Verbrennung

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Einleitung

Verbrennung, im allgemeinen Sinn der Begriff für die schnelle chemische Reaktion einer Substanz mit Sauerstoff oder einem anderen Oxidationsmittel, bei der üblicherweise große Mengen an Wärme freigesetzt werden – bei Verbrennungen kommt es häufig auch zu Lichterscheinungen (Siehe auch Feuer). Generell unterscheidet man den Verbrennungsprozess mit Flammenbildung von der so genannten stillen, flammenlosen Verbrennung.

Gewöhnliche Brennstoffe reagieren bei der Verbrennung mit Luftsauerstoff hauptsächlich zu Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasser. Darüber hinaus können aus bestimmten Substanzen im Brennstoff u. a. auch Schwefeldioxid und Stickoxide gebildet werden. Besonders kohlenstoffreiche Materialien verbrennen häufig unter starker Ruß- und Rauchentwicklung.

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Energiefreisetzung

Bei Verbrennungsreaktionen wird Energie u. a. in Form von Wärme frei. Diese nutzt man in verschiedenen technischen Verfahren wie z. B. zur Erzeugung elektrischen Stromes oder zu Heizzwecken (Siehe auch Heizkraftwerk). Bestimmte Verbrennungsreaktionen dienen auch zur großtechnischen Herstellung von verschiedenen, meist chemischen Substanzen. So werden beispielsweise bei der Produktion von Schwefelsäure Schwefel und Sauerstoff zunächst zu Schwefeldioxid und dann weiter zu Schwefeltrioxid umgesetzt („verbrannt”). Um eine möglichst hohe Ausbeute an Trioxid zu erhalten werden bei diesem Prozess spezielle Katalysatoren eingesetzt. Schließlich dienen Verbrennungsprozesse zum Beseitigen von Abfallstoffen (siehe Abfallverbrennung).

Durch die Verbrennungswärme erhöht sich die Temperatur der Reaktionspartner. Die erreichte Temperatur hängt davon ab, wie schnell die Energie einerseits durch die Reaktion erzeugt und andererseits an die Umgebung abgegeben wird. Dabei spielt auch die Menge der entstandenen Stoffe eine entscheidende Rolle.

Für Verbrennungsprozesse mit Sauerstoff ist Luft die billigste Quelle. Luft besteht zu drei Vierteln aus Stickstoff, der stets als ein Hauptbestandteil des Substanzgemischs aus der Verbrennung hervorgeht. Aus diesem Grund liegt die Temperatur bei der Verbrennung mit Luft deutlich niedriger als bei der Verbrennung mit reinem Sauerstoff.

Damit eine Verbrennung weitgehend vollständig abläuft, muss stets ein bestimmtes Mengenverhältnis von Sauerstoff und Brennstoff vorliegen. Prinzipiell führt etwas mehr Sauerstoff oder Luft zur vollständigen Reaktion. Als Nachteil ist die Verbrennungstemperatur deutlich niedriger, denn der Überschuss an Luft muss ebenfalls erwärmt werden, wodurch außerdem weniger nutzbare Energie entsteht.

Für jede Brennstoffsorte gibt es eine optimale Luft-Brennstoff-Zusammensetzung, die je nach gewünschter Temperatur einen anderen Wert haben kann. Mit Sauerstoff angereicherte Luft oder reinen Sauerstoff führt man beispielsweise einem Schweißbrenner zu, um eine möglichst hohe Temperatur zu erzielen (siehe Acetylen). Die Verbrennungsgeschwindigkeit lässt sich durch Zerkleinerung oder Feinstverteilung des Brennstoffes steigern. Dadurch wird die Oberfläche einer bestimmten Brennstoffmenge größer, der Sauerstoff kann schneller mit dem Brennstoff in Kontakt treten und die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt zu. Ähnliche Effekte lassen sich durch gute Vermischung von Brennstoff und Luft bzw. Sauerstoff vor der Verbrennung erreichen. Soll die Verbrennungswärme extrem schnell freigesetzt werden, z. B. im Triebwerk einer Rakete, dann vermischt man das Oxidationsmittel bereits bei der Herstellung fein verteilt mit dem Brennstoff.

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Feste Brennstoffe

Zur Wärmeerzeugung verwendet man u. a. feste Brennstoffe – z. B. Kohle, Koks, Holz oder Torf. Der Brennstoff wird durch die beim Zünden zugeführte Wärme (oder durch die schon entstandene Reaktionswärme) zunächst zersetzt. Dabei entstehen flüchtige Substanzen, meist Gase, die zuweilen mit rußender Flamme verbrennen. Wie schnell der feste, kohlenstoffhaltige Rückstand dieser Zersetzung verbrennt, hängt davon ab, wie schnell der Sauerstoff die Oberfläche erreicht. Außerdem erfordert die Verbrennung der festen Bestandteile eine relativ hohe Oberflächentemperatur von rund 400 bis 800 °C. Wird der Brennstoff auf einem Rost verbrannt, so führt man die Luft durch die Lücken zwischen den festen Brennstoffteilen. Dadurch lässt sich die erforderliche hohe Temperatur zwischen den brennenden Teilen aufrechterhalten. Soll die Verbrennung schneller ablaufen, dann wird die Kohle vorher zu feinem Staub zermahlen. Dieser wird anschließend – mit Luft vermischt – in den Ofen eingeblasen. Das notwendige Luft-Brennstoff-Mengenverhältnis hängt vor allem von der Art und Beschaffenheit des Brennstoffes ab. Zur vollständigen Verbrennung von 1 Kilogramm normaler, teerhaltiger Steinkohle sind mindestens 11 Kilogramm Luft nötig. Die Verbrennung von Kohlenstaub ergibt meist Flammentemperaturen von rund 1 500 °C. Bei der unkontrollierten Zündung von feinem Kohlenstaub oder von anderen Stäuben kann die Reaktion so heftig werden, dass es zur Explosion kommt. Diese so genannten Staubexplosionen sind beispielsweise in Kohlenbergwerken sehr gefürchtet (siehe Bergbau). Sie sind außerdem in allen Betrieben möglich, in denen oxidierbare Substanzen (z. B. Mehl) als feiner Staub vorliegen.

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Flüssige und gasförmige Brennstoffe

Hierzu zählen neben Erdgas vor allem Öle und Benzine, die hauptsächlich aus Erdöl gewonnen werden. Geringere Bedeutung haben Produkte, die bei der Steinkohleverkokung anfallen, wie beispielsweise Steinkohlenteer. In fest stehenden Öfen werden die weniger flüchtigen Öle durch Düsen zerstäubt und in dieser Form in den Brennraum weitergeleitet. Mitunter wird in der Düse Luft oder auch Wasserdampf zugeführt. In der herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges – z. B. beim Ottomotor – werden Benzin oder eine Benzin-Alkohol-Mischung im Vergaser verdampft und dann in den Zylinder geführt. Dort findet anschließend die explosionsartige Verbrennung statt. Zur vollständigen Verbrennung benötigt 1 Kilogramm Treibstoff etwa 16 bis 23 Kilogramm Luft. Bei Dieselmotoren wird der Treibstoff in Form feinster Tröpfchen in den Zylinder eingespritzt. Die erforderliche Zündtemperatur wird durch hohe Kompression aufgrund der Kolbenbewegung erzeugt.

Gasförmige Brennstoffe wie Erdgas, Raffineriegas oder Generatorgas (bei der Kohlevergasung mit Luft und in Verbindung mit Wasserdampf) werden vor der Verbrennung meist mit Luft gemischt. Diese Mischung muss aus den Brenndüsen mit einer Geschwindigkeit austreten, die höher als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme ist, andernfalls würden die entstehenden Flammen zurückschlagen. Wird vorher keine Luft beigemischt, dann verbrennen die genannten Gase meist mit rußender, relativ kühler Flamme. Erdgasflammen können Temperaturen von über 1 930 °C erreichen.

In der Raumfahrt setzt man für die erste Raketenstufe als flüssigen Brennstoff Kerosin oder beispielsweise auch Hydrazin ein. Als Oxidationsmittel dienen dabei flüssiger Sauerstoff, Salpetersäure oder Wasserstoffperoxid.