Издательский Центр Аква-Терм

Твердотопливный и… конденсационный?

Опубликовано: 05 февраля 2013 г.

453

 С. Трехов

Одно из направлений повышения эффективности теплогенерирующего оборудования – максимально использование энергии топлива. Это не только полное вовлечение его в реакцию и снижение теплопотерь с отходящими газами, но и использование высшей теплоты сгорания, успешно реализуемое в различных типах конденсационных котлов: газовых, жидкотопливных и даже… твердотопливных.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.

 У большинства специалистов такой «экзотический» тип теплогенератора может вызвать недоумение: ведь хорошо известно, что не только жидкотопливные, но и использующие пропан-бутановую смесь конденсационные котлы заметно уступают в эффективности работающим на природном газе. В то же время возможность утилизировать скрытую теплоту парообразования потенциально существует для всех типов теплогенераторов, в которых сгорают углеводороды: один из продуктов реакции – вода в газовой фазе. Поэтому существует теоретическая энергетическая «дельта Q» между высшей и низшей теплотой сгорания. И ничто в принципе не мешает сделать биотопливный котел конденсационным (рис. 0). 

Рис.0 
Лидирует природный газ 
При горении углеводородного топлива конечными продуктами являются оксид углерода II и вода, которая получается в газовой фазе (пар). Очевидно, что этот пар имеет определенный запас энергии – скрытую теплоту конденсации, которую можно утилизировать при фазовом переходе. Это количество тепла – разность значений высшей и низшей теплоты сгорания. При прочих равных условиях эта разность будет тем больше, чем больше образуется пара при сгорании топлива, т. е. зависит от его вида. Так, у природного газа высшая теплота сгорания – 37,7 МДж/м3 , низшая – 34 МДж/м3. А теоретически энергетический «довесок» за счет конденсации пара – продукта реакции горения – может составить для природного газа 11 %, сжиженного пропан-бутана – 9, дизельного топлива – 6, биотоплива – 2–3 %. 
В общем виде уравнение реакции углеводородов с кислородом можно записать так: 
CmHn + (m + n/4) O2 = mCO2 + (n/2) Н2O + Q, 
где m, n – число атомов углерода и водорода в молекуле; Q – тепловой эффект реакции (теплота сгорания). Для целлюлозы уравнение выглядит как:
6Н10О5)n + 6n О2 -----> 6n CO2 + 5n H2
Для природного газа (метана): 
CH4 +2O2=CO2+2H2O.
В качестве окислителя при сжигании топлива в котельных агрегатах используется атмосферный воздух, который представляет собой смесь газов – 21 об. % кислорода, 78 % азота и один процент – оксида углерода II, инертных газов и др. Для технических расчетов обычно принимают условный двухкомпонентный состав – кислорода – 21 и азота – 79 об. %. Поэтому для полного сжигания топлива воздуха по объему потребуется в 100/21 = 4,76 раза больше, чем кислорода. 
Нетрудно заметить, что для сжигания одной грамм-молекулы целлюлозы потребуется шесть молей кислорода (а значит, 30 – воздуха), а метана – только 10, при этом объем воды в газовой фазе получится во втором случае вдвое больше, чем топлива и оксида углерода II.
Особенности горения биотоплива
Для начала реакции дерево сначала нужно нагреть до определенной температуры. Источником тепла может послужить как открытый огонь – горящий участок полена, щепки, брикета, так и электрический термоэлемент. При достижении температуры около 150 °С начинается постепенное обугливание дерева с образованием самовоспламеняющегося угля. При 300 °С начинается процесс активного термического разложения древесины, при котором из обуглившегося слоя выделяется белый или бурый дым. Он состоит из продуктов термического разложения древесины и пара. Температура зоны разогрева может резко увеличиться за счет теплоты от сгорания пиролизных газов, температура вспышки которых лежит в пределах 250–300 °С. Воспламенение древесины происходит при температуре, превышающей 450–470 °С. Решающее значение для начала горения имеет плотность материала, как плотность материала, так и влажность. Так, пористая древесина ольхи или тополя воспламеняется быстрее, чем плотная – бука или дуба. Мокрая древесина труднее воспламеняется, потому что вначале необходимо израсходовать дополнительное количество теплоты на испарение воды. Замедляющим фактором также является повышенная теплопроводность мокрой древесины; загоревшийся поверхностный слой ее скорее охлаждается. 
Принципиально важным и непременным условием для воспламенения и горения любого вещества является достаточный приток кислорода и концентрация теплоты горения, которая не рассеивается, а идет на прогрев новых смежных участков топлива до температуры воспламенения. Таким образом, даже эффективное горение дров или опилок в обычных твердотопливных котлах сопровождается значительными (20 и более процентов) потерями тепла с отходящими газами за счет повышенной влажности и коэффициента избытка воздуха.
Стоит ли овчинка выделки?
Теоретически значительная экономия топлива у газовых конденсационных аппаратов, окупающая их повышенную стоимость, становится почти вдвое меньше у жидкотопливных и совсем небольшой – у биотопливных котлов. При сжигании угля получить какой-то дополнительный энергетический выход и теоретически проблематично. 
Но производители конденсационных биотвердотопливных котлов, дровяных или пеллетных приводят данные, согласно которым обеспечивается дополнительное поступление до 15 % энергии, а КПД – достигать 97 %. Количество дополнительно получаемого тепла зависит не только от абсолютных значений выхода пара, но и от его концентраций, объемного процента в дымовых газах. Причем, чем он меньше, тем ниже температура точки росы для продуктов реакции, при которой достижим конденсационный режим, ниже должна быть и температура обратки. Теоретически она должна была доходить до 20 ˚С.
Строго говоря, в этом случае утилизируется скрытая теплота парообразования. Однако в дымовых газах содержится также поступившая с воздухом вода в газовой фазе (она нагревается, воспринимая выделившуюся при горении энергию за счет теплоемкости) и пар, образовавшийся при фазовом переходе влаги топлива – в ней заключается энергия, затраченная как на фазовый переход, так и на нагрев до температуры продуктов реакции. Зачастую подсчитывая энергетический выход при конденсационном режиме к дополнительно получаемому теплу относят и эти две составляющих. И тогда при конденсационном режиме эффективность может оказаться даже выше теоретической достижимой по стехиометрическим уравнениям.
С формальной точки зрения это энергия рекуперации – возврат первоначально затраченной, и к получаемому дополнительному теплу за счет использования высшей теплоты сгорания она не относится. Однако на практике иногда между ними ставится знак тождества.
Для газовых и жидкотопливных котлов такой «довесок» невелик. Например, содержание влаги в дизельном топливе составляет лишь доли процента. Но при использовании биотоплива – дров, опилок, брикетов, пеллет экономия за счет рекуперации (обратного фазового перехода пар/жидкость) может составлять уже несколько процентов, а температура точки росы дымовых газов (в зависимости от влажности топлива) превышать 40 и даже 50 ˚С. Поэтому правильнее было бы, говоря о конденсационных твердотопливных котлах, все же подчеркивать эту их специфическую особенность – конденсационно-рекуперационный режим. 
Так, влажность дров может доходить до 30–50 %, пеллет – до 12 %. И если сложить энергию конденсации пара, полученного как продукт реакции, и энергию, затраченную на испарение влаги и возвращенную в систему теплоснабжения при обратном (пар–вода) переходе, то «овчинка» – твердотопливный конденсационный котел действительно может стоить выделки.
Первые «ласточки»
Чтобы перечислить компании, которые выпускают твердотопливные конденсационные котлы, вполне хватит пальцев на одной руке. Компания ÖkoFEN (Австрия) первой в мире в 2004 г. приступила к производству биотопиливных котлов, реализующих конденсационный режим (рис. 1).
Рис. 1. Биотопливный конденсационный котел Pellematic
В настоящее время серии представлены рядом моделей мощностью 8–56 кВт. Сдвоенные, тандемные модули имеют мощность до 112, объединенные в каскады (четыре котла) – 224 кВт. Серия компактных биотопливных котлов Pellematic Mini рассчитана на применение в домах с низким энергопотреблением (low energy buildings) и пассивных домах.
В серии биотопливных конденсационных котлов Pellematic Plus используются новейшие технологии, позволяющие обеспечивать жесткие современные стандарты эффективности и экологичности (рис. 2).
Рис. 2. Конструкция котла Pellematic Plus
По данным компании, конденсационный режим обеспечивает дополнительный 10–15 % приток тепла. Обязательное условие для него – низкая (30 ˚C) температура теплоносителя в обратной линии, характерная для напольного отопления или систем с нагревательными панелями. При этом температура дымовых газов находится в диапазоне 30–40 ˚С. Модели этой серии характеризуются низким уровнем эмиссии вредных компонентов, полностью автоматизированным режимом работы, автоматическим зажиганием и сравнительно небольшими габаритными размерами и массой. Например, модель мощностью 3,9 кВт требует для своей установки 1,5 м2 площади. Разработанная компанией программа Gewebetank позволяет в максимальной степени использовать преимущества такого типа биотопливных котлов в системе отопления для домов с низкой энергетикой.
Пеллетные конденсационные котлы Wood Pellets Spira (рис. 3) как для внутренней, так и для наружной установки производит также компания Grant (Великобритания).
Рис. 3. Котел Wood Pellets Spira
Работа этих полностью автоматизированных котлов схожа с работой жидкототопливных или газовых, а регулирование осуществляется за счет количества топлива, доставляемого к горелке с помощью шнекового питателя из бункера емкостью 110 кг. Оснащенные турбулизаторами теплообменники (первичный и вторичный, конденсационный) выполнены из нержавеющей стали (рис. 4).
Рис. 4. Схема работы пеллетного конденсационного котла
Котлы мощностью до 26 кВт имеют КПД до 97,4 %, мощностью 36 кВт – 93,1 %. Для получение большей мощности предусмотрено возможность парной работы теплогенераторов – 26 + 26 (52) кВт; 26 + 36 (62) и 36 + 36 (72) кВт. В этом случае модуляция мощности за счет объема подачи пеллет, может осуществляться с 25 % от максимальной. Оригинальная система самоочистки котла при помощи образующегося конденсата позволяет проводить ее лишь один раз в течение года. 




Поделиться:

вернуться назад