Пиролизное горение

Комфорт в помещении напрямую связан с температурой воздуха, которая, в свою очередь, зависит от качества работы отопительного прибора. Грамотно подобранное оборудование позволит наслаждаться комфортной температурой и не задумываться о том, какая погода за окном. Однако ассортимент котлов настолько велик, что разобраться в нем достаточно сложно. Как показывает практика, чаще всего выбирают газовые приборы, которые считаются наиболее практичными. Если их использование невозможно, зачастую обращаются к твердотопливным устройством. В их ряду стоит особо выделить пиролизные котлы, простое в эксплуатации, очень эффективное современное оборудование.

Устройство и принцип действия пиролизного котла

Пиролизный котел относится к числу устройств, работающих на твердом топливе. Как и они, прибор производит нагрев теплоносителя и подает его в систему. Однако он имеет ряд отличий от традиционных моделей, как в конструкции, так и в принципе действия. Прежде всего, работа пиролизного аппарата основана на процессе сухой перегонки древесины, который называется пиролиз. Он заключается в выделении смеси газов из твердой органики под воздействием достаточно высоких температур в условиях минимальной подачи кислорода. В результате реакции топливо распадается на сухие остатки или кокс и газ.

В основу работы пиролизного котла положен процесс сухой перегонки органического топлива, в результате которого оно разделяется на газовую смесь и кокс

Процесс пиролиза может происходить только при очень высоких температурах, минимум 1100°С. Кроме того реакция идет с высвобождением большого количества тепла, которое подсушивает топливо, а так же нагревает воздух, поступающий в зону горения. Газ, выделившийся из топлива в процессе пиролиза, смешивается с кислородом и горит с выделением тепла. Особенность оборудования заключается в том, что древесный газ взаимодействует с активным углеродом, что позволяет минимизировать канцерогенные вещества в отработанных газах. Содержание СО₂ в дыме пиролизного котла в среднем в три раза ниже, чем у традиционных твердотопливных моделей.

Основу прибора составляют две полностью герметичные камеры. Чаще всего они выполнены из листов стали толщиной минимум 5 мм. В качестве разделителя между элементами выступают форсунки. Верхняя часть топки представляет собой отдельную конструкцию, так называемый топливный бункер. Нижняя одновременно используется как камера сгорания и как зольник. Топливо сначала поступает в верхний отдел. Здесь оно немного подсушивается, одновременно прогревается и воздух, направляющийся в нижний отсек, где сжигается выделяющийся газ и скапливается зола.

На рисунке представлена схема устройства пиролизного котла. Здесь же обозначены основные элементы системы (клик для увеличения)

Отличительная особенность оборудования – возможность регулирования мощности путем наддува воздуха. Таким способом можно добиться большей эффективности, чем в традиционных системах. Использование терморегулятора позволяет поддерживать заданную температуру теплоносителя. Еще одно отличие – возможность длительное время функционировать на одной закладке топлива. Именно поэтому приборы называются пиролизные котлы длительного горения. В среднем время прогорания одной закладки составляет 12 часов, существуют модели и с большими показателями. Кроме того в силу конструктивных особенностей оборудования расход топлива в таких системах уменьшается.

Пиролиз древесины

Как химический процесс это явление сопровождает горение любой биомассы. В этом нетрудно убедиться, если провести простой опыт: положить на раскаленную металлическую поверхность небольшой кусок сухой древесины. Многим из нас и так известно, что будет дальше, даже опыт проводить не нужно. Сначала дерево обуглится, станет дымиться, а потом может вспыхнуть и сгореть либо просто истлеет.

От воздействия высокой температуры происходит термическое разложение (деструкция) древесины, в результате которого выделяются различные горючие газы. Их количество зависит от температуры нагрева, вот почему лучина на горячей поверхности возгорается далеко не всегда. Когда температура не превышает 450 °С, газов выделяется немного, они не достигают нужной концентрации и не вспыхивают. Процесс разложения щепки затянется на длительное время и закончится горсткой пепла.

Оптимальная температура пиролиза древесины, при которой образуется большое количество горючих газов, лежит в диапазоне 600—900 °С. Если поверхность под щепкой разогрета до такой степени, то возгорание древесины неизбежно благодаря высокой концентрации газов. После вспышки процесс резко ускорится, поскольку теперь он подпитывает теплом сам себя и лучина быстро истлеет. Если же ограничить к ней доступ кислорода, то возгорания не произойдет, а разложение будет идти с прежней скоростью. Это дает возможность отвести образующиеся газы и использовать для разных целей.

Надо понимать, что дерево никогда не горит само по себе, возгораются образующиеся пиролизные газы, для чего нужна высокая температура. Вот почему от спички не удастся разжечь толстое полено, слишком мало подводится тепла. Для тонкой щепки его будет достаточно, реакция с выделением газа начнется быстро, что и приведет к появлению пламени.

Итак, пиролиз – это химическая реакция деструкции вещества, вызываемая воздействием высокой температуры. В естественных условиях она протекает совместно с горением. Последовательность хода процесса покажем на примере древесины:

• нагрев вещества от внешнего источника тепла;
• при температуре около 300 °С начинается процесс разложения вещества и выделения горючих углеводородов;
• так как доступ кислорода не ограничивается, а тепло подводится в виде открытого пламени, при достижении 500 °С количество газов возрастает и происходит их возгорание;
• реакция горения протекает самостоятельно, без внешнего источника тепла. Сжигаемые углеводороды обеспечивают нужное количество теплоты для дальнейшего термического разложения древесины.

Сфера применения пиролиза

В идеальном варианте пиролиз древесины происходит в закрытом пространстве без поступления кислорода и с постоянным подведением тепла извне. Чтобы не расходовать для этой цели дорогие энергоносители, для поддержания процесса используют часть конечного продукта – смесь горючих газов. В состав смеси входит метан, угарный газ (СО) и водород, из негорючих веществ в ней присутствуют углекислый газ и азот.

Получение газообразного горючего из различных отходов деревообработки – это и есть основная сфера применения пиролиза древесины в промышленности.

Основное оборудование для технологического процесса — это пиролизные печи (газогенераторы), блоки охладителей и фильтров. Сырье в виде опилок, щепы и прочих отходов загружается в печь и там сжигается при минимальной подаче воздуха. Поскольку производительность установки напрямую зависит от температуры, то в промышленности зачастую применяют так называемый быстрый пиролиз, когда сырье разогревается с высокой скоростью. Смесь газов проходит охлаждение и фильтрацию, после чего закачивается в резервуары для дальнейшей обработки.

С точки зрения получения полезных химических соединений дерево не так интересно, как уголь. Если последний подвергнуть обработке таким же способом, то можно получить множество ценных веществ. Правда, чтобы вызвать полноценный пиролиз угля, необходимо обеспечить более высокую температуру. Зато после проведения определенных технологических процессов вырабатываются следующие продукты:

• кокс: незаменимый компонент, участвующий в плавке стали;
• аммиак: необходим для производства удобрений;
• толуол: исходный элемент для изготовления разных красителей, а еще – взрывчатки (тринитротолуола);
• анилин: входит в состав красок и эмалей, изготавливаемых химическим путем.

Перечисленные продукты пиролиза угля – лишь малая часть списка, более полная картина показана на иллюстрации:

О пиролизных котлах

Эта группа твердотопливных агрегатов отличается от традиционных котлов прямого горения наличием двух камер вместо одной. По задумке, в первичной камере сжигания идет процесс газификации твердого топлива при подаче недостаточного количества кислорода, а во второй – дожигание выделяющихся пиролизных газов при добавлении вторичного воздуха. Но так ли это происходит технология сжигания на самом деле? Чтобы это понять, надо рассмотреть конструкцию теплогенератора.

На данный момент существует 2 вида пиролизных котлов, разберем устройство каждого подробнее. Самая популярная конструкция – когда первичная топка находится над вторичной. Между ними имеется форсунка прямоугольного сечения, сделанная из огнеупорного кирпича. А теперь внимание: воздух в главную топку нагнетается с помощью вентилятора, частично попадая и в нижнюю камеру для дожигания газов. То есть, принцип пиролиза нарушен изначально, так как вместо ограничения по кислороду вентилятор создает его избыток.

Что это дает? Полное и эффективное сжигание дров, так что и золы не остается. Но этому есть объяснение: сухое дерево не оставляет после себя золы, а только легкий пепел, половина которого просто выдувается вентилятором через форсунку в дымоход. По всем признакам данной конструкции можно присвоить название «котел верхнего дутья», поскольку вентилятор нагнетает воздух в верхнюю камеру. За счет этого возрастает температура горения, увеличивается выход газа, но он тут же сгорает, проходя через форсунку. Подобный алгоритм работы имеет мало общего с химической реакцией пиролиза.

Котел с естественной подачей кислорода

В другом типе теплогенераторов камеры расположены наоборот: главная топка снизу, вторичная – над ней. Форсунки нет, вместо нее устроен обычный газоход, соединяющий камеры между собой. Вентилятора здесь нет, воздух в обе топки подается естественным путем – за счет тяги дымохода. Причем подача осуществляется по раздельным каналам. Следует отметить, что в данном случае процесс пиролиза древесины организован лучше, горение в топливнике происходит с малым расходом воздуха, его поступление ограничено заслонкой.

Проблема здесь в другом: при закрытой воздушной заслонке падает и температура процесса, выход газа снижается. Воздуха для вторичной камеры тоже не хватает, так что она превращается в обычный газоход, где продукты горения отдают свое тепло стенкам водяной рубашки. Если же заслонку открыть, горючих газов образуется больше, но они станут гореть в основной топке, попадая во вторую лишь частично. Подобные пиролизные котлы больше напоминают агрегаты прямого горения, где дымовые газы делают несколько ходов для лучшей теплоотдачи. Да и по отзывам пользователей они не могут похвастать повышенной эффективностью.

Защитные устройства пиролизного котла

Многие пиролизные котлы оснащаются дополнительными защитными устройствами. К ним могут относится:

• термостатический регулятор воздуха;
• подрывной (предохранительный) клапан с рабочим давлением 2-4 bar;
• устройство от закипания котла, которое представляет собой систему сброса горячей воды (в случае перегрева заслонка открывается с помощью термостатического клапана для понижения температуры внутри котла).

Конструкция

Принцип действия

Дрова (или иное топливо) загружаются на колосник. Их поджигают, дверца закрывается и запускается дымосос. При недостатке воздуха и под действием высокой температуры (200—800 °C и выше) происходит обугливание и выделение древесного газа, то есть собственно пиролиз. Выделившиеся продукты (в основном углеводороды, угарный газ и водород, плюс азот из первичного воздуха ) поступают под колосник. Там к продуктам пиролиза подмешивается вторичный воздух, в котором летучие сгорают; часть тепла при этом возвращается к нижнему слою дров и поддерживает пиролиз. Полученное тепло может быть использовано для нагрева любых теплоносителей — воды, воздуха.

Как грамотно выбрать топливо?

Теоретически пиролизные системы могут работать на различных видах твердого органического топлива. Это может быть уголь, торф или древесина. Последнее, а точнее, дрова, считается наиболее экономически выгодным топливом. Его размеры определяются параметрами топки. Чаще всего для пиролизных устройств используются поленья, длина которых составляет 400 мм, а диаметр – до 200 мм. Размеры топливных брикетов должны составлять порядка 300х30 мм. Кроме того такие системы очень требовательны к влажности. При ее избытке выделяется большое количество пара, что снижает тепловые характеристики оборудования и приводит к образованию копоти.

Для нормальной работы приборов необходимо, чтобы влажность топлива не превышала 45%. Лучше всего, чтобы она составляла 20%. Исследования показали, что при сгорании килограмма древесины, влажность которой 20%, выделяется тепло, эквивалентное 4 кВт/ч. Тогда как такое же количество дерева влажностью 50% даст тепла ровно в два раза меньше. Именно поэтому на влажность топлива следует обратить особое внимание. Вместе с дровами или топливными брикетами можно использовать опилки или другие древесные отходы. Их количество не должно превышать трети от общего объема топлива.

Топливом для пиролизных котлов теоретически может служить почти любая твердая органика: древесина, торф, уголь и т. д. Однако наиболее эффективно оборудование работает на дровах, влажность которых не превышает 20%

Для отопления нередко используются пеллеты. Их существует несколько видов, более подробно об их преимуществах перед другими топливными материалами читайте в нашей статье: https://aqua-rmnt.com/otoplenie/documents/toplivnye-granuly-pellety.html.

Разновидности пиролизных котлов

Существуют две разновидности прибора, различающиеся местом расположения отсека дожига. Он может располагаться внизу или наверху.

Оборудование с нижней камерой дожига

Наиболее распространенная модификация приборов, что обусловлено удобством в эксплуатации. Топливо помещается в верхнюю камеру, что очень рационально. Отработанные газы выходят в трубу, находящуюся внизу. Основным недостатком таких устройств можно считать то, что чистить систему придется достаточно часто. Связано это с тем, что при прогорании топлива зола из верхнего отделения попадает в камеру дожига.

Приборы с верхней камерой

Такие системы менее удобны, зато имеют определенные преимущества. Зола не попадает в отсек дожига, что позволяет чистить его намного реже. Кроме того пиролизный газ посредством форсунок выводится вверх, где сгорает и поступает в дымоход, охлаждается и отводится в дымоход. Такая система более практична, но требует большего количества материала на изготовление дымового тракта.

Модификация пиролизного оборудования с верхним расположением камеры дожига. Регулярная чистка такой конструкции будет проводиться намного реже

Пиролизные котлы могут быть оснащены вентиляцией различного типа:

• Естественная. Такие устройства не зависят от подачи электроэнергии. Должны быть оборудованы достаточно высоким дымоходом для создания необходимой тяги.
• Принудительная. Приборы энергозависимы, поскольку оборудуются различными вентиляторами и насосами, которые управляются в автоматическом режиме. Характеризуются большим временем эффективного горения, чем устройства с естественной вентиляцией.

Важным аспектом подбора пиролизного оборудования считается материал, из которого изготавливается его корпус. Наиболее распространенный вариант – сталь, толщиной не менее 5 мм. Это достаточно прочный и довольно долговечный материал. Его главный недостаток – подверженность коррозии, что отрицательно сказывается на сроке его эксплуатации. Лучшая альтернатива такому прибору – котел в чугунном корпусе. Такие устройства отличаются более высокой теплоотдачей, служат гораздо дольше и имеют повышенную устойчивость к кислотам и смолам.

Почему стоит купить именно такой котел?

Владельцы такого оборудования получают множество преимуществ:

• Высокий КПД устройств, поскольку топливо сгорает, практически, без остатка.
• Возможность регулировать температуру в отапливаемом помещении, что позволяет расходовать топливо предельно экономно.
• Низкий уровень вредных веществ в отработанных газах. Их выделяется почти в три раза меньше, чем при работе классических твердотопливных котлов.
• Возможность загружать топливо в среднем два раза в день. Экономичный режим предполагает даже одну загрузку в сутки.
• Полуавтоматическое управление. С помощью пульта можно увеличивать либо уменьшать скорость подачи воздуха, что дает возможность регулировать мощность устройства в пределах от 30 и до 100%.
• Количество продуктов сгорания минимально. Таким образом чистка оборудования проводится достаточно редко.

Прибор имеет и некоторые недостатки, о которых нужно знать, прежде чем выбирать это устройство. Во-первых, все автоматизированные модели работают только от сети. Во-вторых, стоимость прибора в среднем в полтора раза выше устройств классического горения. Однако существенная экономия топлива со временем позволяет окупить все затраты. Ну и, чаще всего пиролизные котлы, работающие на твердом топливе, выпускаются одноконтурными. Поэтому могут использоваться только в качестве отопительной системы. Для подогрева воды придется устанавливать другие устройства, что предполагает дополнительные денежные затраты.

Принцип действия пиролизных аппаратов предполагает длительный процесс горения, что дает возможность сократить количество закладок и существенно уменьшить количество топлива

Закладка топлива в пиролизные устройства всегда производится вручную, автоматизировать этот процесс нельзя. Это можно считать небольшим недостатком системы

Кроме пиролизных, на рынке представлены также комбинированные котлы. Выгодно ли их использовать для отопления дома, какие виды есть, читайте в нашем материале: https://aqua-rmnt.com/otoplenie/kotly/kombinirovannye-kotly-otopleniya.html.

Выбираем производителя и марку оборудования

Признанными лидерами в производстве пиролизных котлов на твердом топливе считаются немецкие компании Buderus и Viessmann. Они отличаются наименьшим количеством токсичных выбросов в атмосферу и максимально высоким КПД. Некоторые модели этих брендов могут работать на одной закладке до 24 часов. Секрет таких характеристик кроется в усовершенствованной конструкции топки оборудования. Эффективность работы устройства контролирует автоматика, что позволяет обеспечить равномерный тепловой режим и при этом существенно снизить затраты на топливо.

Еще один популярный производитель – чешская фирма Dakon. Конструкция аппаратов практически идентична немецким аналогам. Соответственно, и эффективность работы тоже. К числу успешных находок компании можно отнести пульт управления котлом, с помощью которого можно осуществлять все основные регулировки. Новинкой Dakon считается устройство, выпускающееся в чугунном корпусе. Эта модель называется Daman Pyro. Она имеет самый продолжительный срок службы в своем классе оборудования. Это устройство способно в межсезонье работать с половинной мощностью.

Интересные и практичные модели можно найти у чешского производителя ОРОР. Особенность этих котлов – в полной энергонезависимости. Кроме того особая конструкция приборов позволяет им работать не только на древесине, но и на угле. Газы через горелку направляются в камеру сгорания, где и сжигаются с участием вторичного воздуха. Для регулирования мощности прибора используются заслонки, которые могут закрываться и открываться. КПД колов марки ОРОР в среднем составляет порядка 89%, что можно считать достаточно хорошим показателем.

Российские пиролизные котлы марки Буржуй-К выгодно отличаются от конкурентов способностью работать на топливе повышенной влажности и использовать различные виды топлива

Из отечественных производителей стоит выделить костромскую компанию ТеплоГарант, выпускающую котлы под маркой Буржуй-К. Это очень практичные, полностью энергонезависимые устройства, которые могут использоваться как в частных домах, так и на производстве. Отличительная особенность моделей – возможность работать с разными видами топлива. Кроме того приборы рассчитаны на эффективную работу с топливом большей влажности, что дает им определенные преимущества перед конкурентами.

Пеллетные котлы также, как и пиролизные признаны стабильным и надёжным отопительным оборудованием. О правилах выбора агрегата узнаете из нашей следующей статьи: https://aqua-rmnt.com/otoplenie/kotly/pelletnyj-kotel-otopleniya.html.

Пиролизные котлы приобретают все большую популярность. Их можно считать наиболее практичной разновидностью твердотопливного оборудования. Несмотря на достаточно высокую цену, а она начинается в среднем от 40 тыс. рублей, спрос на такие устройства остается стабильным и даже растет. Это объясняется достаточно высоким КПД аппаратов, приемлемой стоимостью топлива и возможностью длительного функционирования от одной закладки. Разнообразный ассортимент пиролизных котлов позволяет подобрать модель, оптимально подходящую для любого строения.

• Инна