from 01.01.2007 until now
Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Russian Federation
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
GRNTI 67.53 Инженерное обеспечение объектов строительства
OKSO 08.04.01 Строительство
OKSO 08.06.01 Техника и технологии строительства
OKSO 08.03.01 Строительство
OKSO 08.02.08 Монтаж и эксплуатация оборудования и систем газоснабжения
BBK 38 Строительство
TBK 5435 Газоснабжение
BISAC SCI024000 Energy
The purpose of this work is to develop a design of a biogas combustion equipped with a thermal divider and study the process of burning biogas of different composition. To study the biogas combustion process in the burner of the developed design, the Ansys Fluent modeling software package is used. An injection burner for biogas combustion with a cone-shaped thermal divider and primary air regulator has been developed. Studies of the process of burning biogas of different composition in burners of 5 designs were carried out: without a divider, with a divider with a length of L = 6 mm, with a divider L = 12 mm, with a divider L = 18 mm and a divider L = 24 mm. As a result of modeling, it is found that the placement of a divider with a length of 6 mm and 12 mm does not affect the temperature of the gas-air mixture in the burner body. Increasing the length of the divider to 18 mm allows to increase the temperature of the flow of the gas-air mixture passing along the divider. A further increase in the length of the divider to 24 mm leads to a slight increase in the temperature of the gas-air mixture. The dependences of the flame temperature on the length of the divider during the combustion of biogas with a methane content of 60% and 70% are obtained. When a divider with a length of 6 mm and 12 mm is placed in the burner body, the flame temperature decreases, with an increase in the length of the divider to 18 mm, the flame temperature increases, and with an increase in the length of the divider to 24 mm, the flame temperature remains practically unchanged. Consequently, the placement of a divider with a length of 18 ... 24 mm in the burner body ensures preliminary heating of the gas-air mixture and allows increasing the efficiency of the biogas combustion process.
combustion, burner, injection, modeling, temperature of gas-air mixture, flame temperature
Введение. Газификация регионов Российской Федерации является актуальной и социально значимой задачей для компании «Газпром» и страны в целом. При этом развитие системы газоснабжения России заключаются в дифференцированном подходе к газификации, учитывающем модернизацию имеющихся месторождений газа и использование альтернативных источников энергии (сжиженного природного газа, компримированного природного газа и сжиженного углеводородного газа) [1]. Одним их перспективных направлений развития систем газоснабжения населенных пунктов, удаленных от магистральных газопроводов, и получивших широкое применение в развитых странах мира, является получение и использование биогаза [2–4]. Однако, учитывая в составе биогаза большое содержание углекислого газа, сжигание биогаза в традиционных горелках природного газа будет малоэффективным. Поэтому, использование биогаза в системах газоснабжения требует разработки технологических и технических решений по его эффективному применению. Исследованием процесса горения биогаза и других альтернативных газов занимались отечественные и зарубежные ученые [5–9]. В работе Сигала И. Я. [4] рассматривается возможность применения биогаза в котельных агрегатах ДКВР, ДЕ. Разработаны конструкции горелок среднего давления для сжигания биогаза, получены зависимости длины факела при различных составах биогаза. Работа Яковлева В.А. [5] посвящена исследованию процесса сжигания нетрадиционных газов в горелках с принудительной подачей воздуха. В работе [6] проведены экспериментальные исследования процесса сжигания биогаза различного состава в традиционных горелках природного газа. Проанализирован компонентный состав продуктов сгорания биогаза и сделан вывод о низкой эффективности использования биогазового топлива в существующих горелках. При этом большинство работ посвящено исследованию процесса горения биогаза в горелочных устройствах промышленных агрегатов, работающих на высоком и среднем давлении газа.
Следовательно, актуальным является исследование процесса горения биогаза различного состава и разработка высокоэффективного горелочного устройства для сжигания биогаза в бытовых газовых приборах.
Методы, оборудование, материалы. Программа вычислительного эксперимента предусматривает исследование процесса горения биогаза двух составов: с содержанием метана
60 % и 70 %. Это объясняется тем, что в настоящее время действующие биогазовые установки в качестве исходного субстрата используют отходы сельскохозяйственных и перерабатывающих предприятий [10–12]. Ранее авторами получено [13], что биогаз, производимый из органических отходов птицеводческих и животноводческих комплексов, состоит из 60 % метана, 37,5 % углекислого газа и 2,5 % других газов, а биогаз, производимый из отходов мясоперерабатывающих предприятий, содержит 70 % метана, 27 % углекислого газа и 3 % других газов.
Для определения оптимальной длины теплового рассекателя были проведены исследования 5 видов конструкций горелки: без рассекателя; с рассекателем длиною 6 мм; с рассекателем длиною 12 мм; с рассекателем длиною 18 мм; с рассекателем длиною 24 мм.
За параметр, характеризующий эффективность процесса горения была принята температура пламени – средняя температура области горения.
Для исследования процесса сжигания биогаза различного состава в горелке разработанной конструкции использовался программный комплекс моделирования Ansys Fluent. Методы компьютерного моделирования получили широкое применение для исследования процесса горения газообразного топлива [14–18].
Исходными данными для моделирования процесса сжигания биогаза являются конструктивные параметры горелки, физические свойства биогаза и воздуха, а также граничные условия:
- скорость, температура (20 °C) и компонентный состав биогаза;
- давление (101325 Па), температура
(20 °C), и состав атмосферного воздуха (O2=0,233 %; N2=0,767 % по массе); - статическое давление воздуха на выходе из горелки.
Результаты и обсуждение. Разработана конструкция инжекционной горелки низкого давления, оснащенная тепловым рассекателем [19]. Новизной разработанной горелки является использование в корпусе горелки теплового рассекателя конической формы и регулятора первичного воздуха. Применение рассекателя оригинальной формы обеспечивает предварительный подогрев газовоздушной смеси за счёт процесса теплопередачи от пламени через рассекатель к газовоздушной смеси. Применение регулятора первичного воздуха обеспечивает равномерный подсос и распределение объема первичного воздуха, необходимого для полного сгорания биогаза.
Для исследования горения биогаза была построена твердотельная геометрическая модель горелки разработанной конструкции (рис. 1). Для построенной модели с помощью сеточного генератора Ansys Meshing произведена генерация нерегулярной, конформной тетраэдральной расчётной сетки конечных объёмов с качеством, позволяющим с достаточной для данной задачи точностью смоделировать процессы, протекающие при сжигании газообразного топлива.
Результаты моделирования процесса сжигания биогаза с содержанием метана 60 % представлены на рис. 2.
Рассмотрим распределение температуры газовоздушной смеси в корпусе горелки. В горелке без рассекателя (рис. 2, а) температура газовоздушной смеси нагревается только в верхней части корпуса горелки – поток, проходящий вдоль крышки. Размещение рассекателя длиною L=6 мм и L=12 мм (рис. 2, б и в) не оказывает значительного влияния на температуру газовоздушной смеси в корпусе горелки. Увеличение длины рассекателя до L=18 мм (рис.2, г) позволяет значительно повысить область повышенной температуры газовоздушной смеси внутри корпуса горелки на величину длины рассекателя. Увеличение длины рассекателя до L=24 мм (рис. 2, д) также позволяет увеличить область повышенной температуры газовоздушной смеси, но не на всю длину рассекателя, поэтому температура растет не значительно.
Рис. 1. 3D модель инжекционной горелки с тепловым рассекателем
На рисунке 3 представлен график зависимости средней температуры пламени от длины рассекателя при сжигании биогаза с содержанием метана 60 %.
Из графика видно (рис. 3), что температура пламени в горелке без рассекателя составляет
431 °C. При размещении в корпусе горелки рассекателя длиной 6 мм температура пламени снижается на 1,6 %, до 424 °C, а в горелке с рассекателем 12 мм температура пламени снижается еще на 1 %, до 420 °C. При дальнейшем увеличении длины рассекателя до 18 мм начальная температура пламени возрастает на 7,2 %, до 462 °C, а при увеличении длины рассекателя до 24 мм температура пламени повышается незначительно, на 1,2 %, до 467 °C. Падение температуры пламени в горелках с рассекателями 6 и 12 мм объясняется ростом гидравлического сопротивления из-за установки рассекателя и падением скорости потока газовоздушной смеси.
Рис. 2. Распределение температуры при сжигании биогаза с содержанием метана 60 % в горелке:
a – без рассекателя; б – с рассекателем L= 6 мм; в – с рассекателем L=12 мм;
г – с рассекателем L=18 мм; д – с рассекателем L=24 мм
Таким образом, для эффективного сжигания биогаза с содержанием метана 60 % целесообразно применять рассекатель длиною 18…24 мм.
Результаты моделирования процесса сжигания биогаза с содержанием метана 70 % представлены на рис. 4.
Рис. 3. График зависимости температуры пламени от длины рассекателя при сжигании биогаза с содержанием метана 60 %
Рис. 4. Распределение температуры при сжигании биогаза с содержанием метана 70 % в горелке:
a – без рассекателя; б – с рассекателем L= 6 мм; в – с рассекателем L=12 мм; г – с рассекателем L=18 мм; д – с рассекателем L=24 мм
В горелке без рассекателя (рис.4, а) температура газовоздушной смеси нагревается только в верхней части корпуса горелки – поток, проходящий вдоль крышки. Размещение рассекателей длиною L=6 мм и L=12 мм (рис.4, б и в) не оказывает влияния на температуру газовоздушной смеси в корпусе горелки. Увеличение длины рассекателя до L=18 мм (рис. 4, г) позволяет значительно повысить область повышенной температуры газовоздушной смеси в корпусе горелки. Увеличение длины рассекателя до L=24 мм (рис. 4, д) также позволяет увеличить область повышенной температуры газовоздушной смеси, но не на всю длину рассекателя, поэтому температура растет не значительно.
На рисунке 5 представлен график зависимости средней температуры пламени от длины рассекателя при сжигании биогаза с содержанием метана 70 %.
Рис. 5. График зависимости температуры пламени от длины рассекателя при сжигании биогаза с содержанием метана 70 %
Из графика видно (рис. 5), что температура пламени в горелке без рассекателя составляет 489 °C. При размещении в корпусе горелки рассекателя длиной 6 мм температура пламени снижается на 1,2 %, до 483 °C, а в горелке с рассекателем 12 мм температура пламени снижается еще на 1 %, до 478 °C. При дальнейшем увеличении длины рассекателя до 18 мм начальная температура пламени возрастает на 6,2 %, до 519,5 °C, а при увеличении длины рассекателя до 24 мм температура пламени практически не изменяется и составляет 520,4 °C. Падение температуры пламени в горелках с рассекателями 6 и 12 мм объясняется ростом гидравлического сопротивления рассекателя и падением скорости потока газовоздушной смеси. Повышение температуры пламени в горелках с рассекателями 18 и 24 мм обусловлен ростом скорости потока газовоздушной смеси, связанным с расположением рассекателя в трубке корпуса горелки.
Таким образом, для эффективного сжигания биогаза с содержанием метана 70 % целесообразно применять рассекатель длиною 18 мм.
Результаты моделирования процесса сжигания биогаза различного состава в горелке с рассекателем 18 мм представлены на рис. 6.
Рис. 6. Распределение температуры пламени в горелках с рассекателем 18 мм: a – биогаз с содержанием 60 % метана; б – биогаз с содержанием 70% метана
Из рисунка 6 видно, что с повышением содержания метана в биогазе температура пламени увеличивается. Так, средняя температура пламени при сжигании биогаза с содержанием 60 % составляет 462 °C, при увеличении содержания метана до 70% температура повышается до 520 °C, т.е. на 12,5 %.
Выводы. Разработана инжекционная горелка для сжигания биогаза, оснащенная тепловым рассекателем в форме конуса и регулятором первичного воздуха. Применение рассекателя оригинальной формы обеспечивает предварительный подогрев газовоздушной смеси и позволяет повысить температуру горения.
Проведены исследования процесса сжигания биогаза разного состава в горелках 5 конструкций: без рассекателя, с рассекателем длиною L=6 мм, с рассекателем L=12 мм, с рассекателем L=18 мм и рассекателем L=24 мм.
В результате моделирования установлено, что размещение рассекателя длиною 6 мм и 12 мм не оказывает влияния на температуру газовоздушной смеси в корпусе горелки. Увеличение длины рассекателя до 18 мм позволяет повысить температуру потока газовоздушной смеси, проходящего вдоль рассекателя. Увеличение длины рассекателя до 24 мм приводит к незначительному росту температуры газовоздушной смеси, т.е. не по всей длине рассекателя.
Получены зависимости температуры пламени от длины рассекателя при сжигании биогаза. При размещении в корпусе горелки рассекателя длиною 6 мм и 12 мм температура пламени снижается на 1,2 % и 2,2 % соответственно. При увеличении длины рассекателя до 18 мм температура пламени возрастает на 6,2 %, а при увеличении длины рассекателя до 24 мм температура пламени практически не изменяется.
Можно сделать вывод, что оптимальным решением повышения эффективности и стабильности процесса сжигания биогаза с содержанием метана 60 % является установка в корпусе горелки рассекателя длиною 18…24 мм, а для сжигания биогаза с содержанием метана 70 % – установка рассекателя длиною 18 мм. Это позволяет повысить тепловую мощность горелки при минимальных металлозатратах.
Источник финансирования. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-38-00351.
1. Gasification [Gazifikaciya]. URL: http://www.gazprom.ru/about/production/ gasification (accessed 20.02.2020). (rus).
2. IEA Bioenergy Task 37 - Country Reports Summery 2014. IEA Bioenergy. 2015. 50 p.
3. Scarlat N. et al. Renewable Energy. 2018. No. 129. Pp. 457-472.
4. Lambert, M. Biogas: A significant contribution to decarbonising gas markets? / The Oxford Institute for Energy Studies. June 2017.
5. Sigal I.Ya., Marasin A.V., Smihula A.V., Sigal A.I. and Kolchev V.A. Experimental study of biogas burning and it use in industrial boilers [Eksperimental'noe issledovanie goreniya biogaza i ego ispol'zovanie v promyshlennyh kotlah]. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. No. 17 (139). Pp. 84-89. (rus).
6. Yakovlev V and Komina G Optimization of air distribution systems of gas burner devices with forced air supply and a slit mixing chamber by mathematical modeling [Optimizaciya vozduxoraspredelitel`ny`x sistem gazogorelochny`x ustrojstv s prinuditel`noj podachej vozduxa i shhelevoj kameroj smesheniya metodom matematicheskogo modelirovaniya]. Vestnik grazhdanskix inzhenerov. 2016. No. 2 (55). Pp. 163-170. (rus).
7. M. Ilbas, M. Sahin, S. Karyeyen. Combustion Behaviours of Different Biogases in an Existing Conventional Natural Gas Burner: An Experimental Study. International Journal of Renewable Energy Research. 2016. Vol. 6. No. 3. Pp. 1178-1188.
8. Anggono W, Wardana, ING, Lawes, M et al. Biogas laminar burning velocity and flammability characteristics in spark ignited premix combustion. Journal of Physics: Conference Series. 2013. 423 (1).
9. Suprianto F, Anggono W and Tanoto M Effect of Carbon Dioxide on Flame Characteristics in Biogas External Premix Combustion International Journal of Applied Engineering Research. 2016. Volume 11. No. 4. Pp. 2240-2243.
10. Wagner L.Trends from the use of biogas technology in Germany. VIV Asia Biogas Conference on March 12th 2015. Bangkok. p 50.
11. Biogas is based on renewable raw materials. A comparative analysis of sixty-one biogas plants in Germany (Germany: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Gülzow). p. 115.
12. Wu B, Zhang X, Di Bao, Xu Y, Zhang S, Deng L. Biomethane production system: Energetic analysis of various scenarios. Bioresour Technol. 2016. No. 206. Pp.155-163. DOI:https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.01.086.
13. D. Y. Suslov and P. S. Sedyh. Experimental Studies of the Process of Obtaining Biogas from Wastes from Agricultural Enterprises. International Science and Technology Conference "EastConf". Vladivostok. Russia. 2019. Pp. 1-4.
14. Liu, Y.-F, Liang, X.-J, Gao, Z.-Y and Wang, J.-Q. Numerical simulation of O2/CO2 recycled flue gas combustion in a 300 MW Boiler. Reneng Dongli Gongcheng. Journal of Engineering for Thermal En-ergy and Power. March 2009. Vol. 24, Issue 2. Pp. 177-181.
15. Kuznetsov V. A. and Trubaev P. A. Resources and Problems of the Mathematical Simulating Thermo-Technological Processes. J. Phys.: Conf. Ser. 2018. No. 1066. 012024.
16. Anggono W., Wardana I., Pourkashanian M., Hughes K., Lawes M.,Wahyudi S., Hamidi N. and Hayakawa A. Experimental and Numerical Simulation on Boigas Flame Propagation Characteristic in Spark Ignition Premixed Combustion Proceeding The 3rd International Conference on Engineering and ICT (ICEI2012) (Melaka-Malaysia). 2012. V. 2. pp. 290-294.
17. Kuznetsov V A Mathematical Model of the Radiative Heat Exchange in the Selective Gases of a Diffusion Flame. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2017. No. 90(2). Pp. 357-65.
18. Feng, M.-J & Li, D.-L & WANG, ENGANG. Numerical simulation of an adjustable length of flame gas burner. Journal of Northeastern University. 2014. No. 35. Pp. 1279-1283.
19. Suslov D.Yu., Ramazanov R.S., Lobanov I.V. Research of the distribution of a gas-air mixture in the body of injection burner with thermal divider. [Issledovanie raspredeleniya gazovozdushnoj smesi v korpuse inzhekcionnoj gorelki s teplovym rassekatelem]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2019. No. 10. Pp. 60-66. DOI:https://doi.org/10.34031/article_5db3db3a9cb6a3.99321784. (rus).
20. Gasification [Gazifikaciya]. URL: http://www.gazprom.ru/about/production/ gasification (accessed 20.02.2020). (rus).
21. IEA Bioenergy Task 37 - Country Reports Summery 2014. IEA Bioenergy. 2015. 50 p.
22. Scarlat N. et al. Renewable Energy. 2018. No. 129. Pp. 457-472.
23. Lambert, M. Biogas: A significant contribution to decarbonising gas markets? The Oxford Institute for Energy Studies. June 2017.
24. Sigal I.Ya., Marasin A.V., Smihula A.V., Sigal A.I. and Kolchev V.A. Experimental study of biogas burning and it use in industrial boilers [Eksperimental'noe issledovanie goreniya biogaza i ego ispol'zovanie v promyshlennyh kotlah]. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. No. 17 (139). Pp. 84-89. (rus).
25. Yakovlev V., Komina G. Optimization of air distribution systems of gas burner devices with forced air supply and a slit mixing chamber by mathematical modeling [Optimizaciya vozduxoraspredelitel`ny`x sistem gazogorelochny`x ustrojstv s prinuditel`noj podachej vozduxa i shhelevoj kameroj smesheniya metodom matematicheskogo modelirovaniya]. Vestnik grazhdanskix inzhenerov. 2016. No. 2 (55). Pp. 163-170. (rus).
26. Ilbas M., Sahin M., Karyeyen S. Combustion Behaviours of Different Biogases in an Existing Conventional Natural Gas Burner: An Experimental Study. International Journal of Renewable Energy Research. 2016. Vol. 6. No. 3. Pp. 1178-1188.
27. Anggono W/, Wardana, I.N.G., Lawes M. [et al.] Biogas laminar burning velocity and flammability characteristics in spark ignited premix combustion. Journal of Physics: Conference Series. 2013. 423 (1).
28. Suprianto F., Anggono W., Tanoto M. Effect of Carbon Dioxide on Flame Characteristics in Biogas External Premix Combustion International Journal of Applied Engineering Research. 2016. Volume 11. No. 4. Pp. 2240-2243.
29. Wagner L.Trends from the use of biogas technology in Germany. VIV Asia Biogas Conference on March 12th 2015. Bangkok. 50 p.
30. Biogas is based on renewable raw materials. A comparative analysis of sixty-one biogas plants in Germany (Germany: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Gülzow). 115 p.
31. Wu B, Zhang X, Di Bao, Xu Y, Zhang S, Deng L. Biomethane production system: Energetic analysis of various scenarios. Bioresour Technol. 2016. No. 206. Pp. 155-163. DOI:https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.01.086.
32. Suslov D.Y., Sedyh P.S. Experimental Studies of the Process of Obtaining Biogas from Wastes from Agricultural Enterprises. International Science and Technology Conference "EastConf". Vladivostok. Russia. 2019. Pp. 1-4.
33. Liu Y.-F., Liang, X.-J., Gao Z.-Y., Wang, J.-Q. Numerical simulation of O2/CO2 recycled flue gas combustion in a 300 MW Boiler. Reneng Dongli Gongcheng. Journal of Engineering for Thermal En-ergy and Power. March 2009. Vol. 24, Issue 2. Pp. 177-181.
34. Kuznetsov V.A., Trubaev P.A. Resources and Problems of the Mathematical Simulating Thermo-Technological Processes. J. Phys.: Conf. Ser. 2018. No. 1066. 012024.
35. Anggono W., Wardana I., Pourkashanian M., Hughes K., Lawes M.,Wahyudi S., Hamidi N. and Hayakawa A. Experimental and Numerical Simulation on Boigas Flame Propagation Characteristic in Spark Ignition Premixed Combustion Proceeding The 3rd International Conference on Engineering and ICT (ICEI2012) (Melaka-Malaysia). 2012. Vol. 2. Pp. 290-294.
36. Kuznetsov V.A. Mathematical Model of the Radiative Heat Exchange in the Selective Gases of a Diffusion Flame. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2017. No. 90(2). Pp. 357-65.
37. Feng M.-J., Li D.-L., Wang E. Numerical simulation of an adjustable length of flame gas burner. Journal of Northeastern University. 2014. No. 35. Pp. 1279-1283.
38. Suslov D.Yu., Ramazanov R.S., Lobanov I.V. Research of the distribution of a gas-air mixture in the body of injection burner with thermal divider. [Issledovanie raspredeleniya gazovozdushnoj smesi v korpuse inzhekcionnoj gorelki s teplovym rassekatelem]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2019. No. 10. Pp. 60-66. DOI:https://doi.org/10.34031/article_5db3db3a9cb6a3.99321784. (rus)
