Горение органического топлива

ГОРЕНИЕ 
ОРГАНИЧЕСКОГО 
ТОПЛИВА

А.А. КУДИНОВ

Москва
ИНФРА-М
2021

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Допущено УМО вузов России по образованию 
в области энергетики и электротехники
в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки бакалавров 
13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника»

УДК 662.61(075.8)
ББК 31.35я73
 
K88

Кудинов А.А.
K88  
Горение органического топлива : учебное пособие / А.А. Кудинов. — 
Москва : ИНФРА-М, 2021. — 390 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/2886.

ISBN 978-5-16-009439-7 (print)
ISBN 978-5-16-100545-3 (online)
Приведены характеристики и изложены основы теории горения органических топлив, дан анализ кинетического и диффузионного горения газообразного топлива в ламинарном и турбулентном потоках, представлено 
описание конструкций котлоагрегатов и энергетических ГТУ, камер сгорания и горелочных устройств. Изложены методы расчета камеры сгорания 
ГТУ и газовых горелок. Представлены лабораторный практикум по газоснабжению и пример поверочного теплового расчета топки парового котла.
Для студентов энергетических вузов и специальностей, а также инженерно-технических работников тепловых электростанций и промышленных предприятий.

УДК 662.61(075.8)
ББК 31.35я73

Р е ц е н з е н т ы:
Печенегов Ю.Я., доктор технических наук, профессор, заведующий 
кафедрой машин и аппаратов химических производств Саратовского 
государственного технического университета;
Бирюк В.В., доктор технических наук, профессор, профессор кафедры теплотехники и тепловых двигателей Саратовского государственного аэрокосмического университета

ISBN 978-5-16-009439-7 (print)
ISBN 978-5-16-100545-3 (online)
© Кудинов А.А., 2015

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие предназначено для студентов энергетических

факультетов вузов, обучающихся по направлениям 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» (профили «Тепловые электрические
станции», «Технология воды и топлива на ТЭС и АЭС»), 13.03.03
«Энергетическое машиностроение» (профили «Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели», «Тепловые двигатели») в соответствии с содержанием дисциплины «Теория горения органического топлива» (72 ч аудиторных занятий, включая лекции, практику
и лабораторные занятия). Курс «Горение органического топлива»
является базовым в системе подготовки специалистов указанных
профилей.

Представленное читателю учебное пособие состоит из 11 глав. В

первой главе приведены характеристики органических топлив, дано
определение теплоты сгорания топлива. Во второй, третьей и четвертой главах достаточно подробно изложены основы теории горения твердых, жидких и газообразных топлив, топочных устройств
котлоагрегатов; приводятся данные по топливоснабжению, очистке
уходящих газов и золоудалению на ТЭС.

Описание конструкций котлоагрегатов и энергетических газо
турбинных установок (ГТУ) приведено в пятой и шестой главах пособия. Рассмотрены конструкции водогрейных и паровых котлов,
котлов-утилизаторов технологических и газотурбинных установок,
приведены принципиальные тепловые схемы ГТУ открытого типа,
дано описание конструкций современных энергетических ГТУ предприятий России и зарубежных фирм, представлены теплотехнические и энергетические параметры работы ГТУ.

В седьмой, восьмой и девятой главах рассмотрены конструкции

одно- и двухступенчатых камер сгорания (КС) ГТУ, горелочных устройств, применяемых для сжигания органических топлив в теплогенерирующих установках. Изложены характеристики и особенности

сжигания топлив в КС, приведены методики расчетов КС энергетической ГТУ и газовых горелок.

В десятой главе изложен лабораторный практикум по газоснаб
жению. Представлено описание семи лабораторных работ по исследованию режимов работы оборудования газорегуляторной установки, бытовых газовых приборов и определению теплофизических
свойств газа.

Отдельная глава посвящена тепловому расчету топки парового

котла, где изложен численный пример поверочного теплового расчета топки парового котла типа ТП-230 при работе на твердом топливе.

Предлагаемое читателю учебное пособие может быть использо
вано также при изучении ряда смежных дисциплин, таких как «Котельные установки и парогенераторы», «Энергетическое топливо»,
«Газотурбинные установки». Материал пособия изложен в наиболее
простой и доступной форме при сохранении научной строгости.
Большое внимание уделено физической трактовке рассматриваемых
процессов и их техническому приложению.

Предполагается, что читатель изучил курсы химии, физики, тео
ретической механики и математики, знаком с основами гидрогазодинамики и тепломассообмена.

Настоящее издание разработано на кафедре «Тепловые электри
ческие станции» Самарского государственного технического университета. Автор будет весьма благодарен за критические замечания и
пожелания, которые возникнут у читателя. Отзывы и пожелания просим направлять по адресу: 127282, Москва, Полярная ул., 31В, стр. 1,
ООО «Издательство ИНФРА-М».

ВВЕДЕНИЕ

Источником тепловой и электрической энергии служит органиче
ское
топливо (твердое, жидкое, газообразное), сжигаемое в теплоге
нерирующих установках (печах, паровых и водогрейных котлах, газотурбинных установках и др.).

С точки зрения экономических показателей наиболее выгодным

топливом является природный газ. Высокая теплотворная способность (

Ρ

Н
Q ≈ 35,6 МДж/м3), легкость транспортировки, отсутствие не
обходимости в подготовке к сжиганию и сравнительная простота автоматизации топочных процессов определяют высокие техникоэкономические показатели ТЭС и котельных, работающих на газе.
Газообразное топливо очень выгодно отличается от других видов
топлива также отсутствием в его составе серы и золы, при  его сжигании практически не загрязняется воздушный бассейн. Это позволяет
сооружать крупные ТЭЦ в больших городах, чем обеспечивается высокая экономичность теплоснабжения. Практическое отсутствие в
природном газе влаги, его высокая реакционная способность обеспечивают газовым котлам более высокую экономичность по сравнению
с котлами, работающими на жидком и твердом топливе.

В качестве жидкого топлива в промышленной энергетике исполь
зуется мазут – остаточный продукт переработки нефти. Мазут является высококалорийным топливом (

Ρ

Н
Q ≈ 40,5 МДж/кг), хотя и не об
ладает всеми преимуществами природного газа. Продукты переработки нефти, используемые в энергетике, как правило, содержат много парафина и серы (до 3% и более). Сжигание мазутов хотя и высокоэффективно, однако сопряжено с некоторыми трудностями, к которым в первую очередь следует отнести сооружение оборотных систем циркуляции, а также загрязнение липкими очаговыми остатками
поверхностей нагрева котлов и повышенную сернистую коррозию
хвостовых поверхностей нагрева. Во избежание разрушающего действия сернистой коррозии приходится усложнять котельные агрегаты
устройствами для предварительного подогрева воздуха с целью по

вышения температуры металла хвостовых секций воздухоподогревателей выше точки росы уходящих газов, которая при наличии в топливе серы резко повышается. Котельные, сжигающие сернистые мазуты, требуют сооружения высоких, дорогих газоотводящих труб.
Все это приводит к удорожанию ТЭЦ и котельных на мазуте, снижает
их экономические показатели по сравнению с установками, работающими на газе.

Характеристики твердых топлив изменяются в широких пределах

(для низкокалорийного топлива

Ρ

Н
Q
= 9,76 МДж/кг, для высококало
рийного

Ρ

Н
Q  = 28,4 МДж/кг). Изменение калорийности твердого топ
лива в основном зависит от содержания в нем золы и влаги. В твердом топливе в значительных количествах часто имеются также сернистые соединения. Использование твердого топлива сопряжено с
большими трудностями по сравнению с газообразными и жидкими
топливами и обходится значительно дороже. Балласт в твердом топливе резко увеличивает стоимость его перевозок. Прием и хранение
запасов угля, внутренний транспорт и подготовка его к сжиганию
(дробление, размол), организация процесса сжигания – все это намного сложнее и дороже, чем при сжигании газа или мазута. Необходимость удаления очаговых остатков шлака и золы, сооружение золоулавливающих установок, сооружение шлакоотвалов также удорожают установки, работающие на твердом топливе. Даже крупные современные парогенераторы, работающие на угле, имеют КПД на 2–
3% ниже КПД газомазутных котлоагрегатов.

Однако качественные показатели и преимущества газомазутных

топлив перед твердыми не могут служить определяющим фактором
при выборе вида топлива проектируемого теплоисточника.Решающим фактором является запас того или иного вида топлива в стране.

ТЭЦ и котельные металлургических заводов частично используют

в качестве топлива отходы доменного и коксового производств. Доменный и коксовый газы – топлива низкокалорийные:

Ρ
Η
Q
≈ 4,2 и

14,65 МДж/м3 соответственно. Однако сжигание их в топках печей и
котлов всегда оправдывается, так как при этом полезно используется
значительное количество теплоты, которое другого применения не
имеет.

Глава 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОРГАНИЧЕСКИХ ТОПЛИВ

1.1. Классификация топлив

Понятие «топливо» объединяет вещества, выделяющие (в резуль
тате тех или иных преобразований) энергию, которая может быть
технически использована. В настоящее время известны две группы
топлив, различающиеся по принципу высвобождения энергии:

1) ядерное, выделяющее энергию в результате ядерных преобра
зований;

2) органическое, выделяющее энергию при окислении горючих

элементов.

Основным источником энергии в различного рода энергетиче
ских установках и двигателях является органическое топливо (в ракетной технике под термином «топливо» понимается совокупность
горючего и окислителя).

Высвобождение химической энергии органического топлива осуще
ствляется в процессе его сжигания (горения). Горение – это комплекс
быстро протекающих химических реакций, сопровождающихся выделением теплоты. Для энергетических целей используются реакции окисления органической массы природных топлив (или их производных) кислородом воздуха (реже – в воздухе, обогащенном кислородом).

В настоящее время добывается большое количество разнообраз
ных природных топлив; много топлив получается искусственным путем, в результате технологической переработки природных топлив.
Топлива различаются по физическим свойствам и химической структуре, что влияет на процесс горения. Поэтому знание структуры и
физико-химических характеристик компонентов топлив является необходимой основой расчетов процесса горения [12, 16, 18, 24].

В технике используются следующие органические топлива:
1) твердое (древесина, торф, угли (бурый, каменный, антрацит),

сланец, продукты переработки твердого топлива – кокс и полукокс);

2) жидкое (нефть, продукты нефтепереработки – бензин, керосин,

дизельное и газотурбинное топливо, мазут, топливо печное бытовое
(ТПБ));

3) природный горючий газ, газы термообработки и коксования

(генераторные, доменные, коксовальных печей).

Твердые топлива образовались в результате геологического ста
рения растительных организмов (древесных пород, мхов и др.) и
планктонных образований. По склонности к естественному распаду
различные составляющие растительных организмов можно разбить
на две группы: 1) целлюлозы, гемицеллюлозы и белки, легко поддающиеся разложению; 2) лигнин, воски, смолы и углеводороды,
трудно поддающиеся или вообще не поддающиеся разложению в течение нескольких геологических периодов.

При углеобразовании отмершие клетки растительных организ
мов, лишенные протоплазмы и ядра, в основном содержат целлюлозу,
гемицеллюлозу, лигнин с некоторым включением смол, восков, жиров и других веществ. Целлюлозы и гемицеллюлозы представляют
собой 
полимерные 
углеводороды 
с 
эмпирической 
формулой

(C6Н10О5)n или (С6Н8О4)n. Элементарный состав лигнина колеблется в
широких пределах: углерода 62–69%, водорода 4,5–6,6%; остальную
часть составляет кислород.

В процессе геологического старения составляющие первой группы

превращаются в газообразные или легкорастворимые вещества и практически не участвуют в углеобразовании. Вещества второй группы со
временем полимеризуются, уплотняются, превращаются в еще более
устойчивые. Они в основном определяют состав ископаемых твердых
топлив. Переход от растительных остатков к торфу, а затем к бурым и
каменным углям характеризуется повышением в их органической массе
содержания углерода и понижением содержания кислорода.

Нефть и природные горючие газы, как и твердые топлива, обра
зуются путем длительного преобразования органических остатков,
включенных в горные породы. Основную массу нефти составляют
предельные, непредельные и ароматические углеводороды. Природные горючие газы также отличаются повышенным содержанием углеводородов предельного ряда (CН4 – до 90%).

Сырая нефть является ценным химическим сырьем, как топливо

непосредственно не применяется. В результате ее переработки помимо товарных продуктов получают топлива (бензин, керосин и др.), не
содержащие минеральных примесей и отличающиеся высокой реакционной способностью. Остаточным продуктом нефтепереработки
является мазут. Количество и качество мазута зависят от вида нефти

и технологии ее переработки. Топочный мазут отличается повышенным содержанием серы и золы и высокой вязкостью, что заметно
усложняет его сжигание.

Искусственные горючие газы получаются либо специально (ге
нераторные газы), либо попутно при различных технологических
процессах (газы коксовальных печей, доменные газы, попутные газы
нефтедобычи и др.). Состав этих газов разнообразен и зависит от
способа их получения; как правило, они содержат значительные количества N2, О2 и СО2, что обусловливает достаточно низкую их теплоту сгорания. В энергетических целях искусственные газы используются редко.

1.2. Состав топлива

Топливо в общем случае представляет сложные соединения го
рючих и негорючих элементов. Твердые и жидкие топлива состоят
из горючих элементов (углерода С, водорода Н, летучей серы
Sл = Sор + Sк), негорючих элементов (азота N, кислорода О) и балласта (золы А, влаги W). Сера бывает горючая и негорючая. Горючая
сера подразделяется на органическую Sор и колчеданную Sк (серный
колчедан FeS2). Негорючая сера входит в минеральную часть топлива.

При изучении характеристик твердых и жидких топлив и их со
става, а также для сравнительной теплотехнической оценки разных
топлив ввели условные понятия: рабочей, сухой, горючей и органической массы топлива, составляющие которой выражаются в %.

Топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю, на
зывается рабочим, а вещество, составляющее его, – рабочей массой.

Элементарный химический состав рабочей массы топлива запи
сывается в виде [2, 12, 16, 22, 24]

%
100
N
O
S
S
H
C

р
р
р
р
р
к

р
op

р
р








W
A
.
(1.1)

Сухой называется обезвоженная масса рабочего топлива

%
100
N
O
S
H
C

с
с
с
с

к
op

с
с







A
.
                   (1.2)

Безводная и беззольная масса топлива называется горючей:

100%
N
O
S
H
C

г
г
г

к
op

г
г






.
           (1.3)

Исключение из горючей массы колчеданной серы приводит к ор
ганической массе топлива:

100%
S
N
O
H
C

о
op

о
о
о
о





.
               (1.4)

Твердое топливо с установившейся в естественных условиях

влажностью называется воздушносухим. Проба такого топлива, поступающего для лабораторного анализа, называется аналитической
пробой топлива. Ее элементарный химический состав:

100%
N
O
S
H
C

а
а
а
а
а

к
op

а
а








W
A
.
            (1.5)

Пересчет состава топлива с одной массы на другую производится

при помощи следующих множителей (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Множители для пересчета состава топлива

Искомая масса
Заданная

масса
Рабочая
Сухая
Горючая

Рабочая
1
100/(100 – Wр)
100/(100 – Wр – Ар)

Сухая
(100 – Wр)/100
1
100/(100 – Ас)

Горючая (100 – Wр – Ар)/100
(100 – Ас)/100
1

Для сланцев состава (Ср, Нр,

Р
л
S , Nр, Ор, Ар, Wр) пересчет с рабочей

массы на горючую осуществляется с помощью коэффициента





р
к
2

р
р
и
СО
100
/
100




W
А
К
,
       (1.6)

где

р
иА – истинная зольность рабочей массы, %; Wр – влажность рабо
чей массы, %; 
р
к
2
СО
– содержание углекислоты карбонатов, %.

Истинная зольность рабочей массы определяется по формуле





,

100

100
S
375
,0
S
S
5,2

р

р
р
и

с

к

с

с

с

л


















W
А
А
                 (1.7)

где

с
л
S – содержание серы в лабораторной золе в процентах к массе

топлива;
p
cS – содержание сульфатной серы в топливе, %.

Величина





с

к

с

с

с

л
S
375
,0
S
S
5,2


 для ленинградских и эстон
ских сланцев может быть принята равной 2,0, для кашпирских – 4,1.

Пересчет состава (%) рабочей массы топлива при изменении

влажности проводится по формулам: