Ретортные пеллетные горелки
Сoлoвьев Сeргeй
эксперт
01.09.2023
После одной из крупнейших аварий в истории ядерной энергетики США — на АЭС Три-Майл-Айленд в 1979г общество начинают беспокоить риски, связанные с возможными авариями на АЭС, радиоактивными отходами и загрязнением окружающей среды. В это время резко увеличивается интерес к дровяному и пеллетному отоплению.
В 1979г была разработана пеллетная горелка с подачей пеллет в зону горения снизу, впоследствии получившая название ретортная. Название «реторта» (фр. retorta — повёрнутая назад, от лат. retortus — загнутая назад) использовалось в промышленности уже достаточно давно. В химической промышленности «реторта» — это лабораторный сосуд с длинным горлом, используемый в лабораторной и заводской практике главным образом для перегонки. В нефтяной промышленности «ретортой» назывались установки для сжигания газа при добыче жидких углеводородов из горючего сланца. Первая такая вертикальная сосудистая реторта была введена в эксплуатацию в США еще в 1949 году. Промышленные реторты использовались также для получения древесного угля. В промышленности по пиролизу биоугля «реторта» — это реактор, в котором происходит пиролиз древесины.
Название пеллетной горелки связано с тремя смысловыми ассоциациями:
- В горелке (в реторте) происходит образование древесного угля и его пиролиз
- Внешне горелка напоминает перевёрнутую вверх дном лабораторную реторту с горловиной, которая схематично отражает систему подачи топлива
- «Поворот назад» делает направление движения потока топлива, которое идёт сначала из бункера вниз, потом горизонтально по шнеку в топку котла, а затем «поворачивается назад» вверх в зону горения
Название «ретортная горелка» закрепилось и стало общеупотребительным. В зарубежной литературе помимо «retorte burner» часто можно встретить термин «underfeed burner» [1],[2] — с нижней подачей. Некоторые производители тепловых агрегатов используют для этих устройств маркетинговое наименование «горелка объемного горения». Возможно, подразумевая, что на круглой реторте горение распределено равномерно. Но технически это не корректно. Процесс горения у этих пеллетных котлов одинаковый – диффузионный гомогенный с гетерогенными фазами и никак не объемный.
Ретортные горелки позволили сделать процесс отопления непрерывным, шлак удалялся новыми поступающими порциями топлива, сбрасываясь в зольник. Поэтому горелки стали широко применяться в промышленных котлах, а также для сжигания топлива с высокой плавкостью и способностью шлакообразования.
Итальянской компанией D'Alessandro Termomeccanica Srl в 1980г была изготовлена модель пеллетного котла CS с ретортной горелкой, работающего на оливковых косточках, жмыхе оливок, пеллетах, скорлупе миндаля и фундука. [3]
Отличительные особенности ретортных пеллетных горелок
- Направление подачи пеллет в зону горения снизу вверх
Виды ретортных горелок
- С механическими устройствами очистки (вращения/ворошения) с функцией перемешивания для очищения поверхности от налипших продуктов сгорания и устранения коржа из шлака
- С объемной ретортой — классический большой объем реторты
- С «нулевой» ретортой — объем реторты сведён к нулю для устранения проблемы паразитных потерь топлива в горелке
Устройство котла с ретортной горелкой
- Шнек (нем. schnecke — улитка) — стержень со сплошной винтовой поверхностью вдоль продольной оси, служит для подачи гранулированного топлива из бункера в зону горения.
- Горелка представляет собой чашу, на поверхности которой происходит горение. Сюда автоматически подается топливо из бункера по горизонтальному шнеку и воздух для горения.
- Остатки продуктов горения выдавливаются поступающей следующей партией пеллет и сваливаются с края реторты в зольный ящик.
- Теплообменник — тепло от дымовых газов передаётся теплоносителю.
Системы подачи пеллет
- Одношнековая эконом-класса. Для подачи пеллет из бункера в горелку используется один шнек. Экономично, но проблематично. При непрерывной работе и непрерывном потоке пеллет особых проблем не бывает. Но как только начинается переизбыток генерируемого тепла с остановкой котла, например, в межсезонье, то начинаются проблемы. Обратное горение – бич этих горелок.
- Двухшнековая. Для обеспечения безопасности от обратного горения и попадания пламени в бункер используется два шнека с разрывом подачи и противопожарной камерой в разрыве. Есть системы с одним мотор-редуктором на два шнека (Roteks, Pelletron Royal) и с двумя мотор-редукторами, каждый отдельно на свой шнек (FACI). С двумя мотор-редукторами более предпочтительнее, т.к. в этом случае время работы шнека горелки делается больше, чем у шнека бункера и в шнеке остаётся меньше пеллет для возможного тления.
Преимущества ретортных горелок
- Менее требовательны к качеству пеллет и точности настройки режимов горения. При недожоге несгоревшие пеллеты просто скидываются в зольник. При шлаковании горелка не останавливается. Качество сгорания будет падать, КПД уменьшаться и выбросы расти, но котёл будет продолжать работать. При относительном избытке воздуха пеллеты не выдуваются из зоны горения.
- Хорошо зарекомендовали себя в системах с постоянной работой, с началом отопительного периода включаются и трудятся вплоть до его завершения.
- Возможность получения большой мощности. До недавнего времени пеллетные котлы большой тепловой мощности были в основном с ретортной горелкой.
- Во многих ретортных горелках можно сжигать уголь мелкой фракции.
- Может работать без авторозжига (в котлах с объемной ретортой). При временных остановках и перерывах в подаче электронапряжения, доходящих до несколько часов, топливо может разжечься от углей, тлеющих в реторте.
- Равномерный нагрев камеры сгорания, нет локального пятна нагрева.
Недостатки ретортных горелок
- Возможность обратного горения. Это очень актуальная проблема, особенно для одношнековой системы подачи. При остановке котла тление начинает постепенно уходить в канал подачи, нагревая его до критических значений. Далее обычно срабатывает датчик защиты по температуре, что приводит к выгону большого количества пеллет в горелку. Пеллеты воспламеняются, что может привести к аварийной пожарной ситуации или кипению котла. При двухшнековой системе подачи, особенно с различной длительностью работы шнеков, аварийное срабатывание исключается, но многократное тление остатков пеллет в шнеке горелки приводит к отложениям на стенках подающего канала и необходимости эпизодической или постоянной чистки канала шнека, зависит от режимов работы и настроек.
- Паразитные потери топлива при работе котла в режиме Старт/Стоп (для объемной реторты). Объем реторты заполнен пеллетами, которые при любой остановке котла продолжают гореть и тлеть, приводя к постепенному выгоранию топлива в реторте. Длительность тления углей может доходить до нескольких часов для бытовых котлов и до нескольких дней для промышленных. Чтобы горение не уходило в шнек, котёл часто переводят в режим Надзора (Ожидания/Поддержания и т.п.), в котором пеллеты тратятся на поддержание минимального горения. Чем больше объем реторты и больше паразитная тяга в канале подачи топлива, тем больше потери топлива.
- Затруднённый авторозжиг. При наличии в комплектации авторозжига он часто толком не работает и приходится разжигать вручную. Но компенсируется это тем, что угли в реторте долго сохраняются и при небольших перерывах в работе полное затухание не происходит.
- Большие размеры и сложность ремонта. Практически всегда ретортная горелка имеет с котлом единую конструкцию, горелки не взаимозаменяемы с моделями других производителей горелок, а иногда горелка является неотъемлемой частью котла и выход её из строя может привести к замене целиком котла. Для устранения этой проблемы в высоконагруженных мощных промышленных горелках некоторые производители, например, FACI делают сменные чугунные элементы – пиксели, которые могут подлежать простой замене.
- Повышенное энергопотребление. Мотор-редукторы испытывают существенные нагрузки, поэтому у них значительная мощность и, соответственно, энергопотребление.
- Бункер с горелкой практически всегда жёстко связаны — это уменьшает гибкость размещения при планировании котельной и накладывает ограничения на последующее изменение объема бункера.
Современные модели пеллетных котлов с ретортными горелками
Заключение
Ретортные горелки завоевали популярность благодаря своим положительным качествам, поэтому успешно используются многими производителями пеллетных котлов. В России они особенно часто применяются в промышленных котлах, где нужна постоянная работа без режимов Старт/Стоп и может использоваться гранулированное топливо с высокой плавкостью и способностью шлакообразования.
В современных бытовых котлах с нижней подачей топлива перспективным считается применение горелок с «нулевой ретортой», обеспечивающих минимальные паразитные потери топлива, беспроблемность работы в режимах Старт/Стоп и лёгкость работы в мультивалентных схемах с несколькими источниками тепа.
Источники
1. Biomass Pellet-Fired Boilers. Jose Antonio Perez-Jimenez. Department of Biomass, CTAER Andalucia Foundation, Scientific and Technology Park, Jaen, Spain. WIT Press, 2015.
2. Report of the State of the art of combustion devices for the selected biofuels. European Union's Horizon 2020.
3. La Nostra Storia. D'Alessandro Termomeccanica S.r.l. caldaiedalessandro.it
☝ Вверх
