В ступенчатом теплогенераторе колосники располагаются ступенями, а верх топки выполнен в виде свода, который фокусирует тепловое излучение на топливе, обеспечивая интенсивное горение еще наполовину сырых щепок. Угол наклона ступенчатой поверхности обычно очень близок к естественному углу насыпи топлива, поэтому вновь поступающие порции распределяются довольно тонким слоем. Осыпание топлива по склону провоцирует перемешивание уже воспламенившихся щепок. Правильное распределение наддува под колосники, над горящим слоем и в верхней части для дожига делает процесс очень стабильным и легким в управлении. Как правило, при первом старте такого теплогенератора кроме стандартной просушки и проверки на контроллере выставляют параметры производительности каждого вентилятора для разной тепловой мощности от 30 до 100% с шагом в 5 или 10%.
Тонкий слой топлива при его активном обдуве способствует хорошей самоочистке колосников, поэтому теплогенераторы со ступенчатыми колосниками не останавливают несколько лет подряд круглосуточной работы. Для прочистки под колосниками его работу замедляют, обеспечивая температуру в топке около 450…500°С во избежание повреждения шамотной кладки. Хотя сводчатая крыша и не является надежным вариантом, есть множество примеров службы таких теплогенераторов более 10 лет без капитального ремонта. Иногда под колосниками устанавливают шнековый или цепной транспортер для автоматического удаления золы, но в силу относительной эпизодичности процедуры это не окупается на фоне малых трудозатрат ручной прочистки. Дешевый и сердитый вариант – встраивание под колосники штанги от склада «живое дно» с маломощным эксцентриковым приводом от редуктора. Небольшой слой золы играет роль теплоизолятора, а штанга с треугольными скребками не боится высоких температур и периодическое ее включение позволяет дешево механизировать выведение золы в предусмотренный для этого короб.
Из-за особенностей сжигания содержащаяся в топливе сырая опилка и мелкая щепка досыхает и загорается уже в полете, поэтому к такому агрегату необходимо комплектовать СИГ (система искрогашения), представляющий собой циклонную установку из жаропрочной или нержавеющей стали. Наиболее популярны либо один большой горизонтальный циклон с двумя входами, либо группа вертикальных циклонов с общим бункером для сбора золы. Так как даже стойкая к окислению сталь нормально служит лишь в пределах 500°С, то смесь подготавливается еще внутри теплогенератора в специальной камере смешения, оборудованной автоматическими жалюзи и довольно мощным приточным вентилятором. Учитывая, что для безопасной работы в топке должно быть постоянное разряжение, гарантированно спасающее от проникновения угарного газа наружу, установка нагнетающего вентилятора не очень понятна и обосновывается лишь традициями, как атавизм от иных применений теплогенератора. Обычно на выходе из сушилки установлен дымосос огромной производительности, который протягивает воздух и газы через весь тракт от входа в теплогенератор под колосниками до циклона сушилки. В принципе достаточно вход для подмеса оставить относительно свободным, прикрывая жалюзи для стабильного минимального разряжения во избежание чрезмерной подачи воздуха через вентиляторы, которые также служат скорее запирающими поток воздуха, чем нагнетающими. Тогда температура теплового агента будет регулироваться только подачей топлива и «приоткрыванием» потока воздуха для его эффективного сжигания.
Растопочная труба довольно большого диаметра с футерованной нижней частью создает сильную тягу, поэтому при переводе в аварийный режим с открыванием заслонки все пиролизные газы и жар устремляются за пределы цеха, и сушилка оказывается в безопасности. В рабочем состоянии заслонка практически полностью перекрывает трубу, иначе поступающий холодный воздух может создать избыточное давление с прорывом опасных газов в помещение.
Недостатками теплогенератора со ступенчатыми колосниками являются сложность перевозки и монтажа топки, состоящей из нескольких многотонных блоков. Сводчатая поверхность гораздо хуже переносит многократные запуски и сложна для восстановления. Неоднозначность поведения при различном потреблении теплового агента вызывает сложности в настройке и обеспечении стабильного уровня разреженности в топке. Безопасное ручное управление или с примитивной автоматикой практически не реализуемо.
Особенность конструкции подразумевает только верхний способ подачи топлива с проблемой возгорания в шнеке или его перегревом. Установка гидротолкателей вместо шнека частично решает проблему, но добавляется обслуживание гидравлики в меняющихся температурных условиях, а слишком крупные куски топлива по-прежнему создают заторы и способны повредить вход в топочное пространство.
Преимущества в гораздо большей безопасности в сравнении с пиролизным вариантом, в возможности работать с широким диапазоном влажности и фракции исходного топлива. Следует учитывать, что для мелкой опилки необходимо применять колосники с гораздо более редкими и широкими отверстиями, чтобы небольшие «фонтаны» не приводили к генерализованному витанию частиц и объемному взрыву. Безостановочная работа позволяет использовать ступенчатые топки в качестве котельных, для чего вместо верхнего свода устанавливается блок с теплообменниками.
Грубо оценить тепловую мощность теплогенератора можно по рабочей площади колосников, которую называют «зеркало горения», и объему топки в зоне активного горения. На каждый мегаватт тепла из сырой древесины требуется не менее 1,5м2 колосников и не менее 3 кубических метров внутреннего пространства.
