30/08/2021
Door Liam van Koert
Onlangs installeerde branderexpert Suscomb een nieuw branderontwerp in een ketel bij een grote voedselproducent. Met de upgrade komt het bedrijf ruimschoots onder de in 2017 aangescherpte grenswaarde van 70 milligram NOx per kubieke meter. Aan de basis van deze opmerkelijke prestatie liggen het precies op de juiste plek terugvoeren van rookgassen en vele jaren ‘vlammetjesstaren’.
“Ik tuur al bijna veertig jaar in brandervlammen en het zal je verbazen hoeveel je uit het vlambeeld kunt afleiden”, zegt Wim Pastoor die in 2015 met Frans Knijnenburg en Marc van der Cruijsen Suscomb oprichtte om de industrie van emissiearme warmtetechnologie te voorzien. Aangezien emissies een hot topic zijn, hebben ze de wind flink in de rug. De regels worden continue aangescherpt, waarbij naast de in 2017 gestelde grens van 70 mg/m3, ook zaken als stikstofdispositie bepalen of ergens wel of gestookt mag worden. Door de industrie een alternatief te bieden dat de gestelde grenswaarde meer dan halveert – de praktijk wijst inmiddels uit dat een NOx-uitstoot onder de 30 mg/m3 zelfs in ongunstige situaties zondermeer haalbaar is – wordt er steeds vaker een beroep op hun kennis en kunde gedaan.
Paarse warmte
Stikstofstofmonoxide en stikstofdioxode – gezamenlijk NOx genoemd, ontstaan tijdens een verbrandingsreactie door het binden van zuurstofatomen aan stikstofatomen uit de lucht. Hoe hoger de temperatuur van de verbranding, des te meer NOx er ontstaat. Die wetmatigheid klinkt vervelend voor vakmensen in de warmtetechniek, maar volgens Pastoor gaat het goed zolang je onder de 1400 graden Celsius blijft. De bijbehorende vlamkleur bij die temperatuur is paars. “Geef je gas bij het verbranden de ‘vrije loop’ – zoals bijvoorbeeld het geval bij je gasfornuis – dan zie je een hete blauwe vlamkern. De kleur verandert met de afstand tot de kern via paars naar kleurloos, met in het geval van een onvolledige verbranding zelfs de gezellige maar ongewenste oranjegele kleur. De ‘sweetspot’ voor ons zit hem in het paarse gebied. Hier hebben we een maximaal rendement, een minimale vorming van NOx en geen residu van koolstof dat de brander vervuilt. De truc is dan ook om voor het gehele vlambeeld die paarse kleur te verkrijgen, wat betekent dat binnen de vlam de temperatuur overal gelijk is.”
Lokaal rookgas toevoeren
In theorie is de manier om tot een volledig paars vlambeeld te komen eenvoudig. Een verbranding is een redoxreactie. Dus zorg je voor een lagere zuurstofconcentratie in de verbrandingskamer, dan is er minder zuurstof om mee te reageren en daalt de temperatuur. In de praktijk wordt dit al heel wat jaartjes gedaan door het rookgas – dat door eerdere verbrandingsreacties per definitie zuurstofarm is – terug in het proces te voeren. De moeilijkheid zit hem er in hóe je dit terug voert, zodat je altijd en overal een stabiele paarse vlam overhoudt. Pastoor: “De meeste branderleveranciers voegen ‘in bulk’ rookgas aan de verbrandingslucht toe. Wij zijn er met een nieuw branderontwerp echter in geslaagd om dit lokaal te doen. Dus precies de juiste hoeveelheid rookgas, precies op de plek waar je dit nodig hebt.”
Hoewel het geheim van de smid voorlopig nog wel een geheim zal blijven, wil Pastoor best een tipje van het rookgordijn oplichten in hoe ze dit voor elkaar hebben gekregen. “Op de eerste plaats moet je snappen dat een homogene paarse vlam van nature geen stabiele toestand is. Wie lang genoeg tuurt, kan in een vlam verschillende lagen en stadia ontdekken. Je hebt de primaire vlam op het moment van ontsteking. Vervolgens gaan de secundaire en tertiaire vlammen meedoen. Op al deze punten en overgangen wil je de temperatuur – geregeld door onder andere de juiste zuurstofconcentratie en drukverschillen - in het gareel houden. Je bent dus eigenlijk continu vlammetjes aan het pesten. De juiste hoeveelheid rookgas op de juiste plek wordt bepaald door de configuratie van de rookgastoevoer in de branderkop. Dat luistert heel nauw. Elke uitstroom hoek- radius of diameter telt.”
Moderne tools en vakmanschap
Voor het bepalen van de optimale rookgasflow maakte Suscomb in samenwerking met Mateq Process gebruik van moderne simulatietechnieken, waaronder CFD (Computational Fluid Dynamics). Maar, zo legt Pastoor uit, zoals wel vaker is ook de branderpraktijk weerbarstiger dan de theorie. Gelukkig heeft Suscomb door dat vele vlammetjesstaren alle vakkennis in huis om in hun werkplaats snel aanpassingen te maken en de volgende iteratie te doen. Uiteindelijk viel daardoor alles – dus ook het rookgas - op de juiste plek. “Onze kracht zit hem in het combineren van moderne technologie met vakmanschap. Die synergie staat aan de basis van alles wat we doen.” Het recent geboekte succes betekent overigens niet dat Suscomb klaar is met nieuwe dingen doen. Na de eerste recentelijke installatie is er nog een hoop NOx terug te dringen in tal van andere applicaties die elk hun eigen ‘fine-tune-uitdagingen’ kennen. Maar doordat de ontwikkelde methode zich inmiddels heeft bewezen in een voor NOx-ongunstige omgeving, waarbij de vuurhaardruimte bij het pilotproject zeer klein was en de omgevingstemperatuur hoog – verwacht Pastoor nog heel wat retrofits op basis van aardgas te doen. Deze leveren zij in een vermogensrange van 5 tot 25 MW overigens geheel turnkey op. En alsof dat nog niet genoeg is, wordt er achter de schermen ook hard gewerkt aan een Low NOx waterstofbrander. Pastoor: “Waterstof is op veel punten een duurzaam alternatief voor aardgas. Maar op het gebied van NOx – een nogal eens onderbelicht punt – scoort waterstof slecht. Dat komt omdat de verbrandingstemperatuur van waterstof veel hoger ligt. Gelukkig hebben we ook daar inmiddels wat op gevonden.” Wat? Dat wil Pastoor helaas nog niet zeggen.