В некоторых европейских странах все виды котельного топлива делят на дистиллянтные (в российской практике – печное топливо) и остаточные (мазут). Печное топливо получают при термическом и каталитическом крекинге нефтепродуктов. Оно применяется главным образом для отопления зданий, а также на железнодорожном транспорте и в промышленности. В Великобритании печное топливо называют «бытовым», во Франции – «легким», в США – «форсуночным». Деление печного топлива на сорта производится в зависимости от его вязкости, которая во многом определяет назначение топлива и наиболее подходящий тип форсунки.
Вполне пригодны для использования в небольших отопительных котлах и легкие сорта мазута, в первую очередь – флотские: Ф5 и Ф12. К важным достоинствам этих марок жидкого топлива можно отнести невысокую вязкость: у Ф5, например, при температуре 50 °С она не превышает 5 градусов условной вязкости (°ВУ). Кроме того, флотские мазуты отличаются низкими температурой застывания (–5 °С), зольностью (не более 0,1 % по массе) и высокой теплотой сгорания (Qri = 41,3 МДж/кг).
Топочные мазуты, в отличие от флотских, являются тяжелыми крекинг-остатками или их смесями с мазутами прямой перегонки. Помимо высокой вязкости и плюсовой температуры застывания, в топочных мазутах допускается более высокое содержание механических примесей, серы и воды. Всё это создает существенные трудности при хранении и сжигании топочных мазутов в водогрейных котлах малой мощности.
В табл. 4 приведены основные характеристики жидких топлив, на которые рассчитаны горелки и котлы поставщиков оборудования из Европы.
Таблица 4. Характеристики различных видов жидкого топлива
В тех регионах, где природный газ отсутствует, а использование жидкого топлива оказывается неприемлемым по финансовым соображениям, можно встретить водогрейные котлы на твердом топливе. К нему относятся различные виды угля (каменный, бурый, антрацит), а также торф, сланцы и различные виды отходов (как промышленных, так и твердых бытовых отходов – ТБО). По организации топочного процесса к этой группе топлива принадлежит и биотопливо, т. е. древесина, отходы лесозаготовки, деревопереработки, целлюлозно-бумажного и сельскохозяйственного производства.
В последние годы проблему отопления в некоторых районах все чаще решают за счет отходов лесопереработки. В дело идут сырая и влажная щепа, низкосортная древесина, опилки и другие виды древесного топлива.
Использование каждого из видов топлива требует специальной организации топочного процесса. Уголь, как правило, сжигается в виде кусков определенного размера, подаваемых на неподвижную или механическую решетку. Через отверстия в решетке в слой поступает воздух, содержащий необходимый для горения кислород.
К твердому топливу, подаваемому на решетку, предъявляются специфические требования: оно не должно иметь слишком крупных кусков и слишком мелких фракций (последние будут проваливаться через решетку или уноситься с продуктами горения). Поэтому для водогрейных котлов (особенно небольших, используемых в автономных системах теплоснабжения) поставляются сортированный уголь или специальные виды обработанного твердого топлива: брикеты, гранулы или пеллеты, приготовленные из древесных отходов.
Как известно, твердое топливо, кроме органической массы, содержит негорючие минеральные примеси. Поэтому после его сгорания образуются очаговые остатки: шлак и зола. Следовательно, в конструкцию водогрейных котлов, рассчитанных на сжигание твердого топлива, должны быть заложены приспособления для сбора и периодического (а еще лучше – непрерывного) удаления очаговых остатков. Кроме того, крупные водогрейные котлы, устанавливаемые в промышленных котельных или в районных станциях теплоснабжения (РСТ), необходимо оборудовать золоулавливающими аппаратами для очистки дымовых газов от содержащихся в них золовых частиц. В качестве таких золоуловителей могут использоваться батарейные циклоны, мокрые скрубберы, эмульгаторы, а в случае более жестких требований – электро– или тканевые фильтры.
В продуктах сгорания содержится некоторое количество водяных паров, источники которых – влага топлива (в торфе, например, ее содержание превышает 50 % по массе), влага, поступающая в котел вместе с воздухом, и, наконец, водород, присутствующий во всех видах топлива (но особенно много его в природном и попутных газах). При полном сгорании водород превращается в Н2О.
Если продукты сгорания покидают котел в виде дымовых газов при температуре, превышающей температуру «точки росы», то КПД котла, разумеется, всегда будет меньше 100 %. Но если обеспечить конденсацию Н2О в дымовых газах (например, при снижении температуры газов за счет уменьшения температуры воды на входе в котел), можно дополнительно использовать скрытую теплоту парообразования.
Раньше создатели водогрейных котлов сознательно добивались того, чтобы пары воды не конденсировались, а покидали котел в газообразном виде. Дело в том, что конденсат водяных паров для обычных котлов отнюдь не безвреден: за счет растворения в нем диоксида углерода СО2 образуется агрессивная среда, вызывающая интенсивную межкристаллитную коррозию стали, из которой изготавливали поверхности нагрева.
Особенно возрастает опасность коррозии в случае использования серосодержащих топлив, когда в продуктах сгорания содержатся оксиды серы. Но в 90-х гг. прошлого века разработчики отопительных котлов решили воспользоваться достижениями металлургов, которые к тому времени создали коррозионно-стойкие легкие сплавы и нержавеющую сталь. Из них были произведены водогрейные котлы с конденсацией водяных паров, что позволило полезно использовать скрытую теплоту парообразования. Благодаря этому теплоиспользование в новых котлах существенно увеличилось, и в лучших образцах конденсационных котлов удалось приблизиться к максимально возможному повышению КПД.
2. Общая классификация котлов
Необходимость отапливать небольшие площади, малая емкость теплоносителя, низкая теплоаккумулирующая способность, а также высокие требования к компактности установленного оборудования накладывают ограничения на конструктивное исполнение бытовых котлов. Тот факт, что бытовые установки не предполагают резервных агрегатов, говорит о надежности их работы и продолжительности межсервисных периодов.
В зависимости от требований потребителей (мощность, потребность в горячей воде, площадь, необходимая для установки оборудования и т. д.) изменяется и конструкция котлов. Кроме того, в разных странах к котлостроителям предъявляют узкоспецифические требования, присущие только данному региону: в Италии, например, важен внешний вид (в частности, лучшим цветом для котла считается белый); в США дизайн, за который потребитель платить не желает, приносят в жертву надежности и безопасности, а в Германии к появлению вначале конденсационных котлов, а затем котлов на топливных элементах привела мода на высокотехнологичные автоматизированные и экономичные котельные.
Россия сегодня не только производит, но и импортирует отопительную технику. Вследствие этого классификация котлов разнообразна и многокритериальна.
2.1. По виду энергоносителя
Исторически основным энергоносителем в нашей стране было твердое топливо, точнее – дрова, обладающие низкой плотностью горючих веществ на единицу массы. Это значит, что данный вид топлива пригоден лишь для отопления небольших помещений вследствие невозможности обеспечения длительного горения и необходимости постоянной загрузки в топку новых порций топлива.
Современные бытовые дровяные котлы конструируются для работы на пеллетах (гранулированная древесина размером 15–20 мм), в этом случае появляется возможность оборудовать котел устройством непрерывной подачи топлива.
Также для автоматизированной подачи твердого топлива могут применяться и сортированный высококачественный каменный уголь, и угольные брикеты. Большинство котлов и аппаратов не приспособлены для сжигания низкосортных видов топлива с малым выходом летучих веществ (антрациты, полуантрациты). Верхний предел фракций угля во избежание неполного горения не должен превышать 50 мм, а нижний, в связи с ограниченностью тяги и отсутствием принудительного дутья, – 13 мм. КПД современных твердотопливных котлов – до 85 %.
Преимущества твердотопливных котлов:
– возможность использования в районах с избытком древесины и отсутствием других энергоносителей;
– доступность и сравнительно низкая стоимость топлива.
Недостаток:
– не могут работать в полностью автоматическом режиме и требуют регулярной загрузки топлива.
Ассортимент твердотопливных котлов заметно беднее, чем газовых или жидкотопливных. В России широкое распространение получили котлы на твердом топливе производства фирм Viadrus, Dakon, Atmos, Opop (Чехия), Olymp (Германия), Jama (Финляндия). Встречаются также зарубежные котлы с возможностью комбинированного сжигания, в том числе – для твердого топлива (CTC, Dakon, Roca, Demir Dokum). Отечественные производители представлены котлами ЗИОСАБ, «Пламя», КИМ, «Жарок», КС-Т, КС-ТГ, АТВ.