Различные виды топлива для печей и особенности их горения

На протяжении сотен лет для топки печей использовались дрова, уголь, иногда торф. И только в XX веке появились системы отопления, работающие на жидком топливе. Выбранный вид топлива влияет на техническое исполнение печки. При выборе топлива учитывается его эффективность и способность к теплоотдаче. Топливо состоит из водорода, серы, кислорода, азота и минералов.

Твердое топливо

Твердое топливо используется на протяжении всей истории человеческой цивилизации. Это дерево, торф и уголь. Разновидности твердого топлива горят практически идентично. При сгорании любого из них соблюдаются определенные циклы. Топливо загружается в печь, подсушивается и разогревается, потом горит, выделяя летучие вещества. После окончания горения из топки удаляются шлаки. Каждый из этих этапов влияет на тепловые характеристики материала. Во время подсушки и разогрева слоя тепло не выделяется, а только поглощается из не прогоревших остатков и горячих печных стен. На первом этапе  сгорают летучие вещества. Постепенно тепла выделяется все больше, пик процесса приходится на момент сгорания кокса.

Сила горения зависит от качества топлива. Важную роль играет конструкция печки и режим горения. Например, топливо с чрезмерной влажностью часть производимого тепла тратит на выпаривание. Значит, при использовании влажного топлива цикл горения удлиняется, а температура, напротив, увеличивается или недостаточно интенсивно, или в определенный момент начинает понижаться. Высокая зольность также не самым лучшим образом влияет  горение. Зольные массы перекрывают доступ кислорода, что приводит к  неполному сгоранию топлива и значительному проценту  недожога.

На силу горения влияют химические составляющие: летучие горючие вещества и твердый углерод. Вначале в надслоевым газовом объеме топки выгорают летучие элементы. Они выделяются при 150-200°C. На длительность этого процесса влияют характеристики содержащихся в топливе веществ. Твердые компоненты с углеродами горят при 650-700°C. Этот процесс проходит в слое, расположенном сразу над колосниками и характеризуется наибольшим выделением тепла. Теперь более детально обсудим нюансы горения разных видов твердого топлива.

Дрова

Дрова отличаются высоким содержанием летучих элементов. Теплоотдача примерно одинаковая для всех видов древесины. Только дерево с  плотной структурой дает при сгорании гораздо больше тепла. Наибольшую теплоотдачу обеспечивает береза, после нее идет лиственница. К тому же березовые дрова выделяют максимум тепла при минимуме угарного газа. Древесина лиственницы также характеризуется высокой теплоотдачей, быстро прогревает печку, экономно расходуется, но выделяет большое количество угарного газа. Поэтому использование лиственных дров требует аккуратности при закрытии/открытии заслонки. Хорошие показатели теплоотдачи у бука и дуба, за ними следуют хвойные и осиновые дрова. Какие бы дрова вы применялись, они должны быть одинакового размера и сухими.

Давайте рассмотрим протекание всех режимов сгорания  топлива. Первоначально, довольно быстро повышается температура в топке. Самые высокие температурные показатели наблюдаются на этапе интенсивного горения, на стадии догорания они резко понижаются. Образование пламени зависит от его взаимодействия с потоком воздуха. На бытовые печи, как правило, не монтируются приборы для дозирования воздуха. Для этих целей у них есть поддувало. В топку через дверцу поддается одинаковое количество воздуха. А между тем, потребность в воздухе постоянно меняется и достигает пика на этапе интенсивного выделения летучих веществ. В печах с периодической загрузкой в этот момент наблюдается химический недожог топлива и снижается тепловыделение. Кроме этого в результате недожога на внутренних стенах печи оседают частицы сажи, которые снижают КПД печи и засоряют дымоход. Последнее в свою очередь ухудшает тягу. На этапе догорания остатков количество подаваемого воздуха превышает потребность топки, в результате увеличивается газообмен и повышаются теплопотери. В этот момент вместе с газами уходит до 30% тепловой энергии.

Торф

Торф – это остаточные части растений, сгнившие много лет назад и спрессованные. По химическому составу топливо похоже на дрова, но имеет более высокую зольность и влажность в пределах 25-40%. В зависимости от способа добычи торф бывает резным, прессованным, кусковым и фрезерным (крошка).

Уголь

Каменный уголь большей частью состоит из углерода и водорода. Этот вид топлива ценится за высокую теплоотдачу. От качества угля зависит работа печи, но, к сожалению, в продаже чаще всего встречается уголь, влажность, зольность и другие параметры не соответствуют принятым стандартами. Сжигание низкосортного угля сопряжено с образованием большого количества недожога и существенными теплопотерями. Из-за высокого содержания мелких фракций уплотняется верхний слой топлива, наступает неравномерное  горение. Сжигание крупных кусков угля заканчивается тем же самым. Высокая влажность уменьшает удельную теплоту горения и затрудняет хранение угля в зимний период. Оптимальный уровень влажности угля не должен превышать 8%.

Регулярное применение твердого топлива в частных домах связано с определенными трудностями. Много времени занимает ежедневная доставка и подбрасывание дров и угля. И это не считая того, что заготовка дров и угля обходится довольно дорого. При топке бытовых печек мелкие фракции угля, а это весьма значимое число (до 2 кг за один цикл) ссыпаются в поддувало и потом выбрасываются. Поэтому домовладельцы постоянно выискивают новые способы для повышения эффективности сгорания. Давайте рассмотрим один из наиболее популярных методов.

Разгоревшиеся дрова пересыпаются углем с крупными фракциями. После того как крупный уголь хорошо загорится, его присыпают мелким углем, смешанным с влажным шлаком. Немного позже в топку закладывается увлажненная смесь пепла и мелкого угля, просыпанного через колосники. Количество  угля регулируется так, чтобы максимально уменьшить интенсивность открытого огня. В результате этих манипуляций мелкий печь будет гореть ровно и выделять тепло в течение длительного времени. Для засыпки разгоревшегося угля можно использовать остатки угольных брикетов.

Для более экономного использования угля чистку топки рекомендуют проводить определенным образом. Вначале выбирается в ведро верхний слой шлака, потом – мелкий уголь и пепел и в заключение – пережог и пепел. Не перемешанное содержимое ведра слегка смачивается водой, добавляется примерно полтора килограмма мелкого угля и от 3 до 5 кг крупного. Эту смесь можно использовать для засыпки крупного угля при следующей топке. Этот способ избавляет от необходимости каждый раз пересеивать пережог. Бурый уголь во время горения  образует большое количество мелких фракций. Поэтому этот тип угля советуют использовать только в брикетах.

Газ

 Природный газ показывает очень высокую теплоотдачу (до 8500 ккал/м). Горение начинается после контакта горючих элементов с кислородом. Процесс горения возможен только при определенном соотношении газа и воздуха. Если этот показатель не совпадает с порогом появления пламени, огонь не появится. Неправильные пропорции газа  не дают выделиться достаточному количеству тепла, из-за этого  другие слои не прогреваются до уровня воспламенения. В идеале топливо должно сгорать на 100% с выделением предусмотренной удельной теплоты. Для обеспечения этого процесса нужно определить количество воздуха, которое должно попадать в зону горения. Для вычисления используется следующая формула:

V= 0,476 (О,5СО + О,5Н 2 + 2СН4 + (т + n/4)(С,Нn – 02)

n – количество атомов водорода.

т – количество атомов углерода.

В теории эта формула отлично работает, но на практике часть молекул кислорода почему-то отказывается контактировать с горючими частицами газа. Из-за этого при поступлении в зону горения теоретически рассчитанного количества воздуха газ сгорает не полностью.  Неполное сгорание  также может быть вызвано остановкой процесса горения, связанной с плохим смешиванием воздуха с газом.

Еще одна причина неполного сгорания – это остывание водяных паров в выделяемых газах до точки росы. При этом водяные поры выпадают из труб в виде неприятно пахнущей темной жидкости. Это вызывает намокание внутренних стенок дымохода и разрушению печной кладки.

Жидкое топливо

В настоящее время для отопления используется дизтопливо, керосин и мазут. Процесс горения жидкого топлива происходит следующим образом: частицы топлива нагреваются до температуры, когда топливо начинает взаимодействовать с кислородом. Предварительный нагрев осуществляется факелом или другим источником тепла в зоне горения. Последующие стадии горения обеспечивает разогретый топливник, подогревающий компоненты газовой смеси. Для горения любого вида топлива нужен кислород,

жидкое топливо не исключение. Топливные частицы  смешиваются с воздушными массами и после нагрева испаряются. Переход в газообразное состояние сопровождается воспламенением и остановкой горения.

Недостаток воздуха приводит к расщеплению углеводородов, благодаря чему легкие частицы мгновенно выгорают, а тяжелые -  уходят из топки или образуют в ней наросты кокса. Сжигание этой разновидности топлива провоцирует появление копоти, оседание ее в топке и ухудшение экологической обстановки во всем помещении.

Как и в случае с газом, выгорание жидкого топлива не всегда зависит от подачи теоретически необходимого для горения количества керосина или мазута. Из-за невозможности полноценного перемешивания компонентов топлива с воздухом, последний часто присутствует в превышающих норму количествах. Это вызывает охлаждение смеси и ослабление пламени. Воздух, подаваемый в двойном количестве, может привести к исчезновению пламени. Процесс оптимизируют дроблением топлива и максимальным смешиванием его с воздухом. Это делается за счет  сжатого воздуха, пара или продувания вентиляторами. Лучшие результаты показывает пар и сжатый воздух. Для такого распыления необходим компрессор или паровой котел, которые редко устанавливаются в бытовые устройства. Обычно бытовые отопительные системы оснащаются горелками, наносящими топливо тонким слоем.