Гранулы – как топливо

Н. Копылов

Одним из широко используемых видов твердого топлива в развитых странах с недавнего времени стали пеллеты: причем в странах ЕС они применяются для производства тепла, как в быту, так и большими районными котельными. В Украине в настоящее время наблюдается настоящий бум производства пеллет. Хотя популярность использования внутри страны еще далека от европейских реалий

История пеллет (англ. pellet – «гранула, таблетка») началась сравнительно недавно, хотя прессованная стружка как топливо применялась задолго до нашего времени. Вызванный мировым нефтяным кризисом 1970-х поиск новых источников энергии привел к созданию первой пеллетной фабрики в штате Орегон (США). Оставалось только найти возможность сделать отопление пеллетами (рис. 1) таким же комфортным как отопление газовыми или жидкотопливными котлами.

Pelleti200Рис. 1. Топливные гранулы

Первая пеллетная печь для частного дома была разработана американским конструктором из г.Сиэтл Джерри Уайтфилдом и с успехом представлена на выставке в штате Невада в 1984 г. В большинстве европейских стран пеллеты начали применяться в начале 1990-х, прежде всего, в странах, которые исторически были тесно связаны с переработкой древесного сырья: Швеция и Дания. Затем Австрия и Германия открыли для себя преимущества древесных гранул. По состоянию на конец 2010 г., согласно данным Немецкого энергетического объединения топливной древесины и пеллет в стране находилось в эксплуатации около 140 тыс. пеллетных отопительных систем, произведено за год 1,75 млн. т пеллет.

В Украине в том же году объем выпуска пеллетной продукции составил около 450 тыс. т, который обеспечивали более 50 предприятий. Заводы по производству топливных гранул в настоящее время находятся практически во всех регионах страны. В то же время от 80 до 90% украинских пеллет уходит на экспорт в развитые страны.

Характеристики и производство

Благодаря однородности состава и контролируемому качеству, а также низкой и оптимальной влажности, пеллеты демонстрируют большую полноту сгорания, чем обычные дрова.

Небольшие размеры и масса гранул позволили сделать их использование максимально удобным для пользователя, автоматизировав процессы подачи топлива и позволив с высокой точностью управлять горением. Кроме того, пеллеты легче транспортировать. Качественные пеллеты должны быть блестящими, без трещин и посторонних включений, нестираемые в древесную пыль. Прочность гранул на истирание можно в лабораторных условиях проверить лигнотестером.

Обычные размеры пеллет – диаметр 4–10 мм (чаще всего 6 или 8 мм) и длина 10–50 мм. Теплоотдача данного вида топлива приблизительно 18 МДж/кг (для пеллет из древесины). Производятся гранулы из древесных опилок, либо отходов сельского хозяйства путем прессования под высоким давлением (до 300 атм.). При этом при производстве древесных пеллет не применяются химические добавки – клеи или химические закрепители. Склеивание происходит за счет содержащегося в растениях лигнина. При прессовании он расплавляется и связывает частички гранулы.

На первом этапе производства сырье разделяют на чистые бревна (либо отходы) и древесину с корой. Последняя используется для производства топлива более низкого качества (с большей зольностью, для промышленного применения). Такая крупная фракция как горбыль, кора или рейки, измельчается сначала до щепы, а после – до размера опилок. Сырье, которое подверглось измельчению, сушат до определенной влажности. Для этого используется горячий воздух. Этот этап производства является наиболее важным. При неправильной сушке под действием чрезмерно высокой температуры в древесине разрушается вещество (лигнин), отвечающее за прочность гранул.

Аппарат для гранулирования (пеллетайзер) представляет собой основное оборудование для производства. В нем формируется форма топлива. Разрезанные ножами гранулы остывают и приобретают необходимую твердость. После этого готовую продукцию фасуют в мешки по 1000 и более кг или мелкую тару – пакеты по 15, 20, 40 кг. 1 т пеллет занимает объем примерно 90×90×180 см. Такое количество помещается в стандартный мешок типа «биг-бэг». Для промышленных нужд топливо продают насыпью без фасовки: в специальных автоцистернах.

Изначально использовались древесные пеллеты, однако, в настоящее время есть возможность их производства из угля, торфа, а также многих отходов сельского хозяйства: соломы, лузги подсолнечника, шелухи гречихи и даже куриного помета. При этом некоторые типы таких пеллет мало в чем уступают древесным. По крайней мере, по теплоте сгорания иногда даже превосходят их.

Длительно хранить пеллеты рекомендуется под навесом, на настиле, чтобы не было прямого контакта с землей. При отсутствии прямого попадания влаги, срок хранения гранул практически неограничен.

Котлы для сжигания пеллет

Если в конструкции классического твердотопливного котла (угольного, дровяного) мы имеем дело с топкой, в которой проходит реакция окисления углерода на колосниковой решетке, то в пеллетных котлах могут быть установлены горелки различных типов.

К «всеядным», допускающим применение различных видов твердого топлива или их смесей, относятся теплогенераторы с колосниковыми решетками. Полной автоматизации подачи топлива в них добиться сложно, в любом случае, накладываются ограничения на его геометрические размеры, например, крупность кусков угля. Значительно шире возможности для автоматического регулирования у котлов, снабженных горелками. Их типы могут быть различны, но по функциональным возможностям они приближаются к газовым и жидкотопливным.

В горелке объемного горения (рис. 2) или ретортной горизонтальный шнек создает вертикальный слой пеллет, через который снизу проходит небольшой, необходимый для начала реакции горения, объем воздуха, дополнительно в зону горения воздух подается принудительно с помощью вентилятора.

Факельная горелка более компактна, что позволяет устанавливать ее во многие модели твердотопливных котлов с небольшими топочными камерами. Факел создается поступающим через перфорацию воздухом. В целом ее мощность меньше, чем у горелок объемного горения, а наличие факела может приводить к локальному перегреву топки.

Ris_2Рис. 2. Объемные горелки для сжигания пеллет

«Каминная» горелка – часто используется в каминах, но применяется и в пиролизных котлах. Горение происходит в емкости чашеобразной или прямоугольной формы, пеллеты подаются сверху, а воздух – снизу. Такие конструкции используются в бытовых котлах небольшой мощности из-за ограничений размеров и трудностей с настройкой.

В ряде случаев в котлах, работающих на гранулах, возможно применение газового или жидкого топлива, а пеллетные горелки могут устанавливаться в других типах котлов.

Пеллетные стальные твердотопливные котлы «Данко 50 ТЕМ» производства АО «Агроресурс» (Украина) предназначены для сжигания различных типов гранул (древесные и из отходов сельского хозяйства) и могут обеспечивать до 2,5 суток беспрерывного горения на максимальной мощности. Подача топлива из бункера осуществляется шнеком, что в совокупности с системой управления и вентилятором для подачи воздуха позволяет автоматизировать рабочий процесс. Котел оснащен системой пожаротушения топлива, которое содержится в механизме подачи. КПД котла – 88%. Номинальная теплопроизводительность – 50 кВт.

Pelleti_Ris_3 Рис. 3. Пеллетный котел «Данко 50 ТЕМ»

Теплогенератор Pelletstar, производства HERZ Energietechnik (Австрия) – автоматический пеллетный водогрейный котел, конструктивно представляющий собой моноблок, в середине которого расположена горелка с системами подачи топлива и удаления золы, также жаротрубный трехходовой теплообменник с системами удаления золы и отвода дымовых газов (рис. 4). Горение проходит на так называемой опускной решетке, топливо подается на нее сверху, а снизу сквозь отверстия – первичный воздух, сквозь отверстия в боковых стенках горелки – вторичный воздух. Процесс розжига автоматизированный, происходит при помощи электрического элемента с воздуходувкой, температура в горелке контролируется и регулируется автоматикой T-Control. С помощью данного пульта управления также осуществляется погодозависимое регулирование, контроль горения, управление баком-накопителем. Удаление золы из котла происходит автоматически во время работы котла. Подача топлива предусмотрена при помощи шнекового транспортера с отдельного бункера (возможна комбинация из нескольких транспортеров). КПД – 92 – 94% котла на всем диапазоне модуляции производительности от 30 до 100%. К примеру, мощность котла среднего типоразмера можно регулировать в пределах от 6,2 до30 кВт. Возможна совместная работа с солнечными коллекторами и каскадная установка.

Pelleti_Ris_4Рис. 4. Котел Herz Pelletstar:
1 – система автоматической очистки горелки от золы; 2 – доступные спереди два зольника для золы; 3 – тракты дымохода, 4 – камера сгорания; 5 – герметичный корпус из листовой стали; 6 – теплоизоляция; 7 – терминал управления Т-Control; 8 – вытяжной вентилятор

В недавно представленных на рынке пеллетных котлах Peletti Maxi Touch (рис. 5) германской компании Paradigma (мощность 49 и 56 кВт) применяется новая многосегментная горелка. Она состоит из отдельных подвижных элементов, каждый из которых может быть заменен отдельно в случае необходимости ремонта. С помощью линейного привода сегменты горелки создают колебательные движения. В результате этого обеспечивается постоянная равномерная подача воздуха в зону горения, а также стряхивается зола, что предотвращает ее спекание в случае загрузки некачественных пеллет. В котлах также используется микропроцессорное управление технологией сжигания, система автоматического розжига, цветной дисплей с диагональю 5 или 7˝ с сенсорным экраном. Номинальный КПД – 93%.

Pelleti_Ris_5Рис. 5. Теплогенератор Peletti Maxi Touch

Практически все пеллетные котлы при определенном дооснащении рассчитаны не только на работу в отопительной системе, но и обеспечение ГВС.

Кроме вышеуказанных, на украинском рынке представлены пеллетные котлы компаний Atmos (Чехия), Opop (Чехия), Kalvis (Литва), Kiturami (Южная Корея), Hargassner (Австрия), Viessmann (Германия), а также множество моделей отечественного производства.

Ряд производителей предлагают твердотопливные котлы, которые, при дооснащении наддувной горелкой, могут работать на пеллетах. К таким агрегатам, относятся, например, модели серии SFL итальянской компании Ferroli. Данные теплогенераторы (рис. 6) предлагаются тепловой мощностью от 19 до 50 кВт. При этом комплект перехода на пеллеты может быть выбран для постоянной работы на гранулах (одна дверца) или для работы с разными видами топлива (двойные дверцы). Предусмотрена возможность подключения бойлера ГВС.

Pelleti_Ris_6Рис. 6. Твердотопливный котел SFL, дооснащенный пеллетной горелкой

Новые тенденции

Пеллеты приобрели в развитых странах настолько большую популярность, что появилось множество разработок оборудования для их сжигания, основанных на современных технологиях.

В частности, компания Guntamatic Heiztechnik (Австрия) создала настенный теплогенератор THERM (рис. 7), работающий на пеллетах. Мощность аппарата модулируется в диапазоне 2–7 кВт; температура воды на выходе – 38–70 °C. Габаритные размеры котла (В×Ш×Г) – 1280 (без золосборника – 1000)×810×560 мм; масса – 150 кг.

Теплогенератор устанавливается в обслуживаемом помещении, а бункер с пеллетами – за его пределами – в подсобке или снаружи дома. Подача пеллет производится по полимерному шлангу. Конструкция камеры сгорания – ретортного типа, циклонная.

Теплообменник котла представляет собой помещенный в водяной объем пучок дымогарных трубок с расположенными внутри них турбулизаторами потока.

Реализованные в конструкции котла решения обеспечивают КПД котла до 94%. По мнению создателей котла THERM, приоритетная область его применения – теплоснабжение небольших домов, оборудованных системами напольного или другого низкотемпературного отопления, в сочетании с солнечными водонагревательными установками.

Pelleti_Ris_7Рис. 7. Конструкция настенного пеллетника THERM:
1 – дымоход; 2 – вентилятор; 3 – лямбда-зонд; 4 – датчик дымовых газов; 5 – устройство автоматической очистки теплообменника; 6 – датчик заполнения расходной емкости; 7 – панель управления; 8 – расходная емкость; 9 – механизм подачи пеллет; 10 – вращающееся шлюзовое устройство; 11 – привод механизма подачи; 12 – загрузочная шахта (безопасна с точки зрения обратного распространения огня); 13 – вакуумный насос системы транспортировки топлива; 14 – вентилятор розжига; 15 – вторичный воздух; 16 – привод устройства автоматической очистки; 17 – очистка решетки; 18 – первичный воздух; 19 – золосборник; 20 – циклонная камера сгорания; 21 – теплоизоляция; 22 – турбулизаторы потока дымовых газов; 23 – теплообменник; 24 – водяной объем

Еще одна разработка уже другой австрийской компании ÖkoFEN – пеллетные котлы, реализующие конденсационный режим (рис. 8). Они представлены рядом моделей мощностью 8–56 кВт (в каскаде – до 224 кВт). Серия компактных биотопливных котлов Pellematic Mini рассчитана на применение в домах с низким энергопотреблением и пассивных домах.

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 других систем поверхностного обогрева. При этом температура дымовых газов находится в диапазоне 30–40 ˚С. Модели этой серии характеризуются низким уровнем эмиссии вредных компонентов и полностью автоматизированным режимом работы. КПД – 94,7%.

Pelleti_Ris_8Рис. 8. Конденсационник на пеллетах Pellematic Mini

Пеллетные конденсационные котлы Wood Pellets Spira как для внутренней, так и для наружной установки производит также компания Grant (Великобритания). В их конструкции применяется оригинальная система самоочистки при помощи образующегося конденсата.

Установка котлов

Подключение современных пеллетников к системе отопления в целом не отличается от подключения водогрейных газовых котлов или других теплогенераторов. Это позволяет, в частности, наличие в комплекте необходимых для такого присоединения составляющих.

К примеру, гидравлическая группа пеллетных котлов Bioself (мощность 18–34 кВт, КПД – 92%) испанской компании Lasian включает циркуляционный насос, расширительный бак, клапаны безопасности и выпуска воздуха, прессостат. Это упрощает и ускоряет установку и запуск, позволяет подключать насос как напрямую к системе отопления, так и посредством емкостного бака-аккумулятора (рис. 9).

Pelleti_Ris_9Рис. 9. Схемы подключения пеллетного котла Bioself (Lasian)

Автоматический розжиг и электронная система управления с контролем уровня топлива в бункере, автоматическая очистка горелки, возможность установки до 16 программ в неделю и другие функции делают использование котла для отопления почти настолько же удобным и простым для пользователя, как и эксплуатация газового теплогенератора.

В то же время отличительной чертой современных пеллетных котлов является необходимость наличия хранилища, из которого гранулы автоматически подаются в камеру сгорания. В настоящее время существуют множество способов организации такой подачи. Так, загрузка топливных гранул может осуществляться гибким или пневматическим шнековым транспортером на значительные расстояния (25 м) и высоту (5 м). В связи с этим существует возможность организации хранилища в отдельном помещении или даже под землей (рис. 10).

Pelleti_Ris_10Рис. 10. Некоторые варианты организации автоматической транспортировки пеллет к котлу:
а) загрузка гранул в котел при помощи шнекового транспортера;б) загрузка пеллет в котел при помощи гибкого шнекового транспортера из отдельного бункерного хранилища (силосное хранилище);в) загрузка гранул в котел при помощи пневматического транспортера из подземного бункера-хранилища

Как правило, производители пеллетных котлов предлагают в дополнение к своему оборудованию различные типы контейнеров и механизмов для подачи пеллет. К примеру, линейка контейнеров для пневматической подачи гранул в теплогенераторы Pelletstar (HERZ) включает модели емкостью от 86 л (56 кг пеллет) до 480 л (310 кг).

Подробнее о производимых в Украине древесных пеллетах читайте в «Обзор рынка».

Больше важных статей и новостей в Telegram-канале AW-Therm. Подписывайтесь!



Оставьте комментарий

Telegram