Пеллетные котлы

Принципы работы пеллетных котлов

Отопительное оборудование и инженерные системы | №3 (68) '2014

Хотя сжигать в котлах сыпучую биомассу начали еще до распространения прессованных гранул, именно с появлением пеллет использование возобновляемого древесного топлива стало таким же комфортным, как солярки или сжиженного газа. В зависимости от способности работать на одном или нескольких видах топлива пеллетные котлы подразделяются на специализированные и универсальные.

  • © DBU

  • © OkoFEN

  • © Viessmann Werke GmbH & Co. KG

  • © ZOTA

  • © KWB

  • © OkoFEN

  • © Viessmann Werke GmbH & Co. KG

  • © OkoFEN

  • © Viessmann Werke GmbH & Co. KG

  • © Viessmann Werke GmbH & Co. KG

  • © Paradigma Deutschland GmbH

  • © Viessmann Werke GmbH & Co. KG

  • © Buderus

  • © OkoFEN

  • © Paradigma Deutschland GmbH

Впервые выпуск древесных пеллет был организован в США. Произошло это в годы энергетического кризиса 1970-х, когда западным государствам пришлось искать альтернативу нефтяному топливу, так как арабские страны сократили его поставки. Первый бытовой теплогенератор на пеллетах появился в середине следующего десятилетия. А в 1990-х такие котлы стали активно использоваться в европейских странах и очень быстро заняли прочное положение на рынке. Этому способствовали как глобально-политические факторы (необходимость снижать потребление ископаемых энергоносителей, экологические проблемы и т.д.), так и чисто экономическая целесообразность: пеллеты ощутимо дешевле жидкого топлива, причем изменение цены на них более предсказуемо, чем на нефтепродукты.

Что нужно знать о пеллетах

Топливные пеллеты представляют собой гранулы, получаемые прессованием. Сырьем для них может служить не только древесина, но и отходы сельскохозяйственного производства, биомасса с энергетических плантаций и т.д. Однако большинство бытовых теплогенераторов рассчитано на использование древесных пеллет определенного стандарта, что гарантирует эффективную работу котлов при минимальном объеме технического обслуживания и количество вредных выбросов в окружающую среду, не превышающее предельно допустимое.

С 2010 года в странах Европейского Союза производство древесных пеллет регламентируется стандартом EN 14961-2. На его основе Немецкий институт пеллет (DPI) разработал нормы ENplus, сертификат соответствия которым рассматривается производителями и пользователями бытовых пеллетных котлов как гарантия высокого качества топлива.

Согласно нормативам, древесные топливные пеллеты подразделяются на классы А1, А2 и В. Гранулы двух первых из них используются в отопительных системах индивидуальных домов. Пеллеты третьего класса рассматриваются как индустриальные, т.е. предназначенные для промышленных котельных. Высший сорт пеллетного топлива — A1. Именно оно рекомендовано для теплогенераторов малой и средней мощности. Такие гранулы должны обладать пониженной зольностью (не более 0,7%), повышенной температурой плавления золы (1200°C) и соответствовать ряду других требований (насыпная плотность — не менее 600 кг/м3, истираемость — не более 1%, механическая прочность — не менее 97,5%, длина пеллет — от 3,15 до 40 мм, теплота сгорания — от 16,5 до 19 МДж/кг; ограничивается содержание хлора, серы, азота, ряда металлов). Диаметр пеллет класса A1 — 6 или 8 мм.

Качество гранул напрямую зависит от того, из какого сырья они произведены. Для выпуска пеллет класса A1 допускается использовать деловую древесину (бревна) и химически необработанные отходы дерево-обрабатывающей промышленности без добавления коры. Пеллеты класса A2 производятся из сырья более широкого спектра, в частности, им могут служить целиковые деревья без корневой системы. Поэтому они характеризуются большей зольностью — до 1,5%.

Отечественного стандарта для пеллетного топлива пока нет. Поскольку российские производители ориентируются на зарубежного потребителя (основной объем их продукции отправляется на экспорт), они стремятся соответствовать европейским нормативам. Но покупая топливо для котла, следует полагаться не на название «европеллеты» или «белый» цвет гранул, а на сертификат с подтвержденными характеристиками продукта. Требования к гранулам указываются в техпаспорте вашей установки или руководстве по ее эксплуатации.

В качестве примера приведем характеристики рекомендованного топлива для отечественных котлов ZOTA Pellet: диаметр пеллет — 8 мм, длина — 15–35 мм, зольность — не более 0,7, влажность — не более 10%, насыпная плотность — не менее 620 кг/м3, содержание опилок — не более 4%, теплота сгорания — не менее 4,8 кВт·ч/кг.

Нередко производители котлов допускают сжигание пеллет различного качества при соответствующих изменениях настройки и периодичности техобслуживания. При необходимости можно подобрать котел для работы на высокозольном топливе — индустриальных и агропеллетах, сыпучих отходах деревообработки и сельскохозяйственного производства.

С факелом или ретортой

Сжигание пеллет организуется с применением горелок или традиционным для твердотопливных котлов способом — на колосниках. Различают два основных вида пеллетных горелок — факельные и ретортные. Первые из них по принципу действия и внешнему виду похожи на газовые и жидкотопливные вентиляторные горелочные устройства. Они компактны и применяются обычно на универсальных котлах, конструкция которых предусматривает возможность перехода с одного вида топлива на другой. При этом альтернативным вариантом могут быть не только дрова, брикеты и другие их твердые «собратья», но и солярка или сжиженный газ. За счет такой универсальности можно, в свою очередь, перевести на пеллеты обычный котельный блок, рассчитанный на установку навесной вентиляторной горелки, потребуется только вовремя удалять из топки золу.

Огневая труба факельной пеллетной горелки служит камерой сгорания топлива. Гранулы сжигаются в ней на вложенном колоснике (как вариант) с принудительной подачей требуемого количества воздуха. Образующиеся при этом продукты сгорания выдуваются в топку котла. Кроме вентилятора некоторые факельные горелки оснащают собственным устройством для подачи пеллет в зону горения. Но для бытовых теплогенераторов чаще задействуют питатель от расходного бункера: управляемый контроллером горелки, он отсыпает по гибкой трубе нужное количество пеллет, которые попадают непосредственно на колосник горелочной трубы. Подача гранул питателем регулируется автоматикой по потребности в тепловой энергии, а воздуха для горения — в соответствии с условиями полного сжигания топлива.

В схеме управления горением задействуется тот или иной набор датчиков, среди них — датчик защиты от нарушения тяги, термостат защиты системы подачи топлива от обратного огня, фоторезистор, контролирующий наличие пламени, и другие. Для тонкой настройки работы горелки применяется так называемый лямбда-зонд. Определяя количество остаточного кислорода в дымовых газах, он предоставляет блоку управления горелки или котла информацию о том, как лучше отрегулировать подачу воздуха. Автоматика «умной» пеллетной горелки может иметь множество функций, в том числе по управлению элементами отопительной системы (циркуляционным насосом, бойлером, смесительным клапаном напольного отопления и др.).

Ретортная горелка представляет собой чащу с каналами для воздуха, на которую пеллеты насыпаются сверху или выталкиваются шнеком. Сжигание топлива протекает во внутреннем пространстве котла (это называют объемным горением). В среднем котлы с ретортными горелками имеют немного более высокий КПД, чем при факельном горении, т.к. организовать сжигание в них можно более точно — с разделением подаваемого воздуха (первичный-вторичный) и т.д. Впрочем, при сравнении «продвинутых» котлов того и другого типа эта разница не очень заметна.

Кроме того, ретортные горелки проще «вписать» в топку котла, т.е. камера сгорания может быть более компактной (в той или иной степени это допускают и отдельные модели факельных горелок — с открытой сверху огневой трубой). Поэтому, несмотря на более громоздкую конструкцию, именно ретортными горелками обычно оснащаются специализированные пеллетные котлы. Они выпускаются и в навесном исполнении — для универсальных теплогенераторов.

Розжиг пеллетных горелок может производиться вручную или автоматически. Во втором случае применяются электронагреватели — прямого контакта или воздействующие на гранулы горячим воздухом. В периоды, когда котел включен, но потребность в тепле отсутствует, горелка с ручным розжигом переводится в режим ожидания с поддержанием минимального горения (подобно запальнику газового котла). При полной автоматизации пеллетной установки такая необходимость отсутствует.

Вопросы эффективности

Эффективное горение достигается и при сжигании гранул на колосниках в топках специализированных котлов. В наиболее передовых «пеллетниках» реализуется также пиролизное сжигание топлива: древесина попавших на колосники гранул подвергается термическому разложению с образованием горючих газов, которые затем дожигаются в камере сгорания. И только потом продукты сгорания попадают в теплообменник. Это позволяет получить КПД 95% и более (эффективность пеллетных теплогенераторов без пиролиза обычно не превышает 90–92%).

Эффективность котла зависит не только от горелки, но и от способности установки усвоить теплоту сгорания и передать энергию системе отопления. Теплообменники специализированных пеллетных котлов часто выполняют в виде пучка вертикальных дымогарных труб, пронизывающих объем водяной рубашки. Для улучшения теплопередачи в трубы встраивают спиральные турбулизаторы. В высокотехнологичных моделях они оснащаются автоматическим приводом, с помощью которого стряхиваются задерживающиеся в теплообменнике частички золы из дымовых газов. Под действием гравитации зола попадает в расположенный ниже отсек.

Например, некоторые модели оснащают также устройством автоматической очистки колосниковой решетки (она откидывается книзу). Если котел рассчитан на сжигание малозольных пеллет стандарта A1, то его создатели ограничиваются ручным удалением золы из сборника. А вот в котлах, допускающих использование как пеллет, так и щепы, предусмотрен шнековый транспортер, автоматически перемещающий всю золу в специальный съемный контейнер. При его заполнении пользователю очень легко оттранспортировать золу в нужное место: контейнер оснащен колесиками и ручкой, как у хозяйственной тележки. К слову, вопреки распространенным утверждениям, зарубежные эксперты не советуют рассматривать пеллетную золу как удобрение для растений.

Для котлов горизонтальной компоновки ведущие производители используют другие способы автоматической очистки теплообменника. Например, некоторые модели в исполнении с факельной горелкой и жаро­трубно-дымогарной конструкцией (горизонтальная топка с размещенным над ней пучком дымогарных труб) оснащаются компрессором для периодической продувки теплообменника воздухом, которая производится автоматически — через каждые 24 ч работы горелки.

Воздух в камеру сгорания автоматического пеллетного котла с топкой колосникового типа подается вентилятором, который устанавливается на выходе из теплогенератора, перед дымоходом. Плавное управление скорости вращения вентилятора позволяет регулировать расход воздуха в соответствии с необходимостью сжигать то или иное количество пеллет.

Питание для котла

Подача топлива в пеллетный котел организуется разными способами. Установки со стационарными встроенными ретортными горелками часто комплектуются расположенным сбоку или с тыльной стороны бункером объемом 300–500 л, который соединен с котлом шнековым транспортером жесткого типа.

При использовании навесной горелки применяется приставной бункер — забор топлива из него осуществляется питателем в виде трубы со шнеком внутри. Один конец трубы погружается в бункер. Гранулы поднимаются к верхней точке и сбрасываются по гибкому шлангу к горелке. Привод питателя расположен сверху трубы и управляется автоматикой горелки или котла. Как правило, трубчатые питатели для бытовых котлов оборудуются шнеком в виде гибкой спирали. Обычно приставные бункеры для пеллет выпускаются в том же дизайне, что и сам котел. Выглядит такой комплект эстетично. А отсутствие жесткой связи между модулями дает возможность располагать их так, как это удобно в каждом конкретном случае.

Кроме жестких и гибких шнековых транспортеров для подачи пеллет применяются вакуумные системы: гранулы перемещаются по гибкой трубе под действием разряжения, которое создается вентилятором. Некоторые модели оснащают встроенным промежуточным бункером (его емкость зависит от мощности котла) с интегрированным вакуумным насосом. Пеллеты направляются в него непосредственно из хранилища, при этом длина линии до котла может составлять 30 м. Для подачи пеллет из удаленного (до 10–15 м) бункера используются и спиральные транспортеры, достоинством которых, так же как вакуумных, является гибкость. Что касается питателя с жестким шнеком, то его длина не должна быть большой, чтобы не происходило перемалывания гранул.

Подача пеллет к горелке гибким шнеком может осуществляться из хранилища без промежуточного бункера.

Про запас

Хранение пеллет для котла можно организовать в отдельном помещении дома, примыкающем к котельной, а также в специальном резервуаре — силосе. Это может быть пластиковый или бетонный бункер, закопанный на приусадебном участке, а также объемный металлический или пластиковый бак, который размещается прямо в котельной. Удобным решением являются легко монтируемые гибкие силосы, которые представляют собой закрепляемые на рамах контейнеры из текстиля (по сути, мешки).

Силосы комбинируются со шнековым или пневматическим транспортером. Их заполнение также осуществляется автоматически. Правда, возможно это лишь там, где доставка гранул пользователю производится в специальных автоцистернах, оснащенных загрузочным вентилятором.

Несмотря на значительные объемы производства пеллет в России, инфраструктура по доставке этого топлива пользователям по типу европейской в нашей стране пока отсутствует. На розничном рынке пеллеты продаются в мешках емкостью от 20 до 1000 кг. Покупать их в большой таре («биг-бэгах») выгоднее, но перемещать такие упаковки сложнее. Поэтому владельцы пеллетных котлов часто закупают гранулы в мешках по 25–30 кг и пересыпают их в оперативный бункер вручную, не устраивая автоматизированного хранилища. В большую часть отопительного периода одной загрузки 300-килограммового контейнера хватает на несколько дней работы котла мощностью 20–30 кВт. Кстати, такой способ топливоснабжения небольших теплогенераторов используют и зарубежные пользователи. Например, когда пеллеты приходится хранить в недостаточно сухом помещении (упаковка гранул — полиэтиленовая).

«Умный» котел

Все элементы пеллетной установки — котел, горелка, системы хранения и подачи топлива — должны составлять единый комплекс, согласованная работа элементов которого обеспечивается автоматикой. Носителем «интеллекта» котельной может быть автоматика горелочного устройства, самого котла или внешний блок управления.

Среди пеллетных котлов есть установки различной комплектации и разного уровня сложности. Применение высокотехнологичного «пеллетника» — это возможность реализовать все функции управления и регулирования современных систем отопления, вплоть до диспетчеризации и изменения настроек с помощью смартфона или планшетного компьютера.

Впрочем, даже относительно простой пеллетный котел должен быть «умным». При управлении процессами сжигания гранулированного топлива не обойтись без электроники, которая часто попутно выполняет обязанности контролера отопительной системы, в том числе многоконтурной, включающей в себя другие источники тепла.

Текст: Илья Плохих

Поделиться:

Смотрите также

  • Металлические дымоходы Отопительное оборудование и инженерные системы | №4 (64) '2013 Металлические дымоходы

    Продукты сгорания от котла, печи, камина и прочих отопительных агрегатов поступают в дымоход. Продолжительность и безопасность его эксплуатации зависят от конструкции дымохода и материала, из которого он сделан. Изделия из металла — одни из самых востребованных потребителем...

  • Керамические дымоходы Отопительное оборудование и инженерные системы | №2 (62) '2013 Керамические дымоходы

    Традиционно дымоходы складывали из кирпича. Однако из-за присущих этому материалу недостатков, а также благодаря совершенствованию технологий сегодня предпочтение отдается изготавливаемым промышленными способами стальным, пластиковым или керамическим конструкциям...

  • Стальные панельные и трубчатые радиаторы Отопительное оборудование и инженерные системы | №4 (59) '2012 Стальные панельные и трубчатые радиаторы

    Радиаторы, изготовленные из стали, появились на отечественном рынке достаточно давно. Однако, чтобы в процессе эксплуатации максимально проявлялись преимущества этих отопительных приборов и не возникало проблем, необходимо знать их плюсы и минусы...