Stoken met steenkolen

Aspecten en technieken van het stoken met steenkolen

Piedboeufketels

De oorspronkelijke ketelinstallatie van het Ir. D.F. Woudagemaal bestond uit zes Piedboeuf-ketels. Dit syteem was per ketelinstallatie opgebouwd uit een onder- en een bovenketel, die onderling op ingenieuze wijze door middel van buizen waren verbonden voor wat betreft de water- en stoomruimtes. Bovendien betrof het een ketelsysteem dat was ingemetseld, de rookkanalen in het metselwerk zorgden ervoor dat de hete rookgassen een aantal malen langs de ketelwanden streken en zodoende hun warmte aan het ketelwater konden overdragen.

De onderste ketel van het Piedboeuf-systeem in het Ir. D.F. Woudagemaal was eigenlijk een Lancashire-ketel, d.w.z. een ketel met twee inwendige vuurgangen aan de voorkant door middel van vuurdeuren bereikbaar. De bovenketel was een vlampijpketel.
Deze ketels werden vanaf 1920 met steenkool gestookt.

Verbranding

Verbranden is wetenschappelijk gezien het aangaan van een scheikundige verbinding onder vuurverschijnselen en met warmteontwikkeling van de elementen van de brandstof met het gas zuurstof. Voor de zuurstof wordt bij het stoken met steenkool de omringende lucht gebruikt. De omringende lucht bestaat uit 4 delen stikstof (onbrandbaar) en 1 deel zuurstof.

Bij vaste stoffen moet altijd eerst de verbranding worden ingeleid: de brandstof moet eerst zo worden verwarmd, dat zich daaruit gas gaat ontwikkelen zodat de eigenlijke verbranding daarna kan beginnen. De bouw van de stookinrichtingen wordt bepaald door de aard van de te gebruiken brandstof: in dit geval dus steenkool.

Vuurdeur

De vuurdeur en het daarbij behorende raamwerk moet in de eerste plaats zo zijn aangebracht, dat het stoken zo gemakkelijk mogelijk kan gebeuren. Vooral de hoogte van de vuurdeur is daarbij belangrijk.
De deur moet bij gesloten stand goed afdichten, zodat er op dat moment geen lucht in de vuurhaard kan komen via de deur. Het raamwerk moet stevig zijn verbonden met met de vuurplaat en de voorste roosters, zodat dit gedeelte van de oven één geheel is.

Voor grotere vuurhaarden gebruikt men dubbele deuren. In de vuurdeuren bevindt zich in de meeste gevallen een zogenaamd register: een draai- of schuifinrichting, waarmee een luchtstroom of -toevoer kan worden afgesteld door het register meer of minder te sluiten.

Vuurruimte

Achter de vuurdeur bevindt zich de vuurruimte, waar de verbranding plaats vindt. De vuurruimte van een stoomketel moet zo worden ingericht dat een bepaalde hoeveelheid brandstof, in dit geval steenkool, zo volkomen mogelijk wordt verbrand. De grootte en inrichting van de vuurruimte wordt daarom mede bepaald door de soort brandstof die men gaat gebruiken.

Binnenvuurhaard

Bij de binnenvuurhaard, die veel wordt toegepast bij ketels met binnenbuizen, zoals locomotiefketels en kleine bootketels, worden de ketelplaten, die de vuurruimte begrenzen, gebruikt voor de directe opneming van de warmte, zodat reeds tijdens de verbranding een groot deel van de ontwikkelde warmte aan het vuur door uitstraling wordt onttrokken.

Binnenvuren worden in de ketel aangebracht en zijn dus geheel omgeven door een deel van het verwarmend oppervlak van de ketel. De stralende warmte wordt dan helemaal door de ketelwand naar het ketelwater overgebracht en het verlies aan uitstraling is gering. Door de zeer grote warmteopname van de zich dicht bij de verbrandende brandstof bevindende ketelwand, neemt de verbrandingstemperatuur sterk af.
Daardoor wordt de temperatuur in de vuurruimte aanmerkelijk lager, als die van de voor- of onderstookruimte, maar dit nadeel geldt minder bij het stoken met steenkool, omdat er bij deze brandstof sprake is van veel stralingswarmte.

Brandstoffen die met een lange vlam verbranden: zoals vette, gasrijke steenkolen of hout zijn minder geschikt voor binnenroosters. Bij weinig gasrijke kool dient men al gauw toevlucht te nemen tot een onderwindinstallatie. De hoogte van de plaatsing van de rooster in de binnenvuurruimte is van groot belang en hangt eveneens af van de aard van de gebruikte brandstof. Bepalend voor die hoogte is vooral de ontwikkelde hitte door de steenkolen: er is een ideale hoogte, die proefondervindelijk kan worden vastgesteld (als variabele vaak ook al is meegenomen in het ketelontwerp) en mede afhankelijk is van de soort en kwaliteit van de steenkolen.

Rooster

In de vuurruimte is de rooster aangebracht. De rooster dient om de brandstof te steunen en om het mogelijk te maken dat de brandstof zo intensief mogelijk met de luchtstroom, nodig voor het verbrandingsproces, in aanraking kan worden gebracht.

De rooster bestaat uit een systeem van ijzeren roosterstaven of roosterbaren, waartussen voldoende ruimte is gelaten om de luchthoeveelheid door te laten, maar die dicht genoeg tegen elkaar zijn geplaatst om het doorvallen van de brandstof zoveel mogelijk te kunnen voorkomen. De roosterstaven liggen aan de voorzijde op het doodbed of de vuurplaat en aan de achterzijde op de vuurbrug. Doodbed, vuurbrug, frontplaat, enz. vormen tezamen het zogenaamde brandwerk.
In een Lancashire-ketel is sprake van een vlakke rooster. Daarom liggen de roosterbaren op hun smalle kant en ze vormen met hun bovenkanten een plat vlak, dat of zuiver horizontaal, of flauw licht hellend is gepositioneerd. In zogenaamde voor- of ondervuurhaarden wordt vaak metselwerk met vuurvaste stenen toegepast, maar in de Lancashire-ketel is sprake van een binnenvuurhaard die deel uitmaakt van de ketel zelf.

Een goede vlakke rooster moet aan voorwaarden voldoen: -hij moet een voldoende hoeveelheid lucht kunnen doorlaten -er mogen niet te veel kolen tussen de staven door kunnen vallen -hij moet gemakkelijk van as en slakken kunnen worden ontdaan -hij moet duurzaam zijn: de staven mogen niet kromtrekken, smelten of verbranden -het totale oppervlak van de rooster moet zo groot zijn, dat de per uur vereiste hoeveelheid brandstof zo volkomen mogelijk kan worden verbrand

De figuur toont een vuurruimte met rooster, die uit twee rijen roosterstaven achter elkaar bestaat. Achter de roosterrijen bevindt zich een zogenaamde vuurbrug (a). Deze vuurbrug en de middelste roosterdrager (b) zijn met de vuurplaat (c) door de stangen dd verbonden zonder daarbij zijdelings aan de vuurbuis bevestigd te zijn.
Door de stralende hitte worden de stangen dd verhit, zetten uit en maken daardoor de relatieve verlenging der roosterstaven met betrekking tot de afstanden der steunpunten minder groot dan wanneer de steunpunten aan de ketelplaten bevestigd waren geweest.
De middelste roosterdrager (b) is open uitgevoerd, om de lucht gelegenheid te geven door te stromen en het ophopen van as, waardoor de roosterstaven zouden kunnen gaan klemmen, te voorkomen. De klep (e) dient om de binnenbuis van as te kunnen schoonmaken. Bij deze ketel hoort de vuurdeur van Figuur 59

De rooster moet niet alleen de nodige hoeveelheid brandstof dragen, maar moet ook de vereiste hoeveelheid lucht kunnen doorlaten. De som van alle tussenruimtes tussen de roosterstaven is het zogenaamde vrije roosteroppervlak.
De sterkte van de trek, dus de snelheid van de lucht, bepaalt de luchthoeveelheid, die in een bepaalde tijd aan de brandstof wordt toegevoegd. Hoe kleiner het vrije roosteroppervlak is, hoe sterker de trek moet zijn, en omgekeerd.
Er bestaat, om te komen tot een volledige ideale verbranding, dus een vaste verhouding van de luchthoeveelheid tot de verbrande hoeveelheid kolen. De rookgassen krijgen bij een goede verbranding een veel hogere aanvangstemperatuur mee, wat natuurlijk voor de warmteoverdracht een voordeel is.

Stokers en tremmers in het Woudagemaal, het geforceerde luchhtsysteem is afwezig!
(afbeelding: Tresoar)

Het is aan de stoker om deze ideale toestand zo veel mogelijk te bereiken of in stand te houden. Als de stoker bij een matig vuur, dus een kleine brandstoflaag, de trekschuif niet gedeeltelijk sluit, dan werkt hij op dat moment met een te grote overmaat van lucht, als hij bij een sterk vuur, dus een hoge brandstoflaag, de schuif niet helemaal opent dan is er te weinig lucht en zal de verbranding onvolkomen zijn. Bij onvolkomen verbranding ontstaat er rook (rokende schoorsteen)
Bij plaatselijk te geringe bedekking van de rooster met brandstof en vooral wanneer met gaten in het vuur wordt gestookt, stroomt de verbrandingslucht in grote overmaat ter plaatse door, terwijl de brandstof op het overige deel minder lucht toegevoerd krijgt. Daardoor wordt de verbranding ongunstig beïnvloed.

Bij ieder ketelsysteem behoort ook een maximum en minimumhoogte van de brandstoflaag'. Als men die overschrijdt is er geen ideale volkomen verbranding meer mogelijk. Maar ook een bepaalde schoorsteen heeft een maximale trekcapaciteit', waarmee de maximum hoeveelheid toegelaten lucht wordt bepaald.

Onderwind

Een stoomketelinstallatie moet van een schoorsteen worden voorzien om de rookgassen af te kunnen voeren. Het is duidelijk dat de trek van de schoorsteen gebruikt wordt om de verbrandingslucht door de brandstoflaag heen aan te zuigen.
Als de trek daarvoor op een gegeven moment te klein is, of door atmosferische omstandigheden of omdat de brandstoflaag te dik is, dan moet men zijn toevlucht nemen tot het kunstmatig aanvoeren van verbrandingslucht, we spreken dan van een aangeblazen vuur.

Daarvoor moet de aspit, de asruimte, goed luchtdicht worden afgesloten.
Een ventilator zorgt ervoor dat de asruimte onder druk komt te staan. Bovendien moet de luchttoevoer onder de rooster gelijkmatig onder de rooster worden verspreid.
In sommige gevallen kan deze lucht ook door een stoomstraal onder druk worden gebracht, voor sommige steenkoolsoorten is dat voordelig, maar vooral ook voor de koeling van de roosterstaven. De ventilator is echter economischer gebleken.

De regeling van de geforceerde luchttoevoer gebeurt met smoorkleppen in de toevoerleiding en windkast.

afbeelding

Een stoomblaasinrichting is soms ook nog aanwezig om gebruikt te worden bij stilstand van de ventilator of als noodhulp, bij bepaalde kolensoorten.

De windleidingen zijn meestal van plaatstaal gemaakt, of bovengronds aangebracht, of ondergronds. Ondergrondse kanalen worden ook wel gemetseld uitgevoerd.

Bij geforceerde luchttoevoer hoeft de schoorsteentrek niet meer te zorgen voor de aanvoer van de verbrandingslucht.
De schoorsteen kan daarom ook kleiner zijn en zo ingesteld worden (schoorsteenschuif) dat de vlam niet uit de vuurdeur slaat, maar net even naar binnen wordt gezogen. Praktisch gezien is de trek boven het vuur dan bijna nul en dus gelijk aan de atmosferische druk.

Een aangeblazen vuur kan tevens de vergassingsperiode versnellen is daarom ook geschikt om gasarme steenkolen, zoals cokes, anthraciet en magerkool met een flinke verbrandingssnelheid te verstoken.

Het oorspronkelijke systeem van gecombineerde ketels van het type Piedboeuf in het Ir. D. F. Woudagemaal werd gestookt met steenkool, waarbij geforceerde luchttoevoer onder de roosters werd toegepast van het systeem Asselbergs en Nachenius.

De oorspronkelijke ketels in het Ir. D.F. Woudagemaal met geforceerd luchttoevoersysteem

Op de stookplaats bevonden zich twee ventilatoren, aangedreven met stoomkracht, die ieder op zichzelf voldoende waren voor de volle belasting. De luchttoevoer kon zodanig worden geregeld, dat er boven de brandende kolen precies atmosferische druk heerste (zogenaamde evenwichtstrek).

Met de instelbare onderwind kan dus de juiste verbranding worden benaderd. Het aanblazen en daardoor het gemakkelijker laten toetreden van lucht kan het verbrandingsproces, vooral de fase van het vergassen, het generatorproces, versnellen, waardoor een hoger rendement mogelijk wordt. Om te sterke doorvoer van lucht te voorkomen wordt er bij een systeem met onderwind vaak een kleiner vrij roosteroppervlak toegepast: dus nauwere spleten tussen de roosterstaven.

Men moet over een behoorlijk sterke schoorsteentrek kunnen beschikken om de Limburgse magerkolen met een snelheid van 100 kg per m2 roosteroppervlak per uur tot verbranding te kunnen brengen. Daarbij wordt dan ook de ontgassingsperiode versneld, zodat bij het verstoken van gasrijkere steenkool, de schoorsteen zwaar kan gaan roken als de stoker onvoldoende stooktechnische kennis zou hebben.

Slakken

Aan de verbranding nemen de minerale bestanddelen van de steenkool, de plantenas en het ganggesteente geen deel, omdat dat reeds praktisch verzadigde zuurstofverbindingen zijn. Men vindt deze terug in de as en de slakken.
Soms blijft het gesteente achter als losse as, wat geen probleem vormt, maar soms ook ontstaat er een platte pannenkoek. Ook deze kan men gemakkelijk van het rooster verwijderen.

Echter als het ganggesteente gaat smelten en als vloeibare massa tussen de staven loopt, dan wordt het verwijderen daarvan een lastig karwei. Hierin zitten siliciumverbindingen en in vloeibare toestand tast dit de metalen roosters en de vuurvaste steen zeer sterk aan. De roosters worden op deze wijze gedeeltelijk weggevreten. Ter voorkoming worden dan vaak kolensoorten gemengd of worden de roosterstaven gekoeld: in gestolde vaste vorm tasten de siliciumzuren het metaal niet meer aan.
De slakken worden elders hergebruikt, vooral bij het aanleggen en de verharding van wegen.

Slakken gebruikt bij de aanleg van een weg bij Hallum (afdbeelding: Tresoar)

De Limburgse kool geeft vaak last door een lopende slak, zodat het vuur moeilijk is schoon te maken en de roosterstaven worden aangetast. Daarom gaat men de roosterstaven koelen door de aangeblazen lucht te bevochtigen met stoom of verstoven water. Ook kan men de staven koelen door ze in dwarsrichting te plaatsen met grotere openingen voor de luchttoevoer of door ze aan de onderzijde in een bak met water te hangen. Door de warmte van de staaf verdampt het water, de damp komt door de roosterspleten en koelt dan de slak.

Trekregelaar

Steeds nadat nieuwe brandstof op de rooster is geworpen, ontstaan er grote hoeveelheden koolwaterstofgassen, waarvoor voor de verbranding een grote luchthoeveelheid nodig is.
Naarmate de brandstof meer en meer gaat gloeien, vermindert de vorming van deze gassen, verbrandt de koolstof direct tot koolzuur en wordt de vereiste hoeveelheid lucht minder.
Tenslotte, bij een geheel doorgebrand vuur, loopt de vereiste hoeveelheid lucht terug tot een minimum.

Bij het opwerpen van brandstof zorgt de stoker voor het instellen van een bepaalde stand van het register in de vuurdeur, waardoor er voor het vuur voldoende lucht wordt toegevoerd. Geleidelijk moet daarna steeds voor een optimale verbranding de luchttoevoer door de stoker worden getemperd tot de minimumstand, waarna er opnieuw brandstof moet worden opgeworpen.
Hiervoor zijn ook automatisch werkende en instelbare registers ontworpen: bijvoorbeeld de trekregelaar van Hörenz.

De vuurbrug

De vuurbrug, die men in verschillende gedaante, maar bijna in alle typen van vuurhaarden aantreft, heeft tot doel om door middel van een tijdelijke insnoering van de vuurruimte, een wervelende beweging achter de vlammen te veroorzaken, waardoor een intensieve vermenging van de lucht en gassen kan plaatsvinden.

De lucht komt meestal van onder het rooster omhoog en mengt zich juist voor de vuurbrug met de verbrandingsgassen. Hoe beter de vermenging plaats vindt, des te beter ook zal sprake zijn van een rookvrije verbranding.
Door de vernauwing loopt de temperatuur boven en achter behoorlijk hoog op, zodat de ketelplaten op die plaats behoorlijk te lijden hebben. Daarom mag de afstand tussen de vuurbrug en de ketelwand niet te klein worden genomen, minimaal 25 cm.

De rookkanalen

Ketelsystemen worden vaak ingemetseld. In het metselswerk legt men daarbij vuurgangen of rookkanalen aan.

De hete rookgassen die in de vuurruimte zijn gevormd, worden zo door de rookkanalen geleid, dat zij daarbij een aantal malen langs de ketelwand strijken, zodat er een zo volledig mogelijke overdracht van warmte plaats kan vinden. Nauwe en lange rookkanalen eisen daarbij natuurlijk een sterkere trek dan wijde, korte kanalen.

De lengte van de kanalen zal niet overdreven lang genomen worden, meestal een totale lengte van ca. 30m. De temperatuur van de gassen die uiteindelijk de schoorsteen binnenkomen moeten ongeveer nog 200 tot 250 gr. C. zijn om nog een goede trek te kunnen garanderen.
Als de rookgastemperaturen bij binnenkomst van de schoorsteen hoger zijn, betekent dit dat de lengte van het rookkanaal eigenlijk te kort is en dat er warmte onbenut door de schoorsteen verdwijnt.

Trekschuif of trekklep

In het tussen de ketel en schoorsteen gelegen rookkanaal, dus in de inmonding naar de schoorsteen of rookvang, bevindt zich meestal een schuif of klep die eveneens dient voor de regeling van het vuur door middel van de vernauwing of afsluiting van het rookkanaal.

Inmetseling van de ketels

Vaak worden de ketels ingemetseld.
De ommetseling, dus de buitenbekleding van de vuurhaard en vuurgangen, mag niet te dun worden uitgevoerd. Bij metselwerk in baksteen is de wanddikte meestal anderhalf tot twee en een half steen dikte.
Als er meerdere ketels naast elkaar liggen dan kunnen de tussenmuren dunner worden gehouden. Wel moet er dan op worden gelet dat als er een rookkanaal bij de ene wordt weggebroken, die van de naastliggende ketel in tact kan worden gelaten. Daarom is het ook handig om luchtspouwen tussen de systemen aan te brengen.

Vaak blijft ook een gedeelte van de bovenomtrek van de ketel zonder bemetseling, voor een deel om bij flenzen van pijpen en kleppen appendages en bij het mangat te kunnen komen, voor een ander deel ook om op het metselwerk te besparen.

(Voor de informatie en afbeeldingen is gebruik gemaakt van de volgende bronnen:
Stoom, uitgave der Vereeniging Krachtwerktuigen, Groningen 1942. NV Uitgevers Maatschappij Ae. E. Kluwer - Deventer
De Gids voor Machinisten, door E.F. Scholl, bewerkt door N.C.H. Verdam, Leiden 1903
Afbeeldingen o.a. uit Tresoar te Leeuwarden.