Особенности горения дров и пеллет

Процессы в топке

      Что бы понять, какая конструкция котла лучше, необходимо знать, хотя бы, приблизительно назначение тех или иных частей котла. И начнем мы с особенностей сжигания древесины, в том числе и пеллет.

     Древесное топливо может быть измельченным или в виде дров горбыля обрезков, измельченным до пыли, опилок, стружек или щепы, сухим или очень влажным, переработанным в пеллеты или брикеты. И в каждом случае будут свои особенности горения, порой весьма значительные. Попытаемся разобраться в этом. Отметим что от породы древесины, если она не гнилая и одинаковой влажности, теплота сгорания не зависит. Но из опыта эксплуатации, например русской печи, многие знают, что дубовое полено горит дольше, и тепла дает больше, чем скажем, осиновое. На самом деле это не так, такое впечатление создается из-за разницы в плотности и влажности, так дубовое полено, как правило, суше и тяжелее чем осиновое такого же размера. Сухая древесина, например пеллеты, горит длинным ярко-оранжевым пламенем, влажная древесина горит менее ярким пламенем голубоватого оттенка. При нагреве дерева в топке происходит активное выделение так называемых летучих, горючих продуктов термического разложения дерева и водяного пара. Состав этих продуктов меняется в зависимости от температуры и начальной влажности образца и содержит кислоты, смолы, фенолы, водород, угарный газ и т.д. Сложные по строению высокомолекулярные соединения (кислоты смолы) с ростом температуры (800 °С и выше) разлагаются на более простые соединения. При высокой температуре в присутствии водяного пара увеличивается содержание угарного газа и водорода (что наблюдается при сжигании высоковлажного топлива). Выделяющиеся газы обволакивают частицу топлива и воспламеняются, разогревая частицу еще сильнее. Нагрев вызывает рост скорости выхода летучих, они уносятся в пространство топки, где догорают факелом при подаче вторичного дутья. Выход летучих по массе топлива достигает у древесины 85%. Только 15% это древесный уголь, сгорающий без пламени после завершения выхода летучих. Но на уголь приходится 30% тепловыделения древесного топлива. Наивысшая температура при этом развивается в области горения древесного угля, в факеле температура заметно ниже.

       Это краткое и неполное описание процессов происходящих при горении показывает насколько сложные, и многостадийные процессы происходят в топке котла. Причем особенности этого процесса зависят от многих факторов.

Конструкция топки котла на отходах древесины или пеллетах

      Огромное значение имеет конструкция топки. В топке происходит не только сгорание топлива, но и теплообмен. Скорость химической реакции горения помимо многих других факторов сильно зависит от температуры. Ниже 600 °С реакция практически останавливается с ростом температуры скорость растет экспоненциально. Другими словами если, например, при увеличении температуры с 600 до 700 скорость вырастет в 3 раза, то при росте с 800 до 900 скорость вырастет в 30 раз. Практически при 900 °С скорость горения достигает минимально необходимой величины для эффективного сжигания. При такой температуре скорость сгорания топлива уже зависит от подачи воздуха и топлива, а не от скорости протекания химических реакций. Но значительная часть массы дерева сгорает в факеле и, если факел попадает из топки в теплообменную часть до завершения процесса горения, из-за охлаждения, реакции прекращаются и, в дымовых газах остаются недогоревшие компоненты топлива. Оседая эти компоненты, загрязняют сажей или смолистыми отложениями поверхности котла, при этом снижается КПД котла, как из-за потерь тепла, так и из-за неполного сгорания топлива. Поэтому очень важно в котле на древесном топливе иметь топку значительного объема и с высокой температурой.

      Температура в топке зависит от скорости тепловыделения и скорости теплопоглощения. Тепло выделяется при горении топлива и если бы тепло не поглощалось, то температура в топке поднялась бы до теоретически возможной для данного топлива, определяемой жаропроизводительностью. Поглощается тепло в основном стенками топки и передается им инфракрасным излучением от раскаленного топлива и светящегося факела. Жаропроизводительность пеллет и в целом сухой древесины около 2000 °С, поэтому часть тепла можно отбирать в топке без ущерба для эффективности горения.

    Совсем другая картина при горении влажного топлива. На туже мощность котла топлива необходимо сжечь вдвое больше чем сухого, топливо загорается не сразу, только после высыхания. Поэтому размеры топки должны быть больше. Если не произвести теплоизоляцию стенок топки огнеупорным материалом, то температура опустится ниже необходимой и горение прекратится вовсе.

   Основная же часть тепла от дымовых газов передается теплоносителю в конвективной части котла, где горячие газы омывают теплообменные поверхности. Таким образом, твердотопливный котел на древесных отходах или пеллетах должен обладать теплоизолированной в должной степени топкой большого объема, продуманной системой подачи вторичного воздуха для дожигания летучих компонентов.

Устройство конвективной части котла

     Как уже говорилось, основную часть тепла теплоноситель в твердотопливном котле на древесной биомассе получает в конвективной части, конструкцией и эффективностью которой определяется в большой степени КПД всего котла. Интенсивности теплообмена при конвекции зависит от разности температур и скорости омывания поверхности газом. Сечение газоходов подбирают таким образом , чтобы средняя скорость была 5-10 м/с. С ростом скорости растет сопротивление газового тракта котла и увеличивается износ поверхностей от истирания увлекаемыми потоком частичками золы. Увеличение сопротивления котла приводит к необходимости применения более высокой дымовой трубы или более мощного вентилятора и дымососа.

     Второй способ повышения интенсивности теплообмена — увеличение разности температур. Температура теплоносителя изменяется мало, поэтому разность температур зависит от температуры дымовых газов. Наибольшая интенсивность наблюдается в месте входа газов из топки в конвективную часть — температура газов максимальна, объем максимален. Значит есть большая скорость газов и разность температур — теплообмен происходит с максимальной интенсивностью. По мере движения газы охлаждаются, вследствие чего уменьшается объем газов, и их скорость падает разность, температур уменьшается, интенсивность теплообмена сильно падает. Поэтому чтобы охладить газы с 400 °С до 200 нужна такая же площадь теплообмена как для охлаждения с 900 до 400. Чтобы получить КПД 90% и более на пеллетах или другом топливе необходимо охладить дымовые газы до 160 °С В тоже время чтобы охладить газы с 300 до 160 °С Нужно увеличить конвективную часть в 1,5 раза. Таким образом котел с температурой уходящих в трубу газов в 300°С (КПД 80%) имеет в 1,5 раза меньшую площадь поверхностей конвективного теплообмена по сравнению с котлом при КПД 90%, это понятным образом отражается на размерах, материалоемкости и цене установки.

    На интенсивность теплообмена в котле оказывает существенное влияние загрязнение теплопередающих элементов. Загрязнения бывают внешние и внутренние. О внутренних загрязнениях более подробно изложено в статье о качестве теплоносителя. При сгорании природного газа сажа или зола не образуется вовсе, это свойство топлива, загрязнение внутри котла отсутствует. Мазут и сжиженный газ при неоптимальном режиме горения дают легкоудаляемый сажевый налет, зола отсутствует. Древесина при сжигании загрязняет поверхности котла золой, сажей, смолами и т.д. Причем интенсивность и состав этих загрязнений зависит в первую очередь от полноты сгорания топлива в топке.

       При низкой температуре в зоне горения происходит интенсивное отложение трудноудалимых смолистых отложений, при малом объеме топки или нерациональном подводе воздуха или избытке топлива происходит отложение сажи. Толщина отложений в котле может достигать 10 мм и более. При такой загрязненности, ни о какой экономичности работы котла речи не идет. Смолистые отложения и значительные отложения сажи при нормальной эксплуатации (с температурой обратной воды выше точки росы) признак наличия недостатков в конструкции котла, либо полной его непригодности для сжигания древесины. Но даже в самых лучших котлах происходит незначительное накопление загрязнений при работе на биомассе, поэтому котел должен иметь легкий доступ для чистки. Только так можно добиться высокого КПД в процессе длительной эксплуатации, а не только в первые дни после пуска.

        Таковы в самых общих чертах основные отличия твердотопливного котла работающего на отходах древесины или древесных гранулах.