Rookgaskwaliteit

Op naar de volledige verbranding

Al miljoenen jaren probeert de mens een zo volledig mogelijke verbranding te verkrijgen. 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 calorieën 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 vrekrijgen. 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 alle 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. Duidelijkheid, irritatie van de luchtwegen, astma-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 effecten 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. Astmapatiënten 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 product van een volledige verbranding. Het gehalte aan koolmonoxide in rookgassen geldt dan ook als maatstaf voor de volledigheid van een verbrandingsproces.

De huishoudelijke en industriële 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 directe vervuiling met PAK's door de consument bedraagt slechts een fractie 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 producten.

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 hoogrendements-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 structuur 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 die 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 complexe vaste brandstof. Ze bestaat uit niet-brandbare componenten (water en mineralen), vluchtige brandbare componenten ('kleine' koolstofverbindingen met een laagmoleculair gewicht) en niet-vluchtige brandbare componenten ('grote' koolstofverbindingen met hoog moleculair gewicht). Door de hitte ontwijken de vluchtige componenten 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 componenten doorheen de primaire verbrandingszone, met onvolledige oxidatie tot gevolg. In een latere fase van de verbranding, wanneer de meest vluchtige bestanddelen verbrand zijn, zal via zuurstofdiffusie in de overblijvende houtskool oxidatie 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 die welke 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 polyaromatische koolwaterstoffen (PAK's), treden op in de eindfase van de verbranding. Voorbeelden zijn benzo(a)pyreen, dibenzothiofeen, antraceen, ... 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 die welke 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 die dikwijls veel verder gaat dan voorgenoemde nieuwe wettelijke normen. Dit komt onder meer 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. Topmerken in niet-accumulerende houtkachels regelen dit evenwel volautomatisch met speciaal daartoe ontwikkelde bimetaalveren. Dat zijn warmtegevoelige 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 warmteverlies 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. Voorbeelden van kachels met bimetaalveren zijn de Dan Skan houtkachels en de Altech kachels in speksteen.

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 honingraatstructuur 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 verkrijgen. Voor gebruik in accumulerende houtkachels zijn katalysatoren algemeen onvoldoende hittebestendig. Voorbeelden van kachels met katalysatoren zijn de Altech kachels in speksteen.

Accumulerende houtkachels

Een andere techniek is het gebruik van refractaire materialen rond de vuurhaard, zoals speksteen, chamottesteen en vermiculiet. Zo wordt een verhoging van de verbrandingstemperatuur van gemiddeld 600 °C naar gemiddeld 900 °C verkregen. En hoe hoger de temperatuur, hoe vollediger de verbranding. Dit geldt in extreme mate voor de accumulerende houtkachels, waarin de temperatuur zelfs kan oplopen tot boven de 1000 °C. Aan de verbrandingtemperatuur zijn evenwel niet alleen praktische grenzen. Een te hoge temperatuur bevordert de productie van stikstofoxiden, wat dan weer aanleiding geeft tot zure regen.

Accumulerende houtkachels lossen het probleem van te veel of te weinig lucht vrij automatisch op doordat warmteverlies naar de schoorsteen grotendeels wordt voorkomen door de accumulerende massa rondom de lange rookkanalen in deze kachels. Daardoor moet de luchttoevoer veel minder worden afgeremd. Samen met de bovengenoemde hoge verbrandingstemperaturen vormt dit de reden waarom accumulerende houtkachels geen technische snufjes zoals katalysatoren of bimetaalveren nodig hebben om een evenwaardige rookgaskwaliteit te verkrijgen als niet-accumulerende houtkachels die er wel gebruik van maken. Meer over het werkingsprincipe in het onderdeel accumulerende houtkachels van het hoofdstuk energiebesparing.

Voorbeelden van accumulerende houtkachels zijn de Tulikivi speksteenkachels.

De juiste capaciteit

Zeer belangrijk in het reduceren van de luchtvervuiling is ook de nauwkeurige berekening van de verwarmingsbehoefte. Zowel in gevallen van te weinig als bij te veel warmtecapaciteit wordt de consument tot milieuonvriendelijke stookgewoonten gedwongen. Accumulerende houtkachels bieden hierbij het voordeel dat de afstelling vooral door de brandduur wordt geregeld. Bij deze kachels kan de consument de brandduur dan ook eenvoudiger aanpassen aan wisselende warmtebehoeften naargelang het seizoen. Wat langer stoker dus in de winter en wat minder in de tussenseizoenen. Forceren hoeft niet. Temporiseren ook niet.

Besluit houtkachels

Moderne houtkachels produceren tot 100 maal minder CO en tot 20 maal minder koolwaterstoffen dan hun klassieke voorgangers. En PAKS zijn niet meer detecteerbaar. Inzake onverbrande rookgassen komen de beste houtkachels bijna op hetzelfde niveau als bij de gaskachels. Gezien de bijdrage tot het broeikaseffect bij aardgas, vormen deze houtkachels de meest ecologische keuze. Het gaat daarbij dus enerzijds om accumulerende houtkachels, zoals speksteen- of tegelkachels, en anderzijds om niet-accumulerende houtkachels die een automatische luchtsturing en/of katalysatoren gebruiken.

Verbrandingstechnieken aardgas

De goede verbranding van aardgas of biogas is dus eenvoudiger dan bij de vaste brandstoffen. Toch bestaan er belangrijke verschillen tussen types gastoestellen.

Een blauwe gasvlam betekent een betere verbranding dan een gele gasvlam. De kleur van de vlam is vooral afhankelijk van de luchttoevoer. Gastoestellen die alleen voor verwarming gebruikt worden zijn meestal zo afgesteld dat ze vooral blauwe vlammen produceren. Blokkenvuren en andere gasbranders voor sfeerverwarming vertonen meestal gele vlammen, wat op een minder goede verbranding duidt. CO-waarden bij gele vlammen kunnen oplopen tot 0,4 %. Bij blauwe vlammen kan de waarde lager zijn dan 0,001 %.

Een gasvlam produceert zeer veel warmte. Grote gasvlammen die voor sfeerverwarming gebruikt worden zijn dan ook meestal verspillend omdat ze meer warmte dan nodig produceren om een ruimte te verwarmen. Een uitzondering hierop vormen de warmteaccumulerende gaskachels. De warmte van enkele uren gezellig branden wordt maximaal opgeslagen voor verder gebruik. En zelfs als ze gele vlammen produceren, kunnen de CO-waarden beneden de 0,01 % CO blijven.