Kleinschalige krachtopwekking
Gasgeneratoren voor gasmotoren
Zelf je gas maken is het voordeligst
In het laatste kwart van de 19e eeuw kwamen als krachtbron naast de stoommachine de gasmotoren tot ontwikkeling. Waar de stoommachine als grote, gecentraliseerde krachtbron het meest efficiënt werkte, was de gasmotor juist goed toe te passen als kleine, gedecentraliseerde eenheid. Perfect dus voor de kleinere nijverheid.
Hoewel de eerste gasmotoren op van de plaatselijke gasfabriek ingekocht lichtgas liepen, ging men al spoedig ertoe over, een eigen gasgenerator bij de motor te plaatsen. Eigen generatorgas was veel goedkoper dan ingekocht lichtgas, zelfs wanneer men de afschrijving van de installatie mee in de kostprijsberekening betrok.
Hoe werkt een gasgenerator?
Principe
De chemische beginselen zijn eenvoudig. Verbranding van organische brandstof levert het brandbare koolmonoxide:
2 C + O2 → 2 CO (1a)
In werkelijkheid bestaat het bij zo'n partiële verbranding verkregen gas uit een mengsel van CO en C02 want boven de gloeiende brandstof geldt het volgende evenwicht:
C + C02 ↔ 2 CO (1b)
Bij hoge temperatuur ligt dit evenwicht in sterke mate rechts, bij C0. De reactie is netto exotherm, dat wil zeggen, er komt warmte bij vrij. Deze warmte kan nuttig worden gebruikt, namelijk om de verbrandingswaarde van het gevormde gas te verhogen. De verbrandingswaarde van CO is maar ongeveer 900 kcal/Nm3.
Wanneer men stoom over de hete brandstof leidt, ontstaan net zo goed brandbare gassen:
C + H20 → H2 + CO (2)
Deze reactie is endotherm, dat wij zeggen, er is warmte nodig om hem te onderhouden.
De overschot-warmte van (1a) kan goed worden gebruikt om (2) in gang te houden. De verbrandingswaarde van het gasmengsel dat in (2) ontstaat is aanmerkelijk hoger dan die van CO alleen, namelijk circa 2500 kcal/Nm3. Door nu de stoomtoevoer zorgvuldig in te stellen, kan de netto warmteproductie vrijwel nul gemaakt worden en een zo rijk mogelijk gas verkregen worden. Dit gas bevat dan H2 en CO als werkzame bestanddelen; verder kleine hoeveelheden CO2 en koolwaterstoffen (teer) en een fikse hoeveelheid N2 uit de verbrandingslucht. De verbrandingswaarde van het (zo rijk mogelijke) gasmengsel is ruim 1200 kcal/Nm3, maximaal.
Bruikbare brandstoffen
Als brandstof in een gasgenerator gebruikte men aanvankelijk uitsluitend cokes en anthraciet. Beide bestaan uit tamelijk zuivere koolstof. Bij de verbranding op de beschreven wijze komen nauwelijks bijproducten voor; bovendien zijn beide brandstoffen arm aan water, zodat de zo nuttige toevoeging van stoom goed in te stellen valt en beheersbaar is. Het grote nadeel: anthraciet en cokes zijn duur.
Men zocht naar andere brandstoffen en experimenteerde onder andere met gaskool, bruinkool, hout en turf. Deze zogeheten "bitumineuze" brandstoffen bevatten veel teer, die de gasmotor sterk vervuilt. Pas door het ontwikkelen van speciale generator-configuraties werd het mogelijk met deze vele malen goedkopere brandstoffen te werken.
| soort brandstof | verbr.waarde brandstof kcal/kg | rendement generator % | verbr.waarde gevormd gas kcal/Nm3 |
| anthraciet | 7500-8000 | 80 | 1200 |
| cokes | 6000-7500 | 75-80 | 1100 |
| gaskool | 6500-7500 | 65-70 | 950-1000 |
| bruinkool (briketten) | 4300-5000 | 70-75 | 1100-1200 |
| bruinkool | 3500-5000 | 50-70 | 1000 |
| turf | 3000-3500 | 50-70 | 900-1000 |
| hout | 3000-4500 | 50-65 | 900-1000 |
Anthraciet en cokes
Voor deze brandstoffen gebruikte men "enkele" generatoren. In een "enkele" generator rust een kolom brandstof op een vlak rooster. Verse brandstof wordt bovenin toegevoerd; de verbrandingslucht stroomt aan de onderzijde van het rooster toe.
De persgasgenerator
Voor 1895 werden in het algemeen alleen zogenaamde persgasgeneratoren toegepast, zie de onderstaande twee prenten. Een persgasgenerator had een gesloten mantel (K) waar de verbrandingslucht met behulp van een stoom-injecteur werd ingeblazen. De gasproductie was daardoor onafhankelijk van het gasverbruik van de motor. Vanzelfsprekend stelde men de injecteur zodanig in, dat de gasproductie globaal gelijk was aan het verbruik, maar een (buffer-) gashouder (L) was noodzakelijk.
Figuur 1 - Enkele persgasgenerator voor anthraciet en cokes
Deze opzet had een groot nadeel: de stoomketel, die nodig was voor de injecteur (4 at stoomdruk) verbruikte wel tot 20% van de gasproductie. De ketel (M) leverde verzadigde stoom, die in de pijpbundel (A) werd oververhit door het uitstromende hete gas en dan in de injecteur (B) kwam. De uittredende stoomstraal zuigt lucht aan en het lucht/stoom mengsel stroomt door een oppervlakte-warmtewisselaar (C), eveneens verhit door het uitstromende hete gas en vervolgens door een in de generatormantel liggende leiding naar de uitstroomopening (D) onder het rooster. De lucht/stoom verhouding kan bij de injecteur worden ingesteld.
De overdruk in de generator is maar laag, zodat er geen bijzondere voorzieningen nodig zijn om het vuldeksel (E) en de slakkendeur (F) van de generator af te sluiten. Het gevormde gas verlaat de generator bij (G), stroomt door de al genoemde warmtewisselaar, omspoelt de stoom-oververhitter en loopt dan door een koeler (H).
Bij het opstarten wordt aanvankelijk CO2-rijk gas gevormd: het evenwicht van de reactie (1b) ligt bij lage temperatuur sterk naar links. Zulk gas is niet bruikbaar in de motor, omdat het een te lage verbrandingswaarde heeft. Tijdens opstarten wordt daarom de afsluiter (I) geopend om het gas in de buitenlucht te laten ontwijken.
De zuiggasgenerator
Het bezwaar van de persgasgenerator - er is een stoomketel nodig voor de injecteur - werd ondervangen door de verbrandingslucht niet onder druk aan te voeren (in te persen), maar ze door een exhauster door de generator te laten "zuigen". Daarmee werd de vergassing een stuk beter te beheersen.
Een exhauster is niets anders dan een zuigpomp, die een (geringe) onderdruk boven de brandstofkolom creëert. De verbrandingslucht onder het rooster wordt dan vanzelf aangezogen. Men experimenteerde met turboventilatoren en dergelijke, maar in installaties waar het opgewekte gas alleen in een motor werd gebruikt, bleek het heel goed mogelijk om de motor zelf als exhauster te gebruiken. Simpel en goedkoop.
Figuur 2 - Enkele zuiggasgenerator voor anthraciet en cokes
De injecteur is vervallen en daarmee ook de noodzaak van stoom onder druk. Maar stoom blijft WEL nodig voor menging met de verbrandingslucht, in verband met reactie (2). Bovenin de generator (A) is daarom een waterschotel (B) ingebouwd. Deze wordt door de stralings- en oontactwarmte van de gloeiende brandstofkolom en door het langsstromende hete gas verhit en water verdampt aan het oppervlak. De door de exhauster of de gasmotor zelf aangezogen verbrandingslucht stroomt bij (C) de generator in en neemt en passant waterdamp mee op zijn weg naar de uitstroomopening (D) onder het rooster. De lucht/stoom verhouding wordt ingesteld door variatie van het waterpeil in de schotel (B) met behulp van de kraan (E).
Bij het opstarten wordt met de tweewegklep (F) het gas naar de schoorsteen geleid; pas wanneer het gas voldoende rijk is zet je de klep (F) om en loopt het gas naar de koeler/teerafscheider (G). Voert men het gas naar buiten af, dan moet er geforceerd verbrandingslucht worden aangevoerd met de ventilator (H). Deze wordt met de hand gedraaid.
Soms bevindt zich onder het rooster een ondiep waterbad. Door stralingswarmte verdampt men hier water en de gevormde relatief koele stoom koelt gelijk de roosterstaven. Een nadeel is, dat bij het ontslakken van de generator soms brokken slak in het waterbad vallen, waardoor een plotselinge toename van het H2-gehalte van het gas wordt veroorzaakt. Wanneer een gasmotor direct aan de generator is gekoppeld kan dit problemen geven: het veel rijkere gas kan in de motor spontaan ontbranden en dan tot stoten aanleiding geven.
Figuur 3 - Enkele zuiggasgenerator voor anthraciet en cokes, recenter uitvoering
Bovenstaande geavanceerder zuiggasgenerator biedt een betere oplossing. Het hete uitstromende gas loopt hier door een klein vlampijpketeltje (A), waar verzadigde stoom van lage druk wordt opgewekt. Lucht en stoom worden door de instelbare openingen (B) en (C) in de toevoerbuis (D) geregeld.
Het is interessant om te zien hoe de vultrechters in beide generatoren vullen zonder gasverlies mogelijk maken: een afgedekte "bell-and-hopper" in de eerste; een schuif in de tweede.
Bij een persgasinstallatie heerst in de in bedrijf zijnde generator een (lichte) overdruk; bij de zuiggasgenerator juist een (geringe) onderdruk. Dat is een niet te miskennen voordeel. Bij de zuiggasgenerator is gaslekkage, met alle gevaren van dien (explosie; vergiftiging met koolmonoxide) UITGESLOTEN. Het is dan ook niet verbazend dat in de periode tussen 1895 en 1910 persgasgeneratoren vrijwel geheel van het toneel verdwenen.
Voor anthraciet
| brandstofgebruik | 0,38 kg/pkh | (grote motoren) |
| 0,47 kg/pkh | (kleine motoren) | |
| roosterbelasting | 85 kg/m2h | |
| schachtafmetingen | ||
| hoogte | ca. 60 cm | |
| roosteroppervlakte | 45 cm2/pk | (grote motoren) |
| 55 cm2/pk | (kleine motoren) |
Voor cokes
| brandstofgebruik | 0,42 kg/pkh | (grote motoren) |
| 0,56 kg/pkh | (kleine motoren) | |
| roosterbelasting | 70 kg/m2h | |
| schachtafmetingen | ||
| hoogte | ca. 100 cm | |
| roosteroppervlakte | 60 cm2/pk | (grote motoren) |
| 80 cm2/pk | (kleine motoren) |
Het maximale roosteroppervlak was ongeveer 1-1,5 m2, dat wil zeggen, met één generator kan een motor van maximaal een 300 pk worden gevoed. Voor grotere vermogens (generatorgasmotoren werden gebouwd tot ca. 1000 pk) werden meerdere generatoren parallel gezet.
Bitumineuze brandstoffen
Bitumineuze brandstoffen geven bij vergassing in "enkele" generatoren een gas met te grote hoeveelheden teerdamp. Dat was NIET acceptabel, vanwege de vervuiling van (vooral) de kleppen van de motor. Maar bitumineuze brandstoffen waren WEL veel goedkoper dan cokes en vooral anthraciet. Dus werd er naarstig gezocht naar mogelijke technische oplossingen voor dit probleem.
Figuur 4 - Dubbele zuiggasgenerator voor bitumineuze brandstoffen
De oplossing werd gevonden in de "dubbele" gasgenerator. In een "dubbele" gasgenerator heeft de brandstofkolom twee brandzônes. Voor de onderste zône wordt lucht door het rooster toegelaten. Voor de bovenste zône wordt lucht via een aparte leiding (A), regelbaar met de afsluiter (B), ingelaten.
Bovenin de bovenste brandzône wordt de brandstof droog gedestilleerd, dat wil zeggen wordt de teer door verwarming vrijgemaakt (vervluchtigd), waarbij de brandstof zelf als een cokes-achtig product achterblijft. Onderin de bovenste zône ontleedt de teerdamp tot bruikbare brandbare gassen. In de onderste zône wordt tenslotte, net als in de "enkele" generator, de gevormde "cokes" verder vergast.
Het gas wordt op halve hoogte, tussen beide brandzônes, aan de generator onttrokken.
Bij het gebruik van gaskool wordt onder het rooster stoom toegelaten. Deze kan gevormd worden met de warmte van het afgevoerde gas, op de bij de "enkele" generatoren beschreven manieren.Bruinkool, hout en turf hebben veel hogere vochtgehaltes dan de steenkoolachtige brandstoffen en je hebt hier géén aparte stoomtoevoer meer nodig, tenzij de generator zeer zwaar belast wordt. Het nadeel is natuurlijk, dat je het vochtgehalte van de brandstof - en daarmee de verbrandingswaarde van het gas - totaal niet in de hand hebt. Het rendement van een "dubbele" gasgenerator is ongeveer 70%, iets lager dan dat van een "enkele" generator.
Verreweg de belangrijkste bitumineuze brandstoffen zijn gaskool en bruinkool-briketten.
Voor gaskool
| brandstofgebruik | 0,50 kg/pkh | (grote motoren) |
| 0,59 kg/pkh | (kleine motoren) | |
| roosterbelasting | 90 kg/m2h | |
| schachtafmetingen | ||
| hoogte | ca. 55 cm | |
| roosteroppervlakte | 55 cm2/pk | (grote motoren) |
| 65 cm2/pk | (kleine motoren) |
Voor bruinkool (briketten)
| brandstofgebruik | 0,65 kg/pkh | (grote motoren) |
| 0,85 kg/pkh | (kleine motoren) | |
| roosterbelasting | 100 kg/m2h | |
| schachtafmetingen | ||
| hoogte | ca. 65 cm | |
| roosteroppervlakte | 65 cm2/pk | (grote motoren) |
| 85 cm2/pk | (kleine motoren) |
Zoals ik al eerder opmerkte, wanneer een zuiggasgenerator niet alleen gas voor een motor opwekt, maar bijvoorbeeld ook voor ovens, dan moet je, om de gasgenerator goed te laten werken, zowel een aparte eigen exhauster als een separate gashouder gebruiken. Je kunt in zo'n geval niet vertrouwen op de motor alleen. Onderstaande installatie moge tot voorbeeld strekken.
Figuur 5 - Dubbele zuiggasgenerator voor bitumineuze brandstof met uitgebreide gasreiniging en gashouder
Een dubbele zuiggasgenerator (A) met de gasafvoer op halve hoogte en de luchttoevoer onder- en bovenin. Wordt afgezogen door een turboventilator (B). De gashouder (C) met een middengeleiding zal bij te grote gasopbrengst de klep (D) in de terugstroomleiding (E) openen. Hierdoor neemt de zuigwerking op de generator af en daalt de gasproductie. Mocht de gasdruk desalniettemin te hoog oplopen, dan wordt de klep (F) in de schoorsteen (die voorzien is van een waakvlambrander) geopend en blaast (fakkelt) de installatie af.
Gasreiniging
De reiniging van het gas van "enkele" generatoren is meestal tamelijk eenvoudig. De Figuren 1 en 3 tonen hoe je te werk gaat. Het gas wordt gekoeld, hetzij in een speciale koeler (H) in Figuur 1, hetzij in de verdamper (de gebruikelijke naam voor het vlampijpketeltje (A) in Figuur 3; en ontdaan van grof stof. Voor dit laatste gebruik je een scherpe knik in de leiding, met daaronder een roetzak (N) in Figuur 1 en (E) in Figuur 3. Dan vindt wassen plaats in de zogenaamde "scrubber" (P) in Figuur 1 en (F) in Figuur 3. In dit apparaat wordt een kolom cokes van bovenaf doorlopen door water en van onderaf door het gas. Stof en een deel van de eventueel aanwezige teer gaan over in het water. Het afgevoerde water bevat H2S - de lozing ervan in het riool was, onder andere vanwege de rotte eieren stank, niet toegestaan. Meestal neutraliseerde men het water door chemische toevoeging, of door beluohting.
Soms maak je de installatie wat uitgebreider. Figuur 2 laat een (grof) stofzak (G), een "scrubber" (I) en een zogenaamde droge reiniging - zaagselkist - (K) zien. ln de laatste stap gebruik je zaagsel om het gas intensiever van teerresten te ontdoen. Ook in Figuur 5 zie je een dergelijke zaagselkist (G).
Bij "dubbele" gasgeneratoren wordt meestal de combinatie van wassen en droge reiniging toegepast. Het nadeel hiervan is wel de hoge stromingsweerstand van de complete plant. In Figuur 2 - een zuiggasinstallatie bestemd voor directe koppeling aan de motor - is getracht de weerstand laag te houden door de droge reiniging uit twee parallel geschakelde tamelijk dunne zaagselbedden op te bouwen. In Figuur 5 - een installatie met exhauster - is de stromingsweerstand veel minder belangrijk en kan men een flink dikke laag zaagsel gebruiken.
De gasafvoer bevat bij persgas- en bij exhauster-zuiggasinstallaties altijd een gashouder (L) in Figuur 1 en (C) in Figuur 5. Motor-zuiggasinstallaties krijgen alleen een (kleine) gashouder wanneer de leidingen naar de motor lang zijn. Zo'n gashouder zie je als (G) in Figuur 3 - waar hij feitelijk niet nodig is.
Tussen motor en generator-installatie wordt het best een vlamscheider gemonteerd - een met kiezel gevuld doorstroomvat (H) in Fiquur 5.Gebruik en bediening van een generator-gasinstallatie
Het opstarten van een gasgenerator uit koude toestand kost vanzelfsprekend tijd. Bij cokes en anthraciet moet men 1-2 uur stoken voor het gas voldoende rijk is. Een gasgenerator op bruinkool vraagt aanmerkelijk meer tijd, wel tot 5 uur. In principe laat men daarom de generator ook tijdens kortere pauzes en dergelijke op een laag pitje doorwerken. Men stelt dan de afsluiter(s) in de gasleiding zo, dat het nog gevormde gas in de schoorsteen kan ontwijken. De generator wordt alleen nog door natuurlijke trek aangezogen, de gasproductie is daarom gering en het brandstofgebruik maar ca. 5-10% van de waarde bij normale belasting. Om stankoverlast te voorkomen ontsteekt men meestal het ontwijkende gas, vaak automatisch door middel van een waakvlambrander. Wanneer de generator weer op normale productie moet worden gebracht, wordt met de (hand-) ventilator in de luchtaanzuigleiding een geforceerde luchttoevoer gegeven ("warmblazen"). Bij cokes en anthraciet duurt dit een kwartier; bij bruinkool zijn maar enkele minuten nodig.
Voor langere pauzes (bijvoorbeeld een nacht tussen twee werkdagen) worden kleine generatoren meestal gedoofd. Men haalt de brandstof door de slakkendeur uit de gasgenerator en blust deze met water. Grotere generatoren laat men doorbranden.
Bij nog langere onderbrekingen (zondagrust) bleven alleen de grootste bruinkool-generatoren aan. Een bruinkool-generator vraagt niet alleen veel meer opstarttijd, hij produceert bij het opstarten ook een erg stinkend - onbruikbaar - gas, dat bij lozen via de schoorsteen tot veel klachten aanleiding gaf. Meestal werd daarom een bruinkool generator liever op cokes gestart.
Plotselinge wisselingen in de belasting van de gasgenerator van meer dan 25% zijn erg ongunstig. De brandzône in de gasgenerator zal daarbij namelijk gaan stijgen of dalen. De samenstelling van het gas kan dan fors veranderen; bij "dubbele" gasgeneratoren kan verder de teerdampontleding in gevaar komen. Bij gasgeneratoren met stoomtoevoer zal bij dalende belasting de stoomtoevoer direct moeten worden afgeknepen, om een overmaat aan H2 (en dus het stoten van de motor en een te sterk afkoelen van de gasgenerator) te voorkomen. Overigens, ook voor de gasmotor zelf zijn flinke belastingwisselingen ongunstig. Het specifiek brandstofverbruik neemt zeer snel toe bij onderbelasting - de kostprijs per pk neemt daardoor sterk toe.