ОТОПИТЕЛЬНЫЕ КОТЛЫ НА ПЕЛЛЕТАХ

История

Отходы древесного производства для обогрева помещений и нагрева воды люди применяют довольно давно. Стружки, ветки, куски коры использовались в обычных дровяных печах наряду с дровами не одно десятилетие. Однако первые профессиональные дровяные печи с бункерами для опилок появились только в начале прошлого века на американских лесопилках. Это были единичные случаи применения, и они не получили широкого распространения. В 1930 году в штате Айдахо был изобретен пресс-гранулятор: сжатие во время прессовки повышает температуру опилок, при этом выделяется лигнин – естественное связующее, содержащееся в древесине, который склеивает частицы в плотные цилиндрики. Изготовленные с помощью первого пресса пеллеты рекомендовались в качестве топлива для домашних печей.

За прошедшие годы были сконструированы различные типы котлов, работающих на пеллетах – от промышленных котлов большой мощности до декоративных каминов. Но поскольку традиционные природные ресурсы, такие как уголь, газ, нефть, были широкодоступны и имели низкую стоимость, пеллетные котлы использовались, в основном, только для обогрева помещений лесопильных производств.

Интерес к отопительному оборудованию, способному использовать в качестве топлива эффективные и горючие возобновляемые ресурсы, возрос в 1973 году во время нефтяного кризиса. Тем не менее, пеллетные котлы стали экономически выгодным и популярным решением для систем отопления и ГВС дома только в последние десять лет. Например, между 1998 и 2010 годами в США было произведено 824 тыс. пеллетных котлов. В Европе пеллеты особенно популярны в Дании, Австрии и Швеции. Эти страны являются также лидерами в области производства оборудования по использованию (сжиганию) пеллет. Общий запас древесины в Российской Федерации, по разным оценкам, составляет от 90 до 120 млрд м³. В среднем это в 4 раза больше, чем в США, в 40 раз больше, чем в Швеции, и в 16 раз больше, чем в Финляндии. Учитывая разницу в цифрах, а также отставание в области технологический процессов переработки древесины, в России существует значительно больший объем древесных отходов в лесной и лесоперерабатывающей промышленности.

Использование древесных отходов в нашей стране

На заводах СССР степень использования отходов лесопильного и деревообрабатывающего производств была невысока. Крупные отходы, такие как горбыль, использовался в больших объемах в шахтах, а также в качестве топлива.

К концу 1990-х годов в нашей стране существовало уже немало лесопильно-деревообрабатывающих предприятий, освоивших технологию производства технологической щепы для целлюлозно-бумажной промышленности из кусковых отходов лесопиления. Причем из этих отходов, являющихся в основном заболонными частями древесины, получают более качественную целлюлозу.

В то время как в западных странах интенсивно развивались различные направления комплексного применения древесных отходов, в нашей стране имелся скорее теоретический, за редким исключением, опыт их использования: - из крупных отходов – производство щитов, паркета;
- в мебельном производстве для изготовления комплектующих деталей;
- в строительстве (изготовление кровельных и теплоизоляционных материалов);
- в производстве ДСП и ДВП, прессованных столярно-строительных изделий;
- для изготовления игрушек, изделий пиротехники, корма для скота, в животноводстве как подстилку, в растениеводстве в качестве удобрения;
- для получения технологических продуктов: в химической и целлюлозно-бумажной промышленности (щавелевая кислота, этиловый спирт, дрожжи, лигносульфонаты).

Отдельно можно отметить переработку стружки, опилок, древесной щепы и мелких кусковых отходов в древесную муку различных фракций для дальнейшей переработки в формованные изделия или в пьезотермопластики, а также для использования в качестве наполнителя в разного рода материалах (клеи, замазки и др.). Получение древесной муки, по оценке некоторых экономистов, значительно выгоднее, чем прямое сжигание отходов для получения тепла, которое требует дополнительной модернизации котельных, также связанной со значительными капиталовложениями в технологию. Тем не менее наиболее востребованным способом утилизации отходов в стране, чья немалая часть находится в зоне холодного климата, является сжигание древесных отходов для получения тепловой энергии. И речь идет не столько об экономической составляющей, сколько об экологической безопасности, как самого предприятия, так и всей планеты в целом, т. к. древесина, по сравнению с нефтью и углем, является экологически чистым возобновляемым топливом.

В российской практике также есть примеры использования отходов древесины в качестве топлива. В настоящее время на территории России созданы тысячи малых и средних лесопильных, деревообрабатывающих и мебельных предприятий малой и средней мощности, использующих в качестве топлива щепу и прочие отходы производства. Однако использование отходов в том виде, в котором они применяются сегодня, вызывает ряд технических проблем. В частности, высокая влажность (что особенно неудобно в зимний период времени с минусовыми температурами), сложности при транспортировке и т.?д. Решением этих проблем является изготовление прессованных брикетов или древесных гранул. Выпуск стандартизированных по размерам единиц позволяет автоматизировать подачу топлива в теплоагрегат, а процесс прессования увеличивает энергоемкость древесины и делает ее более устойчивой к воздействию влаги.

Безусловно, существуют ограничения на применение подобных технологий гранулирования и прессования. В частности, для сжигания прессованного топлива требуется специальное, и подчас дорогостоящее оборудование. Помимо этого, использование отходов мелкого лесоперерабатывающего предприятия на месте, как правило, не экономично, поскольку объем отходов недостаточен для организации устойчивого рентабельного производства по выпуску пеллет, а целесообразность передачи отходов на большие предприятия для энергетического или технологического применения определяется соображениями логистики.

Пеллеты

В нашей стране пеллеты являются достойной альтернативой традиционным видам топлива, таким как солярка, уголь и дрова. Единственным конкурентом может являться природный газ, подаваемый по трубопроводу. Если рассматривать только стоимость топлива, то, безусловно, отопление газом в 3–4 раза дешевле, чем пеллетами. Однако значительные территории нашей страны не газифицированы. Также у пользователя могут возникнуть проблемы при подключении к магистральным газовым сетям (стоимость нового подключения, согласование проекта, ограничение по лимиту, низкое давление в газовой сети и т. д.). В таком случае отопление с помощью пеллетного котла может стать одним из предпочтительных вариантов.

Пеллеты (пилеты, пеллетс, древесные топливные гранулы) представляют собой цилиндрической формы прессованные отходы древесного производства. За рубежом пеллеты широко используются в качестве топлива для автоматизированных котельных, как бытового, так и промышленного уровня. В ряде европейских стран использование пеллетных котлов, считающихся более экологичными по сравнению с котлами, использующими традиционное топливо, экономически выгодно, т. к. поддерживается государством (выделяются субсидии и дотации на установку пеллетного отопительного оборудования, уменьшается ставка налогообложения).

Пеллеты обычно имеют размеры 6–8 мм в диаметре и 5–70 мм в длину, в зависимости от используемого сырья и качества производства пеллет, хотя следует отметить, встречаются пеллеты и других размеров. Например, в Новосибирске производят пеллеты диаметром 10 мм. Сырьем для производства пеллет в нашей стране служат хвойные породы, однако лучшие пеллеты получаются из сырья лиственных пород (это требует оборудования более высокого класса).

Влажность пеллет составляет 7–10 %, что позволяет с успехом использовать их в пиролизных котлах (правда, после небольшой доработки последних). Плотность пеллет 1,5, поэтому они тонут в воде.

Теплотворная способность 1 кг пеллет – 5 кВт•ч (не стоит забывать о КПД того устройства, где они сжигаются, в действительности эта цифра будет меньше), что примерно в 1,5 раза больше, чем у дров. Достаточно приблизительно, но весьма образно можно сказать, что содержание энергии в одном килограмме пеллет равняется энергии, содержащейся в половине литра жидкого топлива. И этот килограмм не разольется по вашему дому, оставляя после себя неприятный запах, и не взорвется от случайной искры.

Рисунок 1. Конструкция пеллетного котла 1 – турбина, всасывающая гранулы; 2 – пеллетный контейнер; 3 – дозировочный винт; 4 – роторный клапан; 5 – топочный винт; 6 – расширительный бак; 7 – вращающаяся решетка с очищающими щетками; 8 – золоудаляющие винты; 9 – съемный бак для золы; 10 – камера сгорания из нержавеющей стали; 11 – теплообменник со встроенным контроллером температуры обратной воды; 12 – теплообменник с функцией автоматической очистки; 13 – датчик О2 в уходящих дымовых газах; 14 – дымосос; 15 – клапан смесителя; 16 – циркуляционный насос; 17 – переключающий клапан систем отопление/водоснабжение; 18 – к системе отопления; 19 – к системе горячего водоснабжения; 20 – от систем отопления и водоснабжения; 21 – подача воздуха для горения

Сырье для производства

Сырьем для производства пеллет могут быть как деловая древесина, так и древесные отходы: кора, опилки, щепа и другие отходы лесозаготовки и лесопереработки. В зависимости от используемого сырья, пеллеты отличаются по цвету. Например, отходы от лесозаготовки (пиловка и т. д.) содержат кору, которая, в свою очередь, содержит песок, что снижает качество продукта. Цвет таких пеллет можно определить как «капучино». Однако цвет пеллет также зависит от температуры гранулирования, и в этом случае цвет говорит о слишком высокой температуре гранулирования, пеллеты просто подгорают. Таким образом, судить о качестве пеллет по их цвету можно только предварительно.

Сырье от вторичной переработки древесины (изготовление мебели, окон и т. д.) чище, пеллеты имеют бело-желтый цвет, однако возможны примеси от ДСП или других искусственных материалов, применяемых в производстве мебели, в этом случае об экологической составляющей говорить уже не приходится.

Косвенным признаком наличия химических примесей может являться наличие красной окалины на колосниках котла после сгорания таких пеллет.

Наш опыт показывает, что единственным надежным способом проверить качество пеллет является их сжигание. К сожалению, никакие сертификаты или прочие документы не являются подтверждением качества пеллет, т. к. в лабораторию можно сдать отличную партию, например купленную у другого производителя, а об оценке или сертификации самого производства мы пока не слышали.

Производство пеллет

Сырье (опилки, кора и т. д.) поступает в дробилку, где измельчается до состояния муки. Полученная масса поступает в сушилку, из нее – в пресс-гранулятор, где древесную муку сжимают в пеллеты. На производство 1 т пеллет уходит около 5 м³ древесных отходов. Поэтому, если вам придет в голову заняться этим «прибыльным» бизнесом, прежде всего оцените, откуда будет поступать сырье. Для производства 10 т пеллет в смену вам потребуется 50 м³ опилок, причем желательно собранных не с земли, т.?е. без примесей. Кроме того, учитывая что затраты на сушку сырья достаточно высоки, в целях снижения себестоимости лучше искать сухую стружку. Некоторые специалисты утверждают, что пеллетное производство экономически эффективно при обьемах не менее 300–500 т в месяц, однако на наш взгляд данная оценка завышена.

Готовые пеллеты охлаждают, пакуют в пластиковые мешки или доставляют потребителю россыпью. Кстати, доставка – это вторая «головная боль» производителя: перевозка пеллет, например, автотранспортом на 1 км увеличивает стоимость 1 т пеллет ориентировочно на 1 рубль.

Экология

Известно, что от котельной, работающей на дизельном топливе или на угле, зачастую исходит неприятный запах. Пеллеты при горении не выделяют запах, и, как правило, за счет высокого КПД котельного оборудования дым от пеллет практически бесцветен. За счет низкого содержания серы в пеллетах уменьшаются выбросы в атмосферу двуокиси серы, а это, в свою очередь, ведет к уменьшению количества кислотных дождей. Пеллеты также выигрывают по всем позициям у каменного угля и жидкого топлива в области выброса других вредных веществ.

Пеллеты являются частью натурального круговорота СО2 в окружающей среде. Пеллеты экологически чистое топливо, т. к. при их сгорании выделяется ровно столько СО2, сколько было впитано деревом при его росте (закрытый углеродный обмен), в отличие от угля и т. д. Использование пеллет сберегает от рубки живой лес и от загрязнения отходами деревообрабатывающего производства окружающую среду. Кроме того, пеллеты относятся к возобновляемым источникам топлива, в отличие от угля, нефти и газа.

Однако последние исследования показали, что экологически нейтральны не все пеллеты. Например, если изготавливать пеллеты из остатков производства ДСП, в них может содержаться вредный фенол и формальдегиды. А пеллеты с прекрасной прочностью и стойкие к истиранию, а также великолепные на вид (гладкие и блестящие) могут содержать неметаллические включения (песок), что в результате приведет к образованию шлака и в конечном итоге, к остановке котла.

Качество и стандарты

Сегодня в РФ не существует стандартов на пеллеты, поэтому большинство производителей ориентируются на западные стандарты, которые разнятся от страны к стране. Кроме того, существующие западные стандарты порой включают в себя не только стандарт на сами пеллеты, а также стандарты на их производство, хранение и транспортировку. Сертификаты на пеллеты в России выдают различные организации, как международные аккредитованные лаборатории Incolab и SGS, так и отечественные НИИ.

В то время как отсутствие у нас в стране ГОСТов или хотя бы технических регламентов на пеллеты остается проблемой многих владельцев пеллетных котлов, в Европе создается целый пакет новых единых стандартов на твердое биотопливо.

Сейчас в Европе в различных странах есть свои внутренние стандарты на твердое биотопливо, в том числе пеллеты. Например, в Австрии действуют следующие стандарты:
- ONORM M 7135 «Требования к пеллетам». Данный стандарт описывает качество пеллет и брикетов. Пеллеты должны быть изготовлены из натурального дерева. Использование натуральных связующих веществ не более 2 %. В документе приводятся требования к производителям пеллет, например, еженедельный контроль качества. Указываются требования к маркировке готовой продукции;
- ONORM M 7136 «Требования к логистике пеллет»;
- ONORM M 7137 «Требования к хранению пеллет у конечного пользователя».

Учитывая экономическую и, что, пожалуй, важнее, экологическую составляющую твердого биотоплива Европейская организация по стандартизации (CEN) разрабатывает единые европейские стандарты на твердое биотопливо, в целях чего был создан Технический комитет (ТС) 335, включающий 5 рабочих групп (WG):
- WG1 – терминология определения и описания (Германия), 1 стандарт;
- WG2 – спецификация топлива и его классы (Финляндия), 2 стандарта;
- WG3 – взятие образцов (Нидерланды/Великобритания), 3 стандарта;
- WG4 – физические механические методы тестирования (Швеция), 13 стандартов (теплотворная способность, насыпная плотность, влажность, летучие вещества и т. д.);
- WG5 – химические методы тестирования (Нидерланды).

Основные группы документов:
- DD CEN/TS14588:2004 «Твердое биотопливо. Терминология, определения и описание»;
- DD CEN/TS14961:2005 «Твердое биотопливо. Спецификация оборудования и его классы»;
- DD CEN/TS15234:2006 «Твердое биотопливо. Обеспечение качества топлива».

Устройство пеллетного котла

Пеллетные котлы представляют собой стационарное оборудование универсального способа установки. Мощность приборов варьируется от 15 кВт до нескольких мегаватт.

Составными частями котлов на пеллетах являются корпус, горелка, топка, теплообменник, топливный бункер и дымоход. Теплообменник изготавливается из чугуна или нержавеющей стали.

Камера сгорания этих котлов относительно небольшая, т. к. основной теплосъем происходит в хорошо развитой многоходовой конвективной части котла (до 70 %). При такой конструкции пеллетного котла температура уходящих газов составляет всего 100–200 °C. Котел оборудован специальной гранульной горелкой объемного типа, которая обеспечивает более высокий КПД работы котла при сгорании гранул, чем у других категорий твердотопливных котлов, и сравнима по эффективности с котлами на природном газе. Немаловажным фактором спроса на эти котлы является срок эксплуатации, который для пеллетных котлов составляет 20 лет и более.

Котлы на пеллетах имеют высокий уровень автоматизации и обеспечивают программирование режимов работы и поддержание заданной температуры. Подача топлива из бункера также осуществляется автоматически, по мере необходимости, благодаря чему котел может работать без участия человека, например, пока есть пеллеты в оперативном бункере (до 7 суток и даже более).

Мощность гранульных котлов, устанавливаемых, как правило, в коттеджах, составляет от 15 до 500 кВт. Нижняя граница предлагаемых мощностей определяется в основном экономической целесообразностью (менее 15 кВт выгоднее применять гранульные камины), а верхняя граница предлагаемых мощностей связана с отсутствием опытно-расчетных оснований для получения преимуществ пеллетных котлов перед другими технологиями (снижение КПД ниже 80 %, снижение срока эксплуатации котла до 3–5 лет).

Некоторые модели котлов могут быть оснащены дополнительным контуром ГВС. Котлы на пеллетах не требуют специального обслуживания. Чистка золы осуществляется, как правило, раз в месяц.

Пеллетные котлы имеют высокий КПД – 85–95 %. В совокупности с достаточно низкой стоимостью топлива, отсутствием затрат на обслуживающий персонал и т. д. это делает данный вид отопления максимально экономичным в течение всего срока службы дома, уровень затрат на отопление пеллетным способом намного ниже стоимости отопления многими другими видами топлива.

Система отопления древесными гранулами гарантирует полную взрыво- и пожаробезопасность (с котлами поставляются сертификаты безопасности конкретных производителей).

Рисунок 2. Схема отопления и горячего водоснабжения частного дома с помощью пеллетного котла и аккумулирующей емкости

Разновидности пеллетных котлов

1. Оборудование, предназначенное только для использования пеллет.

2. Условно комбинированные котлы – обычно работают на биогранулах, но в качестве «запасного» топлива способны в течение непродолжительного времени принимать брикеты или дрова. Топка в таких системах устроена особым способом, она трансформируемая (штатная колосниковая решетка съемная).

3. Универсальные котлы – могут работать на любом твердом топливе. Как правило, имеют несколько камер сгорания, по одной на каждый вид энергоносителя. Достаточно демонтировать пеллетную горелку, и прибор готов к загрузке традиционным твердым топливом.

Помимо котлов используются пеллетные камины, которые могут быть двухконтурными (водогрейными). В пеллетных каминах горение происходит в закрытой камере и нагрев воздуха для обогрева помещения происходит в теплообменнике.