Förbränning

Vid förbränning oxideras bränslets kol och väte till koldioxid samt vatten, medan bränslets kemiska energi omvandlas till värme. Då värmen frigörs medför det att entalpin i systemet minskar. Det är möjligt att en förbränningsprocess kan starta av sig själv, men som regel krävs tillsats av extern värme för att nå bränslets tändtemperatur. Då tändtemperaturen uppnåtts genererar bränslet en större värmemängd än den externt tillsatta. För att förbränningsprocessen skall fortsätta krävs tillsats av syre. Normalt tillförs luft som syrebärare, men det kan även tillföras på annat vis.

Vid fullständig förbränning har all brännbar substans förenat sig fullständigt med syret. Mängden syre som krävs för fullständig förbränning kan beräknas utifrån en rätt balanserad reaktionsformel. Detta kallas med ett annat ord stökiometrisk förbränning. Ett exempel på fullständig förbränning:

 
 


Icke-fullständig förbränning innebär att några av förbränningsprodukterna ytterligare skulle kunna förena sig med syre. Exempel på det är att CO vid ytterligare oxidation skulle bilda CO2. Det är således av stor betydelse att mängden tillfört syre är väl anpassat till den specifika förbränningen. För att uppskatta effektiviteten av förbränningen kan man beräkna förbränningens verkningsgrad. För att säkerställa fullständig förbränning krävs ett visst överskott av syre. Differensen mellan den teoretiska och verkliga luftmängden benämns luftöverskottet. För att undvika värme- och avgasförluster, samt ökade utsläpp vill man hålla luftöverskottet så lågt som möjligt. Ett ökat luftöverskott leder också till lägre temperaturer i förbränningskammaren. Detta kan man göra genom att ha en god blandning mellan luft och bränsle. Vid vissa ugnsprocesser väljer man ett stort luftöverskott för att sänka förbränningsgasens temperatur.

Eftersom bränslet i regel innehåller andra ämnen än kol och väte bildas under förbränningsprocessen även avgaser som i sin tur har ett visst energiinnehåll. Ett exempel på en vanligt förekommande förorening är svaveloxid. Vid hög förbränningstemperatur minskar bildningen av skadliga kolväten. Emellertid gynnar den höga temperaturen uppkomsten av kväveoxider som bildas ur förbränningsluftens syre och kväve. Den mängd värme som frigörs vid en förbränningsprocess är proportionell mot den mängd syre som tillförts reaktionen. Vid förbränning av andra typer av bränslen än kolbaserade bildas olika varianter av föroreningar exempelvis svavel- och kväveföreningar.
 

Förbränningens verkningsgrad

Förbränningsverkningsgraden, ηf, är kvoten mellan den värmemängd som omvandlas till fysisk värme i förbränningsgaserna och den värmemängd som tillförts i form av effektivt värmevärde i bränslet. Den är alltså ett mått på hur effektivt bränslets kemiska energi har omvandlats till värme och säger därmed ingenting om hur effektivt värmen sen används (för detta syfte kan istället andra definitioner på verkningsgrad användas.

Förbränningsverkningsgraden påverkas av:

  • Andelen oförbrända gaser, främst CO och H2, i rökgaserna. 
  • Andelen oförbränt eller delvis oförbränt bränsle i t.ex. sot och aska. 

Oförbrända gaser uppstår vid förbränning med syrebrist. Förbränningsverkningsgraden för flytande och gasformiga uppgår till 99 % eller mer. För koleldning på rost uppgår motsvarande verkningsgrad till knappt 95 %. För kolpulvereldning är verkningsgraden mellan 95 och 99 %.
Förbränningens verkningsgrad kan beräknas förutsatt att man har en detaljerad massbalans över förbränningen till sitt förfogande, eller åtminstone en hygglig uppskattning av denna.
 

Luftkvot, Syrgaskvot

Vid förbränning används i regel mer syrgas/luft än vad stökiometrin kräver. Detta eftersom man i verkliga brännare inte kan garantera att förbränningen är fullständig om syrgas/luft tillsätts i stökiometrisk mängd på grund av att mixningen av bränsle och oxidationsmedel inte är fullständig. Luftkvoten (luftfaktorn) eller syrgaskvoten λ anger hur mycket luft eller syrgas som tillsatts, l eller s, i förhållande till vad som teoretiskt krävs, l0 eller s0för fullständig förbränning:

 
 


Med överstökiometrisk förbränning avses förbränning med en luft/syrgaskvot >1.

Med understökiometrisk förbränning avses förbränning med en luft/syrgaskvot <1



Luft/syrgasfaktorn (luftkvoten) har betydelse för förbränningens verkningsgrad. Används en för hög luft/syrgaskvot åtgår alltför mycket energi till att värma den extra luften/syrgasen. Det säger sig självt att den kylande effekten av en alltför hög luft/syrgaskvot är större vid luftförbränning än vid syrgasförbränning eftersom det går 3,76 mol kväve för varje mol syre i luft. Används å andra sidan en för låg luft/syrgaskvot så kommer rökgasen innehålla oförbrända restprodukter vilket också representerar en energiförlust.

Luft/syrgaskvoten har också en viss betydelse för bildningen av NOx. Lämplig luftfaktor vid förbränning av gas är 1,05 - 1,07 medan en lämplig luftfaktor för olja är 1,10 - 1,15. Om luft/syrgasfaktorn inte är känd, kan den beräknas utifrån rökgasanalysen.
 

Stökiometrisk förbränning

Med stökiometrisk förbränning avses förbränning där syrgastillgången exakt motsvarar den mängd som teoretiskt åtgår för att fullständigt förbränna ett bränsle. För ett generellt bränsle, innehållande kol, väte och syre, ges stökiometrin av följande formel för syrgasförbränning:

 
 

och för luftförbränning:

Den mängd syrgas eller luft som går åt för att stökiometriskt förbränna ett bränsle kallas teoretiskt eller stökiometriskt syrgas/luftbehov.
 

Adiabatisk förbränning

En adiabatisk process är en process under vilken ingen värme utbyts mellan systemet och dess omgivning under processen. Under en adiabatisk förbränning omvandlas alltså all den frigjorda kemiska energin till värmeenergi hos den bildade rökgasen (+ eventuella restprodukter). Ofta brukar man tala om den adiabatiska flamtemperaturen för ett bränsle som ett mått på dess kapacitet att värma. I verkligheten är det omöjligt att helt isolera ett system från sin omgivning, så helt adiabatiska processer förekommer inte.
 

Adiabatisk flamtemperatur

När man talar om den adiabatiska flamtemperaturen för ett bränsle, menar man den temperatur som rökgaserna får vid stökiometrisk och adiabatisk förbränning. Denna kan beräknas genom en energibalans. Det gäller dock att se upp eftersom den adiabatiska flamtemperaturen kommer att bero på vilka förbränningsprodukter som finns i rökgasen (vilka beror på vilket oxidationsmedel som använts samt de temperaturberoende jämvikterna mellan de olika rökgaskomponenterna). Vid höga temperaturer dissocierar en del av förbränningsprodukterna vilket leder till att den flamtemperaturen minskar eftersom dissociation är en endoterm process. Den adiabatiska flamtemperaturen är högre vid syrgasförbränning än vid luftförbränning beroende på att kväve inte finns närvarande i rökgaserna som värmesänka.

Adiabatiska flamtemperaturer för några vanliga bränslen:

 
Luft Syrgas
Bränsle Temperatur (K) Temperatur (oC) Temperatur (K) Temperatur (oC)
H2 2370 2097 3079 2806
CO 2381 2108 2978 2780
CH4 2223 1950 3053 3069
C2H2 2535 2260 3342 2902
C2H4 2361 2088 3175 2813
C2H6 2259 1986 3086 2865
C3H8 2261 1988 3138 2827
C4H10 2246 1973 3100 2705
Diesel 2630 2357 - -