Flamme und Verbrennung – Die Phasen im Detail

Wer seinen Kaminofen in Betrieb setzt, leitet damit eine Verbrennung ein. Bei klassischen Kaminöfen und Schwedenöfen kommt als Brennstoff Holz zum Einsatz. Daher beschäftigen wir uns in diesem Artikel nicht nur mit den allgemeinen Vorgängen, die bei einer Verbrennung vor sich gehen, sondern auch mit holzspezifischen Verbrennungsprozessen. Auch wenn es ein chemisch komplexer Vorgang ist, haben wir versucht diesen in eine leicht verständliche Form mit der notwendigen Genauigkeit zu beschreiben.

Was ist Verbrennung?

Verbrennung ist ein chemischer Prozess, bei dem Energie in Form von Licht und Wärme abgegeben wird – aufgrund des Energieflusses „nach außen“ werden Verbrennungsprozesse auch als exotherme Reaktion bezeichnet. Aus der Perspektive eines Chemikers ist die Verbrennung eine sogenannte Redoxreaktion – bzw. fachlich korrekt beschrieben – eine Reduktions-Oxidations-Reaktion.

Dabei werden Elektronen des Brennstoffes auf den Reaktionspartner Sauerstoff übertragen.

Redoxreaktionen finden in vielen Bereichen statt, hierzu zählen beispielsweise Stoffwechselvorgänge, Nachweisreaktionen im Labor oder technische Produktionsprozesse.

Wenn eine Verbrennungsreaktion mit der Bildung einer Flamme verbunden ist, handelt es sich dabei um ein Feuer oder eine „klassische“ Verbrennung.

Chemiker bezeichnen jedoch auch einige andere Reaktionen, an denen kein Sauerstoff beteiligt ist, als Verbrennung. Beispielsweise wird die Rolle des Oxidationsmittels bei der Reaktion von Wasserstoff und Fluor zu Fluorwasserstoff durch das Fluor übernommen – diese Art der Verbrennung spielt in vielen industriellen Prozessen, etwa bei der Herstellung von Tensiden für die Waschmittelerzeugung, bei der Benzinherstellung oder in der Farbstoffchemie, eine Rolle.

Was ist eine Flamme?

Bei der Bildung einer Flamme geht es um die Lichtemissionen während eines Verbrennungsprozesses. Licht ist der für das menschliche Auge sichtbare Teil der elektromagnetischen Strahlung. Es weist Wellenlängen im Bereich von 380 bis 780 Nanometern auf. Eine exakte Grenze für die Lichtwahrnehmung gibt es nicht, da die Lichtempfindlichkeit des Auges in den Grenzbereichen des sichtbaren Lichts nicht abrupt, sondern allmählich endet.

Unterhalb der Wahrnehmungsgrenzen des sichtbaren Lichtes befinden sich die Bereiche der UV-Strahlung mit Wellenlängen von 10 bis 380 Nanometern, nach oben schließt sich die infrarote Strahlung mit Wellenlängen zwischen 780 Nanometern und einem Millimeter an.

Die Licht- und Wärmestrahlung bei einer Verbrennung wird durch die an der chemischen Reaktion beteiligten Atome und Moleküle sowie durch Aerosole oder Feststoffpartikel wie Ruß und Asche hervorgerufen und beeinflusst. Beispielsweise emittieren Ruß und Asche ein Strahlungsspektrum, das einem sogenannten Schwarzen Körper nahekommt.

Dieser Begriff aus der Physik beschreibt eine idealisierte thermische Strahlungsquelle, die nicht nur das sichtbare Licht, sondern auch die elektromagnetische Strahlung anderer Frequenzbereiche vollständig absorbiert und außerdem selbst elektromagnetische Strahlen in Form von Wärme abgibt. Die vollständige Absorption von Licht und anderer Strahlung ist ein reines Theorem – in der Praxis reflektieren Körper immer einen Teil der auf sie treffenden Strahlung.

Ein hoher Anteil von Ruß- und Aschepartikeln in einer Flamme führt jedoch dazu, dass die Verbrennung vor allem thermische Energie, jedoch nur Lichtanteile bestimmter elektromagnetischer Wellenlängen freisetzt.

Die Flammenfärbung – Hinweis auf die Präsenz bestimmter Stoffe

Im alltäglichen Sprachgebrauch ist von einer Flamme dann die Rede, wenn während der Verbrennung eine sichtbare Reaktion des Brennstoffs mit oxidierendem Sauerstoff erfolgt.

Der Reaktionsbereich einer Verbrennung umfasst eine Vorwärmzone, die eigentliche Reaktionszone sowie eine nicht reaktive Gleichgewichtszone. Die Flammenbildung erfolgt in der Reaktionszone und ist somit das Resultat der aktiven Verbrennungsreaktion. Durch die sichtbare Flamme wird der Reaktionsbereich gegenüber den anderen beiden Zonen abgegrenzt.

Die Flammenfärbung weist auf die Präsenz bestimmter Stoffe in der Reaktionszone hin:

• Eine gelbe bis orangefarbige Flamme zeigt an, dass sich darin zahlreiche glühende Rußteilchen befinden
• Eine blaue Färbung verweist auf die Anwesenheit von aktiven CO2- oder CH (Kohlenstoff-Wasserstoff)-Radikalen
• In einer türkisfarbenen Flamme befinden sich C2-Moleküle, also miteinander verbundene Kohlenstoffmoleküle

Weitere Charakteristika von Flammen

Flammen lassen sich darüber hinaus durch einige weitere Eigenschaften beschreiben. So entsteht bei der Verbrennung von Holz in einem Kaminofen oder Schwedenofen eine sogenannte „nicht vorgemischte“ Flamme, bei der der Brennstoff und der Oxidator – also Sauerstoff – erst während der Verbrennung in einem nicht exakt definierten Verhältnis aufeinandertreffen. Flammen können sich laminar (in einer bestimmten Strömungsrichtung der jeweils reagierenden Gase) oder turbulent entfalten.

Auch das Verhältnis von Brennstoff und Oxidationsmittel spielt für die Charakteristik von Flammen eine Rolle:

• Bei einer sogenannten „fetten“ Flamme besteht ein Brennstoffüberschuss, bei einer „mageren“ Flamme ist der Oxidator-Anteil höher
• In Reduktionsflammen ist nur ein geringer Sauerstoffanteil enthalten, stattdessen bilden sich in ihnen größere Mengen Ruß, die für das intensive Leuchten einer solchen Flamme sorgen
• Oxidationsflammen leuchten dagegen aufgrund des hohen Sauerstoffanteils nur schwach

Gibt es eine Verbrennung ohne Flamme?

Bei der Wahrnehmung einer Flamme geht es immer um den sichtbaren Anteil der elektromagnetischen Strahlungsemissionen bei einer Verbrennung. Bei einem Feuer sind Flammen verschiedener Ausprägung, Färbung und Größe ein integraler Bestandteil der Verbrennung. Bei anderen Verbrennungsreaktionen – beispielsweise bei oxidativen Stoffwechselprozessen innerhalb des Körpers, aber auch bei der Verbrennung von Holzkohle, Koks oder Anthrazit – kommt es dagegen nicht zur Flammenbildung.

Energie wird auch bei flammenlosen Verbrennungsprozessen freigesetzt. Jedoch strahlen die Reaktionsprodukte der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in diesem Fall im für das menschliche Auge nicht sichtbaren Infrarot-Spektralbereich.

Versuche haben gezeigt, dass sich in einem industriellen Umfeld unter anderem durch Ofentemperaturen über 1.000 Grad Celsius und eine Vorerwärmung der Oxidationsluft auf 650 Grad Celsius mit unterschiedlichen Brennstoffen Verbrennungsprozesse ohne Flammenbildung erzeugen lassen. Auf umweltfreundliche Art und Weise kann die Luftvorerwärmung beispielsweise durch die Abwärme von Abgasen vorgenommen werden.

Das Resultat einer solchen flammenlosen Verbrennung besteht in einer wirkungsvollen Reduktion von Energieverlusten und Schadstoffemissionen. Entsprechende Technologien könnten künftig in größerem Maßstab zur Grundlage einer besonders effizienten Energiegewinnung werden.

Verbrennung und Abgase

Der Verbrennungsvorgang wird durch das Zünden – also die Zufuhr der Aktivierungsenergie für die Verbrennung – eingeleitet. Sobald geringe Mengen des Brennstoffs mit dem vorhandenen Sauerstoff reagieren, vergrößert sich die Menge der Aktivierungsenergie. Die Energie für das Aufrechterhalten eines Feuers und seinen Abbrand wird größtenteils während der Verbrennungsprozesses selbst erzeugt. Eine Verbrennung kann daher auch als chemische Kettenreaktion bezeichnet werden.

Zur Wärmeerzeugung durch Verbrennung werden in der Regel Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff zur Reaktion gebracht. Dabei entstehen Abgase, die vor allem Luftstickstoff, Wasser sowie CO2 enthalten. Abhängig von der Art der Verbrennung können in den Abgasen weitere Stoffe enthalten sein. Hierzu zählen Stickoxide, Kohlenmonoxid sowie unverbrannte Kohlenwasserstoffe.

Ruß entsteht bei sogenannten „fetten“ Flammen durch einen relativen Überschuss des Brennstoffs/von Kohlenwasserstoffen gegenüber dem oxidierenden Sauerstoff. Er besteht zu 80 bis knapp 100 Prozent aus Kohlenstoff, daneben enthält er ölige Partikel aus einer unvollständigen Verbrennung.

Die Verbrennung von Holz

Holz ist ein organischer Brennstoff. Es entzündet sich auch bei höheren Temperaturen nicht von selbst, sein Brennpunkt liegt bei 130 bis 150 Grad Celsius. Wenn Holz im Temperaturbereich zwischen 100 und 110 Grad Celsius getrocknet wird, werden zunächst nur das darin enthaltene Wasser sowie ein Teil der leicht siedenden Holzharze abgegeben.

Nach dem Erreichen des Brennpunktbereiches ändert sich dagegen auch die chemische Zusammensetzung des Holzes: Der Gehalt an Wasserstoff und Kohlenstoff sowie sein Raumgewicht nehmen ab, dagegen steigt der Kohlenstoffanteil im Holz.

Die Porosität sowie die von der Oxidationsluft erreichbare Fläche vergrößern sich während der Verbrennung. Bei Temperaturen zwischen 230 und 270 Grad Celsius beginnt die Bildung von Holzkohle, die besonders absorptionsfähig für Gase und daher leicht oxidierbar ist.

Im Gegensatz zur Verbrennung von Flüssigkeiten oder Gasen, bei denen eine Redoxreaktion nur in der Gasphase vor sich geht, läuft die Holzverbrennung sowohl in der Gasphase als auch als Verbrennungsvorgang auf der Oberfläche eines feste Körpers ab. In der Gasphase verbrennen die im Holz enthaltenen Gase, außerdem wird die während der Verbrennung selbst auf der Oberfläche des Holzes entstehende Kohleschicht verbrannt.

Phasen der Holzverbrennung

Nach dem Anzünden des Feuers geht die Holzverbrennung in mehreren Phasen vor sich, die zum Teil parallel verlaufen:

• In der Erwärmungs- und Trocknungsphase verdampft das im Holz enthaltene Wasser. Die Holzoberfläche wird poröser
• Im Temperaturbereich zwischen 130/150 und 300 Grad Celsius setzt zunächst die Gasverbrennung (Pyrolyse) ein. Dabei werden aus der Holzsubstanz energiereiche gasförmige Kohlewasserstoffe freigesetzt und oxidiert (verbrannt).
• Die Ausbrandphase beginnt nach der Verbrennung der Holzgase, wenn sich auf der Oberfläche der Scheite bereits Holzkohle gebildet hat. Diese wird bei Temperaturen zwischen 500 und 800 Grad Celsius vergast und ohne Rußbildung verbrannt.

Kleine Flammenkunde

Für die Beurteilung, unter welchen Bedingungen die Verbrennung vor sich geht, ist unter anderem das Verbrennungsluftverhältnis – die sogenannte Luftzahl – relevant. Sie beschreibt das Massenverhältnis von Luft und Brennstoff. In der Regel ist die Luftzahl umgekehrt proportional zur Feuerungsleistung. Bei niedriger Luftzahl ist also die Feuerungsleistung höher.

Das Verbrennungsluftverhältnis erlaubt Rückschlüsse auf den Verlauf einer Verbrennung, insbesondere die erreichten Temperaturen, Schadstoffemissionen und den Wirkungsgrad. Beim Anzünden eines Holzfeuers ist die Luftzahl zunächst groß, die Flammenfläche dagegen klein.

Optimal ist in der Regel eine große Flammenfläche, da dabei die Bildung von Emissionen am geringsten und der Wirkungsgrad des Feuers am höchsten sind. Einen Einfluss auf die Flammenfläche hat natürlich auch der Ablauf der verschiedenen Verbrennungsphasen.

Bei einem Kaminfeuer lassen sich anhand der Flamme einige Aussagen über den Zustand des Feuers treffen:

• Eine rötliche Flamme mit vielen dunklen Flächen ist ein Hinweis darauf, dass während des Abbrands größere Mengen Ruß und CO2 entstehen. Die Luftzahl ist zu niedrig, der Wirkungsgrad des Feuers jedoch moderat bis hoch.
• Bei einer Luftzahl im unteren Grenzbereich brennt Holz mit großen, leuchtenden und turbulenten Flammen ab. Die CO2-Emissionen sind niedrig bis mittelmäßig, das Aufkommen an Ruß mittel bis hoch. Ein solches Feuer besitzt einen hohen Wirkungsgrad.
• Bei einer optimalen Luftzahl brennt das Holzfeuer mit goldgelber, halbtransparenter und ebenfalls turbulenter Flamme. Ein solches Feuer erzeugt niedrige Ruß-Abscheidungen und niedrige bis mittlere CO2-Emissionen. Es besitzt einen hohen Wirkungsgrad.

Holz-Heiztipps für den Kamin

Die erste Voraussetzung für den energieeffizienten Betrieb eines Kamin- oder Schwedenofens ist die Verfeuerung von trockenem Holz. Optimal ist Holz, dessen Restfeuchte maximal 20 Prozent beträgt. Zum Vergleich: Holz mit einer Restfeuchte von 50 Prozent besitzt nur noch einen halb so großen Heizwert. Optimal für einen hohen Wirkungsgrad und damit energieeffizientes Heizen mit Holz ist eine möglichst kurze Anheizphase.

Wichtig ist, dass ein Kaminfeuer während der Anheizphase sowie während der Gasverbrennung genügend Luft bekommt, damit die ausgetriebenen Holzgase verbrennen können und im Holz enthaltenes Wasser verdampfen kann. Hierfür ist eine ausreichende Luftzufuhr unerlässlich.

Eine Drosselung der Luftzufuhr während der Entgasungsphase kann dazu führen, dass sich zumindest der Tendenz nach ein Schwelbrand bildet: Die Flammenbildung vermindert sich oder wird komplett gestoppt. Zwar geht die Gasverbrennung auch bei einem solchen nahezu flammenlosen Feuer weiter – jedoch wird dann nur wenig bis keine Wärmeenergie erzeugt, dafür entstehen in besonders großem Umfang Ruß und Teer sowie Schadstoffemissionen.

Auch in der Ausbrandphase benötigt ein Kaminfeuer genügend Luft, da sonst die Gefahr besteht, dass sich Kohlenmonoxid bildet.

Wenn die Flamme des Holzfeuers eine optimale Luftzahl und damit einen hohen Wirkungsgrad sowie geringe Emissionen anzeigt, lässt sich die Energieeffizienz des Feuers durch Stochern/Schüren weiter steigern. Hierdurch reduziert sich die Luftzahl – bei ausreichender Luftzufuhr wird der Verbrennungsprozess weiter intensiviert. Gedrosselt werden darf die Luftzufuhr auch in der Ausbrandphase nur soweit, dass noch immer eine hellgelbe Flamme oder lodernde Glut vorhanden ist.

Die Holzmenge für einen Kaminofen oder Schwedenofen sollte grundsätzlich nach dem Wärmebedarf bemessen werden. Häufigeres Nachlegen kleinerer Mengen Holz ermöglicht am besten, die Energieeffizienz sowie die Ruß- und Schadstoffemissionen eines Kaminfeuers umweltfreundlich zu tarieren.

Unser Fazit

Insgesamt ist das Heizen mit Holz eine sehr umweltfreundliche Heizmethode. Schadstoffe – einmal abgesehen von den normalen Abbrand-Emissionen Wasser und CO2 entstehen vor allem dann, wenn die Luftzufuhr für einen optimalen Brennprozess nicht ausreicht und das Holz nicht komplett verbrennt.

Ursachen dafür können ein fehlerhafter Heizprozess oder Mängel der Feuerstätte sein.
Bei einer optimalen Holzverbrennung halten sich die Rückstände von Ruß und Teer in engen Grenzen. Als fester Verbrennungsrückstand entsteht fast ausschließlich graue Asche.

Der häufigste Fehler beim Heizen mit Holz in einem Kaminofen oder Schwedenofen besteht darin, dass der Ofen mit größeren Holzmengen gefüllt und die Luftzufuhr kurz nach dem Anheizen gedrosselt wird. Hierdurch entsteht nicht etwa der bezweckte stundenlange Dauerbrand, sondern ein Schwelbrand mit geringer Wärmeleistung, jedoch starker Ruß- und Teerentwicklung.

Das Heizen mit Holz in einem Kaminofen oder Schwedenofen erfordert etwas Aufmerksamkeit und eine aktive Betreuung des Feuers. Die Beobachtung der Flamme gibt Aufschluss darüber, ob ein Nachlegen von Holz sowie eine Veränderung der Luftzufuhr nötig sind. Ein solches überwachtes Heizen ermöglicht nicht nur Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit, sondern auch eine optimale Klimatisierung von mit Holz beheizten Räumen.