СВЕТЛОБОР – адиабатный котел на пеллетах и щепе

«Честное слово, я и не подозревал, что вот уже
более сорока лет говорю прозой». 
Ж.Б.Мольер. «Мещанин во дворянстве».

Наша группа с 2002 года работает в области мехатроники: точное машиностроение плюс интеллектуальные сервоприводы. Основной продукцией на начальном этапе были  автоматические линии по выпуску шоколадных конфет. Более 20 линий по России, плюс Латвия, Украина, Армения…

Жизнь расставила все по местам. Потребовалось отапливать собственный цех. Мы перенесли свой наработанный опыт в котлостроение. В 2011 г. создали свой первый пеллетный котел, которым стали отапливать цех. За основу были взяты лучшие на тот момент австрийские котлы Oekofen, KWB. Кстати патента на эту схему ни у кого  никогда не было. Очевидно, это результат коллективного поиска.

Нами с тех пор был пройден большой путь, пеллетные котлы стали основной нашей продукцией. Было много разочарований, в первую очередь – из-за отсутствия цельной отечественной и зарубежной теории по эффективному сжиганию древесного топлива. Есть только разрозненные крупицы знаний. Лучшие книги и ссылки на качественные знания приведены на нашем сайте.  Мы справились с задачей и постепенно вышли на мировой уровень по пеллетным котлам. Подтверждение этому – десяток патентов в России и патенты в Германии. В этой статье мы акцентируем внимание на преимуществах пеллетного котла Светлобор.

Качественное горение. 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. Задача обеспечить при любых режимах температуру в камере сгорания в диапазоне 800-1200°С. Для этого у камеры сгорания котла должны быть горячие теплоизолированные стенки, получается так называемый адиабатный котел. У современного адиабатного котла, оптимизированного для сжигания древесины, КПД составляет более 92%.

Для котлов мощностью более мегаватта горячие стенки не так актуальны, поскольку объем камеры сгорания растет в кубе относительно линейных размеров, а поверхность теплообмена только в квадрате. Сказывается абсолютный размер котла, и для такой мощности достаточно эффективно, с КПД 85%, могут применяться водотрубные угольные котлы.

В котле Светлобор (линейка 16-170 кВт) вертикальная цилиндрическая камера сгорания расположена внутри теплообменника, но изолирована от него потоком нисходящего горячего газа. Соответственно потери тепла только за счет излучения. По сути, адиабатная камера сгорания. Анализируя пройденный путь, неожиданно приходишь к выводу, что все наши работающие нововведения (патенты) были направлены на уменьшение потерь лучистой энергии. Сначала ввели двойные стенки камеры сгорания, потом сделали тройные, затем зажали огневой смерч и его закрутили в области максимального экранирования. В результате получили огневой затвор и избавились от длинного факела. Температура в камере сгорания: от 800°С в режиме частичной мощности и до 1100°С на полной мощности. Побочным эффектом качественного горения  стало прогорание воздухоохлаждаемых нержавеющих стенок камеры сгорания. Пришлось с нержавейки перейти на жаропрочную сталь.

Автоматизация. Светлобор оснащен системами очистки теплообменника, горелки и механизмом выгрузки золы. Благодаря наличию данных систем владельцам не нужно производить ручную чистку, автоматика все делает сама. По уровню автоматизации пеллетник Светлобор равноценен лучшим австрийским и немецким аналогам. На первом этапе мы использовали поворотные щетки-турбулизаторы, расположенные в дымогарных трубах теплообменника. С прошлого года перешли на спирали, резко подымаемые и опускаемые в процессе очистки. В результате встряхивания не только очищается поверхность дымогарной трубы, но и слетают сажа и летучая зола с самой спирали. Другим нововведением была поворотная кочерга, периодически проходящая над поверхностью горелки. При этом все пензообразные шлаки, так называемые коржи, удаляются с горелки.

ВД-35

1. Встроенный бункер хранения пеллет и устройство пневмоподачи пеллет из внешнего склада. 2. Питатель. Состоит из привода, шнека рыхлителя (борется со сводообразованием в бункере), противопожарного шлюза (противодействует обратной тяге) и шнека подачи пеллет в горелку. 3. Горелка. Конструкция горелки обеспечивает максимально возможный нагрев подаваемого первичного воздуха. Колосниковая решетка набрана из отдельных колосников, геометрически замкнутых друг на друга. Колосники расположены под углом в 5° к горизонтали и образуют чашу, идеальную для сжигания топлива. Проходя через колосники, первичный воздух дополнительно подогревается. 4. Камера сгорания по диаметру экранирована дожигателем. Дожигатель – устройство подвода и нагрева вторичного воздуха. Дожигатель изготовлен из жаропрочной и нержавеющей стали. 5. Устройство самоочистки дымогарных труб, путем резкого подъема и опускания спиралей. Автоматическое устройство очистки дымогарных труб каждый час приводит трубы в идеальное состояние. 6. Кочерга очистки колосниковой решетки от пензообразных шлаков – продуктов спекания примесей в пеллетах (песка). 7. Механизм удаления золы, состоит из поворотной кочерги, приводимой от шнека. Шнек имеет переменный шаг и шарнирный привод. 8. Контейнер для сбора и удаления золы.

Всеядность. Благодаря полной очистке колосниковой решетки, адаптивному управлению, мощному шнеку и другим конструктивным особенностям, Светлобор отличается неприхотливостью к качеству пеллет. Для него нет различия между «европейским» (белым) топливом и обыкновенным промышленным (серым с примесями). Повышенная влажность, зольность, пыльность не имеют значения. В этом кардинальное отличие Светлобора от всех европейских производителей.

Автономность. Система пневматической подачи топлива исключает ручную загрузку котла. Светлобор работает без участия хозяина больше месяца, в идеале весь отопительный сезон. Это достигается за счет автоматического склада пеллет. Подобные системы хранения могут предложить только ведущие австрийские и немецкие компании, а также Светлобор. Для коттеджного котла, внешний склад – это комфорт хозяина, для промышленного котла – это экономия на зарплате грузчиков.

Инверторные приводы. Наш опыт использования сервоприводов в «прошлой жизни» определил применение частотных преобразователей на всех приводах, включая системы очистки. В результате получили возможность плавного регулирования производительности и постоянного контроля  за работоспособностью приводов,  отсутствие перегрузок. Попадание гвоздя с пеллетами в шнек приводит не к поломке, а к программе отработки реверса и, в крайнем случае, к остановке привода.  Если в классической трияде приводов пеллетника шнек-вентилятор-дымосос лучшие европейские котлы имеют один инверторный привод на дымососе, то в котле Светлобор – три привода. Это так называемая энергоэффективность, цифровое производство, адаптивное управление и прочее… Очевидно мы забежали вперед на несколько лет. Например, в стиральных машинах один инвертор – это маркетинговое ноу-хау, хай-тек, высший пилотаж.

Внешний склад хранения пеллет

Котлы Светлобор, линейка 16-170 кВт, на наш взгляд, имеют самую рациональную компоновку среди аналогов, минимальный вес и габариты. Компоновка  котла цилиндрическая, при увеличении радиуса в два раза мощность повышается в четыре. Однако существует предел роста мощности этой компоновки, при производительности  более 170 кВт затрудняется обслуживание котла. Кроме того, котлы данной схемы  преимущественно ориентированы на использование пеллет в качестве топлива.

Другой подход реализован в новой линейке средних котлов Светлобор. Младшим представителем линейки служит котел Светлобор мощностью 320 кВт. Котел разделен на две части – адиабатную топку и вертикальный теплообменник. Вертикальные дымогарные трубы теплообменника автоматически очищаются перемещаемыми вверх-вниз спиралями – турбулизаторами.

Топливом для котлов данной мощности наряду с пеллетами часто служит  щепа  влажностью до 50%. В котле Светлобор ВД-320 применена подвижная колосниковая решетка с переталкивающими колосниками. В этом случае обеспечиваются постоянное перемещение топлива, его высушивание, качественное горение, удаление золы и борьба с образованием шлаков. Охлаждение колосников осуществляется за счет съема тепла первичным воздухом, проходящим через пазы между колосниками.

Для топки котла средней мощности остается важным наличие горячих стенок, т.е. адиабатная топка. В котле Светлобор применено современное решение – многослойные стенки камеры сгорания – сендвич. Внутренний слой – огнеупор с высоким коэффициентом теплопередачи. Например, карбид кремния имеет коэффициент теплопередачи выше, чем у стали. Второй слой – легковесный огнеупор с низким коэффициентом теплопередачи. Третий слой – воздушная рубашка для нагрева первичного и вторичного воздуха и съема тепла с огнеупора. Наружный слой –  теплоизоляционный материал. Использование в качестве внутреннего слоя огнеупора с высоким коэффициентом теплопередачи выравнивает температуру стенок камеры сгорания по длине и поддерживает ее в интервале 800-1200°С.

ВД-320

1. Колосниковая решетка с подвижными колосниками. 2. Камера сгорания. 3. Тяжелый огнеупор. 4. Легковесный огнеупор. 5. Воздушная рубашка. 6. Теплоизоляция. 7. Водоохлаждаемая рама. 8. Сопла подачи вторичного воздуха. 9. Устройство привода подвижных колосников. 10. Многослойная футеровка. 11. Теплоизоляционный слой. 12. Дымогарные трубы со спиралями. 13. Мультициклон. 14. Водяная рубашка. 15. Вентилятор подачи вторичного воздуха. 16. Дымосос. 17. Вентилятор рециркуляции выхлопных газов.

Для котла средней и большой мощности становится актуальным ограничение температур по верхнему пределу. При использовании сухого топлива – пеллет  температура в камере сгорания может существенно превысить 1200°С. В этом случае долговечность футеровки резко снижается. Для борьбы с этим явлением в котле Светлобор используется рециркуляция, подача дымовых газов в камеру сгорания, что позволяет снизить температуру до 1200°С.

Конечно, мы попытались сказать свое слово в этой классической компоновке. Топка котла Светлобор ВД-320 как бы разделена на две части: вверху камера сгорания с многослойными стенками, внизу колосниковая решетка. Многослойные стенки камеры сгорания установлены на раме, образованной в сечении квадратной толстостенной трубой, охлаждаемой водой. В итоге вверху горячая зона топки, внизу холодная. В результате –  снижение веса и габаритов.

Как всегда в котле Светлобор ВД-320 используется наше фирменное средство – инверторные приводы на все двигатели. В данном случае получилось 11 частотников.

На базе адиабатного ВД-320 могут быть разработаны специальные котлы для сжигания отходов птицефабрик и мусора.

Слова простодушного героя Мольера в качестве эпиграфа отражают иронию судьбы. Сначала мы разработали и долго совершенствовали пеллетные котлы малой мощности (16-170 кВт). Потом разработали котел средней мощности ВД-320. Затем как-то случайно возникло слово – адиабатный котел. И только на четвертой итерации появилось понимание, что мы все время делали адиабатный котел, и чем ближе приближались к принципу адиабатности, тем лучше горел котел.

«Светлобор»

опубликовано в журнале «Промышленные и отопительные КОТЕЛЬНЫЕ И МИНИ-ТЭЦ» №1 (46)’2018