Инструкция для “мамкиного трубочиста”
Заметка посвящается всем владельцам отопительных приборов на твердом топливе, страдающим от сажи в дымоходах…
Недавно я провел в “лабораторном журнале” опрос про топливо, которым читатели обогревают свое жилье. За исключением в 51%, которые полагаются только на централизованное отопление (~горожане), остальные голоса распределились примерно так:
34% — природный газ, 14% — твердое топливо, 15% -электричество, 1% — жидкое топливо.
Прим. для тех, кто удивлен тем, что жидким топливом можно отапливать помещения скажу, что существуют такие вещи как тепловые пушки или солярогазы.
Я кстати с уважением отношусь к таким устройствам, как к аварийным источникам отопления. Солярогазы, кстати, вполне можно отнести к подклассу каталитических грелок (см. статью Беспламенные каталитические источники тепла).
Далее же речь в статье пойдет про твердое топливо и основную проблему, которая возникает в печах/котлах/топках. Речь про сажу. 14% это ведь не мало. Хотя изначально я был уверен, что забитые дымоходы — это головная боль у “бабушки из деревни”.
САЖА-МАТУШКА
Не секрет, что во время горения топлива в печах и котлах в дымоходах накапливается сажа. Вязкое, пахнущее дымом смолистое вещество (“черная материя”?). По своей химической сути эта субстанция ближе всего к ультрадисперсному графиту, пропитанному различными смолистыми соединениями фенольной природы, т.н. креозотом.
Сажа может забивать дымоходы, а иногда и возгораться там. МЧС периодически терзает пенсионеров на предмет возгорания сажи в дымоходах, а про то, как от нее избавится не говорит. Ищи, бабушка, в тайге себе трубочиста, а то оштрафуем.
Интересно, что до сих пор нет единого мнения о механизмах образования сажи и даже смоделировать механизм образования толком никто не смог, из-за большого количества первичных компонентов, сложных механизмов сгорания и множества не слишком очевидных гетерогенных взаимодействий. Хотя для условного владельца твердотопливного котла физ-химия сажи далеко позади по важности после способов ее удаления.
Самый действенный способ очистки дымоходов — механический (но он отнюдь не самый безопасный, в т.ч. и из-за канцерогенности некоторых компонентов сажи — смотреть статью Сажевая бородавка — история про первый канцероген).
Вторым, часто применяемым в промышленности способом, является продувка дымоходов горячим паром под давлением. Рискну предположить, что самый популярный “народный” способ в виде сжигания на углях картофельных очистков — это некий карго-культ паровой обработки дымоходов.
Каких только бредовых толкований нет на просторах Интернета, связанных с этой “картофельной магией”. И что возгоняется крахмал, и что при пиролизе картофельных очисток выделяется фурфурол, который разрушает сажу и чего только нет.
С рациональной точки зрения, 100% подтверждения эффективности методики никто не предоставил, везде то “сам не видел, но знакомый рассказывал”, то “опытные печники советуют” и т.п.
С химической точки зрения все “печники-эксперты” в своем воображении хотят, чтобы водяной пар взаимодействовал с раскаленной сажей и переводил ее в горючие газы, которые на той же саже бы и сгорали. Если бы это было правдой, то эффект не хуже очисток давала бы и мокрая трава, рыбьи головы, сырые поленья и т.п.
Кстати именно сырые осиновые поленья — это второй распространенный “народный” способ очистки дымоходов. Почему осина? Условные “эксперты-печники” объясняют — потому что температура горения высокая, а смолистых соединений нет. Насчет температуры горения поможет картинка с жаропроизводительностью дров из моей ранней статьи «Энтальперы» — одноразовые химические грелки и холодные компрессы
Как видно, осина по температуре горения где-то внизу. Хотя, действительно, тепло дает как сосна, а смол нет (= “осина ничего не чистит, но и не коптит”). А смолы это важно, потому что при горении сырых дров с большим количеством летучих веществ (береза, например), пар, уходящий из сырых дров ~ лабораторный процесс перегонки с водяным паром. Уносятся в дымоход из древесины в основном фенолы (ксилол, крезол, гваякол), смолы и прочие креозоты. В сочетании в влагой сажа сделается липкой и жирной — то есть все,“как вы хотели” :)
Есть и “способы” советующие прожиг сажи высокой температурой, с помощью особо жаропроизводительных дров (см. таблицу выше). Сажа начинает сгорать при температурах выше 800 градусов, что при использовании каких-нибудь дров из боярышника вполне достижимо. В топке печи. Потому что в дымоходе, в зависимости от конфигурации, температуры будут гораздо меньше.
Вдогонку можно вспомнить и более редкие “народные” способы в виде сжигания на углях каменной соли, скипидара, нафталина, скорлупы грецких орехов, алюминиевых банок (!). Здесь все без исключения — это вариации “слышал звон, да не знает где он” относительно промышленных химических способов очистки, известных еще с 19 века.
Самый “живой” способ очистки дымоходов от сажи — это способ химический. В отличие от способов кустарно-народных здесь имеется масса патентов, публикаций и даже книг. Краткая суть химической борьбы с сажей в том, что вместе с топливом сжигаются “присадки” ускоряющие сгорание сажи и препятствующие ее образованию (совсем как в случае с автомобилем).
Существующие нынче в продаже “чудо-поленья” и прочие “веселые трубочисты” эксплуатируют те же компоненты, что издавна используются в промышленности: соли тяжелых металлов, фосфаты и хлориды. Кто-то для обоснования стоимости добавляет кучу бесполезных и дублирующих друг друга вещей вроде перкарбонатов и даже каких-нибудь минералов (лазурита, оливина и т.п.). Часто с умным видом маркетологи убеждают в выверенности формулы и длительных лабораторных исследованиях. Не верьте, никто ничего не выверял и не исследовал :). Это все очень тяжело реализуемо даже с точки зрения сложности моделирования процессов образования сажи. Так что до сих пор действуют полуэмпирические смеси, разработанные в начале прошлого века. Может быть только упаковывается все это в какие-нибудь новомодные биоразлагаемые пакетики. Объединяет все эти штучки то, что их рыночная стоимость и рядом не стояла с себестоимостью производства.
Многие смесевые средства для удаления сажи состоят из трех основных компонентов: горючая основа, способные к возгонке соли, соли поливалентных металлов с каталитической активностью.
Горючая основа/инициаторы горения— это опилки, щепа, стружка, древесная мука, измельченная солома, бумажные отходы, нитраты (калия, натрия, кальция — распространенные удобрения), садовая сера, парафины. Чаще всего используются вместе с хлоридами, так как снижают количество расплавившейся соли (шлак) и стимулируют термолиз и образование паров.
Антислеживатели — предотвращают комкование состава (и как следствие потери на шлак) и облегчают образование паров. Чаще всего используются либо ненабухающие глины, либо оксид кремния (аморфный кремнезем/силикагель), либо силикаты кальция или алюминия.
Добавки-катализаторы — вещества, которые способствуют дожиганию сажи, т.е. за счет своей каталитической активности ускоряют скорость процессов окисления при относительно низких температурах 400–600°. Чаще всего в роли катализаторов выступают соли тяжелых металлов — цинка, железа, меди. Самый популярный катализатор в составе “дымоходных смесей” — сульфат меди (медный купорос). В процессе термического разложения этой соли образуется оксид меди, способствующий эффективному дожиганию прекурсоров сажи (=”дрова горят лучше, без копоти”). При температурах > 1000°С оксид меди разлагается до металлической меди. Другими популярными каталитическими солями могут быть сульфат железа (железный купорос), сульфат марганца, соединения церия, хлорид цинка, карбонат кальция (мел). По поводу последнего нужно сказать пару слов. Кальций относится к щелочно-земельным металлам, и в качестве катализатора не используется. Но в случае сжигания топлива дает интересный эффект, который был замечен еще в 19 веке.
В 1820 году в Петербуге вышла небольшая книжка с длинным названием “Краткое описание изобретенного В.Конгревом нового способа уменьшения наполовину количества сгораемого угля при нагревании котлов и других заводских употреблений с истреблением при этом дыма”. Написал эту книгу начальник военно-научного комитета Генерального штаба генерал-майор Гогель, который в своем изложении уделил особенное внимание необычному методу сжигания угля, предложенному Конгревом. Английский изобретатель предлагал над слоем горящего угля установить решетку с нанесенным на нее слоем известняка (мела). Уголь сгорал в слое, после чего продукты сгорания проходили через известняк, разлагая его на известь и углекислый газ, потом через стенки котла передавали свое тепло воде и выбрасывались через трубу. Конгрев утверждал, что применение этого простого устройства даст отличный результат: снизит расход угля на производство пара почти в три раза! Посулы изобретателя не были приняты на веру. Его изобретение проверили в Англии при выдачи патента. Проверили их и в России при покупке лицензии военным ведомством. Проверку в 1818 году проводил лично генерал-майор Гогель, который в своей книге привел следующие результаты:
При испытании в котле 104 ведер воды без использования известняка было сожжено 126 английских фунтов угля; При испарении в котле 92,5 ведер воды с использованием известняка было сожжено 42 английских фунтов угля и превращено в известь 126 фунтов известняка; если нет надобности в получении извести, то порция известняка равная одной седьмой от расхода топлива может служить в течении месяца.
Ф.Чижов “Паровые машины — история, описания и приложения” Спб, 1833
За катализаторами у нас идут стабилизаторы/ингибиторы коррозии — добавки, которые чаще всего используются совместно с хлоридами для уменьшения коррозионной активности последних (возникновение хлоридных атак). В этой роли чаще всего используются фосфаты — фосфат натрия (Na3PO4 * 12 H2O), фосфат кальция. Соли аммония также обладают способностью выступать ингибиторами коррозии, т.к. как образующийся при термическом распаде газообразный аммиак снижает коррозию при повышенных температурах, а ко всему прочему, способен сгорать при высоких температурах и способствовать дожиганию сажи.
Самая важная группа — соли, образующие при термическом распаде кислотные оксиды/кислые пары.Кислотные оксиды превращают фенолы в саже в соли, которые гораздо менее устойчивы и не могут выступать в роли хороших связующих для мелокдисперсного углерода. Самый распространенный вариант — хлориды металлов. Хлориды при высоких температурах образуют хлористый водород (~соляная кислота), который уносится с топочными газами в дымоход, где вступает в реакцию со щелочными (вспоминаем “зольный щелок”) компонентами зольных отложений.
Самый распространенный источник хлоридов-каменная соль- по данным ->Lewis, R.J. Sr. (ed) Sax’s Dangerous Properties of Industrial Materials. 11th Edition. Wiley-Interscience, Wiley & Sons, Inc. Hoboken, NJ. 2004., p. 3239 ->распадается с образованием токсичного дыма хлорводорода и оксида натрия. Логичнее предположить, что в процесс термического разрушения образуется атомарный хлор, который в дальнейшем который улетучивается с топочными газами и вступает в реакцию с зольными компонентами отложений. Но это все придирки, ибо как ни крути, при температуре некой среднестатистической печи большая часть каменной соли остается в твердой фазе в составе шлака.
Про огнетушители: хлорид натрия используется в огнетушителях, предназначенных для тушения горящих активных металлов (магния, калия, натрия). Помимо соли в таких огнетушителях присутствую антислеживатели (фосфаты) и изолирующие материалы (стеараты металлов~хозяйственное мыло). Когда состав попадает на горящий объект, соль выступает в роли теплоотвода и образует корку, блокирующую доступ кислорода. Стеараты плавятся и выступают в роли пластификатора солевой корки, препятствующего ее растрескивание. Под такой химической шубой горящий металл остывает ниже температуры воспламенения.
Учитывая все вышесказанное логично, что лучший эффект дают те хлориды, которые разрушаются при меньших температурах (хлорид аммония, хлориды тяжелых металлов) и/или лучше возгоняются.
Другими подходящими кислыми газами являются продукты распада сульфатов. Например тот же сульфат аммония при температуре выше 500 °C образуется аммиак, сульфиды серы (в основном SO3), воду и даже кислород в небольших количествах. Оксид серы (VI) с водой дает серную кислоту, которая способствует разрушению нагара в трубе. Аналогично действуют и нитраты, выделяя оксиды азота (-> азотная кислота).
Переходим к практике. Одним из первых составов для очистки дымоходов от сажевых отложений можно считать следующий французский состав:
60% пищевой соли, 28% хлорида аммония, 4% негашеной извести, 4% медного купороса, 2% садовой серы и воды, чтобы все это смешать и сгранулировать.
Состав работает, но в некоторых случаях не дает полного сжигания сажи. Оптимизированный состав это:
40% -42% пищевой соли; 38–42% медного купороса; 8% мела; 5% хлорида аммония; 5% кремнезема.
Такой состав, помимо удаления сажи, снижает температуру отходящих газов на 100°С и тем самым экономит топливо (снижение температуры на 17°С соответствует 1% экономии топлива).
Небольшая патентная ретроспектива. Патент GB 2 145 731 — целлюлозные брикеты, содержащие сульфаты и фосфаты. Патент США US 4481010 — хлорид металла и фосфат натрия. Патент США US 2777761 — хлорид аммония, сульфат меди, древесная мука. Патент США US 5284636 — фосфаты, соли тяжелых металлов. Патент DE 3429584 — соединения аммония.
Состав #1 полена для очистки дымоходов (в %): парафин — 47, древесные опилки — 31, сульфат аммония — 19, оксид фосфора (V)— 1.6, купорос медный — 0.16, силикагель осаждённый — 0.11
Состав #2 полена для очистки дымоходов (в %): угольный воск (содержащий угольную пыль), древесные опилки, сульфат аммония, мочевина, безводный сульфат натрия, оксид фосфора (V), хлорид цинка, аморфный кремнезем.
Другие примеры смесей попроще, которые тем не менее облегчают превращение смолистых отложений в порошкообразную и плохо прилипающую золу, которая легче отделяется:
- Смесь нитрата калия и сульфата аммония
- Смесь сульфата аммония и хлорида магния
- Смесь фосфата кальция, хлорида аммония, сульфата железа и нитрата кальция,
- Смесь фосфата аммония, сульфата аммония и нитрата меди
- Смесь ацетата калия и нитрата магния
Первый попавшийся на глаза современный состав для очистки дымоходов содержит все привычные компоненты:
Даже человеку знакомому только со школьной химией ясно, что смесь простенькая и скопировать ее не составит особого труда (хлорид аммония 70%, нитрат калия — 25%, медный купорос — 5%). Где взять медный купорос и калиевую селитру — вопрос для дачника излишний. Некоторое затруднение может вызвать хлористый аммоний, он же нашатырь. Здесь нужно смотреть магазины для радиолюбителей, где “нашатырь” активно используется для пайки мягкими припоями и удаления окалины с жала паяльника. Но есть достаточно простой аналог, который можно найти в тех же “садово-огородных магазинах, где и медный купорос. Это сульфат аммония, копеечное удобрение распадающееся при температуре 235–357°C с образованием гидросульфата аммония и аммиака.
Неплохо себя зарекомендовал и такой вот самодельный состав:
40% -42% пищевой соли; 38–42% медного купороса; 8% мела; 5% сульфата аммония; 5% бентонита (дробленый наполнитель для котов)
Если вдруг захочется использовать какой-то фосфатный состав, то фосфаты — это тоже удобрения, фосфорные удобрения. Тот же аммофос — это смесь фосфатов аммония NH4H2PO4 + (NH4)2HPO4. Двойной суперфосфат — это фосфат кальция Ca(H2PO4)2·H2O. Ортофосфат кальция Ca₃(PO₄)₂ чаще всего продается в виде кормовой добавки для животных (“кормовые фосфаты”).
В целом эффективность работы самодельной химии зависит от степени забитости дымохода и от конфигурации печи/камина. Поэтому цифры могут варьироваться в разные стороны. Количество каталитических добавок (соли меди/железа) можно не изменять, а вот увеличивать/уменьшать долю хлоридов/аммония можно. Поэтому покупайте по килограмму удобрения и экспериментируйте до тех пор, пока не выгорит вся сажа :)
Замечание про безопасность: бОльшая часть упомянутых в статье реагентов безопасна. Взорваться не сможет. Но вполне сможет задымить помещение, вызвать раздражение легких едким дымом и т.п. Желающие могут поинтересоваться у радиолюбителей, каков “аромат” возгоняющегося нашатыря. Не слишком отличается от созвучного “нашатырного спирта”. Так что обязательно тщательно закрывайте дверцы топок, после того, как поместили составы на горящие угли. А если герметичность и тяга под вопросом — используйте респираторы с фильтрами не ниже ABEK.
Статья подготовлена благодаря поддержке подписчиков на Patreon. Напоминаю, что самый лучший способ поддержать работы автора и получить быструю связь — это стать “патроном”.