Принцип работы пиролизной печи: устройство, схема, порядовка

Пиролизные печи (ПП) по коэффициенту полезного действия (КПД) превосходят любые другие твердотопливные отопительные конструкции, ведь органическое топливо в них сгорает наиболее полно, а значит они выделяют больше тепла с того же количества дров или угля.

Такая эффективность обусловлена тем, что дрова в ПП не горят, а превращаются в горючий газ, который затем сгорает внутри предназначенной для этого камеры.

Что такое пиролиз?

Пиролиз – это термическое разложение любых органических веществ при температуре свыше двухсот градусов.

При таком нагреве сложные органические цепочки разрушаются, после чего образуются заметно более простые соединения, основу которых составляют:

• углерод;
• водород;
• азот;
• кислород.

Механизм этого эффекта был открыт во второй половине XIX века российским ученым Александром Александровичем Летним, который затем запатентовал его. К началу Второй мировой войны с помощью пиролиза получали синтетический бензин из угля, а также использовали древесину для получения горючего газа, на котором ездили автомобили.

Если же во время пиролиза к топливу поступает кислород, то происходит процесс газификации, результатом которого становятся летучие вещества с иным химическим составом. Еще одно название пиролиза – сухая перегонка органических веществ, которую применяли для превращения древесины в деготь с древнейших времен.

Устройство

Любая отопительная или отопительно-варочная печь состоит из двух основных элементов:

1. Топливника, который также можно назвать камерой сгорания.
2. Теплообменника, то есть какой-то части печи, которая преобразует жар пламени в комфортное тепло, пригодное для обогрева помещения.

Топливник

Основное отличие пиролизного топливника (ПТ) от топливника любых других твердотопливных отопительных приборов в том, что он состоит из двух камер, соединенных между собой колосниковой решеткой или жиклером с минимальным сечением.

При этом верхнюю камеру называют пиролизной (КП), а нижнюю сгорания (КС). Обе камеры соединены с дымоходом, а также там предусмотрена регулируемая подача воздуха, в пиролизную первичного (ПВ), в сгорания — вторичного (ВВ).

При этом обе камеры расположены настолько близко друг ко другу, что после выхода печи на рабочий режим раскаленная камера сгорания подогревает камеру пиролиза, благодаря чему процесс термического разложения древесины продолжается даже при отсутствии подачи воздуха.

Объем КП достаточен для того, чтобы загрузить туда топливо на 6–12 часов работы печи в режиме поддержки тепла, а конструкция КС обеспечивает создание факела различной мощности, от очень большой в режиме прогрева до малой в режиме поддержки тепла.

Однако в печах из кирпича реализовать такой принцип сгорания топлива крайне сложно, ведь требуется большой диапазон изменения мощности, а эффективность пиролиза напрямую зависит от температуры КП, которая зависит от температуры внутри КС.

Еще один способ решения этой проблемы в кирпичных пиролизных печах – тщательная теплоизоляция обоих камер, благодаря чему в них проще поддерживать требуемую температуру.

При интенсивной топке и правильно подобранным пропорциям пиролизного газа (ПГ) и воздуха температура факела составляет 900–1200 градусов даже при работе на дровах, что заметно больше, чем у подавляющего большинства печей.

Если же загрузить топливник крупным углем, то температура может достичь 1500 градусов, что разрушает кладку за один сезон, даже если шамотное ядро выложено на специальный высокотемпературный клей.

Ограничение подачи воздуха снижает температуру факела, но приводит к ухудшению окисления пиролизных газов и образованию более токсичных соединений. Ситуация исправляется, когда следом за охлаждением факела снижается температура в КП, что замедляет происходящие в ней процессы и восстанавливает пропорции воздуха и пиролизных газов.

Чтобы улучшить сгорание и дожиг пиролизных газов, КС делают такой формы и размера, чтобы она обеспечивала эффективное перемешивание воздуха и ПГ, а выход для дымовых газов и пламени располагают в самом низу камеры сгорания.

Причем сечение этого выхода гораздо меньше, чем у традиционных печей, ведь количество воздуха, необходимого для эффективного горения факела также заметно меньше.

Теплообменник

Теплообменники ПП и обычных печей работают по одному принципу, но могут отличаться по конструкции и размеру канала из-за более высокой температуры пламени и меньшего объема выходящих газов при той же тепловой мощности.

Кроме того, крайне высокие требования к тяге исключают применение канальных отопительных щитков, ведь они сильно срезают тягу и замедляют движение потока дымовых газов, поэтому наиболее оптимальным выбором теплообменника для ПП являются:

1. Одноколпаковый щиток.
2. Водяной контур.

Сравнение пиролизной и газогенераторной печей

Поскольку механизм пиролиза и газогенерации во многом сходен и отличается только наличием или отсутствием подачи первичного воздуха, то газогенераторные устройства в какой-то мере можно считать пиролизными. При этом КПД ПП всегда будет на 2–5% больше, чем газогенераторной за счет того, что ПВ не оказывает охлаждающего действия на КП.

Компенсировать разницу коэффициента полезного действия можно за счет более точного дозирования ВВ, а также более продуманной системы каналов или теплообменников.

ПП, хоть и работают без подачи ПВ в КП, но тоже являются газогенераторными устройствами, ведь они превращают твердое топливо в пиролизный газ, а значит являются газогенераторами. Поэтому разница между пиролизными и газогенераторными печами или котлами на самом деле лежит не в принципе работы, а в их позиционировании.

Кроме того, любую твердотопливную печь можно отнести к газогенераторным, а значит и пиролизным, ведь в них происходят одинаковые процессы, а разница в том, что поддерживает необходимую температуру в КП, ПВ или подогрев с КС.

Поэтому отличительными чертами настоящей пиролизной печи или котла являются:

• две камеры (пиролиза и сгорания);
• газогенерация без подачи первичного воздуха;
• образование факела в камере сгорания.

Но опять же, это лишь вопрос позиционирования, то есть торговой политики производителя или продавца.

Преимущества и недостатки

Основными преимуществами пиролизных печей являются:

1. Высокий КПД (если принять за 100% количество теплоты, получаемое при сжигании топлива и прописанное в таблицах, то КПД ПП составляет примерно 90%, тогда как у лучших колосниковых печей составляет 80–85%).
2. Максимально полное сгорание топлива с образованием дыма, не имеющего ни цвета, ни запаха.
3. Возможность длительной работы (на дровах 10–15 часов с одной закладки, на угле 3–5 суток).

Помимо плюсов, у пиролизных отопительных приборов есть весьма существенные минусы:

• сложно регулировать мощность теплового потока;
• эффективная работа возможна лишь в узком диапазоне мощности;
• плохая работа без принудительной тяги;
• сильный нагрев горячей зоны (КП и КС);
• хорошая работа только на дровах влажностью 15–25%.

Регулировка теплового потока

Тепловая мощность факела (тепловой поток) зависит от трех факторов:

• скорости поступления ПГ;
• соотношения массы воздуха и пиролизных газов в печи;
• температуры внутри КС.

Скорость поступления пиролизного газа зависит от:

• интенсивности процесса пиролиза в КП;
• сечения жиклера;
• тяги печи.

Интенсивность процесса пиролиза зависит только от температуры в КП, которая, в свою очередь, зависит от мощности факела в КС, поэтому вначале факел слаб и не может прогреть массив печи.

По мере роста температуры внутри камеры пиролиза процесс термического разложения не только ускоряется, но и протекает более эффективно, результатом чего является образование максимально простых веществ, которые при такой температуре переходят в газообразную форму.

Когда процесс пиролиза наберет обороты, подача газа в КС будет максимальной, а значит в какой-то мере регулировать мощность факела можно будет ограничением подачи воздуха, хотя это приведет к неполному сгоранию пиролизных газов.

Интенсивность газообразования начнет спадать, только когда 80–85% топлива уже будет преобразовано в пиролизный газ, причем из-за высокой тепловой инерционности скорость этого процесса будет той же. То есть эта фаза займет лишь пятую часть топки и ни о каком удлинении времени горения речи не будет.

Иными словами, длительность горения определяется интенсивностью превращения топлива в газ и скоростью выхода газа в КС, а значит, единственный способ сделать горение длительным – увеличить количество топлива и снизить температуру в КП.

Это хорошо подходит для металлических печей и металлических/кирпичных котлов, ведь там не требуется прогревать массив теплоаккумулятора (ТА).

Для кирпичных же печей такой режим подходит плохо, ведь позволяет быстро прогреть массив кирпичей с риском перегрева кладки, а также полностью исключает длительное горение, благодаря которому удается поддерживать стабильную температуру в доме.

Даже если делать две закладки топлива и сжигать их в различных температурных режимах, то только в одном из них пиролизные газы будут сгорать эффективно, образуя экологически чистый дым без цвета и запаха, а во втором токсичность дыма возрастет, а КПД снизится.

Влияние тяги на работу ПП

В обычных печах все движение газов обусловлено тягой, чем она сильней, тем больше воздуха поступает в печь при полностью открытой дверце, а значит процессы газификации и сгорания пиролизных газов протекают более интенсивно.

Ограничивая тягу шибером (вьюшкой) и подачу воздуха поддувальной или топочной дверцей, регулируют режим работы печи. Ведь эффективность процесса газификации топлива зависит от количества первичного воздуха, который пройдет через дрова или уголь, а процесс сгорания и дожига пиролизных газов регулируют подачей вторичного воздуха. Если подача ВВ не предусмотрена, то все регулируют ограничением подачи ПВ.

В ПП первичный воздух поступает в КП только во время розжига, когда же температура в ней поднимется хотя бы отметки 300 градусов, а факел в КС наберет силу и прогреет переходную пластину, подачу ПВ полностью прекращают, чтобы он не охлаждал горячую зону.

Попав в КС, пиролизные газы смешиваются с ВВ и воспламеняются, образуя факел, причем там тоже образуется повышенное давление, ведь нагретые газы легче окружающего воздуха, а значит стремятся вверх.

Из-за этого разряжения, создаваемого тягой недостаточно для удаления продуктов горения из камеры сгорания, поэтому резко падает приток ВВ, факел теряет силу и эффективность работы печи заметно снижается.

При особо неудачном стечении обстоятельств факел тухнет и КС наполняют ПГ, которые не только горючи, но еще и взрывоопасны. Затем под действием тяги они наполняют дымоход и выходят наружу, после чего для взрыва достаточно лишь одной искры.

Для решения этой проблемы применяют 2 способа:

1. ВВ подают под наддувом с помощью вентилятора (турбины).
2. Между печью и дымовой трубой или в разрыве дымовой трубы устанавливают дымосос.

Варианты реализации горячей части печи

Из-за сильного нагрева горячей зоны (КП и КС) делать их по традиционной технологии нельзя, ведь ни сталь, ни кирпич не предназначены для работы при такой температуре. Наиболее эффективным является изготовление корпуса обоих камер из титана, но из-за высокой стоимости последнего вместо него нередко применяют жаростойкую (котловую) сталь.

Обе камеры примерно одинаковы по объему и представляют собой параллелепипеды, установленные один на другой, сверху расположена КП, снизу КС. Если расположить камеру сгорания сверху, то коэффициент передачи тепла от нее к пиролизной камере резко упадет, из-за чего будет сложней запустить и поддерживать термическое разложение с необходимой скоростью.

Встречаются модели печей и котлов, где одна камера примыкает к боку другой, обеспечивая тем самым более высокую теплоотдачу, но именно вертикальное расположение является наиболее популярным.

Обе камеры разделены перегородкой, в которую врезан жиклер, то есть пластина из материала с максимальной жаростойкостью с прорезанным в ней отверстием определенной формы и размера. Чаще всего такое отверстие делают в виде прямоугольника площадью 10–100 см2.

В КП предусмотрена подача только ПВ, встречаются модели «пиролизных» отопительных приборов с подачей в эту камеру ВВ, но поскольку пиролиз – это термическое разложение без подачи воздуха, то такие устройства более точно называть газогенераторными.

В КП предусмотрено отверстие прямого хода, необходимое для розжига топлива и прогрева дымохода, а также задвижка (шибер) для его перекрытия. В нижней части КС расположено выходное отверстие, из которого факел поступает либо к каналам печи, либо к водяному контуру (рубашке).

Поскольку даже котловая сталь и титан теряют прочность при нагреве свыше тысячи градусов, мы рекомендуем обязательно футеровать камеру сгорания шамотным кирпичом. Если позволяют размеры, его лучше укладывать не в четверть (на ложок), а в полкирпича (на постель), благодаря чему он будет более эффективно защищать металлический корпус.

Перекрывать футеровку проще всего с помощью распиленных шамотных плит, благодаря чему они легко проходят в прочистную дверцу, да и заменить футеровку в этом случае несложно. Еще один способ защиты – установка между футеровкой и корпусом прокладки из базальтовой ваты, при наличии такого теплоизолятора кирпичи можно ставить в четверть.

Если титана и котловой стали у вас нет, можно сделать обе камеры из жаростойкого бетона без арматуры. Но даже бетонный корпус желательно защищать базальтовой ватой и футеровать шамотным кирпичом.

Влажность топлива и тепловая мощность пиролизной печи/котла

Вода является неотъемлемой частью любого топлива, поэтому часть тепловой энергии, поступающей к нему, будет тратиться на превращение жидкости в пар.

Кроме того, водяной пар увеличивает объем пиролизных газов, а значит чем его больше, тем меньше горючих соединений пройдет через одинаковое сечение жиклера за единицу времени.

Именно поэтому ПП могут работать с топливом различной влажности (5–50%), но избыток воды затрудняет выход КП на пиролизный режим, а недостаток приводит к росту температуры факела, что чревато повреждением печи или котла. Правильно спроектированная ПП обеспечивает наиболее высокий КПД при влажности дров 15–20% или каменного угля 10–15%.

Можно ли сделать маленькую (мини) пиролизную печь?

Длительность работы с одной закладки топлива зависит не только от режима его горения, но и от количества, чем его больше, тем реже придется разжигать ПП заново.

Кроме того, для эффективного сжигания ПГ необходимо довольно большое пространство, ведь процесс горения – это результат окисления одной молекулы углерода двумя молекулами кислорода, то есть сначала воздух и пиролизные газы необходимо тщательно перемешать.

Поэтому совсем маленькую печь, сравнимую по размерам с «щепочницей» создать невозможно, ведь одной из причин высокого КПД является достаточно большой объем пространства для горения и дожига ПГ.

Однако любая печь, в том числе ПП, не только производит, но еще и отдает тепло помещению, поэтому построить малогабаритную конструкцию из кирпича невозможно в принципе, ведь каждый квадратный метр ее поверхности выделяет всего 500 Вт/ч тепловой энергии.

Если отказаться от прямого обогрева помещения, превратив ПП в котел, то по своим размерам он будет сопоставим с другими кирпичными котлами той же мощности, ведь это обусловлено способностью водяного контура усваивать тепло.

Металлический вариант ПП, вне зависимости от типа воздействия на помещение, будет сопоставим по своим размерам с большинством печей этого типа, даже если оснастить его калорифером по типу «Булерьяна».

Поэтому сделать мини пиролизную печь, реально обогревающую помещение, либо невозможно, если площадь комнаты составляет хотя бы 15 м², либо экономически нецелесообразно из-за крайне высоких затрат на ее изготовление.

Для чего подойдет ПП длительного горения?

Режим длительного горения подразумевает факел минимальной мощности и крайне замедленный процесс пиролиза, причем протекающего при относительно низких температурах (300–500 градусов).

В таких условиях термическое разложение любой органики менее эффективно, равно как и окисление пиролизных газов с последующим дожигом, из-за чего не только возрастает расход топлива, но и увеличивается количество токсичных соединений в дымовых газах.

Поэтому печь проектируют так, чтобы режим длительного горения протекал при близкой к максимальной температуре факела, а значит более высокой температуре внутри КП, для этого:

1. Уменьшают сечение жиклера, чтобы замедлить поступление ПГ в КС и тем самым снизить мощность факела, что автоматически приведет к падению температуры внутри КП.
2. Увеличивают объем КП.
3. Защищают боковые стенки КП от воздействия высокой температуры.

Если выполнить все это, то в режиме обычной топки, которая по времени будет соответствовать длительной, температура 400–800 градусов будет лишь в районе переходной пластины, то есть процесс пиролиза будет интенсивно протекать лишь там.

По мере сгорания нижнего топлива, вышележащие дрова или уголь будут опускаться на пластину и оказываться в зоне пиролизного разложения. Это снизит тепловую мощность ПП, зато продлит время ее работы, а значит она наиболее эффективна будет там, где требуется не залповый выброс тепла, а поддерживание определенной температуры, то есть в домах постоянного проживания.

Для дачи, которую посещают несколько раз в месяц, такая ПП будет бесполезна, ведь она не способна быстро прогреть помещение, зато экономично работает в режиме длительного горения.

Также подобный режим хорошо подходит для котлов и печей с водяным контуром, ведь он обеспечивает максимально стабильные температуры в доме даже без применения теплоаккумулятора.

Дрова или уголь – что лучше для ПП?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть его в двух плоскостях:

1. Совокупная стоимость топлива на весь сезон.
2. Максимальное время работы с одной закладки.

Совокупная стоимость топлива, это не только затраты на приобретение дров или угля, но и все сопутствующие расходы. К примеру, если человек не может сам напилить или поколоть дрова, то ему придется кого-то нанимать, а значит платить ему за работу, что увеличивает совокупные расходы.

Максимальное время работы с одной закладки дров составляет 8–18 часов, причем чем крупней КП, тем дольше в ней будет длиться процесс пиролиза, а значит увеличится время работы печи.

Уголь обладает более высокой теплотворной способностью, а также заметно плотней, поэтому для получения того же количества тепловой энергии его требуется заметно меньше. Это позволяет сделать либо уменьшить размеры печи, либо увеличить время работы с одной закладки до нескольких суток.

Как правильно топить печь дровами и углем?

Методика топки любым видом топлива одинакова и состоит из следующих этапов:

• чистка обоих камер (удаление золы);
• загрузка топлива в КП;
• розжиг;
• прогрев пиролизной камеры;
• прекращение подачи ПВ в ПК;
• перекрытие канала прямого хода из ПК;
• подача ВВ в КС и розжиг факела;
• регулировка интенсивности факела.

Часть владельцев ПП загружают топливо дважды, сначала то, что необходимо для розжига и появления раскаленных углей, затем предназначенное для работы в режиме пиролиза.

Такой подход облегчает контроль за происходящими в пиролизной камере процессами, но связан с выбросом неприятного запаха в помещение, особенно при топке углем, а также требует более точной работы с заслонками и дверцами камер.

ПП для бани

Основными отличиями банной печи от отопительной являются:

• более высокая тепловая мощность топливника при меньшей внутренней площади дымовых каналов, что приводит к более сильному нагреву поверхности отопительного прибора;
• наличие каменки, необходимой для получения пара, и установленной прямо над топливником или первым каналом.

Поэтому разница между обычной и пиролизной банной печью только в способе получения тепловой энергии, а значит ПП вполне подходит для установки в бане, это в полной мере относится к конструкциям из любых материалов.

Для гаража

Поскольку время работы с одной закладки топлива углем составляет несколько суток, ПП подходит для обогрева гаража, однако ее необходимо проектировать с учетом требований к тепловому режиму этого помещения.

Ведь одна тепловая мощность требуется для поддержания температуры чуть выше нуля градусов и совсем другая для прогрева до того уровня, при котором можно комфортно обслуживать машину.

При такой конфигурации теплогенератор будет выдавать количество тепла, достаточное для обогрева помещения до температуры +20 градусов 2–3 дня, а ТА, запасая избыточное тепло, сможет поддерживать температуру +5 градусов дней 7–10.

Можно ли превратить обычную печь в пиролизную?

Поскольку конструкция, а значит и размеры топливника обычной и пиролизной печей сильно отличаются, то вставить полноценный двухкамерный теплогенератор в готовую печь невозможно.

Если у вас кирпичный отопительный прибор, то его можно полностью переложить, металлический же аппарат проще сделать с нуля, чем пытаться внести столь кардинальные изменения, ведь они затронут не только топливник, но и теплообменник, то есть всю конструкцию.

Порядовка конструкции из кирпича

На этой порядовке изображена печь тепловой мощностью 5–5,5 кВт/ч, которая подходит для обогрева хорошо утепленных домов площадью 40–70 м² (зависит от климатического пояса).

Время работы на дровах с одной закладки топлива составляет 2–4 часа, на угле 2–8 часов, а учитывая высокую теплоемкость конструкции, даже зимой нередко будет получаться топить печь только раз в сутки.

Если же сначала протапливать для прогрева примерно половинной закладкой топлива, а затем до верха наполнять камеру пиролиза новым горючим, то время работы с одной закладки составит:

1. На дровах 4–10 часов.
2. На угле 6–15 часов.

Основным недостатком является высокое расположение дверцы пиролизной камеры (1,5 м от пола), из-за чего топливо сложней загружать в камеру пиролиза.

Структура

Структура печи показана с четырех сторон, то есть:

• спереди;
• сзади;
• слева;
• справа.

1–5

На этих рядах создан канал подачи вторичного воздуха в камеру сгорания, открывая или прикрывая дверцу, вы сможете регулировать интенсивность горения факела.

Часть печников рекомендует не армировать печи, и доля истины в их словах есть, но именно такую конструкцию крайне желательно армировать, ведь если вы неправильно отрегулируете подачу вторичного воздуха, то избежать ее перегрева не получится, а армирование защитит кладку от разрушения.

С четвертого ряда начинаются оба колпака.

6–19

На этих рядах расположена нижняя часть шамотного ядра – камера дожига. Между телом печи и шамотным ядром установлен теплоизолятор из базальтовой ваты. Армирование кладки как тела печи, так и шамотного ядра на этих рядах не просто обязательно, но и должно быть выполнено именно так, как указано на рисунках.

В камеру дожига вставляйте герметично закрывающуюся дверцу (как закрепить топочную дверцу), можно даже со стеклом, тогда вы сможете наслаждаться красивым видом факела и более точно регулировать подачу ВВ.

20–21

На этих рядах расположен под камеры пиролиза, являющийся одновременно крышкой камеры сгорания. В кирпичах пода сделана выборка под жиклер (форсунку) из титана или вольфрама, но можно изготовить ее и из шамотной плиты подходящей толщины. Размеры форсунки указаны на соответствующем рисунке.

22–31

На этих рядах сформирована камера пиролиза. На двадцать втором ряду уложены кирпичи со снятой фаской, благодаря которым угли скатываются к форсунке, являющейся наиболее горячим элементом КП.

В камеру пиролиза вставляйте дверцу, которая не только герметично закрывается, но и оснащена отверстиями для подачи воздуха с шибером для регулировки. На двадцать восьмом и двадцать девятом рядах расположен выход в канал прямого хода. Перекрывайте камеру шамотной плитой.

32–36

На этих рядах расположены канал прямого хода и коллектор, объединяющий левый и правый колпаки. Между шамотной плитой, перекрывающей камеру пиролиза, и расположенными на тридцать втором ряду уголками перекрытия уложен теплоизолятор из базальтовой или каолиновой ваты.

Между тридцать третьим и тридцать четвертым рядами кирпичей уложено армирование из базальтовой сетки. Под задвижку прямого хода в кирпичах делайте выборку, как показано на порядовке.

37–38

Эти ряды перекрывают оба колпака и дымовые каналы (коллектор и прямого хода). На тридцать седьмом ряду перекрывайте в замок, как показано на рисунке. Между рядами укладывайте армирующую базальтовую сетку.

39–44

На этих рядах расположена нижняя часть дымовой трубы с вьюшкой и прочистным отверстием, закрытым соответствующей дверцей. Выше можно как продолжать кладку трубы «пятерик» из кирпича, так и устанавливать сэндвич-дымоход с внутренним диаметром как минимум 150 мм.

Видео по теме

В видео ролике представлено описание схемы пиролиза, рассказывается о том, как работает пиролизная печь:

Заключение

Пиролизная печь благодаря более высокому КПД экономичней обычной отопительной, но ее конструкция заметно сложней. Кроме того, при правильной регулировке подачи вторичного воздуха происходит наиболее полное сгорание пиролизных и максимальный дожиг дымовых газов.