Brandstoffen, eigenschappen en Verbrandingswaarde

(Deze tekst is nog in bewerking)

verbranding

In het dagelijks leven is men gewend, om alles wat zich onder sterke warmteontwikkeling en gepaard gaande met lichtverschijnselen met de zuurstof uit de lucht kan binden, dus alles wat wil branden en waarvan de prijs laag genoeg is om ze met het voordeel van warmteontwikkeling voor technische doeleinden te benutten, tot brandstoffen te betitelen.

Turf als brandstof
(foto wikipedia)

Andere brandbare stoffen die voor andere doeleinden gebruikt kunnen worden, worden natuurlijk niet tot de brandstoffen gerekend. Niemand zal edele houtsoorten, kunststoffen en textiele stoffen brandstoffen noemen.

De brandstoffen die voor het stoken van stoomketels in aanmerking komen zijn: hout (houtafval en zaagsel), stro, turf, bruinkolen, steenkolen, cokes, antraciet (kolengruis, kolenstof), olie (vooral ruwe olie, mazoet, astatki), lichtgas, hoogovengassen, aardgas.

Stoken met houtafval

De hoofdbestanddelen van deze brandstoffen zijn: koolstoffen, waterstof en zuurstof. Soms komt er in kleine hoeveelheden zwavel voor, maar altijd bevatten de brandstoffen meer of minder onbrandbare aardachtige substanties, die bij de verbranding in de vorm van as (sintels en slakken) overblijven.

Bij verbranding verbindt de koolstof zich met zuurstof tot kooloxide, of tot koolzuur. Bij de verbinding tot koolzuur komt de meeste warmte vrij, daarom noemt men dit volledige verbranding. De verbinding tot kooloxide wordt onvolledige verbranding genoemd.

Omdat de buitenlucht, de atmosfeer, ongeveer voor een kwart uit zuurstof bestaat, is er voor het verbrandingsproces 4,3 maal zoveel lucht nodig als de vereiste hoeveelheid zuurstof.

Luchttoevoer via de klep in de vuurdeur

In de vuurhaard van stoomketels is er als gevolg van een onvolkomen vermenging van de lucht met de brandstof in werkelijkheid nog veel meer lucht nodig. Daarom is er eerder ongeveer 8 keer zoveel lucht nodig om de juiste hoeveelheid zuurstof in de vuurhaard te verwerken.

Bij de beoordeling van de brandstof zijn twee factoren belangrijk:

• de warmtehoeveelheid, uitgedrukt in calorieën, die vrijkomt
• de temperatuur, uitgedrukt in de graden van de thermometer, bij de verbranding

Bij de verbranding van een bepaalde hoeveelheid brandstof kan de ontwikkelde warmtehoeveelheid bij een lagere verbrandingstemperatuur groter zijn dan bij hogere temperatuur. Deze beide grootheden kunnen dus niet uit elkaar worden afgeleid. Ze moeten afzonderlijk van elkaar worden bepaald.

De warmtehoeveelheid hangt alleen af van de volkomenheid van de verbranding, de temperatuur is voor het grootste deel afhankelijk van de hoeveelheid toegevoerde lucht. Als er door de vuurhaard helemaal geen warmte naar buiten zou worden afgegeven, dan zou alle vrijgekomen warmte een verhoging van de temperatuur van de verbrandingsproducten bewerkstelligen.

In werkelijkheid zal er sprake zijn van uitstraling en geleiding, maar vaak ook van onvolkomenheid van de verbranding. Daarom zal de temperatuur in de vuurhaard in de praktijk behoorlijk lager blijven dan de theoretisch haalbare temperatuur.

Alle brandstoffen eisen een zekere minimum temperatuur om te kunnen ontvlammen maar ook om daarna te blijven branden. Voor de meeste brandstoffen bedraagt deze minimumtemperatuur ongeveer 500 gr. C. Als de temperatuur door overmatige luchttoevoer beneden deze grenzen daalt, zal het vuur uitgaan. Zo vermindert het vuur van een stoomketel, als men de vuurdeuren helemaal openzet. (vergelijk het uitblazen van een kaars)

Toch hangt het effect van de warmte meer af van de manier waarop die warmte gebruikt wordt. Zo is het ook van belang hoe men de warmtehoeveelheid in de vorm van hete rookgassen langs de ketel leidt en hoeveel warmte er aan het ketelwater kan worden afgegeven.

Bij de verschillende keteltypes is het van belang door proeven en ervaring vast te stellen wat de voordeligste luchthoeveelheid per type is. Voor iedere brandstof en voor iedere roosterconstructie zal een bepaalde luchthoeveelheid ideaal zijn. Deze luchthoeveelheid kan worden geregeld door de trekschuif in het afvoerrookkanaal naar de schoorsteen. De ervaring van de stoker is hier van grote betekenis.

Stoker aan het werk, hier wordt houtafval gestookt met toevoeging van spaanders met behulp van een mechanische werpstoker

brandstoffen

hout, houtskool,stro

De samenstelling van de verschillende houtsoorten is voor een groot deel afhankelijk van de graad van vochtigheid. De werkelijke houtmassa bedraagt 75 tot 50% van het totale gewicht. Hout (afvalhout en spaanders) is geschikt als brandstof bij het stoken van stoomketels.

Houtskool
(foto: wikipedia)

Houtskool, dat men door verkoling uit verschillende houtsoorten verkrijgt, heeft als brandbare stof ongeveer 87 % koolstof, de rest is onbrandbaar. Voor het stoken van de stoomketels komt houtskool vanwege de prijs niet in aanmerking, stro wordt in enkele gevallen gebruikt als brandstof voor locomobielen. In de laatste oorlogsjaren van 1943-1945 wordt stro ook gebruikt in enkele stoomgemalen in Friesland bij wijze van noodmaatregel.

Turf
(foto: wikipedia)

turf

De waarde van turf als brandstof is zeer verschillend. De geschiktheid hangt helemaal af van de kwaliteit van de turf, waarbij de plaats van oorsprong en de droging medebepalend is. Gerekend vanaf het moment van turfsteken heeft turf ongeveer 60 % koolstof. Geperste turf heeft een hogere verbrandingswaarde dan natuurlijke turf omdat die veel droger en vaster is. De turf uit Groningen en Friesland is meestal goedkoper dan steenkolen.

Opslag van houtafval en bruinkool voor gebruik in het ketelhuis
(foto Tresoar)

bruinkolen

Ook bij de bruinkolen kent men verschillende kwaliteiten en soorten: de houtachtige bruinkool is kwalitatief beter dan de aardachtige. Bruinkool wordt bijna altijd aangevoerd vanuit de bruinkoolvelden in Duitsland. Omdat bruinkolen bij het bewaren uitdrogen en uit elkaar vallen is het gewenst om die meteen na aanvoer met nog een groot watergehalte te gaan gebruiken. Vaak worden bij het stoken met bruinkool bijzondere roostervormen gebruikt, bijvoorbeeld traproosters.

Bruinkoolbriketten, geperste bruinkool
(foto:wikipedia)

steenkolen en cokes

De samenstelling van de steenkolen kan sterk afhankelijk zijn van de plaats van oorsprong met de bijbehorende kenmerken. De kwaliteit en eigenschappen van betreffende steenkolen worden daardoor volledig bepaald. Hierbij speelt de hoeveelheid vrije waterstof een grote rol.

Stoken met steenkool

Antraciet kent een laag percentage aan vrije waterstof en daarbij is het water- en asgehalte klein. Deze kolensoort heeft ongeveer dezelfde eigenschappen als zuivere koolstof en brandt dus ook zonder vlam en zonder aan elkaar te bakken.

Magere steenkolen en zandkolen hebben ongeveer dezelfde eigenschappen, maar ze kennen meer chemisch gebonden water.

Als het gehalte vrije waterstof toeneemt verbranden deze steenkolen met een lange vlam, ze worden bij het verbranden week en bakken meer samen. Men noemt ze dan sintelkolen.

Het grootste gehalte aan vrije waterstof bezitten de bakkolen of vette steenkolen, die geschikt zijn voor de gasfabricage en voor de vorming van cokes.

Bij slechte kolensoorten is het asgehalte groter. De uit steenkolen verkregen cokes is voor het stoken van stoomketels minder geschikt. Cokes wordt wel gebruikt voor het stoken van tramlocomotieven, waar rook zoveel mogelijk moet worden vermeden.

9

lichtgas en olie

Lichtgas wordt verkregen door distillatie uit steenkolen. Het is geschikt als brandstof voor stoomketels, die kleine stoommachines van stoom voorzien en voor gasmachines.

Aardolie wordt oorspronkelijk alleen gebruikt in de streken waar het gevonden wordt, omdat het vervoer dan nog te duur is. Natuurlijk wordt aardolie ook gebruikt als brandstof voor dieselmotoren. De ruwe aardolie of de stookolie, het residu dat overblijft nadat andere olieproducten uit de aardolie zijn gewonnen, worden steeds meer als brandstof voor stoomketels gebruikt. Tegenwoordig wordt zware stookolie gebruikt voor de stoomvorming in de industrie, bij nutsbedrijven en in de zeescheepvaart. Ook wordt zware stookolie gebruikt voor de dieselmotoren van zeeschepen.

10

Aardgas

Sinds de gaswinning na 1960 in ons land een grote vlucht neemt, wordt er, naast het gebruik door particulieren, ook veel aardgas gebruikt in de industrie en bij de opwekking van elektriciteit. De aardgas wordt ingezet als brandstof bij stoomketels voor de stoomturbines.

11

(Bij het samenstellen van de tekst is gebruik gemaakt van:
De Gids voor Machinisten, door E.F. Scholl, Leiden 1903)