Адиабатный котел «Светлобор Эко» средней и большой мощности на пеллетах и сухой щепе: экономика и экология

«Мой костер в тумане светит,
Искры гаснут на лету…»
Я. Полонский.
«Песня цыганки»

Типоразмерный ряд

Компоновка котла «Светлобор Эко» с вертикальной цилиндрической топкой, реверсом пламени в топке и расположенными по линейно-прямоугольной сетке дымогарными трубами позволяет создавать адиабатные котлы средней и большой мощности от 150 до 1000 кВт. При этом снимается основное противоречие масштабирования котла – когда мощность топки растет пропорционально квадрату диаметра топки, а мощность теплообменника пропорционально количеству труб. Добавление к этому керамической топки создает качественно новый тип пеллетного котла, что нашло свое отражение в патентах.

 

Экономика

Себестоимость тепла. Для чего нужны пеллетные котлы? Ответ в стоимости тепла. Самое дешевое отопление в России – от природного трубопроводного газа. Отопление пеллетами в 1,5 раза дороже, если не считать стоимость подключения к трубе. Если цена подключения коттеджа более 300 тыс. руб., то дешевле пеллеты. Для большой мощности стоимость подключения называют в миллион и более. Себестоимость тепла на пеллетах в Германии (Германия в настоящий момент экспортер пеллет) в 1,5 раза ниже отопления газом. Тенденция очевидна.

Пеллеты в свою очередь в два раза дешевле сжиженного газа, в четыре раза дешевле электроэнергии и солярки. Если у вас нет газовой трубы и нужно автономное теплоснабжение, альтернативы пеллетам нет. Качественное горение. Пару лет назад, на выставке, я разговаривал со специалистом по газовым горелкам. Меня заинтересовал его грамотный разбор нескольких типов газовых горелок. На вопрос, в порядке вежливости, чем занимаюсь, ответил: «Пеллетными котлами». Его реакция меня поразила: «Не люблю пеллетные котлы, они потеют и обрастают сажей». В тот момент я вышел из неловкой ситуации, повторив старый анекдот про кошек: «Может вы просто не умеете их готовить?» Вместе посмеялись. Но вопрос на самом деле очень актуален. Учитывая часто бытующую неосведомленность классических теплотехников (специалистов по жидкому, газообразному топливу и углю) по пеллетным котлам, постараюсь прояснить некоторые моменты процесса сжигания древесного топлива. Особенностью сжигания древесины в виде щепы или пеллет является двухэтапность процесса – так называемый пиролиз.

На первом этапе – нагрев и горение древесины с подводом первичного воздуха и выходом летучих газов до 85% по весу и до 70% по теплоте сгорания. На втором этапе – сжигание летучих при подводе вторичного воздуха. В число летучих входят и смолы в парообразном состоянии. При снижении температуры в камере сгорания ниже 700°С последние не сгорают, а осаждаются на стенках камеры сгорания и теплообменника. Исторически таким способом производили деготь и многие другие смолянистые продукты.

Керамическая камера сгорания

При сжигании жидкого, газообразного топлива и угля на первом этапе выделяется более 80% теплоты сгорания. Поэтому второго этапа как бы и нет. Соответственно конструкция котла на древесном топливе существенно отличается от вышеперечисленных котлов. Даже объединять котлы на пеллетах и угле в твердотопливные – существенная ошибка. В угле есть сера и фосфор, на выходе из котла при конденсации получается серная и фосфорная кислота, которая разъедает котел. Поэтому температура дымовых газов должна быть выше температуры конденсации этих кислот 180°С. В древесине серы и фосфора нет, следовательно, температура дымовых газов может быть и 120 и 80 °С. Определяющим фактором является условие незамерзания дымовой трубы.

Соответственно КПД котлов на угле 80%, на пеллетах – 92%. Задача эффективного сжигания пеллет – обеспечить при любых режимах температуру в камере сгорания в диапазоне 800-1100°С. Для этого у камеры сгорания котла должны быть горячие теплоизолированные стенки, в итоге получается так называемый – адиабатный котел. У современного адиабатного котла, оптимизированного для сжигания древесины, КПД составляет более 92%. Главная ошибка новодельных отечественных котлов на пеллетах – выбрали не тот аналог для копирования. Выбрали не австрийские, а итальянские и польские аналоги, как более простые. В результате – отсутствие подачи вторичного воздуха, холодные водоохлаждаемые стенки, без какого либо экранирования. Так что, вышеприведенное высказывание часто бывает справедливо – «не люблю пеллетные котлы, они потеют и обрастают сажей». Как исторически мы шли к адиабатному котлу. В топке австрийского аналога котла существует реверс газов, газы поднимаются вверх, реверсируются, опускаются вниз и уходят в дымогарные трубы. Соответственно камера сгорания (дожигатель) внутри топки горячая и изолирована от стенок топки нисходящим потоком газа.

Сначала, в повторение австрийского аналога, поставили в центре топки цилиндрический металлический дожигатель из нержавейки с подводом вторичного воздуха. Затем его дополнительно экранировали металлическим экраном, в итоге снизили потери тепла из камеры сгорания за счет излучения в четыре раза. Температура в камере сгорания возросла до 800-1100°С на режимах разной мощности.

Заменили нержавейку жаростойкой сталью. Следующим шагом был переход к дожигателю из керамики. В итоге получилась вечная горячая камера сгорания. Мы используем карбид кремния – SIC, имеющего рабочую температуру до 1500°С. Другой случай с пеллетными горелками. С одной стороны, в лучших вариантах есть и подвод вторичного воздуха, и экранирование, и механическая очистка горелки от золы и шлака. Но горение древесины отличается так называемым длинным пламенем, из-за большого количества летучих. Поэтому горение не заканчивается в пределах горелки, а продолжается в топке не приспособленного для этого котла. Поэтому и потение, и осаждение сажи имеет место не в самой горелке, а на внутренней поверхности топки, а разве от этого лучше? Для полного сгорания длина горелки должна быть существенно более метра.

 

 

 

Рис. 1. Типоразмерный ряд «Светлобор Эко-150…Эко-1000»

 

Указание КПД горелки в 90% и более вообще не имеет технического смысла, поскольку КПД можно сосчитать по дымовым газам уже после котла, когда они отдадут тепло в теплообменнике воде. Следовательно, КПД горелки без учета типа котла, площади теплосъема, наличия у котла систем очистки или их отсутствия просто «ни о чем». В котлах «Светлобор» в качестве борьбы с длинным пламенем используется огневой затвор. Скоростные пересекающиеся струи вторичного воздуха (как наиболее энергетически значимая по аэродинамике составляющая процесса) зажимают пламя сверху и снизу. Появляются турбулентность и огневые смерчи. Длинное пламя укорачивается и заканчивается в топке, до дымогарных труб. Только при качественном горении пеллет в адиабатной топке можно добиться полного сгорания древесного топлива, без так называемого химического недожога. Промышленные пеллеты и щепа.

Рис. 2. Керамическая камера сгорания «Светлобор Эко-150» 1. Встроенный бункер хранения пеллет и устройство пневмоподачи из внешнего склада. 2. Питатель, состоит из привода, шнека дозатора, противопожарного шлюза (противодействует обратной тяги) и шнека подачи пеллет в горелку. 3. Горелка. Конструкция горелки обеспечивает максимально возможный нагрев первичного воздуха. 4. Керамическая камера сгорания с распределительным каналом и соплами подачи вторичного воздуха. Обеспечивает нагрев вторичного воздуха, экранирование и огневой затвор факела.
5. Кочерга очистки колосниковой решетки от пензообразных шлаков. 6. Устройство очистки дымогарных труб путем подъема и опускания спиралей. 7. Механизм удаления золы. 8. Мультициклон. 9. Устройство выгрузки золы из мультициклона.

 

Котел «Светлобор Эко» имеет систему очистки горелки от шлаков и в результате может сжигать низкосортные серые древесные пеллеты из горбыля и пеллеты из лузги подсолнечника. Керамические стенки горячей камеры сгорания отражают тепловое инфракрасное излучение и направляют его на поступающее топливо, что позволяет эффективно сжигать мелкую сухую щепу влажностью до 35%. Для этого на внутреннем диаметре камеры сгорания имеются многочисленные уступы. Их задача не зажимать поток газов, а отражать инфракрасное излучение вниз. Керамическая камера сгорания – отличный вариант для сжигания отходов мебельного, столярного производства. Мы сознательно ограничиваем влажность щепы в 35%, поскольку считаем это пределом экономически эффективного сжигания. Более влажную щепу надо предварительно подсушивать и только потом сжигать в печи. Объяснение этому простое: стоимость квадратного метра колосниковой решетки печи на порядок выше стоимости квадратного метра конвейерной сушилки. Обогрев сушилки может осуществляться непосредственно дымовыми газами от печи.

При сжигании пеллет из лузги и сухой щепы себестоимость тепловой энергии становится ниже, чем при сжигании природного газа. Очистка дымогарных труб. Часто можно видеть указание КПД пеллетного котла в 92%, но при этом котел не имеет системы автоматической очистки теплообменника. В итоге через час работы котла КПД падает на несколько процентов, а через неделю до следующей очистки, в лучшем случае составит 70%. Средний КПД получается около 80%. В котле «Светлобор» очистка дымогарных труб производится автоматически с периодичностью раз в час, стенки дымогарных труб всегда чистые и КПД каждый час, т.е. всегда 92% и более. Экономический эффект самоочистки – снижение расхода топлива. Например, котел мощностью 200 кВт с КПД в 92% за сезон сожжет 95 тонн пеллет, а при среднем КПД 80% – 105 тонн. Разница составит 80 тыс. руб. в год, а за срок работы котла в 15 лет в два раза превысит стоимость всего котла. Внешний склад пеллет. Использование котлов большой мощности эффективно только при наличии внешнего склада пеллет. За счет склада можно обеспечить работу котла в течение недели, чтобы перекрыть праздники. В противоположном случае требуется ежедневное участие грузчика, а иногда и в три смены. «Светлобор Эко» изначально разрабатывался для работы с внешним складом. Экономический эффект внешнего склада – сокращение как минимум одного рабочего места грузчика, что составит более 120 тыс. руб. за сезон.

Рис. 3. «Светлобор Эко-150», горизонтальный разрез

 

Экология

Рециркуляция. Известна формула: наши недостатки – продолжение наших достоинств. Высокая температура камеры сгорания – залог качественного горения и отсутствия химического недожога. Но в то же время превышение температуры в камере сгорания выше 1100°С приводит к образованию разнообразных окислов азота. В России это не нормируется, но в Европе существуют жесткие ограничения, именно поэтому в выхлопные газы дизелей впрыскивают мочевину. Котел «Светлобор» Эко борется со слишком высокими температурами с помощью рециркуляции. При этом часть газов на выходе из топки возвращается в камеру сгорания (дожигатель) и повторно проходит через высокотемпературную зону камеры сгорания, снижая температуру газов, выходящих из нее. Технический смысл этого процесса следующий: тепло из камеры сгорания выводится не малым количеством сверхвысоко нагретого газа, а большим количеством высоко нагретого газа. Соответственно температура в камере сгорания опускается до 1100°С и никаких окислов азота не образуется.

Мультициклон

Эпиграф в начале статьи обращает внимание на повышенную пожароопасность использования котлов большой мощности на древесине без применения специальных средств борьбы с искрами – шутка, со 100% долей правды. Искры – несгоревшие, летучие, парусообразные частицы твердого топлива представляют серьезную опасность для соседних строений. В России это пока не регламентируется, но готовиться к борьбе с этим надо уже сейчас. Тем более, если сгорит соседний деревянный дом – мало не покажется. Котел «Светлобор Эко» имеет встроенный циклон, в котором выходящие дымовые газы проходят через спиралеобразное направляющее устройство (розочку), сильно закручиваются и расслаиваются. Твердые частицы выносятся на периферию, замедляются о стенки циклона и выпадают в осадок. Мультициклон – потому что с увеличением диаметра эффективность циклона падает, и при большой мощности используются несколько циклонов. Степень очистки от крупных летучих частиц – более 90%. Для борьбы с мелкими частицами наиболее подходит электростатический фильтр, но это в будущем, как в России, так и в Европе. Более подробная информация на сайте www.svetlobor.com и в патентах RU 188648, RU189922, DE212015000109, DE212018000044

ООО «Светлобор»,
Нижний Новгород,
тел. (831) 220-50-47