Пиролизные твердотопливные котлы

Особенности эксплуатации газогенераторных котлов

Эффективность работы пиролизного котла во многом зависит от типа и качества топлива. Технически в топку можно загрузить не только древесину, но и уголь, и даже торф, большинство современных моделей котлов рассчитаны на использование нескольких видов топлива.

Древесина сгорает примерно за 5-6 часов, в зависимости от сорта. Чем тверже дерево, тем дольше оно горит.

Современные модели котлов пиролизного горения могут работать на различных видах древесного топлива: дровах, брикетах, пеллетах, угле, торфе и т.п.

Около десяти часов уйдет на сгорание черного угля, а такое же количество бурого угля будет тлеть в течение восьми часов. На практике самую высокую теплоотдачу пиролизная техника демонстрирует при загрузке сухим деревом. Оптимальными считаются дрова влажностью не более 20%, а длиной около 45-65 см.

Если доступа к такому топливу не имеется, можно использовать уголь или другое органическое топливо: специальные брикеты из опилок и пеллеты из древесины, отходы, полученные при обработке дерева, торф, материалы с целлюлозой и т.п.

Перед началом эксплуатации котла следует внимательно изучить рекомендации производителя устройства в отношении топлива.

В котлах пиролизного горения поступление воздуха регулируется обычными механическими задвижками. Отсутствие сложной электроники обеспечивает высокую отказоустойчивость прибора

Слишком влажное топливо в таких устройствах недопустимо. При его сгорании в топке образуются дополнительные водяные пары, которые способствуют образованию таких побочных продуктов, как деготь и копоть.

Стенки котла загрязняются, теплоотдача снижается, со временем котел может даже прекратить работу, затухнуть.

Если использовать для котла пиролизного горения дрова со слишком высокой влажностью, внутри устройства возникнут условия для образования дегтя, который ухудшит теплоотдачу устройства и может привести к поломкам

Если в топку заложено сухое топливо и котел настроен правильно, пиролизный газ, полученный в результате работы устройства, будет давать пламя желто-белого цвета. Такое горение сопровождается ничтожным выделением побочных продуктов сгорания топлива.

Если цвет пламени окрашен иначе, имеет смысл проверить качество топлива, а также настройки прибора.

Пиролизные газы, смешанные с воздухом, горят ровным желто-белым пламенем. Если цвет пламени изменился, возможно, нужно проверить настройки котла или качество топлива

В отличие от обычных твердотопливных устройств, перед загрузкой дров в пиролизные котлы, работающие на твердом топливе, топку следует разогреть.

Для этого выполняют следующие шаги:

Загружают на дно топки мелкую сухую растопку (бумагу, щепу и т.п.)
Поджигают ее с помощью факела из подобных материалов.
Закрывают дверцу камеры сгорания.
Дверцу загрузочной камеры оставляют немного приоткрытой.
Добавляют порции растопку по мере ее сгорания.
Процесс повторяют до тех пор, пока на дне не образуется слой тлеющих углей.

К этому моменту топка уже прогревается примерно до 500-800°С, создавая условия для загрузки основного топлива. Не следует использовать для розжига растопки бензин, керосин или любые другие подобные жидкие вещества. Перед тем, как прогревать топку котла длительного горения, следует убедиться, что устройство готово к эксплуатации.

Характерная особенность котлов пиролизного горения – малое количество золы и пепла, что облегчает процесс очистки устройства и его обслуживания

Для этого проверяют наличие тяги, герметичность дверок, исправность запорных механизмов и регулировочной аппаратуры, наличие теплоносителя в системе отопления и т.п.

Затем следует включить терморегулятор, чтобы убедиться, что на прибор поступает напряжение. После этого открывают шибер прямой тяги и вентилируют котел в течение 5-10 минут.

Как сделать пиролизный котёл своими руками

Технологический процесс изготовления котла пиролизного принципа действия включает выполнение слесарных и сварочных работ.

Необходимые материалы и инструмент

Для изготовления качественного агрегата необходим опыт в работе со следующими инструментами:

аппарат электросварочный;
дрель электрическая;
угловая шлифмашина;
набор слесарных инструментов — угольник, уровень.

Потребуются материалы и комплектующие:

металл:

листовой, толщина 4 мм, 7,5 м²;
труба — 8 м (диаметр 57 мм, толщина стенки 3,5 мм);

полоса сталь (толщина 4 мм, ширина 20 мм) — 7,5 мп; полоса сталь (толщина 4 мм, ширина 30 мм) — 1,5 мп; полоса сталь (толщина 5 мм, ширина 80 мм) — 1 мп; шамотный (огнеупорный) кирпич — 15 шт; профтруба 60×30 (толщина стенки 2 мм) — 1,5 мп; профтруба 80×40 (толщина стенки 2 мм) — 1 мп; круг отрезной d 230 — 10 шт.; круг шлифовальный d 125 — 5 шт.; электроды — 5 пачек; датчик температуры.

Температурный датчик — это механическое устройство контроля количества воздуха, проходящего в камеру сгорания.

Продуктивность работы котла зависит от функционирования дымоотводящей трубы. Для обеспечения хорошей тяги дымоотвод должен соответствовать требованиям качества:

высота не меньше 5 метров;
хорошее утепление;
отсутствие резких изгибов;
отвод конденсата;
простой доступ для чистки.

Чертежи и схемы устройства

Пиролизный котёл без принудительной вентиляции имеет наиболее простую схему. Энергонезависимость конструкции удешевляет эксплуатацию агрегата.

Схема пиролизного котла с естественным дымоотводом имеет вид:

Котёл состоит из трёх основных камер:

загрузочная, служащая для заброса топлива;
камера дожига, куда подаётся вторичный воздух;
теплообменник, выходящий в трубу.

Горение сырья направляет поток газа сверху вниз. При подаче воздуха под колосники в массив шамотного кирпича происходит дожиг горючих газов. Продукты распада уходят через теплообменник в дымоотвод. Регулировка тяги выполняется термодатчиком на выходе из котла с помощью цепочки, связанной с заслонкой подачи вторичного воздуха.

Подробную деталировку с размерами и допусками можно взять в стандартном чертеже:

A — контроллер контура котла; B — дверца загрузки; C — крышка зольника; D — дымоотвод; E — муфта для датчика температурного предохранителя; F — патрубок предохранительного клапана; G — подающая магистраль контура; H — подвод холодной воды в теплообменник; L — обратная магистраль контура котла; M — расширительный бак

Пошаговая инструкция изготовления агрегата

Изготовления пиролизного котла своими руками разделяется на этапы:

Согласно чертежу выполняется разметка и нарезка деталей для корпуса. После «прихватывания» элементов производится контрольный замер, затем делаются сварочные швы. Установленные на свои места задняя панель и боковые стенки свариваются с двух сторон, зачищаются, обрабатываются сварочным герметиком.
Производится монтаж труб теплообменника.
После наваривания внешней стенки и обечаек дверок устанавливается механический регулятор контроля теплоносителя.
Дымоход собирается наращиванием трубы Последующую часть нужно вставлять внутрь предыдущей, чтобы конденсат не попадал на внешнюю сторону. Готовая конструкция окрашивается огнеупорной краской.

Рабочий цикл

Через сопло, в камеру сгорания поступают пиролизные газы (на сленге сопло также называют хайлом). В эту же камеру поступает вторичный воздух, таким образом горят пиролизные газы.

Часть газов – частиц освобожденного углерода из состава топлива в катализаторе, переходят до окисла азота и СО2. На этот процесс уходит часть тепла. Восстановленные составляющие в камере дожигания проходят процесс окисления, при этом отдают обратно тепло. Дымовые прореагировавшие газы проходят сквозь теплообменник регистра, подогревая в нем воду, а потом улетучиваются в систему дымохода. Терморегулирующая система поддерживает в камере сгорания для полного сгорания оптимальную температуру.

Режимы работы пирокотла

Розжиг. Открыт шибер либо заслонка прямого хода. Дымовые газы уходят сразу в дымоход.
Рабочий режим. Закрыта заслонка прямого хода, осуществляется пиролиз. При этом тяга в самом газоходе регулируется естественным образом либо принудительно.
Догрузка топлива. Открыта заслонка прямого хода, однако, в течение некоторого времени тяга в газоотводе сохраняется: он при этом разогрет и, если присутствует вентилятор, то он не выключается. Процесс пиролиза не прекращается. Также общим недостатком для котлов, основанных на процессе пиролиза, является их привередливость к материалам конструкции и топливу.

Принцип работы пиролизного котла

Химический процесс разложения древесины под высокотемпературным воздействием (от 200 до 800 °С) с ограниченным доступом кислорода называется пиролизом

Действие пиролизного котла основано на принципе сухой перегонки. Нагревание дров при недостатке кислорода приводит к образованию древесных кокса и газа. Полученный газ при смешивании с кислородом возгорается. Одновременно происходит взаимодействие и с углеродом. Продукты сгорания, выходящие из котла, содержат уменьшенное количество вредных веществ. Твёрдая часть древесины, сгорая, выделяет тепловую энергию.

Пиролизный эффект можно получить от сжигания топлива различных видов:

дрова (бруски размером не более 450×250 мм );
измельчённые ветки;
брикеты;
опилки;
пеллеты (древесные гранулы);
торф;
кокс;
уголь.

Древесина — наиболее эффективный вид топлива, выдающий большое количество пиролизного газа. К дровам можно подмешивать ветки и опилки в размере, не превышающем 25% общего объёма, для сохранения КПД (коэффициента полезного действия) на высоком уровне.

Отличием устройства пиролизных котлов от традиционных выступает наличие двух топочных камер: топливной (газификации) и сгорания.

Конструкции пиролизных котлов отличаются в зависимости от способа подачи воздуха: естественный, использующий тягу дымохода, и принудительный, нагнетающий воздух вентилятором.

В установках с естественной тягой вторичная камера расположена над главной топкой и поток воздуха проходит снизу вверх. При искусственной тяге наоборот: главная топка — под вторичной камерой и направление воздуха — сверху вниз.

Для чего он необходим

Пиролизные котлы становятся всё более популярными из-за роста стоимости других энергоносителей. Отопление помещений обходится всё дороже. Дрова — самый дешёвый вид топлива для традиционных котлов, но их требуется много.

Использование дополнительной энергии от сгорания газа, выделенного при пиролизе древесины, позволяет получить значительно больше тепловой энергии.

По сравнению с котлами, работающими на других видах топлива, устройства пиролизного принципа действия имеют следующие преимущества:

снижение расхода воздуха на процесс горения газа;
меньшее количество отходов — сажи и пепла;
уменьшение в 3 раза выделения вредных веществ и компонентов;
увеличение времени работы котла (временной промежуток между загрузками топлива (до 12 часов);
возможность регулировки производительности котла в пределах 30–100%;
облегчение процесса управления сгоранием пиролизного газа.

Как функционирует котёл на практике?

Практическое применение оборудования удобно рассмотреть пошаговым процессом:

Загрузка дров – укладка на колосник верхней области камеры.
Поджиг топлива и запуск в работу дымового насоса.
Образование древесного газа при температуре 250-850 °С.
Переход древесного газа в нижнюю область топки.
Сгорание древесного газа при дополнительной подаче воздуха.

Далее полученное в нижней области топливной камеры тепло используется для нагрева теплоносителя. Теплоносителем может быть как водная среда, так и воздушная.

1 – активная камера; 2 – вход воды; 3 – вторичный воздух; 4 – дымоход; 5 – патрубок выхода; 6 – дроссельная заслонка; 7 – выход воды; 8, 9 – датчики; 10 – терморегулятор; 11 – дверь пассивной камеры; 12 – первичный воздух; 13 – пассивная камера; 14 – воздушный насос; 15 – контур теплообменника; 16 – форсунка; 17 – дверь активной камеры

Если обратить внимание на все существующие конструкции домашних котлов, действующих на твёрдом топливе, главной альтернативой пиролизному котлу выступает конструкция традиционного исполнения. Это похожий вариант котла на дровах, где действует одна неразделённая топка и работает принцип нижней подачи воздуха в камеру сгорания

Но такая система считается менее эффективной и неэкономичной по причине быстрого сгорания топлива

Это похожий вариант котла на дровах, где действует одна неразделённая топка и работает принцип нижней подачи воздуха в камеру сгорания. Но такая система считается менее эффективной и неэкономичной по причине быстрого сгорания топлива.

Пиролизный котёл способен выдавать коэффициент полезного действия на уровне 85-95% при условии 100% нагрузки. Однако КПД резко падает, если нагрузка составляет менее 50%. Именно поэтому изготовители пиролизной техники рекомендуют пользователям эксплуатировать оборудование с максимальной нагрузкой.

Аналогичный подход справедлив и для самодельных конструкций, при условии их полного соответствия классической пиролизной схеме и требованиям эксплуатации.

Для «пиролиза» требования эксплуатации, надо заметить, достаточно жёсткие:

обязательное оснащение воздушным насосом;
допустимая влажность топлива не выше 25-35%;
нагрузка на оборудование не ниже 50%;
температура обратного теплоносителя не ниже 60 °С;
загрузка только крупным топливным массивом.

Также следует отметить дороговизну пиролизных систем промышленного изготовления. Наверное, поэтому пользуется высокой популярностью вариант “сделай сам”.

Особенности воздуховода

Для изготовления этого элемента своими руками нужно определить его внутренний диаметр и высоту. Первый показатель определяется исходя из площади дымохода. Формула расчета такова: d = (0,5-0,55) * ((4S/π)^0,5). Дровяные котлы с радиусом 15 см и высотой 90 см должны иметь дымоход с площадью 175 кв. см. Диаметр отверстия для дымохода — 15 см. Воздуховод для устройства с такими размерами нужно делать из трубы, диаметр которой составляет 8 см.

Что касается высоты трубки, которая должна подавать воздух внутрь системы, то она должна быть больше высоты котла на дровах. При этом она должна выступать над воротником на 15 см. Высота воротника может быть разной. Она зависит от эксплуатационного зазора между трубой и воротником. Зазор не должен превышать 2,5 мм. Высота воротника определяется, как произведение зазора и числа 80. Если двойной зазор равный 2 мм (в расчет берут цифру, разделенную на 2), то воротник должен иметь высоту 1х80 = 80 мм.

Получается, что труба, подающая воздух в котел на угле, должна выступать на 8 + 15 = 23 см. Стоит сказать, что показанный в разных видео воротник, стоит делать всегда. Его наличие всегда улучшает КПД. В итоге, отопление дома твердотопливным котлом становится более эффективным.

Сооружение основания

Основание под печку Бубафоня закладывается таким образом:

Первым делом выкапывается квадратная яма. Ее примерные размеры – 150х150 см, при глубине 20-30 см.
Дно траншеи засыпается подушкой из щебня и заливается раствором бетона. Для выравнивания его поверхности пригодится мастерок. Когда залитый участок схватится, необходимо проверить горизонтальность его поверхности при помощи строительного уровня. Если нужно, проводится дополнительная корректировка.
Поверх полностью высохшей бетонной подставки укладывается огнеупорный кирпич в несколько рядов. Обычно достаточно 2-3 слоев.

Сборка двухкамерной топки

Материалом для изготовления стенки камер лучше выбрать горячекатаный лист толщиной не менее 8 мм, в идеале — 10–12 мм. Чем толще металл, тем сложнее процесс сваривания, однако конструкцию из слишком тонкой стали гарантированно поведёт и выкрутит в непредсказуемых направлениях. Именно поэтому среди деталей, из которых собирается котёл, не должно быть мелких элементов с соотношением сторон более 2:1.

Основа двухкамерной топки — наружные боковые стенки. Они общие для обеих камер, соединяются посредством передней стенки, в которой проделаны два прямоугольных отверстия для дверец. Нижнее отверстие предназначено для обслуживания камеры сгорания, его высота должна быть порядка 120–150 мм, ширина — не менее 300 мм, располагается отверстие с отступом в 150 мм от нижнего края. Верхнее отверстие предназначено для загрузки камеры газификации, чем оно будет больше — тем лучше, располагаться отверстие должно не ближе 100 мм к верху камеры. Снизу и сзади топка замыкается цельными листами, которые вырезают по внешним габаритам топочной камеры, но не приваривают до окончания сборки внутренних деталей. Сверху котёл накрывается листом номинального сечения.

Пример размеров пиролизного котла

Разделять камеры газификации и сгорания будет цельная плита, ширина которой соответствует внутреннему расстоянию между стенками, а длина — на 400 мм меньше. В задней части плиты вертикально приваривается цельная перегородка, которая отделяет камеру загрузки по всей высоте, по центру вдоль горизонтальной части вырезается отверстие шириной 50 и длиной в 400–600 мм. Собранную Г-образную перегородку не приваривают до завершения сборки теплообменника.

Котлы верхнего горения

Один из вариантов пиролизного устройства – котел верхнего горения. Принцип действия этих двух агрегатов очень схож.

Точно так же в топку загружают большое количество твердого топлива низкой влажности, воздух нагнетают принудительно и обеспечивают тление топлива при пониженном количестве кислорода. Задвижку, которая регулирует поток кислорода, устанавливают в нужном положении.

Схема устройства котла верхнего горения. Топка такого котла имеет глухое дно, частички продуктов горения удаляются через дымоход (+)

Но котлы длительного горения не имеют ни зольника, ни колосника. Дно представляет собой глухую металлическую плиту. Такие котлы устроены так, чтобы древесина сгорала полностью, а оставшееся в топке малое количество золы выдувалось воздухом.

Такие устройства отличаются высоким КПД и также работают при температурах более 1000°С.

Основная особенность таких устройств – они действительно обеспечивают длительный срок работы при полной загрузке. Топливная камера в таких устройствах обычно выполнена в форме цилиндра.

В нее сверху загружают топливо, сверху же, по центру, нагнетается необходимый для горения воздух.

В котлах верхнего горения устройство для нагнетания воздуха – это подвижный элемент, который опускается вниз по мере прогорания дров

Таким образом осуществляется медленное тление верхнего слоя топлива. Топливо постепенно сгорает, его уровень в топке понижается. Одновременно изменяется и положение устройства для подачи воздуха в топку, этот элемент в таких моделях подвижен и он практически лежит на верхнем слое дров.

Второй этап горения осуществляется в верхней части топки, которая отделена от нижнего отделения толстым металлическим диском. Горячие пиролизные газы, образовавшиеся в результате сгорания топлива внизу, расширяются и перемещаются вверх.

Здесь они смешиваются с воздухом и сгорают, дополнительно передавая теплообменнику солидную порцию тепловой энергии.

Балка, удерживающая диск, который разделяет камеру сгорания на две части, как и сам этот диск, в процессе работы котла верхнего сгорания постоянно находится под воздействием высокой температуры. Со временем эти элементы сгорают, их придется периодически заменять.

На выходе из второй части топливной камеры обычно установлен регулятор тяги. Это автоматический прибор, который определяет температуру теплоносителя и в зависимости от полученных данных регулирует интенсивность движения горючего газа. Он защищает устройство от возможного перегрева.

Стоит отметить, что наружный теплообменник в таких котлах реагирует на изменение скорости циркуляции жидкости в теплообменнике, т.е. на колебания температуры. На поверхности устройства сразу же образуется слой конденсата, который вызывает коррозию, особенно если речь идет о стальных котлах.

Предпочтительнее брать устройство из чугуна, которое значительно лучше сопротивляется подобному воздействию.

Хотя топливо в пиролизных котлах длительного горения должно сгорать без остатка, на практике так бывает не всегда. Порой пепел спекается, образуя частички, которые трудно удалить с помощью потока воздуха.

Если в топке накопится большое количество таких остатков, может наблюдаться заметное снижение тепловой отдачи агрегата. Поэтому котел верхнего горения следует периодически все же прочищать.

Особенность устройств этого типа в том, что по мере сгорания топлива его можно догружать, не дожидаясь сгорания всей закладки топлива. Это удобно, когда нужно избавиться от горючего бытового мусора.

Существуют также разновидности котлов верхнего горения, которые работают не только на древесном топливе, но и на угле. Сложные узлы автоматического управления в пиролизных котлах этого типа отсутствуют, поэтому серьезные поломки наблюдаются крайне редко.

Конструкция котла верхнего горения позволяет загружать топку лишь частично, если это необходимо. Однако в этом случае выполнить розжиг верхнего слоя топлива может быть не просто. Само топлива должно быть подсушенным, дрова из открытой поленницы для такого котла не подходят.

Топливо крупных фракций также не следует использовать для этого вида техники, т.е. дрова придется обязательно колоть на небольшие части.

Устройство и принцип работы

В основе принципа длительного горения лежит снижение скорости сгорания топлива за счет уменьшения подачи воздуха. Кислород в первичную камеру сгорания подается в количестве, достаточном для тления, но не обеспечивающем интенсивное горение.

Во время медленного окисления древесины выделяются газообразные углеводороды, получившие название пиролизных газов. Сам процесс органического разложения древесных волокон под действием высокой температуры называется приролизом.

Дожигание продуктов окисления во вторичной камере на длительность горения топливной закладки не оказывает существенного влияния, однако существенно увеличивает общую эффективность работы котла на дровах. Это связано с тем, что при сгорании вторичных газов выделяется значительно больше тепловой энергии чем при интенсивном горении дров.

Энергозависимые установки длительного горения

Компоновка дровяных котлов длительного горения предполагает расположение основной топочной камеры непосредственно над зоной сжигания вторичных газов, а сообщение между ними осуществляется через специальные керамические форсунки, способные работать при температуре от 800 до 1000 С. Днище главного топливного отсека оборудовано специальной термостойкой постелью, чаще всего из шамотного кирпича или керамобетонных блоков.

Направленное движение воздуха (тяга) обеспечивается с помощью нагнетающего вентилятора, от частоты вращения которого зависит количество кислорода в рабочей зоне. На основании данных, полученных от температурного датчика, автоматическая система управления (АСУ) может увеличивать или уменьшать угловую скорость крыльчатки. К достоинствам такой схемы можно отнести высокую точность регулировки. Кроме этого, воздух, проходя через верхний топочный бункер, нагревается, что упрощает процесс воспламенения пиролизных углеводородов.

Интенсивность циркуляции теплоносителя в отопительном контуре регулируется насосом, который также подключается к АСУ. Если температура теплоносителя снижается, автоматически увеличивается подача воздуха.

Точность регулировки и экономичность энергозависимых дровяных котлов отопления длительного горения обеспечивают значительную экономию дров, что за весь отопительный сезон выливается значительную сумму. Однако не следует сбрасывать со счетов тот факт, что при отсутствии электропитания, такой котел становится бесполезной грудой металлолома, поскольку естественная тяга в таких конструкциях, как правило, не предусматривается.

Энергонезависимые дровяные котлы длительного горения

Несмотря на то что экономичность и производительность таких установок заметно ниже, чем установок оснащенных АСУ, они совершенно не зависят от наличия электроэнергии, что является их существенным плюсом. К недостаткам таких систем относится, прежде всего, сложность настройки.

У такого котла на дровах регулировка подачи кислорода производится открытием специальной заслонки, имеющей кинематическую связь с биметаллическим терморегулятором, расположенным на верхней крышке изделия.

После розжига дровяной закладки и получения устойчивого горения заслонку приводят в рабочее положение, уменьшая тем самым количество воздуха в первичной камере сгорания и обеспечивая оптимальные условия для химико-термического окисления древесного горючего. Горячие пиролизные газы, под действием естественной тяги, поступают в верхнюю камеру сгорания, где смешиваются с разогретым вторичным воздухом, вследствие чего воспламеняются.

Циркулирующий в водяной рубашке теплоноситель быстро нагревается за счет контакта с горячими стенками камеры сгорания. Высокую производительность таких конструкций обеспечивает большая площадь теплообменника.

Отопительные котлы на дровах обратного горения

Главной особенностью таких устройств является то, что процесс первичного сжигания происходит в направлении от верхних слоев к нижним.

Конструкция представляет собой вертикально расположенный цилиндр со штоком и прижимным диском, обеспечивающим равномерное распределение воздуха по всей поверхности горения.

Образовавшиеся в результате пиролиза газы поступают в верхнюю часть корпуса, где смешиваются с предварительно разогретым вторичным воздухом и воспламеняются. Раскаленная боковая поверхность непосредственно контактирует с теплоносителем, поступающим в контур отопления через выходной патрубок. Для большей эффективности, прибор может быть установлен в защитный кожух, а образовавшаяся полость заполнена пенополиуретаном или другим негорючим теплоизолятором.