Brennstoffverbrennung & Wärmeübertragung in Öfen: Optimierung der Energieeffizienz

Brennstoffverbrennung und Wärmeübertragung im Ofen

In einem Ofen wird Wärme benötigt, um den Ofeninhalt (das zu erhitzende Material) zu erwärmen und manchmal für chemische Reaktionen. Die drei Wärmequellen sind: (i) Verbrennung von Brennstoffen, (ii) elektrische Energie und (iii) chemische Energie aus exothermen Reaktionen. Abgesehen von elektrothermischen Öfen wird dieser Wärmebedarf (ohne chemische Energie) durch die Verbrennung eines Brennstoffs gedeckt. Der Brennstoff kann gasförmig (z. B. Nebenproduktgase wie Kokereigas, Hochofengas, Konvertergas, Erdgas, Flüssiggas), flüssig (z. B. Heizöl, Teer) oder fest (z. B. Kohle, Koks) sein.

Grundlagen der Verbrennung

Alle Brennstoffe enthalten potenzielle Energie. Bei der Verbrennung wird diese Energie in den Verbrennungsprodukten freigesetzt. Verbrennung ist die kontrollierte Freisetzung von Wärme und Energie aus der chemischen Reaktion zwischen einem Brennstoff und einem Oxidator. Fast alle industriellen Verbrennungsprozesse nutzen Kohlenwasserstoffbrennstoffe. Eine verallgemeinerte Verbrennungsreaktion für einen typischen Kohlenwasserstoffbrennstoff lautet: Brennstoff + Oxidator = Kohlendioxid (CO₂) + Wasserdampf (H₂O) + andere Spezies. Die „anderen Spezies“ hängen vom Oxidatortyp und dem Brennstoff-Oxidator-Verhältnis ab. Der am häufigsten verwendete Oxidator ist Luft, die zu ca. 79 Vol.-% aus Stickstoff (N₂) besteht und den Verbrennungsprozess weitgehend unverändert durchläuft. Bei brennstoffreicher Verbrennung (nicht genug O₂) bleiben unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Abgas und wenig bis gar kein überschüssiges O₂. Bei brennstoffarmer Verbrennung (mehr O₂ als nötig) befindet sich überschüssiges O₂ im Abgas.

Einfluss des Brennstoffs auf die Wärmeübertragung

Der Brennstoff beeinflusst die Wärmeübertragung im Ofenverbrennungssystem maßgeblich. Eine der wichtigsten Eigenschaften ist der Heizwert, der bestimmt, wie viel Brennstoff verbrannt werden muss, um die gewünschte Produktionsrate zu erreichen. Der Heizwert wird als oberer Heizwert (HHV) oder unterer Heizwert (LHV) angegeben.

Der LHV schließt die Verdampfungswärme aus – die Energie, die nötig ist, um flüssiges Wasser in Dampf umzuwandeln. Das bedeutet, der LHV geht davon aus, dass alle Verbrennungsprodukte gasförmig sind, was in fast allen industriellen Anwendungen der Fall ist. Wenn die Verbrennungsprodukte bei einer so niedrigen Temperatur den Prozess verlassen, dass alles Wasser kondensiert, wird die Kondensationswärme als zusätzliche Energiequelle freigesetzt. Der HHV beinhaltet diese zusätzliche Energie.

Zusammensetzung und Dichte des Brennstoffs

Die Brennstoffzusammensetzung bestimmt die Zusammensetzung der Verbrennungsprodukte und die benötigte Oxidatormenge. Die Dichte des Brennstoffs ist für die Durchflussraten im Brennstoffzufuhrsystem und die Rohrdimensionierung relevant.

Abgaszusammensetzung und Wärmeverluste

Die Abgaszusammensetzung ist entscheidend für die Wärmeübertragung im Ofen. Unverbrannte Kohlenwasserstoffe zeigen an, dass der Brennstoff nicht vollständig verbrannt wurde und nicht alle verfügbare Wärme freigesetzt wurde. Hohe O₂-Überschüsse im Abgas deuten auf zu viel zugeführten Oxidator hin. Der überschüssige Oxidator führt sinnvolle Energie mit dem Abgas ab – wieder wird nicht die gesamte Wärme des Brennstoffs genutzt. Wird Luft als Oxidator verwendet, geht ein großer Teil der verfügbaren Energie mit dem Abgas über den Schornstein verloren.

Die Verbrennungsprodukte übertragen ihre Wärmeenergie auf den Ofeninhalt, um dessen Temperatur auf den erforderlichen Wert zu bringen, und verlassen dann den Ofen. Die sensible Wärme in den Verbrennungsprodukten bei der kritischen Prozesstemperatur steht dem Ofen nicht zur Verfügung. Je höher die kritische Prozesstemperatur, desto höher die sensible Wärme in den Verbrennungsprodukten. Diese sensible Wärme ist aus Sicht der Brennstoffausnutzung sehr wichtig.

Oxidatorarten und Sauerstoffanreicherung

In industriellen Verbrennungsprozessen werden zwei gängige Oxidatorarten verwendet. Die meisten Prozesse nutzen Luft. Viele Hochtemperaturprozesse verwenden jedoch einen Oxidator mit höherer O₂-Konzentration als in Luft (ca. 21 Vol.-%). Dies wird als O₂-anreicherte Verbrennung bezeichnet. Oft lässt sich die Produktionsrate durch relativ geringe O₂-Anreicherung deutlich steigern.

Luft/Brennstoff-Brenner können oft mit Oxidatoren bis ca. 30 % O₂ ohne größere Modifikationen betrieben werden. Bei höheren O₂-Konzentrationen kann die Flamme instabil werden oder die Flammentemperatur für einen auf Luft/Brennstoff ausgelegten Brenner zu hoch werden. In Hochtemperaturanwendungen, wo die Vorteile von hochreinem O₂ die Mehrkosten rechtfertigen, werden Oxidatoren mit >90 % O₂ eingesetzt. Der Heizprozess wird durch hochreinen O₂ stark intensiviert. Die Oxidatorreinheit beeinflusst die Wärmeübertragung im Verbrennungssystem erheblich.

Stöchiometrie und Überschussluft

Ein wichtiger Aspekt ist das Verhältnis von Brennstoff zu Oxidator. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dies anzugeben. Eine globale Verbrennungsreaktion mit CH₄ (Methan) als Brennstoff lautet: CH₄ + (xO₂ + yN₂) = CO, CO₂, H₂, H₂O, N₂, NOx, O₂, Spurenkomponenten. Die Stöchiometrie gibt das Verhältnis von O₂ zu Brennstoff an. Eine Methode berücksichtigt nur das O₂ im Oxidator, da Inerte nicht für die Reaktion benötigt werden. Für CH₄ mit Luft lautet die vereinfachte stöchiometrische Reaktion: CH₄ + (2O₂ + 7,52N₂) = CO₂ + 2H₂O + 7,52N₂. Das stöchiometrische Verhältnis beträgt 2, da 2 Mol O₂ für 1 Mol CH₄ benötigt werden.

Diese Methode wird oft bei O₂-anreicherter Verbrennung verwendet, da die zugeführte O₂-Menge entscheidend ist. Reale Flammen benötigen meist etwas überschüssiges O₂ für vollständige Verbrennung wegen unvollständiger Durchmischung. Bei brennstoffreicher CH₄-Verbrennung ist das stöchiometrische Verhältnis < 2, bei brennstoffarmer > 2. Die Oxidatorzusammensetzung ist daher wichtig. Ein gängiger Weg ist die Berechnung des O₂-Molchenbruchs im Oxidator.

Viele industrielle Prozesse laufen mit ca. 3 % mehr O₂ als theoretisch nötig, um unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu minimieren und vollständige Verbrennung sicherzustellen. Zu viel überschüssiges O₂ verschwendet Energie durch Aufheizen der überschüssigen Verbrennungsluft statt des Ofeninhalts. Wünschenswert ist gerade so viel Überschuss, um niedrige CO-Emissionen zu erreichen. Beispiel für CH₄ mit 3 % Überschuss: CH₄ + (2,06O₂ + 7,75N₂) = CO₂ + 2H₂O + 0,06O₂ + 7,75N₂.

Flammencharakteristik und Turbulenz

Die meisten industriellen Flammen sind turbulent, charakterisiert durch die turbulente Reynolds-Zahl (Re). Die turbulente charakteristische Längenskala heißt Kolmogorov-Länge (Dimension der Dissipation). Die Taylor-Längenskala ist das Verhältnis von Dehnrate zu viskosen Kräften. Flammen können sein: (i) gefaltete Flamme, (ii) stark gefaltete Flamme, (iii) Flammenblättchen in Wirbeln, (iv) verteilter Reaktionsfront. Die dimensionslose Damköhler-Zahl (Da) gibt den signifikanten Reaktionszeittyp an (Verhältnis Reaktionszeit zu Strömungszeit).

Verbrennungseigenschaften

Wichtige Verbrennungseigenschaften für industrielle Anwendungen sind: (i) Verbrennungsproduktzusammensetzung, (ii) Flammentemperatur, (iii) verfügbare Wärme, (iv) Abgasvolumen nach Verbrennung. Diese sind entscheidend für die Berechnung der Wärmeübertragung von Flamme und Abgasen auf Ofen und Ofeninhalt.

Verbrennungsprodukte

Verschiedene Variablen beeinflussen die Verbrennungsprodukte erheblich: Oxidatorzusammensetzung, Mischungsverhältnis, Vorwärmtemperaturen von Luft und Brennstoff, Brennstoffzusammensetzung.

Oxidatorzusammensetzung

Beispiel CH₄-Verbrennung: Stöchiometrische Verbrennung mit Luft: CH₄ + 2O₂ + 7,52N₂ = CO₂, 2H₂O, 7,52N₂, Spuren. Über 70 Vol.-% des Abgases ist N₂. Bei stöchiometrischer O₂/CH₄-Verbrennung: CH₄ + 2O₂ = CO₂, 2H₂O, Spuren. Das Abgasvolumen wird durch Wegfall von N₂ stark reduziert. Allgemein: CH₄ + 2O₂ + xN₂ = CO₂ + 2H₂O + xN₂ + Spuren.

Die tatsächliche Abgaszusammensetzung hängt von Oxidatorzusammensetzung, Gastemperatur und Äquivalenzverhältnis ab. Das Äquivalenzverhältnis ist das Verhältnis des tatsächlichen Brennstoff/Luft-Verhältnisses zum stöchiometrischen. Stöchiometrische Verbrennung liegt vor, wenn alles O₂ verbraucht ist und kein molekulares O₂ in den Produkten verbleibt.

Ein adiabatischer Prozess bedeutet keinen Wärmeverlust während der Reaktion (perfekt isolierte Kammer). In der Realität geht Wärme durch Strahlung verloren. Die vorhergesagten Hauptprodukte der adiabatischen Gleichgewichtsverbrennung von CH₄ hängen von der Oxidatorzusammensetzung ab. Ein Gleichgewichtsprozess setzt unendlich Zeit für Reaktionen voraus (nicht kinetikbegrenzt). In der Realität dauern Reaktionen Bruchteile von Sekunden. Mit abnehmendem N₂ im Oxidator sinkt dessen Konzentration im Abgas, während CO, CO₂ und H₂O zunehmen. Bei diesem adiabatischen Prozess entsteht bei hohen O₂-Gehalten im Oxidator signifikant CO.

Radikale H, O, OH nehmen mit O₂ im Oxidator zu. NO (Stickoxid) steigt zunächst, dann ab ca. 60 % O₂ im Oxidator wieder, da N₂ entzogen wird. Bei reinem O₂ entsteht kein NO (kein N₂ verfügbar). Unverbrannter Brennstoff (H₂, CO) und unreagiertes O₂ nehmen mit O₂-Konzentration zu – alles aufgrund chemischer Dissoziation bei hohen Temperaturen.

Die tatsächliche Flammentemperatur ist niedriger als die adiabatische Gleichgewichtstemperatur wegen unvollkommener Verbrennung und Flammenstrahlung. Sie hängt davon ab, wie gut die Flamme ihre Wärme abstrahlt und wie gut das System (Ofeninhalt, feuerfeste Wände) diese absorbiert. Eine stark leuchtende Flamme hat meist niedrigere Temperatur als eine nicht-leuchtende. Auch bei stärker strahlungsabsorbierendem Ofeninhalt/Wänden (niedrigere Temperaturen, höhere Absorptionskoeffizienten) sinkt die Flammentemperatur.

Beim Durchströmen der Brennkammer verlieren gasförmige Verbrennungsprodukte weitere Wärme durch Konvektion und Strahlung. Ziel ist die Übertragung der chemischen Energie des Brennstoffs auf den Ofeninhalt (oder die Brennkammer). Je thermisch effizienter der Prozess, desto mehr Wärme geht auf Inhalt und Kammer über. Daher ist die Gastemperatur im Abgasstrang in einem effizienten Prozess weit niedriger als in der Flamme. Die Abgaszusammensetzung ändert sich mit der Gastemperatur.

Mischungsverhältnis

O₂- und N₂-Konzentrationen im Abgas nehmen mit dem Äquivalenzverhältnis streng ab. H₂O- und CO₂-Konzentrationen erreichen ihr Maximum bei stöchiometrischen Bedingungen – wichtig, da beide Gase nicht-leuchtende Gasstrahlung erzeugen. Unverbrannter Brennstoff (H₂, CO) nimmt mit dem Äquivalenzverhältnis zu, was sich in der verfügbaren Wärme niederschlägt (nicht aller Brennstoff vollständig verbrannt).

Luft- und Brennstoffvorwärmtemperatur

In vielen Prozessen wird Wärme zurückgewonnen, um die thermische Effizienz zu steigern und Betriebskosten zu senken. Die zurückgewonnene Wärme dient meist zum Vorwärmen der Verbrennungsluft, manchmal auch des Brennstoffs. Vorwärmen von Luft oder Brennstoff beeinflusst die Abgaszusammensetzung. CO₂, H₂O, N₂ nehmen mit Luftvorwärmung im Abgas ab (chemische Dissoziation). Aus Sicherheitsgründen und Versottungsgefahr in der Brennstoffleitung sind hohe Brennstoffvorwärmtemperaturen meist unpraktisch. Die Änderungen der Hauptkomponenten sind gering, die der Spurenelemente leicht erhöht – weil die Brennstoffmasse im Vergleich zur Verbrennungsluftmasse relativ klein ist. Luftvorwärmung hat daher bei gegebener Vorwärmtemperatur deutlich größeren Einfluss als Brennstoffvorwärmung.

Brennstoffzusammensetzung

Verbrennungsprodukte hängen von der Brennstoffzusammensetzung ab. Gängige gasförmige Brennstoffe: H₂, CH₄, C₃H₈ (Propan), H₂/CH₄-Gemische – repräsentativ für industrielle Anwendungen. Bezüglich Leuchtkraft: H₂ erzeugt nicht-leuchtende Flammen, CH₄ schwach leuchtende, C₃H₈ stärker leuchtende.

Flammentemperatur

Die Flammentemperatur ist entscheidend für die Wärmeübertragung von der Flamme auf den Ofeninhalt. Die adiabatische Flammentemperatur hängt ab von Oxidator- und Brennstoffzusammensetzung, Mischungsverhältnis, Luft- und Brennstoffvorwärmtemperatur. Reale Flammentemperaturen sind niedriger als adiabatische, aber die Trends sind vergleichbar und repräsentativ.

Oxidator- und Brennstoffzusammensetzung

Die Flammentemperatur steigt stark, wenn Luft durch O₂ ersetzt wird, da N₂ als Verdünner die Temperatur senkt. Die Temperatur variiert zwischen Luft und reinem O₂. Von Luft bis ca. 60 % O₂ steigt sie rapide, bei höheren Konzentrationen langsamer. Auch die Brennstoffzusammensetzung wirkt stark. In H₂/CH₄-Gemischen steigt die Temperatur mit dem H₂-Anteil, nicht-linear, mit stärkerem Anstieg bei hohen H₂-Gewegen. Wegen der hohen Kosten von H₂ im Vergleich zu CH₄ und C₃H₈ wird es in vielen industriellen Anwendungen nicht eingesetzt. H₂-reiche Brennstoffe sind jedoch oft Nebenprodukte chemischer Prozesse und daher günstiger als gekauftes H₂.

Mischungsverhältnis

Maximale Flammentemperaturen treten bei stöchiometrischen Bedingungen auf. Je niedriger die O₂-Konzentration im Oxidator, desto stärker sinkt die Temperatur bei nicht-stöchiometrischen Bedingungen (brennstoffreich oder -arm) – wegen höherer N₂-Konzentration, die Wärme absorbiert. Bei stöchiometrischen Bedingungen ist gerade genug Oxidator vorhanden. Zusätzlicher Oxidator absorbiert sinnvolle Energie und senkt die Temperatur. In realen Flammen liegt das Temperaturmaximum oft bei leicht brennstoffarmen Bedingungen wegen unvollkommener Durchmischung. Fast alle industriellen Anwendungen laufen brennstoffarm für niedrige CO-Emissionen. Je nach Brennerdesign kann die Flammentemperatur nahe am Maximum liegen – oft erwünscht für maximalen Wärmeübergang. Problem: Maximale Flammentemperatur maximiert auch NOx-Emissionen (exponentieller Anstieg mit Gastemperatur). Dies führte zu Designkonzepten zur Reduzierung der Spitzenflammentemperatur zur NOx-Minimierung, was auch den Wärmeübergang beeinflusst.

Oxidator- und Brennstoffvorwärmtemperatur

Die adiabatische Flammentemperatur steigt mit der Oxidatorvorwärmtemperatur (für Luft/CH₄ und O₂/CH₄). Der Anstieg ist bei O₂/CH₄ relativ gering, da die sensible Wärme des O₂ nur ein Bruchteil der chemischen Energie des Brennstoffs ist. Bei Luft/CH₄ hat Luftvorwärmung dramatischeren Einfluss wegen der großen Luftmasse. Die adiabatische Flammentemperatur steigt bei Luft/Brennstoff-Flammen für viele Brennstoffe rapide.

Verfügbare Wärme

Die verfügbare Wärme im Ofenverbrennungssystem ist wichtig für die Gesamtthermische Effizienz und den Wärmeübergang. Es ist weniger effektiv, den Wärmeübergang in einem System mit inhärent niedriger verfügbarer Wärme zu maximieren. Verfügbare Wärme = Bruttoheizwert des Brennstoffs – Energie, die mit heißen Abgasen aus dem Verbrennungsprozess ausgetragen wird.

Die brutto verfügbare Wärme (GAH) im Ofen: GAH = Brennwert des Brennstoffs + sensible Wärme der Reaktanten – Wärme, die mit den das Ofen verlassenden Verbrennungsprodukten abgeführt wird. GAH stellt die Wärme bei der kritischen Prozesstemperatur dar, nicht die für eine bestimmte Funktion verfügbare Wärme (wegen verschiedener Verluste). Sie dient als Vergleichskriterium für verschiedene Brennstoff-Verbrennungssysteme.

Im Ofen gibt es Wärmeverluste durch Öffnungen, Wände, Lufteintritt – abhängig von kritischer Prozesstemperatur, Feuerfestauskleidungsdicke und -leitfähigkeit. Die netto verfügbare Wärme (NAH): NAH = GAH – Wärmeverluste. NAH eignet sich zum Vergleich der Schmelz-/Erhitzungseffizienz verschiedener Öfen.

Theoretische verfügbare Wärme ist proportional zur tatsächlich vom Ofeninhalt aufgenommenen Energie – direkt verknüpft mit der thermischen Effizienz. Daher wird sie genutzt, um Effizienztrends als Funktion von Abgastemperatur, Oxidator-/Brennstoffzusammensetzung, Mischungsverhältnis, Vorwärmtemperaturen darzustellen.

Verfügbare Wärme sinkt rapide mit steigender Abgastemperatur und ist relativ unabhängig von der Brennstoffzusammensetzung. Zur Maximierung der thermischen Effizienz sollte die Abgastemperatur minimiert werden – durch Maximierung des Wärmeübergangs von Abgasen auf Inhalt/Wände und Wärmerückgewinnung via Vorwärmung von Oxidator und/oder Brennstoff.

Bei steigender Abgastemperatur wird mehr Energie ausgetragen, weniger bleibt im System. Verfügbare Wärme wird null bei der adiabatischen Gleichgewichtsflammentemperatur (kein Wärmeverlust). Bei CH₄/O₂-System beträgt die verfügbare Wärme selbst bei ca. 2000 °C Abgastemperatur noch 57 %. CH₄/Luft-Systeme sind für Hochtemperaturprozesse oft unwirtschaftlich: bei ca. 1300 °C Abgastemperatur nur ca. 30 % verfügbare Wärme. Wärmerückgewinnung durch vorgeheizte Luft wird bei Hochtemperaturprozessen genutzt, um die Ofeneffizienz zu steigern.

Mit steigendem O₂-Gehalt im Oxidator (von 21 % in Luft) steigt die verfügbare Wärme initial rapide – ein Grund für die Beliebtheit von O₂-Anreicherung. Die thermische Effizienz des CH₄/Luft-Systems verdoppelt sich bei Luftvorwärmung auf ca. 1100 °C. Beim CH₄/O₂-System ist der Effizienzgewinn durch O₂-Vorwärmung weniger dramatisch, da die Anfangseffizienz ohne Vorwärmung schon 70 % beträgt und die O₂-Masse in der Reaktion weniger signifikant ist als die Luftmasse. Sicherheitsbedenken bestehen bei heißem O₂ in Leitungen, Wärmerückgewinnungseinrichtungen und Brennern. Brennstoffeinsparungen für eine gegebene Technologie lassen sich über Kurven der verfügbaren Wärme berechnen.

Abgasvolumen

Der Gasdurchsatz durch die Ofenbrennkammer ist proportional zum konvektiven Wärmeübergang auf den Ofeninhalt. Einflussfaktoren: Gastemperatur (höhere Temperatur → höherer tatsächlicher Volumenstrom durch thermische Ausdehnung; bei Normbedingungen (STP) gleicher Volumenstrom). Vorwärmen von Brennstoff oder Oxidator erhöht Flammentemperatur und tatsächliche Volumenströme.

Starker Einfluss auf Gasdurchsatz: Oxidatorzusammensetzung. O₂-anreicherte Verbrennung entfernt N₂ aus dem Oxidator. Große Änderung: Reduktion des Abgasvolumens. Pro Einheitsvolumen Brennstoff entstehen 3 normierte Volumen Gas bei O₂/Brennstoff-Verbrennung vs. 10,5 bei Luft/Brennstoff. Diese Reduktion hat positive und negative Effekte, aber der Effekt auf konvektiven Wärmeübergang ist eine Reduktion der mittleren Gasgeschwindigkeit in der Brennkammer und damit geringere Konvektion auf den Ofeninhalt.

Transport­eigenschaften der Abgase

Transport­eigenschaften der gasförmigen Komponenten in der Brennkammer sind wichtig für Wärmeübergang und Strömungsdynamik. Sie hängen stark von Temperatur und Gaskomposition ab. Wichtige Gaseigenschaften für Wärmeübergang in industriellen Ofenkammern variieren als Funktion von Brennstoff- und Oxidatorzusammensetzung, Mischungsverhältnis, Luftvorwärmtemperatur. Der Einfluss der Brennstoffvorwärmtemperatur ist minimal. Gaszusammensetzung und -temperatur sind nötig für nicht-leuchtende Gasstrahlung. Transport­eigenschaften werden für den Konvektionswärmeübergangskoeffizienten (oft als Nusselt-Zahl Nu) benötigt. Nu wird aus Prandtl-Zahl (Pr) und Reynolds-Zahl (Re) berechnet. Der Konvektionskoeffizient h ergibt sich aus Nu = h·d/k (d: charakteristische Dimension, k: thermische Leitfähigkeit des Fluids).

Dichte

Gasdichte dient zur Berechnung der Re-Zahl (für Konvektionskoeffizienten) und der mittleren Gasgeschwindigkeit in der Brennkammer (ebenfalls für Konvektionskoeffizienten). Dichte ist umgekehrt proportional zur Gastemperatur (≈ umgekehrt proportional zur absoluten Temperatur). Dichte sinkt rapide mit steigendem O₂-Gehalt im Oxidator (wegen höherer Flammentemperaturen). Niedrigere Dichte → niedrigere Re-Zahl → geringere Konvektion, wenn alle anderen Variablen konstant. Aber auch der Massenstrom sinkt, sodass die mittlere Gasgeschwindigkeit durch den kombinierten Effekt kaum beeinflusst wird – minimaler Einfluss auf Konvektion durch Gasgeschwindigkeit.

Dichte erreicht Minimum bei intermediären Äquivalenzverhältnissen (adibatische Gleichgewichtsflammentemperatur). Dichte sinkt fast linear mit steigender Luftvorwärmtemperatur (invers korreliert zu Flammentemperaturkurven). Dichte sinkt nicht linear mit Gasgemischzusammensetzung – wieder invers korreliert zu adiabatischen Flammentemperaturen.

Spezifische Wärme

Spezifische Wärme (Wärmekapazität) beeinflusst konvektiven Wärmeübergang. Wird für Pr-Zahl benötigt (für Konvektionskoeffizienten). Nicht-linearer Anstieg mit Abgastemperatur, schneller bei höheren Temperaturen. Fast linearer Anstieg mit O₂-% im Oxidator – bei sonst gleichen Bedingungen verbessert dies konvektiven Wärmeübergang.

Komplizierter Zusammenhang mit Äquivalenzverhältnis, stark brennstoffabhängig. Alle Brennstoffe zeigen initialen Anstieg der spezifischen Wärme mit Äquivalenzverhältnis, lokales Maximum bei stöchiometrischen Bedingungen. Darüber Abfall, Plateau, erneuter Anstieg. Bei CH₄ sehr schneller Anstieg bei hohen Äquivalenzwerten. Die meisten industriellen Prozesse laufen leicht brennstoffarm – dort starker, linearer Zusammenhang. Bei H₂/CH₄-Gemischen schneller Anstieg bei hohem H₂-Anteil. Flammentemperatur zeigt ähnliches Verhalten.

Thermische Leitfähigkeit

Wie spezifische Wärme beeinflusst thermische Leitfähigkeit die Pr-Zahl und damit den Konvektionskoeffizienten. Inverser Zusammenhang: Leitfähigkeit steigt → Pr sinkt → Konvektionskoeffizient sinkt (bei konstanten anderen Variablen). Leitfähigkeit ≈ proportional zu Wurzel der absoluten Temperatur. Ähnlicher nicht-linearer Anstieg mit Gastemperatur wie bei spezifischer Wärme.

Leitfähigkeit steigt rapide mit O₂-Gehalt im Oxidator (fast linear, schnellerer Anstieg bei niedrigeren O₂-Gehalten). Komplizierter Zusammenhang mit Äquivalenzverhältnis: lokales Maximum bei stöchiometrischen Bedingungen. Bei H₂ ist lokales Maximum auch globales Maximum über weiten Äquivalenzbereich. Bei CH₄ schneller Anstieg bei stark brennstoffreichen Bedingungen (hohe Äquivalenzwerte), Leitfähigkeit übersteigt lokales Maximum. Ähnliches Phänomen bei C₃H₈, weniger dramatisch. Die meisten Prozesse laufen leicht brennstoffarm – dort noch rasche Änderung der Leitfähigkeit.

Einfacherer Zusammenhang: Leitfähigkeit steigt etwas schneller als linear mit Luftvorwärmtemperatur. Deutlich schnellerer Anstieg mit H₂-Anteil in H₂/CH₄-Gemischen.

Viskosität

Absolute/dynamische Viskosität = Maß für Impulsdiffusion. Ähnlicher Zusammenhang wie thermische Leitfähigkeit. Wichtig für Pr- und Re-Zahl, aber entgegengesetzt: Viskosität steigt → Pr steigt, Re sinkt (andere Variablen konstant). Kinematische Viskosität korreliert mit dynamischer.

Fast linearer Anstieg mit Abgastemperatur. Viskosität steigt mit O₂-Gehalt im Oxidator (ähnlich adiabatischer Flammentemperatur). Maximum bei Äquivalenzverhältnis 1,0 (stöchiometrisch), Abfall bei brennstoffreicheren oder -ärmeren Gemischen. Viskosität steigt mit Luftvorwärmtemperatur (vergleichbar Flammentemperatur). Steigt mit H₂-Anteil in H₂/CH₄-Gemisch, schneller bei hohen H₂-Gehalten.

Prandtl-Zahl (Pr)

Häufig für Konvektionswärmeübergangskoeffizienten. Komponenten: spezifische Wärme, Viskosität, thermische Leitfähigkeit. Die Kombination ändert sich mit Brennstoff-/Oxidatorzusammensetzung, Mischungsverhältnis, Luftvorwärmtemperatur. Kaum Änderung mit Brennstoffvorwärmtemperatur. Pr sinkt mit Temperatur, nicht einheitlich: initial mäßig schnell, dann langsamer, bei hohen Temperaturen rapide. Hoch nicht-linearer Zusammenhang mit Oxidatorzusammensetzung: Bei CH₄ und C₃H₈ rapide Abnahme, dann Abflachen bei hohen O₂-Gehalten. Bei H₂ Minimum bei ca. 50 % O₂. Hoch nicht-linearer Zusammenhang mit Äquivalenzverhältnis: lokale Maxima und Minima. Pr fällt fast linear mit Luftvorwärmtemperatur. Pr sinkt mit H₂-Anteil in H₂/CH₄-Gemisch, rapide bei hohen H₂-Gehalten.

Lewis-Zahl (Le)

Verhältnis von thermischer Diffusivität zu molekularer (Massen-)Diffusivität. Wichtig für Wärmeübergang in Verbrennungssystemen. Für Le > 1 gibt es Verbesserungen im konvektiven Wärmeübergang durch chemische Rekombinationsreaktionen. Le = 1 für Temperaturen < 1200 °C (brennstoffabhängig), dann rascher Anstieg. Le > 1 für alle Oxidatorzusammensetzungen unter adiabatischen Gleichgewichtsbedingungen (höchstmögliche Flammentemperatur). Le-Werte Maximum bei intermediären Oxidatorzusammensetzungen, Abfall bei höheren O₂-Gehalten. Dramatisches Maximum bei stöchiometrischen Bedingungen, Le < 1,0 bei höheren Äquivalenzverhältnissen. Le steigt fast linear mit Luftvorwärmtemperatur (adiabatisch). Schnellerer Anstieg mit H₂-Anteil in H₂/CH₄-Gemisch.

Wärmeübertragung im Ofen

Faktoren, die die Wärmeübertragung im Ofen auf den Ofeninhalt beeinflussen:

Wärmefluss innerhalb des Ofeninhalts

Bei elektrisch beheiztem Ofeninhalt (Widerstandsheizung, Induktion) konzentrieren sich Flusslinien knapp unter der Oberfläche. Bei befeuerten Prozessen tritt Wärme über die Oberfläche (Strahlung, Konvektion) ein und diffundiert durch Leitung im Inneren. Erfordert Temperaturdifferenz im Inhalt. Stationärer Wärmefluss durch flachen Inhalt. Bei anderen Geometrien sind Flusslinien selten parallel und stationär. Bei instationärem Wärmefluss erfordert Temperaturbestimmung zu gegebener Zeit und Ort die Finite-Elemente-Methode. Erhöhung der Ofentemperatur (hoher „thermischer Kopf“) oder „Schnellaufheizen“ führt oft zu ungleichmäßiger Erwärmung, was längere Ausgleichszeiten erfordert – manchmal zunichte machend den Zweck des Schnellaufheizens.

Thermische Leitfähigkeit und Diffusion

Große Variation der thermischen Leitfähigkeiten verschiedener Metalle – direkter Einfluss auf Wärmefluss/Diffusion und damit Temperaturverteilung/Gleichmäßigkeit in Festkörpern. Entscheidender Faktor: thermische Diffusivität = thermische Leitfähigkeit / (spezifische Wärme × Dichte). Zähler: Rate des Wärmeflusses in Einheitsvolumen; Nenner: von diesem Volumen aufgenommene Wärmemenge. Höheres Verhältnis → Wärme wird schneller geleitet, verteilt, absorbiert.

Thermische Leitfähigkeiten und Diffusivitäten von Festkörpern variieren stark mit Temperatur. Spezifische Wärmen und Dichten variieren wenig (Ausnahme: Stähle bei Phasenübergang). Leitfähigkeiten reiner Metalle sinken mit Temperatur, Legierungen steigen meist.

Verzugszeit (Lag Time)

Einfluss der thermischen Leitfähigkeit auf Wärmefluss und interne Temperaturverteilung (Abb. 1) an drei gleich großen Platten aus Eisenlegierungen, beidseitig beheizt. Oberflächentemperaturen steigen in allen Fällen schnell, Innentemperaturen unterschiedlich wegen schlechterer Diffusivitäten. Platten brauchen unterschiedliche Zeit zum Erreichen des Gleichgewichts mit Ofentemperatur.

Abb. 1: Wirkung der thermischen Leitfähigkeit auf Wärmefluss und interne Temperaturverteilung

In Öfen erhitzte Festmaterialien sind nicht notwendigerweise kontinuierlich. Oft besteht die Charge aus gewickeltem Bandmaterial oder separaten Stücken, gestapelt oder nebeneinander. Wärme fließt dann nur über kleine Kontaktpunkte oder gasgefüllte Räume (sehr geringe thermische Leitfähigkeit). Stapel flacher Platten = sehr geringer Wärmeleitwert. Selbst kleinste Lücken stellen großen thermischen Widerstand dar. Ein Stapel kann nicht als Festkörper behandelt werden – dünne Luftschichten sind Isolatoren. Unterschiedliche Luftspalten führen zu schlechter Temperaturgleichmäßigkeit.

Schneller Wärmefluss in jedem Stück eines gestapelten Guts nur durch Zirkulation heißer Gase durch das Gut (Konvektion, Gasstrahlung). Diese Gasmassen müssen ständig durch neue heiße Gase ersetzt werden (geringe Masse, geringe spezifische Wärme, dünne Gasstrahldicke → schnelles Abkühlen ohne viel Wärmeabgabe). Für gleichmäßige Erwärmung und präzise Reproduzierbarkeit ist Stapeln zu vermeiden.

Wärmeübergang an die Oberfläche des Ofeninhalts

In der Ofenpraxis erfolgt Wärmeübergang über drei Modi: (i) Leitung, (ii) Konvektion, (iii) Strahlung. Wichtige Grundlagen für Konstrukteure und Betreiber. Die meisten industriellen Öfen, Öfen, Brennöfen, Verbrennungsanlagen, Kessel und Heizer nutzen Brennstoffverbrennung als Wärmequelle. Verbrennung in industriellen Öfen resultiert aus schneller, großskaliger chemischer Reaktionskinetik → Umwandlung chemischer Energie in sinnvolle (thermische) Energie. Erhöhung der Mischfläche von Brennstoff und Oxidator (meist Luft) oder Erhöhung der Reaktanten-Temperatur beschleunigt Verbrennungsreaktionen → höhere Wärmequellentemperaturen. Brennstoffoxidationsreaktionen sind exotherm → können in Ausbruchsbedingung übergehen (thermische Energie schneller freigesetzt als durch Wärmeübergang abführbar) → Explosionsgefahr.

Eine Flamme ist ein dünner Bereich schneller exothermer chemischer Reaktion. Beispiel: Bunsenbrennerflamme. Beim Bunsenbrenner wird ein gründlich vorgemischter laminarer Strom aus Brenngas und Luft von extern gezündet → kegelförmige Reaktionszone (Flammenfront). Turbulenz erhöht Dicke und Oberfläche der Reaktionszone → höhere Brenngeschwindigkeit. Laminare Brenngeschwindigkeit für Erdgas ca. 18 m/min; turbulente Brenngeschwindigkeit 2- bis 10-fach höher. In laminarer Flamme kann thermische Ausdehnung durch chemische Wärmefreisetzung mit erhöhter Reaktivität durch höhere Temperaturen kombinieren → Beschleunigung zu turbulenter Flamme. Ausgenommen lange leuchtende Flammen sind die meisten industriellen Flammen turbulent.

Leitungswärmeübergang

Molekül-zu-Molekül-Übertragung von Schwingungsenergie, meist in Festkörpern. Reiner Leitungswärmeübergang auf die Charge ist in industriellen Öfen selten. Tritt auf, wenn kaltes Metall auf heißem Herd aufliegt. Auch kurzzeitig, wenn Metallstück in Salzbad oder Flüssigmetallbad getaucht wird.

Bei gutem Kontakt zweier Festkörper (keine Trennschicht aus Zunder, Luft, Flüssigkeit) nehmen kontaktierende Flächen augenblicklich identische Temperatur an (zwischen den Körpertemperaturen). Temperaturgradienten in den Kontaktkörpern sind umgekehrt proportional zu ihren Leitfähigkeiten (Abb. 2).

Abb. 2: Wirkung von Leitfähigkeit und Zeit auf Temperaturgradienten in zwei Festkörpern unterschiedlicher Temperatur und Leitfähigkeit, in festem Kontakt miteinander

Wärmestromdichte (Wärmefluss pro Flächeneinheit) hängt nicht nur von Temperaturen ab, sondern auch von Diffusivitäten und Geometrien der Kontaktkörper. In der Praxis wird vergleichsweise wenig Wärme durch Leitung auf (oder von) die Charge übertragen – Ausnahme: Wärmefluss von Brammen zu wassergekühlten Auflagen.

Beim plötzlichen Eintauchen kalten Metalls in flüssiges Salz, Blei, Zink oder anderes Flüssigmetall gefriert die Flüssigkeit auf der Metalloberfläche → Wärmeübergang nur durch Leitung. Nach kurzer Zeit schmilzt der feste Mantel wieder. Ab dann erfolgt Wärmeübergang durch Leitung und Konvektion.

Konvektiver Wärmeübergang

Kombination aus Leitung und Fluidbewegung, physikalischer Transport erwärmter (oder abgekühlter) Moleküle zu einer anderen Oberfläche. Strömt ein gasförmiges Fluid parallel zur Festkörperoberfläche, übertragen schwingende Moleküle des Stroms thermische Energie an/von der Oberfläche.

Eine „Grenzschicht“ aus stagnierendem, zähflüssigem, schlecht leitendem Fluid haftet an der Festkörperoberfläche und wirkt als isolierende Decke, die den Wärmefluss reduziert. Wärme wird durch die stagnierende Schicht durch Leitung übertragen. Erhöht sich die Hauptstromgeschwindigkeit, wird die isolierende Grenzschicht dünner „abgeschrubbt“ → höherer konvektiver Wärmeübergang. Der Leitwert der Grenzschicht (Filmkoeffizient) ist Funktion der Massenströmungsgeschwindigkeit (Impuls, Re-Zahl).

In Öfen unter 600 °C ist Konvektion von großer Bedeutung, da Strahlung dort schwach ist. Moderne Hochgeschwindigkeitsbrenner (hoher Impuls) liefern hohe konvektive Wärmeübergangskoeffizienten. Hohe Geschwindigkeiten sorgen oft für gleichmäßigere Temperaturverteilung um ein Einzelstück oder unter mehreren Stücken, da mehr Massenstrom zusätzliche sinnvolle Wärme bei moderateren Temperaturen transportiert. Bei niedrigen Ofentemperaturen lassen sich hohe Gesamtwärmeübergangsraten nur durch hohe Gasgeschwindigkeiten erreichen – Strahlungswärmeübergang bei ca. 550 °C ist < 1/10 von dem bei ca. 1200 °C. Hochgeschwindigkeitsbrenner werden dort eingesetzt, wo Strahlung wegen Schattenproblemen nicht hinkommt.

Strahlungswärmeübergang

Strahlung zwischen Festkörpern

Festkörper strahlen auch bei niedrigen Temperaturen. Der netto auf einen Empfänger übertragene Strahlungswärmestrom ist die Differenz zwischen empfangener Strahlung von der Quelle und re-emittierter Strahlung vom Empfänger zur Quelle. Der netto Strahlungswärmestrom zwischen heißem Körper (Quelle) und kühlerem Körper (Empfänger) lässt sich über Stefan-Boltzmann-Gleichungen berechnen.

Emissionsgrad und Absorptionsgrad sind wichtige Eigenschaften für Strahlung zwischen Festkörpern. Emissionsgrad = abgestrahlte Wärmestrahlung einer Fläche, als Dezimalbruch der maximal möglichen (Schwarzer Strahler) Wärmeemission pro Zeiteinheit und Flächeneinheit. Emissionsvermögen = scheinbarer Emissionsgrad derselben Material für scheinbare Fläche (durch Rauheit, Rillen etc. tatsächlich größer). Absorptionsgrad = von einer Fläche absorbierte Strahlungswärme pro Zeit- und Flächeneinheit, als Dezimalbruch der maximal möglichen (Schwarzer Strahler) Absorption.

Ingenieure nutzen Emissionsgrad 0,85 für konventionelle feuerfest ausgekleidete Öfen. Temperatur, Oberflächenzustand, Legierung können jedoch erheblich abweichen. Beispiel: Wird Edelstahlband in < 3 Min in einem Katenofen erhitzt, ändert sich der Emissionsgrad möglicherweise nicht, obwohl die Temperatur von Umgebung auf 1100 °C steigt. Durch Messung von Bandoberflächen- und Ofentemperatur ließen sich Heizkurvenberechnungen revidieren, unter der Annahme, dass Oxidation Emissionsgrad und Absorptionsgrad während des Heizzyklus nicht verändert.

Strahlung von klaren Flammen und Gasen

Zwei Ursprünge der Strahlung von Verbrennungsprodukten auf Festkörper: (i) klare Flamme und Gase, (ii) mikrongroße Rußpartikel in leuchtender Flamme. Strahlung von klarem Gas folgt nicht dem Stefan-Boltzmann-Viertelpotenzgesetz. Nur klare Gase mit ≥ 3 Atomen pro Molekül (triatomare Gase) wie CO₂, H₂O, SO₂ strahlen/absorbieren nennenswert. Ausnahme: diatomares CO (geringere Strahlung). Andere diatomare Gase (O₂, N₂, Luft, H₂) haben vernachlässigbare Strahlkraft.

Gasstrahlung folgt nicht dem Viertelpotenzgesetz, da Gase nicht in allen Wellenlängen strahlen wie Festkörper (Graukörper). Jedes Gas strahlt nur in wenigen schmalen Bändern. Strahlung von klaren Gasen hängt ab von ihrer Temperatur, Partialdruck/Vol.-% jedes triatomaren Gases, Dicke der Gaschicht.

Temperatur eines strahlenden Gases sinkt in Strömungsrichtung. Für aktive Gasstrahlung muss Gas ständig durch neues heißes Gas ersetzt werden – verbessert auch Konvektion. Höhere Gaszufuhrgeschwindigkeiten reduzieren Temperaturabfall entlang des Gaswegs. Kritisch für gute Temperaturgleichmäßigkeit in Hochtemperaturöfen.

Öfen werden oft auf Basis von Feuerfeststrahlung auf die Charge ausgelegt – meist mit vernünftigen Ergebnissen, aber manche Situationen lassen sich nicht allein durch Feuerfeststrahlung erklären. Direkte Strahlung von Ofengasen liefert typischerweise 62 % (±2 %) der Wärme an die Charge, Feuerfest überträgt die restlichen 38 % (±2 %). Gastemperaturen für Wärmeübergang auf Feuerfest und Charge sind allgemein viel höher als angenommen.

Strahlung von leuchtenden Flammen

Wird ein brennstoffreicher Teil eines Luft/Brennstoff-Gemischs durch Hitze (z. B. heißerer Flammenbereich) belastet, polymerisieren oder thermisch spalten unverbrannte Brennstoffmoleküle → Bildung schwerer, fester Moleküle. Diese Rußpartikel glühen bei Hitze → Leuchtkraft, die die gesamte Strahlfähigkeit der Flamme erhöht.

Wenn Brennstoff und Luft nach dem Brennerdüsenauslass nicht prompt gründlich gemischt werden, können sie auf Temperatur erhitzt werden, bei der Kohlenwasserstoffe knacken (polymerisieren). Weitere Erhitzung bringt Partikel auf Glimmtemperatur. Beim Mischen mit O₂ verbrennen sie. Entlang der Flammenlänge kann Neubildung von Rußpartikeln der Verbrennungsrate zuvor gebildeter Partikel gleichkommen. Weiter hinten nimmt Rußbildung ab, restlicher Ruß wird verbrannt. Diese verzögert-mischenden Verbrennungsprozesse müssen abgeschlossen sein, bevor Verbrennungsgase in den Abzug gelangen. Ist die Flamme am Abzugeintritt noch leuchtend, kann Rauch am Schornsteinaustritt erscheinen. Rauch = abgekühlter Ruß (unter Mindestzündtemperatur) vor Vermischung mit ausreichend Luft.

Die zusätzliche Strahlfähigkeit leuchtender Flammen lässt sie sich natürlich schneller abkühlen als klare Flammen – sie erfüllen ihren Zweck (Wärmeabgabe). Dieser Kühleffekt kann einen Teil des Gewinns durch höhere Leuchtkraft (effektiver Emissionsgrad) aufheben.

Leuchtende Flammen wurden oft gewählt, weil ihre größere Länge durch verzögerte Mischung eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in großen Brennkammern erzeugen kann. Mit sehr hoher Verbrennungsluftvorwärmung oder Oxyfuel-Befeuerung können leuchtende Flammen Erhöhungen der Wärmefreisetzungsraten ermöglichen.

Brennstoffe mit hohem C/H₂-Verhältnis (meiste Öle, feste Brennstoffe) brennen eher leuchtend. Brennstoffe mit niedrigem C/H₂-Verhältnis (meist gasförmig) können leuchtend gemacht werden: (i) verzögerte Mischung, Injektion gleichmäßig niedriggeschwindiger Luft- und Gasströme nebeneinander, (ii) Hochdruck „Schießen“ eines hochgeschwindigen Brennstoffkerns durch langsamer bewegte Luft, sodass der Großteil der Luft den Brennstoff erst „einholt“, nachdem dieser durch den dünnen „Ärmel“ der Flammenringgrenzfläche zwischen den Strömen erhitzt (und polymerisiert) wurde.

Flammen fester Brennstoffe können Aschepartikel enthalten, die glühen und Leuchtkraft erhöhen. Bei flüssigen/gasförmigen Brennstoffen stammt Leuchtkraft meist von glühenden C- und Rußpartikeln. Der effektive Flammenemissionsgrad liegt meist zwischen dem der Verbrennungsproduktgase und einem Maximum von 0,95, abhängig von der Gesamtoberfläche fester Partikel. Normalerweise ist Wärmeübergang von leuchtender Flamme größer als von klarer Flamme gleicher Temperatur. Der Unterschied ist in Öfen zum Aufheizen von Stahl/Metallen deutlich spürbar. Bei hohen Temperaturen wird der Unterschied stärker, da die Strahlkraft jedes triatomaren Gasmoleküls zunimmt, aber der Gewinn teilweise durch abnehmende Dichte strahlender Moleküle pro Volumeneinheit kompensiert wird.

Ein weiteres Phänomen: Gasstrahlungsbänder behalten ihre Wellenlängen unabhängig von der Temperatur. Bei höheren Temperaturen verschiebt sich der Bereich hoher Intensität der Festkörperstrahlung (glühender Ruß/C-Partikel) zu kürzeren Wellenlängen (weg von den Gasbändern). In höheren Temperaturbereichen steigt Gasstrahlung nicht so rapide wie Strahlung leuchtender Flammen.

Flammenstrahlung hängt von vielen Variablen ab: C/H₂-Verhältnis des Brennstoffs, Luft/Brennstoff-Verhältnis, Luft- und Brennstofftemperaturen, Mischung und Zerstäubung, Flammenstärke. Einige ändern sich mit Abstand zum Brenner. Brennstoffe mit höherem C/H₂-Verhältnis (Öle) erzeugen mehr Ruß → meist leuchtende Flammen, blaue Flammen möglich bei leichten Ölen. Viele Gase haben niedriges C/H₂-Verhältnis → klare/blaue Flamme. Teer ohne Leuchtkraft zu verbrennen ist schwer. Ebenfalls schwer: sichtbare Flamme mit Hochofengas oder H₂ zu erzeugen.

Beim Vergleich leuchtender und nicht-leuchtender Flammen ist zu beachten: (i) Rußstrahlung (leuchtend) endet meist dort, wo sichtbare Flamme endet, da Ruß meist an der äußeren Flammenhaut verbrennt, wo er auf Sekundär-/Tertiärluft trifft; (ii) Gasstrahlung (nicht-leuchtend) erfolgt sowohl innerhalb als auch außerhalb der sichtbaren Flammenhülle → stark erhöhte Gleichmäßigkeit und Ausdehnung der Abdeckung, obwohl Gasstrahlung innerhalb der Flamme durch umgebende Rußpartikel/triatomare Gase etwas abgeschattet wird und außerhalb der Flamme von kühleren Gasen stammen kann.

Der Effekt von Brennstoffüberschuss auf Flammenstrahlung ist erheblich größer als der von Luftmangel. Vor- und Nachteile klarer vs. langer leuchtender Flammen werden seit Jahren diskutiert. Modifizierte Brenner und Regelkonzepte helfen, das Beste beider Welten zu nutzen. Ein Problem vieler Brennertypen: Änderung der Flammencharakteristik bei Teillast. Probleme mancher klarer Flammenbrenner: (i) Verschiebung des Temperaturgipfels näher an die Brennerwand bei reduzierter Feuerungsrate, (ii) bei niedrigeren Eingangsraten fällt Temperatur steiler ab mit größerer Entfernung von der Brennerwand (z. B. Temperaturprofil eines Brenners bei 50 % Nennleistung: Spitzentemperatur an/nahe Brennerwand, weiter weg abfallend. Bei niedrigeren Raten verschlechtert sich der Abfall. Bei höheren Raten sinkt Brennerwandtemperatur, da Spitzentemperatur sich davon entfernt. In Stahlaufheizöfen bei Maximalfeuerung kann Differenz Brennerwand zu Spitze 150 °C betragen.)

Das Problem eines Temperaturmaximums an der Fernwand bei Hochfeuer wird durch Ausströmen von Ofengasen in die Flammenbasis verschärft, was Mischung von Brennstoff mit O₂ verzögert. Erhöht sich Brennerfeuerungsrate, steigt Ausströmung der vollständigen Verbrennungsprodukte exponentiell. Viele resultierende Probleme. Bei Seitenfeuerung bei niedriger Rate: Spitzentemperatur an Brennerwand; bei Maximalrate: Spitze in Ofenmitte oder an Gegenwand. Ein einziger Temperatursensor ist nie korrekt platziert. Sensor an Brennerwand: bei Niedrigfeuer Spitzentemperatur an Wand → Brenner auf Niedrigfeuer geregelt → Rest der Ofenbreite erhält unzureichende Eingangsleistung. Bei Hochfeuer: Sensor an Brennerwand kühl, Temperatur fern von Wand sehr hoch → evtl. flüssiger Zunder auf Chargestücken in Mitte/Fernwand. Unerfahrene Betreiber senken Sollwert → reduzieren Ofenkapazität.

Ein weiteres Beispiel: Unterzone eines Stahlaufheizofens bei Längs-Gegenstromfeuerung zur Beschickungsrichtung, Regel-Sensor 3–6 m von (stirnseitig befeuertem) Brenner entfernt. Bei Niedrigfeuer, Zonensollwert 1300 °C: Brennerwand kann > 1370 °C erreichen → Zunder schmilzt, tropft auf Boden der Unterzone → erstarrt später als großes Stück. Bei Hochfeuer: Spitzentemperatur kann über Unterzonen-Sensor hinaus wandern → Zunder schmilzt Richtung Beschickungsende. Wieder senken Betreiber Sollwert → Kapazitätsreduzierung.

Behebung erfordert zusätzlichen Temperatursensor pro Zone und Möglichkeit, Mischcharakteristik des Brenners basierend auf Temperaturmessungen zu ändern. Brenner mit einstellbarem Drall (Swirl) können viele Probleme verhindern, besonders kombiniert mit Niedrigfeuer-Vorwärtsstrahl (Gas oder Luft) durch Brennerzentrum (typisch 5 % Maximal-Gas-/Luftstrom).

Lange leuchtende Flammen (laminar oder turbulent) haben viel weniger Temperaturgipfel und ändern Länge nicht so rapide bei Lastreduzierung. Sie sind gute „Egalisierer“ für bessere Temperaturgleichmäßigkeit.

Diese Informationen zu Rußstrahlung in der Flamme und triatomarer Gasstrahlung sind seit längerem bekannt, aber neuere Entwicklungen ändern das Bild. Einsatz von Oxyfuel (100 % O₂), beides erhöht Flammenturndown. Hauptgewinn von Oxyfuel: intensivere Strahlungswärmeübertragung durch höhere Konzentration triatomarer Gase (Wegfall von N₂ aus Verbrennungsprodukten). Dies verringert auch die Gasmasse, die Wärme den Schornstein hinauf trägt (Reduktion Schornsteinverlust). Andere Entwicklung: manche mager vorgemischte Gasflammen (für niedrige NOx-Emissionen) erzeugen ein allgegenwärtiges Flammenfeld (scheinbar transparent) durch große Teile der Kammer.