Генераторы тепла

21. Пиролизные котлы

Пиролизный котёл — разновидность твердотопливного, как правило, водогрейного котла, в котором топливо (например, дрова) и выходящие из него летучие вещества сгорают раздельно. Обычно как синоним употребляется название газогенераторный котёл, изредка делают различие[1]. Фактически, пиролиз (разложение и частичная газификация под действием нагревания) происходит при любом способе сжигания твёрдого органического топлива.

 

1 — топливо, 2 — первичный воздух, 3 — вторичный воздух, 4 — уходящие газы, 5, 6 — вход и выход воды 
A — камера газификации, B — колосник, C — камера дожигания, D — газоход, E — дымосо   

 

Топливо

Пиролизные котлы эффективны на топливе с высоким выходом летучих — древесине (дрова, древесные отходы, топливные брикеты ипеллеты), буром угле; некоторые модели потребляют каменный уголь (класса «орех 1» или «камень») и даже кокс. Данный тип котлов предъявляет достаточно высокие требования к влажности топлива — для дров не более 20—35 %[2]. Это связано с тем, что водяной пар разбавляет пиролизные газы и мешает горению(см. ниже), при работе на влажном топливе мощность резко падает или котёл вообще потухает. В ситуациях, когда сухого топлива нет, это серьёзный недостаток.

Конструкция

В пиролизных котлах топка разделена на две части. В первой части (газифицирующая камера, или камера загрузки[3]) при недостатке кислородамедленно горит и пиролизуется топливо, а выделяющиеся при этом газы догорают во второй части (т. н. камера сгорания), куда подаётся вторичный воздух (двойное дутьё). Отвод тепла из камеры загрузки минимизируется. В существующих конструкциях эти пространства разделяетколосник, на котором лежит топливо; первичный воздух проходит сквозь слой топлива сверху вниз. Таким образом, характерным отличием пиролизных котлов от других бытовых котлов является верхнее дутьё. Топки такой конструкции имеют повышенное аэродинамическое сопротивление, поэтому тяга их, как правило, принудительная. Часто по технологическим соображениям она реализуется с помощью дымососа, а не дутьевого вентилятора (более характерного для небольших котлов); в статьях обычно всё равно употребляется термин «вентилятор».[4]

Принцип действия

Дрова (или иное топливо) загружаются на колосник. Их поджигают, дверца закрывается и запускается дымосос. При недостатке воздуха и под действием высокой температуры (200—800 °C и выше) происходит обугливание и выделение древесного газа, то есть собственно пиролиз. Выделившиеся продукты (в основном углеводороды, угарный газ и водород, плюс азот из первичного воздуха[5]) поступают под колосник. Там к продуктам пиролиза подмешивается вторичный воздух, в котором летучие сгорают; часть тепла при этом возвращается к нижнему слою дров и поддерживает пиролиз. Полученное тепло может быть использовано для нагрева любых теплоносителей — воды, воздуха.

Достоинства и недостатки

Основной конкурент пиролизных котлов в сфере сжигания дров — традиционные котлы с единой топкой с нижним дутьём. При этом следует иметь в виду, что во многих их современных моделях тоже есть возможность подачи вторичного воздуха в факел (в некоторых более старых котлах весь воздух подавался под колосник, вследствие чего летучие вещества могли сгорать не полностью).

Обычный диапазон нагружения котлов 50—100 %, КПД в нём сохраняется на уровне 85—92 %; при разгрузках до 30 % работа возможна, но производители часто не рекомендуют это.

Достоинства

Регулируемый (подачей первичного воздуха) процесс горения позволяет работать с одной закладки достаточно длительное время, до 12 часов (у обычных дровяных котлов порядка 3—4 часов[2], однако у котлов верхнего горения этот показатель больше — от 30 часов на дровах до 6—7 дней на угле). Можно обеспечить автоматическое регулированиепараметров.

Полное сгорание топлива. Как следствие, гарантирована экономичность горения, реже надо чистить зольник и газоходы[6]

Двухступенчатое сжигание позволяет  снизить избыток воздуха в  уходящих газах (повышает экономичность)

Процесс горения пиролизных газов легко поддается управлению и регулировке, что позволяет автоматизировать работу такого котла приблизительно в той же степени, что и работугазовых или жидкотопливных котлов

Снижение выбросов вредных веществ в атмосферу (в частности, высокая температура в верхней камере подавляет CO)[6]

Применение данного типа котлов стимулирует к отказу от применения неподсушенного топлива, что повышает эффективность хозяйствования

Возможность сжигания крупных (даже неколотых) дров.

Как следствие, экономичность данного  типа котлов по сравнению с «традиционными»  аналогами может быть выше на 4—7 %[7].

Недостатки

Более высокая (в 1,5—2 раза) стоимость[6]

Энергозависимость — без дымососа работать не могут (за редким исключением[8][2])

Требовательность к влажности топлива

У некоторых моделей замечены изменения мощности в процессе сначала возрастающего, потом затухающего выхода летучих в ходе пиролиза закладки[9] — до 40 %

На малых (ниже 50 %) нагрузках горение не стабильно, отмечается образование дёгтя в газоходах[10]

Температура обратной воды должна быть не меньше 60 °C (редко 40°[8]) во избежание выпадения в газовом тракте конденсата и низкотемпературной коррозии (это обычное требование к котлам, проблема легко решается подмесом прямой воды к обратной)

В дровяной пиролизный котёл нельзя организовать автоматическую подачу топлива (нужны крупные дрова)[11]; вместе с тем есть пеллетные пиролизные котлы[6]

Значительная часть публикаций о пиролизных котлах носит ярко выраженный рекламный характер, в результате сформировать объективное представление о них порой проблематично.

Защитные устройства пиролизного котла

Многие пиролизные котлы оснащаются дополнительными защитными устройствами. К ним могут относится:

термостатический регулятор воздуха;

подрывной (предохранительный) клапан с рабочим давлением 2-4 bar;

устройство от закипания котла, которое представляет собой систему  сброса горячей воды (в случае перегрева  заслонка открывается с помощью  термостатического клапана для  понижения температуры внутри котла).

Суть технологии пиролизного сжигания (по-другому – сухая перегонка) состоит в том, что под воздействием высокой температуры при условии недостатка кислорода древесина разлагается на две составляющих – летучий пиролизный газ и древесный уголь (он же кокс). Этот процесс протекает при температуре от 200 до 800 градусов Цельсия, причем носит он экзотермический характер, то есть протекает с выделением тепла. При смешении пиролизного газа с кислородом воздуха в условиях высокой температуры запускается процесс горения, который и используется для отопления дома. Характерной особенностью такого горения является то, что для горения этого газа кислорода требуется значительно меньше, чем для горения древесины при обычном сжигании дров, за счет чего температура горения получается более высокой, следовательно, возрастает эффективность и продолжительность горения. Кроме того, пиролизный газ во время сгорания вступает в реакцию с активным углеродом, что обеспечивает очень высокую экологичность такого горения – выходящие из котла дымовые газы содержат очень мало вредных примесей. По сути, дым такого котла состоит из углекислого газа (его пиролизный котел выделяет до трех раз меньше обычного) и обычного водяного пара. Золы и сажи в процессе пиролизного горения вырабатывается также намного меньше, чем во время обыкновенного. 
                       Работа пиролизного котла происходит в четыре этапа: 
1. Досушивание древесины и выделение газа – этот процесс происходит при температуре 450 градусов. 
2. Горение древесного газа, смешанного со вторичным воздухом – температура 560 градусов. 
3. Дожигание пиролизного газа при температуре 1100 градусов – температурный максимум процесса. 
4. Отвод отработанных газов дымоходной цапфой. На этом этапе температура не превышает 160 градусов. 
Пиролизный котел состоит из нескольких камер и имеет шиберы для выбора нужного режима работы. Необходимость наличия шибер обусловлена тем, что для выделения и сгорания древесного газа требуется разогреть котел до довольно высоких температур, для чего котел некоторое время работает в режиме обыкновенного твердотопливного котла. После достижения нужной температуры камеру котла загружают дровами полностью и переводят шиберы в режим пиролизного горения.

Перспективы пиролизных котлов для российского рынка.

В России твердое топливо является не только самым привычным, но и самым  доступным. В первую очередь, конечно, это относится к дровам – изобилие леса в нашей стране обуславливает  относительно низкую стоимость этого  вида топлива на российском рынке. Поэтому  российский покупатель чаще всего предпочитает твердотопливные котлы системам отопления, работающим на газе или других видах жидкого топлива. 
В то же время, пиролизные котлы имеют довольно много преимуществ перед другими видами котлов, работающих на дровах или угле. Высокий КПД этого типа котлов и возможность закладки дров раз в сутки могут стать решающими для покупателя, несмотря на несколько (иногда значительно) более высокую стоимость котлов пиролизного типа.

Потенциальными покупателями пиролизных котлов могут стать владельцы частных домов, коттеджей, садовых участков – в общем, любых жилых загородных строений. Особенно привлекательным вариант установки котлов пиролизного типа должен стать для владельцев энергосберегающих домов – для отопления такого дома энергии требуется настолько мало, что пиролизный котел может работать на одной закладке дров больше суток. Возможность точно регулировать процесс горения древесного газа позволяет использовать именно такую мощность, которая необходима для отопления при данных погодных условиях для определенного объема помещения. 
К сожалению, российский потребитель пока мало знаком с принципами работы пиролизных котлов и не может полностью оценить выгоды приобретения такой отопительной системы. Однако по мере того, как информация о котлах пиролизного типа будет распространяться среди обывателей, все больше покупателей будут отдавать предпочтение такому типу котлов.

Ассортимент пиролизных котлов на российском рынке.

Сегодня ассортимент котлов пиролизного типа, доступных российскому покупателю, достаточно широк. В первую очередь, это продукция таких фирм, как ATMOS, DAKON, OLYMP, OPOP, VIESSMANN. Лидером среди стран-производителей пиролизных котлов, продукция которых представлена в России, является Чехия. 
Рассмотрим некоторые особенности пиролизных котлов отдельных марок. 
Котлы фирмы DAKON имеют КПД 85-88%. Мощность котла регулируется от 50 до 100%, кроме того, котел укомплектован терморегулятором, на котором можно устанавливать необходимую температуру теплоносителя. Пиролизные котлы фирмы DAKON могут иметь стальной или чугунный корпус – чугунный считается более долговечным, менее подвержен коррозии под воздействием смол и кислот, а также низкотемпературной коррозии, что позволяет активно использовать такой котел осенью и весной. К недостаткам пиролизных котлов этой фирмы (впрочем, этот недостаток характерен для большинства пиролизных котлов) можно отнести их зависимость от наличия электроэнергии - она необходима для работы вентилятора. Впрочем, энергии требуется очень мало – примерно столько же, сколько нужно для горения лампочки – поэтому проблема электроснабжения может быть решена установкой дизельного генератора или любого источника альтернативной энергии (например, ветряка).

В связи с проблемой энергоснабжения  следует упомянуть газогенераторный котел фирмы OPOP. Единственная модель пиролизного котла, выпускаемая этой фирмой, является полностью энергонезависимой; кроме того, их котел может работать и на дровах, и на угле (уголь предпочтителен). В процессе работы котла OPOP вторичный воздух не нагнетается вентилятором, как в большинстве конструкций, а засасывается с помощью специальной трубки в результате движения газов в камере сгорания. Это несколько осложняет регулировку мощности – такая регулировка производится с помощью большего или меньшего открытия заслонок первичного и вторичного воздуха. КПД котла находится на уровне 85%.

Еще одна фирма, выпускающая полностью  энергонезависимые котлы – ROJEK. Пиролизные котлы от этого производителя работают и с принудительной, и с естественной регуляцией термоносителя. Кроме того, фирма ROJEK может похвастаться тем, что их пиролизный котел допускает возможность эксплуатации при температуре обратной воды, составляющей всего 40 градусов Цельсия, без уменьшения срока службы котла. Приятной особенностью является отсутствие конденсата и осмоления котлов.

Еще один лидер рынка пиролизных котлов – фирма ATMOS. Котлы этой марки отличаются традиционным качеством. После догорания дров в котле ATMOS вентилятор отключается автоматически, что не всегда наблюдается у других фирм. Также в котлах пиролизного типа фирмы ATMOS пространство для сжигания делается керамическим, что значительно повышает эффективность котла. Бункер для топлива отличается большими размерами, что позволяет топить котел крупными дровами и свести к минимуму их приготовление. 
Конечно, продукция других фирм также имеет свои особенности, положительные и отрицательные стороны. Однако общий принцип работы у них все-таки один, и различия подчас не так уж значительны.

Преимущества и недостатки котлов пиролизного типа.

Выше уже говорилось о некоторых  особенностях пиролизных котлов, выделяющих их из бощего ряда котлов, работающих на твердом топливе. В целом, можно сказать, что главное отличие котлв пиролизного типа от традиционных котлов, использующих твердое топливо, заключается в их высокой эффективности и, соответственно, высоком КПД. Резюмируя все особенности котлов этого типа, можно выделить следующие достоинства и недостатки

Преимущества: 
- в процессе сжигания дров (особенно в том случае. Если эти дрова содержат большое количество влаги) нельзя достичь настолько высоких температур, какие достигаются при сжигании пиролизного газа. 
- для сжигания древесного газа необходимо значительно меньшее количество вторичного воздуха, чем для горения обычной древесины или угля. Соответственно, при одинаковом количестве воздуха эффективность сгорания газа выше, температура выше и время горения также больше. 
- процесс горения пиролизного газа легко поддается управлению и регулировке, что позволяет автоматизировать работу такого котла приблизительно в той же степени, что и работу газовых или жидкотопливных котлов. Традиционные твердотопливные котлы такой возможности не дают. 
- при сгорании древесного газа образуется крайне небольшое количество золы и сажи. Поэтому пиролизный котел редко нуждается в чистке – обычно не чаще, чем раз в неделю. 
- сгорание пиролизного газа происходит с малым выбросом в атмосферу вредных веществ, что придется по душе любителям экологически чистых источников тепла. 
- пиролизный котел дольше работает на одной закладке дров, чем обычный твердотопливный.