Бытовые отопительные котлы

1. Топливо и основы горения

Как правило, в качестве первичной энергии для водогрейных котлов используют различные виды органического топлива. По агрегатному состоянию все виды органического топлива делятся на газообразное, жидкое и твердое.

Газообразное топливо – это, прежде всего, природный газ. На долю России приходится примерно 1/3 всех разведанных запасов природного газа, поэтому на большей части нашей территории (европейская часть, Западная Сибирь, Урал и др.) в крупных городах газ доступен, а цена его (с учетом высоких потребительских качеств) сравнительно невысока.

Природный газ состоит, главным образом, из метана СН4, а также небольшого количества более тяжелых углеводородов: этана С2Н6, пропана С3Н8, бутана С4Н10 и др.

Газ некоторых месторождений, кроме углеводородов, содержит и другие горючие компоненты: водород Н2 и оксид углерода СО. Из негорючих компонентов в состав газа входят азот N2 и диоксид углерода СО2.

В табл. 1 приведены технические характеристики природного газа из нескольких месторождений Российской Федерации.

Таблица 1. Состав и плотность газов основных газовых месторождений

При добыче нефти, как правило, приходится иметь дело с попутными газами, в которых значительно меньше СН4, но зато количество тяжелых углеводородов составляет уже десятки процентов. Количество и качество попутного газа зависят от состава сырой нефти и ее стабилизации на месте добычи (только стабилизированная нефть считается подготовленной для дальнейшей транспортировки по трубопроводам или в танкерах).

Кроме природных и попутных газов, в промышленности иногда используются различные искусственные газы. На предприятиях металлургической промышленности (доменное производство и коксовые печи) образуется большое количество низкокалорийного доменного газа (Qri = 4,0–5,0 МДж/м3) и среднекалорийного коксового газа (Qri = 17–19 МДж/м3), содержащего Н2, СН4, СО и другие горючие газообразные компоненты.

Таблица 2. Состав и плотность промышленных газов

В некоторых странах, не столь богатых природным газом, как Россия, существует целая отрасль промышленности, занятая производством генераторных газов, часто называемых синтезгазами. Разработаны методы и создано оборудование для получения удобного при использовании в быту топлива путем газификации твердого органического топлива: угля, сланцев, торфа, древесины. В случае применения в качестве окислителя обычного воздуха получают низкокалорийный (3–5 МДж/м3) газ, а газификация на кислородном дутье позволяет получить среднекалорийный газ с Qri = 16–17 МДж/м3. Такой газ, в отличие от низкокалорийного, можно применять не только на месте получения, но и транспортировать на некоторое расстояние. Состав генераторного газа определяют исходное топливо и технология его газификации.

Однако в условиях российской действительности, при сравнительно низких ценах на природный газ, все виды генераторного газа оказываются неконкурентоспособными по сравнению с природным. Тем не менее в некоторых случаях (при отсутствии вблизи объекта газовых магистралей или необходимости утилизировать содержащие органические вещества отходы производства) практикуют установку газификаторов с воздушным или паровоздушным дутьем для получения газовой смеси, содержащей Н2, СО и небольшое количество углеводородов, что позволяет обеспечить газообразным топливом отопительные котлы с автоматизированными горелками и высоким КПД.

Во второй половине прошлого века в промышленном масштабе было налажено производство сжиженного природного газа (СПГ) – топлива, которое на первой и последней стадиях своего существования является газом, но при транспортировке и хранении ведет себя как жидкое топливо (обеспечивая тем самым широкий рынок для реализации на огромных территориях, куда невозможно или нецелесообразно прокладывать газовую магистраль). Получается СПГ путем сжижения природного газа за счет охлаждения его до температуры ниже – 160 °С. После регазификации на месте потребления СПГ не теряет свойств, характерных для обычного природного газа, т. е. имеет такую же теплоту сгорания, как исходный природный газ: 48,1 МДж/м3. При давлении 0,6 МПа, которое является рабочим при транспортировке и хранении СПГ, его плотность составляет 385 кг/м3. Понятно, что при такой температуре хранить и перевозить СПГ приходится в специальных (криогенных) емкостях. Стоимость таких установок достаточно высока, однако цена сжиженного природного газа существенно ниже стоимости аналогичного продукта – сжиженного углеводородного газа, более известного под названием пропан-бутановой смеси.

Таблица 3. Характеристики некоторых видов газообразного топлива, используемых в Европе

Сырьем для получения пропан-бутановых смесей, широко используемых в жилищно-бытовом секторе, является главным образом попутный газ нефтедобычи. Другой источник сжиженного газа – нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ), на которые поступает сырая нефть, содержащая сжиженные нефтяные газы. В процессе дистилляции они улавливаются, причем их выход составляет 2–3 % объема перерабатываемой нефти. Теплота сгорания этого топлива и другие его характеристики зависят от соотношения между содержанием бутана и пропана.

В табл. 3 приведены основные характеристики пропан-бутановой смеси и еще нескольких видов газообразного топлива, на которые обычно рассчитывают свои горелки европейские поставщики водогрейных котлов на российский рынок.

Жидкое топливо – это продукты переработки сырой нефти. В водогрейных котлах небольшой мощности сжигают обычно дизельное топливо, солярку или легкие сорта мазута. В крупных водогрейных котлах, устанавливаемых на районных станциях теплоснабжения, допускается применение более тяжелых сортов топочного мазута (марки М40 и М100). На нефтепромыслах в качестве топлива для котлов иногда используют отбензиненную сырую нефть.

Качество жидкого топлива определяется составом исходной сырой нефти, а также технологией ее переработки. Основная характеристика жидкого топлива, определяющая условия его транспорта и сжигания, – вязкость. Характеристики вязкости различных видов жидкого топлива представлены на диаграмме (рис. 1).

Рис. 1. Характеристики вязкости различных видов жидкого топлива

На процесс сжигания жидкого топлива влияют и другие характеристики: зольность, содержание влаги и, особенно, содержание серы. Важное значение имеют также температура вспышки и температура застывания. Теплота сгорания различных марок жидкого топлива составляет, как правило, 39,8–41,9 МДж/кг (9500–10 000 ккал/кг).

С точки зрения обеспечения надежной работы топливной аппаратуры и котельной установки в целом, самое подходящее жидкое топливо, безусловно, – дизельное, теплота сгорания которого 10 180 ккал/кг. В большинстве его видов практически нет механических примесей, а содержание серы даже в тяжелых марках дизельного топлива не превышает 0,5 %. Благодаря этому не возникает проблем с коррозией поверхностей нагрева котлов и загрязнением атмосферы сернистым ангидридом. Очень важные достоинства дизельного топлива – низкая температура застывания и хорошее распыливание в топках водогрейных котлов.

В некоторых европейских странах все виды котельного топлива делят на дистиллянтные (в российской практике – печное топливо) и остаточные (мазут). Печное топливо получают при термическом и каталитическом крекинге нефтепродуктов. Оно применяется главным образом для отопления зданий, а также на железнодорожном транспорте и в промышленности. В Великобритании печное топливо называют «бытовым», во Франции – «легким», в США – «форсуночным». Деление печного топлива на сорта производится в зависимости от его вязкости, которая во многом определяет назначение топлива и наиболее подходящий тип форсунки.

Вполне пригодны для использования в небольших отопительных котлах и легкие сорта мазута, в первую очередь – флотские: Ф5 и Ф12. К важным достоинствам этих марок жидкого топлива можно отнести невысокую вязкость: у Ф5, например, при температуре 50 °С она не превышает 5 градусов условной вязкости (°ВУ). Кроме того, флотские мазуты отличаются низкими температурой застывания (–5 °С), зольностью (не более 0,1 % по массе) и высокой теплотой сгорания (Qri = 41,3 МДж/кг).

Топочные мазуты, в отличие от флотских, являются тяжелыми крекинг-остатками или их смесями с мазутами прямой перегонки. Помимо высокой вязкости и плюсовой температуры застывания, в топочных мазутах допускается более высокое содержание механических примесей, серы и воды. Всё это создает существенные трудности при хранении и сжигании топочных мазутов в водогрейных котлах малой мощности.

В табл. 4 приведены основные характеристики жидких топлив, на которые рассчитаны горелки и котлы поставщиков оборудования из Европы.

Таблица 4. Характеристики различных видов жидкого топлива

В тех регионах, где природный газ отсутствует, а использование жидкого топлива оказывается неприемлемым по финансовым соображениям, можно встретить водогрейные котлы на твердом топливе. К нему относятся различные виды угля (каменный, бурый, антрацит), а также торф, сланцы и различные виды отходов (как промышленных, так и твердых бытовых отходов – ТБО). По организации топочного процесса к этой группе топлива принадлежит и биотопливо, т. е. древесина, отходы лесозаготовки, деревопереработки, целлюлозно-бумажного и сельскохозяйственного производства.

В последние годы проблему отопления в некоторых районах все чаще решают за счет отходов лесопереработки. В дело идут сырая и влажная щепа, низкосортная древесина, опилки и другие виды древесного топлива.

Использование каждого из видов топлива требует специальной организации топочного процесса. Уголь, как правило, сжигается в виде кусков определенного размера, подаваемых на неподвижную или механическую решетку. Через отверстия в решетке в слой поступает воздух, содержащий необходимый для горения кислород.

К твердому топливу, подаваемому на решетку, предъявляются специфические требования: оно не должно иметь слишком крупных кусков и слишком мелких фракций (последние будут проваливаться через решетку или уноситься с продуктами горения). Поэтому для водогрейных котлов (особенно небольших, используемых в автономных системах теплоснабжения) поставляются сортированный уголь или специальные виды обработанного твердого топлива: брикеты, гранулы или пеллеты, приготовленные из древесных отходов.

Как известно, твердое топливо, кроме органической массы, содержит негорючие минеральные примеси. Поэтому после его сгорания образуются очаговые остатки: шлак и зола. Следовательно, в конструкцию водогрейных котлов, рассчитанных на сжигание твердого топлива, должны быть заложены приспособления для сбора и периодического (а еще лучше – непрерывного) удаления очаговых остатков. Кроме того, крупные водогрейные котлы, устанавливаемые в промышленных котельных или в районных станциях теплоснабжения (РСТ), необходимо оборудовать золоулавливающими аппаратами для очистки дымовых газов от содержащихся в них золовых частиц. В качестве таких золоуловителей могут использоваться батарейные циклоны, мокрые скрубберы, эмульгаторы, а в случае более жестких требований – электро– или тканевые фильтры.

В продуктах сгорания содержится некоторое количество водяных паров, источники которых – влага топлива (в торфе, например, ее содержание превышает 50 % по массе), влага, поступающая в котел вместе с воздухом, и, наконец, водород, присутствующий во всех видах топлива (но особенно много его в природном и попутных газах). При полном сгорании водород превращается в Н2О.

Если продукты сгорания покидают котел в виде дымовых газов при температуре, превышающей температуру «точки росы», то КПД котла, разумеется, всегда будет меньше 100 %. Но если обеспечить конденсацию Н2О в дымовых газах (например, при снижении температуры газов за счет уменьшения температуры воды на входе в котел), можно дополнительно использовать скрытую теплоту парообразования.

Раньше создатели водогрейных котлов сознательно добивались того, чтобы пары воды не конденсировались, а покидали котел в газообразном виде. Дело в том, что конденсат водяных паров для обычных котлов отнюдь не безвреден: за счет растворения в нем диоксида углерода СО2 образуется агрессивная среда, вызывающая интенсивную межкристаллитную коррозию стали, из которой изготавливали поверхности нагрева.

Особенно возрастает опасность коррозии в случае использования серосодержащих топлив, когда в продуктах сгорания содержатся оксиды серы. Но в 90-х гг. прошлого века разработчики отопительных котлов решили воспользоваться достижениями металлургов, которые к тому времени создали коррозионно-стойкие легкие сплавы и нержавеющую сталь. Из них были произведены водогрейные котлы с конденсацией водяных паров, что позволило полезно использовать скрытую теплоту парообразования. Благодаря этому теплоиспользование в новых котлах существенно увеличилось, и в лучших образцах конденсационных котлов удалось приблизиться к максимально возможному повышению КПД.

2. Общая классификация котлов

2.1. По виду энергоносителя

Исторически основным энергоносителем в нашей стране было твердое топливо, точнее – дрова, обладающие низкой плотностью горючих веществ на единицу массы. Это значит, что данный вид топлива пригоден лишь для отопления небольших помещений вследствие невозможности обеспечения длительного горения и необходимости постоянной загрузки в топку новых порций топлива.

Современные бытовые дровяные котлы конструируются для работы на пеллетах (гранулированная древесина размером 15–20 мм), в этом случае появляется возможность оборудовать котел устройством непрерывной подачи топлива.

Также для автоматизированной подачи твердого топлива могут применяться и сортированный высококачественный каменный уголь, и угольные брикеты. Большинство котлов и аппаратов не приспособлены для сжигания низкосортных видов топлива с малым выходом летучих веществ (антрациты, полуантрациты). Верхний предел фракций угля во избежание неполного горения не должен превышать 50 мм, а нижний, в связи с ограниченностью тяги и отсутствием принудительного дутья, – 13 мм. КПД современных твердотопливных котлов – до 85 %.

Преимущества твердотопливных котлов:

– возможность использования в районах с избытком древесины и отсутствием других энергоносителей;

– доступность и сравнительно низкая стоимость топлива.

Недостаток:

– не могут работать в полностью автоматическом режиме и требуют регулярной загрузки топлива.

Ассортимент твердотопливных котлов заметно беднее, чем газовых или жидкотопливных. В России широкое распространение получили котлы на твердом топливе производства фирм Viadrus, Dakon, Atmos, Opop (Чехия), Olymp (Германия), Jama (Финляндия). Встречаются также зарубежные котлы с возможностью комбинированного сжигания, в том числе – для твердого топлива (CTC, Dakon, Roca, Demir Dokum). Отечественные производители представлены котлами ЗИОСАБ, «Пламя», КИМ, «Жарок», КС-Т, КС-ТГ, АТВ.

Котлы, использующие твердое топливо, можно разделить на три основные группы:

– традиционные твердотопливные;

– газогенераторные;

– многотопливные.

Появление регуляторов, способных автоматически поддерживать заданную температуру теплоносителя на выходе из котла, позволяет твердотопливным котлам работать с экономичностью, ненамного уступающей жидкотопливным. Автоматическое поддержание температуры осуществляется с помощью термостата, отслеживающего температуру теплоносителя в котле. При превышении заданной температуры происходит автоматическое прикрытие заслонки, и процесс горения замедляется, при понижении – заслонка приоткрывается.

При выборе твердотопливного котла можно руководствоваться табл. 5, в которой приведена ориентировочная высота дымовой трубы, в зависимости от ее внутренних размеров и мощности котла.

Таблица 5. Высота дымовой трубы

При сжигании в котлах каменного угля возникают трудности с его розжигом, поскольку он имеет высокую температуру воспламенения. Если в доме имеется горелка, работающая на сжиженном (баллонном) газе, розжиг можно облегчить. Если топливом являются дрова, то это низкокалорийное топливо целесообразно сжигать в «шахтных» топках с высоким слоем, в которых оно горит длительное время.

Как правило, точно (оптимально) выбранный и отрегулированный котел должен обеспечивать непрерывную работу не менее 6–8 ч на одной загрузке топлива.

Газогенераторные котлы используют газификационный способ сжигания древесины – процесс горения при недостатке кислорода с образованием генераторного газа, состоящего наполовину из азота воздуха, а наполовину – из смеси угарного газа, водорода, углекислого газа и метана. Главное их достоинство состоит в том, что КПД может достигать 90 %. Кроме того, обеспечивается высокая способность регулировать мощность в диапазоне от 70 до 100 %. Стоит также отметить, что у газификационного котла топливная камера может быть существенно большего объема, чем у традиционных твердотопливных теплогенераторов, и загружать его необходимо реже.

В газогенераторных котлах горят не только сами дрова, но и древесный газ, выделяющийся из дров под воздействием высокой (до 1000 °С) температуры. При таком сжигании не образуется CO и практически отсутствует зола. Недостаток таких котлов – необходимость подключения электричества.

В газогенераторных котлах можно сжигать все виды древесины, древесные отходы и брикеты с влажностью не более 20–25 %.

Несмотря на то, что жидкое топливо является ценнейшим сырьем для нефтехимии, примерно 40 % всех бытовых котлов сжигают либо дизельное и печное топливо, либо легкие сорта мазута. Естественно, требования к экономичному, экологичному и безопасному горению предъявляются не только к горелкам, но и к котельным установкам. В то же время, конструктивно топочные камеры котлов, сжигающих жидкое топливо, схожи с котлами на газе, в отличие, к примеру, от твердотопливных топок. В основном тут учитываются требования эффективного теплосъема и удобства монтажа и обслуживания (осмотр, чистка, удаление отложений).

Преимущества:

– независимость от наружных коммуникаций (автономность работы);

– более «либеральные» требования к установке и эксплуатации;

– теплота сгорания выше, чем у твердого топлива.

Недостатки:

– необходимость в топливохранилище;

– высокая (на 50 % дороже газа) стоимость жидкого топлива.

Природный газ – самое распространенное на сегодня топливо для отопительных котлов. В разных регионах можно встретить сжигание как природного газа – метана (СН4), так и сжиженного: пропана С3Н8 либо в смеси с бутаном С4Н10.

Чаще встречается сжигание биогаза и попутного газа.

Колеблется также и теплота сгорания различных газов, так как природный газ имеет Qph от 8,5 до 11,5 кВт · ч/м3, а сжиженный – от 25 до 34 кВт · ч/м3.

Преимущества природного газа относительно других видов топлива – дешевизна и компактное газовое хозяйство. Правда, следует учитывать строгость норм по установке оборудования.

2.2. По наличию функции ГВС

Практически все бытовые котельные, устанавливаемые в жилых домах, так или иначе пригодны для решения задачи подогрева бытовой воды. Поскольку независимо от обеспечения горячей водой функция отопления в котлах присутствует, то подогрев бытовой воды осуществляется в теплообменниках, встроенных либо пристроенных к котлам.

Котлы, используемые только для подогрева теплоносителя, называются одноконтурными. В них теплоноситель, нагретый в топке котла продуктами сгорания топлива, циркулирует в теплообменниках системы отопления (радиаторах, калориферах и т. д.). Котлы, имеющие кроме отопительной функции, функцию подогрева бытовой воды, называются двухконтурными (по наличию контуров отопления и горячего водоснабжения). В таких устройствах часть теплоносителя циркулирует в системе отопления, а часть – подогревает бытовую воду до необходимой температуры в теплообменниках. Известны два основных вида теплообменников: проточные и емкостные.

В проточном теплообменнике нагреваемая вода проходит однократно внутри змеевика сквозь поток греющей среды.

Рис. 2. Проточный теплообменник

Для обеспечения комфортной производительности такие котлы должны иметь увеличенные поверхность нагрева либо тепловую мощность.

Пример

Проточный водонагреватель нагревает в минуту 16 л (16 кг) холодной воды от 15 до 40 °С. Какова величина тепловой мощности, необходимой для нагрева?

Решение:

m = 16 кг/мин × 60 мин/ч = 960 кг/ч;

Q = m · c · At, где с – теплоемкость воды (1, 163 Вт·ч/кг·К).

Q = 960 кг/ч × 1,163 Втч/кгК × 25° = 27 912 Вт;

Q = 28 кВт.

В емкости теплообменника нагреваемая бытовая вода находится внутри сосуда неподвижно в течение всего времени нагрева (происходит лишь гравитационное перемешивание).

Рис. 3. Емкостный теплообменник

Достоинство – возможность использовать в пиковых режимах, недостаток – длительное время нагрева.