От чего зависит время горения твердотопливного котла?
Увеличение продолжительности горения энергонезависимого твёрдотопливного котла является сложной технической задачей. Это обусловлено тем, что сложно обеспечить периодическую подачу твёрдого топлива в зону горения и приходится всё топливо сразу загружать в топку. Но продолжительность горения хоть и зависит в значительной степени от массы топлива, однако не всегда удаётся обеспечить, увеличивая его массу, пропорциональный рост продолжительности горения котла. Это связано с тем, что на продолжительность горения оказывает влияние влажность топлива, его фракционность, плотность древесины и её укладки. Например, наличие влаги в топливе в общем случае уменьшает продолжительность горения, поскольку часть тепловой энергии будет затрачена на нагрев и испарение из него воды. Однако в ряде случаев при работе котла на небольших мощностях указанные потери могут оказаться меньше, чем потери от химического недожога и продолжительность горения при использовании влажного топлива окажется больше чем сухого. Увеличение фракционности приводит к уменьшению отношения поверхности горения топлива к его объёму, что способствует увеличению продолжительности горения за счёт уменьшения потерь от химического недожога. Использование более плотной древесины и более плотная её укладка приводит к увеличению загружаемой в котёл массы топлива и как следствие росту продолжительности горения.
В тоже время при наращивании объёма топки и увеличении массы загружаемого в котёл топлива надо учитывать следующие факторы. При оптимальном горении большого объёма топлива выделяется слишком много тепловой энергии и теплообменные поверхности котла не могут аккумулировать всю выделяющуюся тепловую энергию, поэтому приходится ограничивать интенсивность горения до приемлемого уровня выделяемой топливом тепловой энергии в течение продолжительного времени. Ограничение интенсивности горения обеспечивается ограничением подачи воздуха в зону горения. Этот процесс сопровождается двумя типами потерь. Один из них состоит в том, что из-за ограниченного объёма кислорода происходит недожёг пиролизных газов и они не сгорая удаляются через дымоход, снижая тем самым теплоотдачу топлива. А поскольку для сжигания большинства пиролизных газов необходимы сравнительно высокие температуры (более 600 0С), то при снижении генерируемой мощности и, как следствие снижения температуры в топке, особенно в периферийной зоне, значительная часть пиролизных газов не сгорает и удаляется с дымовыми газами, вследствие чего снижается экономичность котла. Уменьшение мощности котла, кроме снижения экономичности приводит также к быстрому росту отложений на его теплообменных поверхностях, что в свою очередь снижает теплопередачу тепловой энергии теплоносителю и росту потерь.
Другой тип потерь связан с уносом тепловой энергии с дымовыми газами. С одной стороны, они неизбежны поскольку дымовые газы, имеющие температуру выше температуры окружающего воздуха, а плотность ниже, создают тягу за счёт которой происходит удаление из котла продуктов сгорания и поступление в котёл обеспечивающего процесс горения кислорода воздуха. С другой стороны, с ростом генерируемой мощности растёт температура дымовых газов, что приводит к снижению КПД котла и при очень высоких температурах это снижение может достигать десятков процентов.
Таким образом, для минимизации потерь в большинстве конструкций котлов приходится ограничиваться двух – трёх кратным диапазоном перестройки мощности. Поскольку при уменьшении минимальной мощности растут потери за счёт химического недожога топлива и появляется опасность выпадения конденсата и роста отложений сажи в дымоходе, а максимальная мощность ограничивается допустимыми потерями из-за высокой температуры дымовых газов.
Ещё одно ограничение по увеличению массы загружаемого в котёл топлива связано с точностью управления объёмом подаваемого в него воздуха. Дело в том, что объём проходящего через входной воздуховод воздуха зависит не только от площади проходного сечения, определяемого заслонкой, но и от скорости прохождения через него воздуха, которая в свою очередь зависит от тяги дымохода, определяемой температурой дымовых газов. Вследствие этого объём воздуха, поступающего в котёл, может меняться в несколько раз при одинаковом положении заслонки. И при большом объёме топлива возможен переход работы котла в неуправляемый режим из-за недостаточной точности и инерционности системы управления, а также инерционности самого процесса горения. Поэтому система управления подачей воздуха должна обеспечивать гарантированное управление интенсивностью горения топлива на всех режимах работы котла. И чем точнее система автоматического управления подачей воздуха может обеспечить подачу требуемого объёма воздуха, тем больший объём топлива может быть загружен в котёл.
В котлах семейства «Суворов» реализовано несколько достаточно эффективных технологий, направленных на решение рассматриваемой проблемы увеличения продолжительности горения твёрдотопливного котла с большим объёмом камеры сгорания.
Наиболее важным является разработанная система управления на основе двух ступенчатой заслонки. Такая заслонка позволяет с высокой точностью управлять объёмом подаваемого в котёл воздуха и поддерживать интенсивность горения топлива, обеспечивающую генерацию требуемой тепловой мощности. Причём точность управления может меняться в зависимости от состава топлива, его влажности и фракционности.
Другим важным реализованным техническим решением, позволяющим увеличить продолжительность автономной работы котла, является система управления температурой дымовых газов. Эта система позволяет уменьшить минимальную генерируемую мощность котла, за счёт добавления к потоку остывших дымовых газов потока горячих газов. Это позволяет поддерживать температуру дымовых газов в сравнительно узких пределах, с одной стороны, чтобы уменьшить потери тепловой энергии, а с другой предотвратить выпадение конденсата и отложения сажи в дымоходе.
Ещё одним важным техническим решением, влияющим на продолжительность горения, является устройство селекции азота. Устройство позволяет за счёт частичного вывода из топки в дымоход не успевшего нагреться азота уменьшить тепловые потери затрачиваемых на его нагрев и тем самым повысить коэффициент использования топлива и увеличить за счёт этого продолжительность горения. Кроме того, использование технологии селекции азота позволяет уменьшить выброс окислов азота, образующихся в топке при сжигании органического топлива.
В целом за счёт использования перечисленных технических решений удалось в котле близкой к классической конструкции увеличить продолжительность горения до десятков часов (42 – 55 ч).