Развитие топочных технологий в российской энергетике

Министерство образования и науки Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

РАЗВИТИЕ ТОПОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 

В РОССИЙСКОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом УрФУ  

для студентов бакалавриата, магистратуры и аспирантуры,  

обучающихся по направлениям подготовки:
13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 
13.04.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 

13.06.01 «Электро- и теплотехника»

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета

2016 

УДК 621.313(075.8)
ББК 31.26я73
          Р17

Авторы: В. Л. Шульман, А. Ф. Рыжков, Т. Ф. Богатова, В. А. Микула, 
Е. И. Левин, П. В. Осипов 

Рецензенты: директор филиала «Свердловский» В. А. Бусоргин (ПАО 
«Т Плюс»); 
зам. директора предприятия «УралОРГРЭС» канд. техн. наук А. В. Зайцев

Научный редактор — проф., д-р техн. наук Б. В. Берг

Р17

Развитие топочных технологий в российской энергетике : учебное 
пособие / В. Л. Шульман [и др.]. — Екатеринбург : Изд-во 
Урал. ун-та, 2016. — 504 с.
ISBN 978-5-7996-1823-0

В учебном пособии излагаются вопросы разработки, совершенствования 

и перспектив развития топочных технологий и оборудования. Проанализи-
ровано влияние характеристик топлива на конструктивные и технологиче-
ские решения. Рассмотрены вопросы повышения технико-экономических 
и экологических показателей при модернизации котельного оборудования.

Учебное пособие может быть использовано для подготовки студентов ба-

калавриата, магистратуры и аспирантуры, обучающихся по направлениям 
подготовки: 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 13.04.01 «Теплоэ-
нергетика и теплотехника», 13.06.01 «Электро- и теплотехника».

УДК 621.313(075.8)
ББК 31.26я73

ISBN 978-5-7996-1823-0
©Уральский федеральный  
    университет, 2016

ПРЕДИСЛОВИЕ

Р

азвитие отечественной котельной техники всегда харак-
теризовалось глубоким теоретическим анализом соответ-
ствующих явлений и их закономерностей. Это направле-

ние было сохранено и развито и в дальнейшем, причем глубокой 
научной разработке были подвергнуты все основные стороны ра-
бочего процесса котла. Российских ученых, начиная с И. И. Пол-
зунова (1728–1766 гг.), изобретателя паровой машины, а также па-
рового котла с автоматическим регулированием питания, всегда 
отличала глубокая теоретическая проработка и оригинальные прак-
тические решения самых сложных вопросов развития котельной  
техники.

Цели настоящего издания:
- проследить динамику непрерывного развития топочных техно-

логий, научно-технического, технологического и аппаратурного обе-
спечения этого развития, выделить мотивы и направленность новых 
разработок, показать возможность прогнозирования и актуализации 
направлений развития и дальнейшего совершенствования топочного 
процесса в энергетических котлах;

- способствовать развитию творческого инженерного мышления 

молодых специалистов для преодоления сложившегося в настоящее 
время в отечественной энергетике отставания от мировой энергети-
ки в разработке и освоении современных и перспективных топочных 
технологий.

РАЗВИТИЕ ТОПОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В РОССИЙСКОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

В непростых современных условиях делом профессиональной 

чести молодых российских инженеров, научно-технических ка-
дров является непрерывность творческого поиска, выполнение 
самых передовых, перспективных разработок в топочной техни-
ке, не ограниченное переложением иностранных технологий (как 
это зачастую делается сейчас). Необходимо создавать и выводить 
на мировой рынок отечественную конкурентоспособную научно-
техническую продукцию, на практике доказывая состоятельность 
нашего научно-технического сообщества как преемника традиций 
российской и советской энергетики как составной части мировой  
инженерии.

Исходя из последней задачи, авторы не ограничились детальным 

описанием современной топочной техники в энергетике, но рассмо-
трели ее в различных временных срезах, охватывающих весь период 
развития отечественной энергетики, и связи его с процессами в ми-
ровой энергетике. Это позволит наглядно убедиться в непрерывности 
направленного развития топочной технологии как условия развития 
отрасли, в последовательном формировании научно-технической и ме-
тодической базы совершенствования процессов и оборудования для 
сжигания широкого спектра энергетических углей, утверждать значи-
мость инженерного творчества, развивать творческое мышление со-
временных студентов-теплоэнергетиков.

Помимо этих аспектов важно обратить внимание и на другую 

сторону инженерного творчества — представленные материалы позволяют 
ощутить эстетическое совершенство многих научных и инженерных 
разработок, красоту и изящество решений сложных практических 
задач.

Такой подход в изложении материала представляется актуальным 
в наш век информационных технологий, при неограниченной 
доступности огромного массива информации без структурированного 
анализа. В результате формируется, к сожалению, фрагментарность 
восприятия научных, технических знаний, свойственная 
значительной части современных молодых специалистов. Каждый 
бит, каждый пакет информации, достаточный для решения 
конкретной сиюминутной задачи, не сопрягается с пониманием 
логики, внутренней мотивации поисков, усилий, борьбы идей, 
ошибок и великих достижений в развитии топочной техники. Эта 
система узкой полосы информационного обеспечение по систе-

Предисловие

ме «запрос — ответ» не способна научить человека творческому, 
созидательному мышлению. Поэтому важно стимулировать понимание 
развития технологий как непрерывный процесс, опирающийся 
на предшествующий отечественный и мировой опыт и требующий 
соучастия широкого круга специалистов-энергетиков, 
формировать у студентов профессиональный кругозор, глубокое понимание 
логики и перспектив развития сложного энергетического  
оборудования.

1. ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ  

НАУЧНОЙ БАЗЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ 

ТОПОЧНОЙ ТЕХНИКИ В МИРОВОЙ 
И ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

1.1. Развитие методов сжигания энергетического 
топлива в энергетике как непрерывный процесс
Н

а всем протяжении развития энергетики при совершенствовании 
систем сжигания энергетического топлива имело 
место сочетание эмпирических и научно обоснованных 

подходов. Подходы, основанные на строгих теоретических представлениях, 
становились все более востребованными в связи с ростом единичной 
мощности отдельных горелочных устройств и топок, расширением 
спектра используемых топлив. По мере формирования основ 
теории горения складывалась возможность направленного конструктивного 
и режимного воздействия в создании новых топочно-горелоч-
ных устройств с уверенно предсказуемыми характеристиками. Понимание 
физико-химических, аэродинамических механизмов процесса 
горения становилось непременным условием эффективности прак-

1. Формирование и развитие научной базы совершенствования топочной техники в мировой и отечественной энергетике 

тической инженерной деятельности, работы конструктора, исследо-
вателя, наладчика. При этом значимость практического опыта всегда 
была чрезвычайно высока.

По словам нашего замечательного ученого, лауреата Нобелевской 

премии, академика Н. Н. Семенова, человек практически использует 
горение в течение десятков тысяч лет, а электричество — немногим бо-
лее одного столетия. Однако законы, определяющие условия исполь-
зования и преобразования электричества, изучены более глубоко, чем 
законы, определяющие горение. Эта, казалось бы, парадоксальная си-
туация определяется сложностью процессов горения, в которых одно-
временно протекают разветвленные химические реакции, диффузи-
онные, тепло- и массообменные процессы.

Научные исследования горения начались в XVI в. и постепенно 

углублялись в течение последующих пяти веков. От поколения к по-
колению ученых — физиков и химиков — передавалась эстафета все 
большего постижения столь очевидного и загадочного процесса пре-
образования вещества и энергии [1; 2].

— Ф. Бэкон (1561–1626 гг.) — занимался изучением свойств теплоты.
— Р. Бойль (1627–1691 гг.) — отвергал философские толкования 

пламени как элемента, придерживался теории флогистона, утверждав-
шей наличие в каждом горючем материале субстанции флогистон — 
носителя теплоты, выделяемого при горении. Сформулировал закон 
изменения объема воздуха с изменением давления (1662 г.), позднее 
подтвержденный Э. Мариоттом (1676 г.).

— А. Лавуазье (1743–1794 гг.) — создатель кислородной теории 

горения, считал, что при горении происходит присоединение к телу 
части атмосферного воздуха — кислорода, опроверг теорию фло-
гистона; показал, что вода есть соединение кислорода и водорода, 
а не элемент; синтезировал воду из этих газов (1785 г.), определил 
теплоту сгорания веществ с помощью созданного им калориметра. 
Своей деятельностью он, по существу, совершил научную рево-
люцию, но стал жертвой другой революции — Великой француз-
ской — на гильотине.

— М. Ломоносов (1711–1765 гг.) — сформулировал принцип сохра-

нения материи: «Все изменения, совершающиеся в природе, происходят 
таким образом, что сколько к чему прибавилось, столько же отнимется 
от другого. Этот закон природы является настолько всеобщим, 
что простирается и на правила движения: тело, побуждающее толч-

РАЗВИТИЕ ТОПОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В РОССИЙСКОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

ком к движению другое, столько же теряет своего движения, сколько 
отдает от себя это движение»; сформулировал кинетическую теорию 
теплоты в «Размышлениях о причине теплоты и холода» (1744 г.); доказывал, 
что причиной теплоты «являются внутренние вращательные 
движения материи» [3], под которой имелись в виду некие неощуща-
емые частицы — молекулы. По существу, М. Ломоносов изложил начала 
термодинамики.

— А. Вольта (1745–1827 гг.) — предвестник эпохи электричества, 

объяснил природу постоянного тока в гальванических элементах, создал 
химические источники электрического тока; при этом причастен 
и к расширению знаний о природе процесса горения — исследовал 
горение «болотного газа», создал газовую горелку для его сжигания.

— К. Бертолле (1748–1822 гг.) — единомышленник А. Лавуазье, создал 
теорию химического равновесия; он рассматривал химическую 
реакцию как непрерывный и необратимый процесс. Получил «бертолетову 
соль» — один из сильнейших окислителей, используемых для 
получения взрывчатых веществ.

— Дж. Дальтон (1766–1844 гг.) — создал ряд основополагающих химических 
законов: закон парциального давления газов, закон кратных 
отношений (в соединении двух элементов отношение количества массы 
их — простые целые числа); он считал химическую реакцию связанными 
друг с другом процессами соединения и разъединения атомов, 
ввел понятие атомной массы.

— С. Карно (1796–1832 гг.) — создал ключевые положения термодинамики [
4]:

• о природе тепла — тепло не что иное, как движущая сила, или 

вернее, движение, изменившее свой вид, это движение частиц 
тела; повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, 
возникает одновременно теплота в количестве, пропорциональном 
количеству исчезнувшей силы. Обратно, при исчезновении 
тепла возникает движущая сила;

• о законе сохранения энергии — движущая сила существует в природе 
в неизменном количестве, она, собственно говоря, никогда 
не создается, никогда не уничтожается, она меняет форму, вы-
зывает то один вид движения, то другой, но никогда не исчезает;

• эквивалент тепловой и механической энергии — определил 

численное значение этого эквивалента, позднее несколь-
ко уточненное;

1. Формирование и развитие научной базы совершенствования топочной техники в мировой и отечественной энергетике 

• метод исследования тепловых машин — круговые термодина-

мические процессы преобразования в тепловых машинах — 
замкнутые циклы;

• положения второго закона термодинамики — недостаточно соз-

дать теплоту, чтобы создать движущую силу, нужно еще до-
быть холод, без него теплота стала бы бесполезной. Повсюду, 
где имеется разность температур, может происходить возник-
новение движущей силы.

— М. Фарадей (1791–1867 гг.) — создал представление о существо-

вании электромагнитных полей (1832 г.), осуществил сжижение газа — 
хлора (1824 г.), установил законы электролиза.

— Г. Гесс (1802–1850 гг.) — установил закон постоянства сумм теп-

ла в термохимическом процессе [5]: каким бы путем ни совершалось 
соединение веществ, шло ли оно непосредственно или косвенным пу-
тем в несколько приемов, количество выделившегося при его образо-
вании тепла всегда постоянно. Таков основной закон термохимии — 
тепловой эффект реакции определяется лишь начальным и конечным 
состоянием химической системы и не зависит от ее промежуточных 
состояний.

— Б. Клапейрон (1799–1864 гг.) — ввел в термодинамику графиче-

ское выражение состояния газа в координатах p-v, установил уравне-
ние состояния идеального газа;

— Р. Клаузиус (1822–1888 гг.) — много сделал для утверждения вто-

рого закона термодинамики, для обратимых термодинамических про-
цессов установил математическое выражение Q1/Q2 = T1/T2 и далее 
установил, что для кругового процесса, когда рабочее тело возвраща-
ется в исходное состояние, изменение энтропии равно нулю.

— У. Томпсон (лорд Уильям Кельвин) (1824–1907 гг.) — сформу-

лировал второе начало термодинамики («в природе невозможен про-
цесс, единственным результатом которого была бы механическая ра-
бота, совершенная за счет охлаждения теплового резервуара»). Ввел 
понятие абсолютной температуры и абсолютной шкалы температур 
(шкала Кельвина), выдвинул теорию строения атомов (1902 г.), рас-
считал размер молекулы.

— А. Ле Шателье (1850–1936 гг.) — создатель принципа химическо-

го равновесия системы — принципа Ле Шателье (химически равновес-
ная система, на которую оказывается воздействие, смещает равновесие 
так, чтобы уменьшить влияние этого воздействия — добавление в рав-

РАЗВИТИЕ ТОПОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В РОССИЙСКОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

новесную систему одного из реагирующих веществ приводит к увели-
чению его расходования в прямой реакции). Впервые использовал фо-
тосъемку для исследования распространения пламени.

— Д. И. Менделеев (1834–1907 гг.) — создатель периодической си-

стемы элементов (1869 г.), занимался вопросами развития топливодо-
бывающих отраслей — угле- и нефтедобычи, рационального использо-
вания топлив («уголь как топливо, нефть как сырье»); высказал идею 
подземной газификации угля, использования протяженных газопро-
водов. Ввел понятие «абсолютной температуры кипения» (критиче-
ская температура, при которой плотности жидкости и пара данного 
вещества совпадают, отсутствует фазовый переход). Корректировал 
уравнение состояния идеального газа (уравнение Клайперона — Мен-
делеева) [6].

— С. Аррениус (1859–1927 гг.) — разработал теорию электролити-

ческой диссоциации (распад молекулы в растворе на положительный 
и отрицательный фрагменты — ионы, которые направляются к про-
тивоположно заряженным электродам). Ввел понятие энергии акти-
вации Е — энергетического барьера, который необходимо преодолеть 
для развития реакции, т. е. затраты энергии на разрушение атомарных 
связей в реагирующих молекулах. Предложил важнейшее уравнение 
химической кинетики — уравнение Аррениуса (экспоненциальная 
температурная зависимость скорости химической реакции k = k0e–E/RT).

— В. А. Михельсон (1860–1927 гг.) — выдающийся российский уче-

ный, первый исследователь, разработавший теорию скорости горения 
в струе газа, исследовал нормальную скорость распространения пла-
мени, установил зависимость скорости распространения фронта вос-
пламенения от состава горючей газовой смеси; заложил основы тео-
рии взрывного горения [7].

В XX в. с опорой на такой огромный научный задел трудами мно-

гих выдающихся западных и отечественных ученых, крупных науч-
ных коллективов были сформулированы основные положения тео-
рии горения. Расширению масштабов исследований способствовали 
специфические условия горения в новых системах сжигания органического 
топлива — двигателях внутреннего сгорания, дизельных установках, 
авиационных двигателях, ракетных установках, камерах сгорания 
газовых турбин, мощных топочных устройствах энергетических 
котлов. Сжигание дисперсных пылевоздушных и газожидкостных топлив, 
горение при значительном разрежении и повышенном давле-