Піролізні котли: особливості, схема застосування

О. Щербатий

Серед способів отримувати теплову енергію спалюванням органіки окремо виділяється метод непрямого спалювання деревини чи паливних брикетів, завдяки піролізу – процесу високотемпературної генерації горючих газів із органічної сировини. Обладнання для цього, або піролізні чи газогенераторні котли, вже давно пропонуються і застосовуються в Україні. Їх розрізняє дуже висока ефективність у порівнянні з обладнанням, де застосовується пряме спалювання

Піролізні котли можуть працювати на одній закладці палива набагато довше, аніж звичайні твердопаливні котли. Аби зрозуміти, чому так виходить, треба нагадати, яким чином працюють піролізні котли та про їх відмінність від звичайних агрегатів.

Піроліз vs пряме спалювання

Пряме спалювання дров, особливо не дуже сухих, дає менше енергії та не таку високу температуру, ніж ту, що можна отримати від спалювання піролізного газу, який утворився з них в процесі термічного розпаду органічних речовин, що містяться у деревині в умовах відсутності кисню. Газогенерація (піроліз) – це процес більш глибокого використання енергії, що міститься у спалюваного продукту, аніж пряме спалення.

Для процесу горіння газів, що утворилися внаслідок піролізу, потрібна менша кількість повітря, тобто, саме горіння відбувається довше, а отже, деревина згоряє ефективніше. При цьому, утворюється значно менше викидів, що потенційно ще мають можливість горіти (частки вуглецю (сажа), окис вуглецю, летючі органічні сполуки тощо).

Піролізний котел умовно має дві секції:

секція (зона), де відбувається, власне, піроліз (генерація горючих газів з органічного палива);
секція (зона), де ці гази спалюються.

Керувати процесом горіння утворених газів значно простіше, аніж процесом прямого спалювання твердої органіки, тому піролізні котли набагато легше автоматизуються, а отже, можна досягати найбільш оптимальних режимів горіння.

Рис. 1. Схема роботи піролізного котла

Технологія піролізного спалювання палива полягає у тому, що за умов обмеженої подачі кисню в зону горіння твердого палива, під дією високої температури (для деревини – в межах 200-800°С) саме паливо розкладається і виділяє горючі речовини (генерований або т. з. піролізний газ), а тверді залишки перетворюються на деревне вугілля (кокс). В подальшому, для отримання тепла використовується процес згоряння піролізного газу і новоутвореного палива (коксу), див. рис. 1.

Процес піролізу екзотермічний, тобто відбувається із виділенням тепла. Завдяки цьому первинно виділеному теплу, паливо прогрівається та підсушується, також підігрівається повітря, що циркулює в зоні згоряння. Це так званий процес із позитивним зворотним зв’язком – підсушене паливо краще згоряє в умовах подачі прогрітого повітря, що додатково підвищує ефективність та глибину згоряння.

Суміш піролізного газу та кисню, що міститься у підігрітому повітрі, згоряє дуже ефективно, із виділенням великої кількості тепла. Гарячий піролізний газ активно взаємодіє із вуглецем в коксі, завдяки чому той активно окислюється, виділяючи тепло. При цьому продукти згоряння самого коксу із деревини змішуються із потоком піролізного газу, який у свою чергу в подальшому спалюється із додаванням необхідної кількості кисню із вторинним повітрям. Завдяки цьому, димові гази від піролізних котлів майже не містять шкідливих викидів, в них, наприклад, менше оксиду вуглецю (CO), аніж від котлів з прямим спалюванням. Також, значно менше утворюється золи та сажі (неперегорілого вуглецю). Окрім того, у піролізних котлах конструктивно облаштовують особливі умови для підвищення ефективності та глибини згоряння, див. рис. 2.

Рис. 2. Камера згоряння з подвійним завихренням підвищує ефективність процесу горіння

Вимоги до палива для піролізного котла

В залежності від конструкції, піролізні котли для деревини працюють на колотих дровах різного розміру або на стандартних паливних брикетах чи деревних пелетах. Також існують конструкції, що можуть використовувати різні види деревного палива. Для піролізних котлів екомендовано використовувати деревину, що має вологість менше 25%. Це зменшить витрати самого палива, підвищить ефективність котла та збільшить термін його експлуатації. Дуже вологе деревне паливо також врешті перегорить у піролізному котлі, але це може зменшити загальну ефективність аж на половину, через це збільшаться витрати самого палива, а циркуляція у контурі котла вологого диму з підвищеною, ніж зазвичай, кислотністю небажано відіб’ється на стані стінок котла та димових труб.

Останнім часом вартість паливних брикетів та деревних пелет суттєво підвищилася, вони бувають не всюди, на відміну від колотих дров, які можна придбати практично усюди.

Сучасний піролізний котел на дровах

Обираючи піролізний котел, рекомендуємо передусім звернути увагу на котли HERZ серії Firestar Lambda потужністю 20, 30 та 40 кВт. Компанія HERZ загально відома своїм широким асортиментом виробів для галузі HVAC та пропонує комплексні рішення. Компанія також має розгалужену лінійку виробів для опалювання. Серед них сучасні опалювальні системи для роботи на пелетах та деревних трісках до 1500 кВт (при каскадному встановленні – до 4500 кВт), піролізні котли потужністю до 40кВт, а також теплові насоси потужністю до 80 кВт. Компанія спеціалізується також на виробництві бойлерів ГВП, акумуляторних баків-накопичувачів і модулів безперервної подачі гарячої води, тобто, споживач може отримати все потрібне обладнання для системи опалення та ГВП з «одних рук».

Піролізні котли вирізняються сучасними технічними рішеннями, підтвердженою якістю, надійними матеріалами, економічністю і високими екологічними показниками. Завдяки своїм особливостям, котли потребують менше зусиль та періодичності в обслуговуванні, що робить опалення деревиною зручним та комфортним. Піролізні котли Firestar Lambda мають переваги та привабливі особливості:

Можливість спалювання кускової деревини (поліна довжиною до 0,5 м) і деревних брикетів та пелет.
Стабільно високий ККД – до 93%, низькі показники емісії шкідливих викидів.
Завдяки автоматичному очищенню теплообмінника (опційно) зменшується потреба в експлуатаційному обслуговувані, підвищується зручність використання та комфорт для споживача.
Спеціальна камера з ефектом подвійного завихрення підвищує економічність використання палива.
Завдяки додатковим димовідвідним каналам забезпечується безпечність відкриття завантажувальної камери в процесі роботи котла та видалення продуктів згоряння.
Видалення золи та попелу організовано виключно спереду котла – це суттєво спрощує експлуатацію та зменшує площу, що необхідна для монтажу котельного обладнання.
Завдяки оптимальному та керованому спалюванню утворюється незначна кількість попелу – спрощення утилізації відходів від роботи твердопаливного котла.
Керування та регулювання процесом спалювання Lambda-зондом, керований нагрів буферного накопичувача, підтримання сталої температури у зворотній магістралі – у серійній комплектації.

Відповідно до технічної документації на піролізні котли HERZ Firestar Lambda, що відносяться до екологічної серії ЕКО, рекомендується використовувати деревну тріску розмірністю M25 (вміст вологи не більше 25%) згідно EN ISO 17225‑5; або дрова згідно з властивостями класу A1, A2, B з довжиною L50 см (<= 55 см) і діаметром D15 см. Це означає, що окрім стандартних брикетів можна використовувати колоті дрова чи поліна із довжиною до 0,5 м.

Якість води для системи опалення має відповідати ÖNORM H5195 або VDI 2035 – це звичайна вода із вмістом солей жорсткості чи забруднень подібно до питної води:

хлориди – макс. 30 мг/л;
гідратна лужність – pH 8-8,5;
розчинений кисень – макс. 0,1 мг/л.

До води в системі опалення можна додавати антифриз на етиленовій чи пропіленовій основі у кількості 25% - 50%, чи заповнювати контур опалення готовою сумішшю антифризу.

Особливості конструкції піролізного котла

Екологічні та ефективні піролізні котли HERZ Firestar Lambda мають чимало особливостей, завдяки чому і досягаються високі технічні характеристики та споживчі властивості. Блок управління містить т. з. лямбда-зонд, який контролює вміст кисню у димових газах та зменшує емісію шкідливих викидів. За показами лямбда-зонду коригується кількість вторинного повітря, що подається до пальника. Цим досягаються оптимальні умови спалювання, зокрема, в режимах часткового навантаження котла. Тобто, завдяки зонду відбувається регулювання процесу горіння та врешті контролюється нагрів бака-накопичувача. Для підвищення терміну експлуатації у зворотній магістралі підтримується задана температура. Є додаткові канали для відведення димових газів при відкритих дверцятах завантажувальної камери, тобто, під час роботи котла є змога відкривати завантажувальну камеру і, за потреби, додавати туди паливо. Аби уникнути потрапляння диму у приміщення, коли дверцята завантажувальної камери відкриті, передбачено відведення димових газів через додаткові канали за допомогою димоходу.

Піролізні котли, завдяки камері згоряння з подвійним завихренням, мають високі сталі показники енергоефективності, сприяють збільшенню обсягів генерації піролізних газів і забезпечують краще їх перемішування з киснем. Власне, камера згоряння виготовлена з вогнетривкого бетону SiC (стійкого до високих температур) та не має листових частин, тобто немає стиків та щілин, а отже, немає додаткового зносу від тертя частин при температурному розширенні, чи зон локального перегріву, що підвищує довготривалість терміну експлуатації котла. Просте, напівавтоматичне очищення поверхонь теплообмінника сприяє підтриманню стабільно високого коефіцієнту корисної дії та зменшенню витрат палива. Очищення від залишків продуктів згоряння (сажі і золи) проводиться спереду котла, тобто немає бічних отворів, вся зона обслуговування котла розміщена лише спереду. Котли обладнані високоефективною теплоізоляцією, що також збільшує загальну економічність.

Як правильно встановлювати піролізний котел

Звичайно, треба суворо дотримуватися рекомендацій виробника щодо монтажу самого котла, облаштування безпечної системи видалення продуктів згоряння через димоходи та підключення його до системи опалення та ГВП.

Перший запуск котла та перевірка необхідної для його роботи тяги має провадитися сертифікованим та уповноваженим компанією HERZ фахівцем. Зменшена тяга може завдати труднощів під час розпалювання, викликати викид диму у приміщення при докладанні палива через відкриті завантажувальні дверцята, обумовити витік диму через погане ущільнення на стиках димоходу, зменшити фактичну потужність котла тощо. Завелика тяга може призвести до малої концентрації піролізного газу у горючій суміші з повітрям, а врешті – до детонації котла.

З іншого боку, підвищена тяга може прискорити згоряння, збільшити полум’я аж до входу в димохід, підвищити температуру вихідних газів, що зменшить загальний ККД та призведе до перевитрат палива. Неоптимальне горіння може збільшити концентрацію недопалених продуктів у димових газах та навіть призвести до викидів у димохід гарячої сажі та зольних частинок. Підвищена швидкість згоряння через завелику тягу, зрештою, також зменшує потужність котла, як і в разі замалої тяги.

Котел HERZ Firestar для роботи на дровах призначений для центрального опалення із закритими системами теплопостачання. Піролізні котли виробляють тепло для систем опалення з максимальною температурою у магістралі подачі до 90°C в системі з накопичувальним баком-акумулятором.

Об’єм бака-акумулятора має бути розрахований згідно норм EN 303-5. Відповідно вимог виробника, рекомендовано встановлювати баки-акумулятори із загальним об’ємом не менше:

Firestar 18 – мін. 1000 л;
Firestar 20 – мін. 2000 л;
Firestar 30 – мін. 2000 л;
Firestar 40 – мін. 2000 л.

Типова схема для підключення котлів HERZ Firestar наведена на рис. 3. Обов’язково має бути встановлений закритий розширювальний бачок
та калібрований захисний клапан відповідно до норм EN 12828 або вимог ÖNORM B8130 і B8131.

Рис. 3. Типова схема для підключення піролізного котла HERZ серії Firestar Lambda до схеми опалення та ГВП

Для зменшення теплових ударів та корозії, що може бути викликана занадто низькою температурою води у зворотній лінії, не можна допускати
зниження температури на вході в котел нижче 60°C. Рекомендовано на вході в піролізний котел підтримувати температуру в межах 60-70°C, для чого обов’язково має застосовуватися пристрій підвищення температури у зворотній магістралі.

На рис. 3 показана стандартна схема із накопичувальними баками-акумуляторами, що мають загальний рекомендований об’єм, згідно розрахунку конкретної системи опалення, та бак непрямого підігріву води для системи ГВП. Баки-акумулятори під’єднані один до одного каскадом, а до контурів системи опалення гаряча вода подається через колектор, що вирівнює параметри тиску та температури води, що подається до контурів.

Вода, що поступає від контурів та від ГВП назад до котла, також спершу підключається до колектору. Пристрій підвищення температури у зворотній магістралі розташований у безпосередній близькості до котла. Його дія полягає в тому, аби регульовано підмішувати деяку кількість гарячої води до тої, що направляється в сторону котла у зворотній лінії.

Існують також інші рекомендовані схеми для підключення піролізних котлів HERZ Firestar Lambda, зокрема, із проточними водонагрівачами у контурі ГВП.

Особливості автоматики піролізного котла

Для керування піролизніми котлами в них вбудовано пристрій HERZ Lambda Control, рис. 4, що є простим, але доволі інтелектуальним пристроєм. Він передбачає візуалізацію параметрів роботи та управління автоматизованими процесами у піролізному котлі. Через блок управління можна задати параметри температури, обробити цифрові входи від регулюючої арматури та інших пристроїв, налаштувати роботу двигунів з імпульсним регулюванням обертів та виходів реле автоматики тощо. П’ятьма функціональними кнопками на клавіатурі можна задавати налаштування та параметри режимів роботи. Інформація виводиться на екран розміром 128 × 64 пікселів. Із зворотного боку пристрою розташовані всі інтерфейси та роз’єми для з’єднання із виконавчими пристроями управління топкою котла, які підбираються за характеристиками котла та системи опалення.

Рис. 4. Панель пристрою автоматики HERZ Lambda Control для керування піролізним котлом HERZ Firestar Lambda

Живлення котла здійснюється за допомогою підключення до звичайної електромережі змінного струму 230 В із заземленням. Якщо дотримано всіх рекомендацій виробника із монтажу та підключення, споживач отримає дуже надійний, ефективний, економічний, простий у використанні та зручний автоматизований піролізний котлоагрегат, що буде працювати без проблем багато років на відносно недорогому паливі.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!