Твердотопливные котлы: максимальная экономия при минимальных затратах

М. Гусалов

Твердотопливные котлы стали признанной альтернативой газовому отоплению. На рынке широко представлены разные типы такого оборудования. Правильно выбранный и эксплуатируемый котел с подходящим топливом значительно экономит средства. Однако каждый тип твердотопливного котла имеет некоторые особенности, о которых нужно знать и учитывать их

Современные твердотопливные котлы – это высокотехнологичные устройства для сжигания топлива и преобразования его в тепло. Имеются разнообразные твердотопливные котлы по типам и конструктивному исполнению. Прежде всего, они различаются по разновидностям используемого топлива– дрова, уголь, брикеты, пеллеты, торф, небрикетированные растительные сельскохозяйственные и древесные отходы и т. д.

Дрова

Подготовленная для сжигания древесная масса (дрова) учитывается по объему различными единицами измерения: насыпью («машина»), складометр (скл.м) и кубометр (м³). Складометр можно представить как куб (1 x 1 x 1 м Ш x В x Г) плотно уложенных дров – это примерно 0,75 м³ цельной древесины. Один складометр сухой древесины лиственных пород заменяет от 200 до 210 л жидкого топлива или 200 – 210 м³ природного газа. Энергетические свойства дров из разной древесины относительно объема складирования различаются примерно в полтора раза (см. табл. 1). Дрова разных пород дерева имеют особенности горения, они различаются по характеру и количеству выделяемых смолистых веществ и образования сажи.

Таблица 1. Характеристика различных видов дров

Уголь

Уголь представляет собой ископаемую горючую осадочную породу растительного происхождения, состоящую в основном из углерода и ряда других химических элементов, или это продукт обжига древесной массы в специальных печах («древесный уголь»), где древесина подвергается термической модификации, теряет влагу и специфические органические соединения.

Состав угля зависит от возраста и условий процесса углефикации. Самый молодой – бурый уголь, каменный уголь имеет «средний» возраст, старше всех – антрацит. Со старением происходит концентрирование углерода и уменьшение содержания летучих соединений, в частности, воды. Так, бурый уголь имеет влажность 30-40%, более 50% летучих компонентов, у антрацита оба показателя составляют 5-7%, см. табл. 2.

Таблица 2. Теплота сгорания угля

Данные таблицы являются справочными и относятся к угольному концентрату. Реальные значения энергоемкости могут сильно отличаться. Так, например, для обычного каменного угля, который можно приобрести на угольных складах, указываются значения от 4500 до 5500 ккал/кг. Как видно из таблицы 2, самым эффективным и качественным углем признан антрацит, но при этом он и самый дорогой. Цена такого угля, в зависимости от его фракции (величины кусков), количества золы и других примесей, может колебаться от 3 до 5 тысяч гривен за тонну топлива.

Пеллеты (топливные гранулы) и «евродрова»

Прессованная в цилиндрические гранулы стандартного размера древесная или растительная масса – пеллеты – это универсальное топливо. Пеллеты прессуются под высоким давлением из натурального сырья растительного происхождения без добавления химикатов и клеящих веществ. Сырьем для их производства может быть кора, опилки, дробленая стружка, щепа и другие отходы лесозаготовки и деревообрабатывающего производства, а также отходы сельского хозяйства (лузга подсолнечника, солома, некондиционный лен, лущенные початки и стебли кукурузы, шелуха сои, бобовых и др.), торф, органические упаковочные материалы, картонная тара и т. д.

При производстве топливных гранул не используются химические связующие добавки. Органическая составляющая древесной массы – лигнин – под воздействием местного повышения температуры при прессовании и в присутствии остаточной влаги сначала разлагается, а затем ее молекулы рекомбинируются в новые многомолекулярные цепочки. Помимо «самосклеивания» лигнином частицы пеллет удерживаются между собой механически. При увлажнении пеллет они могут легко рассыпаться. Пеллеты стандартизованы по энергетической ценности, зольности и содержанию летучих Таблица 2. Теплота сгорания угля органических соединений, по происхождению и видам сырья.

Вариант древесного топлива, подобного пеллетам – это топливные брикеты или «евродрова». Они изготавливаются практически из того же сырья, что и разные виды пеллет.

Выделяют 3 типа топливных брикетов:

• RUF-брикеты. Раф-брикет имеет форму маленького прямоугольного кирпичика.
• NESTRO-брикеты. Брикет Нестро – цилиндрической формы. Иногда может быть с продольным отверстием внутри.
• Pini&Kay-брикеты. Брикет Пини-Кей имеет 4, 6 или 8 граней с продольным отверстием внутри.

Топливные брикеты, полученные из растительного сырья – это экологически чистый продукт. Прессование сопровождается термической обработкой сырья, после чего «евродрова» устойчивы к воздействию грибков. Из-за большей плотности «евродрова» горят дольше, и подкладывать их в печь (котел) можно реже в 2-4 раза, чем обычные дрова. «Евродрова» горят ровно, не искрят, не выделяют угарный газ, дают устойчивое и ровное пламя. Они обладают высокой теплотворностью (сравнимой с каменным углем) и дают в среднем в 2 раза больше тепла по сравнению с обычными дровами. Содержание золы после сгорания брикетов в пределах 1-3%. Для сравнения: содержание золы после сгорания каменного угля – 30-40%, сгорания природных дров – 8-16%, древесной щепы – 11-18%. По этой причине современные твердотопливные котлы, работающие на «евродровах», чистят значительно реже. При этом золу можно использовать как экологически чистое удобрение. Цена на разные виды твердого топлива учитывает энергетические характеристики (см. табл. 3), происхождение, удобство использования и доставки, степень приспособленности к автоматической загрузке, размер упаковки, логистику и спрос.

Таблица 3. Ориентировочная характеристика разных видов твердого топлива

Виды твердотопливных котлов

Твердотопливные котлы самых разных конструкций и производителей можно поделить на 4 основных вида:

• традиционный твердотопливный котел;
• пиролизный твердотопливный котел;
• пеллетный котел;
• котел длительного горения.

Некоторые котлы совмещают разные конструкционные решения, и их можно отнести к котлам смешанного типа. Например, традиционный твердотопливный котел с возможностью включения пеллетной горелки.

Традиционный твердотопливный котел

Такие котлы могут быть различной формы или исполнения, но их всегда характеризует одно – как именно организовано горение топлива. Они бывают со стальным либо с чугунным теплообменником, имеют верхнюю или фронтальную загрузку топлива.

Котлы с чугунным теплообменником были достаточно распространенными ранее, они были более простыми в изготовлении, и из-за этого более дешевыми. Сейчас они все больше уступают рынок изделиям, выполненным из котловой стали.

Подобно горению дров в костре, горение топлива в традиционном котле практически не контролируемо. За поддержание температуры в нем отвечает датчик температуры, управляющий воздушной заслонкой. Если температура воды слишком высокая – датчик закрывает заслонку, а если температура низкая, то открывает. Фактически, за счет этого можно регулировать мощность всего в пределах до 15%.

Традиционные котлы (рис. 1) распространены и попрежнему очень популярны. Такие котлы неприхотливы к составу топлива. Фактически это значит, что в топке можно сжигать практически все, что способно гореть, но, конечно, мощность котла и характер горения от этого сильно меняется.

Рис. 1. Традиционный твердотопливный котел

Однако эти котлы самые требовательные к обслуживанию среди всех типов твердотопливных котлов. На хорошем угле они способны работать 3-4 часа. При использовании низкосортного топлива, например, влажной древесины, время горения сокращается до 1,5-2 часов. Сухая качественная древесина способна поддерживать работу котла до 2-3 часов. При этом количество золы, собирающейся в нижней камере, достаточно велико, и котел требуется периодически и довольно часто чистить. Чем хуже топливо, тем чаще нужно чистить зольник и дымоходы.

Традиционные котлы выполняются в двух вариантах – с вентилятором или без. Безвентиляторные котлы относятся к самым конструктивно простым и дешевым моделям. К этому типу котлов относятся например Vision (Thor), Viessmann WBS, Protherm Бобер, Radijator серий К и R и другие. Пользуются спросом также дровяные стальные котлы Viessmann (Германия) и чугунные котлы Protherm.

Вентилятор твердотопливного котла придает ему способность до 30-35% регулировать свою мощность. За счет регулировки вентилятором, горение может длиться до 3-5 часов. Вентиляторные котлы также снабжаются блоком автоматики, способным помимо управления вентилятором управлять также и водяным насосом. Применение таких котлов более экономично, поэтому они становятся все более популярными по сравнению с их безвентиляторными собратьями. Примером таких котлов могут служить львовские котлы Veren, сербские Radijator FK, болгарские котлы MAT.

Пиролизные котлы

Другой тип твердотопливных колов – пиролизные или газогенераторные котлы – используются давно, но имеют более сложную конструкцию и совсем другой процесс горения, см. рис. 2. Сам по себе процесс пиролиза давно известен во многих отраслях техники и промышленности, в частности, он широко применяется в фармацевтике и нефтяной промышленности, давно используется для ДВС для замены жидкого топлива на автомобилях.

Рис. 2. Пиролизный или газогенераторный котел

В твердотопливных котлах пиролиз означает медленное тление сухих дров при малом количестве кислорода. При этом из дров выделяются горючие газы, которые через отверстие в камере загрузки дров попадают во вторую камеру, куда с помощью вентилятора подается избыточное количество воздуха, выделившийся газ загорается и активно горит. Благодаря такой специфической организации процесса горения дров и специально спрофилированным поверхностям теплообмена, КПД такой техники заметно выше, чем у обычных твердотопливных котлов, и достигает 90-92%.

Пиролизные котлы оснащаются одним или двумя вентиляторами, регулирующими подачу воздуха в первичную и вторичную камеры. Пиролизные котлы оснащаются продвинутой автоматикой, способной не только следить за процессами горения, но и управлять вентиляторами и насосом отопления, по датчику включать насос на ГВС, контролировать температуру буферной емкости, наблюдать за температурой выбросов, по которой можно судить о качестве сгорания топлива и др.

Все это делает пиролизные котлы более экологически чистыми и экономичными по сравнению с обычными твердотопливными котлами. Но вместе с этим, данные котлы имеют повышенные требования к качеству топлива. Влажность дров не должна превышать 15%, а в древесине должны отсутствовать смолы. Хотя требования к дровам возрастают, длительность горения пиролизных котлов значительно выше (от 5 до 8 ч), чем у обычных котлов, что зависит от качества дров. Конечно, подобные котлы, уже не способны работать без подключения электричества. Диапазон мощности таких котлов составляет от 20 до 60 кВт, что покрывает любые бытовые потребности частных домов или коттеджей.

Благодаря высокотемпературному сгоранию пиролизных газов с контролируемой подачей кислорода воздуха в нижней камере, дымовые газы практически не несут с собой вредных примесей, а по большей части состоят из углекислого газа и обычного водяного пара. В среднем выбросы такого котла в три раза чище, чем у обычного твердотопливного котла, который работал бы на тех же дровах.

Пеллетные котлы

В пеллетных котлах автоматическая подача гранулированного топлива и его сжигание осуществляется с помощью специальных устройств – горелок.

Все пеллетные горелки делятся на два вида: факельные и ретортные (рис. 3). Пеллетные котлы традиционно имеют довольно высокий КПД – от 90% и выше, и большой выбор по мощности. Конструктивные отличия устройств данных видов заключаются в способе подачи топлива в зону активного горения и воздуха для постоянного поддержания этого процесса.

Пеллетная горелка ретортного типа сконструирована в виде чаши с каналами, по которым подается воздух, см. рис. 3. Топливо с помощью механизма подачи (шнек) подается в топку, где происходит автоматический поджиг пеллет с помощью ТЭНа. Горение пеллет в таких котлах визуально похоже на горение костра.

В чашу топливные гранулы в зависимости от конструкции горелки могут насыпаться сверху, а могут выталкиваться шнеком снизу. Сжигание топлива происходит в камере котла, поэтому горение называют объемным. Главное достоинство ретортных горелок заключается в их низкой цене. Важным преимуществом является способность сжигать не только пеллеты, но и мелкий уголь, щепки, опилки. Нет и ограничений по мощности выпускаемых моделей.

В качестве примера котлов с ретортной горелкой можно назвать Radijator моделей TKAN-1 и TKAN-2 (Сербия) и Viessmann Vitoligno (Германия), см. рис. 3.

Рис 3. Пеллетный котел с ретортной горелкой

Для защиты от обратного горения, к примеру, в котлах компании Viessmann (Германия) применяется сразу три степени такой защиты. Во-первых, за счет особого расположения подающей линии создается плотный слой топлива, блокирующий распространение огня. Во-вторых, при превышении допустимых показаний датчика температуры на линии подачи топлива происходит кратковременное повышение расхода топлива, что также препятствует распространению огня. И, в-третьих, в случае опасности обратного горения, либо при отключении подачи электроэнергии, приводится в действие заслонка (горизонтальный отсечной шибер или шлюзовой затвор).

К недостаткам ретортных горелок можно отнести в основном громоздкость изделия и пожароопасность (воспламенение топлива в подающем устройстве). Такие котлы обычно достаточно габаритны и плохо помещаются в небольшие топочные и котельные. Из-за конструкции шнекового устройства подачи топлива при выходе из строя вентилятора случается перегрев и возможно обратное горение, но обычно поставщики котлов с горелками такого типа устанавливают предохранительные датчики для защиты от подобных случаев.

В котлах с факельной горелкой подача топлива организована во внешнюю горелку, в которой находится как элемент розжига, так и вентилятор для подачи воздуха, см. рис. 4. Часть горелки заведена в топку котла, и из ее сопла бьет «факел» пламени. В горелке такого типа происходит нечто подобное горению в пиролизном котле – здесь есть определенная зона, где происходит термическое разложение древесины и формируется поток горючих газов, образующих огненный «факел» из смеси вторичного воздуха и горючих газов с температурой горения порядка 1500°С.

Рис. 4. Факельная горелка.
1 – подача пеллет; 2 – подача воздуха; 3 – камера сгорания или «корзинка»; 4 – камера газов, образованных термическим разложением древесины; 5 – подсос вторичного воздуха; 6 – сгорание горючих газов в сопле горелки; 7 – поток зольных частиц, выбрасываемый в зольник горелки; 8 – вентиляция канала подачи пеллет (препятствует загоранию пеллет в зоне загрузки)

Факельные горелки по внешнему виду и принципу действия схожи с газовыми и жидкотопливными вентиляторными горелочными устройствами. Такими горелками оснащаются универсальные твердотопливные котлы. Их применяют также при модернизации обычных дровяных котлов для возможности работы на пеллетах.

В огневой трубе факельной пеллетной горелки, служащей камерой сгорания топлива, происходит сжигание гранул на вложенном колоснике (в т. н. «корзинке»). Количества воздуха от вентилятора для горения гранул хватает для их полного сжигания. Продукты сгорания (частицы золы) выдуваются в топку котла (см. поз. 7 на рис. 4). Подаются пеллеты с помощью питателя, управляемого контроллером горелки.

Преимуществами горелок такого типа можно назвать, в первую очередь, компактность конструкции. Такие модели занимают заметно меньше места. К недостаткам – более высокую стоимость и относительно небольшие мощности котлов с подобными горелками. Также в подобных горелках, в отличие от ретортных, обычно можно сжигать только пеллеты.

В обоих типах горелок, как в ретортной, так и в пеллетной, осуществляется автоматическое регулирование работы с помощью системы датчиков, следящих за тягой, количеством остаточного кислорода в отходящих газах и другими параметрами. Очистку следует производить не реже чем раз в 1-3 месяца, в зависимости от качества и типа пеллет.

Котлы длительного горения

Твердотопливные отопительные котлы длительного горения еще называют «котлами верхнего горения» или «котлами с подовыми топками». Они характеризуются наиболее длительной работой на одной закладке топлива, см. рис. 5.

Рис. 5. Схема котла длительного горения

В данных котлах полностью отсутствуют зольник и колосник. Внизу котла – глухой поддон («под»). В нижней части объема заложенного топлива горение не просто нежелательно, а недопустимо. Топка имеет цилиндрическую форму. Воздух подается сверху по ее центру и обеспечивает горение верхнего слоя закладки.

Распределитель воздуха в топке подвижен: при закладке горючего он поднимается; в процессе горения опирается непосредственно на топливо и опускается (раздвигается) по мере его сгорания. Воздух все время подается непосредственно к верхнему слою горящего топлива, где происходит лишь частичное окисление углеводородов (пиролизация). Продукты сгорания вместе с частицами золы выносятся в верхнюю часть топки: их отделяет от области первичного горения массивный металлический диск.

К пиролизному газу еще подмешивается атмосферный воздух, летучие продукты сгорания дожигаются, выделяя тепло на теплообменник.

На входе в камеру дожигания имеется автоматический регулятор тяги, благодаря которому отопительный котел длительного горения определяет температуру теплоносителя и подстраивает скорость истечения печных газов. Зольные остатки уносятся потоком воздуха и не препятствуют горению топлива. Теплообменником является весь корпус котла. Вода циркулирует сверху вниз.

Топливо после загрузки сгорает полностью, без остатка. Период работы без дозагрузки определяется только размером топливника. После того, как котел вышел на рабочий режим, иногда через специальную дверцу можно догружать топливо в небольших количествах (или бытовые отходы).

Фактически, котел длительного горения (КДГ) – это модификация пиролизного котла, он имеет высокий КПД и устойчив к отказам, не требует сложной автоматики. Есть конструкции, способные сжигать не только дрова и продукты переработки древесины, но и уголь.

Из-за противоположного направления теплоносителя (сверху вниз) эти котлы в большей степени чувствительны к температуре теплообменника, чем обычные твердотопливные котлы. Превышение скорости циркуляции будет вызывать выпадение конденсата на теплообменнике. КДГ также очень чувствителен к наличию электричества и его напряжению, при отключении электричества во время процесса горения возможна поломка котла.

При недостатке наддува может образовываться слой спеченного пепла («корка»), что вызывает падение теплоотдачи котла. Есть и другие особенности. Например, размеры топки делают трудным ее розжиг при неполной загрузке.

В дровяных котлах с естественной циркуляцией воздуха и вовсе приходится постоянно держать кочергу рядом. Котлы верхнего сгорания чувствительны к размерам фракции, плотности укладки и влажности топлива.

Экономичное отопление

На рис. 6 представлена типовая схема системы отопления и ГВС с использованием твердотопливного котла. Для повышения стабильности системы отопления, сокращения частоты загрузок топлива и полноты использования тепловой энергии, выделяемой котлом, рекомендуется использовать баки-накопители горячей воды в качестве теплового аккумулятора. Применение накопителей горячей воды повышенного объема позволяет в 3-4 раза сократить расход топлива за отопительный сезон. Достаточный запас горячей воды позволит также проводить обслуживание котла (загрузку топлива) в удобное время.

Рис. 6. Типовая схема подключения твердотопливного котла

Ориентировочный объем буферного бака V_б.б(л) можно определить по формуле:

V_б.б = 13,5·Q_к·Т_в

где Q_к– тепловая мощность котла, кВт; Т_в– время, за которое выгорает топливо, ч. Например, для котла мощностью 18 кВт и временем выгорания разовой заправки топливом (закладка бункера) 4 часа, необходим буферный бак не менее ≈972 л или (округленно) 1 м³.

Немножко дегтя

Деготь – это не фигура речи о некоторых недостатках. Действительно, неправильный выбор топлива (например, недостаточно сухие березовые дрова) для данного конкретного котла может вызвать образование дегтя в дымоходе, который будет стекать в камеру сгорания, нарушая устойчивое горение и выделяя токсичные газы.

Низкая температура обратной линии теплоносителя (< 55°С) может вызвать вытекание конденсата из котла – говорят, что «котел плачет». Рекомендуется поддерживать температуру «обратки» не менее 60-65°С, для чего используют трехходовые клапаны или подмешивающие устройства с термостатом. В случае, если очевидно, что на стенках налипает смола, то нужно поднять температуру прямой линии минимум до 75°С и при первой же возможности почистить котел.

Бывает, что котел дымит так, что дым идет даже из дверцы котла. Причина этого – в плохой тяге дымохода из-за неверного проектирования, или если дымоход банально засорился сажей. Нужно регулярно чистить дымоходы или использовать рекомендованные производителем котла химические реагенты для удаления сажи. Если из дымохода течет конденсат (вода), то вероятной причиной может быть недостаточное утепление дымохода снаружи дома и переохлаждение его стенок.

Если вы заметили перерасход топлива, то здесь может быть причин намного больше. Это может быть качество топлива (фактические влажность и калорийность, плотность и т. д. Плохое топливо дает меньше тепла, и котел не может выдать необходимую отопительную мощность. Чтобы этого избежать желательно выбирать твердотопливные котлы с запасом мощности 20-25%, тогда влажность дров не так скажется на эффективности котла. Сложнее, если причина в неквалифицированном проектировании системы отопления, плохом утеплении ограждающих конструкций здания, неправильно подобранной мощности котла. Подобные причины могут вызвать сравнительный перерасход топлива более чем в 1,5-4,5 раза даже при одинаковой мощности котла и схожести отапливаемой площади помещений.

Большая зольность и загрязненность гранул песком может вызвать образование «коржа» на горелках пеллетного котла, вызвать прекращение нормальной работы горелки.

Идет черный дым из трубы – слабая тяга в дымоходе, нужна прочистка или увеличение его высоты, проверка вентиляторов. Много золы и остатков горения – скорее всего некачественное или не соответствующее котлу топливо или недостаточная подача воздуха. Дрова горят нормально, а уголь не горит – несоответствие размеров топливника и дымохода.

Если в системе отопления при работе котла сильно поднимается давление – расширительный (компенсационный) бак или поврежден, или имеет недостаточный объем. Если давления, наоборот, мало, то, скорее всего, сжигается недостаточно калорийное или влажное топливо.

Большинство неполадок твердотопливных котлов вызвано именно неправильной эксплуатацией и нерегулярностью чисток. Больше всего забот и внимания к себе требуют традиционные котлы с ручной загрузкой топлива. Современные котлы с развитыми системами автоматики, автоматической загрузкой и работающие на «стандартном» топливе – пеллетах или евродровах – в эксплуатации подобны газовому или электрическому оборудованию и приносят меньше всего хлопот зимой. При этом их эксплуатация обходится намного дешевле. Но это происходит, если их вовремя, согласно всем рекомендациям завода-изготовителя, обслужили и проверили сертифицированные специалисты.

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

Переглянуто: 16 248