Твердопаливні котли: максимальна економія при мінімальних витратах

Сучасні твердопаливні котли – це високотехнологічні пристрої для спалювання палива й перетворення його в тепло. Є різноманітні твердопаливні котли за типами і конструктивному виконанню. Насамперед, вони розрізняються за видами використовуваного палива– дрова, вугілля, брикети, пелети, торф, небрикетированные рослинні сільськогосподарські і деревні відходи і т. д.

Підготовлена для спалювання деревна маса (дрова) враховується за обсягом різними одиницями вимірювання: насипом («машина»), складометр (скл.м) і кубометр (м³). Складометр можна представити як куб (1 x 1 x 1 м Ш x В x Г) щільно укладених дров – це приблизно 0,75 м³ цільної деревини. Один складометр сухої деревини листяних порід замінює від 200 до 210 л рідкого палива або 200 – 210 м³ природного газу. Енергетичні властивості дров з різної деревини щодо обсягу складування розрізняються приблизно в півтора рази (див. табл. 1). Дрова різних порід дерева мають особливості горіння, вони розрізняються за характером і кількістю виділяються смолистих речовин і утворення сажі.

Таблиця 1. Характеристика різних видів дров

Вугілля являє собою копалини палеозойської горючу осадову породу рослинного походження, що складається в основному з вуглецю та ряду інших хімічних елементів, або це продукт хімічної деревної маси в спеціальних печах («деревне вугілля»), де деревина піддається термічній модифікації, втрачає вологу і специфічні органічні сполуки.

Склад вугілля залежить від віку та умов процесу вуглефікації. Наймолодший – буре вугілля, кам'яне вугілля має «середній» вік, старше всіх – антрацит. Зі старінням відбувається концентрування вуглецю і зменшення вмісту летких сполук, зокрема, води. Так, буре вугілля має вологість 30-40%, більше 50% летких компонентів, у антрациту обидва показники становлять 5-7%, див. табл. 2.

Таблиця 2. Теплота згоряння вугілля

Дані таблиці є довідковими і відносяться до вугільного концентрату. Реальні значення енергоємності можуть сильно відрізнятися. Так, наприклад, для звичайного кам'яного вугілля, який можна придбати на вугільних складах, вказуються значення від 4500 до 5500 ккал/кг. Як видно з таблиці 2, найбільш ефективним і якісним вугіллям визнаний антрацит, але при цьому він і найдорожчий. Ціна такого вугілля, в залежності від його фракції (величини шматків), кількості золи й інших домішок, може коливатися від 3 до 5 тисяч гривень за тонну пального.

Пресована у циліндричні гранули стандартного розміру деревна або рослинна маса – пеллети – це універсальне паливо. Пелети пресуються під високим тиском з натуральної сировини рослинного походження без додавання хімікатів і клеючих речовин. Сировиною для їх виробництва може бути кора, тирса, дроблена стружка, тріска і інші відходи лісозаготівлі і деревообробного виробництва, а також відходи сільського господарства (лушпиння соняшнику, солома, некондиційний льон, лущені качани та стебла кукурудзи, лушпиння сої, бобових та ін), торф, органічні пакувальні матеріали, картонна тара і т. д.

При виробництві паливних гранул не використовуються хімічні єднальні добавки. Органічна складова деревної маси – лігнін – під впливом місцевого підвищення температури при пресуванні і в присутності залишкової вологи спочатку розкладається, а потім її молекули рекомбинируются в нові многомолекулярные ланцюжка. Крім «самосклеивания» лігніном частинки пелет утримуються між собою механічно. При зволоженні пелет вони можуть легко розсипатися. Пелети стандартизовані по енергетичній цінності, зольності і вмісту летючих Таблиця 2. Теплота згоряння вугілля органічних сполук, за походженням і видами сировини.

Варіант деревного палива, подібного пелети – це паливні брикети або «евродрова». Вони виготовляються практично з тієї ж сировини, що і різні види пелет.

Виділяють 3 типи паливних брикетів:

• RUF-брикети. Раф-брикет має форму маленького прямокутного цеглинки.
• NESTRO-брикети. Брикет Нестро – циліндричної форми. Іноді може бути з поздовжнім отвором всередині.
• Pini&Kay-брикети. Брикет Піні-Кей має 4, 6 або 8 граней з поздовжнім отвором всередині.

Паливні брикети, отримані з рослинної сировини – це екологічно чистий продукт. Пресування супроводжується термічною обробкою сировини, після чого «евродрова» стійкі до впливу грибків. З-за більшої щільності «евродрова» горять довше, і підкладати їх у піч (котел) можна рідше в 2-4 рази, ніж звичайні дрова. «Евродрова» горять рівно, не іскрять, не виділяють чадний газ, дають стійке і рівне полум'я. Вони мають високу теплотворність (порівнянної з кам'яним вугіллям) і дають в середньому в 2 рази більше тепла в порівнянні зі звичайними дровами. Вміст золи після спалювання брикетів в межах 1-3%. Для порівняння: вміст золи після спалювання кам'яного вугілля – 30-40%, згоряння природних дров – 8-16%, деревної тріски – 11-18%. З цієї причини сучасні твердопаливні котли, що працюють на «евродровах», чистять значно рідше. При цьому золу можна використовувати як екологічно чисте добриво. Ціна на різні види твердого палива враховує енергетичні характеристики (див. табл. 3) походження, зручність використання і доставки, ступінь пристосованості до автоматичного завантаження, розмір упаковки, логістику і попит.

Таблиця 3. Орієнтовна характеристика різних видів твердого палива

Твердопаливні котли самих різних конструкцій і виробників можна поділити на 4 основних види:

• традиційний твердопаливний котел;
• піролізний твердопаливний котел;
• пелетний котел;
• котел тривалого горіння.

Деякі котли поєднують різні конструкційні рішення, і їх можна віднести до котлів змішаного типу. Наприклад, традиційний твердопаливний котел з можливістю включення пелетної пальника.

Такі котли можуть бути різної форми або виконання, але їх завжди характеризує одне – як саме організовано горіння палива. Вони бувають зі сталевим або з чавунним теплообмінником, мають верхню або фронтальне завантаження палива.

Котли з чавунним теплообмінником були досить поширеними раніше, вони були більш простими у виготовленні, і з-за цього більш дешевими. Зараз вони все більше поступаються ринок виробам, виконаним з котлової сталі.

Подібно горіння дров у вогнищі, горіння палива в традиційному котлі практично не контрольовано. За підтримання температури в ньому відповідає датчик температури, керуючий повітряною заслінкою. Якщо температура води дуже висока – датчик закриває заслінку, а якщо температура низька, то відкриває. Фактично, за рахунок цього можна регулювати потужність всього в межах до 15%.

Традиційні котли (рис. 1) поширені і раніше дуже популярні. Такі котли не вибагливі до складу палива. Фактично це означає, що в топці можна спалювати практично все, що здатне горіти, але, звичайно, потужність котла і характер горіння від цього сильно змінюється.

Рис. 1. Традиційний твердопаливний котел

Однак ці котли найвимогливіші до обслуговування серед всіх типів твердопаливних котлів. На хорошому вугіллі вони здатні працювати 3-4 години. При використанні низькосортного палива, наприклад, вологої деревини, час горіння скорочується до 1,5-2 годин. Суха якісна деревина здатна підтримувати роботу котла до 2-3 годин. При цьому кількість золи, що збирається в нижній камері, досить велика, і котел потрібно періодично і досить часто чистити. Чим гірше паливо, тим частіше потрібно чистити зольник і димоходи.

Традиційні котли виконуються в двох варіантах – з вентилятором або без. Безвентиляторні котли відносяться до найбільш конструктивно простим і дешевим моделям. До цього типу котлів відносяться, наприклад Vision (Thor), Viessmann WBS, Protherm Бобер, Radijator серій k і R та інші. Користуються попитом також дров'яні сталеві котли Viessmann (Німеччина) і чавунні котли Protherm.

Вентилятор твердопаливного котла надає йому здатність до 30-35% регулювати свою потужність. За рахунок регулювання вентилятором, горіння може тривати до 3-5 годин. Вентиляторні котли також забезпечуються блоком автоматики, здатним крім управління вентилятором керувати також і водяним насосом. Застосування таких котлів більш економічно, тому вони стають все більш популярними в порівнянні з їх безвентиляторними побратимами. Прикладом таких котлів можуть служити львівські котли Veren, сербські Radijator FK, болгарські котли MAT.

Інший тип твердопаливних колов – піролізні або газогенераторні котли – використовуються давно, але мають більш складну конструкцію і зовсім інший процес горіння, див. рис. 2. Сам по собі процес піролізу давно відомий у багатьох галузях техніки і промисловості, зокрема, він широко застосовується в фармацевтиці та нафтової промисловості, давно використовується для ДВЗ для заміни рідкого палива на автомобілях.

Рис. 2. Піролізний або газогенераторний котел

В твердопаливних котлах піроліз означає повільне тління сухих дров при малій кількості кисню. При цьому з дров виділяються горючі гази, які через отвір в камері завантаження дров потрапляють в другу камеру, куди за допомогою вентилятора подається надлишкова кількість повітря, що виділився газ загоряється і активно горить. Завдяки такій специфічній організації процесу горіння дров і спеціально спрофилированным поверхням теплообміну, ККД такої техніки помітно вище, ніж у звичайних твердопаливних котлів, і досягає 90-92%.

Піролізні котли оснащуються одним або двома вентиляторами, що регулюють подачу повітря в первинну і вторинну камери. Піролізні котли оснащуються сучасною автоматикою, здатної не тільки стежити за процесами горіння, але і керувати вентиляторами та насосами опалення, по датчику включати насос на ГВП, контролювати температуру буферної ємності, спостерігати за температурою викидів, за якою можна судити про якість згорання палива і ін.

Все це робить піролізні котли більш екологічно чистими і економічними в порівнянні зі звичайними твердопаливними котлами. Але разом з цим, дані котли мають підвищені вимоги до якості палива. Вологість дров не повинна перевищувати 15%, а в деревині повинні бути відсутніми смоли. Хоча вимоги до дров зростають, тривалість горіння піролізних котлів значно вища (від 5 до 8 год), ніж у звичайних котлів, що залежить від якості дров. Звичайно, подібні котли, вже не здатні працювати без підключення електрики. Діапазон потужності таких котлів складає від 20 до 60 кВт, що покриває будь-які побутові потреби приватних будинків або котеджів.

Завдяки високотемпературному згорянню піролізних газів з контрольованою подачею кисню повітря в нижній камері, димові гази практично не несуть з собою шкідливих домішок, а здебільшого складаються з вуглекислого газу і звичайного водяного пара. У середньому викиди такого котла в три рази чистіше, ніж у твердопаливного котла звичайного, який працював би на тих же дровах.

У пелетних котлах автоматична подача гранульованого палива та його спалювання здійснюється з допомогою спеціальних пристроїв – пальників.

Всі пелетні пальники поділяються на два види: факельні і ретортне (рис. 3). Пелетні котли традиційно мають досить високий ККД – від 90% і вище, та великий вибір по потужності. Конструктивні відмінності пристроїв даних видів полягають у способі подачі палива в зону активного горіння і повітря для постійної підтримки цього процесу.

Пелетні пальник ретортного типу сконструйована у вигляді чаші з каналами, по яких подається повітря, див. рис. 3. Паливо за допомогою механізму подачі (шнек) подається в топку, де відбувається автоматичний підпал пелет з допомогою Тена. Горіння пелет в таких котлах візуально схоже на горіння багаття.

У чашу паливні гранули в залежності від конструкції пальника можуть насыпаться зверху, а можуть виштовхувати шнеком знизу. Спалювання палива відбувається в камері котла, тому горіння називають об'ємним. Головне достоїнство ретортних пальників полягає в їхній низькій ціні. Важливою перевагою є здатність спалювати не тільки пелети, але і дрібне вугілля, тріски, тирсу. Немає і обмежень по потужності моделей, що випускаються.

В якості прикладу котлів з ретортним пальником можна назвати Radijator моделей TKAN-1 і TKAN-2 (Сербія) та Viessmann Vitoligno (Німеччина), див. рис. 3.

Рис 3. Пелетний котел з пальником ретортним

Для захисту від зворотного горіння, наприклад, у котлах компанії Viessmann (Німеччина) застосовується відразу три ступені такого захисту. По-перше, за рахунок особливого розташування подаючої лінії створюється щільний шар палива, що блокує поширення вогню. По-друге, при перевищенні допустимих показань датчика температури лінії подачі палива відбувається короткочасне підвищення витрати палива, що також перешкоджає поширенню вогню. І, по-третє, в разі небезпеки зворотного горіння, або при відключенні електроенергії, приводиться в дію заслінка (горизонтальний відсічною шибер або шлюзовий затвор).

До недоліків ретортних пальників можна віднести в основному громіздкість вироби і пожежонебезпека (займання палива в подаючому пристрої). Такі котли зазвичай досить габаритні і погано поміщаються в невеликі топкові і котельні. Через конструкції шнекового пристрою подачі палива при виході з ладу вентилятора трапляється перегрів і можливо зворотне горіння, але зазвичай постачальники котлів з пальниками такого типу встановлюють запобіжні датчики для захисту від подібних випадків.

В котлах з факельної пальником подача палива організована у зовнішню пальник, в якій знаходиться як елемент розпалу, так і вентилятор для подачі повітря, див. рис. 4. Частину пальника заведена в топку котла, і з її сопла б'є «факел полум'я. У пальнику такого типу відбувається щось подібне горіння в піролізних котлі – тут є певна зона, де відбувається термічне розкладання деревини і формується потік горючих газів, що утворюють вогненний «факел» з суміші вторинного повітря і горючих газів з температурою горіння близько 1500°С.

Рис. 4. Факельна пальник. 1 – подача пелет; 2 – подача повітря; 3 – камера згорання або «кошик»; 4 – камера газів, утворених термічним розкладанням деревини; 5 – всмоктуючий вторинного повітря; 6 – згоряння горючих газів в сопло пальника; 7 – потік зольних частинок, викидається в зольник пальника; 8 – вентиляція каналу подачі пелет (запобігає загорянню пелет в зоні завантаження)

Факельні пальника за зовнішнім виглядом і принципом дії схожі з рідкопаливними вентиляторними газовими та пальниковими пристроями. Такими пальниками оснащуються універсальні твердопаливні котли. Їх застосовують також при модернізації звичайних дров'яних котлів для можливості роботи на пелетах.

У вогневої труби факельної пелетної пальника, що служить камерою згоряння палива, відбувається спалювання гранул на вкладеному колоснику (в т. н. «кошику»). Кількості повітря від вентилятора для горіння гранул вистачає для повного спалювання. Продукти згоряння (частинки золи) видуваються в топку котла (див. поз. 7 на рис. 4). Подаються пелети з допомогою живильника, керованого контролером пальника.

Перевагами пальників такого типу можна назвати, в першу чергу, компактність конструкції. Такі моделі займають помітно менше місця. До недоліків – більш високу вартість і відносно невеликі потужності котлів з подібними пальниками. Також у подібних пальниках, на відміну від ретортних, зазвичай можна спалювати тільки пелети.

В обох типах пальників, як в ретортним, так і в пелетної, здійснюється автоматичне регулювання роботи за допомогою системи датчиків, що стежать за тягою, кількістю залишкового кисню у відхідних газах та іншими параметрами. Очищення слід проводити не рідше ніж раз на 1-3 місяці, залежно від якості і типу пелет.

Котли тривалого горіння

Твердопаливні опалювальні котли тривалого горіння ще називають «котлами верхнього горіння» або «котлами з подовыми топками». Вони характеризуються найбільш тривалою роботою на одній закладці палива, див. рис. 5.

Рис. 5. Схема котла тривалого горіння

У цих котлах повністю відсутні зольник і колосник. Внизу котла – глухий піддон («під»). У нижній частині обсягу заставленого горіння палива не просто небажане, а неприпустимо. Топка має циліндричну форму. Повітря подається зверху по її центру і забезпечує горіння верхнього шару закладки.

Розподільник повітря в топці рухливий: при закладці пального він піднімається; в процесі горіння спирається безпосередньо на паливо і опускається (розсувається) по мірі його згоряння. Повітря весь час подається безпосередньо до верхнього шару палаючого палива, де відбувається лише часткове окислення вуглеводнів (пиролизация). Продукти згоряння разом з частинками золи виносяться у верхню частину топки: їх відділяє від області первинного горіння масивний металевий диск.

До піролізного газу ще підмішується атмосферне повітря, леткі продукти згоряння допалюються, виділяючи тепло на теплообмінник.

На вході в камеру допалювання є автоматичний регулятор тяги, завдяки якому опалювальний котел тривалого горіння визначає температуру теплоносія і підлаштовує швидкість витікання пічних газів. Зольні залишки несуться потоком повітря і не перешкоджають горінню палива. Теплообмінником є весь корпус котла. Вода циркулює зверху вниз.

Паливо після завантаження згорає повністю, без залишку. Період роботи без дозавантаження визначається тільки розміром топливника. Після того, як котел вийшов на робочий режим, іноді через спеціальну дверцята можна довантажувати паливо в невеликих кількостях (або побутові відходи).

Фактично, котел тривалого горіння (КДГ) – це модифікація піролізного котла, він має високий ККД і стійкий до відмов, не вимагає складної автоматики. Є конструкції, здатні спалювати не лише дрова і продукти переробки деревини, але і вугілля.

З-за протилежного напрямку теплоносія (зверху вниз) ці котли більшою мірою чутливі до температури теплообмінника, ніж звичайні твердопаливні котли. Перевищення швидкості циркуляції буде викликати випадання конденсату на теплообміннику. КДГ також дуже чутливий до наявності електрики і його напрузі, при відключенні електрики під час процесу горіння можлива поломка котла.

При нестачі наддуву може утворюватися шар спеченого попелу («кірка»), що викликає падіння тепловіддачі котла. Є й інші особливості. Наприклад, розміри топки роблять важким її розпал при неповному завантаженні.

У дров'яних котлах з природною циркуляцією повітря і зовсім доводиться постійно тримати кочергу поруч. Котли верхнього згоряння чутливі до розмірів фракції, щільності укладання та вологості палива.

Економічне опалення

На рис. 6 представлена типова схема системи опалення і ГВП з використанням твердопаливного котла. Для підвищення стабільності системи опалення, скорочення частоти завантажень палива та повноти використання теплової енергії, що виділяється котлом, рекомендується використовувати баки-накопичувачі гарячої води в якості теплового акумулятора. Застосування накопичувачів гарячої води підвищеного об'єму дозволяє в 3-4 рази скоротити витрату палива за опалювальний сезон. Достатній запас гарячої води дозволить також проводити обслуговування котла (завантаження палива) у зручний час.

Рис. 6. Типова схема підключення твердопаливного котла

Орієнтовний об'єм буферного бака V_б.б(л) можна визначити за формулою:

V_б.б = 13,5·Q_к·Т_в

де Q_до– теплова потужність котла, кВт; Т_в– час, за який вигоряє паливо, ч. Наприклад, для котла потужністю 18 кВт і часом вигорання разової заправки паливом (закладка бункера) 4 години, необхідний буферний бак не менш ≈972 л або (округлено) 1 м³.

Трішки дьогтю

Дьоготь – це не фігура мови про деякі недоліки. Дійсно, неправильний вибір палива (наприклад, недостатньо сухі березові дрова) для даного конкретного котла може викликати утворення дьогтю в димоході, який буде стікати в камеру згоряння, порушуючи стійке горіння і виділяючи токсичні гази.

Низька температура зворотної лінії теплоносія (< 55°С) може викликати витікання конденсату з котла – кажуть, що «котел плаче». Рекомендується підтримувати температуру «обратки» не менш 60-65°С, для чого використовують триходові клапани або подмешивающие пристрої з термостатом. У разі, якщо очевидно, що на стінках налипає смола, то потрібно підняти температуру прямої лінії мінімум до 75°С і при першій же можливості почистити котел.

Буває, що котел димить так, що дим йде навіть з дверцят котла. Причина цього – в поганій тязі димоходу з-за невірного проектування, або якщо димохід банально засмітився сажею. Потрібно регулярно чистити димоходи або використовувати рекомендовані виробником котла хімічні реагенти для видалення сажі. Якщо з димоходу тече конденсат (вода), то вірогідною причиною може бути недостатня утеплення димоходу зовні будинку і переохолодження його стінок.

Якщо ви помітили перевитрата палива, то тут може бути причин набагато більше. Це може бути якість палива (фактичні вологість і калорійність, щільність і т. д. Погане паливо дає менше тепла, і котел не може видати необхідну опалювальну потужність. Щоб уникнути цього, бажано вибирати твердопаливні котли з запасом потужності 20-25%, тоді вологість дров не так позначиться на ефективності котла. Складніше, якщо причина в некваліфікованому проектуванні системи опалення, поганому утепленні огороджуючих конструкцій будівлі, неправильно підібраною потужності котла. Подібні причини можуть викликати порівняльний перевитрата палива більш ніж в 1,5-4,5 рази навіть при однаковій потужності котла та схожості опалювальної площі приміщень.

Велика зольність і забрудненість гранул піском може викликати утворення «коржа» на пальниках пелетного котла, викликати припинення нормальної роботи пальника.

Йде чорний дим з труби – слабка тяга в димоході, потрібна прочищення або збільшення його висоти, перевірка вентиляторів. Багато золи та залишків горіння – швидше за все неякісне або не відповідне котла паливо або недостатня подача повітря. Дрова горять нормально, а вугілля не горить – невідповідність розмірів топливника та димаря.

Якщо в системі опалення при роботі котла сильно піднімається тиск – розширювальний (компенсаційний) бак або пошкоджено, чи має недостатній обсяг. Якщо тиску, навпаки, замало, то, швидше за все, спалюється недостатньо калорійне або вологе паливо.

Більшість неполадок твердопаливних котлів викликано саме неправильною експлуатацією і нерегулярністю чисток. Найбільше турбот і уваги до себе вимагають традиційні котли з ручним завантаженням палива. Сучасні котли з розвиненими системами автоматики, автоматичним завантаженням і працюють на «стандартному» паливі – піллетах або евродровах – в експлуатації подібні газового чи електричного устаткування і приносять найменше клопоту взимку. При цьому їх експлуатація обходиться набагато дешевше. Але це відбувається, якщо їх вчасно, згідно з рекомендаціями заводу-виробника, обслужили і перевірили сертифіковані фахівці.