Research of the working process of water-tube/fire-tube boilers operating on biogas
DOI:
https://doi.org/10.31498/2225-6733.50.2025.336329Keywords:
biogas, VK-32 boiler, CFD modeling, NOx emissions, burner adaptationAbstract
The transition to sustainable energy sources is of critical importance in the context of global climate change, geopolitical instability in fuel supply, and the depletion of fossil energy resources. Biogas, produced through the anaerobic decomposition of organic matter, is considered a promising renewable alternative to natural gas in low-temperature heating systems. However, its variable composition, reduced calorific value, and high carbon dioxide content create significant technical limitations for its use in conventional burner equipment. These factors necessitate a comprehensive evaluation of the capability of existing boiler systems to operate effectively under conditions of fuel substitution. The article is dedicated to the analysis of the main operational challenges arising during the combustion of biogas in thermal energy systems. Issues related to flame stability, thermal efficiency, and emission control are examined. The study evaluates the substitution of natural gas with biogas under conditions close to real operation. Particular attention is paid to the influence of the physico-chemical properties of the fuel on combustion behavior and heat transfer efficiency. Computational fluid dynamics (CFD) methods are applied to model the thermochemical processes occurring within the combustion chamber of a fire-tube boiler. The study includes an assessment of the temperature field, fuel–air mixture interaction, and the formation of pollutants, particularly nitrogen oxides. The role of burner geometry in maintaining stable combustion during the transition to biogas is determined. The hydrodynamic behavior of fuel jets is investigated to assess their impact on flame stability and propagation. The influence of CO₂ dilution in the fuel mixture on temperature gradients and heat transfer processes is analyzed, as it may potentially lead to reduced efficiency. The interaction of fuel and oxidizer flows is discussed to evaluate jet penetration and mixing quality under varying fuel compositions. As a result, the possibility of adapting conventional thermal equipment to operate on renewable gaseous fuels is substantiated. A numerical approach to modeling the combustion process of biogas in a VK-32 boiler is proposed, which can be adapted for simulating heat exchange processes in similar types of fire-tube hot water boilers
References
Дульський А.І., Сторожук М.С. Альтернативні палива в енергетиці, проблеми та перспективи. Вчені записки ТНУ імені В.І. Вернадського. Серія: Технічні науки. 2023. Т. 34(73), № 5. С. 300-309. DOI: https://doi.org/10.32782/2663-5941/2023.5/46.
Особливості синтезу системи виробництва і спалювання біогазу на спиртзаводі / Боднар Л.А., Денесяк Д.І., Іщенко К.О., Лукьянец А.С. Сучасні технології,матеріали і конструкції в будівництві. 2009. Вип. 25, № 2. С. 145-151. DOI: https://doi.org/10.31649/2311-1429-2018-2-145-151.
Biogas production – A review on composition, fuel properties, feed stock and principles of anaerobic digestion / B. Bharathiraja et al. Renewable and sustainable Energy reviews. 2018. Vol. 90(April). Pp. 570-582. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.03.093.
Колієнко А.Г., Крошка О.В. Горючий газ й ефективність його використання в Україні: основні проблемні питання. Ч. 2. URL: https://bizagro.com.ua/goryuchyj-gaz-j-efektyvnist-jogo-vykorystannya-v-ukrayini-osnovni-problemni-pytannya-2/ (дата звернення: 15.04.2025).
Бондар Л.А., Куленко О.О. Особливості спалю-вання суміші газів в промислових теплогенеруючих установках. Матеріали LIІ науково-технічної конференції підрозділів ВНТУ, м. Вінниця, 21-23 червня 2023 р. С. 1-3.
Абдулін М.З., Горбань К.С., Сірий О.А. Взаємозв’язок робочого процесу пальникового пристрою на основі струменево-нішової технології спалювання газу з екологічними аспектами роботи вогнетехнічних об’єктів. Теплофізика та теплоенергетика. 2019. Вип. 41(3). С. 63-69. DOI: https://doi.org/10.31472/ttpe.3.2019.9.
Сірий О.А., Кобилянська О.О. Шляхи покра-щення сталості горіння в стабілізаторних елементах прямоточних пальникових систем. Вчені записки ТНУ імені В.І. Вернадського. Серія: Технічні науки, 2023, т. 34(73), № 5. С. 310-315. DOI: https://doi.org/10.32782/2663-5941/2023.5/47.
Абдулін М.З., Сірий О.А. Дослідження сталості процесу горіння у струменево-нішевій системі спалювання палива. Вчені записки ТНУ імені В.І. Вернадського. Серія: Технічні науки. 2018. Т. 29(68), № 1(2). С. 55-60.
Технічні характеристики Котла сталевого водогрійного КСВа-2,5 «ВК-32». URL: https://megavat.com.ua/products/kotly-vodogrijni/kotly-stalevi-vodogrijni-ksva-vk-32/ksva-2-5-vk-32/ (дата звернення: 10.03.2025).
Токарчук Д.М., Пришляк Н.В., Паламаренко Я.В. Перспективи використання відходів рослинництва на виробництво біогазу в Україні. Агросвіт. 2020, Вип. 22. С. 51-57. DOI: https://doi.org/10.32702/2306-6792.2020.22.51.
Impact of P-1 radiation model on simulated free jet flame characteristics of gaseous fuels: CFD with PDF approach / H.F. Elattar et al. Thermal Science. Vol. 27, no. 5B. Pp. 3921-3938. DOI: https://doi.org/10.2298/TSCI230109038E.
Noor M., Wandel A., Yusaf T. Detail guide for CFD on the simulation of biogas combustion in bluff-body mild burner. Proceedings of the 2nd International Conference on Mechanical Engineering Research (ICMER 2013), Pahang, Malaysia, July 1-4, 2013. Pp. 1-25.
Дульський А.І., Сірий О.А. CFD-Моделювання процесу спалювання суміші метан-біогаз у струменево-нішевому стабілізаторі полум’я. Вчені записки ТНУ імені В.І. Вернадського. Серія: Технічні науки. 2024. Т. 35(74), № 5. С. 6-12. DOI: https://doi.org/10.32782/2663-5941/2024.5.2/02.
Mordaunt C.J., Pierce W.C. Design and preliminary results of an atmospheric-pressure model gas turbine combustor utilizing varying CO2 doping concentration in CH4 to emulate biogas combustion. Fuel. 2014. Vol. 124. Pp. 258-268. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2014.01.097.
The role of dilution level and canonical configuration in the modeling of MILD combustion systems with internal recirculation / G. Ceriello et al. Fuel. 2020. Vol. 264. Article 116840. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.116840.
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
The journal «Reporter of the Priazovskyi State Technical University. Section: Technical sciences» is published under the CC BY license (Attribution License).
This license allows for the distribution, editing, modification, and use of the work as a basis for derivative works, even for commercial purposes, provided that proper attribution is given. It is the most flexible of all available licenses and is recommended for maximum dissemination and use of non-restricted materials.
Authors who publish in this journal agree to the following terms:
1. Authors retain the copyright of their work and grant the journal the right of first publication under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). This license allows others to freely distribute the published work, provided that proper attribution is given to the original authors and the first publication of the work in this journal is acknowledged.
2. Authors are allowed to enter into separate, additional agreements for non-exclusive distribution of the work in the same form as published in this journal (e.g., depositing it in an institutional repository or including it in a monograph), provided that a reference to the first publication in this journal is maintained.
