Zware olie bestaat uit, Koolstof, Waterstof, Zwavel en as, dit laatste is het onbrandbare deel. Als we, uitgaande van deze wetenschap, nu kijken naar wat daadwerkelijk de uitstoot is van een motor draaiend op zware olie, dan is dit weergegeven op afbeelding 1.
Afbeelding 1. Samenstelling rookgassen uitgedrukt in gram/kWh. Bron: Wärtsilä NSD.
Vaak wordt gedacht dat alle rookgassen zeer schadelijk zijn, nader onderzoek leert dat slechts een heel klein deel van deze rookgassen
schadelijk voor het milieu zijn. Op afbeelding 2is in de vorm van een
taartpunt weergegeven hoe de daadwerkelijke samenstelling van de rookgassen van een dieselmotor draaiend op zware olie er uit ziet.
Afbeelding 2. Samenstelling rookgassen. Bron Wärtsilä NSD.
Uit afbeelding 2 blijkt dat slechts een heel klein deel van de rookgassen schadelijke bestanddelen bevatten.
Deze bestanddelen zijn:
- Koolwaterstoffen, HC
- Zwaveloxiden, SOx, (SO2 en SO3) - Koolmonoxide, CO
- Vliegasdeeltjes
- Stikstofoxiden, NOx, (NO en NO2) 7.2.1 Koolwaterstoffen
De koolwaterstoffen bestaan voornamelijk uit onverbrande deeltjes van brandstof en smeerolie. Eigenlijk is dit een diversiteit van verschillende stoffen, vaak worden deze producten dan ook afgekort weergegeven
als CxHy. In de literatuur vinden we deze producten steeds meer onder
de naam PIC’s, dit is de afkorting van Products of Incomplete Combustion.
Deze deeltjes zijn over het algemeen schadelijk voor de gezondheid. De hoeveelheid die van deze deeltjes door de motor uitgestoten worden zijn afhankelijk van een aantal factoren, te weten:
- Mate van verstuiving van de brandstof - Mate van verbranding
- Kwaliteit van de brandstof - Mate van luchtvoorziening
Als dit alles goed is, zal de uitgestoten hoeveelheid minimaal zijn. 7.2.2 Zwaveloxiden
BN nummer heeft, dus een bepaalde neutraliserende werking. De rest van de zwaveloxiden gaat echter met de uitlaatgassen via de
schoorsteen de atmosfeer in, tenminste als hier geen voorziening is getroffen.
Zwaveloxiden zijn tevens voor een groot gedeelte verantwoordelijk voor het fenomeen zure regen.
Zwaveloxiden kunnen zeer goed verwijderd worden uit de rookgassen, het nadeel is dat er een restproduct overblijft waar een afzet voor gevonden moet worden.
7.2.3 Koolmonoxide
Ook Koolmonoxide is een product van onvolledige verbranding. De vorming van CO is voornamelijk afhankelijk van de luchtovermaat voor de verbranding en daarmee ook de menging van de lucht met de brandstof. Van Koolmonoxide is bekend dat het zeer giftig is, de enige manier om het te verwijderen uit het rookgas is door middel van
zogenaamde CO of CO2 katalysatoren, deze zetten de gevormde CO
om in het “ongevaarlijke CO2”. Bij dieselmotoren die goed onderhouden
zijn is de vorming van CO zeer gering. 7.2.4 Vliegasdeeltjes
Deze deeltjes bestaan uit een diversiteit van stoffen, zoals: - Koolstof
- As
- Zware metalen
- Gecondenseerde zwaveloxiden - Slijtage producten
Uit het bovenstaande is af te leiden dat de hoeveelheid van deze deeltjes die vrijkomt afhankelijk is van de samenstelling van de brandstof.
Deze deeltjes zijn ongeveer 1 micron in diameter, hierdoor zullen ze, eenmaal dat ze de schoorsteen verlaten hebben, met de lucht meegevoerd worden en op een plaats veel verder weg neerslaan. 7.2.5 Stikstofoxiden
Aangezien momenteel het grootste probleem met de uitstoot terug te
vinden is in de NOX uitstoot, wordt in deze paragraaf daar ruim
aandacht aan besteed.
Verkeer Ruim 62%, van de bij de verbranding, vrijkomende NOx komt voor rekening van het wegverkeer. Ongeveer 30% komt voor rekening van stookinstallaties. De overige 8% komt vrij bij diverse chemische processen.
NOx vorming:
NOx is de optelsom van voornamelijk stikstofmonoxide NO (>95%) en
in mindere mate stikstofdioxide NO2 (<5%), die ontstaat bij het
oxideren van stikstof tijdens het verbrandingsproces. De stikstof wordt met de verbrandingslucht aangevoerd, die voor circa 78 – 79 volume % uit stikstof bestaat. Deze stikstof is tijdens de verbranding in en rond de vlam aanwezig, maar doet niet mee aan de verbranding. De in de verbrandingslucht aanwezige zuurstof, 21 volume %, wordt tijdens de verbranding bijna volledig gebruikt.
Omdat men echter met een luchtovermaat werkt, blijft er in de rook-gassen nog een ruime hoeveelheid zuurstof over. Tijdens de
verbranding wordt voornamelijk NO gevormd terwijl NO2 grotendeels
wordt gevormd na de verbranding bij een lagere temperatuur in de dan gevormde rookgassen.
Geel/bruine rookgassen NO2:
NO is een onzichtbaar gas, terwijl NO2 een geel / bruin gekleurd gas is
dat zichtbaar is in kleine concentraties. Deze typische kleur wordt
zichtbaar wanneer de NO2 emissie in de schoorsteen de circa 75 ppm
overschrijdt.
Deze gele kleur is een indicatie voor de NO2 hoeveelheid, maar is niet
representatief voor de totale NOx emissie zoals eerder is genoemd.
Hoewel NO2 erg giftig en gevaarlijk voor de gezondheid is
(MAC-waarde < 1 ppm), is de schadelijke werking: de enorme corrosie die het kan veroorzaken door verzuring van het leefmilieu.
Achtergrond:
Om aan de emissie-eisen van stikstofoxiden te voldoen, is een verdere
behandeling van de rookgassen noodzakelijk. NOx is een belangrijk
verzurende component.
Van het element stikstof (N2) bestaan meerdere oxiden. De bekendste
die een rol spelen bij verbrandingsprocessen zijn stikstofmonoxide
(NO) en stikstofdioxide (NO2). Ze worden meestal gezamenlijk
aangeduid met de formule NOx.
NOx staat voor NO en NO2.
Er bestaan verschillende vormingsmechanismen voor NOx.
- Oxidatie van stikstofverbindingen uit brandstof. Hierbij wordt voornamelijk NO gevormd. De NOx die op deze wijze wordt gevormd heet brandstof NOx.
- Directe oxidatie van moleculaire stikstof uit de lucht tijdens de verbranding. Hieraan wordt gerefereerd als thermische NOx. Deze reactie is sterk endotherm (vraagt veel energie) en van de temperatuur afhankelijk en vindt voornamelijk plaats bij temperaturen boven 600 graden Celsius. Een hogere temperatuur leidt tot een verhoogde NOx vorming. - Prompt NOx
Wordt evenals thermische NOx gevormd uit stikstofmoleculen in de verbrandingslucht, met dit verschil dat de stikstof eerst met de koolwaterstoffen uit de brandstof reageert, waarna een verdere omzetting naar stikstofoxiden plaatsvindt.
Verder worden er nog kleine hoeveelheden van onderstaande oxiden gevormd:
- distikstofmonoxide (N2O, lachgas)
- N2O3, N2O4 en N2O5.
Radicalen Bij de vorming van elke 'soort' stikstofoxide speelt de temperatuur een hoofdrol. Bij extreme energietoevoer kunnen uit moleculen
Zuurstof streeft, zoals ieder gas, naar de edelgasconfiguratie waarbij acht elektronen in de buitenste schil aanwezig zijn. Hierbij ontstaat een onderling dubbele binding zoals afbeelding 3. Wanneer nu een grote hoeveelheid energie wordt toegevoerd aan het molecuul wordt de binding verbroken en is een radicaal ontstaan.
Afbeelding 3. Ontleding van zuurstofmoleculen in radicalen. Edelgasconfiguratie Deze zuurstof radicalen gaan zeer gemakkelijk een verbinding aan
vanwege het streven naar een edelgasconfiguratie, waardoor
uiteindelijk de NOx ontstaat volgens de gegeven reactievergelijkingen,
zie tabel 1.Hoe en waar NOx vorming plaatsvindt en waar deze van
afhankelijk is, wordt tevens op de volgende pagina weergegeven, waarbij ook is aangegeven welke chemische reacties hierbij plaatsvinden.
De zuurstofatomen hebben samen 8 elektronen
Stik- stof-oxide Plaats van vor-ming Reactie Voornaamste beinvloedingsfactor NOx-vorming NO Thermisch Vlam Pre reaction zone a. Uit de verbran-dingslucht: O+N2 → NO+N N+O2 → NO+O
Concentratie van zuurstof radicalen.
Dit is weer afhankelijk van de verbrandingstemperatuur en tijd. Bij temperaturen > 600 ºC
Brandstof b. Uit de brandstof:
N+OH → NO+H
Stikstof zit hier in gebonden vorm in de brandstof. Prompt Vlam CN+H2 → HCN*+H CN+H2O→ HCN*+OH CN+N2 → HCN*+N Hoeveelheid gevormde zuurstofradicalen tijdens de verbranding. Overmaat lucht.
Fuel Vlam Reactie met
CN-componenten
(zie boven) en andere onbekende
componenten
Snelle afkoeling van de verbran-dingsgassen door b.v. een gasturbine
NO2 Vlam NO+HO2 → NO2+OH Temperaturen lager dan 650 ºC.
Zuurstofconcentratie en tijd
Rookgas-kanaal en schoor-steen
2NO+O2 → 2NO2 Zuurstofconcentratie, lichtsterkte
(zon),
luchtvervuiling en tijd.
Atmosfeer NO2 + Licht → NO+O
NO+O3 → NO2+O2
* produceert NOx
Tabel 1. Vorming van stikstofoxiden NO & NO2.
Na afkoeling en met contact met lucht wordt NO langzaam in NO2
omgezet.
De bijdrage van de stikstofoxidenvorming via deze reactie in het proces van verbranding is naar verwachting gering. De stikstofoxiden worden voornamelijk gevormd uit reeds in de brandstof aanwezige
stikstofverbindingen, die bij afbraak de stikstof in een voor zuurstof
Salpeterzuur:
Dit salpeterzuur (HNO3) komt in aanraking met waterdamp in de lucht,
dat bij condensatie naar beneden komt als neerslag.
De ontstane "zure neerslag" vormt een bedreiging voor bossen, ge-wassen, oppervlakte- en grondwater.
We moeten er vanuit gaan, dat bij stoppen van de uitstoot van ver-zurende stoffen in Nederland, de hoeveelheid zure regen slechts met 25% zou verminderen. De rest van de verontreinigingen komt uit andere landen overwaaien. Daartegenover staat uiteraard dat maat-regelen van onze kant ook de "zure neerslag" in onze buurlanden zou
verminderen omdat 75% van de in Nederland uitgestoten NOx naar
onze buurlanden overwaait.
Samenvattend kunnen we zeggen dat de NOx vorming afhankelijk is
van een aantal parameters, te weten: - de vlamtemperatuur - de luchtfactor
- de vorm van de vlam
- de warmtebelasting van de verbrandingskamer - temperatuur van de verbrandingslucht
- de geometrie van de verbrandingskamer - de verblijftijd, deze is erg kort
De belangrijkste oorzaak is echter de vlamtemperatuur. Op afbeelding 4 is de invloed hiervan te zien. Tevens is schematisch aangegeven hoe
Afbeelding 4. NOx vorming als functie van de vlamtemperatuur.
De grafiek leert ons dat bij toenemende vlamtemperaturen de NOx
productie toeneemt. We kunnen ons nu afvragen hoe we de vlamtemperatuur kunnen verlagen.
Op afbeelding 5 is te zien wat de vlamtemperatuur, dus de
temperatuur in de motorcilinder doet bij wijzigende luchtfactor en bij wijzigende spoelluchttemperatuur. NO x v o rmi n g i n mg /Nm 3 Brandstof NOx Prompt Thermische NOx 600 2000 Vlamtemperatuur in ºC
Afbeelding 5. De vlamtemperatuur als functie van de luchtfactor. Op de horizontale as van de grafiek is de luchtfactor uitgezet. Bij een luchtfactor gelijk aan 1 blijkt de hoogste vlamtemperatuur te ontstaan. Als de spoelluchttemperatuur, deze staat rechts in de grafiek, hoger wordt, wordt tevens bij gelijkblijvende luchtfactor de vlamtemperatuur hoger. Uit deze grafiek blijkt dat bij toenemende en afnemende luchtfactor de vlamtemperatuur zal dalen. Een dalende
vlamtemperatuur is gunstig voor de beperking van de NOx uitstoot, zie
afbeelding 4, maar tevens slecht voor het rendement. Verder is een luchtfactor kleiner dan 1 zeer ongewenst, hierdoor ontstaat onvolledige verbranding met de vorming van Koolmonoxide.
Dit is enkel maar bedoeld als voorbeeld, aangetoond is echter dat, uitgaande van een bestaand situatie, bij een afnemende luchtfactor de vlamtemperatuur in eerste instantie toeneemt. Als echter de
luchtfactor, voor de verbranding, kleiner wordt dan 1, dan daalt de vlamtemperatuur, als gevolg van zuurstofgebrek.
Vlamtemperatuur verlaging:
De temperatuur van de vlam kan in principe op drie manieren worden verlaagd, te weten:
- verhoging van de luchtfactor
- drastische verlaging van de luchtfactor voor de verbranding - Bij kleine motoren het toepassen van rookgasrecirculatie,
waardoor het zuurstofpercentage afneemt en de verbranding slechter wordt
< 1 = 1 > 1 Luchtfactor V lamt emp erat u u r 120 C 90 C 70 C 60 C