energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2026-69-2-156-166energy-2551Research ArticleТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАНEAT POWER ENGINEERINGЭффективность сжигания природного газа на объекте малой энергетики⁎Efficiency of Natural Gas Combustion at a Small Power Facility*ЛюбовВ. К.LyubovV. K.

г. Архангельск

Arkhangelsk

ПоповА. Н.PopovA. N.

Адрес для переписки:Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносованаб. Северной Двины, 17,163002, г. Архангельск, Российская ФедерацияТел.: +7 (8182) 21-61-75a.n.popov@narfu.ru

Address for correspondence:Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov17, Northern Dvina Emb.,163002, Arkhangelsk, Russian FederationTel.: +7 (8182) 21-61-75a.n.popov@narfu.ru

a.n.popov@narfu.ruВласовА. А.VlasovА. А.

г. Архангельск

Arkhangelsk

Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. ЛомоносоваРоссияNorthern (Arctic) Federal University named after M. V. LomonosovRussian Federation202607042026692156166Copyright © Любов В.К., Попов А.Н., Власов А.А., 20262026Любов В.К., Попов А.Н., Власов А.А.Lyubov V.K., Popov A.N., Vlasov А.А.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2551

С развитием технологий и ростом населения на нашей планете увеличивается потребление энергетических ресурсов. Растущий темп потребления ресурсов и их нерациональное использование ведут к быстрому истощению ископаемого топлива. В связи с этим проведено комплексное исследование эффективности использования природного газа на объектах малой энергетики в водогрейных котлах GKS-Dynatherm-3200 и GKS-Dynatherm-1100. Проведены промышленно-эксплуатационные испытания, определены тепловые потери при работе оборудования, полнота сжигания природного газа, исследован состав сжигаемого топлива, определены концентрация, размер и форма твердых частиц в дымовых газах с помощью электронного растрового микроскопа Zeiss SIGMA VP. Результаты испытаний показали, что горелочные устройства водогрейных котлов обеспечивают подготовку воздушно-топливной смеси высокого качества, что дает возможность организовать топочный процесс с минимальным избытком воздуха. Выявлено, что при увеличении доли кислорода в топочной камере котла GKS-Dynatherm-1100 до 3,7–5,35 % наблюдается повышение эмиссии NOx и СО. Несмотря на высокие теплотехнические показатели, даже в процессе сжигания природного газа в топочных устройствах котлоагрегатов топливный углерод выпадает в виде сажи. При исследовании содержания твердых частиц в уходящих дымовых газах выявлено, что преобладают частицы размером от 1 до 5 мкм. При этом более 95 % частиц имеют форму, близкую к сферической. Частиц размером 20 мкм и более в уходящих газах намного меньше, однако их суммарная масса доминирует в валовых выбросах твердых частиц. Эмиссия твердых частиц при работе водогрейного котла GKS-Dynatherm-3200 с нагрузкой 1,73 МВт составила 0,17 мг/МДж. В ходе проведенных промышленно-эксплуатационных испытаний установлено, что оборудование котельной имеет высокие энергоэкологические показатели работы и резерв для их дальнейшего повышения.

With the development of technology and population growth, the consumption of energy resources on our planet is increasing. The increasing rate of resource consumption and their irrational use lead to the rapid depletion of fossil fuels. In this regard, a comprehensive study of the efficien-cy of using natural gas at small power facilities in water heating boilers GKS-Dynatherm-3200 and GKS-Dynatherm-1100 was carried out. Industrial and operational tests were fulfilled, heat losses during operation of the equipment and the completeness of natural gas combustion were determined, the composition of the fuel burned was investigated, the concentration, size and shape of solid particles in flue gases were determined using a Zeiss SIGMA VP electron scanning microscope. The test results showed that the burner devices of hot water boilers provide the preparation of a high-quality air-fuel mixture, which makes it possible to organize the combustion process with a minimal excess of air. It was found out that with an increase in the proportion of oxygen in the combustion chamber of the GKS-Dynatherm-1100 boiler to 3.7–5.35 %, an increase in NOx and CO emissions is observed. Despite the high thermal performance, even during the combustion of natural gas in the combustion devices of boiler units, fuel carbon is released in the form of soot. When studying the content of solid particles in exhaust flue gases, it was found that particles with a size from 1 to 5 microns predominate. At the same time, more than 95 % of the particles have a shape close to spherical. Particles of 20 microns or more in the exhaust gases are much smaller, however, their total mass dominates the gross emissions of particulate matter. The emission of particulate matter during operation of the GKS-Dynatherm-3200 water heating boiler with a load of 1.73 MW was 0.17 mg/MJ. During the conducted industrial and operational tests, it was found that the boiler house equipment has high energy-ecological performance and has potential for further improvement.

высококачественное топливогазоиспользующее оборудованиеэффективность сжиганияпотери теплотывредные веществаhigh-quality fuelgas-using equipmentcombustion efficiencyheat lossharmful substancesИсследование, приведшее к этим результатам, финансировалось за счет средств Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, проект FSRU-2024–0007. ⁎ Авторы выражают благодарность сотрудникам ЦКП НО «Арктика» за проведение исследований на электронном микроскопе Zeiss SIGMA VP.ReferencesЛетягина, Е. Н. Текущая оценка и прогнозы производства и потребления топливно-энергетических ресурсов в мире / Е. Н. Летягина // Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. 2010. № 3 (1). С. 249–252.Letyagina E. N. (2010) Current Estimates and Forecasts of Production and Consumption of Fuel and Energy Resources in the World. Vestnik of Lobachevsky University of Nizhni Novgorod, (3), 249–252 (in Russian).Вазим, А. А. Мировое потребление первичных энергоносителей: основные тенденции во втором десятилетии / А. А. Вазим // Векторы благополучия: экономика и социум. 2020. № 3 (38). С. 75–97. https://doi.org/10.18799/26584956/2020/3(38)/1044Vazim A. A. (2020) Global Primary Energy Consumption: The Main Trends in the Second Decade of the XXI Century. Journal of Wellbeing Technologies, (3), 75–97 (in Russian). https://doi.org/10.18799/26584956/2020/3(38)/1044Основы государственной политики в области экологического развития Российской Федерации на период до 2030 г.: утв. Президентом Рос. Федерации 30.04.2012. URL: http://www.kremlin.ru/events/president/news/15177.Fundamentals of State Policy in the Field of Environmental Development of Russia for the Period up to 2030: Approved by the President of the Russian Federation 30.04.2012. Available at: http://www.kremlin.ru/events/president/news/15177 (in Russian).Артамонов, Г. Е. Экологическая оценка объектов тепловой энергетики по влиянию на экологические услуги депонирования углерода локальными наземными экосистемами / Г. Е. Артамонов, И. И. Васенев, В. А. Гутников // Проблемы региональной экологии. 2019. № 6. С. 125–132.Artamonov G. E., Vasenev I. I., Gutnikov V. A. (2019) Environmental Evaluation of Thermal Energy Facilities Influence on Ecological Services of Carbon Deposition by Local Terrestrial Ecosystems. Problemy regional'noi ekologii [Regional Environmental Issues], (6), 125–132 (in Russian).Соловьянов, А. А. Климат, Российская энергетика, парижское соглашение / А. А. Соловьянов // Энергетическая политика. 2017. № 4. С. 48–54.Soloviyanov A. А. (2017) Climate, Russian Energy Sector, Paris Agreement. Energeticheskaya politika [Energy Policy], (4), 48–54 (in Russian).Белоусов, В. Н. Топливо и процессы горения: учеб. пособие / В. Н. Белоусов, С. Н. Смородин, В. Д. Цимбал. 1-е изд. СПб.: ВШТЭ СПбГУПТД, 2020. 148 с.Belousov V. N., Tsimbal V. D. (2020) Fuel and Combustion Processes. 1st ed. St. Petersburg: HSTPE SPbSUITD. 148 (in Russian).Афанасьев, В. Я. Перспективы углеводородной энергетики в России в условиях санкционного давления / В. Я. Афанасьев, В. М. Краев, А. И. Тихонов // Уголь. 2023. № 6. С. 43–47. https://doi.org/10.18796/0041-5790-2023-6-43-47Afanasiev V. Ya., Kraev V. M., Tikhonov A. I. (2023) Prospects for Hydrocarbon Energy in Russia under Sanctions Pressure. Ugol’, (6), 43–47 (in Russian). https://doi.org/10.18796/0041-5790-2023-6-43-47Результаты опытно-эксплуатационного сжигания водоугольного топлива в водогрейном котле малой мощности / С. В. Алексеенко, Л. И. Мальцев, А. Р. Богомолов [и др.] // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2017. № 12. С. 16–29.Alekseenko S. V., Maltsev L. I., Bogomolov A. R., Chernetskiy M. Yu., Kravchenko I. V., Kravchenko A. I., Lapin D. A., Shevyrev S. A., Lyrshchikov S. Yu. (2017) Results of Pilot-Operating Combustion of Coal-Water Fuel in a Low-Capacity Hot Water Boiler. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 328 (12), 16–28 (in Russian).Вавилова, П. С. Виды топлива и его использование / П. С. Вавилова, М. М. Мишин, М. Н. Мишина // Наука и образование. 2022. Т. 5, № 2. Ст. № 210.Vavilova P. S., Mishin M. M., Mishina M. N. (2022) Types of Fuel and Its Use. Nauka i obrazovaniye [Science and Education], 5 (2), 210 (in Russian).Пономарева, А. А. Топливно-энергетические ресурсы: учеб. пособие / А. А. Пономарева, Е. О. Самуйлова, А. В. Лесных. СПб.: Университет ИТМО, 2021. 107 с.Ponomareva A. A., Samuilova E. O., Lesnykh A. V. (2021) Fuel and Energy Resources. SPb, ITMO University. 107 (in Russian).Жила, В. А. Газоснабжение / В. А. Жила. М.: Изд-во АСВ, 2014. 368 с.Zhila V. A. (2014) Gas Supply. Moscow, ASB Publishing House. 368 (in Russian).Лесных, А. В. Анализ экологического эффекта перевода Владивостокской ТЭЦ-2 на сжигание природного газа / А. В. Лесных, Д. А. Пазников // Вестник инженерной школы ДВФУ. 2017. № 3 (32). С. 72–80.Lesnykh A., Paznikov D. (2017) Analysis of the Environmental Effect of Converting Vladivostok CHPP-2 to Natural Gas Combustion. Vestnik Inzhenernoi shkoly DVFU = FEFU: School of Engineering Bulletin, (3), 72–80 (in Russian).Гафаров, А. Х. Мониторинг вредных выбросов при сжигании природного газа по выработке тепловой энергии в районах РТ / А. Х. Гафаров, Л. И. Лаптева // Вестник Казанского технологического университета. 2010. № 3. С. 463–466.Gafarov A. H. Lapteva L. I. (2010) Monitoring of Harmful Emissions from Natural Gas Combustion for Thermal Energy Generation in the Regions of the Republic of Tatarstan. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta, (3), 463–466 (in Russian).Мунц, В. А. Горение и газификация органических топлив / В. А. Мунц, Е. Ю. Павлюк. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2019. 148 с.Munts V. A., Pavlyuk E. Yu. (2019) Combustion and Gasification of Organic Fuels. Yekaterinburg, Ural University Publishing House. 148 (in Russian).Котельные установки и парогенераторы / А. В. Лесных, К. А. Штым, А. А. Глазебная, М. В. Упский. Владивосток: Изд-во Дальневост. федерал. ун-та, 2021. 127 с.Lesnykh A.V., Shtym K. A., Glazebnaya A. A., Upsky M. V. (2021) Boiler Installations and Steam Generators. Vladivostok, Publishing House of the Far Eastern Federal University. 127 (in Russian).Белоусов, В. Н. Основы сжигания газа: учеб. пособие / В. Н. Белоусов, О. С. Смирнова, С. Н. Смородин. СПб., 2009. 41 с.Belousov V. N., Smirnova O. S., Smorodin S. N. (2009) Fundamentals of Gas Combustion. 1st ed. St. Petersburg. 41 (in Russian).Любов, В. К. Повышение эффективности энергетического использования биотоплив: учеб. пособие / В. К. Любов, С. В. Любова. 2-е изд., перераб. и доп. Архангельск: САФУ, 2017. 533 с.Lyubov V. K., Lyubova S. V. (2017) Improving the Efficiency of Energy Use of Biofuels. Arkhangelsk, NArFU. 533 (in Russian).Ивашкина, Е. Н. Технология переработки газа / Е. Н. Ивашкина, Е. М. Юрьев. М.: КНОРУС, 2024. 230 с.Ivashkina E. N., Iur'ev E. M. (2024) Gas Processing Technology. Moscow, KnoRus Publ. 230 (in Russian).Новиков, Ю. Н. Динамика изменений и современное состояние мировых запасов, добычи и потребления газа / Ю. Н. Новиков // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2013. № 1. URL: https://www.ngtp.ru/rub/6/14_2013.pdfNovikov Yu. N. (2013) Dynamics of Changes and the Current state of World Reserves, Production and Consumption of Gas. Neftegazovaya geologiya. Teoriya i praktika [Oil and Gas Geology. Theory and practice], 8 (1). Available at: https://www.ngtp.ru/rub/6/14_2013.pdf (in Russian).Бушуев, В. В. Учет факторов изменения климата при прогнозировании цен на природный газ в ЕС / В. В. Бушуев, Д. А. Соловьев // Окружающая среда и энерговедение. 2023. № 3. С. 16–33.Bushuev V. V., Solovyev D. A. (2023) Accounting for Climate Change Factors in Forecasting Natural Gas Prices in the EU. Journal of Environmental Earth and Еnergy Study (JEEES), (3), 16–33 (in Russian).Хаустов, С. А. Современные тенденции проектирования жаротрубных котлов / С. А. Хаустов, А. С. Заворин // Вестник науки Сибири. 2014. № 2 (12). С. 21–27.Khaustov S. A., Zavorin A. S. (2014) Modern Trends in the Design of Fire-Tube Boilers. Vestnik nauki Sibiri [Bulletin of Siberian Science], (2), 21–27 (in Russian).Интенсификация теплообмена винтовыми турбулизаторами потока / Р. Х. Зиятдинов, Ф. А. Галеев, Ю. Ф. Коротков, Б. С. Азизов // Вестник Казанского технологического университета. 2014. T. 17, № 22. С. 134–135.Ziyatdinov R. H., Galeev F. A., Korotkov U. F., Azizov B. S. (2014) Intensification of Heat Exchange by Screw Flow Turbulators. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta 17 (22), 134–135 (in Russian).Коротков, Ю. Ф. Трубчатые теплообменники с интенсификаторами потоков теплоносителей / Ю. Ф. Коротков, Г. Х. Гумерова, И. С. Докучаева // Вестник Казанского технологического университета. 2014. T. 17, № 22. С. 145–146.Korotkov Yu. F., Gumerova G. H., Dokuchaeva I. S. (2014) Tubular Heat Exchangers with Heat Transfer Flow Intensifiers. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta, 17 (22), 145–146 (in Russian).Котлы стационарные. Стальные конструкции. Общие технические условия: ГОСТ Р 56204–2014. Введ.01.09.2015. М.: Стандартинформ, 2015. 26 с.State Standart R 56204–2014. Stationary Boilers. Steel Structures. General Technical Conditions. Moscow, Standartinform Publ., 2015. 26 (in Russian).Артемов, И. Н. Обзор и анализ ВПУ, применяемых в блочно-модульных котельных / И. Н. Артемов, Д. В. Тиханкин, Д. С. Свиридова // Инновации и инвестиции. 2021. № 6. С. 180–183.Artemov I. N., Tikhankin D. V., Sviridova D. S. (2021) Review and Analysis of TLUs Used in Modular Boiler Houses. Innovation & Investment, (6), 180–183 (in Russian).Сорока, Б. С. Экологические характеристики современных систем бытового использования топлива. Ч. 1 / Б. С. Сорока, В. В. Горупа // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 4. С. 340–354. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-4-340-354Soroka B. S., Horupa V. V. (2020) Environmental Characteristics of Modern Systems of Domestic Use of Fuel. Part 1. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 63 (4), 340–354 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-4-340-354Сорока, Б. С. Экологические характеристики современных систем бытового использования топлива. Ч. 2: Образование вредных веществ при сжигании природного газа в атмосферных горелках: экспериментальные исследования / Б. С. Сорока, В. В. Горупа // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 5. С. 450–461. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-5-450-461Soroka B. S., Horupa V. V. (2020) Environmental Characteristics of Modern Systems of Domestic Use of Fuel. Part 2. Pollutants Formation by Natural Gas Combustion in Atmospheric Burners: Experimental Studies. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 63 (5), 450–461 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-5-450-461Любов, В. К. Теплотехнические испытания отопительных котельных при работе на торфяном топливе / В. К. Любов, Д. Г. Чухчин, А. Н. Попов // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2022. Т. 65, № 5. C. 422–435. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2023-65-5-422-435Lyubov V. K., Chukhchin D. G., Popov A. N. (2022) Thermal Engineering Tests of Heating Boiler Houses when Working on Peat Fuel. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 65 (5), 422–435 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2023-65-5-422-435Трембовля, В. И. Теплотехнические испытания котельных установок / В. И. Трембовля, Е. Д. Фингер, А. А. Авдеева. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1991. 416 с.Trembovlya V. I., Finger E. D., Avdeeva A. A. (1991) Thermal Engineering Tests of Boiler Installations. 2nd ed. Moscow, Energoatomizdat Publ. 416 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.