Katalysator

Beschrijving

De meeste ongewenste of potentieel ongezonde en/of milieuschadelijke verbindingen  in houtrook zijn het resultaat van onvolledige verbranding (zie Emissievorming bij houtverbranding). Met behulp van een katalysator wordt de temperatuur voor verbranding van de verbindingen in de houtrook sterk verlaagd, waardoor de producten van onvolledige verbranding verder geoxideerd (verbrand) worden. De katalysator zal dus zorgen voor een ‘schonere’ verbranding.

Wanneer hete gassen door de katalysator gaan, treden er reacties op die lijken op verbranding, maar zonder vlammen. Het doel is om zoveel mogelijk verontreinigende stoffen om te zetten in koolstofdioxide en water. In het geval van een houtkachel- of ketel, geeft de katalysator ook warmte af door oxidatie van de rook, waardoor de verbrandingsefficiëntie verbetert en tegelijkertijd de vervuiling vermindert. (White Beam, 2015)

De basisstructuur van vaste katalysatoren kan bestaan uit metalen (meest voorkomende is ijzerlegering) of keramiek (bijvoorbeeld aluminiumoxide, zirkoniumoxide). De actieve metalen die verantwoordelijk zijn voor de katalytische reactie zijn meestal edelmetalen zoals platina (Pt), rhodium (Rh), en/of palladium (Pd) met volgende hoofdkenmerken (Figuur 1):

Figuur 1: Werking van een katalysator en omzetting van vervuilende stoffen (Cork, 2013)

Volgende activiteiten van de metalen kunnen worden waargenomen:

Rh > Pd > Pt → oxidatie van CO

Pt > Rh > Pd → oxidatie van VOS

Rh > Pd > Pt → reductie van NO

Indien de rookgassen zeer hoge temperaturen kunnen halen, kunnen niet edelmetalen zoals nikkel (Ni), koper (Cu), en magnesium (Mg) gelijkaardige conversiepercentages behalen. (Mack R. , et al., 2017))

Een aantal verdelers van keramische katalysatoren voor houtverbranding zijn o.a. Bullerjan (type Chimcat), voornamelijk actief in Europa; en Firecat (zoals de Combustor ACI-68C of Combustor ACI-2C), vooral actief in de VS.

Een aantal verdelers van metalen katalysatoren zijn Condar (type SteelCat), voornamelijk actief in de VS); en Ecolink (type PALCAT en ABCAT), voornamelijk actief in Europa en Vlaanderen.

Toepasbaarheid

Katalysatoren hebben vooral de functie om de emissies- bij een goed geïnstalleerde en correct werkende kachel, én een correct stookgedrag van de gebruiker- verder te verminderen. De optimale verbranding als startpunt zal tevens bijdragen aan een langzamere degradatie en een langere levensduur van de katalysator.

Temperatuurgrenzen en bypass:

De reacties die de katalysator bevorderen (zie ook Figuur 27), zijn temperatuurafhankelijk. Als de rookgastemperatuur een bepaalde drempel overschrijdt, begint de katalysator te werken en wordt deze warmer dan het rookgas dat er binnenkomt. Dit staat bekend als de activatie- of light-off – temperatuur en treedt meestal op tussen 250°C-300°C voor CO-reductie, terwijl reductie van koolwaterstoffen meestal vanaf 150°C begint voor cyclische verbindingen. Wanneer het rookgas onder de light-off-temperatuur is, zal de katalysator geen oxiderende werking hebben. Verschillende factoren dragen bij tot een goede verbranding en zullen zorgen voor een voldoende hoge verbrandingstemperatuur boven de light-off temperatuur.

Voor keramische katalysatoren is een té lage temperatuur nadelig omdat sommige oliën en teer in het verbrandingsgas (bijvoorbeeld creosoot) op de katalysator zullen worden afgezet, wat de reinigingsfrequentie van de katalysator significant zal verhogen. Daarom zijn de meeste verbrandingstoestellen met geïntegreerde katalysator uitgerust met een bypass gekoppeld aan een thermometer. Bij rookgastemperaturen lager dan de light-off staat de bypass klep in een open positie en zullen de rookgassen rechtstreeks naar het rookgaskanaal circuleren zonder door de katalysator te gaan. Bij rookgastemperaturen hoger dan de light-off, sluit de bypass klep en treedt de katalysator in werking (zie ook Figuur 2) (White Beam, 2015).
Een metalen katalysator heeft dit probleem minder, omdat door de hoge geleidbaarheid van de metalen structuur binnenin een zelfreinigend proces op gang komt waardoor de aromatische verbindingen uit teer verbrand worden. Een bypass installeren gekoppeld aan een thermometer is voor deze uitvoering dus niet noodzakelijk, en vaak is een manuele bypass mogelijkheid al voldoende.

Figuur 2: Keramische katalytische houtverbranding met bypass (Firecat, 2019)

De bovenste temperatuurgrens van de katalysator wordt bepaald door de structurele en chemische limiet voor het dragermateriaal (indien aanwezig), de washcoat (drager van het actief materiaal en gebruikt om het materiaal over een groot oppervlak te verspreiden) en actief materiaal, en het productieproces. De keuze van katalysator zal dus de werkingstemperatuur bepalen. Vaak ligt deze bovengrens boven de 500°C en zal dit bij standaard stookinstallaties geen probleem vormen.De hoge activatietemperaturen beperken de toepasbaarheid tot rookgassen die de light-off temperatuur behalen net boven de verbrandingskamer (Mack R. , et al., 2017)

Locatie en installatie:

Het doel is om voor een snelle opwarming te zorgen en boven de activatietemperatuur te blijven, maar tegelijk ook om de maximale temperatuur niet te overschrijden ( >500°C). Daarnaast moet de katalysator makkelijk toegankelijk blijven voor de gebruiker voor de verwijdering, reiniging, en vervanging. De locatie moet, indien mogelijk, gekozen worden zodat het grootste deel van de warmte die door de katalysator vrijkomt nog maximaal benut kan worden, en niet in het rookgaskanaal verdwijnt. (White Beam, 2015)

Keramische katalysator: Een beperking van de keramische katalysator is de reductie in natuurlijke luchtstroming en een hoge drukval (zie milieuvoordeel en cross media effecten). Dit kan verholpen worden door de dwarsdoorsnede van het rookgasafvoerkanaal te verhogen om de drukval te verlagen, terwijl het verwijderingsrendement behouden wordt. Als de stromingsweerstand nog steeds te hoog blijkt te zijn en het toestel onvoldoende natuurlijke trek heeft, dan kan de plaatsing  van een rookgasventilator (zie Geforceerde trek voor voldoende luchttoevoer in de verbrandingskamer) een oplossing bieden. (Mack R. , et al., 2017)

Metalen katalysator: Een metalen katalysator veroorzaakt minder drukval door zijn constructie, en dit wordt ook bevestigd door verschillende drukval metingen (Leveranciersinformatie katalysator, 2019).

Onderhoud:

Het onderhoud en de reiniging van de schouw kan moeilijker zijn dan bij standaard verbrandingstoestellen omdat de katalysator verwijderd moet worden tijdens het reinigen en in sommige gevallen -zoals bij keramische katalysatoren -kwetsbaar is. (Pacific Energy, 2016) De katalysator zelf wordt manueel door de gebruiker verwijderd en met water gereinigd of uitgeklopt. VITO bevroeg een vijftal katalysator gebruikers en daaruit blijkt dat het manueel reinigen vaak op vaste tijdstippen gebeurt, gaande van 1x/dag tot 1x/week tijdens de stookperiodes. De katalysator heeft geen sensor die de gebruiker waarschuwt dat het toestel proper gemaakt moet worden. De correcte werking van de katalysator ligt volledig in handen van het gezond verstand (en de goede wil) van de gebruiker.

Levensduur:

Keramische katalysatoren zijn onderhevig aan schade door fysiek contact, thermische schokken en verstoppingen door een slecht ingestelde bypass of vochtig hout. De katalytische honingraat breekt geleidelijk aan af en moet na verloop van tijd worden vervangen.

Metalen katalysatoren zijn iets robuuster, omdat deze volledig uit metaal zijn vervaardigd en het edelmetaal middels galvanotechniek is aangebracht. Hierdoor zijn ze beter bestand tegen snelle temperatuurswisselingen,agressieve stoffen, en zijn ze minder kwetsbaar tijdens het reinigen.

Globaal gezien is de levensduur van een katalysator bij normaal gebruik geschat op 5-10 jaar.

In slechte omstandigheden, zoals bij het stoken van vochtig of slecht hout (zoals harshoudend naaldhout) en zonder adequaat onderhoud, zullen de poriën van de katalysator gaan verstoppen, en kan het toestel al na enkele jaren tot zelfs enkele maanden zijn werking verliezen. Extra aandacht moet dus worden besteed aan het verbranden van de juiste brandstof en een regelmatig onderhoud.

In Vlaanderen zijn er volgens de leverancier van katalysatoren zo’n honderdtal verbrandingstoestellen met geïntegreerde katalysator in omloop.

Randvoorwaarden toepasbaarheid:

Een aantal  randvoorwaarden waarbij een katalysator toepasbaar is zijn de volgende:

• Temperatuurpieken van minimaal 300°C
• Optimale werkingstemperatuur van > 350°C
• Maximale temperatuur van 700°C
• Voldoende verbrandingslucht voorzien: onderdruk (trek) van de schoorsteen moet minimaal 15 Pa zijn (zie ook maatregel Getrapte luchttoevoer, Sturing luchttoevoer - monoregeling luchttoevoer, en Sturing luchttoevoer - Automatisch regeling van luchttoevoer en luchtcirculatie over het optimaliseren van de luchttoevoer)
• Katalysator moet bereikbaar blijven voor bediening en onderhoud
• Gebruik van geschikt (en voldoende) droog hout (zie ook maatregel Opvolgen van stooktips en Instructies fabrikant volgen)
• Verbrandingsruimtes moeten gesloten zijn (geen open haarden)

Milieuvoordeel

De integratie van katalysatoren in huishoudelijke houtverbrandingstoestellen kan een efficiënte secundaire maatregel zijn om de uitstoot van houtverbranding te verminderen, en de mogelijke geurhinder te verhelpen. De hoogste uitstoot reductie wordt meestal bereikt voor koolmonoxide. Ook de reductie van koolwaterstoffen en onverbrande organische deeltjes is mogelijk. Tenslotte werkt de katalysator ook als een soort filter waarmee een deel van het fijn stof (vliegas) wordt tegengehouden. De katalysator zal het beste werken bij een nominaal verbrandingsregime.

Keramische katalysatoren:

In het onderzoeksproject Woodstoves2020, gericht op de ontwikkeling van innovatieve maatregelen en technologieën om de uitstoot van houtverbranding verder te verminderen, werden drie keramische katalysatoren (EnviCat 2520, en twee op maat gemaakt) op verschillende plaatsen in een kachel geïntegreerd en geëvalueerd. Hieruit bleek dat katalysatoren die aan de uitlaat van de verbrandingskamer zijn gemonteerd emissie reducties tonen van gemiddeld 70% voor CO, en 32% voor Organic Gaseous Carbon (OGC)[1]. De emissiereductie-efficiëntie nam echter af naarmate de testperiode (100 uur) vorderde, tot 70% van de initiële verwijderingsrendementen. De reiniging van de katalysator had bovendien geen positief effect op de reductie-efficiëntie. Dit komt door deactivatie van de katalysator door aerosolafzettingen (condensatie), voornamelijk K₂SO₄ en KCl die de actieve centra van de katalysatoren gedeeltelijk hebben geblokkeerd. Handmatige reiniging bood geen oplossing en in dit geval moest de katalysator vervangen worden. (Mack R. , et al., 2017)

Metalen katalysatoren:

Uit verschillende testen werden volgende emissie reducties behaald bij metalen katalysatoren:

• 66% reductie van fijnstof emissie (PM2,5) (DBFZ (2018); labo omstandigheden; initiële concentratie 101 mg/m³).
• 75% reductie van PAK’s: (bron (Leveranciersinformatie katalysator, 2019) (feedback document, maximale waarden die in verschillende labo testen zijn behaald; initiële concentratie 2.538 µg/g.)
• 66% reductie van CO: Afkomstig van “testresultaten SP Technical Research Institute of Sweden (november 2016)”. Test werd uitgevoerd met ca. 1,4 liter Pd-katalysator welke het rookgaskanaal volledig afsloot (alle rook door de katalysator). De duur van de test omvatte 4 verbrandingscycli (ca. 5 uur). Gemiddelde CO-concentratie voor de katalysator 3500 ppm.
• 10%-50% reductie koolwaterstoffen: De reductie koolwaterstoffen bedroeg ca. 10% bij een test over 4 verbrandingscycli (testresultaten SP Technical Research Institute of Sweden (november 2016), en 50% volgens een korte duur test van het DBFZ. (DBFZ, 2018).

Om een zicht te krijgen op de werkelijke efficiëntie van een katalysator moet het gemiddelde verwijderingsrendement berekend worden op de hele duur van de stook en over langere periodes (bij voorkeur tijdens een volledig stookseizoen). Het gemiddelde verwijderingsrendement van de emissies zal lager liggen dan de gerapporteerde cijfers in laboratorium omstandigheden omdat de vervuiling het sterkst is bij de start en op het einde van de verbranding, en de katalysator niet functioneert onder de activatietemperatuur. Cijfers van gemiddelde verwijderingsrendementen over één of meerdere verbrandingscycli zijn enkel bekend voor de verwijdering van CO (66%) en van koolwaterstoffen (10%). Hoge CO-en methaan concentraties veroorzaken een zogenaamde “blocking” voor koolwaterstoffen. Hoge concentraties aan verontreinigingen in houtrook vereisen meer katalysatorvolume met een hoger drukverlies tot gevolg welke door een hogere schoorsteen of geforceerde onderdruk met een rookgasventilator gecompenseerd moet worden. Daarom is een katalysator, ongeacht het type, effectiever voor PAK’s naarmate de kachel over het gehele spectrum een lage emissie heeft. Langetermijn reducties gedurende een volledig stookseizoen zijn nog niet beschikbaar.

Daarenboven is ook de gebruiker zelf een belangrijke factor in het behouden van de verwijderingsrendementen en de goede werking van het toestel. In tegenstelling tot elektrofilters, wordt de gebruiker niet gewaarschuwd wanneer de katalysator vuil of verstopt is en niet meer optimaal werkt. Ook zal de gebruiker de katalysator manueel en op reguliere tijdstippen moeten reinigen en gebeurt dit niet automatisch. Het gedrag van de gebruiker speelt bij de efficiëntie van deze maatregel dus een cruciale rol.

Cross media effecten:

Verbranding:

De katalysator kan de stromingsweerstand verhogen met een onvoldoende luchtstroom tot gevolg (hoge drukvallen en trekprobleem in de schouw), wat leidt tot een slechte verbranding met hogere emissies. Onvoldoende trek in de schouw verhoogt de kans op mogelijks gevaarlijke rookgassen die terugstromen in de kamer. (Mack R. , et al., 2017) De plaatsing van een rookgasventilator (zie paragraaf 4.5.6) kan hiervoor een oplossing bieden. Tijdens de bevraging van een vijftal gebruikers over hun ervaring met een metalen katalysator werd gevraagd naar eventuele hinder bij het gebruik van de katalysator. Hier bleek dat trekproblemen veroorzaakt door de metalen katalysator amper voorvallen bij een goed onderhoud en reiniging van het toestel.

Materialengebruik:

Doordat de katalysator gemaakt is met edelmetalen, stijgt het gebruik en de verwerking van edelmetalen zoals Platina (Pt), Rhodium (Rh), en Palladium (Pd).

Afval(water) productie:

Tijdens het reinigen van de katalysator moet er zorgvuldig omgegaan worden met de reststoffen, en vermeden worden dat ze alsnog in de lucht terecht komen. Het reinigen van de katalysator gebeurt met water onder een kraan en heeft afvalwater productie tot gevolg. De samenstelling van het restproduct bestaat doorgaans uit kleine hoeveelheden vaste stof deeltjes waaronder:

-minerale bestanddelen van het hout zoals bv. Calciumoxide

-hout vreemde delen die hieraan gehecht waren zoals zand en aarde

-zouten zoals sulfaten, chloride, carbonaten, (hydr)oxiden, nitraten, en ionische verbindingen;

-metaal- en aluminiumoxide

Vorming van gevaarlijke stoffen:

Er zijn indicaties dat het gebruik van een katalysator onder bepaalde omstandigheden de concentraties aan chloorfenol en dioxines (Polychlorinated dibenzo-p-dioxins and polychlorinated dibenzofurans - PCDD/F) kan verhogen. Een studie uit Finland (Kaivosoja, et al., 2012) gaf verhogingen van een factor 4,3 en 8,7 voor chlorofenol en dioxines, respectievelijk, bij gebruik van een katalysator met Platinum (Pt) en Palladium (Pd). Als vermoedelijke reden hiervoorvermelden de auteurs het katalytisch effect van Pt en Pd op de vorming van deze gevaarlijke stoffen. Deze test werd uitgevoerd op een slecht werkende saunakachel; het is dus onduidelijk of de vorming van gevaarlijke stoffen een risico is bij goed werkende verbrandingstoestellen.

Financiële aspecten

De meerprijs voor een kachel met geïntegreerde metalen katalysator ligt ordegrootte bij de 500 euro (prijs van de kachel zonder katalysator 3.270 euro, met katalysator 3.770 euro incl. BTW) (Leveranciersinformatie katalysator, 2019), geïntegreerd in Altech kachel)

De meerprijs voor een kachel met geïntegreerde keramische katalysator ligt ordegrootte bij de 300 euro (Bullerjan, 2019)