Испытание конденсационной техники на бытовых твёрдотопливных котлах, работающих на древесной щепе, пеллетах с дополнительным теплообменником.

Испытания проводились в Технологическом центре (TFZ), Штраубинг, Германия в ноябре 2004 года

Содержание

1. Введение и цели исследования

2. Методика проведения испытаний

   • 2.1 Программа испытаний

   • 2.2 Используемое топливо

   • 2.3 Схема испытательного стенда и расположение измерительных точек

   • 2.4 Методы измерений и анализа

   • 2.5 Проведение испытаний и оценка результатов

3. Результаты

   • 3.1 Повышение КПД и производительности

   • 3.2 Влияние на выбросы пыли

   • 3.3 Влияние на остальные вредные выбросы

   • 3.4 Количество образующегося конденсата

   • 3.5 Качество конденсата

4. Заключение

5. Список литературы

6. Приложение: Сводные данные измерений

1. Введение и цели исследования

Коэффициент полезного действия (КПД) бытовых дровяных отопительных установок, в зависимости от качества и влажности топлива, находится в диапазоне от 85 до 90% относительно низшей теплотворной способности. Температура дымовых газов при этом составляет около 150–250 °C, что обычно не приводит к падению температуры ниже точки росы.

Использование систем отопления с «конденсационной техникой» позволяет значительно повысить эффективность теплоснабжения по сравнению с обычными технологиями. При помощи специально спроектированного теплообменника используется как ощутимое (физическое) тепло дымовых газов за счет их охлаждения до 40–70 °C, так и скрытое тепло конденсации. Как правило, достигается КПД котла выше 100% (по отношению к низшей теплотворной способности Hu).

Для газовых и, в последнее время, для масляных котлов конденсационная техника уже является общепринятой практикой. Однако это не относится к дровяным установкам, несмотря на то, что здесь также существуют благоприятные предпосылки для ее использования.

Для этого необходима, с одной стороны, возможность полезного использования дополнительно полученного низкопотенциального тепла, а с другой – значительное содержание водяного пара в дымовых газах. Это содержание пара при сжигании древесины обусловлено как влажностью самого топлива (около 10–40%), так и содержанием водорода в топливе (около 6 мас.%), который в процессе горения соединяется с кислородом, образуя водяной пар (так называемая «гремучая реакция»). Это химически образованное количество воды для древесного топлива составляет в сумме около 110–120 г на кВт·ч энергии топлива. При влажности топлива (w) около 35% масса химически образованной воды и масса воды от испарения содержащейся в топливе влаги примерно равны (Рисунок 1). В сумме для воздушно-сухого древесного топлива (до w=20%) следует ожидать около 150 г воды на киловатт-час энергии топлива. По отношению к массе древесины это составляет около 0,65 кг воды на кг топлива (включая воду).

[Рисунок 1: Количество воды, образующейся при сгорании 1 кг еловой древесины с различной влажностью]

При влажном топливе большая часть тепла, получаемого за счет дополнительного охлаждения при конденсационной технике, приходится на скрытую теплоту конденсации содержащегося в дымовых газах водяного пара (2,44 МДж тепла на кг воды). Расчетно, энергетическая ценность теплоты конденсации для дровяной установки примерно на 8–15% выше, чем при использовании печного топлива. Дополнительно получаемая ощутимая энергия составляет – в зависимости от температуры дымовых газов – еще 7–15% тепловой выработки (по отношению к энергии топлива по низшей теплотворной способности).

С точки зрения ограничения и снижения выбросов, особое значение при сжигании древесины имеет минимизация выбросов пыли. Это видно, в частности, из данных союза трубочистов (Германия) за 2000/2001 гг., которые показывают, что более 20% всех установок, работающих на натуральной древесине, не могут соблюдать предельные значения, установленные 1-м Федеративным законом о защите от выбросов (1. BImSchV Германия). Опыт работы с крупными отопительными установками в конденсационном режиме показывает, что с образованием конденсата возможна также сепарация таких частиц пыли, тем более что конденсация улучшается благодаря наличию ядер конденсации. Однако для установок меньшей мощности бытовых дровяных котлов до сих пор нет опыта в этом отношении.

Цель исследования. В рамках данного исследовательского проекта планировалось испытать дополнительный теплообменник для использования тепла конденсации и снижения выбросов пыли для дровяных отопительных установок малой мощности в условиях, приближенных к реальным. Целью исследования было определение важных для оценки технологии характеристик, таких как:

• Повышение мощности и КПД,

• Снижение выбросов (пыли, CO, CnHm, NO),

• Количество и качество конденсата.

В отношении КПД следовало различать тепловыделение за счет конденсации (скрытое тепло) и за счет дальнейшего охлаждения дымовых газов (ощутимое тепло). Что касается выбросов загрязняющих веществ, основное внимание уделялось параметру «пыль», так как это наиболее критичный загрязнитель при сжигании биомассы. Возможная оптимизация по этому параметру должна была быть выявлена путем исследования добавления охлаждающей воды (впрыск свежей воды в дымовой тракт перед дополнительным теплообменником). Кроме того, необходимо было детально определить количество и качество конденсата, чтобы оценить возможности его экологически безопасной утилизации через систему канализации.

Наряду с этими эксплуатационными параметрами, в рамках данного исследования также предстояло определить другие важные для практического применения конденсационной техники плановые и опытные значения. К ним относятся, среди прочего, температура дымовых газов, объемные расходы дымовых газов и содержание водяного пара в них.

Чтобы обеспечить общую классификацию результатов, вышеупомянутые целевые показатели исследовались в зависимости от различных систематически градуированных влияющих факторов. К ним относятся:

• Вид топлива,

• Влажность топлива,

• Температура обратной линии воды, используемой для охлаждения дымовых газов,

• Мощность котла на щепе.

Испытание дополнительного теплообменника в условиях длительной нагрузки дымовыми газами от древесины с соответствующими отложениями твердых частиц и возможными в связи с этим изменениями в теплопередаче керамических труб теплообменника не являлось предметом данного исследования. Для этого необходимы длительные испытания.

2. Методика проведения испытаний

При эксплуатации дровяных установок – в отличие от установок, работающих на однородных и легко дозируемых видах топлива, таких как природный газ – всегда возникает множество влияющих и возмущающих факторов, которые снижают информативность и возможность обобщения результатов измерений выбросов и производительности. Помимо состава и свойств топлива, сюда также относятся динамические, более или менее сильно колеблющиеся режимы работы топки, из-за чего постоянно меняются условия течения в измерительных участках и участках отбора проб. Поэтому измерения на дровяных установках всегда связаны с относительно высокой степенью неопределенности в отношении точности, с которой можно репрезентативно отобразить соответствующий тип топки для всего возможного спектра применения. Экспериментальные и методические меры поэтому неизбежно представляют собой компромисс между желаемой с точки зрения измерений точностью и экономически оправданными затратами. Это касается не только выбора отопительной установки, ее режимов работы и используемого топлива, но и повторяемости измерений, проведения и организации эксперимента, а также измерительного оборудования. Далее представлены план эксперимента и методика измерений, при этом была предпринята попытка максимально минимизировать вышеупомянутые неопределенности.

2.1 Программа испытаний

Для достижения целей, изложенных в Главе 1, была разработана программа испытаний, которая максимально полно учитывает влияние возможных факторов (нагрузка, температура обратной линии на теплообменнике, вид топлива, влажность топлива, дополнительно используемое количество охлаждающей воды). Разработанный для этого план испытаний представлен в Таблице 1. Всего было исследовано 17 различных вариантов испытаний. При этом для каждого варианта проводилось не менее трех измерений запыленности, причем измерения проводились одновременно до и после дополнительного теплообменника.

Первоначально запланированное количество в 51 испытание было значительно превышено, так как в ходе измерений выяснилось, что для обеспечения надежности базы данных потребовались дополнительные повторения или необходимо было рассмотреть дополнительные настройки и частные аспекты. Так, с одной стороны, перед началом измерений на дополнительном теплообменнике были проведены предварительные испытания для сверки измерительных приборов, а с другой стороны, произошли некоторые изменения в выборе испытательного топлива (Глава 2.2). В итоге было проведено 56 измерений выбросов пыли и 6 предварительных испытаний.

Испытания по сжиганию проводились при двух различных уровнях нагрузки (около 60 кВт и около 30 кВт). В качестве топлива в основном использовалась еловая щепа с различной влажностью. Кроме того, использовались гранулы из соломы злаковых и мискантуса, зерна тритикале, а также смесь строгальных и опилочных отходов (отходы столярного производства) (см. Таблицу 2).

Таблица 1: План испытаний

Дополнительно для температуры обратной линии на дополнительном теплообменнике были выбраны два значения (20 °C и 30 °C), и в двух вариантах испытаний перед дополнительным теплообменником впрыскивалась охлаждающая вода. Для каждой настройки эксперимента одновременно проводилось по три отбора проб пыли в течение 30 минут до и после дополнительного теплообменника. При некоторых испытаниях продолжительность отбора проб пришлось несколько сократить из-за высокой запыленности фильтров. Кроме того, в течение соответствующего времени отбора проб одновременно определялись выбросы CO, CO₂, CₙHₘ и NO до и после дополнительного теплообменника. Содержание водяного пара в дымовом газе измерялось точечно перед дополнительным теплообменником до начала и в конце цикла испытаний, а после теплообменника непрерывно регистрировалось в течение цикла испытаний. Также регистрировались параметры работы отопительной установки, теплотехнический КПД, КПД котла, КПД дополнительного теплообменника и количество образующегося конденсата. Из-за сбоев в ходе испытаний для отдельных вариантов полная программа испытаний не могла быть выполнена за один день, поэтому иногда дополнительное измерение приходилось переносить на следующий день испытаний.

2.2 Используемое топливо

Для изучения влияния различных свойств топлива на функционирование дополнительного теплообменника в испытаниях использовался максимально разнообразный исходный материал. Обзор используемого топлива дает Таблица 2. Смесь строгальных и опилочных отходов была предоставлена столярной мастерской. На сырьевую базу зерен тритикале и гранул из соломы злаковых повлиять не удалось; они были взяты из складских запасов. Определение влажности топлива проводилось в сушильном шкафу при 105 °C по стандарту DIN 51718. Каждая проба топлива представляет собой смешанную пробу, объединенную в ходе испытаний из репрезентативных частичных проб. Из этой смешанной пробы проводилось трехкратное определение влажности.

Таблица 2: Используемое испытательное топливо и его влажность

Анализы по определению теплотворной способности и содержания элементов C, O, H, N, S здесь не проводились. Необходимые для оценок и расчетов выбросов данные по топливу были взяты из базы данных NAWARO Технологического центра [7] (Таблица 3).

Таблица 3: Теплотворная способность и элементный состав используемого топлива (данные из базы [7])

Содержание критических элементов (хлор, сера, тяжелые металлы) было исследовано в отдельных пробах Баварским ведомством по охране окружающей среды (LfU) в Аугсбурге. Результаты, а также соответствующие сравнительные значения из базы данных NAWARO [7] сведены в Таблице 4 и Таблице 5. Эти данные показывают, что по хлоридам не наблюдается чрезмерно высоких концентраций. Содержание серы, напротив, у соломы несколько превышает обычный диапазон значений измерений. Что касается тяжелых металлов, обращают на себя внимание лишь несколько завышенное содержание хрома, меди и никеля в зернах тритикале. Однако для многих данных измерений можно было указать только еще относительно высокое значение предела обнаружения метода РФА, поэтому они малоинформативны.

Таблица 4: Анализ используемого испытательного топлива (кроме мискантуса). Анализ проведен Баварским ведомством по охране окружающей среды (LfU) методом рентгенфлуоресцентного анализа. Значения, помеченные "<", представляют собой предел обнаружения.

Таблица 5: Сравнительные значения для критических компонентов по базе данных NAWARO [7], средние значения и диапазон (в скобках)

2.3 Схема испытательного стенда и расположение измерительных точек

Измерения проводились на испытательном стенде для отопительных установок Технологического центра (TFZ) в отделении во Фрайзинге. Схема экспериментальной установки и расположение измерительных точек показаны на Рисунке 2.

Участки измерения дымовых газов. Общее содержание пыли, а также выбросы CO, CO₂, CₙHₘ и NO необходимо было регистрировать одновременно до и после дополнительного теплообменника. Для этого экспериментальная установка со стороны дымовых газов состояла из горизонтального измерительного участка с переходным элементом для подключения к патрубку дымовых газов отопительной установки, переходного элемента для подключения к входному отверстию дополнительного теплообменника, а также вертикального измерительного участка с переходным элементом для подключения к выходному отверстию дополнительного теплообменника. Диаметр патрубка дымовых газов отопительной установки составлял 250 мм. С помощью переходного элемента после патрубка дымовых газов диаметр трубы был уменьшен до 200 мм, а с помощью переходного элемента на входе в дополнительный теплообменник – до 150 мм. Переходной элемент от выхода дополнительного теплообменника к вертикальному измерительному участку состоял из горизонтального и вертикального отвода на 90°. Диаметр вертикального измерительного участка составлял 150 мм. Измерительные точки для устройств с фильтрующей головкой были расположены в горизонтальном и вертикальном измерительном участке на расстоянии не менее 3xD (D = внутренний диаметр трубы дымовых газов в месте измерения от последнего отвода) в соответствии с VDI 2066, лист 1.

[Рисунок 2: Схема экспериментальной установки и расположения измерительных точек с трактом дымовых газов и участками измерения тепловой мощности]

Точки измерения скорости и зонды для отбора проб газа были размещены на достаточном расстоянии перед зондами для отбора проб пыли. В обоих измерительных участках были размещены "измерительные точки DIN" для температуры дымовых газов и тяги в дымоходе. Они были расположены по месту и положению в соответствии с DIN 4702, часть 2 (правила теплотехнических испытаний). Дополнительно измерялась температура дымовых газов на входе и выходе дополнительного теплообменника. Благодаря выбранным внутренним диаметрам труб измерительных участков (200 мм горизонтальный участок, 150 мм вертикальный участок) можно было определять скорость газа даже при малых массовых расходах дымовых газов с помощью простого измерения перепада давления. Кроме того, эта мера позволяла проводить изокинетический отбор проб в соответствии с VDI 2066, так как скорость дымовых газов находилась в диапазоне, допускающем использование имеющихся наборов сопел. Пройдя через измерительные участки, дымовой газ отводился через гибкое соединительное соединение в дымоход из нержавеющей стали и выводился в атмосферу.

Участки измерения тепловой мощности. Котел на щепе был подключен со стороны воды к специально созданному для этого охлаждающему контуру. Это позволяло напрямую регистрировать полезное тепло, отдаваемое котлом. Гидравлический измерительный участок соответствует требованиям DIN 4702, часть 2 (см. «Контур с байпасной линией»). 

Водяной контур исследуемого дополнительного теплообменника BOMAT AWR 532 эксплуатировался через охладитель с водно-воздушным теплообменником и электронным трехходовым смесительным клапаном для регулирования температуры обратной линии. При этом измерялись температуры на входе воды (обратка) и на выходе воды (подача), а также объемный расход воды в подающей линии дополнительного теплообменника. В программе сбора данных затем рассчитывалось полезное тепло, отдаваемое дополнительным теплообменником. Трехходовой смесительный клапан служил для установки желаемой температуры обратной линии (см. Рисунок 2).

Подаваемая охлаждающая вода и количество конденсата. Количество подаваемой охлаждающей воды при измерениях с керамической форсункой регистрировалось с помощью встроенного счетчика расхода в подводящей линии. При испытаниях с двухкомпонентной форсункой, где вода распыляется в форсунке с помощью сжатого воздуха и всасывается за счет образующегося разрежения, количество воды определялось с помощью мерного стакана. Определение количества конденсата проводилось после полного цикла испытаний (как минимум три повторения) также с помощью мерного стакана.

[Рисунок 3: Принцип действия испытуемого дополнительного теплообменника]

Дополнительный теплообменник. Принцип действия исследуемого дополнительного теплообменника показан на Рисунке 3. Поток дымовых газов направляется непосредственно после котла в теплообменник, в котором находятся несколько расположенных друг над другом и рядом друг с другом омываемых водой керамических элементов теплообменника (Рисунок 4). Дымовой газ отдает здесь свое тепло воде в трубах теплообменника.

[Рисунок 4: Внешний и внутренний вид используемого дополнительного теплообменника]

Преимущество используемой специальной керамики заключается в том, что ее теплопроводность примерно в 5 раз выше, чем у обычно используемой нержавеющей стали. Выше керамики может дополнительно впрыскиваться жидкость. С ее помощью можно снизить температуру точки росы и, возможно, осуществить промывку дымовых газов. С помощью капель жидкости большая часть частиц должна была вымываться из потока дымовых газов, а запыленность дымовых газов значительно снижаться. За счет воды пыль дымового газа агломерируется, оседает на дне теплообменника и может оттуда удаляться. Расположение труб теплообменника друг над другом должно способствовать тому, что отложения на трубах могут быть смыты образующимся конденсатом. На Рисунке 5 показан пример отложений на первом уровне труб теплообменника после примерно 40 часов работы на древесной щепе. Помимо сухой пыли, на верхней стороне труб образовались твердые корки отложений. Образующийся конденсат стекает вниз и отводится через сифон. На нижних уровнях труб отложений не наблюдалось.

[Рисунок 5: Отложения на первом уровне труб теплообменника (работа на древесной щепе)]

2.4 Методы измерений и анализа

В рамках программы измерений регистрировались следующие параметры установки и величины выбросов:

• Загрязняющие вещества в дымовом газе до и после дополнительного теплообменника:

  • Оксид углерода (CO)

  • Летучие органические соединения (CₙHₘ)

  • Оксид азота (NO)

  • Общая пыль

• Эксплуатационные параметры отопительной установки:

  • Содержание кислорода (O₂)

  • Диоксид углерода (CO₂)

  • Тепловая мощность, КПД котла и теплотехнический КПД

  • Температуры дымовых газов, температуры подачи и обратки

• Эксплуатационные параметры дополнительного теплообменника:

  • Образующееся количество конденсата

  • Поданное количество охлаждающей воды

  • Тепловая мощность и КПД

  • Температуры дымовых газов, температуры подачи и обратки

Дополнительно регистрировалось содержание водяного пара до и после дополнительного теплообменника. Расположение соответствующих измерительных приборов в потоке дымовых газов показано на Рисунке 6. Некоторые измеряемые величины регистрировались непрерывно, другие – только дискретно.

Непрерывно регистрируемые измеряемые величины. Параметры, непрерывно измеряемые на испытательном стенде, и используемая для этого измерительная техника представлены в Таблице 6. Применяемые методы измерений соответствуют стандартизированным процедурам и задокументированы в соответствующих стандартах DIN и директивах VDI. Все данные измерений регистрировались как аналоговые или цифровые сигналы через модульную систему ввода/вывода FieldPoint от National Instruments и принимались персональным компьютером для дальнейшей обработки и хранения данных. В качестве программного обеспечения для сбора данных использовалась программа «Messdatenerfassung V1.02», разработанная в Технологическом центре и запрограммированная в LabView 6.1. В качестве интервала времени для усреднения были выбраны 60 с. Скорость газа рассчитывалась для каждого интервала из минутных средних значений измеряемых величин динамического давления, состава дымовых газов и температуры дымовых газов.

Таблица 6: Непрерывно регистрируемые измеряемые величины – Технические данные измерительных приборов
(В оригинале таблица была представлена в виде списка на странице 25. Для сохранения структуры, ключевые параметры перечислены ниже)

• Компоненты дымового газа (O₂, CO, CO₂, NO, CₙHₘ): Использовались газоанализаторы: магнитный (O₂), ИК-спектрометр (CO, CO₂), хемилюминесценция (NO), пламенно-ионизационный детектор (CₙHₘ).

• Температура: Термопары (Fe-CuNi, NiCr-Ni).

• Давление/Скорость: Микроманометры с зондами Пито.

• Объемный расход воды: Электромагнитные расходомеры.

• Температура воды: Платиновые термометры сопротивления (Pt100).

Дискретно регистрируемые измеряемые величины. Определение выбросов пыли в виде общей пыли проводилось дискретно с помощью обогатительного отбора проб дымового газа в соответствии с VDI 2066. Применяемые для этого методы измерений соответствуют стандартизированным процедурам, задокументированным в стандартах DIN и директивах VDI. Содержание водяного пара в дымовом газе измерялось точечно перед дополнительным теплообменником до начала и в конце цикла испытаний и непрерывно регистрировалось после теплообменника в течение цикла испытаний.

[Рисунок 6: Схема размещения измерительных приборов на испытательном стенде Технологического центра]

Количество подаваемой охлаждающей воды при измерениях с керамической форсункой регистрировалось с помощью встроенного счетчика расхода в подводящей линии. При испытаниях с двухкомпонентной форсункой, где вода распыляется в форсунке с помощью сжатого воздуха и всасывается за счет образующегося разрежения, количество воды определялось с помощью мерного стакана.

В качестве параметра топлива определялась влажность. Результаты по этому вопросу приведены в Главе 2.2.

Определение общих выбросов пыли проводилось по методу измерения, описанному в директивах VDI 2066, лист 1 и лист 3 (метод с «устройством с фильтрующей головкой»). При этом отборе проб частичный поток газа, содержащий пыль, отбирается в изокинетических условиях и подается в систему удержания для отделения пыли. В качестве среды для отделения использовался кварцевый волоконный фильтр (удержание 99,998% согласно DOP (0,3 мкм)) в фильтрующем патроне в системе удержания, расположенной вне канала дымовых газов. В зависимости от требований всасывающая труба и система удержания обогревались во избежание падения ниже точки росы дымовых газов. После кварцевого патрона измерительный газ поступает в отсасывающий аппарат. Он состоит из блока осушки газа, устройств для определения объемного расхода и состояния газа, а также всасывающего насоса. Оптический индикатор расхода служит дополнительно для контроля между заданным и фактическим значениями, которые необходимо установить.

Продолжительность одного отбора пробы общей пыли обычно составляла 30 минут. При очень высокой запыленности или очень мелкой пыли время отбора пробы сокращалось до 20 или 15 минут в зависимости от создающегося разрежения на фильтрующем патроне. Всегда параллельно отбирались пробы на двух пылевых фильтрах (один до и один после дополнительного теплообменника). Загрузка патронов составляла при этом от 10 до 150 мг. Расход пробного газа находился в диапазоне от 0,5 до 1 Нм³/ч. Определение массы пыли проводилось гравиметрически с помощью электронных прецизионных весов (фирма Mettler, разрешение: 0,1 мг) путем взвешивания незагруженных и повторного взвешивания загруженных измерительных фильтров в соответствии с директивой VDI 2066, часть 1. Взвешивание и кондиционирование фильтров проводилось в лаборатории Технологического центра.

2.5 Проведение испытаний и оценка результатов

Котел на щепе был установлен на испытательном стенде Технологического центра и введен в эксплуатацию в присутствии специалиста завода-изготовителя. Впоследствии были проведены предварительные испытания с тестовыми видами топлива для ознакомления с управлением установкой. Во время предварительных испытаний также определялось ожидаемое общее содержание пыли и проводилась сверка измерительных приборов. Перед каждым испытанием установка настраивалась на тестовое топливо и выбранную ступень нагрузки. При этом в качестве оптимизируемой величины в рамках технических возможностей стремились к минимальному содержанию CO при максимально возможном содержании CO₂ в дымовом газе. Настройка установки на щепе осуществлялась в основном путем адаптации времени такта и паузы подающего шнека, количества первичного и вторичного воздуха, а также температуры топочной камеры к требуемой тепловой мощности.

Розжиг и установившийся режим. После заполнения дневного бункера запаса тестовым топливом отопительная установка включалась, и запускалась программа розжига электронного регулирования горения. Для тестовых видов топлива с очень высокой влажностью (w > 40%) топочную камеру сначала необходимо было заполнить сухим топливом, чтобы обеспечить автоматическое воспламенение.

В фазе розжига осуществлялась только циркуляция нагреваемой воды в охлаждающем контуре. Подача холодной воды начиналась только при температуре воды в котле около 60 °C. При этом расход холодной воды регулировался на тепловую мощность, необходимую в установившемся режиме. Температура подачи в соответствии с DIN EN 303-5 составляла в среднем от 70 до 90 °C, а разница температур между подачей и обраткой составляла от 10 до 25 Кельвинов.

Требуемый установившийся режим достигался примерно через 1-2 часа после розжига. Критериями наличия установившегося режима были постоянная температура топочной камеры, постоянный коэффициент избытка воздуха и лишь незначительные колебания содержания CO, а также постоянные условия на дополнительном теплообменнике. После достижения установившегося режима регистрировались параметры работы, и отбирались пробы пыли. Продолжительность нахождения в установившемся режиме составляла не менее трех часов. Параметры работы установки (нагрузка котла, содержание CO) были установлены в соответствии с планом испытаний на начало дня испытаний. Изменение ступеней нагрузки в течение одного дня измерений не производилось.

Мощность дополнительного теплообменника изменялась путем варьирования температуры обратной линии. Для этого сначала на охлаждающем контуре дополнительного теплообменника регулировалась одна из возможных температур обратки (20 °C или 30 °C). После проведения измерений пыли, включая все повторения, температура обратки регулировалась на второе возможное значение, и измерения пыли запускались снова. Как правило, варьирование температуры обратки на дополнительном теплообменнике происходило в один день испытаний при постоянных рабочих условиях котла на щепе. Только если достижение установившегося режима занимало слишком много времени и вторая серия измерений в день испытаний была уже невозможна, измерения с другой температурой обратки переносились на другой день измерений.

Отключение и завершение. После завершения последнего отбора проб дополнительный теплообменник снова переключался в байпасный режим, еще раз измерялось содержание водяного пара в дымовом газе и определялось количество образовавшегося конденсата с помощью мерного стакана. Затем запись данных измерений прекращалась, и отопительная установка выключалась. Отопительная установка охлаждалась через систему охлаждения, чтобы предотвратить последующий перегрев. В целом время работы отопительной установки во время одного испытания по сжиганию или дня испытаний составляло от 8 до 11 часов.

Изменение влажности. При испытаниях по исследованию влияния влажности на котел на щепе и дополнительный теплообменник потребовалась адаптация настроек к различным уровням влажности. Настройка массового расхода топлива, найденная для сухой еловой щепы (w = 11%), должна была быть увеличена из-за более низкой теплотворной способности влажной щепы (w > 40%). Кроме того, необходимо было внести соответствующие изменения в количество первичного и вторичного воздуха, а также в температуру топочной камеры. При этом на первом плане стояла максимально возможная постоянная работа в установившемся режиме и в меньшей степени оптимизация выбросов CO, хотя даже при высоком содержании влаги в топливе они лишь редко превышали действующий предел выбросов.

3. Результаты

Ниже кратко излагаются и графически представляются важнейшие результаты исследования. Полный обзор выбранных настроек режима работы, а также отдельных результатов измерений (средние значения как минимум из 3 повторных измерений) приведен в приложении с данными.

3.1 Повышение КПД и производительности

Использование дополнительного теплообменника приводило, как правило, к повышению системного КПД примерно на 13–20 процентных пунктов. Это означает, что использование топлива, которое в обычном котле на щепе обычно составляет 85–90%, может быть повышено с помощью дополнительного теплообменника до более чем 100% при условии возможности использования образующегося низкопотенциального тепла. Этот прирост тепла происходит с относительно постоянной долей за счет дополнительного охлаждения дымовых газов (ощутимое тепло), в то время как дополнительно используемое тепло от конденсации дымовых газов (скрытое тепло) колеблется в зависимости от влажности топлива. Это видно из Рисунка 7.

Влияние влажности и температуры обратки. При влажности всего 10% теплота конденсации вносит вклад в повышение КПД только примерно на 4 или 2 процентных пункта, в то время как при влажности 40% она составляет уже около 9–10 процентных пунктов.

[Рисунок 7: Системный КПД котла на щепе с дополнительным теплообменником при различных температурах обратки и влажности топлива]

При этом снижение уровня температуры обратки с 30 до 20 °C приводит к улучшению на 1,7–2,5 процентных пункта (Рисунок 7). При этом снижение температуры обратки увеличивает как вклад ощутимого тепла, так и вклад скрытого тепла. Если рассматривать только дополнительную долю теплоты конденсации, то улучшение составляет 1,5–2,1 процентных пункта.

Влияние вида топлива. Между пятью исследованными видами топлива были обнаружены скорее незначительные различия в дополнительном приросте тепла от дополнительного теплообменника. Исключение здесь составляет только зерно (тритикале), которое сжигалось с КПД котла всего 77% (Рисунок 8). Подобные потери КПД наблюдались уже в более ранних испытаниях, в которых – как и в данном случае – зерна злаков использовались в установках, не разработанных специально для этого. Повышенные потери котла сопровождались повышенной температурой дымовых газов и не могли быть скомпенсированы использованием дополнительного теплообменника в выбранной здесь компоновке установки.

[Рисунок 8: Системный КПД котла на щепе с дополнительным теплообменником при различных видах топлива]

Влияние тепловой нагрузки. На КПД также влияет текущая тепловая нагрузка установки. В испытаниях наблюдалось улучшение КПД при пониженной нагрузке. Это улучшение составляло от 0,6 до 5,8 процентных пункта на ступени тепловой нагрузки около 30 кВт по сравнению с 60 кВт; оно было особенно выражено при более высокой влажности топлива (Рисунок 9).

[Рисунок 9: Системный КПД котла на щепе с дополнительным теплообменником при различных тепловых нагрузках и температурах обратки]

Потери энергии. Для используемой древесной щепы энергия, отдаваемая в атмосферу с дымовым газом после дополнительного теплообменника в виде остаточного ощутимого тепла, составляла от 3,1 до 4,7% от подведенной энергии топлива. Дальнейшие улучшения КПД, следовательно, должны быть получены из этой относительно небольшой остаточной энергии или за счет дополнительной конденсации, либо за счет уменьшения излучения.

Типичная диаграмма потоков для применения исследованной здесь конденсационной техники на бытовом котле на древесной щепе показана на Рисунке 10.

[Рисунок 10: Схематическое изображение энергетических потоков конденсационной установки для древесного топлива в процентных пунктах относительно подведенной энергии топлива]

Температура дымовых газов. Описанное повышение КПД является результатом форсированного охлаждения дымовых газов. В среднем по всем испытаниям с древесной щепой (без охлаждающей воды) произошло снижение температуры дымовых газов на 114 °C. После дополнительного теплообменника средняя температура дымовых газов составляла еще 65 °C (от 59 до 84 °C). Для трех использованных видов топлива из соломы злаковых средняя температура дымовых газов после дополнительного теплообменника была выше и составляла 89 °C, это также относится и к снижению температуры, которое в среднем составляло 150 °C. Данные по отдельным испытаниям (средние значения) сведены в приложении.

То, что температуры дымовых газов после дополнительного теплообменника лежат выше температуры точки росы, хотя в дополнительном теплообменнике происходила конденсация, объясняется усиленным охлаждением дымовых газов, происходящим прежде всего локально. Дымовые газы охлаждаются ниже температуры точки росы не по всему сечению потока дымовых газов, а лишь в струях вдоль поверхности труб теплообменника, так что конденсация происходит только в этих струях. Таким образом, после теплообменника вновь перемешанный дымовой газ может иметь еще определенное остаточное содержание воды и температуру выше температуры точки росы.

Повышение производительности. С наблюдаемым повышением КПД также связано пропорциональное увеличение производительности установки. Данные о фактически произошедшем повышении производительности можно увидеть в сводке измеренных значений в приложении. Пример номинально достигнутого увеличения мощности показан на Рисунке 11.

В среднем по всем испытаниям (кроме режима с охлаждающей водой) измеренное увеличение отдаваемой тепловой мощности составляло 18% (от 12 до 26%).

[Рисунок 11: Повышение производительности котла на древесной щепе за счет использования дополнительного теплообменника при различных температурах обратки и влажности топлива]

3.2 Влияние на выбросы пыли

Во всех испытаниях можно констатировать значительное снижение выбросов пыли за счет использования дополнительного теплообменника (SWT) с эффектом конденсации. Для древесной щепы выбросы пыли снизились с уровня от 28 до 47 мг/Нм³ (до SWT) до примерно 21–29 мг/Нм³ (после SWT). Таким образом, это снижение для древесной щепы находится в диапазоне от 20 до 37% (Рисунок 12).

Влияние влажности. Выбросы пыли от установки на щепе имеют тенденцию к положительному влиянию с ростом влажности. Это справедливо и при отсутствии дополнительного теплообменника с конденсационным режимом (Рисунок 12) и также подтверждается сопоставимыми измерениями на выбранном котле на щепе. При использовании дополнительного теплообменника эта тенденция сохраняется, но не усиливается. Это означает, что из-за повышенного образования конденсата не происходит – как первоначально предполагалось – более эффективного отделения пыли. Это видно по степеням отделения пыли на Рисунке 12, на которых не прослеживается положительная тенденция. Однако общий уровень выбросов пыли в представленных испытаниях с щепой относительно низок, так что делать обобщающие выводы сложно из-за повышенной относительной погрешности измерений и отбора проб для пыли.

Влияние уровня температуры обратки. За счет снижения уровня температуры обратки с 30 до 20 °C наблюдалась тенденция к улучшению степени отделения пыли на 4–14 процентных пункта при тепловой мощности 60 кВт (Рисунок 12). В целом по всем испытаниям это улучшение составляло в среднем 8 процентных пунктов. В какой степени причиной этого может быть повышенное образование конденсата (см. Главу 3.4), установить невозможно.

[Рисунок 12: Снижение выбросов пыли за счет использования дополнительного теплообменника с конденсационным режимом при различной влажности топлива и различных температурах обратки]

Влияние вида топлива. Между пятью исследованными видами топлива – как и ожидалось – были обнаружены четкие различия в общем выбросе пыли. Для трех видов топлива из соломы злаковых (гранулы из соломы злаковых и мискантуса, а также зерна тритикале) измеренные значения пыли были明显 повышены, при этом предел выбросов в 150 мг/Нм³ согласно 1-му Федеративному закону о защите от выбросов (1. BImSchV) мог быть соблюден только с гранулами из мискантуса. Однако следует учитывать, что используемая установка представляла собой чистый котел на щепе, не разрешенный производителем для использования топлива из соломы злаковых. Поэтому эти измерения должны были лишь использовать неблагоприятные свойства топлива из соломы злаковых для создания высоких уровней запыленности в испытаниях.

При столь высоких уровнях запыленности в дымовом газе степень отделения пыли дополнительным теплообменником была ниже, чем для двух исследованных видов древесного топлива, причем здесь можно сравнивать только испытания с единообразной влажностью около 10% и температурой обратки 20 °C (Рисунок 13). Однако в абсолютных значениях выбросы пыли могут быть снижены; это видно на примере топлива из тритикале, где после дополнительного теплообменника были измерены выбросы пыли, сниженные примерно на 100 мг/Нм³. Однако такое высокое отделение пыли нелегко воспроизвести для остальных видов топлива из соломы злаковых.

[Рисунок 13: Снижение выбросов пыли за счет использования дополнительного теплообменника с конденсационным режимом при различных видах испытательного топлива]

Пыль от сжигания топлива из соломы злаковых отличается от древесной пыли. Она имеет значительно меньшие размеры частиц. Особенно в субмикронном диапазоне (аэродинамический диаметр частиц < 1 мкм) происходит непропорциональное увеличение выбросов по сравнению с древесиной. По-видимому, отделение именно этих мельчайших фракций затруднено и в конденсационном режиме, тем более что температура точки росы дымовых газов понижается не по всему сечению потока дымовых газов, а лишь в струях вдоль поверхности труб теплообменника, и, таким образом, возможное воздействие частиц пыли как ядер конденсации остается ограниченным. Возможные улучшения могли бы быть достигнуты за счет увеличения поверхности теплообменника или уменьшения потока дымовых газов.

[Рисунок 14: Снижение выбросов пыли за счет использования дополнительного теплообменника с конденсационным режимом при различных тепловых нагрузках, температурах обратки и влажности топлива]

Влияние добавления охлаждающей воды. В испытаниях с добавлением охлаждающей воды не наблюдалось улучшения отделения пыли. Это справедливо как для простого впрыска воды, так и при использовании двухкомпонентной форсунки с подачей сжатого воздуха для более тонкого распыления подаваемого количества воды (Рисунок 15). Однако впрыск воды все же может быть целесообразен для контролируемой очистки отложений на трубах теплообменника. Эта очистка, впрочем, могла бы осуществляться и дискретно, в зависимости от степени загрязнения, через ревизионное отверстие.

[Рисунок 15: Снижение выбросов пыли за счет использования дополнительного теплообменника с конденсационным режимом при добавлении охлаждающей воды]

Повторяемость результатов измерений. В целом следует отметить, что именно для параметра «пыль» повторяемость отдельных результатов измерений имеет место лишь в относительно небольшой степени, так как даже на автоматически загружаемой установке с трудом можно достичь действительно стационарных режимов работы. Это видно и по коэффициенту вариации для пыли, который в среднем по всем испытаниям для каждых трех последовательных повторных измерений составлял 16%. Здесь сказывались малая однородность свойств топлива (размер частиц, содержание воды и золы), периодические механические возмущающие процессы в слое горящего топлива из-за тактируемой подачи топлива, а также регулярные изменения и вмешательства в подачу первичного и вторичного воздуха электронно управляемой автоматической адаптацией мощности как неизбежные причины колебаний.

3.3 Влияние на остальные вредные выбросы

Наряду с целевым параметром «пыль» регистрировались и другие измеряемые величины. Однако конденсационный режим не привел здесь к каким-либо улучшениям. Это относится к непрерывно регистрируемым параллельно до и после дополнительного теплообменника загрязняющим веществам: оксиду углерода (CO), летучим органическим соединениям углерода (CₙHₘ) и оксиду азота (NO). Измеренные различия были минимальны, причем отклонения наблюдались как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Но они находятся в пределах обычных колебаний измеренных значений.

Полная сводка всех измеренных средних значений выбросов по этому вопросу находится в приложении с данными.

3.4 Количество образующегося конденсата

Влияние влажности. Удельный объем конденсата на единицу полезной энергии (отданная котлом кВт·ч) зависит главным образом от влажности топлива и степени охлаждения дымовых газов (температура обратки). Это показано на Рисунке 16. Для древесной щепы снижение температуры обратки с 30 до 20 °C приводит к увеличению на 30–50%, причем этот относительный прирост выше для более сухого топлива, чем для влажного. Для «стандартного случая» с влажностью топлива 30% и температурой обратки 30 °C это означает, что может быть сконденсирована примерно половина общего содержания воды в дымовом газе. Это следует из рассмотрения представленного количества образующегося конденсата в сравнении с общей нагрузкой в дымовом газе (см. Рисунок 1, стр. 11).

[Рисунок 16: Удельное образование конденсата дополнительным теплообменником по отношению к теплу, отданному котлом: влияние различной влажности щепы и температур обратки]

Влияние вида топлива. Для видов топлива из соломы злаковых также наблюдалось увеличение образования конденсата. Это показано на Рисунке 17, где сравниваются варианты с примерно одинаковой влажностью топлива около 10% (к влажности см. Таблицу 2). Наибольшее образование конденсата наблюдалось для зерен тритикале. Причина этого наблюдения не может быть установлена. Различия в содержании водорода вряд ли могут служить обоснованием для роста такого масштаба, что следует из относительно единообразных концентраций водорода в Таблице 3, основанных на поиске в базах данных. Отдельные элементные анализы в рамках данного исследования не проводились.

[Рисунок 17: Удельное образование конденсата дополнительным теплообменником по отношению к теплу, отданному котлом: влияние различных видов топлива]

Влияние тепловой нагрузки. В отличие от видов топлива, различные тепловые нагрузки не влияют на количество образовавшегося конденсата. Это наблюдение было сделано единообразно для обоих вариантов влажности топлива (w = ок. 30 и 40%), а также для обеих исследованных температур обратки (20 и 30 °C) (Рисунок 18).

[Рисунок 18: Удельное образование конденсата дополнительным теплообменником по отношению к теплу, отданному котлом: влияние различных тепловых нагрузок при различной влажности топлива и температурах обратки]

3.5 Качество конденсата

Качество образовавшихся конденсатов описывается определенными здесь содержаниями тяжелых металлов (Таблица 7), измеренным значением pH, а также содержаниями хлоридов, нитридов, нитратов и сульфатов (Таблица 8). Исследование органических компонентов загрязняющих веществ не проводилось.

Качество конденсата зависит прежде всего от используемого вида топлива. Зерна тритикале, а также два других вида топлива из соломы злаковых оказались особенно неблагоприятными. Концентрации тяжелых металлов здесь почти повсеместно выше, чем для двух видов древесного топлива. Это показывает Таблица 7, в которой данные о содержании в конденсатах указаны как в мг/кВт·ч (для сравнения с немецкими ориентировочными значениями), так и в мкг/л (для сравнения с австрийскими предельными значениями).

Однако для цинка и кадмия наблюдались заметные значения и у древесного топлива. Здесь частично нет соответствия ни немецким ориентировочным значениям, ни австрийским предельным значениям. Все остальные содержания тяжелых металлов в древесных конденсатах частично明显 ниже оценочных значений. При этом оказалось, что вариант топлива с влажностью всего около 12% не показал повышенных концентраций. Частично значения у остальных, более влажных вариантов топлива были даже значительно выше, хотя здесь следовало бы ожидать разбавления концентраций вследствие повышенного образования конденсата (Таблица 7). Здесь отражается тот факт, что для биотоплива, особенно по микроэлементам, обычны высокие (относительные) колебания содержания элементов, хотя в данном случае речь шла об однородной партии топлива (лесная щепа с корой, согласно ÖNORM M 7133).

Для общезначимых утверждений о риске чрезмерного поступления тяжелых металлов в систему канализации при добавлении конденсата к бытовым сточным водам необходимы дальнейшие измерения с другими видами топлива. Однако при оценке конденсатов в Германии обычно следуют региональным памяткам, в которых концентрации тяжелых металлов не учитываются. В качестве примера можно назвать памятку № 4.5/3 «Сброс конденсатов от отопительных установок в дренажные системы» Баварского ведомства водного хозяйства, в которой с августа 2000 года также рассматриваются конденсаты от дровяных установок.

Также по значениям pH наблюдается большой разброс измеренных значений. Значение pH было особенно низким для конденсатов от сжигания соломы, мискантуса и тритикале (pH 2,2; 1,7 и 2,0). Это можно объяснить более высоким содержанием хлора в этих видах топлива, что видно также по повышенному содержанию хлора в конденсате (Таблица 8). Однако и у некоторых видов древесного топлива наблюдались низкие значения pH около 3,0. На основании потенциала подкисления нитратов или сульфатов причину этого объяснить нельзя, здесь возможно образование органических кислот. Необходимость нейтрализации для древесного топлива, как правило, отсутствует для установок данного класса мощности.

Таблица 7: Концентрации тяжелых металлов в конденсате различных исследованных видов биомассового топлива и соответствие ограничениям или ориентировочным значениям в Германии и Австрии
(Примечание: сравнительные значения приведены в таблице на стр. 41 оригинала, здесь приводится обобщение)

Таблица 8: Измеренные концентрации содержания критических элементов и значение pH в конденсате
(Примечание: значения приведены в таблице на стр. 42 оригинала, здесь приводится обобщение)

4. Заключение

Благодаря использованию теплообменника, с помощью которого образующиеся дымовые газы охлаждаются, по крайней мере в частичных потоках, ниже точки росы, можно значительно повысить полезное использование тепла топлива. Этот процесс, который тем временем является современным уровнем техники для газовых и масляных отопительных установок, приводит к системному КПД более 100% (по отношению к низшей теплотворной способности Hu). Этот эффект также доказуем и для дровяных установок, тем более что благодаря всегда присутствующей влажности топлива здесь имеются особенно благоприятные условия для получения скрытого тепла из дымовых газов.

В данном исследовании с помощью дополнительного теплообменника (BOMAT - AWR 532), скомбинированного в качестве дополнительного компонента с обычным котлом на древесной щепе (HDG Compact C100), было измерено увеличение отдаваемой тепловой мощности в среднем на 18%. Поскольку этот эффект обусловлен исключительно лучшим использованием подведенной энергии топлива, соответствующим образом повышается и КПД. В то время как использование топлива в обычном котле на щепе обычно составляет 85–90%, дополнительный теплообменник приводит к повышению до более чем 100%. Этот эффект особенно при более влажном топливе (КПД до 106% при 40% влажности топлива). Напротив, КПД снижается примерно на 2 процентных пункта, как только температура обратной линии нагреваемой воды, используемой для охлаждения дымовых газов, повышается с 20 °C до 30 °C.

Во всех испытаниях можно констатировать значительное снижение выбросов пыли за счет использования дополнительного теплообменника. Для древесной щепы степень отделения дополнительного теплообменника находится в диапазоне от 20 до 37%. Более высокая влажность топлива, однако, здесь не сказалась положительно. Снижение температуры обратки на 10 Кельвинов (с 30 до 20 °C), однако, оказывается выгодным (на 4–14 процентных пунктов более высокая степень отделения пыли).

Для исследованных недревесных видов топлива (гранулы из соломы злаковых и мискантуса, а также зерна тритикале), у которых измеренные значения пыли в целом были повышены, степень отделения пыли дополнительным теплообменником была ниже, чем для древесного топлива. Также уменьшение тепловой нагрузки вдвое приводило, как правило, к более низким степеням отделения пыли. Никаких преимуществ в отношении выбросов пыли не проявилось в испытаниях с добавлением охлаждающей воды, даже если использовалась двухкомпонентная форсунка с подачей сжатого воздуха для более тонкого распыления подаваемого количества воды.

В противоположность эффекту снижения выбросов пыли, для остальных компонентов загрязняющих веществ дымовых газов – оксида углерода (CO), летучих органических соединений углерода (CₙHₘ) и оксида азота (NO) – не было обнаружено улучшений.

Аналогично вышеупомянутому КПД, образование конденсата также зависит от влажности топлива. Когда она варьируется в обычном для практики диапазоне от 10 до 40%, количество образовавшегося конденсата колеблется, в зависимости от условий эксплуатации, между примерно 0,05 и 0,2 литра на киловатт-час тепла (по отношению к отданному теплу котла), причем вышеупомянутое снижение температуры обратки на 10 Кельвинов вызывает увеличение на 30–50%. При примерно одинаковой влажности топлива (здесь около 10%) наибольшее удельное количество конденсата образуется при использовании топлива из зерен злаков, в то время как (сухое) древесное топливо образует меньше конденсата.

Качество конденсата зависит прежде всего от используемого вида топлива. Зерна тритикале, а также два остальных вида топлива из соломы злаковых (гранулы соломы и мискантуса) оказались особенно неблагоприятными. Концентрации тяжелых металлов в конденсате здесь почти повсеместно выше, чем для двух видов древесного топлива. Значение pH также особенно низкое – от 1,7 до 2,2. Это можно объяснить более высоким содержанием хлора в этом топливе.

Вывод. Использование дополнительного теплообменника с режимом конденсации дымовых газов представляет собой интересную опцию для улучшения системного КПД и снижения выбросов пыли на дровяных установках. Это особенно справедливо для древесной щепы с ее сравнительно высокой влажностью топлива. Однако при сжигании она вызывает – вместе с обычно относительно высоким избытком воздуха на дровяных установках – относительно большой объем дымовых газов, поэтому дополнительный теплообменник при одинаковой номинальной мощности установки по сравнению с работой на печном топливе или природном газе должен быть рассчитан на большую производительность.

В отношении снижения выбросов пыли можно исходить из того, что измеренные здесь степени отделения находятся на нижнем конце технических возможностей. Целенаправленное улучшение и дальнейшее развитие дополнительного теплообменника для повышения эффективности отделения пыли было бы желательным.

Для применения дополнительного теплообменника в более широкой практике необходимо использование полученного низкопотенциального тепла. У многих операторов установок на щепе (например, в старых зданиях на сельскохозяйственных предприятиях) эти условия на сегодняшний день еще не соблюдаются, одновременно там и затраты на предоставление топлива скорее невелики. Возможности для экономически выгодного использования дополнительного теплообменника существуют поэтому прежде всего на новых установках в новостройках и на пеллетных отопительных системах, где относительно дорогое топливо может быть сэкономлено за счет повышения КПД и где низкотемпературные применения благоприятствуют часто имеющейся энергосберегающей конструкции зданий.

Испытание дополнительного теплообменника в длительном режиме работы под нагрузкой древесными дымовыми газами еще предстоит. Такое исследование необходимо для определения возможных изменений в теплопередаче керамических труб теплообменника и для установления необходимых интервалов технического обслуживания и очистки, а также для определения долгосрочной эффективности использования теплообменника.