Покращення екологічних показників водогрійних котлів при спалюванні біогазу на основі струменево-нішевої технології
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Дульський А.І. Покращення екологічних показників водогрійних котлів при спалюванні біогазу на основі струменево-нішевої технології. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 «Теплоенергетика». Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
Дисертаційне дослідження виконано на кафедрі теплової та альтернативної енергетики Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України. Представлена наукова робота вирішує важливе науково-технічне завдання щодо підвищення енергетичної та екологічної ефективності котельного обладнання при його переведенні на біогаз. У проведеному дослідженні визначено основні аспекти впливу вмісту діоксиду вуглецю в паливі на стабільність горіння, гідродинаміку потоку реагуючої суміші, емісійні характеристики при реалізації мікродифузійного горіння біогазу в струменево-нішевих пальниках. На основі отриманих результатів сформовано практичні інженерні рішення для адаптації конструкції стабілізатору полум’я, що гарантує надійне спалювання низькокалорійних забаластованих сумішей. В роботі оцінено перспективність та технічну можливість переведення промислових водогрійних котлів на біогаз із використанням струменевонішевої технології (СНТ) при дотриманні жорстких екологічних норм щодо емісії оксидів азоту. Проведені дослідження роблять вагомий внесок у подальший розвиток струменево-нішевої технології та її адаптацію до роботи з альтернативними джерелами енергії. Актуальність обраного напрямку безпосередньо випливає з глобальних тенденцій до переходу на альтернативні палива в енергетиці з ціллю посилення енергетичної безпеки. Заміщення традиційного природного газу відновлюваним біогазом є стратегічним пріоритетом, однак успішна реалізація таких проєктів у комунальній теплоенергетиці вимагає створення надійної науково-технічної бази та обґрунтованих рішень щодо реалізації робочого процесу існуючого паливоспалювального устаткування при його переведенні на альтернативні палива. У вступі розкрито актуальність обраного напрямку дослідження та наведено загальну структуру і обсяг дисертаційної роботи. Чітко сформульовано мету, головні завдання, а також визначено предмет та об’єкт дослідження. Крім того, наведено дані щодо практичної значущості та наукової новизни отриманих результатів, відображено особистий внесок здобувача та інформацію про апробацію матеріалів роботи на фахових наукових конференціях. Наприкінці вступу окреслено потенційні напрямки впровадження розроблених рішень. Перший розділ присвячено комплексному аналізу сучасного стану та перспектив використання альтернативних видів палива, зокрема біогазу, синтез-газу, водню та амоніаку. Головну увагу зосереджено на специфічних теплотехнічних властивостях біогазу. Детально розглянуто проблематику, пов'язану з високим вмістом баластного діоксиду вуглецю, що призводить до суттєвого зниження теплотворної здатності паливних сумішей. На основі огляду попередніх наукових праць визначено ключові фактори впливу діоксиду вуглецю на кінетику горіння. Показано, що наявність баласту критично знижує нормальну швидкість поширення полум'я та звужує межі стійкого горіння палива. Окремо проаналізовано екологічний аспект спалювання біогазу: доведено, що зниження пікових температур у факелі сприяє пригніченню генерації термічних оксидів азоту, проте одночасно створює передумови для появи хімічного недопалу та зростання викидів чадного газу. Також зазначено, що для збереження номінальної теплової потужності агрегатів необхідно пропорційно збільшувати витрату низькокалорійного палива, що кардинально змінює гідродинаміку потоків палива та окисника. Для подолання вказаних труднощів обґрунтовано доцільність застосування вітчизняної розробки універсальної струменево-нішевої технології горіння. Завдяки значному досвіду успішного промислового впровадження зазначеної технології горіння, напрацьовано значний практичний потенціал щодо подальшого розвитку технології в аспекті розширення можливої паливної бази для пальників струменево-нішевого типу, у тому числі альтернативних палив. З метою практичного підтвердження гіпотез було створено спеціалізований експериментальний стенд, який дозволяє виконувати багатоваріантні натурні вогневі дослідження. Завдяки цьому вдалося детально вивчити вплив режимних і конструктивних параметрів системи на загальну характеристику робочого процесу пальників. Глибокий аналіз умов аеродинамічної стабілізації полум'я забезпечив надійне теоретичне підґрунтя для вдосконалення вогнетехнічного устаткування. Зібрані експериментальні дані слугують надійним фундаментом для розробки комплексних інженерних рекомендацій щодо переведення існуючих котлів на біогаз із забезпеченням високих енергетичних та екологічних показників устаткування. Другий розділ містить розгорнутий опис експериментальної бази, зокрема детальну схему лабораторної установки, а також вичерпну методологію виконання досліджень і подальшого аналізу результатів. Основна увага в цій частині зосереджена на апаратному забезпеченні експерименту, зокрема на конструктивних особливостях розробленого адаптивного пальникового модуля, який дозволяв оперативно змінювати геометричні параметри паливних колекторів. Крім того, наведено повний перелік задіяного контрольно-вимірювального устаткування, визначено специфіку підготовки приладів та описано базові умови проведення вогневих випробувань. Під час проведення експериментальних робіт здійснювалася безперервна реєстрація ключових параметрів: температур і тисків повітряного потоку перед входом до робочої зони, витратних характеристик газових сумішей, а також розподілу температур продуктів згоряння як уздовж факела, так і на виході з камери. Особливе значення мало фіксування витрат реагентів на межах стабільного горіння, зокрема під час запалювання та на зривних режимах. Для контролю емісійних показників, таких як концентрації оксидів азоту, чадного та вуглекислого газів, застосовувався сучасний газоаналізатор ОКСИ 5М-5Н. Важливе місце в розділі відведено детальній характеристиці методу газової хроматографії з використанням комплексу Газохром 3101, що дозволило дослідити особливості вигоряння горючих компонентів палива по довжині факела. Також у розділі викладено алгоритм математичної обробки отриманого масиву експериментальних даних. Важливим етапом стала детальна оцінка похибок вимірювального комплексу. Зокрема, було проаналізовано інструментальні похибки визначення швидкостей повітряного потоку, температурних полів та концентрацій токсичних речовин у відхідних газах, що беззаперечно підтверджує високу достовірність та надійність результатів дисертаційного дослідження. Третій розділ дисертації присвячено детальному аналізу результатів вогневих випробувань процесу спалювання біогазу в умовах застосування струменево-нішевої технології. У цій частині дослідження, на основі отриманих експериментальних даних, вперше побудовано та систематизовано графіки зривних характеристик для паливних сумішей із різною часткою діоксиду вуглецю. Як підтверджують наведені в роботі залежності, збільшення концентрації баласту до 50 відсотків очікувано призводить до відчутного звуження меж стабільного горіння, скорочуючи загальний робочий діапазон пальника у 1,8-2,2 рази. Водночас, згідно з результатами випробувань різних конфігурацій паливних колекторів, виявлено ефективний компенсаторний механізм: оптимізація геометрії шляхом зменшення відносного кроку газоподавальних отворів дозволяє розширити межі стійкого запалювання у 1,5-1,7 рази порівняно з базовими моделями. Значну увагу приділено вивченню гідродинамічної структури факела. Відповідно до проведених розрахунків та візуальних спостережень, описаних у тексті, встановлено, що при переході на забаластоване паливо параметр взаємодії струменів стрімко зростає у 2,8 рази. Такий стрибок, як доведено в дисертації, суттєво збільшує глибину проникнення паливних струменів у зносний потік повітря, що максимально інтенсифікує процеси турбулентного мікродифузійного сумішоутворення та ефективно нівелює негативний вплив низької реакційної здатності біогазу. Ці процеси також супроводжуються зафіксованим в ході дослідів скороченням візуальної довжини факела та локальним зростанням температури відхідних газів. Окремим вагомим блоком у фінальній частині третього розділу представлено результати дослідження екологічних характеристик робочого процесу. Експериментальні залежності підтверджують наявність чіткого зворотного зв'язку між емісією чадного газу та генерацією оксидів азоту. Зафіксовано та обґрунтовано, що наявність від 30 до 50 відсотків діоксиду вуглецю у вихідному паливі виконує функцію потужного інертного розбавника, який забезпечує теплове пригнічення реакцій утворення токсичних азотних сполук. У результаті, як свідчать дані газового аналізу, в цільовому експлуатаційному діапазоні коефіцієнтів надлишку повітря від 1,15 до 1,25 вдалося досягти зниження емісії оксидів азоту до екологічно безпечного рівня 20-22 ppm. Четвертий розділ містить результати розрахунково-теоретичних досліджень, виконаних із застосуванням методів обчислювальної гідродинаміки (CFD). Для детального вивчення просторової аеродинаміки та теплових полів у камері згоряння розроблено тривимірну чисельну модель у програмному комплексі ANSYS Fluent на базі спрощеної одностадійної моделі глобального окиснення (Eddy Dissipation). Адекватність застосованих алгоритмів підтверджено шляхом верифікації чисельної моделі на основі даних вогневого стенда. Порівняльний аналіз показав задовільну точність прогнозування макропараметрів: розбіжність за температурою відхідних газів не перевищила 5 °C. Оскільки при спалюванні забаластованого палива температури не досягають критичного порогу для інтенсивного генерування термічних NOx (понад 1800 К), до розрахунку було додатково залучено підмодель утворення «швидких» оксидів азоту (Prompt NOx). Такий фізично обґрунтований підхід забезпечив точність оцінки емісії (43 ppm розрахункових проти 42 ppm натурних), що підтверджує надійність розробленої чисельної моделі як інструменту для оцінки загальних трендів при подальшому промисловому масштабуванні. На базі верифікованої моделі виконано масштабування розроблених технологічних рішень на промисловий водогрійний котел серії ВК-32. Враховуючи особливості застосованої одностадійної моделі (Eddy Dissipation), яка базується на швидкості змішування реагентів і не призначена для точного розрахунку хімічного недопалу, оцінка роботи котельного агрегату здійснювалася за умови протікання режимів з мінімальним рівнем недопалу. Відповідно, ключовим маркером ефективної роботи пальника виступав гідродинамічний параметр взаємодії струменів. Встановлено, що при переведенні на біогаз із вмістом діоксиду вуглецю до 30 % цей показник зростає до 31,3. Це свідчить про інтенсивне турбулентне змішування, яке суттєво нівелює вплив низької калорійності палива. Крім того, результати просторового чисельного моделювання дозволили оцінити наявну конструкцію пальника: підтверджено, що існуюча відстань між модулями та загальна площа поперечного перетину для проходу повітря є достатніми для запобігання злиттю паливних струменів і забезпечення їх рівномірної роздачі в повітряному потоці. Аналіз екологічних характеристик також підтвердив доцільність запропонованих рішень. Отримані дані щодо емісії оксидів азоту мають оцінковий характер і відображають стійкий тренд: використання забаластованого палива забезпечує прогнозоване зниження викидів NOx приблизно на 44 % (з індикативним виходом на рівень 23 ppm при надлишку повітря 1,18). Водночас теплотехнічні показники залишаються стабільними: розрахункова температура димових газів на виході зросла лише на 6 °C і становить 158 °C. У висновках наведено загальні підсумки дисертаційної роботи. Доведено, що впровадження адаптованих пальникових пристроїв струменевонішевого типу є надійним та перспективним інструментом для переведення об'єктів комунальної енергетики на альтернативні види палива з одночасним дотриманням жорстких екологічних стандартів.
Опис
Ключові слова
біогаз, котли, оксиди азоту, відновлювані джерела енергії, енергоефективність, струменево-нішева технологія, пальниковий пристрій, горіння, CFD-моделювання, водогрійний котел, альтернативні палива, стабілізація полум'я, діоксид вуглецю, пальники, biogas, boilers, nitrogen oxides, renewable energy sources, energy efficiency, jet-niche technology, burner device, combustion, CFD modeling, hot water boiler, alternative fuels, flame stabilization, carbon dioxide, burners
Бібліографічний опис
Дульський, А. І. Покращення екологічних показників водогрійних котлів при спалюванні біогазу на основі струменево-нішевої технології : дис. … д-ра філософії : 144 Теплоенергетика / Дульський Антон Іванович. – Київ, 2026. – 173 с.