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 метана60 % 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 рассекателемНа 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 составляет431 °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 ммТаким 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 ммВ 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% метанаИз 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.