Op naar de volledige verbranding

Al miljoenen jaren probeert de mens een zo volledig mogelijke verbranding te bekomen. Dit puur uit economisch oogpunt, want brandstof heeft steeds veel moeite en/of geld gekost. De laatste decennia is het economische wel wat minder belangrijk geworden. Zolang grote hoeveelheden brandstof konden worden uitgespaard, was elke technologische ontwikkeling een markt waard. Maar naarmate er steeds minder calorien te "vangen" vielen, nam de aandacht daarvoor af. In die mate zelfs dat heel wat pure sfeerverwarmingstoestellen niet eens veel moeite doen om een volledige verbranding te bekomen. Verwarmen is toch niet de eerste bekommernis…alleen een mooi vlammenspel.

Vanuit milieuoogpunt blijft evenwel een enorm verschil bestaan tussen toestellen die 90 %, 99 % of 99,9 % van een brandstof echt opbranden. De 10 %, 1 % en zelfs de 0,1 % overeenkomstige luchtvervuiling zijn allen relevant wanneer het erom gaat de totale luchtvervuiling door verwarming in te perken. Stel dat in een land een miljoen verwarmingstoestellen aanwezig zijn, die elk 20 Kg brandstof verstoken per dag. Wanneer de volledigheid van verbranding gemiddeld 99 % bedraagt, dan gaat dagelijks 200 Ton onverbrande brandstof de lucht in. Bij 99,9 % is dit slechts 20 T.

Rookgassen van brandstoffen vormen een belangrijke milieuhinder. Duizeligheid, irritatie van de luchtwegen, asthma-aanvallen en zelfs kanker kunnen daarbij horen. Koolmonoxide en onverbrande koolwaterstoffen zijn de belangrijkste boosdoeners.

Koolmonoxide

Koolmonoxide (CO) is een kleurloos en reukloos gas. Het gevaarlijke ervan is dat het menselijk bloed circa 300 x liever CO opneemt dan zuurstof. In de praktijk komt dit erop neer dat alle CO-deeltjes die worden ingeademd in ons bloed terechtkomen. Deze verbinden zich met de rode bloedlichaampjes, waardoor die geen zuurstof meer kunnen opnemen.

Zodra 40 % van de rode bloedlichaampjes door CO zijn besmet treedt bewusteloosheid op. Bij een besmetting van 65 % is reeds sprake van hartstilstand.

Klachten bij een beperktere CO-vergiftiging zijn hoofdpijn, duizeligheid, lichte kortademigheid en een rode gelaatskleur. Het zijn dan ook vooral deze effekten die optreden bij de vervuiling van de buitenlucht door rookgassen. Dit algemeen in combinatie met andere vervuilende stoffen, die als smog vooral de leefbaarheid van de steden aantasten. Astma-patiënten zijn hiervan de eerste slachtoffers.

Koolmonoxide (CO) ontstaat door de onvolledige verbranding van een brandstof, in tegenstelling dus tot kooldioxide (CO₂ met twee in plaats van één zuurstofatoom per atoom koolstof) als produkt van een volledige verbranding. Het gehalte aan koolmonoxide in rookgassen geldt dan ook als maatstaf voor de volledigheid van een verbrandingsproces.

De huishoudelijke en industriele verwarming vormt slechts een zeer geringe bijdrage tot de globale CO-vervuiling in Europa. Dé hoofdschuldige is hier het verkeer.

Teer en koolwaterstoffen

Net als CO zijn Polyaromatische Koolwaterstoffen (PAKS) en andere eenvoudiger koolwaterstoffen het resultaat van een onvolledige verbranding, voorgangers eigenlijk van CO. Bij onvolledige verbranding kunnen uiterst schadelijke stoffen in de lucht vrijkomen zoals benzeen, tolueen, xyleen, benzo(a)pyreen, dibenzothiofeen, anthraceen,...

Het aandeel van de direkte vervuiling met PAK’s door de consument bedraagt slechts een fraktie van het totaal. Verwarming vormt daar evenwel de hoofdbrok van. Houtkachels en open haarden met een erg onvolledige verbranding vormen, naast de emissies binnen de cokes- en staalindustrie, een rem op de door de overheid vooropgestelde reductiedoelstellingen. Het verkeer blijft anderzijds wel de voornaamste schuldige en ook de bouwnijverheid levert een bijdrage door gebruik van PAK-houdende grondstoffen en produkten.

Brandstof en rookgaskwaliteit

Gasvormige brandstoffen, in casu aardgas, vertonen het enorme voordeel dat verzadiging met zuurstof uit de omgevingslucht uiterst eenvoudig is. Aldus is de verbranding van aardgas bij voldoende luchttoevoer uiterst volledig en de CO-emissie erg laag. In aardgaskachels bedraagt de CO-emissie 0,001 tot 0,2 % en de laagste waarden bij een Hoog-Rendements-CV op aardgas bedragen 0,0005 %. Bij vloeibare en vaste fossiele brandstoffen, respectievelijk stookolie en steenkool, liggen de CO-waarden beduidend hoger.

Bij de verbranding van aardgas worden geen PAKS gevormd, omdat de moleculaire struktuur van aardgas (CH₄) dit niet toelaat. De verbranding van stookolie en steenkool kan wel aanleiding geven tot de emissie van PAKS.

De verbranding van biogas is net zo volledig als deze van aardgas. Moleculair zijn beide immers gelijk. Inzake de verbranding van vloeibare biobrandstoffen zoals koolzaadolie zijn ons geen CO-waarden bekend. Voor zover we weten wordt koolzaadolie ook nog nergens als brandstof voor de verwarming ingezet. De huidig lopende experimenten betreffen alleen het gebruik van koolzaadolie als vervangmiddel voor diesel in auto’s en vrachtwagens.

Hout is een komplexe vaste brandstof. Ze bestaat uit niet-brandbare komponenten (water en mineralen), vluchtige brandbare komponenten (‘kleine’ koolstofverbindingen met een laagmoleculair gewicht) en niet-vluchtige brandbare komponenten (‘grote’ koolstofverbindingen met hoog moleculair gewicht). Door de hitte ontwijken de vluchtige komponenten de brandstof, waardoor een ontvlambaar mengsel ontstaat in de zogenaamde primaire verbrandingszone. Dat zijn de zichtbare vlammen. Onvolledige verbranding ontstaat voornamelijk als gevolg van een te snelle migratie van vaste of gasvormige brandbare komponenten doorheen de primaire verbrandingszone, met onvolledige oxidatie tot gevolg. In een latere fase van de verbranding, wanneer de meeste vluchtige bestanddelen verbrand zijn, zal via zuurstofdiffusie in de overblijvende houtskool oxydatie van de niet-vluchtige bestanddelen optreden.

Rookgaskwaliteit bij de houtverbranding

In ouderwetse houtkachels werden CO-emissiewaarden genoteerd van 4 tot 17,6 %. Vandaag bepalen de meeste wettelijke normen in Europese landen een maximum van 0,4-0,5 % CO. De beste houtkachels, met name de accumulerende houtkachels of degenen die katalysatoren of bimetaalveren inzetten (zie verder), halen minder dan 0,1 % CO.

Bij de onvolledige verbranding van hout komen heel wat onverbrande koolwaterstoffen zoals benzeen, tolueen en xyleen vrij, vooral in de beginfase van de verbranding. Maar ook poly-aromatische koolwaterstoffen (PAK’s), treden op in de eindfase van de verbranding. Voorbeelden zijn benzo(a)pyreen, dibenzothiofeen, anthraceen,... In een klassieke houtkachel werden emissiewaarden voor koolwaterstoffen met korte ketens opgetekend van 48 tot 816 mg/Kg brandhout. De PAK-waarden kunnen in het slechtste geval oplopen tot zo’n 200 mg/Kg. Vandaag stellen de wettelijke normen in Europa een maximum van 40 tot 80 mg/MJ voorop. Hoewel de normen nogal uiteenlopende interpretaties en testmethoden hanteren komt dit neer op een zeer sterke daling van de uitstoot aan teer en koolwaterstoffen. Bij de beste houtkachels, met name de accumulerende houtkachels of degenen die katalysatoren inzetten, zijn PAKS niet meer detecteerbaar. De waarden voor koolwaterstoffen algemeen dalen er tot ongeveer 10 mg/Kg.

Tegenover pakweg 10 jaar geleden voltrok zich in de houtkachelbranche dus een ware revolutie. En deze gaat dikwijls veel verder dan voorgenoemde nieuwe wettelijke normen, ondermeer door de evolutie van de wetgevingen in andere landen, de anticipatie van de producenten op toekomstige marktevoluties en de commerciële waarde van het milieu als verkoopargument.

Luchtregeling met bimetaalveren

Een belangrijke techniek is de toevoer van lucht op diverse niveaus in het verbrandingsproces, de zogenaamde primaire, secundaire en tertiaire luchtstromen. In vele kachels moet dit manueel worden aangepast, als het al mogelijk is. Top-merken in niet-accumulerende houtkachels regelen dit evenwel volautomatisch met speciaal daartoe ontwikkelde bimetaal-veren. Dat zijn warmte-gevoelige veren die de luchttoevoer regelen naargelang het verloop van het verbrandingsproces. Te veel lucht koelt het vuur af, terwijl zonder voldoende lucht de verbranding niet kan plaatsvinden. Zogenaamde smoorkachels, die de luchttoevoer tot een minimum verlagen om het hout zo traag mogelijk op te branden en warmte-verlies via de schoorsteen te minimaliseren, veroorzaken een enorme luchtvervuiling door onvolledige verbranding. Luchtstromen in de kachel kunnen ook elektronisch gestuurd worden, maar bimetaalveren zijn vandaag goedkoper en beter betrouwbaar.

Katalysatoren

De naverbranding van de rookgassen door gebruik van katalysatoren kent ook steeds meer succes. Dat zijn ongeveer dezelfde katalysatoren die oorspronkelijk voor het wagenpark werden ontwikkeld. Meestal vertonen ze een honingraat-struktuur uit ceramiek die met een dun laagje katalysatoren is belegd, die de verbranding stimuleren. In niet accumulerende houtkachels is het de beste manier om een optimale rookgaskwaliteit te bekomen. Voor gebruik in accumulerende houtkachels zijn katalysatoren algemeen onvoldoende hitte-bestendig.

MILIEU

samenvatting - broeikaseffect - energiebronnen - toekomst van biomassa - toekomst van het bos - brandhout kwaliteit - rookgas kwaliteit - zure regen - levenscyclus - milieubewuste stooktips - normen en wetten