennung ist eine exotherme Redoxreaktion, bei der ein brennbarer Brennstoff oxidiert wird. Meist wird hierbei das Oxidationsmittel Sauerstoff bei der Verbrennung reduziert, dieser Vorgang erniedrigt durch Aufnahme von Elektronen und Bildung von Oxiden seinen Oxidationszustand. Ein Bestandteil des Brennstoffs bildet bei der Verbrennung das Reduktionsmittel und erhöht durch Bildung von Oxiden seinen Oxidationszustand. Beispiel: Die vollständige Verbrennung von Methan erfolgt nach folgender Reaktionsformel:

Bei den Reaktionsschritten wird Energie freigesetzt, die zum Teil als Strahlung (Flammenbildung) und Wärme abgeführt wird.

Im Gegensatz zur Explosion wird die kontrollierte exotherme Oxidation eines Brennstoffes als Verbrennung bezeichnet. Eine Explosion ist gekennzeichnet durch eine schnelle Reaktion größerer Brennstoffmengen. In geschlossenen Räumen können durch den kurzzeitig auftretenden Temperaturanstieg erhebliche Explosionsdrücke auftreten, die zerstörerische Auswirkungen haben können; siehe auch Deflagration und Detonation.

Bei Substanzen, die der menschliche Körper als Energiequelle d. h. als Brennstoff benutzt, wie z. B. Glucose oder Fette, finden in den Körperzellen schrittweise und langsam verlaufende Oxidationsreaktionen mit Sauerstoff als Oxidationsmittel statt, die einer Verbrennung ähnlich sind. Diese Reaktionen verlaufen bei passend niedriger Körpertemperatur und könnten als Kalte Verbrennungen bezeichnet werden. Wegen ihrer großen physiologischen Bedeutung haben diese Reaktionen aber die spezielle Bezeichnung katabolische Stoffwechselreaktionen. Aus chemischer Sicht handelt es sich bei diesen Reaktionen ebenfalls um Redoxreaktionen.

Begriffe, Einteilung Chemie der Verbrennung Die Flamme emittiert elektromagnetische Strahlung aus dem ultravioletten, sichtbaren und infraroten Strahlungsbereich. Es ist zu unterscheiden zwischen der Festkörperstrahlung und der Strahlung gasförmiger Moleküle. Als Festkörper ist der Festbrennstoff oder gebildeter Ruß (z. B. Feinstaub bei der Heizölverbrennung) zu betrachten. Der Festkörper emittiert Strahlung über dem gesamten Spektralbereich. Dieses Spektrum entspricht näherungsweise dem eines schwarzen Strahlers. Den gasförmigen Molekülen und Atomen werden durch die exotherme Reaktion der Verbrennung Energie zugeführt, und es werden durch Stoßprozesse höhere Energieniveaus der Teilchen eingenommen. Wenn das Elektron wieder einen energetisch tiefer liegenden Zustand einnimmt, wird die Energiedifferenz als Strahlung emittiert und ein Photon ausgesandt. Diese Leuchterscheinung bildet die Flamme. Bei Molekülen werden Vibrations- und Molekülbanden besetzt; bei Atomen wird ein Linienspektrum emittiert. Diese Gasstrahlung ist selektiv und abhängig von den Bestandteilen des Brenngases. Das besteht aus einer Vielzahl von Radikalen, die teilweise auch nur als Zwischenprodukt bis zur vollständigen Verbrennung existieren. Im Gegensatz zur Festkörperstrahlung ist die emittierte Gasstrahlung nicht gleichmäßig über das Spektrum verteilt. Das Spektrum einer Flamme ist abhängig von der Teilchenzusammensetzung in der Flamme. So ist die Strahlung einer Wasserstoffflamme insbesondere im sichtbaren Bereich sehr schwach, da die Radikalen (H2, OH−, H, H+) im sichtbaren Wellenlängenbereich kaum elektronische Übergänge besitzen.

Langsame „kalte Oxidation“ lässt sich beim Verrosten von Metallen oder in Lebewesen bei der Oxidation von Nährstoffen, also deren „Verbrennung“ feststellen.

Technische Verbrennungsprozesse Technische Verbrennungsprozesse werden für Heizzwecke, Stromerzeugung, Stofftrennung (Schmelzen) und Metallurgie eingesetzt. Zur Optimierung einer Verbrennung wird angestrebt, den Wirkungsgrad der Verbrennung zu erhöhen und die Bildung von Schadstoffen zu reduzieren. Die Emission von Kohlenstoffdioxid aus Verbrennungsprozessen in die Atmosphäre ist die Hauptursache der globalen Erwärmung. Im Rahmen der Dekarbonisierung wird angestrebt, den Kohlenstoffanteils im Brennstoff zu verringern. Dies kann durch Verwendung von Brennstoffen erfolgen, die weniger Kohlenstoff (Erdgas statt Kohle) oder keinen Kohlenstoff enthalten (Wasserstoff).

Beim Verbrennungsprozess wird die Brennstoff- und Luftzuführung so geregelt, dass eine kontrollierte chemische Reaktion in einem definierten Brennraum stattfindet. Zur Anlagensicherheit muss gewährleistet sein, dass sich der gasförmige oder flüssige Brennstoff nach dem Einströmen in den Brennraum sicher entzündet und vollständig ausbrennt. Andernfalls ist die Bildung eines größeren explosionsfähigen Gasvolumens möglich, das bei einer Durchzündung einen schnellen Druckanstieg auslösen kann und eine Explosion zur Folge hat.

Der maximale Explosionsdruck von Kohlen- und Wasserstoffhaltigen Brennstoffen in geschlossenen Räumen mit ursprünglichem Umgebungsdruck (Volumendeflagration) beträgt 10 bar; die Flammengeschwindigkeit liegt im Bereich von 0,5 m/s (Kohlenwasserstoffe) bis 2,5 m/s (Wasserstoff). Explosionen mit geringem Druckanstieg (atmosphärische Deflagration) werden als Verpuffung bezeichnet.

In der Technik wird für die Wärmeerzeugung eine geregelte Verbrennung genutzt, die gleitend an den Wärmebedarf angepasst wird. Als Führungsgröße wird z. B. die Temperatur eines Wärmeträgers oder der Dampfdruck einer siedenden Flüssigkeit genutzt und der Massenstrom des Brennstoffes und der Verbrennungsluft wird dem Wärmebedarf angepasst.

Bei industriellen technischen Prozessen, bei denen exotherme Reaktionen zur Stoffumwandlung eingesetzt werden (Thermoprozessanlagen) fällt Abwärme an. Es wird angestrebt, die Wärme möglichst wirtschaftlich zu nutzen. Diese Abwärme wird z. B. zur internen betrieblichen Nutzung, zur Stromerzeugung (über einer Abhitzedampferzeuger und Turbine) oder zur Fernwärmeeinkopplung genutzt. Nicht nutzbare Wärme muss z. B. über Kühltürme an die Umgebung abgegeben werden.

Offene Freistrahlflamme Bei der offenen Freistrahlflamme wird Brennstoff aus einer Düse in die Atmosphäre geleitet und gezündet. Von der Zündstelle wandert die Flammenfront in Richtung der Austrittsdüse und hier stabilisiert sich die Flamme. In einem Bunsenbrenner kann bei Luftzuführung in das Brennerrohr eine heiße Vormischflamme eingestellt werden. Durch Schließen der Luftzuführung wird die Flamme diffuser und die Flammentemperatur ist geringer (Diffusionsflamme). Es erfolgt eine Mischung des Brennstoffes mit der Luft durch laminare und turbulente Diffusionsvorgänge. Dieser Flammentyp wird als Diffusionsflamme bezeichnet. In der Regel sind die chemischen Kettenreaktionen sehr viel schneller als die Diffusionsprozesse. Somit bestimmt die Diffusion die Dynamik der Verbrennung.RWTH Aaceh, Institut für Technische Verbrennung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Dr.-Ing. E.h. N. Peters, Technische Verbrennung I

Brennraum Hinsichtlich der Verbrennungsführung kann zwischen einer offenen Verbrennung und der Verbrennung in einem Brennraum unterschieden werden.

Offene Verbrennungen werden z. B. für Beleuchtungszwecke (Kerze) verwendet oder zum Erhitzen oder Warmhalten von Stoffen (Rinnenbrenner über Metallschmelze, Füssiggashandbrenner zum Erwärmen von Schweißbahnen) oder als Strahlungsflächenheizung (Katalytische Verbrennung) oder offenen Kamin. Die Verbrennungsluft kann über die Thermik der Verbrennung oder gezielt über Verbrennungsluftgebläse zugeführt werden. Bei Gasschweißverfahren wird zumeist dem Brenngas reiner Sauerstoff zugeführt, um eine hohe Verbrennungstemperatur zu erzielen. Ein Brennraum wird verwendet, wenn die Wärme indirekt über einen Wärmeträger (Dampf, Heißwasser, Thermoöl, Luft) genutzt wird oder die Abgase nicht in den umgebenden Raum gelangen sollen (Heizofen). Brennstoff und Luft werden gezielt zugeführt. Die Wärmeleistung kann über die Regelung der Verbrennungsluft und bei Gas, Öl- und Staubfeuerungen zusätzlich über den Brennstoffmassenstrom geregelt werden. Die Abgase werden gerichtet über einen Kamin abgeleitet.

Schadfeuer (Brand) Abgesehen von Explosivstoffen oder pyrophoren Stoffen sind die verwendeten natürlichen und künstlichen Stoffe und Materialien bei Umgebungstemperaturen nicht brennbar, da die thermische Energie nicht ausreicht, stabile Reaktionsketten für eine Oxidation aufrechtzuerhalten. Durch Abweichung der bestimmungsgemäßen Verwendung oder technische Fehler können Zündquellen entstehen, die brennbare Stoffe entzünden können. Dies sind z. B. elektrische Mängel (Kurzschluss, thermische Überlastung, elektrische Entladungen/Lichtbögen), Reibungsvorgänge, hohe Strahlungsstärken, chemische Reaktionen, Blitzeinschläge.

Brandlehre, Brandklassen

Brennstoffcharakterisierung

Brennstoffe bestehen im Wesentlichen aus den Elementen Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Schwefel (S). In den Brennstoffen sind oft noch nicht brennbare Bestandteile enthalten wie Stickstoff (N), Sauerstoff (O), Wasser (H2O) oder anorganische Stoffe, die teilweise als Asche nach dem Verbrennungsprozess anfallen. Der hygroskopisch oder chemisch gebundene Wasseranteil muss bei der Verbrennung verdampft werden und erhöht den Abgasmassenstrom. Soweit der Wasseranteil im Abgas nicht kondensiert wird, wird durch das Wasser der Wirkungsgrad der Verbrennung gemindert.

Brennstoffe können in den Aggregatzuständen fest, flüssig oder gasförmig vorliegen. Zur Charakterisierung von Fest- und Flüssigbrennstoffen wird zumeist eine Elementaranalyse der atomaren Bestandteile verwendet. Bei gasförmigen Brennstoffen verwendet man zumeist den Molanteil der Gaskomponenten, um den Verbrennungsprozess rechnerisch zu erfassen.

Feste Brennstoffe Zu den festen Brennstoffen gehören Kohle, Holz, Torf, Stroh und Müll. Je nach der Stückigkeit können feste Brennstoffe auf Rosten, in Wirbelschichten oder staubförmig verbrannt werden. Je kleiner die Korngröße umso schneller verläuft die Verbrennungsreaktion. Die Rostfeuerung verläuft in verschiedenen Schritten: Verdampfen des Wasseranteils, Freisetzen flüchtiger brennbarer Komponenten und dem Ausbrand. Trockene feste Brennstoffe entzünden sich bei Temperaturen oberhalb von 200 °C. Flüssige Brennstoffe Die Kohlenwasserstoffe mit längeren Molekülketten und Alkohole liegen bei Normalbedingungen als Flüssigkeit vor und werden als Brennstoffe verwendet. Höher viskose Kohlenwasserstoffe müssen erwärmt werden, um die Stoffe pumpfähig zu nutzen (schweres Heizöl). Flüssige Brennstoffe werden vor der Verbrennung zerstäubt, um mit einer kleinen Tröpfchengröße eine hohe Oberfläche und somit eine schnelle Oxidation zu erreichen. Die Zerstäubung kann als Druckzerstäubung oder Zerstäubung mit einem Hilfsmedium (Wasserdampf, Druckluft) erfolgen. Die Verbrennungsluft wird mit einem Luftgebläse der Verbrennungszone zugeführt. Gasförmige Brennstoffe Als gasförmige Brennstoffe werden Kohlenwasserstoffe mit kürzeren Molekülketten, Wasserstoff oder Kohlenmonoxid verwendet. Die Luftzuführung kann ungeregelt oder durch Einsatz eines Verbrennungsluftgebläses erfolgen.

Voraussetzungen für eine Verbrennung miniatur|Verbrennungsdreieck Für eine Verbrennung ist in ausreichender Menge brennbares Material nötig, das mit dem Oxidationsmittel reagiert, meist ist dies der Sauerstoff (siehe Sauerstoffindex). Darüber hinaus ist das richtige Mengenverhältnis des brennbaren Stoffes mit der Umgebungsluft oder dem reaktiven Gas und eine geeignete Zündquelle nötig. Ein Katalysator kann die Aktivierungsenergie, die für den Start der chemischen Reaktion erforderlich ist, herabsetzen. Dadurch kann die Verbrennung beschleunigt oder die zur Zündung notwendige Energie herabgesetzt werden.

Verbrennungsvorgang Zünden