Emissies naar lucht

(EIPPC, 2006)

Verbranden van fossiele brandstoffen in stookinstallaties, verbrandingsmotoren en gasturbines, resulteert in een belangrijke impact naar de lucht. Bij de verbrandingsprocessen worden emissies naar de lucht bepaald door:

• de chemische samenstelling en de aard van de brandstof;
• de installatie (zowel ontwerp als eventuele rookgasreiniging);
• het gebruik van de installatie.

De vorming van emissies bij verbranding in stookinstallaties verloopt anders dan bij het gebruik ervan in motoren. Bij stookinstallaties is het vooral de brander die een belangrijke invloed heeft op de vorming van emissies. Ook de vuurhaard, bijvoorbeeld de belasting en grootte t.o.v. de vlamlengte, spelen een rol, maar vaak is de impact ervan minder groot dan de impact van de brander. Bij motoren spelen, naast het type brandstof, de luchtvochtigheid en de belasting ook de motorkarakteristieken een belangrijke rol. Hierbij zijn de (homogene) verbrandingstemperatuur en het ontwerp van de verbrandingskamer van belang.

Tabel : De geschatte bijdrage tot de totale Europese emissies te wijten aan verbrandingsinstallaties ≤ 50 MW_th,, berekend in het RAINS model.

De voornaamste emissies naar de lucht worden hieronder besproken. Daarbij wordt vooral nadruk gelegd op de factoren die invloed hebben op de vorming van de verschillende polluenten. Er wordt ook geprobeerd telkens een idee te geven van de typische concentratieniveaus. Belangrijk is hierbij wel dat deze ranges soms heel breed kunnen zijn, afhankelijk van de toegepaste technieken. Voor nieuwe installaties kan men er wel van uit gaan dat deze allemaal uitgerust zijn met primaire maatregelen om de vorming van emissies te beperken (zie Beschikbare Milieuvriendelijke Technieken).

NO_x

NO_x omvat voor het grootste deel stikstofmonoxide (NO) en stikstofdioxide (NO₂). Het grootste deel van de NO_x wordt geëmitteerd onder de vorm van NO, wat uiteindelijk in de lucht geoxideerd wordt tot NO₂.

De vorming van NO_x steunt op drie essentiële mechanismen, gekenmerkt door de oorsprong van de stikstof en de omgeving waar de reactie plaatsvindt:

• Thermische NO_x: wordt enkel gevormd bij hoge temperaturen door de reactie van zuurstof en stikstof uit de lucht;
• Fuel NO_x: wordt gevormd met de stikstof aanwezig in de brandstof;
• Prompt NO_x: resulteert uit het eerste contact tussen brandstof en lucht in de vlamzone.

De hoeveelheid NO_x gevormd door het “prompt NO_x” mechanisme is doorgaans een stuk kleiner dan de hoeveelheden gevormd door de andere reacties. De vorming van “thermische NO_x” is sterk afhankelijk van de temperatuur. Indien de verbranding plaatsvindt bij temperaturen < 1000 °C zullen de NO_x emissies significant lager liggen. De vorming van thermische NO_x is het dominante reactiemechanisme waarbij NO_x gevormd wordt in installaties gestookt met gasvormige of vloeibare brandstoffen.

De vorming van “fuel NO_x” is afhankelijk van de stikstofinhoud van de brandstof, de verbrandingstemperatuur en de zuurstofconcentratie in het reactiemedium. De hoeveelheid brandstof NO_x geproduceerd is het grootst in installaties gestookt met kolen, door de grotere stikstofgehalten in dit type brandstof. De volgende tabel geeft de gemiddelde stikstofinhoud van verschillende fossiele brandstoffen.

Tabel : Gemiddelde stikstofinhoud van verschillende fossiele brandstoffen

Naast het brandstoftype is ook het verbrandingsproces van invloed op de NO_x emissies, alsmede het vermogen en de vuurhaardbelasting. Algemeen geldt hoe groter de luchtovermaat en hoe hoger de verbrandingstemperatuur, hoe groter de emissies van NO_x zullen zijn.

Emissies van NO_x kunnen dus sterk variëren, afhankelijk van de toegepaste technieken (zie hoofdstuk 4), de gebruikte brandstof en de exploitatie-omstandigheden (vb. verbrandingstemperatuur en luchtovermaat). Voor stookinstallaties liggen de NOx-emissies typisch tussen 70 mg/Nm³ en 220 mg/Nm³ (bij 3% O₂), afhankelijk van de al dan niet gebruikte technieken en brandstof (zie Beschikbare Milieuvriendelijke Technieken) (persoonlijke communicatie leveranciers, 2010). Voor motoren, waar de verbrandingstemperaturen typisch hoger en minder homogeen zijn, gelden gemiddeld hogere NO_x-emissiewaarden. Voor gasmotoren (op aardgas) zouden emissiewaarden van 90-190 mg/Nm³ haalbaar zijn (bij 15% O₂, ong. 250-500 mg/Nm³ bij 5% O₂) zonder secundaire maatregelen (zie Beschikbare Milieuvriendelijke Technieken). Voor dieselmotoren liggen de waarden een stuk hoger, namelijk rond 1500-2000 mg/Nm³ (bij 15% O₂, ong. 4000-5300 mg/Nm³ bij 5% O₂) (EGTEI stationary engines sub-group, 2008). Ook de Amerikaanse EPA vermeldt dergelijke emissies voor dieselmotoren op conventionele diesel: van 1870 mg/Nm³ voor ongecontroleerde emissies tot 1100 mg/Nm³ bij toepassing van primaire maatregelen (15% O₂) (US EPA, 1998-2010).

Zwaveloxides (SO_x)

Emissies van zwaveloxides ontstaan door de aanwezigheid van zwavel in de gebruikte brandstof. Fossiele brandstoffen bevatten zowel zwavel als anorganische sulfides of organische componenten. Gedurende de verbranding worden de meeste zwaveloxides gevormd onder de vorm van SO₂.

Voor vaste en vloeibare brandstoffen wordt, in de aanwezigheid van transitiemetalen die dienst doen als katalysator, 3 tot 4% van de zwavel ook geoxideerd tot zwaveltrioxide (SO₃). Zwaveltrioxide wordt geabsorbeerd op stof en in het geval van vloeibare brandstoffen draagt dit bij tot de vorming van zure roet. Aardgas wordt doorgaans beschouwd als zwavelvrije brandstof. Dit is echter niet het geval voor sommige industriële gassen waardoor ontzwaveling van de brandstof noodzakelijk wordt. (OSPAR, 1997)

Emissies van SO₂ vormen voornamelijk een aandachtspunt bij brandstoffen met een hoog zwavelgehalte, zoals residuele brandstoffen (zware of zeer zware stookolie). Het zwavelgehalte van stookolie wordt meer en meer gereguleerd. Residuele brandstoffen bevatten ongeveer 0,7-<1 gew% S (zie NBN T 52-717, 2006), terwijl gasolie verwarming (extra) 0,1-0,005 gew% S bevat (lichte en extralichte stookolie, zie NBN T 52-716 (2004)). Dit geeft uiteraard een heel ander beeld naar zwavelemissies toe: voor stookinstallaties gevoed met residuele brandstof zijn emissies van 1700 mg/Nm³ mogelijk, gestookt met gasolie verwarming (0,1 gew% S) emissies van 180 mg/Nm³. Emissiegegevens van gasturbines op gasolie zijn niet onmiddellijk beschikbaar, omwille van de zeer beperkte toepassing van gasolie als brandstof voor gasturbines.

Brandstofkwaliteit speelt een belangrijke rol bij emissies van dieselmotoren. De zwavelinhoud varieert typisch van 0,1 of minder tot 4 gewichts% S. Middelgrote (tot 25 MW_e) en lage-snelheid motoren (tot ongeveer 90 MW_e) werken doorgaans met de meer ‘economische’ brandstoffen, zoals residuele brandstof (HFO). Kleine, hoge-snelheid motoren (tot ongeveer 5 MW_e) verbranden eerder lichtere brandstoffen, namelijk laag-zwavelige brandstof of ultralaag-zwavelige diesel. Zoals vermeld hebben het as- en zwavelgehalte van de brandstof een belangrijke impact op het emissieniveau bij verbranding, zowel van zwavel als stof.

Zwavelemissies vormen geen probleem bij verbranding van aardgas in stookinstallaties, stationaire motoren of gasturbines. Aardgas wordt immers beschouwd als ‘zwavelvrij’.

Stof en particulair materiaal (PM)

De vorming van stofemissies is afhankelijk van de aard van de brandstof en het verbrandingsproces. Stofdeeltjes (PM) kunnen ingedeeld worden in een ruwe fractie (> 1 µm) en een fijnere fractie (< 1 µm). De term TSP staat voor het totaal stof (Total Suspended Particles) welke alle deeltjes samen bevat, namelijk PM₁₀, PM_2,5, PM₁. PM staat voor particulate matter, waarbij de index de deeltjesdiameter in micrometer weergeeft. Het zijn vooral de fijne fracties die belangrijk zijn bij verbranding en thermische processen.

Zoals gezegd is de aard van de brandstof, met name het gehalte aan asvormende elementen, een belangrijke factor bij de vorming van stofemissies. Deze asvormende elementen kunnen opgedeeld worden in niet-vluchtige elementen (Ca, Si, Mg, Fe, Al) en vluchtige elementen (K, Na, S, Cl en vluchtige metalen). Tijdens het verbrandingsproces zullen de vluchtige elementen gedeeltelijk worden vrijgegeven in de gasfase terwijl de niet-vluchtige elementen in de vaste fase blijven.

Naast de asvormende elementen, is er een tweede type stofemissies die gevormd worden tijdens de verbranding zelf. Dit zijn aerosols. Aerosols, anorganische en organische, dragen in hoge mate bij aan de PM₁₀ emissies.

• Anorganische aerosols worden gevormd uit vluchtige elementen. Deze komen vrij uit de brandstof tijdens de verbranding en komen terecht in de gasfase. De belangrijkste elementen zijn K, S en Cl.
• Organische aerosols zijn het gevolg van onvolledige verbranding en de condensatie van onverbrande koolwaterstoffen tijdens het koelen van rookgassen. De vorming van deze organische aerosols is dus het gevolg van onvolledige uitbrand van de rookgassen en kan beperkt worden door het optimaliseren van het verbrandingsproces (zie Beschikbare Milieuvriendelijke Technieken).

Aerosolen zijn typisch moeilijker te verwijderen uit de rookgassen. Daarnaast kunnen ze dienst doen als condensatiekernen voor onverbrande koolwaterstofverbindingen, zoals PAK’s (PolyCyclische Aromatische Koolwaterstoffen) welke kankerverwekkend zijn.

Vaste brandstoffen bevatten aanzienlijk meer asvormende elementen dan vloeibare of gasvormige brandstoffen. Stofemissies zullen dan ook voornamelijk een probleem vormen bij het gebruik van kolen (of biomassa) en niet zozeer bij stookolieverbranding en helemaal niet bij aardgasverbranding. De meeste kleine en middelgrote stookinstallaties op fossiele brandstoffen worden met deze laatste twee brandstoffen gestookt, waardoor de stofproblematiek hier minder groot is. Stof vormt wel een probleem bij dieselmotoren.

Voor stookolie worden typisch emissies van < 150 – 225 mg/Nm³ stof vermeld (3% O₂), voor aardgas < 1 mg/Nm³ (3% O₂).

CO

Koolstofmonoxide (CO) wordt gevormd wanneer de in de brandstof aanwezige koolstof niet volledig verbrand wordt. Het is in feite een intermediair product bij verbrandingsprocessen. De aanwezigheid ervan wijst op een mank lopend verbrandingsproces: de concentratie CO wordt zo veel mogelijk beperkt om efficiëntieverliezen te beperken. Het vormingsmechanisme van CO is te vergelijken met dat van thermische NO_x en VOS.

Verschillende factoren kunnen een invloed hebben op het al dan niet volledig verbranden van koolstof, bijvoorbeeld

• de efficiënte menging van lucht en brandstof;
• de aanwezige luchtovermaat beschikbaar voor volledige verbranding;
• de verblijftijd;
• het temperatuurprofiel in de ketel.

Om koolstofverliezen zoveel mogelijk te beperken, dienen deze parameters zoveel mogelijk getoetst te worden aan de verbrandingskarakteristieken van de brandstof.

Hoe kleiner de installatie wordt, hoe moeilijker het wordt om de verbranding te optimaliseren en hoe moeilijker het wordt om CO emissieniveaus te beperken.

Typische emissiewaarden voor verbrandingsinstallaties liggen tussen 50 en 250 mg/Nm³, maar zijn in grote mate afhankelijk van operationele factoren en eventuele NOx reductiemaatregelen (zie Beschikbare Milieuvriendelijke Technieken). CO-emissies bij motoren liggen meestal iets hoger, zeker bij gasmotoren.

CO₂

CO₂ is het eindproduct van volledige verbranding en vanuit technisch oogpunt dan ook een ‘gewenst’ product. De emissie is direct gerelateerd aan het koolstofgehalte van de brandstof. Voor kolen bedraagt de emissiefactor 95 kg/GJ, voor stookolie 78 kg/GJ en voor gas 56 kg/GJ. Emissie van CO₂ is bij de verbranding van fossiele brandstoffen onvermijdelijk, maar kan wel zoveel mogelijk beperkt worden, namelijk door zo efficiënt mogelijk te werken. Op die manier wordt de hoeveelheid primaire brandstof nodig voor de productie van eenzelfde energiehoeveelheid beperkt en dus ook de CO₂-emissies.

Andere polluenten

Zware metalen

De emissie van zware metalen ontstaat omwille van hun aanwezigheid als natuurlijke component van fossiele brandstoffen. De meeste van deze metalen (As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Se, Zn, V) komen vrij als verbindingen (bv. oxides, chlorides) samen met stofdeeltjes. Enkel kwik en selenium komen deels voor in de gasfase. De minder vluchtige elementen hebben de neiging te condenseren op het oppervlak van kleine partikels in de rookgasstroom.

De aanwezigheid van zware metalen in kolen is doorgaans enkele malen groter dan in olie of aardgas.

Waterstofchloride en –fluoride

HCl emissies zijn te wijten aan sporen van chloride in fossiele brandstoffen zoals kolen en olie. Bij de verbanding van deze brandstoffen worden kleine hoeveelheden chloride vrijgelaten. Deze worden samen met het vocht uit de lucht omgezet tot kleine waterstochloride druppeltjes.

Zoals chloride is ook fluoride een natuurlijk spoorelement aanwezig in fossiele brandstoffen. Samen met waterstof vormt het waterstoffluoride (HF).

Ammoniak (NH₃)

Emissie van ammoniak is niet zozeer te wijten aan de verbranding van fossiele brandstoffen, maar kan optreden bij rookgaszuivering in SCR of SNCR installaties tengevolge van de zogenaamde ‘ammoniak slip’. Voor meer informatie hierover wordt verwezen naar Beschikbare Milieuvriendelijke Technieken.

Vluchtige organische componenten (VOS)

De emissie van vluchtige organische componenten bij stookinstallaties en stationaire motoren is te wijten aan de onvolledige verbranding van de brandstof. Net zoals CO wijst het dus op een slechte verbranding. Een efficiënt verbrandingsproces zorgt normaal gezien voor een beperkte emissie van VOS.

Persistente organische componenten, dioxines en furanen

De meest beschouwde persistente organische componenten die worden uitgestoten bij verbranding van fossiele brandstoffen, zijn onder andere PAK’s (PolyCyclische Aromatische Koolwaterstoffen), PCDD’s (PolyChloorDibenzoDioxines) en PCDF’s (PolyChloorDibenzoFuranen).

PCDD en PCDF moleculen zijn niet erg vluchtig en kennen een grote thermische en chemische stabiliteit wanneer geadsorbeerd op partikels. Enkel bij temperaturen boven 1000°C worden ze afgebroken.