сотрудник с 01.01.2007 по настоящее время
Белгород, Россия
Белгородская область, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.53 Инженерное обеспечение объектов строительства
ОКСО 08.04.01 Строительство
ОКСО 08.06.01 Техника и технологии строительства
ОКСО 08.03.01 Строительство
ОКСО 08.02.08 Монтаж и эксплуатация оборудования и систем газоснабжения
ББК 38 Строительство
ТБК 5435 Газоснабжение
BISAC SCI024000 Energy
Целью работы является исследование процесса сжигания биогаза в горелке с тепловым рассекателем. Для исследования процесса сжигания биогаза использовали программный комплекс моделирования Ansys Fluent. Разработана инжекционная горелка для сжигания биогаза с тепловым рассекателем конической формы и регулятором первичного воздуха. 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. Дальнейшее увеличение длины рассекателя до 24 мм приводит к незначительному росту температуры газовоздушной смеси. Получены зависимости температуры пламени от длины рассекателя при сжигании биогаза с содержанием метана 60 % и 70 %. При размещении в корпусе горелки рассекателя длиною 6 мм и 12 мм температура пламени снижается, при увеличении длины рассекателя до 18 мм температура пламени возрастает, а при увеличении длины рассекателя до 24 мм температура пламени практически не изменяется. Следовательно, размещение в корпусе горелки рассекателя длиною 18…24 мм обеспечивает предварительный подогрев газовоздушной смеси и позволяет повысить эффективность процесса сжигания биогаза.
горение, горелка, инжекция, моделирование,горение, горелка, инжекция, моделирование, температура газовоздушной смеси, температура пламени
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. Газификация [Электронный ресурс]. URL: http://www.gazprom.ru/about/production/ gasification/ (дата обращения 20.02.2020).
2. IEA Bioenergy Task 37 - Country Reports Summery 2014 // IEA Bioenergy. 2015. 50 p.
3. Scarlat N. et al. Renewable Energy. 2018. № 129. pp. 457-472.
4. Lambert, M. Biogas: A significant contribution to decarbonising gas markets? / The Oxford Institute for Energy Studies. June 2017.
5. Сигал И. Я., Марасин А.В., Смихула А.В., Сигал А.И., Колчев В.А. Экспериментальное исследование горения биогаза и его использование в промышленных котлах // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». 2013. №17 (139). С. 84-89.
6. Яковлев В.А., Комина Г.П. Оптимизация воздухораспределительных систем газогорелочных устройств с принудительной подачей воздуха и щелевой камерой смешения методом математического моделирования // Вестник гражданских инженеров. 2016. № 2 (55). С. 163-170.
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. Number 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. №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. 1066. 012024.
16. Anggono W, Wardana I, Pourkashanian M, Hughes K, Lawes M,Wahyudi S, Hamidi N and Hayakawa A 2012 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) 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. 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. 35. Pp. 1279-1283.
19. Суслов Д.Ю., Рамазанов Р.С., Лобанов И.В. Исследование распределения газовоздушной смеси в корпусе инжекционной горелки с тепловым рассекателем // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2019. № 10. С. 60-66. DOI:https://doi.org/10.34031/article_5db3db3a9cb6a3.99321784.
20. Газификация [Электронный ресурс]. URL: http://www.gazprom.ru/about/production/ gasification/ (дата обращения 20.02.2020).
21. IEA Bioenergy Task 37 - Country Reports Summery 2014 // IEA Bioenergy. 2015. 50 p.
22. Scarlat N. et al. Renewable Energy. 2018. № 129. Pp. 457-472.
23. Lambert M. Biogas: A significant contribution to decarbonising gas markets? The Oxford Institute for Energy Studies. June 2017.
24. Сигал И.Я., Марасин А.В., Смихула А.В., Сигал А.И., Колчев В.А. Экспериментальное исследование горения биогаза и его использование в промышленных котлах // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». 2013. №17 (139). С. 84-89.
25. Яковлев В.А., Комина Г.П. Оптимизация воздухораспределительных систем газогорелочных устройств с принудительной подачей воздуха и щелевой камерой смешения методом математического моделирования // Вестник гражданских инженеров. 2016. № 2 (55). С. 163-170.
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. Vol. 11. Number 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. №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. 1066. 012024.
35. Anggono W., Wardana I., Pourkashanian M., Hughes K., Lawes M.,Wahyudi S., Hamidi N., 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. 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. 35. Pp. 1279-1283.
38. Суслов Д.Ю., Рамазанов Р.С., Лобанов И.В. Исследование распределения газовоздушной смеси в корпусе инжекционной горелки с тепловым рассекателем // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2019. № 10. С. 60-66. DOI:https://doi.org/10.34031/article_5db3db3a9cb6a3.99321784.
