Аква-Терм
веллонс
gekon17

Биотопливо в медленном режиме горения

Практически с началом приручения огня человеку приходилось решать задачу оптимизации соотношения требуемого объема теплогенерации и ее длительности. Последний аспект оказался также актуален не только с позиций энергоэффективности, но и в современном тренде повышения комфортности для потребителя.

Собственно в самой идее организации длительного горения одной закладки топлива (дров, брикетов или угля) нет ничего нового: и классическая деревенская печь переводится шиберами в тлеющий режим горения за счет уменьшения поступления в зону реакции воздуха и соответствующего снижения тяги. Но лишь сравнительно недавно потребителям были предложены модели, изначально рассчитанные на длительные циклы (до нескольких суток) работы, – котлы длительного горения (рис. 1).

Рис. 1. Схема работы дровяного котла длительного горения

Схема работы дровяного котла длительного горения

Причем под таковыми понимают как теплогенераторы, реализующие поэтапную реакцию горения в так называемом тлеющем режиме, так и котлы пиролизного, двухстадийного, процесса (рис. 2).

Рис. 2. Двухкамерный пиролизный котел

Двухкамерный пиролизный котел

Очевидно, что при определенных условиях такие реакции происходят и в обычной печи. Но только в современных  высокотехнологичных приборах можно добиться максимальной реализации всех преимуществ как медленного, так и пиролизного процессов. Грань между ними, впрочем, достаточно подвижная, проходит, как правило, в четком  разграничении зон горения и газификации. Последняя рассматривается  как первая стадия реакции окисления углерода. В то же время не совсем корректно отождествлять хорошо известные газогенераторы с пиролизными котлами. В последних реализуется несколько отличная схема разложения биотоплива, не позволяющая ставить знак тождества между газогенераторными и пиролизными газами. В них, кроме оксида углерода II (СО), присутствуют и продукты частичного разложения целлюлозы.

Горение биотоплива

Для начала реакции топливо нужно нагреть до критической температуры. Источником тепла может служить 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 имеют 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 приток кислорода и аккумуляция 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 (более 20 %) потерями тепла с отходящими газами за счет повышенной влажности и коэффициента избытка воздуха.

Тлеющий режим

В твердотопливных котлах длительного горения воздух обычно поступает не снизу, а сверху. Поэтому он нагревается еще до поступления в зону реакции. Горение твердого топлива, уложенного послойно, происходит сверху вниз, фронт реакции опускается.

Такое постепенное сгорание топлива позволяет существенно увеличить период между закладками  его порций до 30–36 ч и даже более (в зависимости от того, на какой объем и какое топливо рассчитан данный  котел).

Самый популярный на сегодня вариант исполнения – твердотопливный стальной котел длительного горения, который имеет сварную конструкцию, в то время как чугунный – собирается из отдельных секций, стянутых шпильками. Стальные конструкции легче ремонтируются, чем чугунные. Последние более стойки к коррозии, выдерживают температуру горения выше, чем стальные, но стоят дороже, имеют больший вес, требовательны к условиям перевозки и монтажа из-за хрупкости материала.

Устойчивость к коррозии критична для таких котлов, потому что в процессе сжигания топлива образуется конденсат, содержащий оксиды. Они, соединяясь с паром, образуют кислоты, которые разрушают металлические конструкции. Для предотвращения этих процессов топки в стальных котлах защищают керамической футеровкой.

Например, котлы длительного горения Stropuva (Литва) имеют мощность от 8 до 40 54 кВт и рассчитаны на отопления домов площадью от 30 до 400 м2 . Конструктивно котел представляет собой два стальных цилиндра (один внутри другого) с внешним слоем теплоизоляции. Нагреваемая вода находится в пространстве между цилиндрами. Внутри цилиндра малого диаметра размещена топка сгорания, обслуживание которой осуществляется через люки в корпусе котла.

Топливом могут послужить как дрова, так и уголь или брикеты. Благодаря технологии вертикального горения, время работы может достигать 120 ч при закладке угля, пеллет и брикетов – 72  и 48 ч, соответственно. Так, модель S Mini мощностью 8 кВт имеет объем  камеры закладки топлива 163 дм3 (37 кг дров, 60 кг  брикетов, пеллет или угля). При этом длина поленьев не должна превышать 400 мм. Объем теплоносителя – 38 дм3, его номинальная  температура на выходе из котла – 75 °С, длительность горения одной закладки дров при номинальном режиме 18 ч, брикетов – 36 ч, КПД – 85 %, габаритные размеры (В × Ш × Г): 1550 × 750 × 750 мм, масса – 165 кг.

Стальные дровяные печи бренда «Профессор Бутаков» компании «Термофор» (модели «Гимназист», «Студент» , «Инженер» и др.) мощностью от 7 кВт  можно лишь условно отнести к печам длительного горения: для обеспечения такого режима требуется соблюдение ряда условий. Так, необходимо положить небольшое количество дров 2–3 раза для образования углей. При этом положенные сверху дрова будут тлеть, генерируя  тепло. Объем отапливаемого помещения у дровяной печи «Студент» – 150 м3 (до 50 м2), объем топки – 70 дц3, мощность – 9 кВт. Производитель предусмотрел наличие средств дополнительного нагрева помещения – конвективных труб и возможность подключения воздуховодов для отвода тепла в смежные помещения.

Печь-камин длительного горения отличается наличием в конструкции большой панорамной дверцы, закрытой огнеупорным стеклом (рис. 3). Мощность таких приборов  превосходит параметры обычных каминов, их габариты варьируются в широких пределах.

Рис. 3. Конструкция печи-камина

Конструкция печи-камина

Независимо от габаритов все такие камины более экономичны по сравнению с аналогами. Это обеспечивается режимом тлеющего горения. В ряде моделей  имеется  дополнительная камера, в которой происходит дожигание газов, образовавшихся в процессе основной реакции.

Существуют и самодельные отопительные печи длительного горения. Но надо хорошо понимать, что эти конструкции не могут быть рекомендованы к бесконтрольному тиражированию – ведь продукты неполного сгорания углеродного топлива опасны для человека. В то же время при условии квалифицированной  экспертизы и заводской доводки идеи мастеров могут послужить основами для гарантированно безопасных моделей.

Например, изобретатели, желающие максимально сэкономить на обогреве своего помещения, делают печь длительного горения на опилках. Такой обогреватель создает двойную экономию – за счет отсутствия затрат на покупку дорогого промышленного оборудования и минимизации расходов на топливо (опилки россыпью).

Перед растопкой вставной цилиндр надо вытащить и вставить в него сердечник. После этого в оставшееся пространство укладываются и утрамбовываются опилки. Затем сердечник извлекается, а цилиндр с опилками возвращается на исходное место. Пространство, оставшееся от сердечника, служит проводником поступающего воздуха, необходимого для сжигания опилок. Розжиг выполняют из нижнего зольного ящика. В такой конструкции можно использовать и пеллеты.

Печь «бубафоня» состоит из стального цилиндра с установленными на нем патрубками для подачи и дозировки подаваемого в камеру сгорания воздуха. Основное отличие «бубафани» от обычных твердотопливных печей – минимизация избыточной теплогенерации за счет точной регулировки объема поступающего воздуха. Поэтому на одной закладке дров такая печь работает намного дольше и не требует установки каких-либо дополнительных накопителей тепла.

Теплогенерация осуществляется двумя способами: традиционным – топливо сжигается естественным путем, а воздух поступает сквозь поддувало в камере сгорания и экономичным – горение происходит в верхнем слое загруженного топлива (дров). Наружный воздух поступает на этот уровень, а его количество регулируется изменением размера входного отверстия. По мере сгорания топлива зона горения медленно смещается вниз.

Дровяные печи длительного горения эффективны за счет того, что сжигается не только сама древесина, но и одновременно образующийся при этом пиролизный газ, в состав которого входят оксиды углерода, водород и метан. Такой газ образуется при высокой температуре и минимальном объеме кислорода в камере сгорания. За счет этого реализуется тлеющий режим, характерный для котлов медленного горения вообще.

Образующийся пиролизный газ сгорает в отдельной топке, расположенной непосредственно над основной камерой сгорания, где горят дрова, и отделенной  пропускающей газ решеткой. Дно основной топки представляет собой колосниковую решетку. Под ней находится зольник, предназначенный для сбора скопившейся золы. Поступление кислорода в топку и, соответственно, интенсивность пламени можно регулировать приоткрытием дверцы зольника.

Химия пиролиза

Пиролизом называется процесс термохимической деструкции биотоплива. Он происходит в результате нагрева топлива при стехиометрическом недостатке кислорода. В автотермическом режиме нагрев топлива обеспечивается за счет окисления части газифицируемого топлива (≈ 10–30 % в зависимости от характеристик топлива) без подвода теплоты извне. Отсутствие кислорода в зонах формирования газогенераторного газа и пиролиза (восстановительной зоне и зоне коксования) объясняется тем, что подаваемые в реактор газифицирующие агенты сбалансированы таким образом, что весь содержащийся в них кислород используется в зоне окисления (зоне горения).

В процессах пиролиза, обычно происходящего при температуре ≈ 400–900 0С, и взаимодействия продуктов пиролиза с кислородом газифицирующих агентов при температуре, как правило, ≈ 900–1350 oС при экзотермических химических реакциях выделяется теплота:

С + О2 = СО2 + 409 кДж/моль;              

2С + О2 = 2СО + 246 кДж/моль.            

Она используется в процессах сушки топлива при температуре ≈ 150–400 0С и взаимодействия продуктов пиролиза с диоксидом углерода и водяным паром при температуре ≈ 750–1000 0С при эндотермических реакциях подогрева газифицирующих агентов при температуре теплоносителей (продуктов газификации) ≈ 200–900 0С:

С + СО2 = 2СО – 162 кДж/моль;                  

С + Н2О = СО + Н2 – 137 кДж/моль.            

В результате этих химических реакций происходит образование оксида углерода II (монооксида) и водорода – основных горючих компонентов. Результаты других химических реакций, имеющих место при газификации, ввиду их незначительного влияния на состав и калорийность полученного газа, можно не рассматривать. Условия, необходимые для протекания химических реакций газификации и сопутствующих им процессов в соответствующих зонах реактора, обеспечиваются правильной организацией тепломассообмена.

При правильно сбалансированных потоках топлива, инертного материала (при наличии) и газифицирующих агентов, подаваемых в реактор, а также при правильной организации тепломассообмена внутри реактора исходное топливо  эффективно (химический КПД  0,65–0,9) преобразуется в конечные продукты термохимической деструкции сложных органических веществ – пиролизный газ и твердый зольный остаток.

К преимуществам пиролизных котлов относятся полное сжигание топлива и большие возможности регулирования работы котла за счет изменения частоты вращения дутьевого вентилятора. В автоматическом режиме этот процесс управляется термостатом или программируемым устройством.

Двухкамерные котлы

На рынке присутствуют как промышленные, так и бытовые пиролизные котлы ряда производителей. Бытовые модели пиролизных котлов представлены на отечественном рынке, в частности, такими брендами и компаниями как Dakon и Atmos (Чехия), Viessmann (Германия), Eko-Vimar Orlanski (Польша) и др. В последние несколько лет этих известных зарубежных производителей все увереннее теснят отечественные фирмы.

Пиролизная технология позволяет получить высокий КПД котла при сравнительно низком расходе топлива. В котле имеется две камеры сгорания – первая из них предназначена для первичного топлива, где оно  разлагается с выделением тепла и пиролизного газа. Он поступает во вторую камеру сгорания, где реагирует с кислородом воздуха. При реализации второй стадии горения генерируется основная часть тепловой энергии. В пиролизном котле из топлива извлекается ее максимум, а от исходного топлива остается минимально возможное количество твердых отходов. На внутренних поверхностях котла оседает также минимум непрореагировавшего углерода (сажи).

Такие котлы обычно в той или иной степени автоматизированы, а  ручное регулирование процесса горения нештатно. Упрощают автоматизацию и длительные циклы горения – до 24 ч и более.

 За счет регулирования процесса горения и более полного сжигания топлива пиролизный котел на одной закладке работает намного дольше, чем обыкновенный твердотопливный. Поэтому их часто называют пиролизными котлами длительного горения. Их преимущества: регулирование мощности  в диапазоне 30–100 % без снижения КПД;  мультитопливность – дрова, отходы деревообработки, торф, брикеты, уголь; низкий уровень вредных веществ в дымовых газах за счет полного сгорания горючего и простота обслуживания.

Но наибольший выход пиролизного газа обеспечивает дровяной котел.

Концерн «Медведь» производит котлы двух версий: дровяные – cерий КВр и COMFORT. Они  работают на дровах, опилочных брикетах, крупной стружке. И универсальные – серий КВр G и COMFORT G, в которых в качестве топлива могут использовать уголь, дрова, опилочные и торфяные брикеты. Длительность горения одной закладки 6–120 ч.

В котлах Buderus Logano S131 большая загрузочная камера и новая конструкция теплообменника стального котла обеспечивает долгое время горения – более 4 ч на одной загрузке (рис. 4). Топливом могут служить каменный уголь (фракция 20–40 мм), бурый уголь, древесина (L=250 мм, Ø = 100мм). Пиролизный котел Buderus Logano S171 W оснащен современной автоматикой, позволяющей эффективно управлять всей системой. Период горения на одной загрузке при номинальной теплопроизводительности 20 кВт и КПД – 87 % – более 3 ч. Топливом служит древесина ( дрова) с влажностью < 20% Расход дров – 6,2 кг/ч.

Рис. 4. Buderus Logano S131

Buderus Logano S131Рекуперационная конденсация

К категории котлов длительного горения можно условно отнести и малоизвестные модели биотопливных конденсационных котлов. Теоретически значительная экономия топлива в газовых конденсационных аппаратах, окупающая их повышенную стоимость, становится почти вдвое меньше в жидкотопливных и совсем небольшой – в биотопливных котлов. Но производители конденсационных дровяных или пеллетных котлов приводят данные, согласно которым обеспечивается дополнительное поступление до 13 % энергии, а КПД – достигает 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 достигать 20 ˚С.

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.

Рис. 5. Биотопливный конденсационный котел Pellematic

Биотопливный конденсационный котел Pellematic

При использовании в качестве топлива дров, опилок, брикетов, пеллет экономия за счет рекуперации (обратного фазового перехода пар/жидкость) может составлять несколько процентов, а температура точки росы дымовых газов (в зависимости от влажности топлива) превышать 40 и даже 50 ˚С. Так, влажность дров может доходить до 30–50 %, пеллет – до 12 %. Среди компаний, позиционирующих свои биотопливные котлы как конденсационные, можно назвать австрийскую ÖkoFEN (тандемные модули имеют мощность до 112, объединенные в каскады из четырех котлов – 224 кВт). Обязательное условие для конденсационного режима – низкая температура теплоносителя (30 ˚C) в обратной линии, характерная для напольного отопления или систем с нагревательными панелями. При этом температура дымовых газов находится в диапазоне 30–40 ˚С (рис .5). Английская компания Grant производит пеллетные конденсационные котлы Wood Pellets Spira, рассчитанные как на внутреннюю, так и наружную установку. Работа этих полностью автоматизированных котлов схожа с работой жидкототопливных или газовых.

Статья из журнала "Аква-Терм", №2/2017




Опубликовано: 27 апреля 2017 г.

вернуться назад

gkh
шидель новый
a-t-2018

Вверх