Котел пиролизный на угле своими руками чертежи и принцип работы: устройство схемы изготовления самодельного котла скачать бесплатно, фото конструкции

Содержание

устройство, принцип работы и отзывы

В нашей стране холодных зим очень важно иметь надежный и эффективный источник отопления. Многие владельцы загородных домов используют в системе отопления твердотопливные отопительные приборы, однако у них есть общий недостаток – топливо быстро сгорает. Решение этой проблемы – установка котлов длительного горения. Одно из таких устройств — пиролизный котел «Траян». В этой статье мы раскроем их преимущества, а также узнаем о нюансах использования от реальных пользователей.

Компания «Траян» выпускает водогрейные твердотопливные котлы с 2011 года. В линейке этого производителя присутствуют как бытовые так и промышленные устройства на твердом топливе. В нашем сегодняшнем обзоре мы расскажем о маломощных газогенераторных котлах «Троян», подходящих для установки в небольших загородных домах или на дачах.

Конструкция, принцип работы и характеристики

Производитель выпускает 4 типоразмера бытовых котлов «Траян» на твердом топливе 10, 15, 20, 30 кВт. Длительностью работы на одной закладке они обязаны методу пиролиза.

Фото 1: Котел на твердом топливе «Траян» длительного горения

Пиролиз или газогенерация – это особый способ сжигания топлива, при котором сгорание происходит в два этапа. В начале, в загрузочной камере разжигаются дрова или уголь. Затем доступ воздуха в камеру уменьшается и топливо начинает медленно тлеть, выделяя древесный газ. Он поднимается на следующий уровень – в камеру сжигания, где смешиваясь с вторичным воздухом сгорает при высокой температуре. В результате отсутствия прямого горения, длительность процесса увеличивается, что позволяет сократить количество загрузок топлива до 2-3 в день.

Фото 2: Принцип работы газогенераторного котла отопления «Траян»

Конструктивно пиролизный котел «Траян» состоит из следующих узлов:

Камера загрузки

Загрузочная камера подходит для сжигания всех видов твердого топлива: дров, угля, брикетов из торфа и древесины. Специально для удобства работы на дровах, она имеет вытянутую форму, что дает возможность использования длинных поленьев без необходимости их распиливания. В этом отсеке происходит первый этап пиролизного горения — выделение древесного газа.
Камера дожигания

Здесь, выделенный на первом этапе древесный газ, дожигается в смеси со вторичным воздухом. Воздух для дожига подается через заслонку зольника, нагреваясь по пути до необходимой температуры. В камеру он поступает через множество сопел для равномерного смешивания с пиролизным газом.
Патрубок дымоход

Пройдя путь через два уровня сжигания, и отдав максимальное количества тепла теплоносителю, дымовые газы поступают в дымоход. Благодаря двухступенчатому процессу сгорания топлива, исходящие газы практически не содержат вредных примесей и имеют низкую температуру.
Теплообменник

В отопительных котлах «Траян» используется теплообменник называемый «водяная рубашка». Такое наименование не случайно. Теплоноситель циркулирует между двойными стенками котла. Этим достигается максимальный контакт с раскаленными газами. Большая площадь теплосъема при такой конструкции позволяет добиться высокой эффективности работы.
Зольник

Ящик для сбора золы или зольник, находится прямо под камерой газификации. Твердые отходы, сквозь отверстия в колосниковой решетке проваливаются в зольник, откуда затем удаляются в процессе очистки котла.

Мы перечислили основные компоненты котла на твердом топливе «Траян», но помимо них есть еще дополнительные агрегаты. Так для управления процессом горения в газифицирующей камере, может быть установлен механический регулятор тяги. С его помощью котел будет автоматически регулировать подачу воздуха, и тем самым управлять процессом пиролиза.

Фото 3: Регулятор тяги в котле пиролизного горения «Троян»

Помимо работы на твердом топливе, можно также использовать и электрическую энергию для нагрева теплоносителя. Для этой цели служат ТЭНы которые при необходимости устанавливаются в специально предназначенные для них патрубки внизу корпуса.

Напольный стальной котел пиролизного горения «Траян» имеет следующие технические характеристики:

Модель	Т-10	Т-15	Т-20	Т-30
Мощность, кВт	10	15	20	30
Площадь отопления, м²	до 90	80-160	120-220	240-330
Объем теплообменника, л	25	31	33	52
Длинна топки, мм	450	550		650
Диаметр дымохода, мм	130	150		180
Высота дымовой трубы, мм	7		8	9
Цена, руб	47 000	51 000	56 000	70 000

Как видите, конструкция устройств с применением пиролиза несколько сложнее чем у традиционных. Однако существуют модели, которые увеличивают длительность горения при классическом способе сжигания. Самый яркий пример таких устройств это – шахтные котлы длительного горения Стропува. Горение топлива в них происходит сверху вниз, по принципу свечи и называется вертикальным горением.

Достоинства и отзывы владельцев

Мы разобрались в устройстве и в том как работает пиролизный котел «Траян». Давайте теперь рассмотрим какие преимущества имеет эта конструкция:

Главный плюс в использовании пиролиза – это длительное горение. Газогенераторные котлы способны в 2-3 раза дольше работать на одной загрузке. При этом топливо сгорает практически полностью, почти не оставляя отходов.
Качественное, двухступенчатое сжигание делает твердотопливный котел отопления «Траян» очень экологичным. Золы почти не остается, а дымовые газы практически полностью состоят из водяного пара.

Наличие встроенного аварийного контура позволяет избежать закипания в системе отопления и обезопасить ее от выхода из строя, а владельцев дома от ожогов.
Все процессы управления и контроля за горением выполняются без участия электричества. Котел «Траян» можно использовать даже там, куда не дотянулись еще линии электропередач.
Пиролизный котел экономнее использует топливо. Он потребляет его в 3-5 раз меньше, чем устройство использующее традиционный способ горения.
Возможность установки ТЭНов делает котел «Траян» универсальным. В случае перебоев с поставками угля или дров, можно обогревать дом от электросети. Или можно использовать ТЭНы совместно с теми же дровами, увеличивая интервалы между загрузками.

Фото 4: Подключение ТЭНа к отопительному ТТ котлу «Траян»

Как видите у них много достоинств. Многие умельцы, пытаясь повторить конструкцию устройств «Траян», самостоятельно изготавливают твердотопливные пиролизные котлы своими руками по чертежам. Однако не имея соответствующих навыков, лучше купить отопительный прибор заводского производства с гарантией качества сборки и безопасной работы.

Фото 5: Ящик зольника стального водогрейного котла «Троян»

Послушаем что говорят владельцы, уже использующие твердотопливные котлы «Траян» для отопления:

Долго искал замену своему самодельному твердотопливнику и в итоге мой выбор пал на пиролизник «Траян». Домик мой небольшой, деревянный, поэтому хватило и модели Т-10. Первое, что впечатлило после установки – это длительность работы. К своему кустарному котле приходилось и ночью вставать, а тут перед сном загрузил целую топку и затем только утром уже заново. По расходу топлива сказать пока сложно – использую недавно, но он явно меньше чем был.
Максим Сергеевич, Кострома

Все свои плюсы устройство способно раскрыть только при его правильной установке и подключении. Мы приведем несколько советов для того, чтобы сделать использование котла «Троян» безопасным и эффективным.

для длительного горения, пошаговая инструкция, для древесины, чертежи

Если вам нужно сделать пиролизный котел, следует в точности придерживаться инструкции

Впервые конструкцию длительного горения изготовил литовский инженер, но отечественное производство сумело усовершенствовать твердотопливные котлы. Но такое изготовление пиролизного оборудования можно провести и своими руками. Это позволит сэкономить на приборе.

Содержание:

Особенности процесса пиролиза древесины
Чертежи и принцип работы пиролизного котла своими руками

Принцип работы, плюсы и минусы пиролизного котла
Пошаговая инструкция, как сделать пиролизный котел своими руками
Эксплуатация пиролизного котла длительного горения своими руками
Пиролизный котел своими руками: чертежи (видео)

Особенности процесса пиролиза древесины

Во время горения дров не используется весь потенциал топлива, так как древесина сгорает достаточно быстро. Из-за этого процесс горения значительно утруднен, ведь постоянно приходится подкладывать дрова в котел или печь. С этой целью была сконструирована печь длительного горения Беляева, Попова и Холмова.

Пиролиз создает для топлива такие условия, когда сгорание древесины замедляется и выделяется намного больше тепла. Длительное горение достигается при понижении подачи кислорода. В результате образуется, природный кокс и горючий газ. Данный газ смешивается с кислородом и также сгорает под воздействием высоких температур, выделяя достаточно много тепла.

Этапы пиролиза:

С минимальным доступом кислорода сгорает дерево и выделяет горючий газ;
Сгорает горючий газ в камере догорания, выделяя тепло.

Пиролизное горение в двух этапах широко используется в печах длительного горения и в твердотопливных генераторах. Так можно устроить газогенераторный котел для автомобиля. Но важно правильно настроить работу котла.

Стоимость промышленных элементов может отличаться высокой стоимостью. Для устройства такого котла необходимые качественные и дорогие огнеупорные материалы. К тому же в промышленных котлах предусмотрена эффективная автоматическая система.

На скорость горения влияет температура прогрева дров и их влажность. Чем больше воды, тем длительнее будет она испаряться.

Контроль за горением происходит путем контроля подачи воздуха. Подача кислорода может происходить за счет вентилятора. Работает он за счет подключения к электросети. При обустройстве вентилятора получает установка, которая зависима от электрической сети.

Чертежи и принцип работы пиролизного котла своими руками

Принцип работы устройства зависит от конструкции системы. Для начала следует внимательно изучить схему и чертежи системы длительного горения. Это поможет лучше понять функции каждого элемента.

Схема пиролизной установки:

Вход для кислорода;
Топка;
Дымоход;
Трубопровод для подачи и отвода жидкости;
Регуляторы;
Место монтажа вентилятора.

Дымоход для пиролизного котла ничем не отличается по своему устройству от труб для выброса продуктов горения классических агрегатов. В нашей следующей статье вы узнаете, какие трубы лучше выбрать для монтажа дымохода: https://homeli.ru/stroitelstvo-doma/inzhenernye-sistemy/otoplenie/truby-dlya-dymokhoda.

В систему могут входить и другие детали. Вся сложность конструкции разобрана в чертежах. Наиболее простая конструкция наблюдается в чертеже котла «Пиролиз71».

Для отопления частного дома достаточно мощности котла в 40 кВт. Для увеличения или уменьшения мощности прибора потребуется внести изменения в саму конструкцию оборудования. В этом случае учитывают пропорциональные размеры всех элементов котла.

Для устройства отопительной системы с помощью твердотопливного котла своими руками необходимо сделать правильный расчет с учетом габаритов всех деталей.

Для маленького дома вполне достаточно котла с показателем 25-30 кВт. Абсолютно бесплатно пиролизную систему отопления не устроишь. Но есть выполнять работы своими руками, то можно сэкономить.

Твердотопливный котел – это отопительное устройство, которое использует энергию горящего твердого топлива. В статье: https://homeli.ru/stroitelstvo-doma/inzhenernye-sistemy/otoplenie/kotly-na-tverdom-toplive вы найдете описание и классификацию современных систем отопления длительного горения с использованием котлов на твердом топливе.

Принцип работы, плюсы и минусы пиролизного котла

Разобраться в принципе действия можно исходя из схем и чертежей. Но для самостоятельно изготовления понадобится больше углубиться в принцип работы устройства. Горелка работает благодаря сухой перегонке. При достижении температуры 500-600 градусов начинается разложение дерева. В итоге появляется горючий газ и натуральный кокс.

Горючий газ смешивается с воздухом. Именно это становится спусковым крючком для начала горения. Но для правильного процесса в камере должна поддерживаться оптимальная температура.

В результате пиролизного горения получается дым, который абсолютно безвредный для окружающей среды.

Устройство длительного горения позволяет максимально использовать твердое топливо. В итоге остается совсем мало отходов. Потенциал древесины раскрывается лучше, выделяется больше тепла и можно отопить большие площади.

Пиролиз относится к экзотермическим процессам. Это общее название класса, в результате деятельности которого образуется тепло. Но данное тепло используется для обогрева и сушки топлива.

Преимущества пиролизных котлов:

Длительное время поддерживается стабильная температура;
Вместительность загрузочного бункера;
Высокий КПД;
Можно использовать для утилизации продуктов древесной переработки.

Но самодельный пиролизник имеет свои недостатки. Среди минусов выделяют большие размеры конструкции, зависимость от электричества и выборочность топлива. При покупке готовой системы отмечают высокую стоимость оборудования. Для отопления дома нельзя использовать влажную древесину. Из-за высокой влажности пиролиз будет затрудненным.

Пошаговая инструкция, как сделать пиролизный котел своими руками

Для работы потребуется внушительный список инструментов. Потребуется дрель, сварочный аппарат, болгарка, вентилятор, термодатчик. Также понадобятся электроды, металлические листы, набор различных труб и стальных полос.

Толщина стали должна составлять 4 мм. Для экономии на корпус котла применяют более тонкий материал. Достаточно 3 мм толщины.

Для корпуса котла используется качественная и прочная сталь. Оптимальная толщина – не меньше 3 мм.

После изучения всех планов и чертежей можно изготовить гидролизный котел. Все детали системы вырезаются с помощью болгарки. Для их скрепления используется сварочный аппарат. Но выполнить работу правильно поможет пошаговая инструкция с учетом всех нюансов.

Рекомендации по оборудованию пиролизника:

Загрузочный бункер необходимо разместить выше, чем у обычных топливных конструкциях;
Горелка предусматривает наличие специального ограничителя для контроля подачи воздуха;
Ограничитель делается из трубы сечением 70 мм, длина должна быть больше корпуса прибора;
К нижнему отсеку ограничителя приваривают диск из стали, который создают со стенками трубы зазор в 4 см;
Монтаж ограничителя предусматривает отверстие в крышке котла;
Загрузочный бункер должен иметь прямоугольную форму;
В качестве дверцы используется стальная накладка;
Нижняя приставка имеет отверстие для удаления продуктов горения;
Для улучшения теплоотдачи трубы внутри котла, ее выполняют с небольшим изгибом;
Контроль количества теплоносителя проходит с помощью вентиля.

Правильность монтажа определяется после первого запуска котла. В продуктах горения не должен находиться угарный газ. Эксплуатация котла предусматривает регулярную проверку герметичности сварных швов. Также потребуется очищать печь на дровах или угле от золы и копоти.

Часто пиролизные котлы используются в комплексе с водяным отоплением. Но можно попробовать параллельное функционирование с системой обогрева воздуха. Воздух передвигается по трубам, а возвращается по полу.

Пиролизные котлы с водяным контуром и без – это высокоэффективное оборудование для качественного и быстрого прогрева помещений. В нашем следующем материале вы найдёте информацию об особенностях устройства агрегатов, а также ознакомитесь с популярными моделями: https://homeli.ru/stroitelstvo-doma/inzhenernye-sistemy/otoplenie/piroliznyj-kotel.

Эксплуатация пиролизного котла длительного горения своими руками

Настройка правильного функционирования котла после установки также имеет свои особенности. В норме котел не дымит. Перед первым включением котел подсоединяется к дымоходу и наполняется водой. На котле размещается терморегулятор для контроля показателей температуры жидкости. Чтобы смонтировать термометр в котлах предусмотрены специальные отверстия.

Последовательность включения котла:

Вентилятор подключается к электросети и проверяется на работоспособность. Воздушные заслонки должны быть на среднем положении.
В загрузочный бункер необходимо положить небольшое количество бумаги и щепок. Дверцы камеры потребуется закрыть.
Открывается дроссельная заслонка дымохода, включается вентилятор и поджигается бумага.
После разгорания дров форсунка перекрывается.
Через нижний отсек сжигания выполняется контроль горения.
После закипания жидкости потребуется отключить вентилятор. Пламя погаснет, а вода начнет остывать.

Установка котла предусматривает соблюдения правил безопасности. Монтировать прибор лучше в отдельно котельной. Оборудуют прибор на основе из кирпича или бетона. Предусматривается интервал между котлом и стенами – от 20 см.

Пиролизный котел своими руками: чертежи (видео)

Пиролизный котел имеет множество преимуществ. Это надежная система, которая позволяет получить максимальное количество тепла от сгорания древесины. Можно приобрести заводской вариант или сделать котел самостоятельно в домашних условиях.

Выбор биоугольного реактора для удовлетворения ваших потребностей – Биоуголь для устойчивых почв

Эксплуатация Кон-Тики

Обжиг

Разведите перевернутый огонь на дне печи почти до края (так что это легко для освещения и поддержания большого количества воздуха), либо:
- Частичное заполнение печи сухим щеточным материалом почти до края
- Построение перекрещивающегося пирса из палочек, переходя к более мелким палкам кверху (не используйте большие или влажные палки на дне — они могут закопаться и остыть до того, как полностью обуглятся
Вставьте немного растопки и трута в пирс или в верхнюю часть щетки
При использовании жидкого пускового топлива распыляйте только сверху или используйте гель. НЕ используйте легковоспламеняющиеся жидкости, такие как бензин. Он упадет в нижнюю печь и взорвется в замкнутом пространстве.
После того, как пламя сильно разгорится, подпитайте пламя, чтобы построить полный огненный колпак и сильное огненное ложе.

Способ разжигания

Внутри Кон-Тики загорается огонь. Как только огонь хорошо разгорается и охватывает дно печи, он обеспечивает тепло для сушки и пиролиза следующего слоя древесины, а также пламенной крышки для сжигания дыма.
Каждый новый слой материала в печи чернеет и обугливается, а на внешней стороне биомассы может образовываться белая зола, что указывает на то, что материал высох, достиг температуры пиролиза и начал коксование. На этом этапе древесина будет продолжать пиролиз (экзотермический процесс) даже без кислорода, пока материал остается в тепловом поле, достаточном для преодоления потерь тепла за счет теплопроводности, конвекции и излучения. Образование золы сводится к минимуму за счет добавления следующего слоя древесины в начале этого процесса, чтобы сохранить шапку пламени.
Пламенный колпак поглощает дым, распространяющийся вверх от пиролизной древесины, излучает тепло вниз на древесину для продолжения пиролиза и защищает биоуголь, образовавшийся из кислорода, поглощая его до того, как он попадет на уголь.

Во время работы

Целью при эксплуатации Кон-Тики является поддержание полного пламени в конусе для:

сушки и нагревания биомассы,
сжечь дым,
защитите уголь от кислорода.

Для максимально чистого и быстрого производства добавляйте материал со скоростью, которая поддерживает высокое пламя и низкий уровень дыма. Материал можно добавлять быстрее, когда печь заполнена более чем наполовину.

Если пламя слишком маленькое или дымное, подайте сухой тонкий материал
Если пламя большое, используйте тепло для подачи более тяжелого или влажного материала.
Не оставляйте ожог без присмотра более чем на 10 минут. 20-минутный перерыв может привести к тому, что огонь погаснет, а часть угля превратится в пепел. Несмотря на то, что зола может быть не вредна для биоугля, она снизит выход, и могут потребоваться усилия и небольшой материал, чтобы снова увеличить интенсивность.

Размер исходного материала

Лучше всего, чтобы длина была короче диаметра печи.
Не используйте материал толще, чем он полностью обуглится, в течение всего цикла (примерно 2 часа для печи 1,2 м и 4-6 часов для печи 1,6 м).
Для полной карбонизации древесины требуется около 1 часа на каждый дюйм (2,5 см) радиуса, поэтому для полной карбонизации 4-дюймового куска потребуется около 2 часов.
Не используйте большие или влажные дрова в начале. Он может быть закопан и охлажден на полу печи до того, как полностью обуглится.
Точно так же не допускайте, чтобы большая древесина или влажная древесина прикатывались к стенкам печи.
Вставьте более крупную древесину в середину печи и канала. Сужение, чтобы закончить мелкой древесиной.

Финишная обработка

Финишная обработка занимает около часа после того, как в 1,6-метровый Кон-Тики добавлено последнее топливо.
Желтое пламя гаснет, указывая на то, что большая часть пирогаза была выделена.
Во время этого процесса можно запустить тушение снизу. Образующийся пар будет поглощаться горячим углем, где он, вероятно, трескается и открывает полукокс.
По мере того, как пламенный колпак умирает, можно добавить мелкий материал, который полностью обуглится до конца: тонкие палочки, кору, солому, листья, скошенную траву. Они поддерживают пламя, чтобы сжечь оставшиеся летучие вещества. Этот новый материал также добавляет несколько различных компонентов золы, которые могут образовывать комплексы с биоуглем и усиливать его действие.
Оставшиеся тлеющие угли можно сгребать в кучу для завершения.
Нанесите водяной туман на раскаленные угли, избегая участков пламени, чтобы замедлить озоление и создать пар, активируя поверхности.
Когда вы превращаете уголь в золу быстрее, чем он создается из оставшейся неуглеродистой древесины, полностью затопите печь, чтобы остановить горение биоугля (тушение).
Самый верхний слой раскаленного угля будет плавать на воде. Распылите верхний спрей.
Слейте воду из печи на ночь или на несколько часов, при желании сохранив воду для закалки/питательной воды.

Закалка и добавление питательных веществ

Особенностью Кон-Тики является возможность тушить горячий полукокс насыщенной питательными веществами водой прямо в печи в конце цикла. Быстрое охлаждение горячего полукокса и пар, который испаряется и реадсорбируется в верхних слоях полукокса, расщепляет полукокс, активирует поверхности и открывает их для питательных веществ.

Вы можете добавлять в закалочную воду минералы и питательные вещества, необходимые вашей почве и растениям. Это может быть каменная пыль, кислоты (фосфорная или уксусная кислота или древесный уксус) для нейтрализации pH или навозная жижа. Только ограниченное количество азота будет потеряно из богатой питательными веществами воды, потому что улетучившийся азот будет поглощаться углем. В первом потоке полукокс быстро охлаждается снизу вверх, поэтому микроорганизмы в закалочной воде прикрепляются к охлажденному полукоксу и выживают.

Вода для закалки из 1000-литрового резервуара для жидкости (опционально с питательными веществами) составляет:

закачивается в печь через нижний слив
замочить на ночь
слил обратно в бак на следующее утро

Дымовая вода/питательные вещества перерабатываются и используются.

В качестве альтернативы, питательная/охлаждающая вода может подаваться самотеком из высокого резервуара и сливаться в низкий резервуар, или питательные вещества могут быть добавлены в суспензию биоугля.

Сушка биоугля

После тщательного слива биоуголь легко выгребается.
Печь длиной 1,6 м в люльке легко наклоняется и подпирается для опорожнения.
Biochar выгребают на брезенте и сушат на солнце не менее 2-4 дней, накрывая на ночь.
Содержание влаги в высушенном на солнце биоугле колеблется от 34 до 63% по массе (wb)

Измельчение биоугля

Биоуголь можно измельчать различными способами.
Здесь высушенный на солнце биоуголь пропускают через молотковую мельницу. Слишком большое количество влаги в биоугле может засорить мельницу при измельчении, а слишком малое количество вызывает образование пыли.
Измельченный биоуголь, выгребенный на брезенте, можно опрыскать фосфорной или органической кислотой для регулирования pH, а затем высушить на солнце.
Содержание влаги в исходной биомассе и высушенном на солнце биоугле можно определить путем сушки образцов в печи. НАПРИМЕР.
- Древесное сырье = 15%, вес.
- Biochar = 15-63%, wb (высушенный на солнце)

Использование Кон-Тики с сельскохозяйственными отходами

Во многих местах древесина недоступна или имеет высокое содержание влаги, или почвы имеют низкое содержание питательных веществ. Для эффективного преобразования биомассы с высоким содержанием питательных веществ и частиц небольшого размера (например, навоз, солома и т. д.) в Kon-tiki можно поместить простые реторты для использования остаточного тепла биоугля 9.0007

Операция: Найдите бывшие в употреблении бочки (10-20 л) с крышкой.

Груз с соломой, навозом и т.п. с содержанием влаги менее 25%. Свободно закрепите крышку на барабане, чтобы пиролизные газы могли выходить и гореть в пламени пиролизной древесины. Продолжайте добавлять дрова, пока печь не заполнится биоуглем и пламя из барабана не прекратится. Затем утолить.

Использование остаточного тепла биоугля для пиролиза смеси навоза, трав, компоста и минералов

Закалка компостом в Перу

Когда печь наполовину или на ¾ заполнена биоуглем, ее можно закалить смесью с высоким содержанием органического азота и минералов, чтобы стимулировать рост полезных микроорганизмов.

В этом производственном цикле в Австралии биоуголь, полученный из древесины, был покрыт смесью

52 кг компоста
14 кг почвы
63 кг красной глины
23 кг кускового биоугля
20 кг навоза

Мы покрыли глиняную смесь биомассы биоуглем для улавливания любого выделяющегося дыма, но дыма не наблюдалось

Как происходит пиролиз закаленного материала

Пример: комплекс биоуголь-глина из влажного сырья

Вьетнам, май 2016 г.

Комплекс биоугля-глины из влажного сырья

Вьетнам, май 2016 г.

Улавливание отходящего тепла от Кон-Тики в Непале

Пример: Улавливание тепла от Кон-тики для дистилляции эфирного масла

Можем ли мы перезагрузить современную цивилизацию без ископаемого топлива?

Представьте, что мир, каким мы его знаем, наступит завтра. Произошла глобальная катастрофа: пандемический вирус, удар астероида или, возможно, ядерная катастрофа. Подавляющее большинство человечества погибает. Наша цивилизация рушится. Постапокалиптические выжившие оказываются в опустошенном мире разлагающихся, заброшенных городов и бродячих банд бандитов, грабящих и захватывающих силой.

Как бы плохо это ни звучало, но это не конец для человечества. Мы отскакиваем. Рано или поздно мир и порядок возникают снова, как это неоднократно происходило в истории. Формируются стабильные сообщества. Они начинают мучительный процесс восстановления своей технологической базы с нуля. Но вот вопрос: как далеко может ли такое общество восстановиться? Есть ли шанс, например, что постапокалиптическое общество сможет перезагрузить технологическую цивилизацию?

Давайте немного конкретизируем основу этого мысленного эксперимента. Сегодня мы уже израсходовали самую легко дренируемую сырую нефть и, особенно в Великобритании, большую часть самых неглубоких и легко добываемых месторождений угля. Ископаемые виды топлива занимают центральное место в организации современного индустриального общества, так же как они играли центральную роль в его развитии. Это, кстати, разные роли: даже если бы мы могли как-то обойтись сейчас без ископаемого топлива (чего мы, конечно, не можем), другой вопрос, смогли бы мы достичь того, что имеем, даже не имея его.

Итак, будет ли у общества, начавшего жизнь на планете, лишенной запасов ископаемого топлива, шанс пройти через собственную промышленную революцию? Или, выражаясь иначе, что могло бы произойти, если бы по какой-то причине на Земле никогда не было своих обширных подземных месторождений угля и нефти? Обязательно ли остановился бы наш прогресс в 18 веке, в доиндустриальном государстве?

Легко недооценить нашу нынешнюю зависимость от ископаемого топлива. В повседневной жизни их наиболее заметным применением является бензин или дизельное топливо, которыми заправляют автомобили, заполняющие наши дороги, а также уголь и природный газ, которые питают электростанции, электрифицирующие нашу современную жизнь. Но мы также полагаемся на ряд различных промышленных материалов, и в большинстве случаев требуются высокие температуры, чтобы превратить материал, который мы выкапываем из земли или собираем в ландшафте, во что-то полезное. Вы не можете плавить металл, делать стекло, обжигать ингредиенты бетона или синтезировать искусственные удобрения без большого количества тепла. Именно ископаемое топливо – уголь, газ и нефть – обеспечивают большую часть этой тепловой энергии.

На самом деле проблема еще хуже. Многие химические вещества, от пестицидов до пластика, необходимые в большом количестве для функционирования современного мира, получают из разнообразных органических соединений в сырой нефти. Учитывая истощающиеся запасы сырой нефти, оставшиеся в мире, можно утверждать, что наиболее расточительным использованием этого ограниченного ресурса является его простое сжигание. Мы должны бережно сохранять то, что осталось для жизненно важного репертуара ценных органических соединений, которые он предлагает.

Но моя тема здесь не то, что мы должен сделать сейчас. Наверное, все знают, что мы так или иначе должны переходить на низкоуглеродную экономику. Нет, я хочу ответить на вопрос, интерес которого (будем надеяться) более теоретический. Обязательно ли появление технологически развитой цивилизации зависит от легкой доступности древней энергии? Можно ли построить промышленно развитую цивилизацию без ископаемого топлива? И ответ на этот вопрос таков: может быть, но это было бы чрезвычайно сложно. Посмотрим, как.

Начнем с естественной мысли. Многие из наших альтернативных энергетических технологий уже высокоразвиты. Солнечные панели, например, сегодня представляют собой хороший вариант и все чаще появляются на крышах домов и предприятий. Заманчиво думать, что перезагруженное общество может просто продолжить с того места, на котором мы остановились. Почему наша цивилизация 2.0 не могла просто начать с возобновляемых источников энергии?

Ну, может, но очень ограниченно. Если вы окажетесь среди выживших в постапокалиптическом мире, вы можете собрать достаточно работающих солнечных батарей, чтобы ваш образ жизни оставался наэлектризованным долгое время. Без движущихся частей фотогальванические элементы требуют минимального обслуживания и удивительно устойчивы. Однако со временем они изнашиваются из-за проникновения влаги в корпус и воздействия солнечного света, разрушающего слои высокочистого кремния. Электричество, вырабатываемое солнечными панелями, снижается примерно на 1 процент каждый год, поэтому через несколько поколений все наши бывшие в употреблении солнечные панели деградируют до состояния бесполезности. И что?

Было бы чертовски сложно создать новые с нуля. Солнечные панели изготавливаются из тонких пластин чрезвычайно чистого кремния, и хотя сырьем является обычный песок, он должен обрабатываться и очищаться с использованием сложных и точных методов — более или менее тех же технологических возможностей, которые нам нужны для современных компонентов полупроводниковой электроники. . На разработку этих методов ушло много времени, и, по-видимому, потребуется много времени на их восстановление. Таким образом, фотоэлектрическая солнечная энергия не была бы доступна обществу в начале процесса индустриализации.

Возможно, мы были на правильном пути, начав с электричества. Большинство наших технологий использования возобновляемых источников энергии производят электричество. В нашем собственном историческом развитии так получилось, что основные явления электричества были обнаружены в первой половине 1800-х годов, намного позже раннего развития паровых двигателей. Тяжелая промышленность уже была привержена машинам, работающим на сжигании топлива, и с тех пор электричество в значительной степени взяло на себя вспомогательную роль в организации нашей экономики. Но могла ли эта последовательность пойти другим путем? Есть ли какое-то требование развития, согласно которому тепловая энергия должна стоять на первом месте?

На первый взгляд, не исключено, что развивающееся общество сможет построить электрические генераторы и соединить их с простыми ветряными мельницами и водяными колесами, а затем перейти к ветряным турбинам и плотинам гидроэлектростанций. В мире без ископаемого топлива можно было бы представить себе электрифицированную цивилизацию, которая в значительной степени обходит стороной двигатели внутреннего сгорания, строя свою транспортную инфраструктуру вокруг электропоездов и трамваев для междугороднего и городского транспорта. Я говорю «в основном». Мы не могли обойти все это вместе.

Когда дело доходит до производства белого тепла, необходимого для современной промышленности, есть несколько хороших вариантов, кроме как сжигать материалы

Хотя электродвигатель, возможно, мог бы заменить паровой двигатель, работающий на угле, для механических применений, общества, как мы уже видно, также полагается на тепловую энергию для осуществления необходимых химических и физических превращений. Каким образом индустриализирующееся общество может производить важнейшие строительные материалы, такие как железо и сталь, кирпич, раствор, цемент и стекло, не прибегая к месторождениям угля?

Конечно, вы можете получать тепло из электричества. Мы уже используем электрические печи и печи для обжига. Современные дуговые печи используются для производства чугуна или переработки стали. Проблема не столько в том, что электричество нельзя использовать для обогрева вещей, сколько в том, что для значимой промышленной деятельности вам необходимо генерировать его огромное количество, что является сложной задачей, используя только возобновляемые источники энергии, такие как ветер и вода.

Альтернативой является получение высоких температур непосредственно с помощью солнечной энергии. Вместо того, чтобы полагаться на фотоэлектрические панели, концентрированные солнечные тепловые фермы используют гигантские зеркала, чтобы сфокусировать солнечные лучи на маленьком пятне. Сконцентрированное таким образом тепло можно использовать для запуска определенных химических или промышленных процессов или же для производства пара и работы генератора. Тем не менее, с помощью такой системы трудно (например) создать очень высокие температуры внутри доменной печи для плавки чугуна. Более того, само собой разумеется, что эффективность концентрированной солнечной энергии сильно зависит от местного климата.

Нет, когда дело доходит до производства белого каления, необходимого современной промышленности, есть несколько хороших вариантов, кроме сжигания.

Но это не значит, что то, что мы сжигаем, обязательно должно быть ископаемым топливом.

Давайте совершим небольшой экскурс в предысторию современной промышленности. Задолго до принятия угля древесный уголь широко использовался для выплавки металлов. Во многих отношениях он превосходит его: древесный уголь горит горячее угля и содержит гораздо меньше примесей. Фактически, примеси угля были основным фактором, замедляющим промышленную революцию. Высвобождаясь при горении, они могут испортить нагреваемый продукт. Во время плавки примеси серы могут впитываться в расплавленное железо, делая металл хрупким и небезопасным в использовании. Потребовалось много времени, чтобы выяснить, как обрабатывать уголь, чтобы сделать его пригодным для многих промышленных применений. А тем временем уголь работал отлично.

А потом мы перестали его использовать. Оглядываясь назад, жаль. Когда речь идет о устойчивом источнике, сжигание древесного угля, по сути, является углеродно-нейтральным, потому что оно не выбрасывает новый углерод в атмосферу — не то, чтобы это было соображением для первых промышленников.

Но угледобывающая промышленность не исчезла совсем. Фактически, он выжил, чтобы процветать в Бразилии. Поскольку у Бразилии есть значительные запасы железа, но мало угольных шахт, Бразилия является крупнейшим производителем древесного угля в мире и девятым по величине производителем стали. Мы не говорим здесь о кустарном промысле, и это делает Бразилию очень обнадеживающим примером для нашего мысленного эксперимента.

Деревья, используемые в угольной промышленности Бразилии, в основном представляют собой быстрорастущие эвкалипты, выращиваемые специально для этой цели. Традиционный метод производства древесного угля состоит в том, чтобы сложить нарезанные бруски высушенной на воздухе древесины в большую куполообразную насыпь, а затем покрыть ее дерном или землей, чтобы ограничить поток воздуха, пока древесина тлеет. Бразильское предприятие превратило это традиционное ремесло в промышленное предприятие. Высушенную древесину укладывают в приземистые цилиндрические печи, сооруженные из кирпича или каменной кладки, и выстраивают в длинные ряды, чтобы их можно было легко заполнять и последовательно выгружать. На самых крупных площадках могут быть сотни таких печей. После заполнения их входы запечатываются, а сверху зажигается огонь.

Навык производства древесного угля заключается в том, чтобы пропускать достаточное количество воздуха внутрь печи. Теплоты сгорания должно быть достаточно для вытеснения влаги и летучих веществ и пиролиза древесины, но не настолько, чтобы осталась только куча пепла. Смотритель печи следит за состоянием обжига, внимательно наблюдая за дымом, просачивающимся сверху, открывая отверстия для воздуха или заделывая их глиной по мере необходимости, чтобы регулировать процесс.

Бразилия показывает, как сырье современной цивилизации может поставляться без зависимости от ископаемого топлива

Хорошие вещи приходят к тем, кто ждет, и этот процесс пиролиза древесины может занять до недели тщательно контролируемого тления. Один и тот же основной метод использовался на протяжении тысячелетий. Однако цели, для которых используется топливо, явно современны. Бразильский древесный уголь вывозится из лесов на грузовиках в доменные печи страны, где он используется для преобразования руды в чугун. Этот чугун является основным компонентом современной стали массового производства. Бразильский продукт экспортируется в такие страны, как Китай и США, где из него изготавливают легковые и грузовые автомобили, раковины, ванны и кухонные приборы.

Около двух третей бразильского древесного угля поступает с устойчивых плантаций, поэтому эту современную практику называют «зеленой сталью». К сожалению, последняя треть приходится на неустойчивую вырубку девственных лесов. Тем не менее, бразильский случай представляет собой пример того, как сырье современной цивилизации может поставляться без зависимости от ископаемого топлива.

Другим сопутствующим вариантом может быть газификация древесины. Использование древесины для получения тепла так же старо, как человечество, и все же простое сжигание древесины использует только около трети ее энергии. Остальное теряется, когда газы и пары, выделяющиеся в процессе горения, уносятся ветром. При определенных условиях даже дым горюч. Мы не хотим тратить его впустую.

Лучше, чем простое сжигание, лучше запустить термическое разложение древесины и собрать газы. Вы можете сами увидеть основной принцип в действии, просто зажигая спичку. Светящееся пламя на самом деле не касается спичек: оно танцует сверху, с явным промежутком между ними. Пламя на самом деле питается горячими газами, выделяемыми при разложении древесины от жары, и газы воспламеняются только после того, как они смешаются с кислородом воздуха. Спички очаровательны, если посмотреть на них внимательно.

Автомобили-газификаторы военного времени могли развивать скорость около 1,5 миль на килограмм. Сегодняшние конструкции улучшают этот

Чтобы выпустить эти газы контролируемым образом, запеките немного древесины в закрытом контейнере. Кислород ограничен, чтобы древесина просто не загорелась. Его сложные молекулы разлагаются в процессе, известном как пиролиз, а затем горячие обугленные куски древесного угля на дне контейнера реагируют с продуктами распада с образованием легковоспламеняющихся газов, таких как водород и окись углерода.

Полученный в результате «производительный газ» является универсальным топливом: его можно хранить или транспортировать по трубопроводу для использования в отоплении или уличном освещении, а также пригоден для использования в сложных механизмах, таких как двигатель внутреннего сгорания. Более миллиона автомобилей с газификаторами по всему миру обеспечивали работу гражданского транспорта во время нехватки нефти во время Второй мировой войны. В оккупированной Дании 95 процентов всех тракторов, грузовиков и рыбацких лодок приводились в действие генераторами, работающими на древесном газе. Энергетическая ценность около 3 кг древесины (в зависимости от ее сухости и плотности) эквивалентна литру бензина, а расход топлива автомобиля с газификатором указывается в милях на килограмм древесины, а не в милях на галлон. Автомобили-газификаторы военного времени могли развивать скорость около 1,5 миль на килограмм. Сегодняшние проекты улучшают это.

Но с помощью древесного газа вы можете сделать гораздо больше, чем просто держать свой автомобиль на дороге. Оказывается, он подходит для любого из производственных процессов, требующих тепла, которые мы рассматривали ранее, таких как печи для обжига извести, цемента или кирпича. Генераторы древесного газа могут легко питать сельскохозяйственное или промышленное оборудование или насосы. Швеция и Дания являются мировыми лидерами в использовании экологичных лесов и сельскохозяйственных отходов для вращения паровых турбин на электростанциях. И как только пар используется на их электростанциях «комбинированного производства тепла и электроэнергии» (ТЭЦ), он направляется по трубам в близлежащие города и предприятия для их обогрева, что позволяет таким станциям приблизиться к 90 процентов энергоэффективности. Такие заводы предлагают чудесное видение промышленности, полностью отвыкшей от своей зависимости от ископаемого топлива.

Значит, это наше решение? Может ли наше перезагружающееся общество работать на древесине, дополненной электричеством из возобновляемых источников? Может быть и так, если население было довольно небольшим. Но вот загвоздка. Все эти варианты предполагают, что наши выжившие способны построить эффективные паровые турбины, ТЭЦ и двигатели внутреннего сгорания. Мы, , конечно, все это умеем, но в случае цивилизационного коллапса кто поручится, что знания не пропадут? И если да, то каковы шансы, что наши потомки смогут его реконструировать?

В нашей собственной истории первое успешное применение паровых двигателей было при откачке угольных шахт. Это были условия, в которых топлива уже было в изобилии, поэтому не имело значения, что первые примитивные конструкции были ужасно неэффективными. Увеличившаяся добыча угля из шахт использовалась сначала для выплавки, а затем для ковки железа. Железные компоненты использовались для создания дополнительных паровых двигателей, которые, в свою очередь, использовались для перекачки шахт или привода доменных печей на чугунолитейных заводах.

И, конечно, сами паровые машины использовались в механических мастерских для создания новых паровых машин. Только после того, как паровые двигатели были построены и эксплуатировались, последующие инженеры смогли разработать способы повышения их эффективности и сокращения потребления топлива. Они нашли способы уменьшить их размер и вес, адаптировав их для использования в транспортном или заводском оборудовании. Другими словами, в самом центре промышленной революции существовала положительная обратная связь: производство угля, железа и паровых двигателей взаимно поддерживали друг друга.

В мире, где нет легко добываемого угля, будет ли когда-нибудь возможность испытать расточительные прототипы паровых двигателей, даже если они со временем станут более совершенными и эффективными? Насколько возможно, чтобы общество достигло достаточного понимания термодинамики, металлургии и механики, чтобы создать точно взаимодействующие компоненты двигателя внутреннего сгорания, не нарезая сначала гораздо более простые двигатели внешнего сгорания – отдельный котел и цилиндр-поршень? Паровые двигатели?

Потребовалось много энергии, чтобы развить наши технологии до их нынешних высот, и, вероятно, потребуется много энергии, чтобы сделать это снова. Ископаемое топливо закончилось. Это означает, что нашему будущему обществу понадобится очень много древесины.

промышленная революция без угля была бы, как минимум, очень сложной

В умеренном климате, таком как в Великобритании, акр широколиственных деревьев производит около четырех-пяти тонн топлива из биомассы в год. Если вы выращиваете быстрорастущие виды, такие как ива или мискантус, вы можете увеличить это число в четыре раза. Уловка для максимального увеличения производства древесины заключается в использовании подлеска — выращивании деревьев, таких как ясень или ива, которые вырастают из собственного пня и снова становятся готовыми к заготовке через 5–15 лет. Таким образом, вы можете обеспечить стабильные поставки древесины и не столкнуться с энергетическим кризисом после вырубки леса в окрестностях.

Но вот в чем дело: коппинг уже был хорошо развитой техникой в доиндустриальной Британии. Он не мог удовлетворить все энергетические потребности растущего общества. Основная проблема заключается в том, что лесные угодья, даже если ими хорошо управляют, конкурируют с другими видами землепользования, главным образом с сельским хозяйством. Двойной удар развития заключается в том, что по мере роста населения общества требуется больше сельскохозяйственных угодий, чтобы обеспечить достаточное количество продовольствия, а также увеличение производства древесины для производства энергии. Эти две потребности конкурируют за одни и те же земельные участки.

Мы знаем, как это происходило в нашем прошлом. С середины 16 века Британия отреагировала на эти факторы, увеличив эксплуатацию своих угольных месторождений, по сути собирая энергию древних лесов под землей без ущерба для своей сельскохозяйственной продукции. Та же самая энергия, которую дает один гектар порослей в год, обеспечивается от пяти до 10 тонн угля, и его можно выкопать из земли намного быстрее, чем ждать, пока лес отрастет.

Именно это ограничение в поставках тепловой энергии может создать самую большую проблему для общества, пытающегося провести индустриализацию без легкого доступа к ископаемому топливу. Это верно для нашего постапокалиптического сценария, и это было бы в равной степени верно для любого контрфактического мира, в котором по какой-либо причине никогда не разрабатывались ископаемые виды топлива. Чтобы общество имело шанс на индустриализацию в таких условиях, оно должно было бы сосредоточить свои усилия в определенных, очень благоприятных природных условиях: не на угольных островах Британии 18-го века, а, возможно, в районах Скандинавии или Канады, которые сочетают в себе быстро проточные ручьи для гидроэлектроэнергии и большие площади леса, которые можно устойчиво использовать для получения тепловой энергии.

Даже в этом случае промышленная революция без угля была бы, как минимум, очень сложной. Сегодня использование ископаемого топлива на самом деле растет, что вызывает беспокойство по ряду причин, слишком известных, чтобы повторять их здесь. Шаги к низкоуглеродной экономике жизненно важны. Но мы также должны признать, насколько важны эти накопленные резервуары тепловой энергии для того, чтобы мы оказались там, где мы есть.