Brontekst bekijken van 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'''.

[[Bestand:Piedboeuf_stokers_k.JPG|600×437px|link=]]

<br>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]]'''.
<br>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.

[[Bestand:Gasvlam.jpg|220x223px|link=]]

<br>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.
<br>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.

[[Bestand:Vuurdeur_58_en_59_Scholl_k.JPG|500×233px|link=]]

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.

[[Bestand:Vuurdeur_met_register_Scholl_k.JPG|500×380px|link=]]    

==='''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'''.

[[Bestand:Binnenvuur_Stoom_k.JPG|‎600×283px|link=]]

'''Binnenvuren''' worden '''in de ketel aangebrach'''t 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'''.
<br>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'''.

[[Bestand:Roosterstaven_Scholl_k.JPG|600×166px|link=]]

<br>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]]'''.
<br>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:
<ul>
<li>hij moet een '''voldoende hoeveelheid lucht kunnen doorlaten'''
<li>er mogen '''niet te veel kolen tussen de staven door kunnen vallen'''
<li>hij moet '''gemakkelijk van as en slakken kunnen worden ontdaan'''
<li>hij moet '''duurzaam''' zijn: de staven mogen niet kromtrekken, smelten of verbranden
<li>het totale oppervlak van de rooster moet '''zo groot''' zijn, '''dat de per uur vereiste hoeveelheid brandstof zo volkomen mogelijk kan worden verbrand'''
</ul>

[[Bestand:Binnenvuur_Scholl_k.JPG|600×349px|link=]]

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.
<br>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.
<br>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 v'''an 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'''. <br>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. 
<br>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.

[[Bestand:Stokers_en_tremmers_Woudagemaal_k.jpg|515x500px|link=]]
'''Stokers en tremmers in het Woudagemaal, het geforceerde luchhtsysteem is afwezig!'''
<br>(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)'''
<br>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'''.
<br>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]]'''.

[[Bestand:Onderwindsysteem_k.JPG‎|600×331px|link=]]

Daarvoor moet de '''aspit''', de '''asruimte''', '''goed luchtdicht worden afgesloten'''.
<br>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'''.
<br>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.

[[Bestand:Onderwindsysteem_2_k.JPG‎|400×352px|link=]]

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'''.
<br>'''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'''.

[[Bestand:Onderwindsysteem 3 k.JPG|432x599px|link=]]

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'''.

[[Bestand:Piedboeuf-ketels.jpg|600x471px|link=]]

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

<br>'''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)'''.

[[Bestand:Stoomm-vent_(2)_k.jpg|391×562px|link=]]

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'''.
<br>'''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'''.
<br>De slakken worden elders hergebruikt, vooral bij het aanleggen en de verharding van wegen.

[[Bestand:Slakken2_k.jpg‎|596×406px|link=]]
<br>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.
<br>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'''.
<br>Tenslotte, '''bij een geheel doorgebrand vuur, loopt de vereiste hoeveelheid lucht terug tot een minimum'''.

[[Bestand:Vuur_deur_met_register_2.jpg|270×157px|link=]]

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.
<br>Hiervoor zijn ook automatisch werkende en instelbare registers ontworpen: bijvoorbeeld de trekregelaar van Hörenz.

[[bestand:Trekregelaar Hörenz k.JPG|199x300px|link=]]

==='''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.
<br>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.

[[Bestand:Rookkanalen0001_k.JPG|‎600×298px|link=]]

<br>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'''.
<br>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 rookvan'''g, 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.

[[Bestand:Klepschuiven k.JPG|600x738px|link=]]

==='''Inmetseling van de ketels'''===
Vaak worden de '''ketels ingemetseld'''. 
<br>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'''.
<br>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.

[[Bestand:Ingemets_Lanc.JPG|600×373px|link=]]

<br>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:
<br>'''Stoom, uitgave der Vereeniging Krachtwerktuigen, Groningen 1942. NV Uitgevers Maatschappij Ae. E. Kluwer - Deventer'''
<br>'''De Gids voor Machinisten, door E.F. Scholl, bewerkt door N.C.H. Verdam, Leiden 1903'''
<br>'''Afbeeldingen''' o.a. uit Tresoar te Leeuwarden.)