Подключение к системе отопления пиролизного котла: Обвязка твердотопливного котла — схема подключения к отоплению

Разное

Содержание

Обвязка твердотопливного котла — схема подключения к отоплению

От того, насколько правильно сделана обвязка твердотопливного котла, зависит эффективность его дальнейшей работы и срок службы. В эксплуатации дровяные и угольные теплогенераторы отличаются от агрегатов на других видах топлива, потому требуют особого подхода.

Предлагается подробно рассмотреть, как после монтажа отопительной разводки подключить котел на твердом топливе, в том числе – своими руками. Описание различных схем подключения ТТ-котла к системе отопления  вы сможете найти в данном материале.

В чем отличие твердотопливных котлов

Помимо сжигания различных видов твердого топлива, теплогенераторы имеют ряд отличий от остальных источников тепла. Эти особенности нужно воспринимать как данность и всегда учитывать при обвязке твердотопливного котла с системой водяного отопления. В чем они заключаются:

  1. Высокая инерционность. На данный момент не существует способов резко потушить разгоревшееся твердое топливо в камере сжигания.
  2. Образование конденсата в топливнике во время прогрева. Особенность проявляется из-за поступления в котловой бак теплоносителя с низкой температурой (ниже 50 °С).

Примечание. Явление инерционности отсутствует только у одного вида агрегатов на твердом топливе – пеллетных котлов. В них имеется горелка, куда древесные гранулы подаются дозировано, после прекращения подачи пламя угасает почти сразу же.

Схема устройства ТТ-котла прямого горения с принудительным нагнетанием воздуха

Инерционность создает опасность перегрева водяной рубашки отопителя, вследствие чего теплоноситель в ней вскипает. Образуется пар, который создает высокое давление, разрывающее корпус агрегата и часть подающего трубопровода. Как результат, в помещении топочной много воды, куча пара и непригодный к дальнейшей эксплуатации твердотопливный котел.

Подобная ситуация может возникнуть, когда обвязка теплогенератора выполнена неправильно. Ведь на самом деле нормальный режим работы дровяных котлов – максимальный, именно в это время агрегат выходит на свой паспортный КПД. Когда термостат реагирует на достижение теплоносителем температуры 85 °С и прикрывает воздушную заслонку, горение и тление в топке еще продолжается. Температура воды повышается еще на 2—4 °С, а то и больше, прежде чем ее рост остановится.

Во избежание превышения давления и последующей аварии, в обвязке твердотопливного котла всегда участвует важный элемент – группа безопасности, подробнее о ней будет сказано ниже.

Другая неприятная особенность работы агрегата на дровах – появление конденсата на внутренних стенках топливника из-за прохождения через водяную рубашку еще не разогретого теплоносителя. Этот конденсат – вовсе не божья роса, поскольку представляет собой агрессивную жидкость, от которой быстро корродируют стальные стенки камеры сжигания. Потом смешавшись с пеплом, конденсат превращается в липкую субстанцию, отодрать ее от поверхности не так легко. Проблема решается установкой смесительного узла в схему обвязки твердотопливного котла.

Такой налет служит теплоизолятором и снижает КПД твердотопливного котла

Владельцам теплогенераторов с чугунными теплообменниками, не боящимися коррозии, рано вздыхать с облегчением. Их может ожидать другая беда – возможность разрушения чугуна от температурного шока. Представьте, что в частном доме на 20—30 минут отключили электроэнергию и циркуляционный насос, прогоняющий воду через твердотопливный котел, остановился. За это время вода в радиаторах успевает остыть, а в теплообменнике – нагреться (из-за той же инерционности).

Появляется электричество, включается насос и направляет в разогретый котел остывший теплоноситель из закрытой системы отопления. От резкого перепада температур у теплообменника случается температурный шок, чугунная секция дает трещину, на пол бежит вода. Отремонтировать весьма сложно, заменить секцию удается не всегда. Так что и при таком раскладе узел подмеса предотвратит аварию, о чем будет сказано далее.

Аварийные ситуации и их последствия описаны не с целью напугать пользователей твердотопливных котлов или побудить их к покупкам ненужных элементов схем обвязки. Описание основано на практическом опыте, который необходимо учитывать всегда. При правильном подключении теплового агрегата вероятность подобных последствий чрезвычайно низка, почти такая же, как у теплогенераторов на других видах топлива.

Как подключить твердотопливный котел

Каноническая схема подключения твердотопливного котла содержит два главных элемента, позволяющих ей надежно функционировать в системе отопления частного дома. Это группа безопасности и смесительный узел на основе трехходового клапана с термоголовкой и датчиком температуры, показанные на рисунке:

Всегда открытый выход смесительного клапана (левый патрубок на схеме) должен быть направлен к насосу и теплогенератору, иначе циркуляции в малом котловом контуре не будет

Примечание. Здесь условно не показан расширительный бак — он должен подключаться к обратной линии отопительной системы перед насосом (по направлению течения воды).

Представленная схема показывает, как подключить агрегат правильно и применяется с любыми котлами на твердом топливе, в том числе — пеллетными. Вы можете найти различные общие схемы отопления – с теплоаккумулятором, бойлером косвенного нагрева или гидрострелкой, на которых данный узел не показан, но он там должен быть обязательно. Способ защиты от выпадения влаги в топке подробно рассматривается на видео:

Задача группы безопасности, устанавливаемой прямо на выходе подающего патрубка твердотопливного котла, — сбрасывать в автоматическом режиме давление в сети при его росте сверх установленного значения (обычно – 3 Бар). Этим занимается предохранительный клапан, а кроме него элемент оснащен автоматическим воздухоотводчиком и манометром. Первый выпускает появляющийся в теплоносителе воздух, второй служит для контроля над давлением.

Внимание! На отрезке трубопровода между группой безопасности и котлом не допускается установка любой запорной арматуры. Если вы поставили шаровой кран для отсечения и ремонта деталей группы, снимите со штока рукоятку.

Как работает схема

Смесительный узел, предохраняющий теплогенератор от конденсата и температурных перепадов, работает по такому алгоритму, начиная от растопки:

  1. Дрова только разгораются, насос включен, клапан со стороны системы отопления закрыт. Теплоноситель циркулирует по малому кругу через байпас.
  2. При повышении температуры в обратном трубопроводе до 50—55 °С, где стоит накладной датчик выносного типа, термоголовка по его команде начинает нажимать на шток трехходового клапана.
  3. Клапан потихоньку открывается и холодная вода понемногу поступает в котел, смешиваясь с горячей из байпаса.
  4. По мере того как прогреваются все радиаторы растет общая температура и тогда клапан перекрывает байпас полностью, пропуская весь теплоноситель через теплообменник агрегата.

Важный нюанс. В паре с 3-ходовым вентилем ставится специальная головка с датчиком и капилляром, рассчитанная на регулирование температуры воды в определенном диапазоне (например, 40…70 или 50…80 градусов). Обычная радиаторная термоголовка не подойдет.

Данная схема обвязки – самая простая и надежная, ее монтаж можно спокойно выполнить своими руками и таким образом обеспечить безопасную работу твердотопливного котла. Касательно этого есть парочка рекомендаций, особенно при обвязке дровяного отопителя в частном доме полипропиленом или другими полимерными трубами:

  1. Участок трубы от котла до группы безопасности сделайте из металла, а дальше прокладывайте пластик.
  2. Толстостенный полипропилен плохо проводит тепло, из-за чего накладной датчик станет откровенно врать, а трехходовой кран – запаздывать. Для корректной работы узла участок между насосом и теплогенератором, где стоит медная колба, тоже должен быть металлическим.

Подключение медными трубами не защитит полипропилен от разрушения в случае перегрева ТТ-котла. Зато позволит корректно работать термодатчику и предохранительному клапану на группе безопасности

Другой момент – место установки циркуляционного насоса. Лучше всего ему стоять там, где он изображен на схеме – на обратке перед дровяным котлом. Вообще, ставить насос можно и на подаче, но вспомните, о чем говорилось выше: при аварийной ситуации в подающем патрубке может появиться пар.

Насос неспособен перекачивать газы, поэтому при заполнении камеры паром крыльчатка остановится, циркуляция теплоносителя прекратится. Это ускорит возможный взрыв котла, ведь он не будет охлаждаться протекающей из обратки водой.

Способ удешевления обвязки

Схему защиты от конденсата можно удешевить, если поставить трехходовой смесительный клапан упрощенной конструкции, не требующий подключения накладного температурного датчика и термоголовки.  В нем уже вмонтирован термостатический элемент, настроенный на фиксированную температуру смеси 55 либо 60 °С, как это изображено на рисунке:

Специальный 3-ходовой клапан для твердотопливных отопительных агрегатов HERZ-Teplomix

Примечание. Подобные клапаны, поддерживающие фиксированную температуру смешанной воды на выходе и предназначенные для установки в первичный контур твердотопливного котла, выпускают многие известные бренды — Herz Armaturen, Danfoss, Regulus и другие.

Установка такого элемента однозначно позволяет сэкономить на обвязке ТТ-котла. Но при этом теряется возможность изменения температуры теплоносителя с помощью термоголовки, а ее отклонение на выходе может достигнуть на 1—2 °С. В большинстве случаев эти недостатки несущественны.

Вариант обвязки с буферной емкостью

Наличие буферной емкости крайне желательно для работы котла на твердых видах топлива и вот почему. Чтобы агрегат функционировал эффективно и производил тепло с заявленным в паспорте КПД (от 75 до 85% у разных типов), он должен действовать на максимальном режиме. Когда прикрывается воздушная заслонка с целью замедлить горение, в топке наблюдается недостаток кислорода и КПД сжигания дров снижается. При этом возрастают выбросы в атмосферу угарного газа (СО).

Для справки. Именно из-за выбросов в большинстве европейских стран запрещается эксплуатировать твердотопливные котлы без буферной емкости.

С другой стороны, при максимальном горении температура теплоносителя в современных теплогенераторах достигает 85 °С, а одной закладки дров хватает всего часа на 4. Это не устраивает многих владельцев частных домов. Решение проблемы – поставить буферную емкость и включить ее в обвязку ТТ-котла таким образом, чтобы она служила баком-аккумулятором. Схематично это выглядит так:

Измеряя температуру Т1 и Т2, можно настроить послойную загрузку емкости балансировочным вентилем

Когда топка горит вовсю, буферная емкость накапливает тепло (на техническом языке – загружается), а после затухания отдает его в отопительную систему. Для управления температурой теплоносителя, подающегося в радиаторы, с другой стороны от бака-аккумулятора тоже ставится трехходовой смесительный клапан и второй насос. Теперь вовсе не обязательно бегать к котлу каждые 4 часа, ведь после затухания топки обогрев дома какое-то время будет обеспечивать буферная емкость. Как долго – зависит от ее объема и температуры нагрева.

Справка. На основании практического опыта вместительность теплоаккумулятора можно определить так: на частный дом площадью 200 м² понадобится бак объемом не менее 1 м³.

Есть парочка важных нюансов. Чтобы схема обвязки благополучно работала, нужен твердотопливный котел, чьей мощности хватит на одновременное отопление и загрузку буферной емкости. Значит, потребуется мощность в 2 раза выше расчетной. Другой момент – подбор производительности насосов таким образом, чтобы расход в котловом контуре немного превышал количество протекающей воды в контуре отопительном.

Интересный вариант стыковки ТТ-котла с самодельным буферным резервуаром (он же — бойлер косвенного нагрева) без насоса продемонстрирован нашим экспертом в видеосюжете:

Совместное подключение двух котлов

Для повышения комфорта отопления частного дома многие хозяева устанавливают два и более источника тепла, работающие на разных энергоносителях. На данный момент наиболее актуальны сочетания котлов на:

  • природном газе и дровах;
  • твердом топливе и электричестве.

Соответственно, газовый и твердотопливный котел надо подключить таким образом, чтобы второй автоматически замещал первый после сжигания очередной порции дров. Такие же требования выдвигаются и к обвязке электрокотла с дровяным. Это сделать достаточно просто, когда в схеме обвязки участвует буферная емкость, поскольку она одновременно играет роль гидрострелки, что и показано на рисунке.

Подающие линии котлов присоединяются к верхним патрубкам теплоаккумулятора, обратные – к нижним

Совет. Информацию о расчете объема буферного резервуара вы найдете в отдельной публикации.

Как видите, благодаря наличию промежуточного бака-аккумулятора 2 разных котла могут обслуживать сразу несколько распределительных контуров отопления – батареи и теплые полы, и вдобавок загружать бойлер косвенного нагрева. Но теплоаккумулятор с ТТ-котлом ставят далеко не все, поскольку это недешевое удовольствие. На этот случай существует простая схема, причем ее можно смонтировать своими руками:

В схеме учтена особенность электрокотла – встроенный циркуляционный насос всегда работает

Примечание. Схема справедлива как для электрического, так и для газового теплогенератора, работающего вместе с твердотопливным.

Здесь основным источником тепла является дровяной отопитель. После прогорания закладки дров температура воздуха в доме начинает падать, что регистрирует датчик комнатного термостата и тут же включает нагрев электрокотлом. Без новой загрузки дров температура в подающей трубе снижается и накладной механический термостат отключает насос твердотопливного агрегата. Если спустя какое-то время его разжечь, то все произойдет в обратном порядке. Подробно об этом способе совместного подключения рассказано на видео:

Обвязка методом первичных и вторичных колец

Существует еще один способ совместной обвязки твердотопливного котла с электрическим для обеспечения большого числа потребителей. Это  метод первичных и вторичных колец циркуляции, который предусматривает гидравлическое разделение потоков, но без использования гидрострелки. Также для надежной работы системы требуется минимум электроники, а контроллер не нужен вообще, невзирая на кажущуюся сложность схемы:

Хитрость в том, что все потребители и котлы подсоединяются к одному первичному кольцу циркуляции как подающим трубопроводом, так и обратным. За счет малого расстояния между подключениями (до 300 мм) перепад давлений выходит минимальным по сравнению с напором насоса главного контура. Благодаря этому движение воды в первичном кольце не зависит от работы насосов колец вторичных. Меняется лишь температура теплоносителя.

Теоретически в главный контур может быть включено сколько угодно источников тепла и вторичных колец. Главное, верно подобрать диаметры труб и производительность насосных агрегатов. Фактическая производительность главного кольцевого насоса должна превышать расход в самом «прожорливом» вторичном контуре.

Чтобы этого добиться, необходимо выполнить гидравлический расчет и только потом удастся верно подобрать насосы, так что без помощи специалистов обычному домовладельцу не обойтись. Кроме того, надо увязать работу твердотопливного и электрического котлов путем установки отключающих термостатов, о чем рассказано в следующем видео:

Заключение

Как вы могли убедиться, правильно сделать обвязку котла на твердом топливе не так уж просто. К вопросу надо отнестись ответственно и перед выполнением работ по монтажу и подключению дополнительно проконсультироваться со специалистом, чья квалификация не вызывает сомнений. Например, с таким, кто дает пояснения в представленных видеороликах.

Как установить пиролизные котлы своими руками

В условиях постоянного удорожания энергоносителей, приходится уделять серьёзное внимание выбору отопительных котлов и других устройств, обеспечивающих выработку достаточного количества тепловой энергии с минимальными потерями. Среди используемых источников энергии можно выделить газ, электричество, жидкое и твёрдое топливо.

Чаще всего используются устройства, работающие на газу, однако последнее время пользователи обращают пристальное внимание на пиролизные котлы отопления, или газогенераторные котлы. Основной особенностью этих устройств является высокая эффективность, к тому же можно легко установить пиролизные котлы своими руками. Для этого не обязательно привлекать специалистов, достаточно ознакомиться с основными рекомендациями и тщательно изучить одну из предлагаемых схем подключения.

Устройство и принцип действия пиролизных котлов

Пиролизный котёл промышленного производства

В основе работы газогенераторных котлов лежит принцип пиролиза, который заключается в том, что под воздействием высокой температуры при ограниченном доступе кислорода происходит разложение топлива на пиролизный газ и твёрдый остаток топлива. В основной камере происходит тление твёрдого топлива при температуре, достигающей 800 градусов. В результате этого выделяется тепло, необходимое для нагрева теплоносителя. Однако если в устройствах, имеющих традиционную конструкцию, выделяемый в результате горения газ, сразу удаляется через дымоход, в данных устройствах он смешивается с кислородом, который подаётся принудительно и догорает во второй камере. Здесь же происходит дополнительный нагрев воды, выполняющей чаще всего роль основного теплоносителя.

Учитывая высокую стоимость теплоноситель, приходится обращать внимание на альтернативные источники энергии. К таким устройствам можно отнести пиролизные котлы, которые помимо традиционной древесины и угля могут использовать различные виды твёрдого топлива, которые являются недорогими и доступными.

По сравнению с котлами, работающими по традиционной схеме, газогенераторные котлы имеют целый ряд преимуществ, среди которых можно выделить следующее:

  1. Высокий КПД, а в некоторых устройствах данного типа этот показатель превышает 80%, в то время как в других устройствах это обычно 60-70% и даже меньше.
  2. Минимальное количество вредных отходов, чему способствует взаимодействие пиролизного газа и активного углерода, что на треть сокращает выброс в атмосферу вредного углекислого газа.
  3. Универсальность пиролизных котлов, которая заключается в возможности использования различных видов твёрдого топлива, среди которых древесина, древесные пеллеты и даже опилки.
  4. Лёгкое обслуживание, заключающееся в том, что загрузка топлива во многие газогенераторные котлы происходит не чаще 1 раза в сутки.
  5. Доступная цена – учитывая тот факт, что эффективность котлов, работающих на основе пиролиза, гораздо выше даже традиционных газовых котлов, а стоимость отходов производства деревообрабатывающих предприятий и вовсе незначительна, можно отметить, что использование пиролизных котлов способно приносить ощутимый экономический эффект.
  6. Минимальное количество твёрдых отходов горения – золы и сажи, что облегчает обслуживание котлов.

Несмотря на это стоит отметить, что при работе пиролизных котлов следует учитывать, что не любое топливо подходит для их работы. В частности, чаще всего для работы котлов пиролизного типа, используемых для обогрева дома, используется древесина. Однако не любая древесина будет одинаково пригодной. Суть процесса пиролиза заключается в том, чтобы выделялось как можно больше горючих летучих веществ, а это возможно только в том случае, если влажность древесины имеет небольшие значения – не более 20%. В противном случае эффект пиролиза достигнут не будет и эффективность такого котла будет гораздо ниже. Кроме этого, пиролизные котлы, изготавливаемые промышленным способом, напрямую зависят от электроэнергии, необходимой для организации подачи воздуха. В случаях отключения последней, они могут в лучшем случае работать только на поддержание температуры, нисколько не обогревая помещение.

Можно ли сделать пиролизный котёл самостоятельно

Пиролизный котёл, изготовленный в домашних условиях

Многие считают, что подключение и настройка такого сложного устройства как пиролизный котёл представляет собой сложный процесс, который смогут произвести только специалисты. Однако, как часто показывает практика, установка такого котла производится намного легче, чем газового котла отопления. Кроме того, что существует традиционная схема подключения пиролизного котла, произведённого серийно, существуют различные схемы, позволяющие не только самостоятельно подключить, но и изготовить газогенераторный котёл своими руками.

Прежде чем покупать пиролизный котёл промышленного производства и привлекать к его подключению специалистов, услуги которых стоят не дёшево, стоит просчитать предстоящие расходы. Как правило, устройство отопительного котла своими силами обойдётся на половину дешевле, не говоря уже о тех случаях, когда вы сможете изготовить такой котёл самостоятельно. Сейчас можно найти готовые чертежи пиролизного котла, а можно, проявив некоторую фантазию, изготовить схему котла самостоятельно. Кстати, некоторые устройства, разработанные домашними умельцами, значительно превосходят те модели, которые собираются в условиях производства.

В частности, стоит отметить котлы Blago, разработчиком которых является Ю.П.Благодаров. Основным достижением конструктора стал главный упор на обеспечение естественной тяги, что обеспечивает более длительное горение и максимальный экономический эффект – КПД таких котлов гораздо выше даже самых эффективных котлов, изготавливаемых промышленным способом. Этому же способствуют и некоторые конструктивные элементы (перемычки), позволяющие сохранять тепло.

Схемы подключения пиролизных котлов

Существует большое количество схем подключения пиролизных котлов, среди которых можно выделить простые системы, а также системы, предусматривающие наличие специальных аккумулирующих ёмкостей, которые в экстренном случае способны обогревать помещение на протяжении двух суток. Таких схем не менее сорока, но неизменными всегда являются, помимо самого котла, элементы обвязки котла. К их выбору надо подходить крайне серьёзно.

Для того чтобы обеспечить эффективную работу котла важно правильно подобрать трубы, фитинги, фильтры, отводы и обратные клапаны, представляющие особый интерес в плане безопасности. Немалое значение имеет выбор циркуляционного насоса и бака-расширителя. Что касается насоса, то стоит обратить внимание на устройства немецкого производства. Они стоят несколько дороже, но являются более долговечными и имеют лучшие показатели относительно производительности.

Когда все элементы системы отопления подобраны, можно приступать к монтажу котла по одной из имеющихся схем. Можно для этого привлечь специалистов, но гораздо дешевле выполнить все работы самостоятельно, ведь стоимость монтажных работ часто превышает стоимость котла и элементов обвязки котла вместе взятых. Однако стоит отметить, что для этого надо иметь определённые навыки, и не стоит забывать о той степени опасности, которую таят в себе котлы отопления, даже такие безопасные, как газогенераторные котлы.

Схема пиролизного котла: устройство, чертежи, обвязка, расчет

Изготовление пиролизного котла

Эффективность этого вида установок на дровах стала причиной их популярности у мастеров, которые могут изготавливать твердотопливные котлы пиролизного типа собственными силами из имеющихся материалов. Процесс этот достаточно трудоемкий и требующий навыков выполнения слесарных и сварочных работ, некоторого минимума инструментов и оборудования:

  • аппарат для электросварки;
  • угловая шлифовальная машина;
  • дрель электрическая;
  • набор слесарных инструментов.

Если имеются навыки, инструменты и большое желание, то можно изготовить агрегат, используя следующий чертеж пиролизного котла на естественной тяге:

1 – воздушный канал; 2 – дверца для загрузки топлива; 3 – дверца вторичной камеры; 4 – заслонка прямой тяги; 5 – первичная камера; 6 – верхняя крышка; 7 – входной канал для подачи воздуха; 8 – воздушная заслонка; 9 – патрубок для группы безопасности; 10 – вторичная камера дожигания; 11 – патрубок присоединения дымохода; 12 – форсунка; 13 – жаротрубный теплообменник.

Материалом для изготовления камер может служить жаропрочная легированная сталь, но это дорогой материал, поэтому мастера берут простую углеродистую сталь толщиной 5 мм. Для защиты ее от высокой температуры в нижней части топки выполняется футеровка пиролизного котла огнеупорным кирпичом. Им же нужно защитить днище вторичной камеры, куда направлен факел пламени. Для обшивки водяной рубашки применяется листовой металл толщиной 3 мм, его приваривают к ребрам жесткости из полосовой стали. Из такого же металла изготавливают дверцы, крышку и обрамление проемов.

Передачу тепла от дымовых газов устройство котла предусматривает через жаротрубный теплообменник, находящийся внутри водяной рубашки. Для его изготовления подойдут бесшовные стальные трубы из углеродистой стали наружным диаметров 48 или 57 мм. Количество труб следует подобрать по необходимой площади поверхности теплообмена, для чего выполняется расчет пиролизного котла.

Учитывая, что топливо в пиролизных агрегатах горит долго (до 12 часов) и продуктивно, некоторые владельцы классических установок прямого горения задумываются о том, можно ли их модернизировать. Такая переделка твердотопливного котла в пиролизный возможна, но при условии,

Cхема подключения твердотопливного котла с фото. Инструкция подключений котлов отопления

Предлагаем ознакомиться с наиболее популярными схемами подключения твердотопливных котлов:

Самая простая схема подключения газогенераторного котла

1. Группа безопасности 3. Насос циркуляционный
2. Бак расширительный

Схема подключения пиролизного котла с гидрострелкой

1. Группа безопасности 4. Гидравлическая стрелка
2. Бак расширительный 5. Гребенки
3. Насос циркуляционный 6. Радиатор

Схема подключения котла на дровах с контуром подмеса

1. Группа безопасности 3. Насос циркуляционный
2. Бак раширительный 4. Шаровый кран

Схема подключения котла на твердом топливе и теплоаккумулятора с управлением Laddomat 21

1. Группа безопасности 6. Насос циркуляционный
2. Теплоаккумулятор 7. Радиатор
3. Laddomat 21 8. Смесительный клапан трехходовой
4. Бак расширительный 9. Клапан обратный
5. Клапан подпитывающий 10. Насос циркуляционный

 

Самыми важными вопросами, которые нужно решить в процессе перехода на использование качественного твердотопливного котла, являются:

  • Выбор подходящей модели.
  • Подключение твердотопливного котла.
  • Ввод устройства в работу.
  • Обслуживание и эксплуатация агрегата.

На нашем сайте вы найдете всю интересующую вас информацию по каждому из перечисленных вопросов. При необходимости вы можете воспользоваться полезными рекомендациями специалистов компании “Атом”, чтобы принять наиболее рациональное решение по тому или иному вопросу.

Если вы уже подобрали устройство, которое устраивает вас по своим техническим характеристикам и стоимости, то вам необходимо ознакомиться с информацией о способах надежного подключения котла.

Простая схема подключения твердотопливного котла может включать три основных элемента — расширительный бак, циркуляционный насос и группу безопасности. Чем сложнее схема, тем больше элементов принимают в ней участие.

Базовым документом, в котором зафиксированы все детали процесса подключения и запуска устройства, является инструкция подключения ТТ-котла. Следуя схеме подключения, важно опираться на данные инструкции.

Рассмотрим самые популярные схемы подключения отопительного агрегата, работающего на твердом топливе.

Как подключить твердотопливный котел отопления?

Подключение твердотопливного котла к системе отопления по схеме может осуществляются разными способами в зависимости от наличия элементов, которые будут задействованы в общей системе. Перечислим четыре типа схем подключения ТТ-котлов, получивших самое широкое распространения в условиях отечественного рынка:

  • Простая схема подключения пиролизного котла.
  • Подключение пиролизного котла с гидрострелкой. Данная схема используется в системах, состоящих из нескольких контуров, она налаживает взаимодействие между группой безопасности, циркуляционными насосами, накопительным баком, встроенной гидрострелкой, гребенками и радиатором.
  • Подключение котла на дровах с контуром подмеса. Такая схема подразумевает дополнение простой конструкции несколькими кранами и контуром подмеса, что позволяет регулировать количество теплоносителя, поступающего в подмешивающий контур.
  • Подключение агрегата на твердом топливе и теплоаккумулятора с управлением Laddomat 21. Схема подключения теплоаккумулятора к твердотопливному котлу подразумевает под собой взаимодействие аккумулирующей емкости и контура горячего водоснабжения.

Компания “Атом” является официальным представителем Лебединского моторостроительного завода “Мотор Сич”, чья продукция пользуется авторитетом на украинском и российском рынках. Поэтому специалисты компании могут предоставить вам всю необходимую информацию о том, какая схема подключения подойдет для создания вашей системы отопления и как произвести подключение всех ее компонентов.

Котлы “Мотор Сич” — это экономичные и надежные устройства, показатели эффективности которых на порядок превышают аналогичные значения основных конкурентов.

Как произвести обвязку и подключение твердотопливного котла к системе отопления

В отличие от электрических и газовых отопительных агрегатов, котлы, работающие на твёрдом топливе, практически никогда не оснащаются циркуляционными насосами, группой безопасности, устройствами регулировки и управления. Каждый решает эти вопросы самостоятельно, выбирая схему обвязки обогревающего прибора в соответствии с типом и особенностями системы обогрева. От того, насколько правильно будет выполнен монтаж теплогенератора, зависит не только экономичность и производительность отопления, но и его надёжная, безаварийная работа. Именно поэтому важно включить в схему узлы и устройства, которые обеспечат долговечность отопительного агрегата и его защиту при возникновении нештатных ситуаций.

Кроме того, при монтаже твердотопливного котла не стоит отказываться от оборудования, которое создаёт дополнительное удобство и комфорт. При помощи теплоаккумулятора можно решить проблему перепада температур во время перезагрузки котла, а бойлер косвенного нагрева обеспечит дом горячей водой. Задумались о подключении твердотопливного отопительного агрегата по всем правилам? Мы поможем вам в этом!

Типовые схемы обвязки твердотопливных котлов

Мнение о том, что твердотопливный котёл представляет собой морально устаревший агрегат, покрытый грязью и копотью, ошибочно, не так ли?

Сложность управления процессом горения в твердотопливных котлах приводит к большой инерционности отопительной системы, что негативно сказывается на удобстве и безопасности во время эксплуатации. Ситуация осложняется ещё и тем, что КПД агрегатов этого типа напрямую зависит от температуры теплоносителя. Для эффективной работы отопления обвязка должна обеспечивать температуру теплового агента в пределах 60 – 65 °С. Разумеется, при неправильной интеграции оборудования такой нагрев при плюсовой температуре «за бортом» будет весьма некомфортным и неэкономичным. Кроме того, полноценная работа теплогенератора зависит от ряда дополнительных факторов — типа отопительной системы, количества контуров, наличия дополнительных потребителей энергии и т. д. Представленные ниже схемы обвязок учитывают самые распространённые случаи. Если же ни одна из них не отвечает вашим требованиям, то знания принципов и особенностей структуры отопительных систем помогут в разработке индивидуального проекта.

Система открытого типа с естественной циркуляцией в частном доме

Прежде всего, необходимо отметить, что открытые системы гравитационного типа считаются наиболее подходящими для твердотопливных котлов. Связано это с тем, что даже в экстренных случаях, связанных с резким повышением температуры и давления, отопление, скорее всего, останется герметичным и работоспособным. Немаловажно и то, что функциональность обогревающего оборудования не зависит от наличия электропитания. Учитывая, что котлы, работающие на дровах, устанавливают не в мегаполисах, а в удалённых от благ цивилизации районах, этот фактор не покажется вам таким уж малозначительным. Конечно, эта схема не лишена недостатков, главными из которых являются:

  • свободный доступ кислорода к системе, что вызывает внутреннюю коррозию труб;
  • необходимость в пополнении уровня теплоносителя вследствие его испарения;
  • неравномерность температуры теплового агента в начале и в конце каждого контура.

Слой любого минерального масла толщиной в 1 – 2 см, налитого в расширительный бак, предотвратит попадание кислорода в теплоноситель и снизит скорость испарения жидкости.

Несмотря на недостатки, гравитационная схема очень популярна ввиду её простоты, надёжности и низкой стоимости.

Схема монтажа твердотопливного агрегата в отопительной системе открытого типа

Принимая решение выполнять монтаж данным способом, учтите, что для нормальной циркуляции теплоносителя вход котла должен находиться ниже радиаторов отопления не менее, чем на 0.5 м. Трубы подачи и обратки должны иметь уклоны для нормальной циркуляции теплоносителя. Кроме того, важно правильно рассчитать гидродинамическое сопротивление всех веток системы, а в процессе проектирования стараться уменьшить число запорной и регулирующей арматуры. Правильная работа системы с естественной циркуляцией теплоносителя зависит и от места установки расширительного бачка — он должен подключаться в самой высокой точке.

Закрытая система с естественной циркуляцией

Установка на обратной магистрали расширительного бачка мембранного типа позволит избежать вредного воздействия кислорода и избавит от необходимости контроля уровня теплоносителя.

Конструкция мембранного расширительного бака

Принимая решение оборудовать гравитационную систему герметичным расширительным бачком, учитывайте следующие моменты:

  • ёмкость мембранного бака должна вмещать не менее 10% объёма всего теплоносителя;
  • на трубе подачи обязательно должен быть установлен предохранительный клапан;
  • самая верхняя точка системы должна быть оборудована воздухоотводчиком.

Дополнительные устройства, которые входят в группу безопасности котла (предохранительный клапан и воздухоотводик), придётся приобретать отдельно — производители очень редко комплектуют агрегаты подобными устройствами.

Предохранительный клапан позволяет произвести сброс теплоносителя в случае, если давление в системе превысит критическое значение. Нормальным рабочим показателем считается давление от 1.5 до 2 атм. Аварийный клапан настраивают на величину 3 атм.

Более подробно об этой системе узнаете из нашей следующей статьи: https://aqua-rmnt.com/otoplenie/razvodka-otopitelnoj-sistemy/zakrytaya-sistema-otopleniya.html.

Особенности систем с принудительным движением теплоносителя

Для того чтобы выровнять температуру на всех участках, в закрытую отопительную систему интегрируют циркуляционный насос. Поскольку этот агрегат может обеспечить принудительное движение теплоносителя, требования к уровню установки котла и соблюдению уклонов становятся ничтожными. Тем не менее, не стоит отказываться от автономности естественного отопления. Если на выходе из котла установить обходную ветку, именуемую байпасом, то в случае отключения электричества циркуляцию теплового агента обеспечат силы гравитации.

Применение байпаса позволит при необходимости переключиться на естественный способ циркуляции теплоносителя

Электрическая помпа устанавливается на обратной магистрали, между расширительным баком и входным штуцером. Благодаря пониженной температуре теплоносителя насос работает в более щадящем режиме, что увеличивает его долговечность.

Установка циркуляционного агрегата на обратке необходима ещё и в целях безопасности. При закипании воды в котле возможно образование пара, попадание которого в центробежный насос чревато полным прекращением движения жидкости, что может привести к аварии. Если же прибор будет установлен на входе в теплогенератор, то он сможет обеспечивать циркуляцию теплоносителя даже при возникновении нештатных ситуаций.

Подключение через коллекторы

В случае если к твердотопливному котлу требуется подключить несколько параллельных веток с радиаторами, водяной тёплый пол и т. д., то требуется балансировка контуров, иначе теплоноситель пойдёт по пути наименьшего сопротивления, а остальные участки системы останутся холодными. С этой целью на выходе из отопительного агрегата устанавливают один или несколько коллекторов (гребёнок) – распределительных устройств с одним входом и несколькими выходами. Монтаж гребёнок открывает широкие возможности для подключения нескольких циркуляционных насосов, позволяет подавать к потребителям тепловой агент одинаковой температуры и регулировать его подачу. Единственным минусом обвязки этого типа можно считать усложнение конструкции и повышение стоимости отопительной системы.

Коллекторная обвязка твердотопливного котла

Отдельным случаем коллекторной обвязки является подключение с гидрострелкой. Её отличие от обычного коллектора заключается в том, что это устройство выступает своего рода посредником между отопительным котлом и потребителями. Выполненная в виде трубы большого диаметра, гидрострелка устанавливается вертикально и подключается к входному и напорному патрубкам котла. При этом врезку потребителей делают на различной высоте, что позволяет подобрать оптимальную температуру для каждого контура.

Установка аварийных и регулировочных систем

Аварийные и регулировочные системы служат нескольким целям:

  • защита системы от разгерметизации в случае неконтролируемого повышения давления;
  • регулировка температуры отдельных контуров;
  • защита котла от перегрева;
  • предотвращение конденсационных процессов, связанных с большим перепадом температуры подачи и обратки.

Для решения задач безопасности системы в схему обвязки вводят предохранительный клапан, аварийный теплообменник или контур естественной циркуляции. Что же касается вопросов регулирования температуры теплового агента, то в этих целях применяют термостатические и управляемые клапаны.

Обвязка с трёхходовым клапаном

Устройство трёхходового смесительного клапана

Твердотопливный котёл является отопительным агрегатом периодического действия, поэтому он подвергается опасности коррозии из-за конденсата, который выпадает на его стенках во время разогрева. Связано это с попаданием слишком холодного теплоносителя из обратки в теплообменник отопительного агрегата. Устранить опасность этого фактора можно при помощи трёхходового клапана. Это устройство представляет собой регулируемый вентиль с двумя входами и одним выходом. По сигналу с датчика температуры трёхходовой клапан открывает канал подачи горячего теплоносителя на вход котла, препятствуя возникновению точки росы. Как только отопительный агрегат войдёт в рабочий режим, подача жидкости по малому кругу прекращается.

Схема обвязки с трёхходовым клапаном

Довольно распространённой ошибкой является монтаж центробежного насоса до трёхходового вентиля. Естественно, при закрытом клапане ни о какой циркуляции жидкости в системе не может быть и речи. Правильно будет устанавливать помпу после регулировочного устройства.

Трёхходовой клапан можно использовать и для регулировки температуры теплового агента, поступающего к потребителям. В этом случае устройство настраивают на работу в другую сторону, подмешивая холодный теплоноситель из обратки в подачу.

Схема с буферной ёмкостью

Схема системы отопления с буферной ёмкостью

Низкая управляемость твердотопливных котлов требует постоянного контроля за количеством дров и тягой, что значительно снижает удобство при их эксплуатации. Загружать больше топлива и при этом не переживать по поводу возможного закипания жидкости позволит монтаж буферной ёмкости (теплоаккумулятора). Это устройство представляет собой герметичный бак, отделяющий отопительный агрегат от потребителей. Благодаря большому объёму, буферная ёмкость может накапливать избыточное тепло и по мере необходимости отдавать его радиаторам. Отрегулировать температуру жидкости, поступающей из теплоаккумулятора, поможет узел смешивания, который использует всё тот же трёхходовой клапан.

Элементы обвязки, обеспечивающие безопасность отопительной системы

Обвязка с аварийным контуром

Кроме предохранительного клапана, о котором говорилось выше, защита отопительного агрегата от перегрева решается при помощи аварийного контура, по которому в теплообменник подаётся холодная вода из водопровода. В зависимости от конструкции котла подача охлаждающей жидкости может осуществляться непосредственно в теплообменник или специальный змеевик, установленный в рабочей камере агрегата. К слову, именно последний вариант является единственно возможным для систем с залитым антифризом. Подача воды осуществляется при помощи трёхходового вентиля, которым управляет датчик, установленный внутри теплообменника. Сброс «отработанной» жидкости происходит по специальной магистрали, соединённой с канализацией.

Схема с подключением бойлера косвенного нагрева

Схема с подключением бойлера косвенного нагрева

Обвязка с подключением бойлера для горячего водоснабжения может применяться для отопительных систем всех типов. Для этого специальную теплоизолированную ёмкость (бойлер) подключают к водопроводу и системе ГВС, а внутри водонагревателя устанавливают змеевик, который врезают в магистраль подачи теплового агента. Проходя по этому контуру, горячий теплоноситель отдаёт тепло воде. Нередко бойлер косвенного нагрева оснащают ещё и ТЭНами, благодаря которым появляется возможность получать горячую воду в тёплое время года.

Трёхходовый клапан может быть использован и в схеме обвязки бойлера косвенного нагрева. Более подробно об этом читайте в нашем материале: https://aqua-rmnt.com/otoplenie/kotelnaya/obvyazka-bojlera-kosvennogo-nagreva.html.

Видео: Обвязка твердотопливного котла

Правильная установка твердотопливного котла в отопительную систему закрытого типа

Огромным преимуществом твердотопливных котлов является то, что для их установки не требуется никаких разрешительных документов. Монтаж вполне можно провести собственноручно, тем более, что для этого не потребуется ни специального инструмента, ни особых знаний. Главное — ответственно подойти к работе и соблюдать очерёдность всех этапов.

Обустройство котельной

Недостатком отопительных агрегатов, используемых для сжигания дров и угля, является необходимость в специальном, хорошо проветриваемом помещении. Конечно, можно было бы установить котёл в кухне или ванной, однако, периодический выброс дыма и копоти, грязь от топлива и продуктов сгорания делают эту затею непригодной для реализации. К тому же установка сжигающего оборудования в жилых комнатах ещё и небезопасна — выброс чадного газа может привести к трагедии.

Твердотопливный котёл лучше всего устанавливать вне жилых помещений

При установке теплогенератора в котельной соблюдают несколько правил:

  • расстояние от топочной дверцы до стены должно быть не менее 1м;
  • на расстоянии не выше 50 см от пола и не ниже 40 см от потолка должны быть установлены вентиляционные каналы;
  • в помещении не должны находиться горюче-смазочные и легковоспламеняющиеся вещества и предметы;
  • площадку-основание перед зольником защищают при помощи металлического листа размерами не менее 0.5х0.7 м.

Кроме того, в месте установки котла предусматривают проём под дымовую трубу, которую выводят наружу. Конфигурацию и размеры дымохода производители указывают в техническом паспорте, поэтому выдумывать ничего не потребуется. Конечно, если возникнет необходимость, то от требований документации можно отклониться, однако в любом случае канал для отвода продуктов горения должен обеспечивать отличную тягу в любую погоду.

Как правильно смонтировать дымоход

Устанавливая дымовую трубу, все соединения и щели заделывают герметизирующими материалами, а также предусматривают окна для очистки каналов от сажи и улавливатель для конденсата.

Подготовка к установке обогревающего агрегата

Перед установкой котла выбирают схему обвязки, рассчитывают длину и диаметр трубопроводов, количество радиаторов, тип и количество дополнительного оборудования и запорно-регулирующей арматуры.

Несмотря на всё разнообразие конструкторских решений, специалисты рекомендуют выбирать комбинированное отопление, которое сможет обеспечить принудительную и естественную циркуляцию теплоносителя. Поэтому при расчётах необходимо продумать, каким образом будет установлен параллельный участок трубопровода подачи (байпас) с центробежным насосом и предусмотреть необходимые для работы гравитационной системы уклоны. Не стоит отказываться и от буферной ёмкости. Конечно, её установка повлечёт дополнительные расходы. Тем не менее, накопитель этого типа сможет выровнять температурную кривую, а одной закладки топлива хватит на более продолжительное время.

Подключение котла к отопительной системе с буферной ёмкостью двойного назначения

Особый комфорт предоставит теплоаккумулятор с дополнительным контуром, который используется для горячего водоснабжения. Учитывая тот факт, что из-за установки твердотопливного агрегата в отдельной комнате значительно увеличивается длина контура ГВС, на нём монтируют дополнительный циркуляционный насос. Это устранит необходимость сливать холодную воду в ожидании, когда пойдёт горячая.

Перед монтажом котла обязательно надо предусмотреть место для расширительного бачка и не забывать об устройствах, призванных снизить давление в системе в критических ситуациях. Простая схема обвязки, которую можно использовать в качестве рабочего проекта, показана на нашем рисунке. Она объединяет всё рассмотренное выше оборудование и обеспечивает его правильную и безаварийную работу.

Ещё больше информации об обустройстве помещения-котельной и установке оборудования узнаете из нашей статьи: https://aqua-rmnt.com/otoplenie/kotelnaya/kotelnaya-v-chastnom-dome.html.

Монтаж и подключение твердотопливного теплогенератора

После проведения всех необходимых расчётов и подготовки оборудования и материалов приступают к монтажу.

  1. Устанавливают на место, выравнивают по уровню и крепят отопительный агрегат, после чего к нему подключают дымоход.
  2. Крепят радиаторы отопления, устанавливают теплоаккумулятор и расширительный бак.
  3. Монтируют трубопровод подачи и байпас, на котором устанавливают центробежный насос. На обоих участках (прямом и обводном) устанавливают шаровые краны для того, чтобы теплоноситель можно было транспортировать принудительным или естественным способом.

    Напоминаем, что центробежный насос можно устанавливать только при правильной ориентации вала, который должен находиться в горизонтальной плоскости. Схемы всех возможных вариантов монтажа производитель указывает в инструкции на изделие.

  4. Напорную магистраль подключают к теплоаккумулятору. Надо сказать, что и входной, и выходной патрубки буферного бака должны быть установлены в его верхней части. Благодаря этому количество тёплой воды в ёмкости не будет оказывать влияния на готовность отопительного контура. Обязательно отметим тот факт, что остывание котла в период перезагрузки будет снижать температуру в системе. Связано это с тем, что в это время теплогенератор будет работать в качестве воздушного теплообменника, отдавая тепло из отопительной системы в дымовую трубу. Чтобы устранить это недочёт, в котловом и отопительном контуре устанавливают отдельные циркуляционные насосы. Поместив термопару в зону горения, можно останавливать движение теплоносителя через контур котла при затухании огня.

    Монтаж отдельных насосов на котловом и теплообменном контуре сможет решить проблему утечки тепла через котёл при его остывании

  5. На магистрали подачи устанавливают предохранительный клапан и воздухоотводчик.
  6. Подключают аварийный контур котла или монтируют запорно-регулирующую арматуру, которая при закипании воды откроет магистраль её сброса в канализацию и канал подачи холодной жидкости из водопровода.
  7. Монтируют обратный трубопровод от теплоаккумулятора к отопительному агрегату. Перед входным патрубком котла устанавливают циркуляционный насос, трёхходовой клапан и фильтр-отстойник.
  8. Отдельно на трубопроводе обратке монтируют расширительный бак.

    Обратите внимание! На трубопроводах, которые подключаются к устройствам защиты, запорная арматура не устанавливается. На этих участках должно быть как можно меньше соединений.

  9. Верхний выход теплоаккумулирующей ёмкости соединяют с трёхходовым клапаном и циркуляционным насосом отопительного контура, после чего подключают радиаторы и монтируют обратный трубопровод.
  10. После подключения основных контуров приступают к обустройству системы горячего водоснабжения. Если змеевик теплообменника встроен в буферную ёмкость, то достаточно будет просто подключить к соответствующим патрубкам вход для холодной воды и выход в «горячую» магистраль. При установке отдельного водонагревателя косвенного нагрева используют схему с дополнительным циркуляционным насосом или трёхходовым клапаном. И в том, и в другом случае на входе подачи холодной воды устанавливают обратный клапан. Он перекроет путь для нагретой жидкости в «холодный» водопровод.
  11. Некоторые твердотопливные котлы оснащаются регулятором тяги, работа которого заключается в уменьшении проходного сечения поддувала. Благодаря этому снижается поток воздуха в зону горения и его интенсивность, а соответственно и температура теплоносителя, уменьшается. Если отопительный агрегат имеет такую конструкцию, то монтируют и настраивают привод механизма воздушной заслонки.

    Установка автоматического регулятора тяги позволит контролировать процесс горения топлива

Места всех резьбовых соединений должны быть тщательно загерметизированы с помощью сантехнического льна и специальной невысыхающей пасты.

После завершения монтажа в систему заливают теплоноситель, включают на полную мощность центробежные насосы и внимательно осматривают места всех присоединений на предмет утечки. Убедившись в отсутствии подтеканий, разжигают котёл и проверяют работу всех контуров на максимальных режимах.

Особенности интеграции твердотопливного агрегата в открытую отопительную систему

Главной особенностью открытых отопительных систем является контакт теплоносителя с атмосферным воздухом, который происходит с участием расширительного бака. Эта ёмкость призвана компенсировать тепловое расширение теплоносителя, которое происходит при его нагревании. Расширитель врезают в самой высокой точке системы, а для того, чтобы при переполнении бака горячая жидкость не заливала помещение, к его верхней части подключают сливную трубку, второй конец которой выводят в канализацию.

Конструкция расширительного бака открытого типа

Большой объём бака вынуждает устанавливать его на чердак, поэтому понадобится дополнительное утепление расширителя и подходящих к нему трубок, иначе они могут замёрзнуть зимой. Кроме того, надо обязательно помнить, что этот элемент является частью отопительной системы, поэтому его тепловые потери повлекут за собой снижение температуры в радиаторах.

Поскольку открытая система не является герметичной, отпадает необходимость в монтаже предохранительного клапана и подключении аварийных контуров. При закипании теплоносителя давление будет сброшено через расширительный бак.

Отдельное внимание следует уделить трубопроводам. Поскольку вода в них будет идти самотёком, то на циркуляцию будет оказывать влияние диаметра труб и гидравлическое сопротивление в системе. Последний фактор зависит от поворотов, сужений, перепадов уровня и т. д., поэтому их количество должно быть минимальным. Для того чтобы изначально придать потоку воды необходимую потенциальную энергию, на выходе из котла монтируют вертикальный стояк. Чем выше сможет подняться по нему вода, тем выше будет скорость теплоносителя и тем быстрее будут прогреваться радиаторы. В этих же целях вход обратки должен находиться в самой нижней точке отопительной системы.

Напоследок хотелось бы отметить, что в открытых системах предпочтительнее использовать не антифриз, а воду. Связано это с более высокой вязкостью, сниженной теплоёмкостью и быстрым старением вещества при контакте с воздухом. Что же касается воды, то её лучше всего умягчить и при возможности никогда не сливать. Это в несколько раз увеличит срок службы трубопроводов, радиаторов, теплогенератора и другого отопительного оборудования.

Обратите внимание на статью о выборе теплоносителей для систем отопления: https://aqua-rmnt.com/otoplenie/radiatory/teplonositel-dlya-sistem-otopleniya.html.

Видео: Подключение твердотопливного котла своими руками

Как видите, выбор схемы интеграции котла зависит от многих факторов, включая особенности отопительной системы и необходимость в установке дополнительного оборудования. Если вы успешно разобрались во всех нюансах, то можно смело приступать к работе. Напоследок хотелось бы отметить, что отопление является одной из самых сложных и ответственных инженерных систем. Если у вас нет уверенности в собственных силах, не экспериментируйте. Помните о том, что ошибки при монтаже рано или поздно выльются в серьёзные проблемы, поэтому не стесняйтесь спросить совета у специалистов.

Благодаря разносторонним увлечениям пишу на разные темы, но самые любимые — техника, технологии и строительство. Возможно потому, что знаю множество нюансов в этих областях не только теоретически, вследствие учебы в техническом университете и аспирантуре, но и с практической стороны, так как стараюсь все делать своими руками.

Оцените статью:

Поделитесь с друзьями!

Твердотопливный и газовый котел в одной системе, схемы подключения

Установка твердотопливного котла является альтернативным решением использованию для отопления природного газа. Однако эксплуатация такого котла требует постоянного пополнения топлива и удаления золы и шлака, что создает определенные неудобства для хозяев. Решением вопроса может стать совмещение работы двух видов теплового оборудования.

Зачем это нужно! Твердотопливный котел позволит снизить расходы на отопление дома, а газовый будет автоматически включаться в работу, если дрова, брикеты или уголь полностью прогорели при временном отсутствии людей. Однако такие схемы имеют технические особенности, соблюдение которых является обязательным.

 

Параллельная работа котлов на дровах и газе

Этот вариант теплоснабжения дома от двух котлов предусматривает их раздельное подключение к циркуляционной системе. На входе обратной линии каждого источника тепла должен быть установлен собственный циркуляционный насос. Для настенного газового котла этого делать не нужно, в нем насос уже установлен изготовителем. В случае прогорания твердого топлива температура теплоносителя снизится и газовый котел автоматически включится.

Важным конструктивным моментом является обвязка твердотопливного котла металлическими трубами и наличие аварийного сбросного устройства с одновременной подачи холодной воды в линию обратки.

1 схема (отрытая и закрытая системы)

 

Данный способ удобен тем что жидкости двух систем не смешиваются. Это позволяет использовать разные теплоносители.

Преимущества и недостатки
Плюсы Минусы
Возможность использовать разные теплоносители Большое количество дополнительного оборудования
Безопасная эксплуатация, резервный бак сбросит лишнюю воду в случаи закипания КПД ниже за счет лишней воды в системе
Возможность использования без дополнительной автоматики  

2 схема, две закрытые системы

Здесь используется закрытая система, что позволяет обойтись без тепло аккумулятора. Контроль производится термостатами и трехходовыми датчиками. Безопасность эксплуатации обеспечивает автоматика.

Здесь мы используем аккумулятор для излишком тепла. Тем самым мы увеличиваем эффективность системы и устраняем необходимость в термодатчиках и автоматике.

Подача тепла через 3х ходовой клапан

Конструкция разделителя или гидрострелки предусматривает раздельное подключение котлов и частичное смешение теплоносителя из обратной и подающей магистрали. При этом подача из более мощного котла должна подключаться к разделителю выше, чем от менее мощного. Обратные линии подключаются наоборот.

Каждый котел должен быть оснащен собственным циркуляционным насосом, а еще один насос потребуется для обеспечения циркуляции через приборы системы отопления. В верхней точке гидравлического разделителя должен быть установлен автоматический воздухоотводчик, а в нижней кран для аварийного слива воды.

Система с теплоаккумулятором, зачем он

Тепло, выработанное котлом на дровах, поступает в эту емкость. Из не, через змеевик, теплообменник или без них, в газовый котел. Автоматика второго понимает что вода имеет необходимую температуру и отключает газ. Так будет пока в теплоаккумуляторе достаточно температуры.

Аккумулятор тепла или это теплоизолированная емкость с встроенным змеевиком, предназначенная для накопления нагретого теплоносителя и подачи его в систему отопления. В этой схеме газовый котел, отопительные приборы и аккумулятор соединены трубопроводами в одну систему закрытого типа. Твердотопливный котел подключен к встроенному змеевику аккумулятора и таким образом нагревает теплоноситель в закрытой системе. Организация работы отопления в этой схеме происходит в следующем порядке:

  • в твердотопливном котле горят дрова, и происходит нагрев теплоносителя от змеевика в емкости;
  • твердое топливо прогорело, теплоноситель остыл;
  • газовый котел включается автоматически;
  • снова закладываются дрова, и разжигается твердотопливный котел;
  • температура воды в аккумуляторе поднимается вы той, которая задана на газовом котле, который останавливается автоматически.

Эта схема требует наибольших затрат на приобретение материалов и оборудования, однако имеет целый ряд преимуществ:

  • твердотопливный котел может работать в схеме открытого типа;
  • самый высокий уровень безопасности;
  • отсутствие необходимости постоянного пополнения топки дровами или углем;
  • циркуляция теплоносителя по системе закрытого типа;
  • возможность одновременной работы двух котлов одновременно и каждого в отдельности.

В числе дополнительных затрат необходимо учесть покупку бака аккумулятора со змеевиком, двух расширительных баков и дополнительного циркуляционного насоса.

Так же важно  правильно рассчитать необходимый объем емкости.

Видео обзоры различных схем

 

В заключение, важный вывод

Из сказанного видно, что решение вопроса о том, как подключить газовый котел с твердотопливным, зависит от финансовых возможностей, общей отапливаемой площади и требуемого уровня безопасности. Если позволяют финансы и дом большой, то лучше всего использовать теплоаккумулятор, а в маленьком доме будет отлично работать и последовательная схема.

Однако, как показывает опыт, оптимальным вариантом является система с гидравлическим разделителем 93х ходовым клапаном). При настенном газовом котле требуется купить только 2 насоса – на твердотопливный котел и в целом на систему. А сам разделитель, по своей сути, является тепловым аккумулятором в миниатюре, только без змеевика. Единственный недостаток заключается в том, что твердотопливный котел работает в закрытой системе циркуляции, что снижает уровень безопасности в случае отключения электроэнергии.

Варианты котлов с работой на разном топливе

Изготовители котлов на твердом топливе предлагают потребителям комбинированные виды, которые способны работать на двух или даже трех видах топлива. Однако кроме высокой цены на универсальные источники тепла, нужно понимать, что в результате будет снижен уровень надежности всей системы отопления. Если такой универсальный котел выходит из строя, то вы не сможете обеспечить тепло в доме, пока не будет выполнен ремонт или наладка.

Существует несколько схем обвязки двух котлов для совместной работы. Самые распространенные это:

  • последовательная установка;
  • параллельное подключение двух источников тепла к системе отопления;
  • подача тепла от котлов через гидравлический разделитель;
  • использование аккумулятора тепла.

Каждый из способов имеет свои преимущества и недостатки. Одна схема обойдется дешевле, но потеряет в надежности. Другая стоит дороже, но выигрывает с обеспечении более стабильной работе и увеличении экономии топлива.

Последовательная установка

При такой схеме подключения на обратный трубопровод системы отопления устанавливается один циркуляционный насос, даже если он присутствует в конструкции газового котла. Его производительность должна обеспечить достаточную циркуляцию для котла большей мощности. У каждого котла монтируется транзитная перемычка для возможности аварийного отключения агрегата без остановки отопления в доме.

Теплоноситель из обратки сначала поступает в менее мощный источник тепла, а после этого в следующий. Система отопления закрытого типа с одним общим расширительным баком. Обвязка потребует минимальных финансовых затрат, однако может использоваться только в небольших жилых домах с отапливаемой площадью не более 120 м2.

 

Пиролиз: устойчивый способ получения энергии из отходов

1. Введение

Лигноцеллюлозная биомасса рассматривается как многообещающий экологически чистый ресурс-заменитель углеродного топлива и химикатов. Существующие мировые поставки энергии зависят от невозобновляемых видов топлива, таких как нефть, газ и уголь, которые образуются естественным образом под земной корой. Однако сейчас количество ископаемого топлива ограничено. Из-за роста населения мира увеличивается потребление энергии на душу населения.Таким образом, очевидна неизбежность продолжения альтернативы генерации возможных источников энергии. Исследователи уделяют большое внимание использованию биомассы для производства продуктов с добавленной стоимостью. Кроме того, неорганическая составляющая биомассы незначительна и содержит незначительное количество азота, серы и золы. Следовательно, сжигание биотоплива является выгодным, поскольку оно производит менее токсичный газ, такой как оксиды азота (NO x ), диоксид серы (SO 2 ) и дым по сравнению с другими традиционными видами топлива.Даже выбросы углекислого газа (CO 2 ) можно контролировать, повторно используя его путем фотосинтеза [1]. Хотя многие теоретические методы были применены для преобразования в краткосрочной перспективе; то, что требуется, — это практическая фаза применения и демонстрация с соответствующим расчетом материального и энергетического баланса. Налажено промышленное термохимическое производство жидкостей, бионефти с помощью быстрого или мгновенного пиролиза, но до сих пор не реализовано для коммерциализации общей практики.

Для преобразования биомассы в продукты с добавленной стоимостью были приняты различные типы термохимических и даже биологических процессов. Среди этих процессов пиролиз более удобен, поскольку он имеет несколько преимуществ хранения, транспортировки и гибкости в обращении, таких как турбины, приборы для сжигания, котлы, двигатели и т. Д. В некоторых случаях твердую биомассу и отходы сложно переработать для исследований пиролиза . До сих пор он находится на предварительной стадии с точки зрения расширения и все же требует устранения многочисленных практических препятствий для борьбы с традиционными процедурами, ориентированными на ископаемое топливо [2, 3].Получение жидкого биотоплива, включая другие продукты, такие как твердый уголь и газ, путем пиролиза различных остатков лигноцеллюлозы, было всесторонне исследовано ранее. Некоторые из этих видов биомассы — это древесина бука [4], жома [5], древесная биомасса [6, 7], солома [8], жмыхи [9] и твердые бытовые отходы (ТБО) [10, 11]. На рисунке 1 показаны различные типы существующих процессов преобразования биомассы с соответствующими выходными данными.

Рис. 1.

Процесс преобразования биомассы для получения продуктов с добавленной стоимостью.

Пиролиз определяется как термическое разложение производных лигноцеллюлозы в инертных условиях в среде с дефицитом кислорода. Это слово происходит от двух греческих слов: «пиро», что означает огонь, и «лизис», что означает распад на составные части. Технология пиролиза очень старая, и раньше она была впервые использована для приготовления древесного угля на Ближнем Востоке и в Южной Европе до 5500 лет назад [12]. Египтяне использовали эту технику для производства смолы для запечатывания лодок [13].Впоследствии, практика процессов пиролиза расширилась и широко применяется для производства древесного угля и кокса. Сжигание древесного угля может производить интенсивно высокую температуру плавления олова с медью с получением бронзы. Следовательно, пиролиз получает дальнейшее рассмотрение как эффективный метод преобразования биомассы в бионефть на протяжении современных эпох [14]. Конечная цель пиролиза — получение ценных энергетических продуктов для борьбы с невозобновляемым ископаемым топливом и постепенного вытеснения его.Тем не менее, распространение прогрессивных ноу-хау является следующей задачей для исследователей в достижении поставленных целей. Требуется преобразовать биомассу в биотопливо для непрерывного использования в транспортных средствах, поездах, кораблях и самолетах, чтобы заменить дизельное топливо и бензин [15, 16]. Дополнительное усовершенствование технологии пиролиза позволяет производить твердое топливо, такое как полукокс или углеродсодержащие материалы, синтез-газ и т. Д. Обычно установка системы пиролиза содержит оборудование для предварительной обработки остатков лигноцеллюлозы, реактор пиролиза и последующую установку для последующей обработки.В основном его можно классифицировать как агрегаты, производящие только тепло и биоуголь (с использованием медленного пиролиза), или агрегаты, производящие биоуголь и биомасла (с использованием быстрого пиролиза). На рис. 2 представлена ​​простая компоновка пиролизной установки с ее основными продуктами.

Рисунок 2.

Упрощенная блок-схема типовой установки пиролиза. (а) Производство биоугля и бионефти. (б) Биочар и производство тепла.

В последние годы было проведено большое количество исследований термохимического преобразования биомассы в биотопливо (бионефть, биочар и биогаз) с использованием технологии пиролиза.По сравнению с другими технологиями термохимической конверсии процесс пиролиза имеет множество преимуществ, основанных на оптимизации параметров процесса. Однако эта технология все еще нуждается в обновлении с точки зрения ее коммерческих приложений. В этой главе особое внимание уделялось обсуждению текущего состояния технологии пиролиза и ее перспектив для коммерческого применения для производства биотоплива, синтетического газа и биоугля. Представлены такие аспекты технологии пиролиза, как типы пиролиза, принципы пиролиза, состав и характеристики биомассы, конструкция реактора пиролиза, продукты пиролиза и их физико-химические свойства, а также экономика производства биотоплива.Мы указали на некоторые неотъемлемые свойства биомасла, которые вызывают осложнения при конечном использовании продуктов. Наконец, мы кратко рассмотрим некоторые процессы, включая процесс каталитического пиролиза, которые направлены на повышение ценности бионефти путем преобразования в более ценные жидкие топливные продукты.

2. Основные принципы пиролиза

Процесс термического разложения при пиролизе с использованием лигноцеллюлозной биомассы происходит в отсутствие кислорода в инертной атмосфере. В качестве инертной атмосферы обычно требуется поток газообразного аргона или азота.Основная химическая реакция очень сложна и состоит из нескольких этапов. Конечные продукты пиролиза биомассы состоят из биоугля, био-масла и газов. В процессе пиролиза в основном выделяются метан, водород, оксид углерода и диоксид углерода. Органические материалы, присутствующие в субстрате биомассы, начинают разлагаться при температуре около 350–550 ° C и могут продолжаться до 700–800 ° C без присутствия воздуха / кислорода [17, 18]. Биомасса в основном состоит из длинной полимерной цепи целлюлозы, лигнина, гемицеллюлозы, пектина и других.Более крупные молекулы органических материалов начинают разлагаться с образованием более мелких молекул, которые выделяются из технологического потока в виде газов, конденсируемых паров (смол и масел) и твердого угля во время процесса пиролиза. Доля каждого конечного продукта зависит от температуры, времени, скорости нагрева и давления, типов прекурсоров, конструкции и конфигурации реактора. На рисунке 3 показан процесс разложения основных остатков лигноцеллюлозы при различных температурах. Влажность биомассы также играет жизненно важную роль в процессах пиролиза.Влажность сырья во время процесса быстрого пиролиза должна составлять около 10% [18]. Из-за высокого содержания влаги основные продукты становятся жидкими, а при низком уровне воды высок риск того, что в результате процесса будет образовываться огромное количество пыли вместо масла. Таким образом, ил, полученный из потока отходов и отходов мясопереработки, требует сушки, прежде чем подвергать их окончательному воздействию среды пиролиза. Менее 450 ° C при низкой скорости нагрева, основной выход — биоуголь. Однако при более высокой температуре, превышающей 800 ° C, при высокой скорости нагрева образуется большая часть золы и газообразных продуктов.Бионефть можно производить при промежуточной температуре с использованием относительно высоких скоростей нагрева. В начале процесса около температуры 250–300 ° C летучие вещества высвобождаются почти в 10 раз быстрее, чем на последующем этапе [20].

Рисунок 3.

Поведение при разложении компонентов биомассы при различных температурах [19].

Древесная биомасса изначально использовалась для производства древесного угля. Уголь на основе древесины при нагревании выделяет незначительное количество дыма.Ранее он широко использовался для плавки руды с целью извлечения железа. Однако у этого процесса были недостатки, заключающиеся в меньшем проценте урожая, меньшем количестве энергии и чрезмерном загрязнении воздуха. После этого была разработана современная технология извлечения максимально возможной энергии из биомассы с использованием сжигания (экзотермического), газификации (экзотермического) и пиролиза (эндотермического) [21]. Сжигание связано со сжиганием биомассы в присутствии кислорода для получения тепла. Компетентность этой практики не вызывает нареканий [22, 23]. Газификация также происходит в насыщенной кислородом атмосфере, что дает газообразное топливо.Тем не менее, пиролиз является ведущей фазой как для процессов газификации, так и для сжигания [24, 25]. Следовательно, пиролиз можно рассматривать как часть газификации и сжигания [26]. Выход продуктов разложения биомассы при пиролизе представлен на Рисунке 4 [27].

Рисунок 4.

Продукты разложения пиролиза биомассы [27].

В таблице 1 приведен список основных реакций пиролиза при различных температурах.

Температура Тип реакции Конечные продукты
Менее 350 ° C Потеря влаги, деполимеризация, образование свободных радикалов Производство карбонильных и карбоксильных групп, CO и CO 2 Газовыделение, образование биоугля
Между 350 ° C и 450 ° C Замена для разрыва гликозидной цепи полисахарида Производство смолы, содержащей левоглюкозан, ангидриды и олигосахариды
Выше 450 ° C Дегидратация, перегруппировка и деление сахарных единиц Производство ацетальдегида, глиоксалина и акролеина
Выше 500 ° C Смесь всех вышеперечисленных процессов Смесь всех вышеуказанных продуктов
Конденсация Конденсация ненасыщенных продуктов и прилепиться к углю A высоко r остаток активного угля, содержащий захваченные свободные радикалы

Таблица 1.

Реакции пиролиза при разной температуре [28].

3. Сырье для лигноцеллюлозной биомассы

3.1. Тип и состав сырья биомассы

Структура биомассы сложна и обычно состоит из трех основных природных биомакромолекул: целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Кроме того, он также содержит экстрактивные вещества и некоторые минералы. Доля и эти основные составляющие варьируются от биомассы к биомассе [11, 29, 30]. Во время пиролиза целлюлоза и гемицеллюлоза выделяют конденсируемые пары или жидкости и газ.Лигнин разлагается с образованием жидкого, газообразного и твердого полукокса. Экстракты также производят жидкость и газ из-за простого улетучивания или разложения. Зольная фракция внутри обугленной матрицы содержит минералы. Такое распределение компонентов по продуктам схематично показано на рисунке 5.

Рисунок 5.

Распределение продуктов во время пиролиза [29].

Пары, образующиеся при первоначальном разложении биомассы, подвергаются вторичным реакциям с образованием сажи, которая также изменяется из-за медленного и быстрого процесса пиролиза.Щелочные металлы действуют как катализатор, увеличивая выход полукокса. Присутствие минералов влияет на воспламеняющие свойства матрицы биоугля [11]. Было замечено, что био-масло в основном получают из целлюлозного субстрата при температуре около 500 ° C [31], тогда как биоуголь можно экстрагировать из лигнина. Таким образом, субстрат биомассы, который содержит большую долю производных лигнина, может давать больший выход биомасла. В таблице 2 приведен список выбранной биомассы, содержащей различное количество целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнинового субстрата [11, 32–37].

Сырье Лигнин (%) Целлюлоза (%) Гемицеллюлоза (%)
Древесина 25–30 35–50 20–30
Пшеничная солома 15–20 33–40 20–25
Переменная трава 5–20 30–50 10–40
Жмых сахарного тростника 23–32 19–24 32–48
Мискантус 17 24 44
Кукурузная солома 16–21 28 35
Скорлупа фундука 42.9 28,8 30,4
Оливковая шелуха 48,4 24 23,6
Початок кукурузы 15 50,5 31
Отходы чая 40 30,20 19,9
Скорлупа грецкого ореха 52,3 25,6 22,7
Скорлупа миндаля 20,4 50,7 28,9
Скорлупа подсолнечника 17 48.4 34,6
Скорлупа ореха 30–40 25–30 25–30
Бумага 0–15 85–99 0
Рисовая солома 18 32,1 24
Хранимые отходы 20 60 20
Листья 0 15–20 80–85
Волосы семян хлопка 0 80–95 5–20
Солома ячменя 14–15 31–34 24–29
Солома овсяная 16–19 31–37 24–29
Бамбук 21–31 26–43 15–26
Ржаная солома 16–19 33–35 27–30
Прибрежные Бермудские острова трава 6.4 25 35,7
Джутовое волокно 21–26 45–53 18–21
Отходы бананов 14 13,2 14,8

Таблица 2

Химический компонент выбранной биомассы.

3.2. Физиохимические свойства биомассы

Исходя из параметров процесса и конструкции реактора, наличие влаги может существенно повлиять на выход продуктов [11].Процесс производства древесного угля состоит из двух этапов: сушки и пиролиза. Во время начальной фазы сушки объединенная вода в порах, представленная свободной водой, удаляется при температуре около 110 ° C. Чем больше воды присутствует, тем больше энергии требуется для испарения. После этого между температурами 150 и 200 ° C количество воды, содержащейся в целлюлозной цепочке древесины, уменьшится. На ранней стадии карбонизации вода испаряется в виде белого дыма из угольной печи. Процесс быстрого пиролиза эффективен для сушки сырья, так что скорость повышения температуры не ограничивается испарением воды [38].Обычно в древесине содержится 15–20% влаги [11]. При производстве активированного угля влага также может существенно повлиять на свойства конечного образца угля [39]. Размер частиц матрицы биомассы будет иметь большее влияние на выход полукокса и жидкости. Большая часть полукокса образуется при больших размерах частиц. Более крупные частицы ограничивают скорость распада, что приводит к увеличению объема вторичной реакции обугливания [11]. Таким образом, частицы большего размера хороши для получения большего выхода углерода, тогда как частицы меньшего размера необходимы для максимизации жидких фракций во время процесса быстрого пиролиза.Более высокая доля лигнина и связанного углерода также может способствовать лучшему выходу субстрата из биоугля, если пиролиз проводится при средней температуре 500 ° C, тогда как более высокий процент летучих материалов может дать более высокий выход биомасла и синтез-газа (Таблица 3) [28 ]. Следовательно, такие прекурсоры, как скорлупа лесного ореха, косточка оливы, скорлупа грецкого ореха, лучше подходят для производства биочара хорошего качества из-за содержания в них лигнина (Таблица 2). Биомасса, такая как солома зерновых, травы, энергетические культуры, такие как древесная биомасса, погибающая из-за низкого содержания минералов и азота, подходит для производства бионефти и синтез-газа (Таблица 4) [40].

Сырье Плотность (кг / м 3 ) Содержание влаги (%) Содержание золы (%) Летучие вещества (%) Связанный углерод (%) )
Древесина 1186 20 0,4–1 82 17
Битуминозный уголь 11 8–11 35 45
Гибридный полярный 150 45 0.5–2
Просо 108 13–15 4,5–5,8
Мискантус 70–100 11,5 1,5– 4,5 66,8 15,9
Багаж из сахарного тростника 1198 3,2–5,5
Солома ячменя 210 30 6 46 18
Пшеничная солома 1233 16 4 59 21
Датская сосна 8 1.6 71,6 19
Рисовая солома 200 6 4,3 79 10,7
Дрова 7,74 1,98 80,86 17,16
Grateloupia filicina 4,93 22,37 55,93 17,01
Береза ​​ 125 18,9 0,004 20
Сосна

1700124 0.03 16
Полярный 120 16,8 0,007

Таблица 3.

Физические свойства выбранного сырья биомассы [41–44].

ed54 банка трава

Сырье Углерод (%) Водород (%) Кислород (%) Азот (%) Зола (%)
Древесина 51.6 6,3 41,5 0,1 1
Cypress 55 6,5 38,1 0,4
Оливковый багаж 66,9 9,2 21,9 2
Солома пшеницы 48,5 5,5 3,9 0,3 4
Солома ячменя 45,7 6.1 38,3 0,4 6
Шотландцы 56,4 6,3 0,1 0,09
Береза ​​ 44 6,9 49 0,1 0,004
Сосна 45,7 7 47 0,1 0,03
Полярный 48,1 5,30 46,10 0.14 0,007
Ива 47,78 5,90 46,10 0,31 1,30
Просо 44,77 5,79 49,13 0,31 4,3058 45,36 5,81 48,49 0,34 5,10
Dactylis lomarata 42,96 5,70 49.44 1,90 7,50
Festuca arundinacea 42,22 5,64 50,65 1,50 7,30
Lolium perenne 43,12 5,80 6,80 49,8

Таблица 4.

Химические характеристики некоторых выбранных материалов биомассы [35, 41, 44].

В зависимости от состава, физико-химических свойств, а также механизма трансформации остатки лигноцеллюлозы могут давать различные продукты с добавленной стоимостью, как показано на Рисунке 6.

Рис. 6.

Преобразование биомассы в продукты с добавленной стоимостью.

3.3. Управление температурным профилем и теплотой нагрева биомассы

Для оптимизации выхода продукта наиболее важным фактором является контроль температурного профиля, поскольку он может частично влиять на давление, скорость нагрева, пиковую температуру и время контакта между твердой и газообразной фазами. Для сведения к минимуму степени вторичных реакций при быстром пиролизе требуется высокая скорость нагрева и охлаждения.Это снизит выход жидкости, но качество продукта снизится. Даже это даст более сложную смесь с более высокой вязкостью [38]. С другой стороны, медленный процесс пиролиза использует медленные скорости нагрева, которые приводят к более высокому выходу полукокса, но это не согласуется [11]. Более высокая температура может обеспечить высвобождение более летучих фракций для увеличения содержания углерода в полукоксе. Однако более длительное время пребывания при более высокой температуре значительно снизит выход продукта. Влияние температуры на жидкую и газообразную фракции гораздо сложнее.Когда температура пиролиза достигает 400–550 ° C, выход жидкости выше. Выше этой температуры происходят вторичные реакции за счет разложения конденсируемого пара, что в конечном итоге дает меньшие жидкие фракции. Для быстрого пиролиза максимальная жидкость получается около 500 ° C [18]. Сообщалось также, что выход жидкости составлял 28–41% при температурах от 377 до 577 ° C, в зависимости от сырья в процессе медленного пиролиза [13]. Около 42–45% жидких фракций было получено при температуре 385–400 ° C с использованием различных кормов из соломы [45].

3.4. Влияние скорости потока газа

Скорость потока газа в процессе пиролиза влияет на степень вторичного обугливания. Более низкая скорость потока благоприятна для образования полукокса во время процесса медленного пиролиза, тогда как более высокие потоки газа обеспечивают во время процесса быстрого пиролиза для эффективного удаления паров, как только они образуются. Более высокое давление усиливает активность паров внутри реактора и на поверхности частиц угля, что увеличивает вторичное образование угля.И наоборот, пиролиз в вакууме дает мало полукокса и дает больше жидких фракций. При пиролизе под давлением влага в паровой фазе может систематически увеличивать образование углерода. Потому что в этом случае вода действует как катализатор, уменьшая энергию активации реакций пиролиза [46]. Скорость потока газа существенно влияет на термодинамику процесса. При более высоком давлении реакция более экзотермична при более низких расходах газа. Более высокие выходы полукокса могут быть обеспечены, когда процесс пиролиза является экзотермическим, и такие условия будут способствовать общему энергетическому балансу процессов, в которых углерод или полукокс являются основным продуктом.Таким образом, можно сделать вывод, что любой фактор условий пиролиза, который увеличивает контакт между первичными парами и поверхностью горячего полукокса, включая высокое давление, меньшую скорость потока газа, больший размер частиц или медленный нагрев, как ожидается, будет способствовать образованию полукокса с более низким содержанием жидкости. Уступать.

4. Существующий процесс пиролиза

4.1. Быстрый пиролиз

4.1.1. Пиролиз чердака

Пиролиз, особенно пиролиз угля, — это вековая деятельность, но пиролиз биомассы — это совершенно новое явление.Процесс направлен на производство биотоплива. В чердачном процессе твердые отходы (биомасса) могут смешиваться с горячим углем и горячим рециркулирующим газом в специально разработанной камере. Затем следует пиролиз при высокой температуре, обычно выше 800 ° C, и времени выдержки около 10 с. После пиролиза полукокс удаляют, а жидкую часть собирают. Образовавшаяся смола затем отделяется и дополнительно обрабатывается для получения технологического тепла, а также подачи полукокса для дальнейшего пиролиза.Как правило, ожидается, что процесс приведет к получению не менее 40% жидкости, но было обнаружено, что при температуре и времени карбонизации выделяется больше газа, что делает процесс неэкономичным [47]. Весь процесс можно кратко разделить на три основных этапа: формирование турбулентного газового потока путем смешивания газа-носителя, твердой биомассы и горячего полукокса с использованием специально разработанной зоны смешивания, пропускания газообразного пара в камеру пиролиза и прохождения пиролиза. при температуре около 800 ° C в течение около 10 с и, наконец, удаление потока пиролизованного газа из камеры пиролиза [47].

4.1.2. Технологический институт Джорджии. Процесс с увлеченным слоем

В этом процессе основное сырье (биомасса) измельчается и просеивается на частицы размером около 1 мм. Затем предшественник сушат до содержания влаги примерно 10% и подают в реактор, где он подвергается пиролизу с использованием предварительно нагретого инертного газа. При температуре пиролиза около 500 ° C ожидается максимальный выход около 50% жидкости и 30% газа. Время выдержки карбонизации обычно рассчитывается на основе высоты реактора и расхода газа, но обычно составляет несколько секунд [48].Одной из основных проблем этого метода является низкое количество тепла, выделяемого захватывающим газом, что обычно приводит к низкому выходу жидкости, поскольку биомасса требует большого количества тепла для высокого выхода жидкости. Другая проблема заключается в том, что свежие твердые отходы оказывают каталитическое воздействие на крекинг бионефти, приводя к образованию большего количества полукокса и газа [49].

4.2. Процессы пиролиза в псевдоожиженном слое

Процесс пиролиза в псевдоожиженном слое обладает превосходными массообменными характеристиками, поскольку он предлагает эффективные и высокоэффективные средства быстрого нагрева мелко измельченной биомассы для достижения температуры пиролиза до желаемого уровня.Это хорошо зарекомендовавший себя метод пиролиза, который можно использовать в крупномасштабном процессе пиролиза, поскольку он способен обрабатывать сотни тонн биомассы в день. Преимущества этого метода по сравнению с обычным методом пиролиза включают улучшенные характеристики системы, а также более низкую вязкость в сочетании с более высоким содержанием энергии в производимой биомасле.

4.2.1. Процесс мгновенного пиролиза в Ватерлоо (WFPP)

Процесс мгновенного пиролиза в Ватерлоо включает производство органических жидкостей из материалов биомассы с использованием постоянного атмосферного давления в отсутствие кислорода.Как правило, это тщательно контролируемый процесс, обеспечивающий высокий выход жидкости. Этот процесс был широко продемонстрирован с использованием твердых отходов древесины твердых пород для получения жидких органических веществ с выходом до 70% исходного материала [50]. Это процесс, в котором реактор пиролиза работает по очень уникальному принципу, при котором не допускается накопление полукокса в слое, в то время как обработка песка может не потребоваться. Одним из больших преимуществ процесса является то, что получаемый жидкий продукт обычно кислый и легко разливается с относительной стабильностью [51].

4.2.2. RTI-процесс

Чтобы удовлетворить определенные критерии, которые не были удовлетворены другими методами быстрого пиролиза, был разработан RTI-процесс. Это включает использование глубокого псевдоожиженного слоя с использованием очень низких температур с умеренными скоростями нагрева и относительно длительным временем выдержки пиролиза. Удовлетворительные результаты были получены при пиролизе большей части биомассы с использованием этой технологии, которая эффективно приводит к высокому выходу жидкости в диапазоне температур от 400 до 450 ° C с временем выдержки летучих около 0.8 с [52]. В качестве теплоносителя слоя обычно используется мелкий песок. Это обеспечивает очень низкий расход газа, что в сочетании с косвенным нагревом приводит к очень эффективному тепловому КПД. Это очень большое преимущество с экономической точки зрения, если учесть капитальные и эксплуатационные затраты [52].

4.2.3. Динамотивный процесс

Эта технология, внедренная в 1991 году, направлена ​​на производство продуктов с добавленной стоимостью из бионефти, особенно для производства биолима. Рабочая теплота пиролизера обычно исходит от газа или полукокса, то есть побочных продуктов пиролиза, тогда как псевдоожижающий газ выделяется из пиролизного газа [53].Полученный жидкий продукт затем используется в производстве таких материалов, как биолим, гашеная известь, и для контроля SO x и NO x во время сжигания угля [53].

4.2.4. Ensyn process

Этот процесс включает использование древесины и других лигноцеллюлозных материалов для производства сбраживаемого сахара. Процесс включает в себя следующие важные этапы: обработка материала биомассы разбавленной кислотой (обычно для растворения гемицеллюлозы используется разбавленная серная кислота, в то время как содержание целлюлозы не изменяется), отделение твердого остатка, содержащего целлюлозу, пиролиз отделенного твердого остатка при контролируемая температура (400–600 ° C), атмосферное давление с коротким временем выдержки пара в реакторе с псевдоожиженным слоем, образование водной фазы путем контролируемого регулирования содержания сырого продукта и, наконец, разделение водной фазы [53].

5. Типы пиролиза

В целом процесс пиролиза можно разделить на медленный и быстрый в зависимости от скорости нагрева. В процессе медленного пиролиза время нагревания субстрата биомассы до температуры пиролиза больше, чем время удерживания субстрата при характерной температуре реакции пиролиза. Однако при быстром пиролизе начальное время нагрева предшественников меньше, чем конечное время удерживания при пиковой температуре пиролиза. В зависимости от среды пиролиз может быть еще двух типов, а именно водного пиролиза и гидропиролиза.Медленный и быстрый пиролиз обычно проводят в инертной атмосфере, тогда как водный пиролиз проводится в присутствии воды, а гидропиролиз — в присутствии водорода. Время пребывания пара в среде пиролиза больше для медленного процесса пиролиза. Этот процесс в основном используется для производства угля. Его можно дополнительно классифицировать как карбонизацию и обычную. Напротив, время пребывания пара составляет всего секунды или миллисекунды. Этот тип пиролиза, используемый в основном для производства бионефти и газа, бывает двух основных типов: (1) мгновенный и (2) сверхбыстрый.В таблице 5 приведены некоторые основные характеристики различных типов процесса пиролиза.

5.1. Быстрый пиролиз

В процессе быстрого пиролиза остатки биомассы нагреваются в отсутствие кислорода при высокой температуре с более высокой скоростью нагрева. Исходя из исходного веса биомассы, быстрый пиролиз может обеспечить 60–75% жидкого биотоплива с 15–25% остатков биоугля [54]. Он также может давать 10–20% газовой фазы в зависимости от используемой биомассы [54]. Процесс характеризуется малым временем удержания паров.Однако быстрое охлаждение паров и аэрозолей может обеспечить более высокий выход биомасла [54]. Он может обеспечить жидкое биотопливо для турбин, котлов, двигателей, источников питания для промышленного применения. Технология быстрого пиролиза получает маловероятное признание для производства жидкого топлива из-за определенных технических преимуществ [55–57]:

  1. Она может обеспечить предварительную дезинтеграцию простых частей олигомера и лигнина из лигноцеллюлозной биомассы с последовательным обогащением.

  2. Масштабирование этого процесса экономически целесообразно.

  3. Он может утилизировать сырье биомасла второго поколения, такое как лесные остатки, городские и промышленные отходы.

  4. Обеспечивает удобство хранения и транспортировки жидкого топлива.

  5. Обеспечивает вторичное преобразование моторного топлива, добавок или специальных химикатов.

5.2. Мгновенный пиролиз

Мгновенный пиролиз биомассы может давать твердые, жидкие и газообразные продукты. Производство бионефти может достигать 75% с помощью мгновенного пиролиза [58].Эта процедура осуществляется путем быстрого удаления летучих веществ в инертной атмосфере с использованием более высокой скорости нагрева и высоких температур пиролиза около 450 и 1000 ° C. В этом процессе время пребывания газа (менее 1 с) слишком мало [59]. Тем не менее, этот процесс имеет плохую термическую стабильность. Из-за каталитического действия полукокса масло становится вязким, а иногда и содержит твердые остатки [60].

5.3. Медленный пиролиз

Медленный пиролиз позволяет получать древесный уголь хорошего качества при низкой температуре и низкой скорости нагрева.Время пребывания паров в этом процессе может составлять около 5–30 минут. Летучие органические фракции, присутствующие в паровой фазе, продолжают реагировать друг с другом с образованием полукокса и некоторых жидких фракций [61]. Качество продукции бионефти в этом процессе очень низкое. Более длительное время пребывания инициирует дальнейший крекинг, что снижает выход бионефти. Процесс страдает низкими значениями теплопередачи с более длительным временем удерживания, что приводит к увеличению затрат за счет более высоких затрат энергии [62, 63]. Стехиометрическое уравнение для производства древесного угля показано в [11].

C6h20O5 → 3.74C + 2.65h3O + 1.17CO2 + 1.08Ch5E1

В таблице 6 ниже приведены теоретические равновесные выходы целлюлозы при различных температурах с использованием медленного пиролиза [11].

Типы пиролиза Время удерживания Скорость нагрева Конечная температура (° C) Продукты
Быстрый <2 с Очень высокий 500 Bio-oil
Flash <1 с High <650 Bio-oil, химикаты и газ
Ultra-quick <0.5 с Очень высокая 1000 Химическая промышленность и газ
Вакуум 2–30 с Среда 400 Бионефть
Гидропиролиз <10 с Высокая <500 Биомасло
Карбонизация дней Очень низкая 400 Древесный уголь
Обычный 5–30 мин Низкий 600 Обугленный, био ‐Нефть и газ

Таблица 5.

Различные виды процессов пиролиза.

% продуктов Температура (° C)
200 300 400 500 600
C 32 28 27 27 25,2
H 2 O 36,5 32,5 27 27 22.5
CH 4 8,5 10 10 10 9
CO 2 23,9 28 35 35 36
CO 0 0 1,2 1,2 4,5

Таблица 6.

Равновесная концентрация газообразных продуктов при различных температурах.

6.Каталитический пиролиз

Смесь углеводородов производилась ранее из метанола над цеолитами, такими как ZSM-5 [64]. В другом патенте предлагалось пропускать пары из пиролизера над слоем цеолита ZSM-5 для получения углеводородов с короткой цепью [65]. Сообщалось, что катализатор ZSM-5 может преобразовывать биомасла, произведенные в пиролизере, в алкилированный бензол [66]. Недостатком использования ZSM ‐ 5 в качестве катализатора было образование кокса [66]. Исследователи пришли к выводу, что низкое соотношение H / C в бионефти вызывает быструю дезактивацию катализатора, в результате чего образуется значительное количество кокса в виде отходов [66].Однако эти недостатки можно преодолеть, используя технологию циркулирующего псевдоожиженного слоя, при которой псевдоожиженный слой может быть приготовлен с использованием различных типов катализатора вместо песка [53]. Уровень мелкомасштабной пилотной установки (от 0,1 до 0,35 кг / ч) также был разработан RTI international [53]. Этот завод может успешно проводить пиролиз местной биомассы сосны для производства бионефти. Этот завод также пытается проводить каталитический пиролиз древесной стружки, при котором из 1 тонны остатков биомассы можно получить 60 галлонов пиролитического масла в день [53].Недавно были предприняты другие попытки получить ароматические соединения, особенно бензол, ксилол и толуол, из субстрата биомассы [53]. Недавно компания KiOR Inc. в Техасе, США [53], заявила о прогрессе в случае расширения масштабов использования этого вида технологий [53].

Недавно была предпринята попытка разработать катализатор из возобновляемых источников. Зола, образующаяся из газифицированной биомассы, содержит 70–87% кремнезема в аморфной форме, который был использован исследователями для производства катализаторов ZSM-5 и ZSM-48 для повышения качества биомассы [67].Биочаг, полученный из ряски, продемонстрировал превосходную каталитическую активность в отношении риформинга CH 4 -CO 2 при температуре около 800 ° C [68]. Катализаторы можно смешивать с лигноцеллюлозным субстратом до начала процесса пиролиза или отдельно с газообразными реагентами для получения желаемых продуктов. Выявлено, что разделение катализатора и биомассы более оперативно для превращения необходимых продуктов [69]. В этом исследовании в качестве катализатора использовался хромит (FeCr 2 O 4 ), и оно продемонстрировало благоприятные результаты с точки зрения ограничения производства воды.В таблице 7 представлена ​​сводная информация о катализаторах на основе цеолита, которые до сих пор использовались для облагораживания лигноцеллюлозных остатков.

Катализатор Темп. (° C) Исходное сырье Каталитическое действие Ссылки.
HZSM ‐ 5 с различным соотношением Si / Al 2 O 3 500–764 Крафт-лигнин Уменьшение отношения SiO 2 / Al 2 O 3 от От 200/1 до 25/1 и увеличение соотношения катализатор: лигнин с 1: 1 до 20: 1 уменьшало содержание оксигенатов и увеличивало ароматические углеводороды.Выход ароматических углеводородов увеличивался с 500 до 650 ° C, а затем снижался при более высоких температурах. В оптимальных условиях реакции выход ароматических веществ составлял 2,0% (EHI 0,08) и 5,2% (EHI 0,35). [70]
HZSM ‐ 5, Na / ZSM5, HBeta и H ‐ USY 650 Щелочной лигнин H ‐ USY имел самый большой размер пор и самое низкое соотношение Si / Al (7) и имеет лучший выход жидкости 75% и выход ароматических веществ 40%. [71]
ZSM ‐ 5, Al / MCM ‐ 41, Al ‐ MSU ‐ F, ZnO, ZrO 2 , CeO 2 , Cu 2 Cr 2 O 5 , Критерий-534, стабилизированный оксидом алюминия оксид церия MI-575, сланец, полукокс и зола, полученные из полукокса и биомассы 500 Корневище маниоки ZSM-5, Al / MCM-41, тип Al-MSU-F, критерий‐ 534, стабилизированный оксидом алюминия церий-MI-575, Cu 2 Cr 2 O 5 и зола, полученная из биомассы, были селективными в отношении восстановления большинства кислородсодержащих производных лигнина.Катализаторы ZSM-5, Criterion-534 и Al-MSU-F усиливали образование ароматических углеводородов и фенолов. Не было обнаружено единого катализатора для восстановления всех карбонильных продуктов, но ZSM-5, Criterion-534 и MI-575 могли восстанавливать большинство карбонильных продуктов, содержащих гидроксильные группы. ZSM ‐ 5, Criterion ‐ 534, Al / MCM ‐ 41, Al ‐ MSU ‐ F, хромит меди, полукокс и зола с повышенным содержанием уксусной, муравьиной и молочной кислот. MI-575 не увеличивал кислотность. [72]
Доломит 500–800 Отработанная шелуха оливок Доломит увеличивает крекинг и образование газа. [73]
HZSM ‐ 5, Al / MCM ‐ 41, Al ‐ MSU ‐ F и стабилизированный оксидом алюминия оксид церия MI ‐ 575, размер пор 5.5, 31, 15 и NA соответственно 500 Корневище маниоки HZSM-5 был наиболее эффективным катализатором для производства ароматических углеводородов, фенолов и уксусной кислоты и восстановления кислородсодержащих соединений, производных лигнина, и карбонилов, содержащих гидроксильные группы боковых цепей. Только MI-575 показал снижение выхода уксусной кислоты. MI-575 также показал наибольший прирост метанола, на втором месте оказался HZSM-5. [74]

Таблица 7.

Краткое описание катализаторов на основе цеолита, используемых для обогащения биомассы.

7. Каталитический гидропиролиз

Каталитический гидропиролиз — это разновидность каталитического пиролиза, при котором пиролиз осуществляется с использованием реактора с псевдоожиженным слоем в потоке водорода. В этом процессе псевдоожиженный слой заменяется катализатором из переходного металла. Сообщалось, что замена инертного песка катализатором на основе никеля при атмосферном давлении может преобразовать бионефть в углеводороды с низким молекулярным весом за короткое время контакта [75]. Недавно Институт газовых технологий , Иллинойс, США, сообщил о новом процессе, в котором весь процесс осуществляется под давлением 7–34 бар [76]. Из-за высокого давления выделяются газы C1 – C3, которые после риформинга выделяют большое количество водорода. Однако система также очень сложна, поскольку представляет собой комбинацию гидропиролиза и риформинга. Необходимо решить некоторые технические проблемы, такие как подача твердых частиц биомассы в пиролизер под давлением под водородом. В целом налаживание этого процесса также требует больших затрат.

8. Типы реакторов

Нельзя недооценивать важность соответствующего реактора в любом процессе, включающем пиролиз. Реакторы были спроектированы таким образом, чтобы удовлетворять конкретным условиям с учетом таких параметров, как температура нагрева, время пребывания парообразного продукта и требуемое давление, для получения высокого выхода биомасла. Учитывая вышеизложенное, исследователи разработали много типов реакторов для конкретных задач. К этим реакторам относятся следующие:

8.1. Реактор с неподвижным слоем

Это очень простая технология, которая дает приоритет производству бионефти, которые относительно однородны по размеру с низким содержанием мелких частиц [42]. Он состоит из двух основных компонентов: отсека охлаждения газа и системы очистки путем фильтрации через циклон, мокрые скрубберы и сухие фильтры. Во время реакции твердый образец проходит через вертикальный вал, где он встречает движущийся вверх противоточный газовый поток. Этот реактор может быть выполнена с использованием либо стали, или огнеупорных кирпичей и бетона, состоящего из блока подачи (топлива), блок для удаления золы и блок утечки газа [77].Реактор, который имеет приоритетное значение для применений, связанных с малым производством тепла и электроэнергии, обладает высокой способностью сохранять углерод и может работать в течение длительного времени в твердом состоянии, с низкой скоростью газа и, конечно, с низким уносом золы. Его ограничение связано с проблемой, обычно возникающей при удалении смол [78].

8.2. Реактор с псевдоожиженным слоем

Этот реактор состоит из смеси двух фаз, твердой и жидкой, и обычно осуществляется путем пропускания жидкости под давлением через твердый материал.Он очень популярен для быстрого пиролиза, так как имеет следующие преимущества [79]:

  1. Обеспечивает быструю передачу тепла.

  2. Обладает хорошим контролем реакции пиролиза и времени выдержки пара.

  3. Он имеет достаточно большую площадь поверхности для контакта между двумя фазами в смеси.

  4. Теплопередача в системе примерная, а

  5. Относительная скорость между фазами очень высока.

Существуют различные типы реакторов с псевдоожиженным слоем, которые включают барботажный псевдоожиженный, циркулирующий псевдоожиженный реактор, абляционный реактор, вихревой реактор, реактор с вращающимся диском, реактор вакуумного пиролиза, реактор с вращающимся конусом, реактор PyRos, шнековый реактор, плазменный реактор, микроволновая печь. реактор и солнечный реактор, каждый из которых разработан с разными операционными системами и для конкретных приложений.

8.2.1. Реактор с барботажным псевдоожиженным слоем

Конструкция и работа этого реактора очень просты и показаны на Рисунке 7 [80].Высокая плотность твердого вещества в слое обеспечивает лучший контроль температуры, плавный контакт между газом и твердым телом, хорошую теплопередачу и отличную накопительную способность. Биомасса нагревается в среде, лишенной кислорода, и разлагается на газ, пар, аэрозоли и уголь, и эти компоненты, наконец, собираются из реактора. В то время как древесный уголь собирается с помощью циклонного сепаратора и хранится, пар быстро охлаждается, конденсируется в высококачественное биомасло и хранится с выходом около 70% от веса биомассы (сухой вес) [80].

Рис. 7.

Реактор с барботажным псевдоожиженным слоем [80].

8.2.2. Реакторы с циркулирующим псевдоожиженным слоем

Характеристики этого реактора аналогичны характеристикам описанного выше реактора с псевдоожиженным слоем, за исключением того факта, что время пребывания паров и полукокса меньше. Это увеличивает скорость газа и содержание угля в биомасле. Однако он имеет большое преимущество в пропускной способности. Доступны одинарные и двойные типы этого реактора [81].Базовая схема этого реактора показана на рисунке 8 [80].

Рисунок 8.

Реактор с рециркуляционным псевдоожиженным слоем [80].

8.3. Абляционный реактор

В этом реакторе нагрев осуществляется через расплавленный слой на поверхности горячего реактора и в отсутствие псевдоожижающего газа. Плавление биомассы осуществляется путем механического прижатия биомассы к стенке нагретого реактора, и при перемещении расплавленного образца пары пиролиза испаряются в виде масла. Хотя этот реактор позволяет получать частицы биомассы большого размера (до 20 мм), материалы не требуют чрезмерного измельчения [82].Однако конфигурация реактора немного сложна из-за механического характера процесса. Реактор не получает выгоды от того же масштаба экономии, что и другие реакторы, из-за того, что масштабирование линейно зависит от теплопередачи, поскольку оно контролируется площадью поверхности. Обычно используются два типа этого реактора: абляционный вихрь и абляционный вращающийся диск [82].

8.4. Вакуумный реактор пиролиза

Это реактор медленного пиролиза с очень низкой скоростью теплопередачи.Это приводит к более низкому выходу бионефти, обычно в диапазоне 35–50 мас.% [83]. Конструкция очень сложна, и требования к капиталовложениям и техническому обслуживанию всегда высоки, что делает технологию неэкономичной. Биомасса подается в вакуумную камеру с высокой температурой с помощью конвейерной металлической ленты с периодическим перемешиванием биомассы механическим перемешиванием [83]. Теплоноситель обычно состоит из горелки, а биомасса плавится путем индукционного нагрева с использованием расплавленных солей.Он может обрабатывать биомассу с более крупными частицами, но требует специальных устройств для подачи твердых частиц, специальных разгрузочных устройств, чтобы всегда иметь эффективное уплотнение [83]. Базовая схема этого типа реактора показана на рисунке 9 [83].

Рисунок 9.

Вакуумный реактор [83].

8.5. Реактор с вращающимся конусом

В отличие от реактора с псевдоожиженным слоем, реактор с вращающимся конусом требует, чтобы смешивание биомассы и горячего песка производилось механически и не требовало использования инертного газа.Функциональные возможности показаны на Рисунке 10 [74]. Подача и горячий песок подаются снизу конуса, в то время как они транспортируются к кромке конуса во время прядения с использованием центробежной силы, и когда они достигают вершины, образующийся пар конденсируется конденсатором [74]. Обугленный и песок сжигаются, при этом песок снова нагревается и снова вводится для повторного смешивания со свежим сырьем на дне конуса. Хотя конструкция этого реактора может быть сложной, его высокий выход бионефти делает его желательным.

Рис. 10.

Реактор с вращающимся конусом [74].

8.6. Реактор PyRos

Целью этого реактора является производство биомасла, не содержащего никаких частиц. В нем используется циклонный реактор, интегрированный с фильтром горячего газа. Как сырье биомассы, так и инертное тепло подаются в циклон в виде частиц, в то время как рециркулируемые пары заставляют транспортировать твердые частицы во время процесса. Частицы движутся вниз в нижнюю часть циклона под действием центробежной силы, в течение которого одновременно происходит сушка, нагрев и удаление летучих веществ.Температура нагрева обычно составляет 450–550 ° C при времени выдержки 0,5–1 с. Реактор очень экономичен с точки зрения инвестиций и выхода бионефти [84].

8.7. Шнековый реактор

В этом реакторе используется шнек для перемещения исходной пробы через цилиндрическую трубу, которая нагревается и лишена кислорода. Во время этого процесса сырье подвергается пиролизу, улетучиванию и газификации при температуре от 400 до 800 ° C, что приводит к образованию полукокса и конденсации газов в бионефть [30].

8.8. Плазменный реактор

Этот реактор состоит из кварцевой трубки цилиндрической формы с двумя медными электродами. Подача сырья осуществляется посередине с помощью шнека с регулируемым винтом в верхней части трубы [85]. Газовые потоки в трубке питаются тепловой энергией, вырабатываемой электродами, подключенными к источнику электроэнергии. Инертный газ используется для удаления кислорода из отсека, а также для производства плазмы. Помимо высокого потребления энергии, он демонстрирует способность препятствовать образованию смол, что можно было наблюдать при медленном пиролизе [86].

8.9. СВЧ-реактор

Это одна из последних разработок в области пиролиза. Здесь передача энергии происходит в результате взаимодействия между молекулами и атомами с помощью микроволн. Весь процесс сушки и пиролиза происходит в камере микроволновой печи, подключенной к источнику электроэнергии. Газ-носитель инертен и также используется для создания бескислородной камеры. Реактор доказал свою высокую эффективность в регенерации химических веществ из биомассы [87]. Среди его преимуществ — эффективность теплопередачи, способность эффективно контролировать процесс нагрева, а также способность предотвращать образование нежелательных побочных продуктов.Его можно эффективно использовать в промышленных масштабах [87].

8.10. Солнечный реактор

В этой технологии предусмотрено хранение солнечной энергии в виде химической энергии. Он состоит из кварцевой трубки с непрозрачной внешней стенкой, обычно подвергающейся воздействию высокой концентрации солнечного излучения, способной генерировать высокие температуры (> 700 ° C) в реакторе [88, 89]. Загрязнение в этом реакторе снижено, поскольку сырье никогда не вмешивается в процесс нагрева, в отличие от медленного пиролиза, когда технологическое тепло генерируется частью сырья.Время запуска и выключения также очень быстрое.

В таблице 8 показаны преимущества и недостатки различных типов реакторов.

Тип реактора Преимущества Недостатки
Неподвижный слой Простота конструкции
Надежные результаты
Не зависит от размера биомассы
Сохранение высокого углерода
Длительное время пребывания в твердом состоянии
Низкий вынос золы более
Трудно удалить уголь
Пузырьковый псевдоожиженный слой Простая конструкция
Простые рабочие процедуры
Хороший контроль температуры
Подходит для крупномасштабного применения
Требуются частицы небольшого размера
Циркуляционный псевдоожиженный слой Скважина- Понятная технология
Лучше Температурный контроль
Можно обрабатывать частицы большего размера
Крупномасштабное производство затруднено
Сложная гидродинамика
Обугленный слишком мелкий
Вращающийся конус Центробежная сила перемещает горячий песок и субстрат биомассы
Н o требуется газ-носитель
Сложный производственный процесс
Требуются частицы меньшего размера
Сложно крупномасштабное применение
Вакуум Масло чистое
Может обрабатывать более крупные частицы размером 3–5 см
Газ-носитель не требуется
Более низкая температура требуется
Конденсация жидкого продукта легче
Медленный процесс
Время пребывания твердого вещества слишком велико Требуется крупномасштабное оборудование
Низкая скорость тепло- и массообмена Создает больше воды
Абляционный Инертный газ не требуется
Более крупные частицы могут
Система более интенсивная
Требуется умеренная температура
Реактор дорогостоящий
Более низкая скорость реакции
Шнек
компактный
Газ-носитель не требуется Более низкая температура процесса
Движущиеся части в горячей зоне
Теплопередача в более крупном масштабе не подходит
PyRos Компактность и низкая стоимость
Эффективная теплопередача
Короткое время пребывания газа
Сложная конструкция
Твердые частицы в масле
Щелочь, растворенная в масле
Требуется высокая температура
Плазма Высокая плотность энергии
Высокая теплопередача
Эффективная Управление процессом
Высокое потребление электроэнергии
Высокие эксплуатационные расходы
Требуются мелкие частицы
Микроволновая печь Эффективная теплопередача
Экспоненциальное управление
Компактная структура
Более высокая скорость нагрева
Возможность обработки биомассы большого размера Равномерное распределение температуры
Высокая температура
Высокое потребление электроэнергии
Высокие эксплуатационные расходы
Солнечная энергия Использование возобновляемых источников энергии
Более высокая скорость нагрева
Высокая температура
Высокие затраты
В зависимости от погоды

Таблица 8.

Преимущества и недостатки различных типов реакторов [52, 90, 91].

9. Продукты пиролиза

9.1. Biochar

Biochar — это твердые аморфные углеродные материалы, полученные в результате термического разложения лигнина и полимера гемицеллюлозы в процессе пиролиза. Физико-химические свойства матрицы биокара сильно зависят от типа и конструкции реактора, состава биомассы, размера частиц и степени сушки, химической активации, скорости нагрева, времени реакции, давления, скорости потока инертного газа, и т. Д. [29, 92–96]. Если используется более высокая скорость нагрева до 105–500 ° C / с для меньшего времени удерживания и более мелкого размера частиц, более мелкий биоуголь производится в процессе быстрого пиролиза, тогда как сырье с более крупными частицами во время медленного пиролиза приводит к более грубому биоугля. Обычно древесная биомасса дает более крупнозернистый биочуголь, тогда как пожнивные остатки и навоз дают более хрупкий биочуголь [97]. Более ранние исследования показали, что выход биоугля в реакторе пиролиза с псевдоожиженным слоем варьируется для разных температурных диапазонов [98].Результаты показали, что при низкой температуре около 450–500 ° C выход biochar был высоким, а скорость удаления летучих — низкой. При температуре около 550–650 ° C выход биоугля снижался. При этой температуре достигается максимальный выход около 8–10% [98]. Однако при более высокой температуре, около 650 ° C, выход биоугля был очень низким. Biochar преимущественно содержит большую часть фиксированного углерода вместе с влагой, летучими веществами, водородом и различными другими составляющими в двух структурах: стопке кристаллических листов графена и случайно упорядоченных аморфных ароматических структурах [99].Ароматическая часть biochar содержит H, O, N, P и S. Эти неорганические соединения оказывают заметное влияние на физические и химические свойства biochar [100]. Процентное содержание этих компонентов зависит от типа биомассы и процесса пиролиза [101–103]. Biochar можно использовать в качестве твердого топлива в котлах. После предварительной каталитической обработки его можно использовать для производства активированного угля, углеродных нанотрубок, газовых фракций и т. Д.

9.2. Синтез-газ

В зависимости от состава биомассы и параметров процесса пиролиза состав синтез-газа варьируется.Обычно газообразные продукты, полученные после пиролиза, в основном состоят из H 2 и CO. Он также содержит незначительную долю CO 2 , N 2 , H 2 O, смесь алканов, алкенов и алкинов, например, CH . 4 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , деготь, зола и т. Д. [104]. Более высокая температура пиролиза приводит к эндотермической реакции. С увеличением пиролиза сначала происходит испарение влаги из биомассы.После этого происходит термическое разложение и улетучивание. На этом этапе производится деготь и высвобождаются летучие вещества. Для получения смеси синтез-газа имеет место серия вторичных реакций, таких как декарбоксилирование, декарбонилирование, дегидрогенизация, деоксигенирование и крекинг. Следовательно, более высокая температура инициирует разложение смолы, что приводит к производству синтез-газа с пониженным выходом масла и полукокса. При заданной температуре сухая биомасса дает наибольшее количество газа на ранней стадии пиролиза, тогда как влажная биомасса дает максимальное количество газа позже в процессе.Это очевидно и ожидается, поскольку увеличение влажности приводит к увеличению времени высыхания. При крекинге углеводорода водород образуется при более высокой температуре. Из-за наличия кислорода в биомассе образуются CO и CO 2 . Присутствие кислородсодержащего полимера, которым является целлюлоза, определяет выделение образующихся карбонизированных оксидов [105]. Более легкие углеводороды, такие как CH 4 , C 2 H 4 , C 2 H 6 и т. Д., Образуются в результате риформинга и крекинга более тяжелых углеводородов и гудрона в паровой фазе [106].Плазменный реактор, использующий радиочастоты, может производить до 76,64% синтез-газа [85]. Преимущества использования синтез-газа заключаются в том, что он производит значительно меньшее количество несгоревших углеводородов (HC) и монооксида углерода (CO) с более высокими выбросами оксидов азота (NO x ). Сообщается, что CO и H 2 в синтез-газе имеют сравнительно повышенную скорость пламени и температуру, которые вызывают более высокие температуры в двигателях, чтобы увеличить скорость производства CO 2 и NO x [97–109].Медленные процессы пиролиза дают около 10–35% биогаза. При более высокой температуре мгновенный пиролиз дает больше синтез-газа [110]. Прокаленный доломит использовался при 750–900 ° C в качестве катализатора в реакторе с неподвижным слоем для получения синтез-газа [110].

9.3. Bio-oil

Нефть, экстрагированная после пиролиза, представляет собой смесь примерно 300–400 соединений [111]. Масло, полученное после пиролиза, имеет тенденцию становиться вязким из-за старения, поскольку происходят многочисленные физические и химические изменения с последующей потерей летучих веществ.Однако процесс старения можно замедлить, храня их в прохладных местах [35]. Ранее было установлено, что энергетические культуры могут давать масло с высоким содержанием золы / металлов и воду [112]. Присутствие воды снизит теплотворную способность, а также затруднит разделение фаз [112]. Таким образом, при коммерческом применении необходимо тщательно контролировать наличие золы и лигнина внутри субстрата из биомассы. Ранее термический КПД пиролизных масел сравнивали с дизельным топливом, но они демонстрировали неоправданную задержку воспламенения [113].С другой стороны, количество, качество и постоянство пиролизного масла можно также улучшить с помощью переменных метода, таких как скорость нагрева, температура и время удерживания [114]. Различные типы реакторов (абляционные и фиксированные), размер частиц и обугливание могут влиять на количество и характеристики пиролизного масла. До сих пор не проводилось всеобъемлющих исследований, которые могли бы уменьшить эти вещи. Следовательно, необходимы дополнительные исследования, чтобы получить полное представление о процессах термохимического превращения для получения пиролизного масла высшего качества.Биомасло, которое следует использовать в коммерческих целях, должно сохранять свои химические и физические свойства, такие как постоянство и вязкость. Если масло содержит соединение с низкой молекулярной массой, это возможно. Масло содержит высокомолекулярные соединения, если исходная биомасса содержит большую долю лигнина.

10. Технология пиролиза: текущее состояние

Использование пищевых культур, таких как соя, кукуруза и сахарный тростник, для производства этанола и биодизеля может не продолжаться долго, поскольку эти культуры в основном выращиваются для потребления.Поэтому возникает необходимость в более устойчивых способах получения этих материалов из других источников, таких как материалы биомассы, в дополнение к другим, уже исследуемым. Тем не менее, ни один из этих способов еще не оказался экономически целесообразным, но есть большие надежды на использование лигноцеллюлозной биомассы для этой цели посредством процесса пиролиза, хотя он все еще сталкивается с некоторыми проблемами, связанными с прорезыванием зубов. Компании Ensyn и Dyna Motive предприняли некоторые ощутимые усилия по коммерциализации использования материалов биомассы и других сельскохозяйственных отходов в производстве биотоплива посредством процесса быстрого пиролиза.Эти материалы легко доступны по низкой цене или бесплатно, что делает их использование очень экономичным. В то время как Dyna Motive концентрируется на том, как сделать энергетические системы из производимого топлива более экологически чистыми, Ensyn, с другой стороны, стремится использовать химические вещества, которые могут производиться из системы, в качестве побочных продуктов для других целей, таких как копчение пищи. Эти усилия с тех пор привели к производству биотоплива из материалов биомассы. Другими известными пиролизными компаниями, которые участвовали в этой деятельности, являются Pyrovac и Renewable Oil International, которые используют технику вакуумного пиролиза в дополнение к другим более мелким пиролизным установкам, доступным по всему миру.Из имеющихся данных ясно, что реакторы с псевдоожиженным слоем в основном используются для производства бионефти с использованием биомассы, тогда как за ним следуют другие технологии.

11. Выводы

Изучение литературы показало, что преобразование биомассы в продукты с добавленной стоимостью все еще требует решения некоторых испытаний, таких как определение связи между исходными прекурсорами или исходным сырьем и общей работой пиролизной установки, модернизация согласованность реакций пиролиза с точки зрения полного энергетического и материального баланса для обеспечения устойчивости для рентабельных применений.В этой главе подробно описан принцип технологии пиролиза, включая выбор эффективных параметров пиролиза, типов реакторов, и т. Д. , в зависимости от предпочтительного выхода (биомасло, биоуголь или синтез-газ) из процесса. Однако полное понимание типового процесса позволит получить максимальную отдачу. В этой главе освещены полученные выводы и рекомендации для дополнительных исследований:

  1. Основная задача процесса пиролиза заключается в улучшении процесса за счет повышения качества и количества продукта, а также снижения затрат и уменьшения вредного воздействия на окружающую среду.

  2. Правильный выбор биомассы является решающим фактором для получения высоких урожаев биомассы. Можно выбрать биомассу с высоким содержанием целлюлозы, поскольку биомасла в основном получают из нее, тогда как биомасса на основе лигнина может использоваться для производства биоугля. Кроме того, биомасса с низким содержанием влаги подходит для снижения затрат на сушку и повышения качества добытого масла.

  3. Кинетика пиролиза биомассы может протекать по нескольким параллельным путям.Однако применение низкой температуры приведет к снижению энергии активации, что приведет к получению в основном полукокса и газа. Напротив, повышенная температура приведет к более высокой энергии активации с образованием в основном конденсируемых паров, масел и жидких аэрозолей. Чтобы получить максимальное количество жидкого топлива, необходимо быстро нагреть биомассу до подходящей повышенной температуры. Тем не менее, для быстрого нагрева биомассы требуются частицы прекурсоров меньшего размера, которые могут инициировать постоянный нагрев частиц.В этом отношении

Пиролиз угля низкого ранга: от исследований к практике

2.2.1. Реакции при пиролизе LRC

Считается, что химические реакции при пиролизе LRC представляют собой серию сложных последовательных и параллельных свободнорадикальных реакций [22]. Он включает образование радикальных фрагментов в результате термического разложения органических макромолекул и образование летучих веществ и остатков (кокса или угля) в результате реакций между радикальными фрагментами [23].

Обычно реакции при пиролизе происходят из-за термической нестабильности структур. Термостабильность органической структуры во многом определяется энергией связи между атомами. Обычно термостабильность углеводородов снижается следующим образом: конденсированные ароматические соединения> ароматические соединения> циклические углеводороды> олефины> алканы. И это также подходит для пиролиза LRC [24]. Более того, из-за сопряженной структуры структуры ароматических гетероатомов (таких как сера, азот и кислород) намного более термостабильны, чем алифатические.Также сообщается, что прогресс дробления LRC более значительный, чем более высокий класс угля [25, 26]. Нестабильные структуры в макромолекулах гомолитического LRC расщепляются на радикалы, и при стабилизации этих радикалов образуются небольшие молекулы, в то время как стабильные структуры, связанные с конденсированными продуктами, остаются в угле или коксе. Из-за сложности органического строения не существует универсальных или точных моделей для описания реакций при пиролизе LRC.Но с учетом множества исследований, типы реакций пиролиза следующие:

  • Первичные реакции: «Первичные» означает, что реакции непосредственно протекают в макромолекулах LRC. Во время пиролиза преобладающими первичными реакциями являются реакции крекинга. В соответствии с органическими структурами макромолекул LRC, четыре вероятных типа реакции крекинга перечислены ниже [24]:

    1. Растрескивание мостиковой связи: В органической структуре LRC существует множество мостиковых связей, например Канал 2 , O , Канал 2 Канал 2 , Канал ─ ─000 , S , S S и т. Д., связываясь с ароматическими ядрами. Энергия связи этих «мостиков» относительно мала, и их легче повредить под воздействием тепла или других радикалов с образованием новых радикалов. Это также ключ к деполимеризации макромолекул в LRC [18]. Причем термическое разложение сульфированных и кислородсодержащих поперечных связей было более существенным, чем разложение алкильных связей [27].

    2. Крекинг алифатической боковой цепи: стабильность алифатической боковой цепи снижается с увеличением количества углеродных и ароматических колец.Длинные боковые цепи имеют тенденцию к растрескиванию с образованием радикалов или газообразных углеводородов малых молекул.

    3. Крекинг алифатических соединений: низкомолекулярные соединения с преимущественно алифатической структурой плавятся и одновременно крекируются с образованием летучих веществ.

    4. Крекинг функциональных групп гетероатомов: Сера, азот и особенно кислород являются основными гетероатомами в органической структуре LRC. Структуры алифатических гетероатомов способны разлагаться при относительно низкой температуре, в то время как температура разложения структур ароматических гетероатомов должна быть 500 ° C или выше.

  • Вторичные реакции: В процессе удаления летучих веществ высокая температура в области как угольных частиц, так и окружающей среды будет способствовать вторичным реакциям летучих (первичных летучих). Основные вторичные реакции перечислены ниже:

    1. Реакции крекинга: углеводороды, полученные в результате первичных реакций, могут подвергаться дальнейшему крекингу при высоких температурах. Следовательно, образуется больше соединений с меньшей молекулярной массой.

    2. Реакции дегидрирования: Циклоалканы могут быть превращены в циклы или далее в ароматические соединения посредством реакций дегидрирования. К гидроароматическим соединениям можно добавить ароматические кольца. Одновременно образуется газообразный водород.

    3. Реакции гидрирования: Некоторые химически активные гетероатомсодержащие соединения могут подвергаться атаке водородных радикалов. В результате гетероатомы удаляются и образуются в виде молекул газа (таких как H 2 S, NH 3 и H 2 O).

    4. Реакции конденсации: Ароматические углеводороды в летучих компонентах могут конденсироваться в полициклические ароматические углеводороды (ПАУ).

  • Реакции конденсации: с увеличением количества ароматических колец летучесть ароматических углеводородов уменьшается. Нелетучие части будут конденсироваться и выделять газообразный водород, что более очевидно при температуре выше 700 ° C.

Помимо реакций, перечисленных выше, существуют также реакции, такие как перенос водорода, реакции перегруппировки и сшивания, для окончательной стабилизации свободных радикалов.

2.2.2. Процесс пиролиза и образование продуктов

Из-за разнообразия термостабильности органической структуры в LRC процесс пиролиза в основном определяется температурой. С повышением температуры степень термического крекинга органических макромолекул в LRC увеличивается, и одновременно изменяется состав продуктов пиролиза.

Как правило, основные углеводородные структуры в LRC ниже 300 ° C претерпевают незначительные изменения. Но нековалентные связи в LRC диссоциируют и улетучиваются.Саксена [28] подытожил, что реакции пиролиза начинаются с разрыва слабых связей. Из-за минимального количества энергии, необходимой для преодоления энергии связи C C, основные реакции пиролиза не начнутся, пока температура не достигнет около 400 ° C. Гуань [29] исследовал выход и свойства продуктов пиролиза лигнита (Хуолиньхэ, Китай) при температуре ниже 400 ° C. Было обнаружено, что летучий конденсат представлял собой бесцветную и прозрачную воду с очень низким значением химической потребности в кислороде (ХПК), летучим фенолом и аммиачным азотом при температуре пиролиза ниже 200 ° C.Но когда температура выше 250 ° C, в конденсатах, очевидно, обнаруживаются органические вещества, и их содержание увеличивается с повышением температуры пиролиза. Конденсаты, образующиеся при температуре выше 350 ° C, представляют собой смесь с масляным и водным слоем. Анализируя структуру поверхности твердых остатков при температуре ниже 200 ° C, явных изменений фенольных гидроксильных и карбоксильных групп на поверхности не наблюдалось. Когда температура превышает 250 ° C, несмотря на изменение основных углеводородных структур, некоторые нестабильные функциональные группы и боковые цепи, такие как карбоксильная, алифатическая боковая цепь и структура простого эфира, начинают трескаться и разлагаться.Что касается органических веществ в конденсатах, очевидно, что обнаруживаются алканы, олефины, ароматические соединения и фенолы. Между тем, из-за низкой термостабильности карбоксила и карбоксилата он будет разлагаться на CO 2 около 250 ° C.

В процессе пиролиза LRC основная стадия образования летучих органических соединений составляет 350–600 ° C. Когда температура поднимается выше 350 ° C, связи полиметиленового или эфирного кислорода, боковой цепи или функциональной группы, содержащей гетероатом, очевидно, повреждаются под действием тепла, и некоторые гидроароматические кольца начинают дегидрироваться.В результате образуются высокореакционные фрагменты и радикалы. Затем радикалы могут быть стабилизированы переносом водорода, перегруппировками, реакциями сшивания, реакциями конденсации или захватом водорода путем столкновения с другими фрагментами или радикалами. И первичные продукты, которые непосредственно образуются из макромолекул, будут вторично реагировать во время удаления летучих веществ. Zhan et al. [30] исследовали механизм начального термического разложения, связанного с пиролизом суббитуминозного угля, с помощью молекулярно-динамического моделирования.Результаты расчетов показали, что первичные реакции разложения суббитуминозной модели Хэтчера [27] начались с внутримолекулярных изменений, таких как разрыв нестабильных связей C C и C O. Castro-Marcanoet al. [31] использовали поле реактивной силы ReaxFF для моделирования пиролиза на крупномасштабной молекулярной модели угля [32]. Было обнаружено, что пиролиз в основном инициируется высвобождением гидроксильных групп и дегидрированием гидроароматических структур с последующим разрушением гетероатомсодержащих поперечных связей.Дальнейший анализ моделирования ReaxFF показывает, что арильные и алкильные связи C S слабее, чем связи арила и алкила C C. Следовательно, разрыв связей C S привел к более обширной фрагментации, ведущей к большему количеству алифатических и ароматических структур. Ли и др. [33] обсуждали механизм модельного соединения на основе угля (анизол, фенилэтиловый эфир и п-метиланизол) путем обнаружения реагентов, радикалов и продуктов с помощью времяпролетной масс-спектрометрии с однофотонной ионизацией в вакууме и ультрафиолетом.Было обнаружено, что разрыв гомолитической связи PhO C был первой стадией радикальной реакции, в то время как β – H был важным фактором для нерадикальных реакций.

Тромп [34] и Миура [23] считают, что, как показано на рисунке 1а, реакции первичного удаления летучих веществ являются очень быстрыми реакциями, которые состоят из реакций образования радикалов, реакций полимеризации-конденсации, реакций рекомбинации радикалов, реакций присоединения водорода и т. Д. ., и последующие вторичные газофазные реакции представляют собой реакции разложения летучих продуктов, образующихся в ходе первичных реакций.А частицы полукокса образуются в результате реакций полимеризации и конденсации. Но с недавними исследованиями, особенно в отношении радикалов в продуктах пиролиза и мгновенного пиролиза LRC, невозможно наблюдать улетучивание всей частицы угля и отсутствие образования полукокса. Wu et al. [35] измерили количество свободных радикалов в некоторых пиролитических гольцах LRC при различных температурах (350–600 ° C) методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Выяснилось, что радикалы существуют и в геральдике. Лю [36] полагает, что часть структуры угля будет рекомбинирована одновременно с удалением летучих веществ.Во время рекомбинации ковалентные связи по-прежнему растрескиваются, образуя более мелкие молекулы и конденсирующиеся в виде углей (как показано на рисунке 1b). Что касается смол, He et al. [37] исследовали реакционную способность смол быстрого пиролиза и обнаружили, что смолы содержат высокие концентрации радикалов и обладают высокой реакционной способностью при температурах выше 400 ° C с образованием большего количества радикалов и образованием кокса. Таким образом, увеличивается содержание тяжелых компонентов, что снижает качество смол.

Рисунок 1.

Модель механизма пиролиза угля.а) модель Тромпа; (б) модифицированная модель Лю.

В процессе пиролиза и удаления летучих веществ как физические, так и химические свойства остатков пиролиза также меняются в зависимости от температуры. Что касается твердых пиролитических остатков LRC, типичные изменения касаются содержания кислорода и структуры пор. Что касается неслеживающегося угля (такого как бурый уголь), то они почти наследуют основные структуры каркаса сырого угля во время пиролиза. Ву [38] изучал эволюцию свойств пиролитических твердых остатков лигнита Hesigewula (Внутренняя Моголия, Китай) в зависимости от температуры (75–550 ° C).Как показано на рис. 2а, содержание углерода в твердом остатке увеличивается с повышением температуры, в то время как содержание кислорода резко уменьшается. Уменьшение содержания кислорода в основном происходит за счет разложения кислородсодержащих функциональных групп и кристаллической воды минералов. Как правило, термостабильность кислородсодержащей функциональной группы снижается по мере того, как кислородное гетероциклическое кольцо> гидроксил> карбонил> карбоксил> метоксил. При термическом разложении кислородсодержащих функциональных групп образуется кислородсодержащий газ, такой как H 2 O, CO, CO 2 и COS.А в процессе конденсации H 2 O будет сжижаться вместе со смолами. И пиролиз, и удаление летучих веществ усиливают структуру пор в твердых пиролитических остатках. Как показано на рисунке 2b, площадь поверхности и объем пор, очевидно, увеличиваются после 400 ° C. Более высокая температура будет дополнительно способствовать дегидрированию и конденсации ароматических ядер. Но что касается угля со свойством слеживания, частицы угля будут размягчаться и плавиться с образованием коллоидов вместе с трехфазным газом-жидкостью-твердым веществом во время процесса пиролиза.При удалении летучих коллоидов набухают и, наконец, затвердевают в виде полукокса или кокса [39].

Рисунок 2.

Эволюция элементного состава и свойств пористой структуры при пиролитическом твердом остатке. а) элементный состав; (б) свойства структуры пор.

В целом пиролиз LRC можно описать как процесс термостаблизации, сопровождающийся выделением термосостабильных веществ. Продукты пиролиза и их источники приведены в таблице 3.

Продукты Источник Процесс
Смола Диссоциативные органические соединения, боковые цепи, органические звенья, соединенные слабыми связями Дистилляция + пиролиз
CO 2 Карбоксил и карбонаты Разложение карбоксильных и карбонатных минералов
CO (<500 ° C) Карбонил, эфир Декарбонилирование
CO (> 500 ° C) Кислородные гетероциклические кольца Реакции раскрытия кольца
H 2 O Влага, гидроксильная, кристаллическая вода минералов Испарение, дегидроксилирование, разложение минералов
CH 4 , C n H m (легкие углеводороды) Алифатические или другие ифатическая боковая цепь Деалкилирование и термокрекинг
H 2 Гидроароматика Дегидрирование и конденсация
Уголь или кокс Твердый остаток и ПАУ Пиролитические остатки и конденсация 54 ПАУ 0 Таблица 3.

Продукты и их основной источник при пиролизе LRC.

Централизованное отопление и охлаждение обеспечивает эффективное использование энергоресурсов

1. Введение

Экономическое развитие в странах с переходной экономикой, таких как Китай и Индия, увеличивает глобальное потребление энергии. Следовательно, растет спрос на энергоносители, что должно привести к увеличению цен на энергоносители. В мировом энергоснабжении преобладают ископаемые виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ, и такая ситуация, вероятно, сохранится в течение многих лет, даже если будут использоваться возобновляемые источники энергии (например,g., биомасса, солнечная энергия и энергия ветра) расширяется. Более высокие цены на энергию делают определенные изменения в энергосистеме более прибыльными: использование бесплатных источников энергии, таких как солнце и ветер, повышение эффективности энергоснабжения, а также меры по энергосбережению, которые сокращают потребление энергии.

Несколько политик на различных уровнях в настоящее время способствуют более широкому использованию возобновляемых источников энергии и сокращению конечного использования энергии, например, в зданиях. Но есть также комплексные системы, связывающие энергоресурсы с спросом на энергию. Централизованное отопление — это такая концепция, которая распространена во многих странах, где требуется отопление помещений, например, в Исландии, Латвии и Дании. В системе централизованного теплоснабжения тепло распределяется по сети труб горячего водоснабжения от теплоцентралей к потребителям тепла в отдельном квартале или в целом городе. Тепло в основном используется для отопления помещений и горячего водоснабжения. Системы централизованного теплоснабжения варьируются от единичных до общегородских сетей. Централизованное охлаждение работает соответствующим образом. Централизованное энергоснабжение включает централизованное теплоснабжение и централизованное охлаждение. Центральное отопление иногда называют коммунальным отоплением, особенно в Великобритании.

Более четверти первичной энергии в Европе приходится на потери при преобразовании энергии, в основном в виде тепла, которое теряется при производстве электроэнергии на конденсационных электростанциях. Эти потери того же размера, что и потребность в тепле в Европе [1]. Централизованное теплоснабжение является средством использования таких потерь, которые в противном случае тратятся впустую, для покрытия потребности в различных видах тепла и даже охлаждения.Централизованное теплоснабжение помогает нам использовать большое количество тепла, которое сейчас теряется в Европе.

Таким образом, централизованное теплоснабжение — это не только технология распределения энергии, но и увеличение количества доступных энергоресурсов. Централизованное теплоснабжение может использовать источники энергии, которые трудно использовать для отдельных зданий, такие как неочищенное топливо из биомассы, тепло от сжигания отходов, тепло от выработки электроэнергии на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) и промышленные излишки тепла, например тепло от целлюлозы и бумажные фабрики или производство автомобильного биотоплива.Мало из этой энергии можно было бы использовать без централизованного теплоснабжения. Следовательно, расширение централизованного теплоснабжения может быть полезным для экономики и окружающей среды.

Централизованное теплоснабжение используется для теплоснабжения различных типов зданий в деревнях и городах, в основном многоквартирных домов и служебных помещений, где тепло используется для приготовления горячей (водопроводной) воды и для отопления помещений, как правило, за счет центральная система водяного отопления всего дома.

Системы централизованного теплоснабжения соединяют источники энергии и потребителей энергии.Централизованное теплоснабжение может обеспечивать потребителей доступной энергией за счет использования недорогих источников энергии, таких как избыточное тепло и отходы. Многие из этих источников тепла могут быть местного происхождения и способствовать развитию местного бизнеса и промышленности. Какое решение будет наиболее подходящим, зависит от местных условий. Благодаря использованию различных источников энергии, централизованное теплоснабжение становится центральным компонентом систем управления отходами, лесного хозяйства, производства энергии и эффективного использования энергии в промышленности.

1.1. Теплоснабжение

Источники тепла, которые нельзя использовать для отдельных домов, могут быть дополнены в системе централизованного теплоснабжения технологиями, которые также применимы в меньшем масштабе, например, ископаемое топливо, солнечная энергия и электрические тепловые насосы, улучшающие низкотемпературное тепло.Небольшая система централизованного теплоснабжения может иметь один или два отопительных агрегата, тогда как большая система может содержать множество различных источников тепла, где, например, ТЭЦ, питаемая дешевыми отходами, покрывает базовую нагрузку в течение года, а дровяная. котел, работающий только на тепло, обеспечивает большую часть потребности в отоплении помещений зимой, а котел, использующий дорогостоящее масло, покрывает пиковую нагрузку в самые холодные дни.

Установки с базовой нагрузкой обычно имеют низкую стоимость производства тепла, но требуют больших инвестиций. Низкая стоимость эксплуатации делает их пригодными для использования в течение многих часов в году.Выгода от более низкой стоимости тепла, чем у других агрегатов, окупает большие вложения. Обычно базовая нагрузка поступает от ТЭЦ, сжигания отходов и промышленного избыточного тепла. С другой стороны, котлы, работающие на жидком топливе, имеют низкую стоимость мощности, но высокие эксплуатационные расходы, что делает их пригодными для покрытия коротких периодов пиковой нагрузки на тепло.

Рисунок 1.

Производство тепла в шведской системе (ГВтч)

Рисунок 1 показывает, как производство тепла может происходить в шведской системе централизованного теплоснабжения в течение года.Летом потребность в тепле и его производство низкие, поскольку в первую очередь необходимо нагревать только бытовую горячую воду из-под крана, но зимой производство тепла намного больше из-за высокой потребности в отоплении помещений. Базовая нагрузка покрывается за счет промышленных излишков тепла в течение года, так как у нее самые низкие затраты. Более высокая нагрузка зимой в основном покрывается древесиной, используемой в ТЭЦ и котлах, но также используются ТЭЦ на ископаемом топливе и тепловые насосы. Некоторое масло используется в отопительных котлах, когда очень холодно.Установки, используемые при повышенном спросе, имеют более высокие затраты на производство тепла и обычно более загрязняют окружающую среду, чем установки, используемые при более низком спросе. Следовательно, предельные затраты на производство централизованного теплоснабжения меняются аналогично спросу на тепло в течение года.

ТЭЦ, работающая на ископаемом топливе, и тепловые насосы в системе на рис. 1 когда-то были построены как станции, покрывающие базовую нагрузку, но позже была построена ТЭЦ, работающая на дровах, которая могла производить тепло с меньшими затратами и годовое время использования старых заводов было сокращено.Введение избыточного промышленного тепла привело к сокращению использования всех других заводов до нынешнего уровня. Спрос и производство централизованного теплоснабжения часто отображаются в виде кривой продолжительности, которая представляет потребность в тепле в порядке убывания от самых холодных зимних дней до самых теплых летних ночей (см., Например, [2]).

1.2. Централизованное теплоснабжение в Швеции

Централизованное теплоснабжение широко используется в Швеции. В Швеции проживает девять миллионов жителей. Пятьдесят ТВтч теплоснабжения в год покрывают половину рынка тепла.Система централизованного теплоснабжения есть в каждом муниципалитете с населением более 10 000 человек, а всего их насчитывается более 400. Половина централизованного теплоснабжения Швеции поставляется в многоквартирные дома, остальная часть — в основном в такие помещения, как школы и офисы, а небольшие, но растущие доли — в промышленные и частные дома [3]. Владельцы домов сами выбирали, подключаться к сети централизованного теплоснабжения или нет.

Рисунок 2.

Топливо и т. Д., Используемое для производства центрального отопления в Швеции (ТВтч / год)

На рисунке 2 показаны источники энергии, используемые для централизованного теплоснабжения в Швеции с 1970 года [4].Общее предложение колеблется между холодными и теплыми годами. Прошлый год (2009 год) был очень холодным. Использование топлива для производства центрального отопления в Швеции переключилось с почти только использования нефти в 1970-х годах на нынешнюю смесь с множеством источников тепла. Сейчас две трети централизованного теплоснабжения Швеции производится из древесины и топливных отходов. Швеция по сравнению с большинством стран потребляет много промышленного избыточного тепла, а тепловые насосы забирают тепло из сточных вод и озер. Небольшие количества биогаза и газа металлургических заводов используются, но ископаемое топливо в настоящее время производит менее 15% систем централизованного теплоснабжения (рис.2). Выбросы ископаемого углекислого газа от централизованного теплоснабжения значительно сократились за последние десятилетия, поскольку ископаемое топливо производит все меньшую часть тепла. Этому переходу способствовали скорейшее введение налога на двуокись углерода и другие меры политики [5].

Использование нефти и угля сократилось в 1980-е годы (рис. 2) из-за повышения налогов. С 1991 года в Швеции действует налог на двуокись углерода, который сейчас составляет 100 евро за тонну. Энергетический налог был введен еще раньше.Есть природный газ только на юго-западе Швеции. Использование электрических котлов для производства центрального отопления увеличилось, когда ядерная энергетика расширилась в 1980-х годах, но уменьшилась, когда электричество было обложено налогом в 1990-х годах. Использование биомассы (например, щепы) сначала стимулировалось налогами на ископаемое топливо, а затем также сертификатами зеленой электроэнергии и более высокими ценами на электроэнергию, которые сделали ТЭЦ, работающие на биомассе, более прибыльными. Сжигание отходов увеличивается (рис. 2), потому что запрещается вывозить горючее топливо на свалку, а компании централизованного теплоснабжения собирают доходы за обращение с отходами.Также были инвестиционные субсидии для некоторых избранных проектов с использованием местных источников энергии. Рост объемов централизованного теплоснабжения в последние десятилетия отражает политическое обязательство инвестировать в инфраструктуру и снизить зависимость от импорта ископаемого топлива.

2. Методы

Благоприятные комплексные решения могут быть выявлены с помощью системного анализа и моделей оптимизации. Эти методы могут показать лучший способ использования ресурсов для достижения целей. Общие цели — низкие затраты и низкое воздействие на окружающую среду, что часто может противоречить друг другу.Существенные особенности исследуемой проблемы для системы могут быть представлены в модели. Модели часто помогают понять систему и выявить взаимосвязи между компонентами, например, между производством централизованного теплоснабжения, извлечением солнечной энергии и изоляцией стен. Лучшее решение по критерию и при определенных условиях может быть показано с помощью модели оптимизации. Что касается вопросов энергетики, можно использовать модель оптимизации энергосистемы, чтобы найти наилучший дизайн и работу системы. В таких моделях можно описать множество технических составляющих [6].

Примерами моделей оптимизации энергосистемы являются MARKAL (например, [7]) и TIMES (например, [8]). Эти модели были в первую очередь разработаны для анализа национальной энергосистемы, тогда как модель MODEST изначально была разработана для оптимизации теплоснабжения с учетом колебаний спроса на тепло.

MODEST — это модель оптимизации энергосистемы, в которой используется метод линейного программирования метода оптимизации для определения минимальных затрат на удовлетворение потребности в энергии, а также представлены конструкция и эксплуатация системы с наименьшими затратами.В рамках этой модели можно рассмотреть большое количество вариантов энергоснабжения и энергосбережения. Пользователь может составить полное представление об исследуемой энергетической системе с выбранным уровнем детализации. Многие различные энергетические системы могут быть проанализированы при условии, что важные свойства системы могут быть описаны линейными соотношениями. Практически произвольный набор значений параметров может быть отнесен к каждому компоненту и потоку энергии в системе. Гибкое временное разделение позволяет отражать суточные, еженедельные, ежемесячные, сезонные и долгосрочные изменения, например, затрат, мощности и спроса.Результат моделирования представляет оптимальные инвестиции и оптимальную работу существующих и новых блоков, а также выбросы и затраты [6].

MODEST наиболее часто используется для оптимизации производства электроэнергии и централизованного теплоснабжения. MODEST был применен к более чем 50 системам централизованного теплоснабжения, некоторым региональным энергосистемам и нескольким национальным энергосистемам. Изучаемые вопросы включают внедрение сжигания отходов и комбинированного производства тепла и электроэнергии, а также связи между промышленными и муниципальными энергосистемами [6], например, как следует построить большую ТЭЦ, являются ли отходы или биомасса лучшим топливом и следует ли использовать промышленные излишки тепла. ? Модель часто использовалась для изучения влияния цен на энергию и инструментов политики на инвестиции и операции по преобразованию энергии, например, как квоты на выбросы влияют на комбинированное производство тепла и электроэнергии.

3. Благоприятные источники энергии и установки

Централизованное теплоснабжение может использовать тепловые ресурсы, которые более или менее невозможно передать или преобразовать в тепло в отдельных домах. К таким источникам энергии относятся избыточное тепло промышленных предприятий, тепло, производимое путем сжигания отходов и неочищенной биомассы, а также тепло от более крупных теплоэлектроцентралей.

Рисунок 3.

Общие типы станций и потоки энергии для централизованного теплоснабжения в местной шведской энергетической компании

На рисунке 3 показана система централизованного теплоснабжения во втором по величине шведском городе Гетеборг (Гётеборг).Существует большая общегородская сеть централизованного теплоснабжения с большим спросом на тепло, а это означает, что система может обеспечивать множество различных форм теплоснабжения. Есть две теплоэлектроцентрали, производящие электроэнергию и тепло; парогазовую установку, работающую на природном газе, и паровую установку на отходах. Избыточное промышленное тепло закупается у двух нефтеперерабатывающих заводов. Дровяные и мазутные котлы, а также электрические тепловые насосы производят только тепло. Тепло распределяется по сети централизованного теплоснабжения потребителям справа на рис.3. Это один из примеров того, как централизованное теплоснабжение обеспечивает эффективное использование энергии, но система также включает компоненты, которые могут считаться менее устойчивыми, например ископаемое топливо.

ТЭЦ обеспечивают более эффективное использование топлива. На конденсационных электростанциях большая часть топливной энергии обычно расходуется впустую. Электроэнергия, произведенная на ТЭЦ, которые производят централизованное теплоснабжение, может вытеснить электроэнергию с конденсационных электростанций. Из-за более высокого КПД для выработки электроэнергии на ТЭЦ требуется меньше топлива, чем на конденсационных электростанциях, поскольку основная часть топлива используется для центрального отопления.Следовательно, выбросы углекислого газа, вызванные производством электроэнергии, ниже для ТЭЦ, даже если она работает на ископаемом топливе. Но экологическая выгода, конечно, будет даже больше, если для производства ТЭЦ будут использоваться возобновляемые виды топлива.

3.1. Использование местных возобновляемых источников энергии

Доступные местные источники возобновляемой энергии влияют на пригодность различных решений на месте. В некоторых местах солнечная энергия может способствовать обеспечению централизованного теплоснабжения. Но наиболее полезными для централизованного теплоснабжения являются топливо из биомассы и горючие отходы.

Топливо из биомассы может быть получено в лесном и сельском хозяйстве. Использование топлива из биомассы может дать толчок развитию местной индустрии биомассы и способствовать развитию местного бизнеса. Спрос на топливо из биомассы от станции централизованного теплоснабжения может побудить предпринимателей разработать системы поставок, например, древесного топлива, такого как ветки деревьев из лесов.

Сегодня много мусора вывозится на свалки. Использование отходов в качестве топлива или для получения энергии другими способами сокращает объем захоронения. Отходы — это ресурс, и различные фракции отходов должны быть разделены, чтобы их можно было использовать наиболее подходящим способом.Разделение может происходить у источника, то есть в домохозяйствах, на предприятиях и т. Д. Например, из биоразлагаемых отходов может образовываться биогаз, который можно использовать в качестве автомобильного топлива, тогда как другие горючие отходы (например, от домашних хозяйств или сноса зданий) могут быть используется в качестве топлива для производства электроэнергии и центрального отопления.

Использование местных возобновляемых источников энергии означает более высокую надежность энергоснабжения и меньшую зависимость от топлива из других регионов и стран. Использование местного топлива и выработка электроэнергии сокращают количество энергии, покупаемой в других местах, и увеличивают денежные средства, которые могут создать благосостояние на местном уровне.Переход с ископаемого топлива на возобновляемое также снижает выбросы ископаемого углекислого газа и снижает локальный вклад в глобальное потепление.

Однако биомасса может быть слишком ценным ресурсом для производства только тепла, которое является формой энергии с более низкой ценностью, чем электричество и автомобильное топливо. Биомасса могла бы производить комбинацию различных энергоносителей, таких как тепло, пар, электричество, автомобильное топливо и охлаждение (Раздел 6). Биомасса, безусловно, является возобновляемым источником энергии, но ее добыча в любом случае должна осуществляться экологически рациональным способом.Земля также производит продукты питания и сырье, и дилемма состоит в том, что богатые могут платить за топливо больше, чем бедные за еду.

Отходы имеют как возобновляемое, так и ископаемое происхождение. Объемы отходов обычно увеличиваются с ростом экономики, но в устойчивом обществе образуется меньше отходов, чем должно производиться сейчас. Поэтому сжигание отходов можно частично рассматривать как переходную технологию, а не как основу в долгосрочной перспективе.

4. Утилизация промышленного избыточного тепла

Сегодня существует огромное количество избыточного тепла в энергетическом и промышленном секторах.Во многих случаях это избыточное тепло не используется должным образом. Это не очень хорошая ситуация, поскольку на промышленный сектор приходится более 30% мирового конечного потребления энергии [9]. Это также следует рассматривать в связи с тем фактом, что в общем объеме первичной энергии в значительной степени преобладает ископаемое топливо. Таким образом, использование избыточного тепла является важной мерой для достижения общей устойчивой энергетической системы в сообществе или регионе.

Тепло можно рекуперировать для многократного использования при понижении температуры в промышленности и, наконец, для обогрева помещений.Хотя известно, что на некоторых объектах имеется избыток тепла, в некоторых случаях мало что известно об объеме и качестве тепла. Таким образом, перед проведением какой-либо оценки потребуется выявление и измерение избыточных тепловых ресурсов. Например, исследование, основанное на энергоаудитах, показало, что до 500 ГВтч / год тепловой энергии различного качества теряется на одном целлюлозно-бумажном комбинате [10]. Однако знание количества и качества тепла не означает автоматически, что можно использовать излишек тепла.Другие факторы, такие как время доступности, потребность в тепле, инфраструктура, технологии и затраты, играют решающую роль в определении того, можно ли использовать избыточное тепло.

Централизованное теплоснабжение предлагает прекрасную возможность использовать избыточное тепло, которое иначе было бы потрачено впустую. Хотя эта доля отличается от страны к стране, системы централизованного теплоснабжения Северных стран являются хорошими примерами использования избыточного тепла [11]. С точки зрения потребителя, системы централизованного теплоснабжения со значительной долей избыточного тепла в топливном балансе предлагают своим потребителям относительно низкие затраты на отопление.В некоторых муниципалитетах Швеции довольно низкие затраты на тепло можно объяснить избыточным отпуском тепла промышленными предприятиями. Наличие избыточного тепла летом, когда потребность в тепле низкая, открывает возможность производить охлаждение зданий на основе централизованного теплоснабжения в летнее время (Раздел 5).

Утилизация избыточного тепла в системах централизованного теплоснабжения не совсем проста, поскольку при таком стремлении возникают различные проблемы, которые необходимо решить. Одна из основных проблем заключается в том, как создать платформу для сотрудничества между участниками, на которой использование промышленных избыточных тепла понимается в свете более широкой системной перспективы.В этом случае муниципалитет или регион с несколькими муниципалитетами может быть границей системы при рассмотрении сотрудничества в области энергетики. В регионах, где централизованное теплоснабжение хорошо развито и где наблюдается относительно высокая концентрация промышленной деятельности, может возникнуть необходимость в развитии регионального рынка тепла для поощрения эффективного использования энергетических ресурсов. Хотя основной бизнес отрасли не заключается в продаже избыточного тепла, такой рынок может быть движущей силой, которая, в свою очередь, позволяет игрокам принимать меры, которые могут способствовать использованию избыточного тепла.Это будет означать, что отрасли со значительными объемами избыточного тепла могут играть важную роль в качестве поставщиков тепла на местных или региональных рынках. Это также важно при рассмотрении инвестиций в новые объекты генерации электроэнергии, пара и тепла. В этом случае оптимизация региональной энергосистемы будет полезна для максимизации эффективности использования ресурсов.

Подробные исследования, посвященные этой теме, приведены в [12,13]. В обоих исследованиях рассматриваются несколько систем централизованного теплоснабжения и промышленных энергосистем региона, и применяется модель MODEST (разд.2). Второе исследование [13] было более подробным и включает несколько сценариев, в которых рассматриваются такие меры, как инвестиции в новые объекты, интеграция процессов и меры по повышению энергоэффективности. В целом, оба исследования указывают на общую пользу системы от соединения различных энергетических систем в форме снижения общих затрат, эффективного использования растений и сокращения выбросов углекислого газа, но последнее в значительной степени зависит от применяемого метода учета углерода. Интересно отметить, что расширенная граница системы, охватывающая все системы централизованного теплоснабжения и промышленные энергетические системы, позволяет эффективно использовать избыточное тепло, имеющееся в системе.В зависимости от преобладающих условий использование избыточного тепла может противоречить использованию ТЭЦ. Расширение границ системы с возможным рынком тепла может позволить использовать как избыточное тепло, так и ТЭЦ.

Использование избыточного тепла должно поощряться так же, как и возобновляемая энергия, где используются инструменты политики для поощрения производства энергии на основе возобновляемых источников. Кроме того, необходимо создать подходящую платформу для сотрудничества, где могут быть решены различные вопросы, касающиеся использования избыточного тепла в системах централизованного теплоснабжения.Однако излишки тепла, доступные для систем централизованного теплоснабжения, могут быть несколько сокращены за счет увеличения повторного использования тепла в отраслях.

5. Охлаждение

Охлаждение комнат теперь увеличивается из-за более высоких требований к комфорту, например, в странах Северной Европы, а также из-за среднего класса в странах с переходной экономикой, где уровень жизни быстро растет. Желание охлаждать комнаты также усиливается глобальным потеплением и растущим количеством электроприборов, отводящих тепло в комнаты [14].

Обычно для охлаждения используются электрические холодильные машины. Но источники централизованного теплоснабжения могут также производить охлаждение для кондиционирования помещений в абсорбционных охлаждающих машинах либо на центральных установках (например, мусоросжигательных заводах), снабжающих сеть централизованного холодоснабжения, либо в распределенных блоках, расположенных в зданиях, которые должны охлаждаться, которые получают от сети централизованного теплоснабжения (рис. 4). Такие решения означают, что для охлаждения не требуется электричество.Это увеличивает низкий спрос на тепло в летний период, а также увеличивает выработку электроэнергии на ТЭЦ, если тепло производится там. Таким образом, охлаждение может стать основой для выработки электроэнергии вместо потребления электроэнергии [2]. Абсорбционное охлаждение наиболее подходит, когда можно использовать дешевое топливо, такое как отходы.

Рисунок 4.

Охлаждение за счет тепла посредством абсорбционного охлаждения. Требуется одна из сетей.

6. Полиграфическое производство нескольких видов энергии

Европейская политика направлена ​​на увеличение использования автомобильного биотоплива.Такие виды топлива можно выгодно производить на многоэлектростанциях, которые могут превращать различные формы биомассы в автомобильное биотопливо, электричество, пар, тепло и охлаждение, которое частично используется в процессах, но в значительной степени вырабатывается заводом. Аналогичные меры могут быть приняты и в других отраслях промышленности. Комбинированная теплоэлектростанция может производить центральное отопление, электричество и централизованное охлаждение, а также пар, который поставляется в промышленность. Совместное производство нескольких энергоносителей увеличивает использование установленной мощности, увеличивает доходы от поставляемой энергии и может сделать инвестиции в электростанции более прибыльными.

Развертывание комбинированного производства тепла и электроэнергии в системах централизованного теплоснабжения связывает секторы тепла и электроэнергии таким образом, что общая эффективность производства будет существенно повышена. Электростанции, производящие автомобильное топливо, соединяют стационарную энергосистему с транспортом, как это делают электромобили и поезда, и увеличивают количество вариантов использования биомассы и обеспечения транспорта. Связь с транспортным сектором особенно важна, поскольку на секторы электроэнергии, тепла и транспорта приходится более 60% глобальных выбросов двуокиси углерода от сжигания топлива [9].Совместные действия в этих трех секторах определенно снизят выбросы. В этом аспекте биомасса является жизненно важным ресурсом для достижения целей в области энергетики и окружающей среды. Использование биомассы только для отопления может стать шагом на пути к устойчивому развитию, особенно в тех областях, где сейчас используются невозобновляемые источники. Однако другие технологии, такие как когенерация (ТЭЦ), тройная генерация (ТЭЦ + охлаждение) и поли-генерация, должны быть рассмотрены для получения максимальной выгоды от использования биомассы. Это особенно важно в областях, где развертывание ТЭЦ затруднено из-за препятствий, таких как недостаточная тепловая нагрузка, неблагоприятные цены на электроэнергию, высокие инвестиционные затраты, отсутствие инфраструктуры и т. Д.Кроме того, периоды низкой потребности в тепле представляют собой проблему для систем централизованного теплоснабжения с ТЭЦ в качестве производства с базовой нагрузкой. Эта ситуация может ухудшиться с повышением эффективности в жилищном секторе, где ожидается более низкий спрос на тепло (раздел 8.1). Также существует желание сократить затраты на производство тепла за счет дополнительных доходов от продажи электроэнергии и автомобильного топлива, поскольку централизованное теплоснабжение не всегда является самой дешевой альтернативой в некоторых местах. На этом фоне концепция поли-генерации может быть полезной для решения упомянутых проблем.

Исследования показывают, что применение концепций поли-генерации дает экономические и экологические преимущества. Например, увеличение выработки электроэнергии от ТЭЦ может быть достигнуто путем интеграции лигноцеллюлозного этанола с централизованным теплоснабжением [15]. В другом аналогичном исследовании используется модель MODEST (раздел 2), чтобы показать, что конфигурация с несколькими поколениями приведет к снижению затрат на производство тепла и уменьшению выбросов в результате интеграции [16]. Существуют также и другие приложения, в которых одновременно генерируются пар, электричество, тепло и древесные гранулы.Такие установки уже есть, например, в Швеции и Норвегии. Доходы, полученные от продажи, в первую очередь энергии и автомобильного топлива, вместе со стимулами к возобновляемым источникам энергии, похоже, стимулируют эффективное использование ресурсов биомассы и тем самым создают благоприятные условия для конкурентоспособности централизованного теплоснабжения и производства энергии на основе биомассы.

7. Ценная инфраструктура

Центры и сети централизованного теплоснабжения имеют низкие эксплуатационные расходы при использовании низкопотенциальных энергоресурсов, но требуют больших начальных инвестиций.Денежный поток будет отрицательным в течение нескольких лет во время создания новой системы централизованного теплоснабжения, и время окупаемости может быть довольно длительным, что затрудняет финансирование. Долгосрочная перспектива прибыльности и бизнес-модели с низкими рисками необходимы для развертывания и модернизации систем централизованного теплоснабжения. Преобладающая поддержка государственной политики может также потребоваться для содействия развитию инфраструктуры централизованного теплоснабжения, как и для других крупномасштабных систем. Из-за крупных инвестиций существующие системы централизованного теплоснабжения являются ценными активами, но некоторые системы могут потребовать существенных улучшений [17].

Цепочка добавленной стоимости в сфере централизованного теплоснабжения идет от топлива через производство и распределение тепла до потребителей. Большинство шведских компаний централизованного теплоснабжения охватывают все центральные звенья этой цепочки, то есть производство, распределение и продажу тепла, что позволяет использовать операционную синергию. Такой порядок может быть благоприятным, потому что, если задействовано много участников, требуется ряд соглашений, которые увеличивают бизнес-риски, что, в свою очередь, делает финансирование более дорогим, что может сделать инвестиции невыгодными [17].

Для крупных инвестиций, таких как сжигание мусора и ТЭЦ, требуется определенный размер, чтобы быть прибыльными, и поэтому им также нужна большая система централизованного теплоснабжения. Такая сеть централизованного теплоснабжения иногда может быть получена путем подключения более мелких систем.

8. Потребность в тепле

Спрос на централизованное теплоснабжение сам по себе может рассматриваться как ценный ресурс, поскольку он позволяет использовать энергетические ресурсы, которые без этого спроса было бы трудно использовать.Спрос на централизованное теплоснабжение также делает возможным комбинированное производство тепла и электроэнергии.

Централизованное теплоснабжение подходит тем больше, чем больше плотность тепловой нагрузки (т. Е. Потребность в тепле на единицу площади, например [18]), потому что больше тепла может быть доставлено на метр трубы, проложенной в земле, а затраты на сеть могут быть распределены на большее количество энергии. Поэтому централизованное теплоснабжение в основном используется в больших зданиях, например, в многоквартирных домах и служебных помещениях, таких как больницы, школы и большие офисные здания.Но плотность тепловой нагрузки, которая требуется для того, чтобы централизованное теплоснабжение было экономически выгодным, зависит от затрат на производство тепла [2]. Если теплоотвод , который составляют пользователи централизованного теплоснабжения, позволяет производить электроэнергию или принимать отходы, которые приносят доход, выгоднее строить сети централизованного теплоснабжения в районах с более низкой плотностью тепловой нагрузки, чем если бы биомасса или масло использовались для производства центрального отопления. по отдельности.

В некоторых местах цены на тепло меняются так же, как и затраты на производство тепла в течение года (разд.1.1), чтобы дать потребителям сигнал о том, когда наиболее желательно снизить их потребность в тепле. Дома с централизованным теплоснабжением могут, например, быть менее подходящими для солнечного отопления, потому что централизованное отопление часто происходит за счет избыточных ресурсов, таких как отходящее или отработанное тепло, когда солнечного излучения больше всего.

8.1. Снижение спроса

В настоящее время потребность в тепле снижается из-за повышения температуры наружного воздуха, вызванного усилением парникового эффекта, а также политики, продвигающей дома с низким энергопотреблением, что делает централизованное теплоснабжение менее подходящей формой теплоснабжения.Предполагается, что все новые здания в Европейском Союзе будут почти нулевыми зданиями в 2020 году [19]. Дома с низким энергопотреблением часто имеют толстую изоляцию стен и чердака, окна, пропускающие мало тепла, вентиляцию с рекуперацией тепла и солнечное отопление. Эти более совершенные установки вызывают более высокие инвестиционные затраты, но меньшее потребление энергии снижает эксплуатационные расходы.

Снижение потребности в тепле должно привести к сокращению использования природных ресурсов, таких как ископаемое топливо, и позволить использовать биомассу для других целей, помимо отопления помещений, например для производства автомобильного топлива.Но сокращение потребности в тепле является проблемой для централизованного теплоснабжения и, следовательно, также для возможностей использования источников энергии, которые требуют использования централизованного теплоснабжения, таких как промышленное избыточное тепло. Поэтому важно проанализировать взаимодействие между энергоснабжением и энергосбережением, а также между компаниями централизованного теплоснабжения и зданиями.

Меры по повышению энергоэффективности, такие как улучшенная изоляция стен и улучшение окон, в первую очередь сокращают потребность в тепле зимой и, следовательно, уменьшают сезонные колебания спроса.Это может быть выгодно с точки зрения производства тепла, поскольку установки с высокой нагрузкой нужны меньше, но установки с базовой нагрузкой (раздел 1.1) могут использоваться больше, что снизит эксплуатационные расходы и воздействие на окружающую среду. Но также пострадают и станции с базовой нагрузкой, что может снизить эффективность производства электроэнергии на теплоэлектростанциях.

Оберг и Хеннинг [20] изучали влияние потенциального сокращения потребности в тепле из-за обширных мер по повышению энергоэффективности в существующих зданиях на централизованное теплоснабжение и производство электроэнергии, используя модель оптимизации энергосистемы MODEST (разд.2). В исследуемом шведском городе сокращение потребности в тепле в первую очередь приведет к снижению производства только тепла, тогда как производство ТЭЦ будет меньше. Отношение выработки электроэнергии к теплу для системы даже увеличится, то есть увеличится выработка электроэнергии на единицу поставленного централизованного теплоснабжения. Выбросы двуокиси углерода на месте будут снижены за счет мер по повышению энергоэффективности, поскольку будет использоваться меньше ископаемого топлива. Глобальные выбросы углекислого газа также будут сокращены, хотя менее эффективные угольные конденсационные электростанции должны будут заменить электроэнергию, которая больше не может производиться на ТЭЦ из-за снижения теплоотвода в зданиях.Однако в данном исследовании рассматриваются только существующие электростанции и станции централизованного теплоснабжения [20], тогда как процесс постепенного снижения потребности в тепле в существующих домах будет идти параллельно с реструктуризацией системы теплоснабжения, возможно, включая переход к еще более широкое использование возобновляемых видов топлива. В такой системе будущего меры по энергоэффективности могут не сократить выбросы углекислого газа.

В аналогичном исследовании другого города [21] был изучен комбинированный эффект повышения энергоэффективности в существующих многоквартирных домах и подключения новых низкоэнергетических многоквартирных домов к сети централизованного теплоснабжения с помощью MODEST.Эти изменения не повлияют на глобальные выбросы углекислого газа при взаимодействии с угольными конденсационными электростанциями. Но установки для производства тепла и используемые виды топлива имеют решающее значение для воздействия централизованного теплоснабжения на окружающую среду. В этом случае изменение потребности в тепле приведет, например, к сокращению использования ТЭЦ, работающей на обогащенном углеродом торфе, что приведет к таким же выбросам углекислого газа, как и уголь. Более сильное влияние на производство ТЭЦ по сравнению с ранее упомянутым исследованием также показано соотношением выработки электроэнергии и тепла для системы, которое снижается с увеличением потребности в тепле [21].

8.2. Использование централизованного теплоснабжения при низком спросе

Чтобы сделать использование централизованного теплоснабжения благоприятным для районов с низким спросом на тепло и, таким образом, позволить использовать источники энергии, которые могут использоваться только через систему централизованного теплоснабжения, а также столько же центрального отопления, сколько и Возможно, следует использовать в такой области, но при этом эффективно использовать тепло.

Помимо традиционных целей для горячего водоснабжения и отопления помещений, централизованное теплоснабжение может использоваться для промышленных процессов и всего теплоснабжения бытовых приборов (например,грамм. посудомоечные машины, стиральные машины, сушилки для белья и сушилки для полотенец), которые теперь часто, по крайней мере частично, используют электричество для обогрева. Солнечная энергия на крышах домов может давать электроэнергию вместо тепла, потому что последнее снизит спрос на централизованное теплоснабжение.

Хеннинг [22] обрисовал в общих чертах сценарии более устойчивого энергоснабжения для развития шведского города. В двух случаях здания снабжались централизованным теплоснабжением. В одном из этих сценариев центральное отопление использовалось только традиционным способом для горячего водоснабжения и отопления помещений в обычных, но не неэффективных домах.В другом сценарии были здания с низким энергопотреблением, в которых централизованное теплоснабжение также использовалось для бытовых приборов. Энергия, которая в первом случае только исчезала из зданий, во втором случае использовалась для подачи тепла в посудомоечные машины, стиральные машины, сушильные барабаны и сушилки для полотенец. Первый сценарий предполагал более зависимую от климата потребность в отоплении помещений, частично покрываемую дорогостоящим топливом с высокой нагрузкой (в основном древесной щепой в этом городе), тогда как второй сценарий предусматривал большую базовую нагрузку на бытовую технику, которая могла быть покрыта топливом с меньшие затраты (древесные отходы, [22]).

Для многих промышленных процессов существует потребность в тепле, которая частично или полностью может быть покрыта за счет централизованного теплоснабжения, но в настоящее время обеспечивается за счет топлива или электроэнергии. При необходимости централизованное теплоснабжение может быть дополнено бойлерами для получения желаемых высоких температур. Потребность в тепле в промышленных производственных процессах часто более или менее не зависит от температуры наружного воздуха и имеет лишь небольшие сезонные колебания (кроме праздников), как и горячее водоснабжение. Таким образом, промышленные процессы могут составлять базовый спрос, который предпочтительно удовлетворять за счет установок с базовой нагрузкой, таких как сжигание отходов или ТЭЦ [23].

При более низкой потребности в тепле температура в сетях централизованного теплоснабжения может быть ниже, что означает, что можно использовать избыточное тепло более низкой температуры. Кроме того, на ТЭЦ можно производить больше электроэнергии, потому что тепло, извлекаемое после выработки электроэнергии, может иметь более низкую температуру. Большая часть топливной энергии может дать высококачественную электроэнергию вместо низкокачественного тепла.

9. Полезное использование электроэнергии

Электроэнергия широко используется для целей, вместо которых может использоваться централизованное отопление или охлаждение.Электрическое отопление широко используется в Норвегии (рис. 5), но также и в некоторых других странах. Электричество также обычно используется для кондиционирования воздуха. Переход с электрического отопления или охлаждения на централизованное отопление или охлаждение естественным образом снижает потребление электроэнергии, но если энергия централизованного энергоснабжения поступает от ТЭЦ, переключение может также позволить увеличить производство электроэнергии там, и потребуется меньше другого производства электроэнергии, которое часто осуществляется на угле. конденсационные электростанции. Таким образом, такое переключение энергоносителей оказывает двойное влияние на энергосистему за счет снижения спроса и изменения выработки, что может снизить потребление топлива и выбросы углекислого газа.В Швеции использование централизованного теплоснабжения можно было бы увеличить на 25%, если бы все электрическое отопление в несельских районах было заменено центральным отоплением [14].

Рисунок 5.

Северный рынок тепла (Источник: Norsk Bioenergiforening (NoBio)

С эксергетической точки зрения электричество не следует использовать для отопления. Это особенно очевидно, если электроэнергия производится с низкой эффективностью и топливо, которое одновременно является дорогостоящим и экологически безвредным. С другой стороны, было бы труднее возразить против использования электроэнергии, если бы энергия вырабатывалась за счет гидроэнергетики с низкими производственными затратами и без выбросов.Это также одна из основных причин довольно высокой доли электроэнергии на некоторых рынках тепла, показанных на рис. 5. Существуют разные причины, по которым в некоторых местах широко используется электрическое отопление, но смещение в район отопление или другие виды отопления, в которых используются возобновляемые источники, следует рассматривать как необходимую меру для достижения целей в области энергетики и окружающей среды. С точки зрения скандинавских стран, где доля возобновляемых источников энергии в производстве энергии высока, переход от отопления на основе электроэнергии предоставит огромные возможности для достижения национальных и международных целей политики, позволив неиспользованной электроэнергии вытеснить менее экологически безвредное производство электроэнергии.Транспортный сектор, который в настоящее время является одним из основных источников выбросов углекислого газа, может в качестве альтернативы выиграть от перехода энергоносителей на электричество. Однако это зависит от зрелости и эффективности технологии электромобилей.

10. Выводы

Централизованное теплоснабжение — это комплексная концепция теплоснабжения от топлива через производство и распределение тепла потребителям. Системы централизованного теплоснабжения являются ценными активами, которые позволяют эффективно использовать ресурсы.

Основными преимуществами централизованного теплоснабжения являются низкий спрос на первичную энергию из-за высокой энергоэффективности, высокая надежность снабжения за счет использования внутренних возобновляемых источников энергии, если таковые имеются, а также небольшие выбросы углекислого газа благодаря низкому использованию ископаемого топлива и высокая эффективность преобразования.

Централизованное теплоснабжение позволяет использовать энергоресурсы, которые трудно использовать в отдельных зданиях и которые в противном случае могут быть потрачены впустую, например, промышленное избыточное тепло, бытовые отходы и тепло от выработки электроэнергии на теплоэлектроцентралях.

Сжигание отходов с рекуперацией тепла для централизованного теплоснабжения может использоваться с очень низкими затратами. Избыточное тепло от промышленных предприятий можно использовать в системах централизованного теплоснабжения, вместо того, чтобы выбрасывать его в воздух или воду. Централизованное теплоснабжение также дает возможность когенерации электроэнергии и тепла с высокой эффективностью. Таким образом, централизованное отопление обеспечивает рентабельное теплоснабжение с меньшим воздействием на окружающую среду.

Централизованное охлаждение, например, с помощью абсорбционно-охлаждающих устройств, позволяет экономить электроэнергию и может увеличить выработку электроэнергии на ТЭЦ.Чтобы эффективно использовать биомассу в энергетических целях, ее можно поставлять на многогенерирующие установки, где она дает тепло, пар, электричество, охлаждение и автомобильное топливо.

Использование, например, топлива из биомассы снижает зависимость от импортного ископаемого топлива. Эффективным предприятиям требуется меньше топлива, что снижает уязвимость энергоснабжения. Глобальное потепление и более совершенные дома снижают потребность в тепле. Использование централизованного теплоснабжения для дополнительных целей позволяет увеличить использование энергетических ресурсов, которые в противном случае могут быть потрачены впустую.

11. Перспективы

Компании и организации в хорошо развитых странах централизованного теплоснабжения обладают обширными знаниями, которые могут способствовать развитию централизованного теплоснабжения в других странах. Такие участники могли бы помочь в создании систем централизованного теплоснабжения, начиная с поставок топлива и заканчивая тепловыми установками и сетями и заканчивая контрактами с потребителями. Это будет способствовать процветанию промышленности для всех сторон и поможет построить устойчивые энергетические системы в Европе [17].

Правительству на всех уровнях следует признать централизованное теплоснабжение средством повышения эффективности использования энергии, повышения надежности энергоснабжения и снижения воздействия на окружающую среду, а их политика должна способствовать развитию централизованного теплоснабжения.

Централизованное отопление и охлаждение могут быть ключом к устойчивым местным энергетическим системам, которые связывают избыток энергии и потребность в энергии при различных температурах. Региональные сети отопления и охлаждения могут снабжаться различными источниками тепла и холода. В таких системах предложение и спрос на энергию могут быть согласованы, например, промышленные излишки тепла, горячая вода для посудомоечных машин и охлаждение помещений, продукты питания и вода.

Европейская отрасль централизованного теплоснабжения стремится к учету и контролю источников и потребителей тепла, которые соответствуют и оптимизируют источники энергии и спрос.Видение предусматривает, что ИТ, интеллектуальные приборы учета в реальном времени и интеллектуальные подстанции для отдельных клиентов в будущем позволят идентифицировать, согласовывать и регулировать входы и выходы энергии, чтобы оптимизировать взаимодействие между источниками энергоснабжения и различными температурами. требования покупателей [24].

Внедрение новых систем централизованного теплоснабжения и модернизация старых может привести к созданию оптимальных энергосистем от леса до жилого помещения.

Области применения пиролиза: Топ 20

Поскольку в отрасли происходит так много всего, может быть трудно догнать все возможности.Вот наш обзор 20 самых интересных приложений пиролиза и бизнес-моделей для процесса Biogreen®.
Узнайте свое и дайте нам знать, связавшись с нами!

ВАЛОРИЗАЦИЯ БИОМАССЫ

Во всем мире производятся большие количества остаточной биомассы, и они ждут устойчивых методов их дальнейшего управления. Они часто продаются в качестве топлива по относительно низким рыночным ценам. Тем не менее, остаточная биомасса может быть привлекательным ресурсом для процесса пиролиза Biogreen®, предлагая множество способов повышения ее добавленной стоимости и производства биопродуктов, пользующихся большим спросом на рынке.В Biogreen® мы называем этот процесс валоризацией биомассы.

1. Биочар и производство тепла / пара

Пиролиз позволяет преобразовать чистую древесную биомассу в биоуголь в качестве функционального материала (питательное вещество почвы, продукт биоремедиации, фильтрующий материал и многое другое). Возможность изменения условий эксплуатации в Biogreen® открывает уникальную возможность производить собственный функциональный материал. Кроме того, энергия, произведенная в процессе, может быть преобразована в полезное тепло (для сушки), пар (для промышленных целей) или другие формы энергии.

2. Производство биогенного угля и твердого топлива

Низкотемпературный процесс торрефикации и карбонизации биомассы позволяет получать высококачественное теплотворное топливо с теплотворной способностью от 21 до 29 МДж / кг, подходящее для рынков электроэнергетики. Благодаря адаптируемым условиям обработки системы Biogreen® процесс может осуществляться в точном соответствии с требуемыми свойствами твердого топлива. Небольшие количества теплоносителя, полученные в процессе, могут быть дополнительным ресурсом для сушки.

3. Применение жидкого дыма

Стандартизированные и контролируемые условия пиролиза в установке Biogreen® позволяют получать высококачественное масло из древесной биомассы. После дальнейшей очистки пиролизное масло может быть сертифицировано для многих приложений, в том числе для рынков пищевых ароматизаторов и пищевых ароматизаторов. Дополнительным преимуществом является получение качественного биоугля и тепла, что может быть добавленной стоимостью для проекта.

4. Производство древесного уксуса

Пиролигнистая кислота, также называемая древесным уксусом, представляет собой уникальный продукт, который может быть получен в процессе пиролиза биомассы при извлечении конденсата из образовавшихся паров.Его основные компоненты — уксусная кислота и метанол. Древесный уксус — это продукт, широко используемый для отпугивания вредителей, цветущих растений и улучшения почвы. Как материал биологического происхождения, он удовлетворяет быстро растущий спрос на мировом рынке. Дополнительным преимуществом может быть одновременное производство biochar и тепла (см. Пункт 1).

5. Возобновляемые синтетические газы (h3, Ch5)

Синтез-газ, полученный в процессах пиролиза биомассы, представляет собой смесь интересных молекул, содержащих не только CO, CO2 и азот, но также значительные количества h3, Ch5 и высших углеводородов.Кроме того, количество этих молекул может быть увеличено за счет последующей обработки синтез-газа, что делает процесс полезным источником биомолекул. Для этой цели ETIA в настоящее время разрабатывает специальные процессы. Одновременное производство биоугля и масла может быть дополнительным преимуществом для бизнес-модели.

Валоризация осадка сточных вод

Управление осадком сточных вод становится все более серьезной проблемой для окружающей среды. После сушки пиролизная обработка осадка сточных вод Biogreen® открывает новый путь превращения этого материала в твердое топливо или тепло без ненужной транспортировки и логистики, связанных с перемещением осадка в большие централизованные центры управления.

6. Карбонизация осадка

Низкотемпературный или среднетемпературный пиролиз сухого осадка сточных вод позволяет получить стерилизованный, простой в хранении продукт без запаха, который может быть использован в качестве возобновляемого источника энергии. Благодаря адаптивности Biogreen® к условиям обработки вы можете выбирать степень обработки, чтобы не перегревать материал и сохранить его важные топливные свойства.

7. Нагревание осадка

Высокотемпературный пиролиз — это процесс, в котором Biogreen® работает при температуре 800 ° C, направленный на максимальное разложение осадка и получение как можно большего количества теплотворного синтез-газа, который может быть источником энергии для сушки.Благодаря этому типу обработки Biogreen® может достигать высоких показателей сокращения и непрерывно вырабатывать энергию, чтобы минимизировать OPEX вашей сушилки.

Стоимость пластмасс и RDF / SRF

Пластик и отходы, содержащие пластмассу, представляют собой глобальную проблему для окружающей среды, которую часто необходимо решать на местном уровне и в небольших масштабах. Biogreen® обеспечивает постоянное локальное решение этой проблемы прямо в том месте, где это необходимо, позволяя получать продукты с добавленной стоимостью в виде энергии, синтез-газа и масла.

8. Пластмассы для нефти, энергии и тепла

Пластиковый мусор — это материал с высоким содержанием энергии, который можно преобразовать в высококачественный синтез-газ и масло. Синтез-газ — это теплотворная смесь молекул (Ch5, C2H6, h3 и др.), Которые после очистки могут быть эффективно преобразованы в энергию (пар, тепло, электричество). Пиролизное масло — это высокоэнергетическая смесь углеводородов, которая может быть использована во многих отраслях промышленности.

9. Пластмассы для обогрева — замена обычного топлива в котлах

Операторы промышленных газовых котлов, работающих на природном газе, часто ищут возможность снижения затрат на обычное топливо.Пиролиз может быть полезным процессом для этой цели. Высокотемпературный процесс Biogreen® позволяет получать синтетический газ с энергетической ценностью, сопоставимой с природным газом. С помощью специально разработанной горелки вы можете заменить природный газ в существующем котле и продолжить работу без инвестиций в новое оборудование, управляя собственными отходами на месте и используя их энергетическую ценность.

10. RDF для энергии и тепла

Гранулированные фракции бытовых отходов с высокой теплотворной способностью могут быть идеальным сырьем для процесса Biogreen®.Высокотемпературный непрерывный пиролиз позволяет производить синтез-газ высокого качества, который затем может подаваться в генераторную установку или ТЭЦ, производя электричество, тепло или пар. Масло и уголь от этого процесса могут быть потенциальной выгодой или побочными продуктами, и их необходимо проверять в соответствии с вашим собственным составом отходов.

11. Пластмассы / RDF на водород

Этот эксклюзивный процесс все еще находится в стадии разработки ETIA как одно из самых многообещающих направлений валоризации отходов в будущем. И пластмассы, и отходы RDF могут быть преобразованы в качественный синтез-газ, который затем можно подвергнуть дальнейшей переработке, чтобы повысить содержание в нем водорода.Эта особенность позволяет получать большие количества возобновляемых молекул из малоценных остатков.

12. Пластмассы / RDF в метан

Как одна из разработок с наивысшим рыночным потенциалом, ETIA работает над созданием процесса получения возобновляемого метана из фракций теплоносителя. Установка сочетает в себе передовые технологии высокотемпературного пиролиза (Biogreen®), процессов очистки газа и метанирования с целью получения метана, пригодного для закачки в транспортную сеть.

Резина из отработанных шин

Во многих странах использованные шины рассматриваются как проблемные отходы, от которых трудно избавиться. Технология Biogreen® решает эту проблему, предоставляя возможность локальной обработки резины из использованных шин и создания ценных продуктов в результате пиролизной конверсии.

13. Восстановленный технический углерод (reCB) и тепло

Восстановленная сажа — это материал, полученный из твердого продукта процесса пиролиза шин.Дальнейшая обработка позволяет ему развивать многие полезные свойства, которые делают продукт reCB с высокой добавленной стоимостью, который можно рассматривать как наполнитель для резиновой промышленности, красок и покрытий, производства чернил и многих других промышленных применений. Переработанная сажа, получаемая при пиролизе шин, становится все более популярной, поскольку она является экологически чистой альтернативой углеродной саже, полученной с помощью процессов на основе нефти. Кроме того, пиролиз Biogreen® позволяет получать смесь газов с теплотой сгорания, которая может быть источником тепла для ваших производственных процессов и дать дополнительный источник дохода для вашего проекта.

14. Восстановленный технический углерод (reCB) и CHP

Производство reCB (см. Выше) можно комбинировать с более совершенными методами использования синтез-газа для выработки пара, тепла и электричества — в зависимости от ваших индивидуальных потребностей. Непрерывный процесс Biogreen® в сочетании с подходящим вспомогательным оборудованием может позволить производить полезный reCB в качестве функционального материала, пара и горячей воды для централизованного теплоснабжения.

Химические процессы

Возможное использование Biogreen не ограничивается отраслями управления отходами и биомассой.Наши технологии широко используются в химической, фармацевтической и пищевой промышленности для получения специальной обработки материалов и улучшения их свойств. Управляемость системы Biogreen позволяет получить конкретные и точные условия обработки, которые невозможно достичь с помощью других традиционных методов лечения.

15. Сушка химических продуктов

Многие определенные химические вещества требуют точной и непрерывной термической обработки в атмосфере с ограниченным воздухом, что предотвращает их окисление и другие нежелательные реакции.Точно адаптированные условия Biogreen® позволяют системе удалять воду, улучшать, карбонизировать и обрабатывать химические вещества различными способами.

Разные материалы

16. Валоризация древесины, обработанной CCA

Древесина, обработанная хромированным арсенатом меди (CCA), представляет собой опасные отходы, получаемые обычно из использованных телефонных столбов, железнодорожных шпал, силосов, кабельных барабанов и всех видов древесины, пропитанной промышленным способом. Поскольку сгорание этого материала приводит к выделению токсичных газов, альтернативные методы очистки пользуются большим спросом.Пиролиз древесины CCA может быть хорошим ответом на растущую проблему утилизации, позволяя восстанавливать энергию и улавливать загрязнители в твердых остатках.

17. Регенерация активированного угля

Непрерывный пиролиз в процессе Biogreen® позволяет испарять различные вещества, присутствующие в материале. Это открывает возможность регенерации загрязненных активированных углей. За счет контролируемого повышения температуры в процессе пиролиза с ограничением по воздуху активированный уголь может быть очищен от летучих загрязнителей и повторно использован на вашем промышленном предприятии.

18. Восстановление алюминия

Когда алюминий присутствует в отходах, но в сочетании с другими материалами, такими как текстиль, бумага или пластик, процесс пиролиза может помочь эффективно удалить термически разлагаемые материалы, оставляя алюминий пригодным для восстановления.

19. Валоризация водных растений

Водные растения и водоросли становятся все более привлекательным сырьем для процесса пиролиза. Потенциальное производство химических веществ с добавленной стоимостью с использованием процесса пиролиза Biogreen® обеспечивает экологичное и экономичное решение для производства материалов из биологических источников на рынке.

20. Химическая обработка осадка

Пиролиз химических шламов, содержащих загрязнители, которые обычно окисляются и вызывают проблемы в процессах сжигания, является многообещающим ответом на растущие проблемы утилизации этого материала. Непрерывный процесс Biogreen® может позволить термически рекуперировать энергию, переносимую в иле, сохраняя при этом опасные вещества в твердом остатке. Объединение системы с генераторными установками и когенерационными установками может позволить не только рекуперировать тепло, но и производить полезный пар и электричество.

Как вы думаете, ваша отрасль или сообщество может использовать одно из перечисленных выше приложений пиролиза Biogreen? Не стесняйтесь, напишите нам по электронной почте!

СВЯЗАТЬСЯ С НАМИ

Попадание в горячую воду: Практическое руководство по системам водяного отопления

Одним из положительных результатов недавнего энергетического кризиса стало развитие и совершенствование технологий использования альтернативных форм энергии.Нигде эти усилия не были более очевидными, чем рост использования древесины в качестве источника топлива. Многие дома на одну семью, построенные в последние годы, предусматривают хотя бы частичное отопление дровами. Некоторые коммерческие, промышленные и сельскохозяйственные предприятия, которым требуется большое количество тепла, также либо перешли на древесину, либо рассмотрели ее.

Одним из наиболее удобных, эффективных и рентабельных способов, с помощью которых жилые, сельскохозяйственные и небольшие коммерческие пользователи могут пользоваться преимуществами энергии на базе древесины, является использование системы водяного отопления (часто называемой гидравлической).Системы горячего водоснабжения, работающие на древесном топливе, особенно подходят для малых и средних предприятий. Основное преимущество этих систем состоит в том, что они обеспечивают постоянный нагрев при относительно нечастой загрузке. Они также безопасны и могут сжигать недорогое древесное топливо во многих различных формах. Хотя этой технологии как минимум 200 лет, сегодня стоит подумать о ней.

Расширение биологической и сельскохозяйственной инженерии в Государственном университете Северной Каролины спроектировало и протестировало ряд гидравлических систем различных размеров за последние годы.Планы для этих систем доступны за небольшую плату. В настоящее время в Северной Каролине действует несколько тысяч жилых систем горячего водоснабжения, работающих на дровах. Кроме того, около 60 единиц используется для сушки табака и около 300 — для обогрева теплиц. Хотя многие из этих систем были построены на основе проверенных планов, некоторые — нет. Проблемы в системе часто возникают из-за того, что не были учтены некоторые важные конструктивные или эксплуатационные требования.

Для эффективной работы важно понимать и соблюдать определенные основные правила.Эта публикация предоставляет оператору системы водяного отопления важную базовую информацию об этом типе системы и ее работе. В первых двух разделах описывается система горячего водоснабжения и ее части, объясняются функции каждой части и даются некоторые простые расчеты конструкции для тех, кто хочет построить свою собственную систему. Третий раздел поможет читателю развить понимание древесного топлива, а четвертый описывает и объясняет экономику систем горячего водоснабжения.

В системе водяного отопления вода используется для хранения тепловой энергии и передачи ее от горящего топлива к месту, где будет использоваться тепло.Все системы горячего водоснабжения (гидроники) состоят из пяти основных частей:

  • Топка , камера, в которой сжигается топливо;
  • резервуар для воды , в котором тепло поглощается и сохраняется;
  • Насос и трубопроводная система для транспортировки нагретой воды;
  • Теплообменник для отвода тепла там, где оно необходимо;
  • Система управления для управления скоростью использования тепла.

При проектировании водонагревателя на дровах важны три фактора:

  1. Сжигание . Система должна быть спроектирована так, чтобы топливо сгорало максимально полно.
  2. Теплообмен . Конструкция должна позволять как можно большему количеству выделяемого тепла попадать в воду.
  3. Сохранение тепла . Система должна позволять как можно меньше тепла уходить неиспользованным.

Самая важная часть любой системы горячего водоснабжения — топка или камера сгорания.Если он неправильного размера или плохо спроектирован, производительность всей системы пострадает. Самая частая проблема домашних систем горячего водоснабжения — это плохо спроектированная топка. К сожалению, это также одна из самых сложных проблем, которые можно решить без изменения конструкции и восстановления топки.

Как горит древесина

Чтобы оценить необходимость правильно сконструированной топки, необходимо понимать, как горит дрова. Горение (горение) — это процесс, при котором кислород химически соединяется с топливом, выделяя тепло.Тепло также необходимо для запуска процесса. Однако, однажды начавшись, реакция может быть самоподдерживающейся.

Большинство людей знает, что для сжигания необходимы топливо и кислород. Однако многие не осознают, что тепло также необходимо. Многие проблемы в системах водяного отопления связаны с недостаточным нагревом камеры сгорания.

Двумя основными компонентами древесины являются целлюлоза и лигнин. Эти два химических вещества состоят в основном из углерода, водорода и кислорода.Когда температура древесины повышается, некоторые из летучих веществ, содержащихся в дереве, — вода, воск и масла — начинают выкипать. При температуре около 540 ° F тепловая энергия приведет к разрыву атомных связей в некоторых молекулах древесины. Когда тепловая энергия разрывает связи, которые удерживают вместе атомы, составляющие лигнин или целлюлозу, образуются новые соединения — соединения, которых изначально не было в древесине. Этот процесс известен как пиролиз. Эти новые соединения могут быть газами, такими как водород, оксид углерода, диоксид углерода и метан, или они могут быть жидкостями и полутвердыми веществами, такими как смолы, пиролитовые кислоты и креозот.Эти жидкости в виде мелких капель и полутвердых частиц вместе с водяным паром составляют дым. Дым, выходящий из трубы (дымохода) несгоревшим, является потраченным топливом.

Поскольку температура продолжает расти, производство пиролитических соединений резко возрастает. При температуре от 700 до 1100 ° F (в зависимости от присутствующих пропорций) кислород соединяется с газами и смолами с выделением тепла. Когда это происходит, происходит самоподдерживающееся горение.

В какой-то момент во время горения куска дерева все смолы и газы будут удалены.Остается в основном древесный уголь. В обиходе мы говорим, что древесина сгорела дотла. Эти угли медленно горят снаружи и почти без огня. Количество угля или древесного угля, которое остается после того, как другие части древесины выкипят, зависит в первую очередь от породы древесины, а также от того, как быстро и при какой температуре она была сожжена. Как правило, чем быстрее и горячее сгорает кусок дерева, тем меньше древесного угля остается в виде углей.

Лучше всего быстро обжечь дрова, чтобы получить от них максимум тепла.Медленный дымный огонь может расходовать до трети тепловой энергии топлива. Для эффективного горения огонь должен получать достаточно кислорода. Высокая дымовая труба, механический вытяжной вентилятор или то и другое обычно используются для обеспечения достаточной тяги (потока воздуха в топку).

Однако существуют пределы того, как быстро можно заставить дерево гореть. Если воздух нагнетается в камеру сгорания слишком быстро, он имеет тенденцию «задуть» огонь. Результат почти такой же, как недостаток воздуха.

Слишком большое количество воздуха в камере сгорания также может привести к вздутию воздуха.Дыхание на самом деле представляет собой серию взрывов, возникающих в результате сильного смешивания воздуха и древесных газов. Чаще всего это происходит, когда свежее топливо добавляется в слой очень горячих углей. Сильное тепло от углей может вытеснять большие объемы горючих газов, которые периодически воспламеняются по мере поступления кислорода. Эти взрывы редко вызывают какие-либо повреждения системы, но возникающий в результате обратный огонь может вызвать ожоги и летящий пепел.

Многие соединения образуются при горении древесины. Только в дыме было идентифицировано более 160 различных видов.В наибольшем объеме выделяются окись углерода, метан, метанол и водород. Хотя эти соединения будут гореть при относительно низких температурах, большая часть оставшихся выделенных соединений, таких как дым и смола, не сгорит полностью, пока температура не достигнет более 1000 ° F. Таким образом, для полного сгорания необходима горячая топка.

В большинстве хорошо спроектированных систем горячего водоснабжения топка окружена водой. По этой причине такие системы иногда называют водяными плитами.«В агрегатах этого типа стенки топки поглощают большую часть выделяемого тепла. Вода сохраняет стенки топки относительно прохладными, что приводит к хорошей теплопередаче, но не способствует хорошему сгоранию. В большинстве случаев необходимо изолировать стены и пол топку с огнеупорным кирпичом. огнеупорным кирпичом замедляет движение тепла от огня и тем самым повышает эффективность сгорания.

Обычный красный строительный кирпич, особенно с отверстиями, подходит для облицовки топки не хуже, чем белый огнеупорный кирпич.Хотя красный кирпич не столь эффективно, он стоит около одной пятой столько, сколько белого огнеупорного кирпича.

Конструкция топки

На рис. 1 показано поперечное сечение типичного водонагревательного устройства. Очень важно, чтобы камера сгорания с водяной рубашкой была достаточно большой. Он должен быть такого размера, чтобы не только принимать заряд топлива, но и оставлять место для полного сгорания расширяющихся дымовых газов, прежде чем они потеряют слишком много тепла и перейдут в дымовые трубы.

Одна из наиболее распространенных проблем домашних систем горячего водоснабжения заключается в том, что камера сгорания слишком мала для нормального сгорания. В этом случае трудно разжечь огонь достаточно горячим; он имеет тенденцию курить, даже когда ему дают много воздуха. Если топка уже не слишком мала, добавив огнеупоры подкладки может помочь, потому что это сделает огнь гореть более горячее. Иногда, однако, единственным выходом является замена топки на более крупную.

Мощность системы горячего водоснабжения можно описать двумя способами: с точки зрения ее мощности горелки или сгорания и с точки зрения ее способности аккумулировать тепло.(Последнее будет обсуждаться в другом разделе.) Мощность горелки системы определяется как наибольшее количество тепла, которое горелка может выделить из топлива за определенный период времени. Производительность горелки можно рассматривать как практический предел устойчивой мощности системы. Если вы продолжите увеличивать скорость, с которой топливо подается в камеру сгорания, в конечном итоге будет достигнута точка, когда топливо будет потребляться с той же скоростью, что и добавлено. В этот момент горелка работает с номинальной мощностью.Более быстрое добавление топлива может фактически помешать процессу горения.

С практической точки зрения мощность горелки системы определяется размером топки и тем, насколько хорошо воздух может подаваться и распределяться по топливу. В целом, вы можете рассчитывать получить около 40 000 БТЕ в час на каждый квадратный фут площади решетки при условии, что глубина достаточна. Это означает, что вы можете ожидать около 800000 БТЕ в час от топки 5 футов в длину и 4 фута в ширину.

Между площадью колосниковой решетки и глубиной топки существует более чем случайная зависимость.Топка должна быть максимально глубокой. Большая глубина обеспечивает большее перемещение пламени и лучшее перемешивание поднимающихся горячих газов для улучшения сгорания. В общем, глубина должна быть равна или больше наименьшего размера решетки. Например, если размер решетки составляет 5 на 8 футов, глубина топки должна быть не менее 5 футов. В таблице 1 показано предполагаемое соотношение между объемом топки и емкостью системы. Размеры не указаны, потому что размер и форма резервуара для хранения воды и свободное пространство, необходимое для пожарных труб, ограничивают глубину топки.Важно помнить, что высокие тонкие топки лучше, чем короткие толстые.


Таблица 1. Соотношение между производительностью системы и объемом камеры сгорания.
Производительность системы (БТЕ / ч) Объем камеры сгорания (куб. Фут)
50 000 2
100 000 5
200 000 9
300 000 27
400 000 40
500 000 75
750 000 100
1 000 000 200
2 000 000 400
3 000 000 500

Выбор вытяжного вентилятора

Практические ограничения размеров топки и конструкции дымовой трубы обычно требуют создания тяги с помощью вентилятора.Были использованы следующие устройства и их комбинации:

  • Вентилятор для подачи свежего воздуха под решетку;
  • Баллончик для нагнетания свежего воздуха в топку над решеткой;
  • Вытяжной вентилятор для подачи свежего воздуха в топку и через систему.

Использование вентиляторов для подачи воздуха в камеру сгорания имеет то преимущество, что вентиляторы остаются чистыми и охлаждаются воздухом, который они перемещают. Недостатком является то, что дым и искры могут выходить из любой трещины в топке, потому что давление внутри топки выше, чем снаружи.Если используется вытяжной вентилятор, любые утечки происходят внутрь. Недостатком является то, что тепло и копоть в дымовой трубе сильно влияют на систему вентиляторов, хотя существуют вентиляторы, разработанные специально для этой цели.

Скорострельность зависит от тяги. Вентилятор или вентиляторы с принудительной тягой должны подавать достаточно кислорода для максимальной ожидаемой скорости горения, но не должны обеспечивать больше этого количества. Слишком много воздуха охладит огонь и выбросит пепел в дымовые трубы. Например, чтобы определить размер стекового вентилятора, предположим, что максимальная мощность системы составляет 2 миллиона БТЕ в час.

2000000 БТЕ / час ÷ 6680 БТЕ / фунт древесины = 300 фунтов древесины / час

Для сжигания 1 фунта дров требуется около 6 фунтов воздуха. Следовательно, потребность в воздухе составляет:

6 фунтов воздуха / фунт древесины x 300 фунтов древесины / час = 1800 фунтов воздуха / час

Один фунт воздуха эквивалентен примерно 13,5 кубическим футам. Таким образом, необходимый объем воздуха составляет:

1800 фунтов воздуха / час x 13,5 кубических футов / фунт воздуха = 24 300 кубических футов воздуха / час или 405 кубических футов / мин (куб. Футов в минуту)

Обычно для эффективного сгорания требуется около 50 процентов избыточного воздуха.Следовательно, требуемый объем:

405 куб. Футов в минуту x 1,5 = 608 куб. Футов в минуту

Так как мы определяем объем воздуха и газов, перемещаемых вытяжным вентилятором, мы должны учитывать добавление продуктов сгорания и влажности древесины к дымовым газам. Для древесины с влажностью 20 процентов, влажная основа (w.b.), отношение объема дымовой трубы к входящему воздуху составляет 1,16 моль дымовых газов на моль свежего воздуха.

Это соотношение рассчитано исходя из 100-процентного сгорания. Таким образом, объем выходящих продуктов сгорания составляет:

608 кубических футов в минуту входящего воздуха x 1.16 = 705 куб. Футов / мин

Наконец, объем необходимо отрегулировать в соответствии с температурой. Закон Чарльза гласит, что объем газа линейно увеличивается с его температурой. Чтобы использовать закон Чарльза, температуры по Фаренгейту должны быть преобразованы в температуры по шкале Ренкина (R), что достигается добавлением 460 ° к температуре по Фаренгейту.

При температуре входящего воздуха 510 ° R (50 ° F) и температуре дымовой трубы 760 ° R (300 ° F) скорректированный объем дымового газа составляет:

760/510 x 705 куб. Футов / мин = 1050 куб. Футов / мин

Таким образом, 608 кубических футов в минуту входящего воздуха соответствует общему объему 1050 кубических футов в минуту, выходящему через дымовую трубу.Подойдет типичный вентилятор мощностью 1100 кубических футов в минуту при статическом давлении воды 1 дюйм. Допущение статического давления воды в 1 дюйм будет более чем достаточно для компенсации газового трения в системе.

Вышеприведенные расчеты можно применить к системам различного размера. Размеры вентиляторов для различных систем указаны в таблице 2.


Таблица 2. Размеры стеклопакетов для различных систем.
Производительность системы (БТЕ / ч) Размер вентилятора стека (куб. Фут / мин при 1 дюйм.давление воды)
50 000 40
100 000 75
200 000 140
300 000 180
400 000 240
500 000 300
750 000 425
1 000 000 550
2 000 000 1,100
3 000 000 1,650

Двери с водяным охлаждением

Одной из наиболее часто встречающихся проблем в системах водяного отопления является деформация дверок топки.Двери должны быть большими для удобной топки. Одна сторона подвержена сильному нагреву камеры сгорания, в то время как другая часто окружена зимними температурами. Возникающие в результате сильные термические нагрузки могут деформировать двери. Хотя дверь, показанная на Рисунке 2, была сделана из стали 1, 2 дюймов с существенным усилением, вскоре она так сильно покоробилась, что ее нельзя было закрыть.

Опыт показал, что эту проблему нельзя полностью устранить, хотя ее можно существенно уменьшить, охладив двери водой.Водяное охлаждение не только предотвращает коробление, но и позволяет рекуперировать больше тепла.

Двери с водяным охлаждением обычно имеют внутреннюю и внешнюю металлические поверхности, разделенные 2- или 3-дюймовыми полостями, через которые может циркулировать вода. Часть выхода циркуляционного насоса воды отводится в полость двери. В полость обычно устанавливаются перегородки для обеспечения хорошей циркуляции и равномерного охлаждения.

Конструкция решетки

Для максимального удобства и эффективности в нижней части топки необходимо предусмотреть решетку.Идеальная решетка позволяет золе просачиваться сквозь нее, но сохраняет большую часть древесины и древесного угля и обеспечивает непрерывный поток воздуха через всю площадь решетки без периодического перемешивания или встряхивания. На каждые 1000 БТЕ номинальной мощности необходимо не менее 5 квадратных дюймов площади решетки. Например, для системы мощностью 200 000 БТЕ / час потребуется:

200 x 5 = 1000 квадратных дюймов

Одна тысяча квадратных дюймов равна примерно 7 квадратным футам. Следовательно, решетки шириной 2 фута и длиной 3 1 2 футов будет достаточно для системы с номинальной производительностью 200 000 БТЕ / час.

Создать удовлетворительную решетку сложно. Лучше всего подходят чугунные решетки, но их трудно найти, они дороги и имеют тенденцию со временем трескаться и выгорать. Пластина из мягкой стали толщиной от 1 2 от дюймов до 1 дюйма будет деформироваться при нагревании, если она не будет хорошо поддерживаться снизу. Однако решетчатые опоры затрудняют удаление золы. Использованные железнодорожные рельсы, перевернутые вверх ногами, с умеренным успехом использовались для формирования решеток. Стандартные 80-фунтовые рельсы, расположенные на расстоянии 1 2 на расстоянии 1 дюйма друг от друга, будут охватывать 6 футов без поддержки.Рельсы изготовлены из марганцевой легированной стали, их трудно сваривать и резать. Однако они умеренно устойчивы к высокотемпературной эрозии и относительно недороги, если покупать их на свалке металлолома.

Накопление древесного угля во время непрерывного горения может привести к закупорке решеток и нарушению циркуляции воздуха. Установка вентилятора высокого давления под решеткой гарантирует поддержание минимального потока воздуха и ускоряет сжигание древесного угля. Остальной воздух для горения может подаваться через вентиляционное отверстие или дополнительный вентилятор над решеткой.

Рис. 1. Типовая система водяного отопления.

Рисунок 2.Двери должны иметь водяное охлаждение, чтобы они не коробились от сильного жара.

Самая заметная часть системы горячего водоснабжения — это бак для воды. Стандартные резервуары для систем водяного отопления доступны в различных размерах, объемах и толщинах стенок.Подземные резервуары имеют более толстые стенки, чем надземные, что делает их намного лучше для сварки. Если у вас есть выбор, лучше использовать короткий резервуар большого диаметра, чем длинный и тонкий, потому что более короткий резервуар имеет меньшую площадь поверхности, что снижает потери тепла и стоимость изоляции. В таблице 3 приведены размеры и вместимость широкого диапазона стандартных резервуаров для хранения нефти.


Таблица 3. Типоразмеры металлических резервуаров для хранения.
Объем (галлонов) Диаметр Длина
500 48 в 64 в
560 42 в 92 дюйм
1 000 49 1 2 дюймов 10 футов
2 000 64 в 12 футов
4 000 64 в 24 футов
6 000 8 футов 16 футов 1 дюйм
8,000 8 футов 21 фут 4 дюйма
10 000 8 футов
10 1 2 футов
26 футов 1 дюйм
15 футов 8 дюймов
12 000 8 футов
10 1 2 футов
31 футов 11 дюймов
18 футов 7 дюймов
15 000 8 футов
10 1 2 футов
39 футов 11 дюймов
23 фута 4 дюйма
20 000 10 1 2 футов 31 фут
25 000 10 1 2 футов 38 футов 9 дюймов
30 000 10 1 2 футов 46 футов 6 дюймов

Хотя лучше всего использовать новый резервуар, многие успешные системы были созданы с использованными резервуарами.Резервуары для хранения отработанного масла часто можно получить просто по запросу. Если вы решили попробовать использованный резервуар, внимательно осмотрите его на предмет дырок или тонких пятен. Также узнайте, какая жидкость хранилась в резервуаре. Внимание! Запрещается сваривать или резать резервуар, который, как вы подозреваете, содержит легковоспламеняющиеся материалы, если он не будет тщательно очищен и вентилирован. Один из методов удаления остатков масла или бензина из большого бака — смешать примерно 2 фунта моющего средства на тысячу галлонов емкости с достаточным количеством воды, чтобы растворить его, и вылить этот раствор в бак.Затем полностью наполните резервуар водой и дайте ему постоять несколько дней, прежде чем слить его и приступить к работе.

Теплоемкость

Как упоминалось в предыдущем разделе, одним из показателей емкости системы является ее способность аккумулировать тепло. Вода — одно из наименее дорогих и наиболее легко перемещаемых и контролируемых веществ. Это также один из лучших известных носителей тепла. Вода может хранить в четыре или пять раз больше тепла, чем камень, в десять раз больше, чем большинство металлов, и примерно в четыре раза больше, чем воздух на единицу веса.Его единственный недостаток заключается в том, что он не может сохранять тепло при температуре выше 212 ° F, если он не находится под давлением. Это ограничивает его пригодность для высокотемпературных приложений. Однако для систем отопления помещений в теплицах и других сельскохозяйственных, коммерческих или жилых помещениях это ограничение обычно не является проблемой.

По определению, одна британская тепловая единица (BTU) — это количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 фунта воды на 1 ° F. Галлон воды весит примерно 8.3 фунта, поэтому тепловая энергия, необходимая для повышения температуры галлона на 100 ° F, составляет:

8,3 фунта x 100 ° F = 830 БТЕ

Для сравнения, для повышения температуры 8,3 фунта гравия на 100 ° F потребуется всего около 166 БТЕ.

Как указывалось ранее, воду нельзя нагревать до температуры выше 212 ° F при атмосферном давлении. Эта температура определяет верхний предел количества тепла, которое может сохранять вода без давления. Нижний предел устанавливается желаемой температурой нагрузки.Например, если в теплице должна содержаться температура 65 ° F, то эта температура является нижним пределом. Разница между верхней и нижней границей,

212 ° F — 65 ° F = 147 ° F

показывает, сколько тепла может удержать данный объем воды.

На самом деле, снижать температуру хранения до нижнего предела непрактично. Скорость передачи тепла к нагрузке (например, от радиаторов к воздуху внутри теплицы) значительно снижается, когда температура нагретой поступающей воды приближается к температуре воздуха нагрузки.По этой причине желательно поддерживать более низкую температуру хранения воды по крайней мере на 35 ° F выше желаемой температуры загрузки. Следовательно, в предыдущем примере нижний предел температуры будет 100 ° F, а разница температур будет не 147 ° F, а

.

212 ° F — (65 ° F + 35 ° F) = 112 ° F

Следовательно, диапазон температур хранения воды ограничен 112 ° F. Используя эту информацию в качестве руководства, теперь мы можем определить, какой объем памяти необходим.

Если заданная тепловая нагрузка определена как 200000 БТЕ в час и желательно иметь 6 часов нагрева после тушения пожара, количество воды должно быть достаточным для хранения:

200000 БТЕ / час x 6 часов = 1200000 БТЕ

Для подъема одного фунта воды на 1 ° F требуется 1 БТЕ.В каждом фунте воды может храниться только 112 БТЕ. Следовательно, необходимое количество воды составляет:

1,200,000 БТЕ ÷ 112 БТЕ / фунт = 10714 фунтов

Поскольку вода весит 8,3 фунта на галлон, 10 714 фунтов воды равны 1291 галлону.

На практике максимальная температура воды редко превышает 200 ° F; следовательно, требуется емкость, немного превышающая 1291 галлон.

Эти расчеты предполагают, что тепло не теряется из резервуара или из труб, по которым вода идет к загрузке и от нее.Эти потери могут быть значительными в зависимости от того, насколько хорошо изолирована труба, расстояния от резервуара до груза и температуры наружного воздуха.

Это очень хорошая идея — установить термометр на выпускной линии резервуара. Это даст точную индикацию температуры воды внутри резервуара. Падение температуры воды более чем на 20 ° F в час является хорошим признаком того, что резервуар для воды слишком мал, поскольку цель системы горячего водоснабжения — обеспечить постоянный источник тепла без необходимости постоянно разжигать огонь.

Также хорошей идеей является установка термометра на линиях с обеих сторон нагрузки — например, на впускной и выпускной линиях радиатора или ряда радиаторов. Это позволяет определить не только, сколько энергии теряется между баком и грузом, но и насколько эффективно радиаторы извлекают тепло из воды.

Для оптимальной конструкции системы емкость накопителя должна основываться на максимальной номинальной мощности горелки, требуемой тепловой нагрузке и максимальном промежутке времени между загрузками топлива.Следующее обсуждение показывает, как взаимодействуют эти три фактора.

Предположим, как в приведенном выше примере, что требуемая средняя тепловая нагрузка составляет 200 000 БТЕ в час. Это означает, что в течение обычного часа работы требуется 200 000 БТЕ тепла. Вероятно, что посреди очень холодной ночи количество необходимого тепла превысит это количество. Но для того, чтобы иметь достаточно тепла, мощность горелки должна как минимум равняться средней нагрузке плюс потери. С практической точки зрения рекомендуется, чтобы горелка была рассчитана на 1,5–2-кратную среднюю тепловую нагрузку.Горелка большего размера может производить тепло для хранения, а также для немедленного использования в периоды средней нагрузки.

Помимо энергии, хранящейся в горячей воде (накопительный бак), в системе также можно хранить тепловую энергию в виде несгоревшей древесины. Это называется хранилищем топки. В ожидании очень холодной ночи оператор теплицы может топить систему в течение дня, чтобы постепенно поднять температуру воды примерно до 212 ° F. Несмотря на то, что вода уже удерживает количество тепла, близкое к максимальному, оператор может снова заполнить топку непосредственно перед тем, как уйти на ночь.Это дополнительное топливо добавляет энергии системе. Горящее топливо может просто заменить уходящее тепло и, таким образом, поддерживать высокую температуру воды. Однако, если дополнительное топливо слишком быстро добавляет слишком много тепла, вода в баке закипит, и энергия будет потрачена впустую в виде пара.

Маловероятно, что система горячего водоснабжения во время реальной эксплуатации будет подвергаться очень большим колебаниям нагрузки. Другими словами, не требуется производить максимальную производительность один час и никакой в ​​последующие.Скорее, постепенное увеличение и уменьшение обычно происходит в течение дня по мере изменения наружной температуры и многих других факторов. С другой стороны, тепло, подаваемое в систему от огня, обычно бывает довольно спорадическим, в зависимости от того, сколько и как часто добавляется топливо. Ценность системы горячего водоснабжения частично основана на ее способности быстро накапливать тепловую энергию, но медленно выделять ее с контролируемой скоростью.

Если горелка вырабатывает больше тепла, чем используется системой, дополнительное тепло будет сохраняться при условии, что емкость аккумулирования не была превышена.При превышении емкости вода закипает. Когда это происходит, избыточное тепло уходит из системы в виде пара. Энергия, необходимая для кипячения воды, просто тратится зря. Частое кипение в системе горячего водоснабжения указывает на то, что горелка слишком велика, или она слишком часто зажигается, или что емкость аккумулирующей тепло системы слишком мала.

Если емкость аккумулирования тепла недостаточна, одно решение — добавить еще один бак. Тандемный резервуар обычно располагается как можно ближе к основному резервуару и соединяется впускной и выпускной трубой и насосом (Рисунок 3).Таким образом, емкость хранилища может быть довольно легко увеличена без нарушения работы остальной системы. Между двумя баками всегда необходимо непрерывно перекачивать воду, чтобы тепло распределялось равномерно. Это можно сделать, добавив дополнительный насос или используя часть потока от существующего насоса, если он имеет избыточную производительность.

Система горячего водоснабжения не является паровой; то есть в системе никогда не бывает другого давления, кроме давления, создаваемого насосами. Из бака для горячей воды необходимо удалить воздух, чтобы предотвратить повышение давления, когда вода нагревается и расширяется или превращается в пар.Невентилируемый накопительный бак чрезвычайно опасен . В верхней части бака требуется как минимум два вентиляционных отверстия. Еще лучше то, что люк, который обычно вырезается в верхней части резервуара во время строительства, можно оставить открытым, но накрыть куском листового металла.

Изоляция

Необходимо изолировать бак и все трубы, чтобы предотвратить утечку тепла. Для наружных резервуаров подходит полиуретановая изоляция, напыляемая напылением, особенно если она окрашена и защищена от прямого воздействия огня и солнечных лучей.Покрытие толщиной 1 дюйм, обеспечивающее класс изоляции R-7, стоит около 1 доллара за квадратный фут. Например, для резервуара емкостью 2000 галлонов диаметром 64 дюйма и длиной 12 футов изоляция будет стоить приблизительно 250 долларов. В таблице 4 приведены расчетные значения теплоизоляции резервуаров различной толщины из полиуретана.


Таблица 4. Эффективность изоляции трех толщин на большом резервуаре для горячей воды.
Толщина изоляции (дюймы) Значение «R» Тепловые потери (БТЕ / ч) 1 Ежемесячная стоимость потерянной энергии 2 Стоимость изоляции 3
0.0 0,5 200 000 384,00 $ $ 0
0,5 4,0 25 000 48,00 500
1,0 7,5 13 300 25,54 1 000
2,0 14,5 6 900 900 59

13.25 2 000
Примечание: данные в этой таблице основаны на емкости резервуара 15 000 галлонов и площади поверхности 1 000 квадратных футов.
1 Предполагается, что разница температур воды и окружающей среды составляет 100 ° F.
2 При условии, что древесина стоит 40 долларов за шнур.
3 Предполагается, что прикладная стоимость составляет 1 доллар США за квадратный фут на дюйм толщины.

Эта таблица показывает, что затраты на нанесение минимального количества изоляции можно легко оправдать за счет экономии затрат на электроэнергию.Однако дополнительные затраты на изоляцию толщиной более 1 2 дюймов трудно оправдать.

Один из вариантов — разместить систему под односкатной крышей, где ее можно изолировать относительно недорогими войлоками из стекловолокна. Стекловолокно, которое может иметь основу из алюминиевой фольги, может удерживаться на месте проволочной сеткой с крупными ячейками. Стоимость навеса, изоляции, пленки, провода и рабочей силы может быть больше, чем стоимость напыленной полиуретановой изоляции, но этот тип изоляции, вероятно, прослужит намного дольше и даст лучшее значение R.

Защита от ржавчины

Рекомендуется использовать какие-либо меры по предотвращению ржавчины для защиты внутренней части резервуара и труб от коррозии. Существует ряд доступных коммерческих химикатов, предназначенных в первую очередь для использования в высокотемпературных котлах. Некоторые из них были бы довольно дорогими в количестве, необходимом для защиты системы горячего водоснабжения средних размеров.

Один метод, который был признан подходящим для систем горячего водоснабжения, — это добавление некоторых относительно недорогих химикатов для повышения pH воды.Среди них карбонат калия, карбонат натрия (стиральная сода) и гексаметафосфат натрия (Калгон). Эти химические вещества предотвращают коррозию, покрывая металлические стенки систем. Из упомянутых выше химикатов лучше всего работает Калгон. Его можно купить в большинстве продуктовых магазинов. Используйте 5 фунтов на каждые 1000 галлонов воды. В нормальных условиях ни один из этих химикатов не разлагается и, следовательно, остается активным в системе в течение длительного времени.

Пожарные

Хотя некоторое количество тепла проходит к воде через стенки топки, основной путь тепла от огня к воде проходит через дымовые трубы.Большинство систем спроектировано так, что горячие газы, выделяемые при пожаре, проходят через серию пожарных труб, которые проходят от одного конца резервуара для хранения к другому. Во многих системах газы проходят через резервуар более одного раза.

Очень важно, чтобы количество и размер пожарных трубок были достаточными, чтобы большая часть тепла передавалась от горячих газов воде до выхода газов. Как показывает практика, на каждые 2000 БТЕ номинальной мощности требуется около 1 квадратного фута площади теплообмена.Например, если система рассчитана на производство 200 000 БТЕ в час, потребуется около 100 квадратных футов площади теплообмена. Эта область может включать охлаждаемую водой поверхность топки, а также сами дымовые трубы. Обе эти области часто называют поверхностью очага.

Для расчета площади используется внешний диаметр трубок. В таблице 5 перечислены несколько часто используемых размеров стандартных труб, а также их фактический внешний диаметр и количество ходовых футов, необходимых для получения 1 квадратного фута площади поверхности.


Таблица 5. Линейные футы на квадратный фут площади поверхности для обычных стальных труб.
Номинальный размер трубы (дюймы) Внешний диаметр (дюймы) Линейных футов на квадратный фут внешней площади
1/2 0,840 4,55
3/4 1.050 3.64
1 1,315 2,90
1 1/4 1,660 2.30
1 1/2 1.900 2,01
2 2,375 1,61
2 1/2 2,875 1,33
3 3.500 1,09
3 1/2 4.000 0,95
4 4.500 0,85
4 1/2 5.000 0,76
5 5,563 0,67
6 6,625 0,58

Правильный размер трубы зависит от ряда факторов.В примере системы с производительностью 200 000 БТЕ в час требуется 100 квадратных футов площади теплообмена. Из таблицы 1 рекомендуемый объем топки составляет 9 кубических футов. Подходящая топка с таким объемом должна иметь длину 1 1 2 футов, ширину 2 фута и высоту 3 фута. Площадь топки составляет 27 квадратных футов (включая дверь с водяным охлаждением). Таким образом, топка обеспечит 27 квадратных футов необходимых 100 квадратных футов. Остальные 73 квадратных фута должны обеспечивать пожарные трубы.

Чтобы найти длину трубы заданного диаметра, необходимую для обеспечения желаемой площади поверхности, умножьте числа в третьем столбце таблицы 5. Например, если вы выбрали 1 1 2 -дюймовая труба, умножьте 73 погонных футов на 2,01:

73 футов x 2,01 фут / кв. Фут = 146,72 футов

Около 147 погонных футов 1 1 2 -дюймовой трубы требуется для получения 73 квадратных футов площади теплообмена. С другой стороны, если вы используете 3-дюймовую трубу, вам понадобится всего около 80 футов:

73 фута x 1.09 фут / кв фут = 79,73 фут

Какой размер лучше? Если рассматривать строго с точки зрения затрат, нет большой разницы между 147 футами трубы 1 1 2 дюймов и 80 футами трубы 3 дюйма. Однако сваривать трубу большего размера намного проще. Кроме того, необходимо время от времени очищать внутреннюю часть трубы от золы, сажи и других отложений. Очистить более короткую длину и большую трубу проще. Однако большее количество труб меньшего размера будет несколько более эффективным в передаче тепла.Опыт показал, что в целом лучше всего подходят трубы диаметром от 2 до 3 дюймов.

Отложения золы в дымовых трубах значительно снизят скорость теплопередачи. Хорошо иметь способ определить, насколько хорошо они работают. Один из лучших и наименее дорогостоящих методов — разместить высокотемпературный термометр в точке, где газы покидают пожарные трубы и запускают дымовую трубу. Чем ближе температура воды, тем эффективнее отвод тепла от пожарных труб. Температура газа от 300 до 350 ° F указывает на эффективную теплопередачу.Температура газа более 450 ° F указывает на то, что площадь теплообмена слишком мала или на дымовые трубы нанесено покрытие.

Стратификация

Любопытное состояние иногда возникает в средних и больших системах. Несмотря на то, что топка постоянно топится, и видно, как вода кипит из верхней части резервуара, температура воды, забираемой из резервуара для распределения, составляет всего 170–180 ° F. Такая ситуация возникает в системах, в которых вход и выход находятся около дна резервуара и нет вспомогательного циркуляционного насоса, поддерживающего движение воды.Это состояние называется стратификацией и возникает, когда вода при разных температурах разделяется на отдельные слои, при этом самая теплая вода остается наверху. Стратификация может происходить в любой системе, но обычно более выражена в крупных.

Плотность воды при 100 ° F примерно на 3,5 процента больше, чем при 200 ° F. Подобно воздуху, горячая вода поднимается, а холодная опускается. Чтобы предотвратить расслоение, воду необходимо поддерживать в движении. Один из способов — подсоединить возвратные трубы в верхней части бака над топкой (самая горячая часть системы) и забрать воду из нижней части бака с другого конца.Проблема с этим подходом заключается в том, что распределительные насосы могут не работать все время, и при выключении насосов может возникнуть расслоение.

Лучшее решение — установить непрерывно работающий вспомогательный циркуляционный насос для перемещения воды из самой холодной в самую горячую часть резервуара. Постоянное перемешивание воды предотвратит расслоение. Циркуляционный насос не обязательно должен быть большим, так как необходимо преодолеть очень небольшой напор. Он должен быть способен перекачивать от 0,2 до 0,5 производительности системы в час.Например, система на 2000 галлонов должна иметь насос, способный перекачивать от 400 до 1000 галлонов в час. Обычно достаточно электрического насоса мощностью 1 6 до 1 2 лошадиных сил.

Рисунок 3. Дополнительный резервуар увеличит емкость хранилища.

Трубопровод

Вода не только сохраняет тепло, но и передает тепло туда, где оно используется.Распределительный насос должен иметь подходящий размер для работы. Если насос слишком мал, он не будет перекачивать достаточно тепла к нагрузке. Если он слишком большой, это приведет к потере энергии. Подбор насоса — довольно сложный вопрос, поскольку он зависит от ряда взаимосвязанных факторов. К ним относятся размер груза, расстояние между баком и грузом, количество различных теплообменников в системе и размер используемой трубы. В таблице 6 приведены размеры труб для различных тепловых нагрузок. Эти скорости потока и размеры труб рассчитаны с учетом нормального падения температуры на 25 ° F при прохождении воды через теплообменник.


Таблица 6. Минимальные размеры труб для нагрузок на расстоянии 100 и 300 футов от резервуара.
Нагрузка (БТЕ / ч) Расход (галлон / мин) Диаметр стальной трубы (дюймы) 1
100 футов 300 футов
100 000 8 1 1/4 1 1/2
200 000 16 1 1/2 2
300 000 24 2 2 1/2
400 000 32 2 1/2 2 1/2
500 000 40 2 1/2 3
750 000 60 3 3
1 000 000 80 3 4
1 500 000 120 4 4
2 000 000 160 4 4
1 Для трубы из ХПВХ подходит следующий меньший размер

За исключением жилых помещений, большинство систем горячего водоснабжения поставляют тепло более чем в одно место.Например, несколько отдельных теплиц или помещений для выдержки могут получать тепло от одной и той же системы. Горячая вода подается к каждой загрузке по большим магистральным распределительным и обратным линиям. Каждая нагрузка имеет свой собственный насос и подключена к основным линиям параллельно, что делает ее управляемой независимо (Рисунок 4). Каждое параллельное соединение должно иметь обратный клапан для предотвращения обратного потока, когда тепло не требуется.

Насосы

обычно оцениваются по количеству галлонов в минуту, которые они обеспечивают при определенном напоре или общем сопротивлении.Это полное сопротивление представляет собой сумму сопротивлений каждой отдельной части системы, через которую вода проходит в своем контуре к насосу и от него. Сопротивление обычно выражается в количестве футов «головы», хотя оно также может быть выражено в фунтах на квадратный дюйм. Напор — это гипотетическая высота воды, против которой должен работать насос; чем больше голова, тем больше сопротивление.

По мере увеличения сопротивления расход уменьшается. Например, определенный насос может быть рассчитан на 50 галлонов в минуту на высоте 10 футов, но только 15 галлонов в минуту на высоте 30 футов.Один фут напора эквивалентен 0,43 фунта на квадратный дюйм (psi). При выборе насоса важно выбрать насос, рассчитанный на работу с горячей водой при температурах до максимально ожидаемых.

Во многих системах используются стандартные стальные трубы и резьбовые соединения. Они относительно недорогие и подходят для горячего водоснабжения. В некоторых новых системах используются пластиковые трубы. Полиэтилен (черный пластик) и трубы из ПВХ не выдержат длительного использования горячей воды при умеренном давлении. Однако два типа пластиковых труб — ХПВХ и полибутилен — предназначены для горячего водоснабжения.ХПВХ — это жесткая пластиковая труба, похожая на ПВХ. Если используется труба из ХПВХ, все фитинги, такие как соединители, переходники и колена, также должны быть изготовлены из ХПВХ. Полибутиленовая труба также требует специальных соединителей, но она гибкая и с ней значительно легче работать. Однако он еще не доступен в размерах больше 1 дюйма.

Изоляция труб

Для повышения эффективности важно, чтобы распределительные трубы как к нагрузке, так и от нее были изолированы. Количество тепла, которое может быть потеряно на отрезке трубы, является значительным и зависит от ряда факторов.К ним относятся температура воды, проходящей через трубу, температуру и движение воздуха, окружающего трубу, тип материала трубы, а также состояние поверхности и толщину стенки трубы. Неизолированная распределительная труба горячей воды может терять от нескольких сотен до нескольких тысяч БТЕ в час, в зависимости от условий и длины.

Если трубы должны быть проложены над землей, будет достаточно покрытия из стекловолокна, защищенного от дождя несколькими слоями устойчивой к солнечному свету пластиковой пленки.Любая изоляция, особенно стекловолокно, пропитанная водой, теряет почти все свои изоляционные свойства. Изоляция труб из пенопласта в виде разъемных трубок также хорошо работает, если она защищена от солнечных лучей.

Трубопровод, прокладываемый под землей, намного труднее изолировать. Просто закапывать трубу в землю без изоляции — очень плохая практика, поскольку влажная холодная почва является очень хорошим проводником тепла. Большинство изоляционных материалов из вспененного пенопласта, например, из пенопласта, изготовлено из пенопласта с закрытыми порами, что означает, что он не пропитается водой и, следовательно, сохранит свои изоляционные свойства под землей.Если вам необходимо проложить трубу под землей, убедитесь, что земля остается как можно более сухой.

Напыляемая полиуретановая изоляция, обычно используемая на резервуарах, может также использоваться для изоляции подземных труб, поскольку она относится к типу с закрытыми ячейками. Чтобы использовать этот метод, вырывается траншея шириной от 4 до 6 дюймов и глубиной от 12 до 14 дюймов. Трубы поддерживаются на расстоянии 2 или 3 дюймов от дна, а в траншею распыляется от 4 до 5 дюймов изоляции, которая полностью окружает и покрывает трубы. После схватывания изоляции траншея засыпается землей.

Независимо от того, какой метод используется для изоляции трубы, важно не забыть изолировать обратную трубу, а также трубу, идущую к нагрузке. Несмотря на то, что большая часть тепла была удалена из возвратной воды, любая энергия, потерянная в трубе, должна быть восполнена. Для повышения температуры 1 фунта воды с 80 до 85 ° F требуется такое же количество тепла, как и для повышения температуры с 200 до 205 ° F.

Рисунок 4.Типовая схема мультизагрузочной системы.

Важной частью любой системы горячего водоснабжения является теплообменник или радиатор. Если его размер неверен или поток воздуха через него недостаточен, производительность системы может сильно пострадать.К счастью, теплообменники бывают разных размеров. Доступен широкий ассортимент коммерческих радиаторов, разработанных специально для систем горячего водоснабжения. Большинство из них могут работать при давлении воды от 50 до 60 фунтов на квадратный дюйм и имеют резьбовые фитинги для подключения к распределительной системе.

Очень подходящей альтернативой коммерческому радиатору является новый или подержанный автомобильный радиатор. Они доступны во многих различных размерах и могут быть куплены на большинстве складов и в магазинах запчастей.У многих дилеров есть новые радиаторы для старых автомобилей, которые они могли бы продать по сниженным ценам. Однако автомобильные радиаторы, как правило, не подходят для воды с давлением выше 15-20 фунтов на квадратный дюйм. Это ограничение не должно быть проблемой, если размер насоса и распределительных труб правильный. Тем не менее, автомобильные радиаторы потребуют некоторых модификаций, включая закрытие заливных и переливных отверстий и изменение перехода от резинового шлангового фитинга к распределительной трубе.

Характеристики теплопередачи любого радиатора зависят от ряда факторов.Наиболее важными являются расход и температура водяных и воздушных потоков. Как правило, чем больше разница температур между водой и воздухом, тем быстрее передается тепло. Кроме того, чем больше воды и воздуха проходит через радиатор, тем больше передается тепла. Также важны такие факторы, как конструкция радиатора, количество и расположение ребер, а также материал, из которого изготовлен радиатор. Например, в типичных условиях эксплуатации многие коммерческие теплообменники, разработанные специально для горячего водоснабжения, производят около 20 000 БТЕ в час на каждый квадратный фут площади поверхности.

Поскольку большинство радиаторов имеют схожие характеристики теплопередачи, решающим фактором при определении мощности является их физический размер. Испытания показали, что автомобильные радиаторы могут передавать от 16 000 до 20 000 БТЕ в час на квадратный фут поверхности лица (от 140 ° F воды до 70 ° F воздуха). Например, радиатор шириной 1 1 2 футов и высотой 2 фута имеет площадь 3 квадратных фута. Таким образом, он может передавать от 48 000 до 60 000 БТЕ в час.

Управление системой горячего водоснабжения довольно простое.Обычно они состоят из термостата, подключенного к реле, которое управляет отдельным насосом для каждой нагрузки. Электродвигатель вентилятора, который продувает воздух через радиатор, также может быть подключен к тому же реле, поскольку он не должен работать, когда насос выключен. Такое расположение позволяет управлять каждой нагрузкой независимо. В некоторых системах насосу разрешается работать непрерывно, а вентилятор управляется термостатом.

Большинству больших систем требуется вытяжной вентилятор, как описано ранее, для обеспечения надлежащего сгорания.Вытяжной вентилятор обычно работает всякий раз, когда в топке возникает пожар. Когда нет огня, он не должен работать, и его можно отключить вручную. Однако этот механизм не работает, когда систему топят, а затем оставляют без присмотра на длительное время, например, на ночь. Когда поле израсходуется, вентилятор продолжит работу, втягивая холодный воздух через пожарные трубы и, таким образом, охлаждая воду. Важно помнить, что дымовые трубы являются теплообменниками, и что тепло будет течь от горячей воды к охлаждающим трубам, а также наоборот.Одним из решений является установка термостата в дымовой трубе, чтобы останавливать вентилятор, когда температура падает примерно до 200 ° F, то есть когда в воду больше не поступает тепло. Может потребоваться ручное управление, чтобы разжечь огонь, когда система остыла.

Древесина — отличное топливо. По сравнению с большинством других видов топлива оно недорогое, его довольно легко хранить, его можно использовать в различных формах и размерах, и оно широко распространено в Северной Каролине.По оценкам, в этом штате в качестве топлива доступно более 14 миллионов тонн древесины в год.

Хотя это хорошее топливо, у дерева есть недостатки. Он содержит меньше энергии на фунт, чем большинство других видов топлива. Количество полезной энергии в образце древесины может широко варьироваться в зависимости от содержания влаги и породы.

Растущее дерево обычно наполовину состоит из воды. Когда дерево спиливается, древесина начинает терять влагу в окружающий воздух. Древесина, которая была свежесрезана и содержит высокий процент влаги, часто называют зеленой древесиной .После того, как древесина высохла в течение определенного периода времени (обычно несколько месяцев или более, ее называют выдержанной или сухой древесиной. По мере того, как древесина теряет влагу, ее влажность постепенно приближается к содержанию влаги от 12 до 15 процентов. Это значение называется равновесное содержание влаги (EMC). Фактическое процентное содержание определяется долгосрочным средним значением температуры и относительной влажности воздуха, окружающего древесину. Хотя было бы желательно, но нецелесообразно удалять всю воду из дрова.

Влажность топливной древесины обычно выражается в процентах от общей сырой массы. Например, если определенный кусок дерева весит 7 фунтов 6 унций (118 унций), но после высыхания кости весит всего 5 фунтов 4 унции (84 унции), исходное содержание влаги в древесине выражается как:

118 — 84 = 34 унции воды

34 ÷ 118 = 0,288 или 28,8 процента

Это означает, что вода составляла 28,8% от веса влажной древесины.Содержание влаги, выраженное в процентах от сырого веса, часто обозначается сокращенно m.c.w.b. (влажность, влажная основа).

Эффективное теплосодержание древесного топлива снижается за счет содержащейся в нем влаги двумя способами. Во-первых, чем больше воды в данном куске дерева, тем меньше в нем древесины. Во-вторых, часть топлива, содержащегося в древесине, используется для испарения воды при сжигании древесины. Приблизительно 1000 БТЕ тепловой энергии требуется для испарения каждого фунта воды в древесине.Кусок дерева содержит одинаковое количество энергии, будь то зеленый или сухой. Однако зеленая древесина плохо горит, потому что часть энергии уходит на испарение лишней воды. В таблице 7 приведена чистая энергетическая ценность (теплотворная способность) древесины при различной влажности.


Таблица 7. Энергетическая ценность древесины при различной влажности.
Влагосодержание во влажном состоянии (в процентах) Теплотворная способность (БТЕ на фунт) Вес (фунтов на шнур)
0 8,600 2 960
5 8,120 3,116
10 7,640 3 289
15 (правильно выдержанный) 7,160 3 482
20 6 680 3,700
25 6 200 3 947
30 5,720 4 229
40 4 760 4 933
50 (зеленый) 3,800 5 920

Обратите внимание, что правильно выдержанная древесина имеет на 88 процентов более высокую теплотворную способность (по весу), чем сырое дерево.Также обратите внимание, что зеленая древесина весит почти вдвое больше, чем выдержанная древесина. Кусок зеленого дерева весом в 1 фунт весит всего 0,59 фунта при выдержке. Кусок дерева, сгоревший в «зеленом» состоянии, дает примерно половину тепла, чем при правильной выдержке. Вот почему очень важно правильно выдерживать дрова. Для древесины, оставленной в виде цельного бревна, диаметром 12 дюймов или меньше, может потребоваться целый год, чтобы приправить ее должным образом. В идеале древесину, которая будет использоваться зимой, следует заготавливать предыдущим летом и дать ей высохнуть.Таким образом, древесина сушится за счет летнего тепла, а не за счет части энергии, содержащейся в самой древесине. Конечно, древесина, которой разрешили сезон, высохнет намного быстрее, если ее расколоть и хранить под навесом.

Плотность

Опыт показал, что дуб лучше для обогрева древесины, чем сосна, потому что дуб намного плотнее. Кубический фут высушенного на воздухе дуба весит около 42 фунтов, тогда как кубический фут высушенного воздухом сосны лоблоли весит около 32 фунтов. Таким образом, дуб примерно на 32 процента плотнее сосны, а дубовый шнур обычно содержит на треть больше энергии, чем сосновый шнур.Это важное соображение, поскольку дрова обычно покупаются и продаются за шнур, который является мерой объема, а не веса. Важно помнить, что почти все породы древесины содержат примерно одинаковое количество энергии. Вы получаете больше фунтов древесины — и, следовательно, больше тепловой энергии — в веревке из более плотной древесины.

Другие виды топлива

Очень широко распространено мнение, что некоторые мягкие породы древесины, такие как сосна, производят больше смолы или креозота, чем лиственные породы.Многочисленные тесты показали, что это не так. Фактически, недавние испытания не показали заметной разницы в выходе смолы между сосной и дубом. При правильном сжигании древесины смола не образуется.

Помимо более традиционных форм древесного топлива, таких как щепа и дрова, колотые или круглые, могут быть доступны древесные отходы. Это могут быть древесные отходы мебельных заводов или обрезки пиломатериалов со стройплощадок или сносов. Все эти породы дерева подходят для использования. Однако следует помнить одну очень важную вещь: ни в коем случае нельзя сжигать обработанную древесину.Древесина, обработанная креозотом из каменноугольной смолы, например, железнодорожные шпалы или опоры, сильно горит и выделяет густой черный токсичный дым. Древесина, обработанная такими соединениями, как хромированный арсенат меди (CCA), обычно имеет зеленовато-желтый или коричневый цвет и при горении выделяет очень токсичный дым. Обработка или вдыхание золы пиломатериалов, обработанных CCA, может вызвать острое отравление. Даже относительно небольшое количество обработанной древесины, смешанной с необработанной древесиной, может вызвать серьезные проблемы. Будьте осторожны и знайте, какой вид топлива вы используете.

Сравнение стоимости топлива

Сравнение древесины и мазута № 2 показывает, что энергосодержание различных видов топлива, обычно называемое удельной энергией, может широко варьироваться. Например, мазут номер 2 содержит около 19 000 БТЕ на фунт, тогда как сухая древесина содержит около 8 600 БТЕ на фунт. В пересчете на фунт за фунт мазут имеет более чем в два раза больше энергии, чем древесина. Однако сравнение удельной энергии древесины и мазута говорит только об этом.

При цене 1 доллар за галлон фунт мазута стоит около 13 центов. При цене 40 долларов за шнур фунт древесины белого дуба стоит менее одного цента. Таблица 7 показывает, что фунт правильно выдержанной древесины содержит около 7 160 БТЕ.

Следующие расчеты сравнивают эти виды топлива на основе стоимости на миллион БТЕ:

Мазут: 0,13 доллара за фунт ÷ 9000 БТЕ / фунт x 1000000 = 6,84 доллара за миллион БТЕ

Древесина: 0,008 долл. США / фунт ÷ 7 160 БТЕ / фунт x 1000000 = 1,12 долл. США за миллион БТЕ

Эти расчеты показывают, что стоимость мазута более чем в шесть раз превышает стоимость древесины, необходимой для производства того же количества тепла.Таким образом, древесина имеет большое преимущество в стоимости перед большинством других видов топлива.

Возражения против использования древесины в качестве источника энергии обычно связаны с удобством. В очень холодную погоду большинство систем горячего водоснабжения, работающих на древесном топливе, необходимо топить хотя бы один раз за ночь. Конечно, есть недостатки в том, чтобы вставать в 2 часа ночи для запуска системы. С другой стороны, использование дерева определенно дает преимущество в стоимости.

При рассмотрении системы горячего водоснабжения, работающей на древесном топливе, нельзя упускать из виду два других важных сравнения.Один из них — системные затраты, а другой — эффективность. Стоимость установки системы правильного размера зависит от индивидуальных потребностей. Например, большинство нефтегазовых систем рассчитаны на отдельные теплицы и устанавливаются в них, тогда как одна большая система горячего водоснабжения может вместить множество теплиц или несколько помещений для сушки табака вместе с другими зданиями и жилым помещением.

Второй аспект, который следует учитывать, — это эффективность системы. Эффективность, которая обычно выражается в процентах, является мерой того, насколько хорошо система преобразует и доставляет химическую энергию, хранящуюся в топливе, в полезную тепловую энергию.Процентное соотношение описывает долю потребляемой энергии, которая фактически преобразуется и используется в качестве полезного тепла. Важно понимать, что общая эффективность также зависит от того, насколько хорошо система отводит тепло. Другими словами, недостаточно, чтобы система эффективно сжигала топливо, но тепло также должно доставляться с минимальными потерями к месту, где оно должно использоваться. В следующем примере показано, как рассчитывается общая эффективность:

Система водяного отопления, работающая на древесном топливе, как известно, сжигает 200 фунтов высушенной на воздухе древесины в час, за это время 2300 галлонов нагретой воды проходит через теплообменники теплицы с понижением температуры на 45 ° F.Температура воды в накопительном баке остается постоянной.

Энергетическая ценность высушенной на воздухе древесины составляет 7 160 БТЕ на фунт. Таким образом, энергия, выделяемая при сжигании 200 фунтов в час, составляет:

7160 БТЕ / фунт x 200 фунтов / час = 1432000 БТЕ / час

По определению, 1 БТЕ — это количество тепловой энергии, необходимое для повышения температуры 1 фунта воды на 1 ° F. Один галлон воды весит 8,3 фунта; следовательно, тепловая энергия, отдаваемая системой, составляет:

2300 галлонов / час x 8.3 фунта / галлон x 45 ° = 859 050 БТЕ / час

Эффективность системы — это отношение выходной энергии к подводимой:

Общий КПД, E = выход энергии системы ÷ вход энергии в систему

E = 859 050 / 1,432 000

E = 0,60 или 60%

Эти расчеты предполагают, что температура воды в резервуаре для хранения остается постоянной и что падение температуры на 45 ° F включает потери в трубопроводах, по которым вода идет в теплицу и из нее.

Без некоторых довольно сложных тестов очень сложно определить точную эффективность нагревательного устройства. Однако таблица 8 показывает, что типичная эффективность обычных систем отопления сильно различается.

При исследовании общей стоимости отопления с использованием различных видов топлива очень важно сравнивать эффективность системы, особенно если разница в стоимости на миллион БТЕ между двумя альтернативными видами топлива очень мала. Эффективность системы в меньшей степени влияет на выбор лучшего топлива, поскольку разница в стоимости топлива увеличивается.В настоящее время существует значительная разница в стоимости между древесным топливом и другими широко используемыми видами топлива, чтобы сделать древесные системы рентабельными даже при довольно низкой эффективности. Очевидно, что при правильном проектировании для обеспечения максимальной эффективности использование деревянных систем обходится дешевле.


Таблица 8. КПД различных типов систем отопления.
Тип системы КПД (в процентах)
Электронагреватель сопротивления 98
Обогреватель сжиженного или природного газа 75
Масляная печь 65
Система горячего водоснабжения на древесном топливе 60

Значения в Таблице 9 основаны на эффективности, показанной в Таблице 8, и при предположении, что корд из выдержанной древесины весит 3492 фунта и содержит 7,160 БТЕ на фунт, мазут содержит 138000 БТЕ на галлон и что LP газ содержит 86 000 БТЕ на галлон.Стоимость владения и эксплуатации различных систем не включена.


Таблица 9. Сравнение безубыточной стоимости древесного топлива по сравнению с мазутом и сжиженным газом с учетом относительной эффективности системы.
Расходы на топливо
Дерево (на шнур) Мазут (на галлон) Сжиженный газ (на галлон)
$ 10 0 руб.06 0,043 $
20 0,12 0,086
30 0,18 0,129
40 0,24 0,172
50 0,30 0,215
60 0,36 0,258
70 0.42 0,301
80 0,48 0,344
100 0.60 0,430
140 0,84 0.602
180 1.08 0,774
200 1,20 0,860
250 1.50 1,075
300 1,80 1,290
400 2,40 1,720
500 3,00 2,150

Мы надеемся, что эта публикация помогла вам лучше понять, как работает правильно спроектированная система горячего водоснабжения, и определить, можете ли вы получить выгоду от ее установки.Если вы решите создать свою собственную систему, как это сделали многие, применение рекомендаций и процедур, приведенных в этой публикации, должно помочь вам построить высокоэффективную систему. Если вместо этого вы решите приобрести одно из имеющихся в продаже устройств, эта информация должна помочь вам выбрать лучшую систему для вашего приложения и эффективно управлять ею.

Для получения дополнительной информации о применении энергии на базе древесины см. Дополнительную публикацию AG-363, Руководство по энергии на базе древесины для сельского хозяйства и малых коммерческих предприятий .Кроме того, вам могут быть полезны следующие публикации:

Информационное руководство по энергии древесины. Роли, Северная Каролина: Отдел энергетики, Министерство торговли Северной Каролины, 1982.

Энергия древесины для малой энергетики в Северной Каролине. Роли, Северная Каролина: Отдел энергетики, Министерство торговли Северной Каролины, 1978 год.

Руководство для лиц, принимающих решения по древесному топливу для малых промышленных потребителей энергии. Голден, Колорадо: Исследовательский институт солнечной энергии, 1980.

Древесина как энергия, Обзор вопросов сельского хозяйства № 5.Вашингтон, округ Колумбия: Национальная сельскохозяйственная библиотека, Министерство сельского хозяйства США, 1984.

Водонагреватель на дровах — 1 000 000 БТЕ в час.

Водонагреватель на дровах — 2 000 000 БТЕ в час.

Майк Бойет

Philip Morris Professor
Биологическая и сельскохозяйственная инженерия

р.В. Уоткинс

Профессор
Биологическая и сельскохозяйственная инженерия

Дополнительную информацию можно найти на следующих веб-сайтах NC State Extension:

Дата публикации: янв.1, 1995
AG-398

N.C. Cooperative Extension запрещает дискриминацию и домогательства независимо от возраста, цвета кожи, инвалидности, семейного и семейного положения, гендерной идентичности, национального происхождения, политических убеждений, расы, религии, пола (включая беременность), сексуальной ориентации и статуса ветерана.

Как поддерживать домашний отопительный котел | Руководства по дому

Обслуживание домашнего котла всегда должно выполняться профессионалом, но вы можете выполнить некоторые небольшие виды обслуживания и самостоятельно.В зависимости от типа вашей системы — нагнетаемого воздуха, горячей воды или пара — вы можете проводить различные проверки технического обслуживания и очищать участки, требующие текущего обслуживания. Котлы в хорошем состоянии работают более эффективно и гарантируют, что ваша семья будет в безопасности от потенциальных опасностей.

Техническое обслуживание всех котлов

Осмотрите вентиляционную соединительную трубу и дымоход вашего котла, поскольку со временем эти детали изнашиваются. Убедитесь, что нет отверстий или трещин, и что все области, которые следует загерметизировать, не повреждены.

Проверьте теплообменник на правильность работы. В теплообменниках обычно течет вода, поэтому, если вы заметили утечку воды, скорее всего, проблема в этом.

Отрегулируйте органы управления котла таким образом, чтобы они обеспечивали оптимальный уровень эффективности и нагрева. Чем эффективнее система, тем больше денег ваша семья сэкономит на отоплении.

Техническое обслуживание систем нагнетания воздуха

Проверьте камеру сгорания котла на предмет трещин, из-за которых может происходить утечка газа.Проведите тест на угарный газ, и если вы обнаружите ненормальный уровень угарного газа, немедленно обратитесь к профессионалу, чтобы устранить проблему. Окись углерода может быть смертельной, поэтому размещение детектора в одной комнате с котлом имеет важное значение для безопасности.

Очистите и смажьте воздуходувку вашей системы, чтобы удалить с ее поверхности любую коррозию, пыль или отложения.

Отрегулируйте регулятор температуры нагнетателя и воздуха на желаемый уровень. Проверьте и отрегулируйте подачу топлива и характеристики пламени.

Закройте все отверстия или трещины в соединениях между котлом и основными воздуховодами для обеспечения эффективности и безопасности.

Техническое обслуживание систем горячего водоснабжения

Проверьте предохранительный клапан и регулирующий клапан верхнего предела на вашем котле, чтобы убедиться в их правильной работе. Для этого проведите рукой по сливным линиям, прикрепленным к клапану, чтобы проверить, горячие ли они, что означает, что клапан сброса давления открывается. Нагрев дренажной линии рядом с клапаном — это нормально.Поднимите контрольный рычаг на клапане. Если он работает нормально, вы услышите, как вода стекает по сливной линии предохранительного клапана. Чтобы проверить контроль верхнего предела, нажмите пилотную кнопку. Если не выпускается, выключите газ и замените вентиль.

Проверить напорный бак. Бак должен быть заполнен воздухом, но если он не работает должным образом, он будет заполнен водой.

Очистить поверхность котла и теплообменника.

Обслуживание паровых систем

Слейте немного воды из котла и поплавковой камеры.Это удаляет отложения с обеих сторон. Слив воды из котла улучшает функцию теплообмена, а слив воды из поплавковой камеры предотвращает засорение осадка в регуляторе отсечки низкого уровня воды.

Проверьте немного воды, которую вы слили из котла. При необходимости добавьте химические вещества, которые помогут предотвратить коррозию и контролировать естественные отложения. Вы можете сделать это, купив набор для тестирования воды. В основном вы проверяете щелочность, которая вызывает коррозию, и содержание кальция и магния, которые оставляют после себя осадок.Щелочность воды обычно составляет от 100 до 500 мг / л; однако немного более высокая щелочность также является нормальным явлением. Вода в вашем водонагревателе обычно содержит 21,8 мг / л кальция, а от 1 до 135 мг / л все еще в пределах нормы. В зависимости от вашего источника содержание магния может составлять от 2 мг / л до 111 мг / л. Если ваша вода находится за пределами любого диапазона, вы можете подумать о покупке смягчителя воды для своего дома.

Очистите и проверьте предохранительные устройства отключения по верхнему и нижнему пределу воды, а также теплообменник.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.