Дослідження теплотехнічних та екологічних характеристик котла типу ГМ-50 (Е-50-3,9-440ГМ) при роботі на біогазі

Олександр Баранюк; Артур Рачинський; Олексій Пікенін; Олег Білецький

doi:10.20998/2078-774X.2026.01.03

Автор(и)

Олександр Баранюк Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0003-0610-1403
Артур Рачинський Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна http://orcid.org/0000-0001-6622-1517
Олексій Пікенін Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0003-2602-4708
Олег Білецький Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0001-8513-6553

DOI:

https://doi.org/10.20998/2078-774X.2026.01.03

Анотація

У статті вирішено актуальну науково-практичну задачу щодо обґрунтування технічної можливості та екологічної доцільності переведення парових котлів середньої потужності типу ГМ-50 (Е-50-3,9-440ГМ) на альтернативні види газоподібного палива. Актуальність дослідження зумовлена необхідністю виконання вимог Директиви 2010/75/ЄС та Наказу Мінприроди № 541 щодо суттєвого зниження викидів забруднюючих речовин в умовах вичерпання розрахункового ресурсу парку котельного обладнання України. Метою роботи є встановлення закономірностей зміни теплотехнічних, екологічних та термомеханічних показників котла ГМ-50-1 при диверсифікації паливної бази та роботі на змінних навантаженнях. Методологія дослідження базується на використанні методів обчислювальної гідродинаміки (CFD) у програмному комплексі ANSYS. Для апроксимації топочного простору використано гібридну скінченно-елементну сітку з високою щільністю розбиття вузлів у зоні активного горіння (Relevance Center “Fine”). Моделювання проведено для штатних вихрових пальників ГМГ-5.5 із застосуванням моделі турбулентно-хімічної взаємодії Eddy-Dissipation Concept (EDC), що дозволило врахувати детальну кінетику реакцій окиснення багатокомпонентного біогазу. Наукова новизна отриманих результатів полягає у виявленні механізмів впливу баластного вуглекислого газу на структуру факела та інтенсивність теплообміну. Встановлено, що спалювання біогазу призводить до зниження пікових температур у паливні на 100 °C – 150 °C та «розмиття» ядра горіння, що забезпечує стабільне пригнічення термічного механізму утворення оксидів азоту (NO_x). Виявлено, що попри зниження температури факела, підвищений вміст трьохатомних газів у продуктах згоряння інтенсифікує радіаційну складову теплообміну, забезпечуючи рівномірний розподіл локальних теплових потоків на екрани. Практична цінність роботи полягає у розробці верифікованої моделі, яка дозволяє прогнозувати термомеханічну надійність та залишковий ресурс барабанів-сепараторів котлів ГМ-50 при зміні паливної бази, забезпечуючи «м’який» тепловий режим роботи поверхонь нагріву.

Посилання

(2014), Ugoda pro asociaciju mizh Ukrai'noju, z odnijei' storony, ta Jevropejs'kym Sojuzom, Jevropejs'kym spivtovarystvom z atomnoi' energii' i i'hnimy derzhavamy-chlenamy [Association Agreement between the European Union and its Member States, of the one part, and Ukraine, of the other part], no. 1678-VII, Ukraine, Access mode: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/984_011#Text (accessed 23 April 2026).
Ministry of Environmental Protection of Ukraine (2008), Pro zatverdzhennja tehnologichnyh normatyviv dopustymyh vykydiv zabrudnjujuchyh rechovyn iz teplosylovyh ustanovok, nominal'na teplova potuzhnist' jakyh perevyshhuje 50 MVt [On approval of technological standards of allowable emissions of pollutants from thermal power plants with a nominal thermal capacity exceeding 50 MW], no. 541, Ukraine, Access mode: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/z1110-08 (accessed 23 April 2026).
Sapehin O., Heletukha H. et al. (2021), Analysis of the development of renewable energy sources in Ukraine until 2050: report, Kyiv, Ukraine.
(2015), “Directive (EU) 2015/2193 of the European Parliament and of the Council of 25 November 2015 on the limitation of emissions of certain pollutants into the air from medium combustion plants”, Official Journal of the European Union, Ukraine, Access mode: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/984_022-15#Text%C2%A0 (accessed 23 April 2026).
Lavrentsov, E. M., Sigal I. Ya., Smikhula A. V., Dombrowska E. P., Kernazhytska O. S., Marasin O. V. (2019), “Experience of Development, Implementation and Modernization of Hot Water Supply Boilers with Dual-Screens and the Slot Bottom Burners”, Energy Technologies & Resource Saving, no. 3, pp. 17–26. https://doi.org/10.33070/etars.3.2019.02.
Szkarowski A., Janta-Lipińska S., Gawin R. (2016), “Obniżenie emisji tlenków azotu z kotłów DKVR”, Annual Set The Environment Protection, vol. 18, no. 1, pp. 565–578, ISSN 1506-218X, Access mode: https://sdr.tu.koszalin.pl/info/article/KUT40c8e2c5c27e45df926faa1a1012dbd9/ (accessed 23 April 2026).
Smikhula A. V., Sigal I. Ya., Marasin O. V., Horbunov O. V. (2025), “Reducing nitrogen oxidesemissions at gas combustionin existing high-capacity boilers”, Energy Technologies & Resource Saving, vol. 85, no. 4, pp. 127–136, https://doi.org/10.33070/etars.4.2025.09ISSN 2413-7723.
(2026), ANSYS: The Best Tools for Engineering Calculations, Access mode: https://www.ansys.soften.com.ua (accessed 23 April 2026).
Aspden, A. J., Day M. S., Bell J. B. (2016), “Three-dimensional direct numerical simulation of turbulent lean premixed methane combustion with detailed kinetics”, Combustion and Flame, vol. 166, pp. 266–283. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2016.01.027.
Haiou W., Hawkes E. R., Savard B., Jacqueline H. C. (2018), “Direct numerical simulation of a high Ka CH4/air stratified premixed jet flame”, Combustion and Flame, Vol. 193, PP. 229–245, https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2018.03.025.
Chen W., Liu G. (2015), “Numerical Investigation on the Flow, Combustion and NOx Emission Characteristics in a 10 MW Premixed Gas Burner”, The Open Fuels & Energy Science Journal, vol. 8, is. 1, pp. 1–13, Access mode: https://scispace.com/papers/numerical-investigation-on-the-flow-combustion-and-nox-3liaio4a7j (accessed 23 April 2026).
Trisjono P., Kleinheinz K., Pitsch H., Kang S. (2014), “Large Eddy Simulation of Stratified and Sheared Flames of a Premixed Turbulent Stratified Flame Burner Using a Flamelet Model with Heat Loss”, Flow, Turbulence and Combustion, vol. 92, pp. 201–235, https://doi.org/10.1007/s10494-013-9522-4.
Shang X., Xie J., Chen J., Gu Y. (2024), “Numerical Study on Combustion Characteristics of Biogas Cocombustion in a 300MW Coal-Fired Boiler Furnace”, ACS Omega, vol. 9, is. 18, pp. 20378–20387, https://doi.org/10.1021/acsomega.4c00885.
Hosseini S. E., Wahid M. A. (2014), “Development of biogas combustion in combined heat and power generation”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 40, pp. 868–875, https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.07.204.
Ertesvåg I. S., Madejski P., Ziółkowski P., Mikielewicz D. (2023), “Exergy analysis of a negative CO2 emission gas power plant based on water oxy-combustion of syngas from sewage sludge gasification and CCS”, Energy, vol. 278, paper no. 127690, https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.127690.
Noor M. M., Wandel A. P., Yusaf T. (2013), “Design and Development of MILD Combustion Burner”, Journal of Mechanical Engineering and Sciences, vol. 5, is. 1, pp. 662–677, https://doi.org/10.15282/jmes.5.2013.13.0064.
Siri V., Kitisomkiat P., Thiemsakul D., Feng Y., Pumchumpol T., Prukmahachaikul S., Chalermsinsuwan B., Piumsomboon P. (2025), “Biogas Feeding Position for Co-Firing with Biomass in Bubbling Fluidized Bed Boiler using Computational Fluid Dynamics”, CFD Letters, vol. 17, no. 6, pp. 69–80, https://doi.org/10.37934/cfdl.17.6.6980.