Горение и газификация органических топлив

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

В. А. Мунц, Е. Ю. Павлюк 

Горение и газификация 
органических топлив

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом  
Уральского федерального университета  

для студентов вуза, обучающихся  

по направлению подготовки магистров  

13.04.01 — Теплоэнергетика и теплотехника 

Екатеринбург

Издательство Уральского университета 

2019 

УДК 662.61/62(075.8)
ББК 35.512я73+35.513.2я73
           М90

Рецензенты: директор по науке и технике ОАО «ВНИИМТ»,  

д‑р техн. наук Г. М. Дружинин; завкафедрой энергетики УГЛТУ, проф., 
д‑р техн. наук С. М. Шанчуров 

Научный редактор — проф., д‑р техн. наук А. М. Дубинин 

М90

Мунц, В. А.
Горение и газификация органических топлив : учеб. посо‑ 

бие / В. А. Мунц, Е. Ю. Павлюк. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. 
ун‑та, 2019. — 148 с.

ISBN 978‑5‑7996‑2635‑8

Изложены основные понятия по теории газификации твердого топлива и горе‑

нию органических топлив. Рассмотрены основные законы химической конверсии 
метана. Приведены зависимости для расчета процессов газификации.

Для студентов, обучающихся в магистратуре по направлению 13.04.01 «Тепло‑ 

энергетика и теплотехника».

Библиогр.: 12 назв. Табл. 7. Рис. 50.

УДК 662.61/62(075.8)
ББК 35.512я73+35.513.2я73

ISBN 978‑5‑7996‑2635‑8
© Уральский федеральный 
     университет, 2019

1. Топливо, материальный баланс 

процессов горения, энтальпия 

продуктов сгорания

1.1. Состав топлива 

Органическая часть твердых и жидких топлив состоит из большого 

количества сложных химических соединений, образованных пятью хи‑
мическими элементами: углерод (С), водород (Н), сера (S), кислород 
(О) и азот (N). Кроме того, топливо содержит минеральные примеси 
(А), которые превращаются при сжигании в золу и влагу (W). Поэтому 
химический состав твердых и жидких топлив определяется не по ко‑
личеству химических соединений, а по суммарной массе химических 
элементов в топливе в процентах на один килограмм, т. е. по элемент‑
ному составу топлива.

Горючими элементами топлива являются углерод, водород, сера. 

Углерод является основным горючим элементом топлива, имеет вы‑
сокую теплоту сгорания (34,4 МДж/кг) и составляет большую часть 
горючей массы топлива. Водород также имеет высокую теплоту сго‑
рания (120,5 МДж/кг), но его содержание в топливе невелико (2–4 % 
в твердом и 10–11 % в жидком). Сера имеет невысокую теплоту сго‑
рания (9,3 МДж/кг), ее содержание в топливе невелико (0,3–0,5 %), 
поэтому она не представляет ценности как горючий элемент. Но по‑
скольку при сжигании топлива образуется диоксид серы, серни‑

\ 1. Топливо, материальный баланс процессов горения, энтальпия продуктов сгорания \

стость топлива является важной характеристикой. В твердом топливе 
сера присутствует в органическом виде Sор, в составе горючих ми‑
неральных веществ (пиритная Sп или колчеданная сера FeS2, CuS), 
в составе негорючих минеральных веществ (сульфатная сера Sсфт). 
Общее содержание серы в топливе Sоб складывается из трех состав‑ 
ляющих:

 
S
S
S
S
об
ор
п
сфт
=
+
+
.

Сумма двух первых слагаемых определяет содержание в топливе го‑

рючей серы:

 
S
S
S
г
ор
п
=
+
.

Различают пять основных состояний топлива. Рабочее состояние 

топлива (верхний индекс р (r)) — это состояние топлива с таким со‑
держанием влаги и зольностью, с которым оно добывается, отгружа‑
ется или используется:

 
С
Н
S
O
N
 
р
р
р
р
р
р
р
+
+
+
+
+
+
=
A
W
100 %.  
(1.1) 

Аналитическое состояние топлива (верхний индекс а (а)) — состо‑

яние топлива, характеризуемое подготовкой пробы. Подготовка пред‑
усматривает размол до размеров частиц 0,2 мм и приведение в равно‑
весие с условиями лабораторного помещения:

 
С
Н
S
O
N
 
а
а
а
а
а
а
а
+
+
+
+
+
+
=
A
W
100 %.  
(1.2) 

Сухое состояние топлива (верхний индекс с (d)) — состояние то‑

плива без содержания общей влаги (кроме гидратной):

 
С
Н
S
O
N
с
с
с
с
с
с
+
+
+
+
+
=
A
100%.  
(1.3) 

Горючее (условное сухое беззольное) состояние топлива (верхний 

индекс г (daf)) — условное состояние топлива, не содержащего общей 
влаги и золы:

 
С
Н
S
O
N
 
г
г
г
г
г
+
+
+
+
=100 %.  
(1.4) 

Органическое состояние топлива (верхний индекс о (о)) — услов‑

ное состояние топлива без содержания влаги и минеральной массы:

 
С
Н
S
O
N
 
о
о
о
о
о
ор
+
+
+
+
=100 %.  
(1.5) 

Для получения коэффициента пересчета состава топлива, напри‑

мер из горючего состояния в рабочее, необходимо сделать следующие 

/ 1.2. Теплота сгорания топлива  /

преобразования. Запишем уравнение для рабочего состояния в следу‑
ющем виде, %:

 
С
Н
S
O
N
100
р
р
р
р
р
р
р
+
+
+
+
=
-
-
A
W
,  
(1.6) 

и разделим выражение (1.6) на (1.4). В результате получим соотношение 

 
С
Н
S
O
N
С
Н
S
O
N
р
р
р
р
р
г
г
г
г
г

p
p

+
+
+
+
=
+
+
+
+
(
)
-
-
100

100
A
W
.  (1.7) 

Таким образом, для каждого элемента, например для углерода, спра‑

ведливо соотношение 

 
С
С
р
г

р
p

=
-
-
100

100
А
W
, %.  
(1.8) 

Аналогичным образом определяются коэффициенты пересчета для 

любых других состояний 

В отличие от твердого и жидкого топлива газообразное топливо 

представляет собой механическую смесь горючих и негорючих газов, 
поэтому его состав задается в объемных процентах.

1.2. Теплота сгорания топлива 

Теплота сгорания характеризует энергетическую ценность то‑

плива и представляет собой количество тепловой энергии, выделя‑
ющейся в ходе химических реакций окисления горючих элементов 
газообразным кислородом. Различают высшую и низшую теплоту 
сгорания. Высшей теплотой сгорания Qв топлива называется коли‑
чество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг твердо‑
го или жидкого топлива (1 м 3 газообразного топлива) при условии 
конденсации водяных паров и охлаждении всех продуктов сгорания 
до 0 °C. Низшая теплота сгорания Qн отличается от высшей на вели‑
чину теплоты испарения влаги топлива и влаги, образующейся при 
горении водорода. При сжигании топлива в энергетических уста‑
новках температура уходящих газов превышает 100 °C, влага, содер‑
жащаяся в продуктах сгорания, остается в парообразном состоянии 
и теплота испарения теряется. Количество водяного пара (кг) в про‑
дуктах сгорания, которое приходится на 1 кг топлива, представля‑
ет собой сумму количества влаги, содержащейся в исходном топливе 

\ 1. Топливо, материальный баланс процессов горения, энтальпия продуктов сгорания \

Wр/100 и образовавшейся при окислении водорода топлива 9Hр/100 
H
0,5O
H O
2
2
2
+
=
(
) ; из одного килограмма водорода образуется 9 кг 

влаги. Удельная теплота конденсации водяного пара в нормальных 
физических условиях составляет 2500 кДж/кг. В итоге теплота кон‑
денсации водяных паров, образовавшихся из 1 кг топлива, составляет,  
кДж/кг:

 
Q
W
W
w =
Ч
+
ж

и
з
ц

ш
ч =
Ч
+
(
)
2500
100
9
100
25
9

р
р

р
р
H
H
.  
(1.9) 

Тогда взаимосвязь высшей и низшей теплоты сгорания имеет вид, 

кДж/кг:

 
Q
Q
W
н
р
в
р
p
р
Н
=
-
+
25
9
(
).  
(1.10) 

Наиболее надежным способом определения теплоты сгорания яв‑

ляется ее экспериментальное измерение на специальных установках — 
калориметрах (СТ СЭВ 1463–78). Сущность метода заключается в том, 
что навеску топлива сжигают в атмосфере сжатого кислорода в герме‑
тически закрытом металлическом сосуде — калориметрической бомбе, 
которую погружают в определенный объем воды. Количество тепло‑
ты, выделяющееся при сгорании этого топлива, определяют по повы‑
шению температуры этой воды.

Тепловой эффект, измеряемый с помощью калориметра, соответ‑

ствует высшей теплоте сгорания, так как образующийся при горе‑
нии в бомбе водяной пар конденсируется. Однако реальное значение 
Qв не совпадает c измеренным, поэтому ему присвоено специальное 
обозначение Qб
а  — теплота сгорания аналитической пробы в бомбе. 

Отличие Qб
а  от Qв
а  обусловлено значительно завышенной концен‑

трацией кислорода в бомбе, приводящей к несколько иному составу 
продуктов сгорания. Так, сера окисляется не до SO2, а до SO3, причем 
SO3 растворяется в воде с дополнительным тепловым эффектом. Кроме 
того, происходит частичное окисление азота с образованием азотной  
кислоты.

При проведении теплотехнических расчетов нередко возникает 

необходимость оценки теплоты сгорания топлива по данным эле‑
ментного состава. Метод определения теплоты сгорания по данным 
элементного состава топлива основан на использовании закона Гесса, 
согласно которому теплота прямого превращения топлива в продук‑
ты сгорания СО2, Н2 О, SО2 равна теплоте сгорания С, Н2, S за выче‑

/ 1.2. Теплота сгорания топлива  /

том теплоты разложения исходных углеводородов топлива на про‑
стые вещества. В реальных топливах О, H и C связаны между собой 
в очень сложные молекулы с различными энергиями связи. Посколь‑
ку на разрыв этих связей при сжигании затрачивается различное ко‑
личество энергии, поэтому до сих пор ни одно из модельных представ‑
лений не позволило получить универсальной формулы, позволяющей 
рассчитывать теплоту сгорания любого топлива. Наиболее удачной, 
т. е. простой и точной, является формула Д. И. Менделеева с эмпири‑
чески подобранными коэффициентами для соответствующих горю‑
чих элементов, ккал/кг:

 
Q г
г
г
г
г
C
H
O
S
=
+
-
-
81
300
26(
) .  
(1.11) 

Теплота сгорания твердого и жидкого топлива в рабочем состоянии 

рассчитывается так, кДж/кг:

 
Q
W
н
р
р
р
р
р
р
С
Н
О
S
=
+
-
-
(
) -
339
1030
109
25
;  
(1.12) 

содержание элементов выражается в процентах.
Для газообразных топлив при точно известном их составе тепло‑

та сгорания 1 м 3 сухого газа, МДж/м 3, может быть достаточно точно 
подсчитана по формуле 

Qн
c
H
CO
CH
C H
C H
=
+
+
+
+
+
+
0 01 10 8
12 65
35 85
63 8
91 3
23 4
2
4
2
6
3
8
,
,
,
,
,
,
...
, H
H S
2
[
].   (1.13) 

Здесь содержание соответствующих газовых компонентов подстав‑

ляют в процентах.

Топочные устройства одинаковой мощности могут потреблять 

существенно разные количества топлива, так как теплота сгорания 
у разных видов меняется в широких пределах. Для сравнения эко‑
номичности работы на различных видах топлива введено понятие 
условного топлива, имеющего теплоту сгорания Qу = 7000 ккал/кг 
(29,33 МДж/кг). Тепловая мощность топочного устройства N связа‑
на с расходом B топлива и теплотой сгорания очевидным соотноше‑ 
нием, МВт, 

 
N
BQ
=
н
р .  
(1.14) 

Расход условного Bу топлива связан с расходом В натурального то‑

плива соотношением 

 
B
В Q
Q
у
н
р
у
=
(
) .

\ 1. Топливо, материальный баланс процессов горения, энтальпия продуктов сгорания \

1.3. Основные свойства твердого топлива: влага, 
минеральные примеси и выход летучих веществ 

Влага
Вода в твердом топливе находится в виде капель, пленок, капилляр‑

ной влаги и молекул, адсорбированных на поверхности. Влага также 
может входить в состав минеральных соединений.

Для удобства определения влаги в угле, в соответствии с приняты‑

ми на практике методами анализа, общую влагу угля подразделяют 
на внешнюю и влагу воздушно‑сухого топлива.

С точки зрения представления о видах влаги такое деление можно 

определить следующим образом. При высушивании угля на воздухе 
удаляется свободная влага с внешней поверхности частиц и капилляр‑
ная влага из открытых трещин и пор. В воздушно‑сухом угле остает‑
ся адсорбционная и гидратная влага. Влага общая, кроме гидратной, 
удаляется при высушивании угля при t = 105 °C.

Определение общей влаги проводят двухступенчатым методом 

по ГОСТ 27314–87. Общую влагу Wоб рассчитывают как сумму внеш‑
ней влаги Wвн и влаги воздушно‑сухого топлива Wh.

Первую ступень — определение внешней влаги — проводят суш‑

кой навески угля до постоянной массы при комнатной температуре 
или в сушильных шкафах при t = 40 °C для бурых и при t = 50 °C для 
каменных углей и горючих сланцев.

Вторая ступень — определение влаги воздушно‑сухого топлива — 

проводится из пробы, доведенной до воздушно‑сухого состояния при 
определении внешней влаги и затем измельченной до размеров лабо‑
раторной пробы (крупность частиц менее 3 мм). Влагу воздушно‑су‑
хого топлива определяют высушиванием при 105–110 °C в течение 
3–4 часов либо ускоренным методом высушивания при температуре 
(160±5)°C (время сушки 5–10 минут).

При расчете внешней влаги Wвн убыль массы относят к навеске ис‑

ходного влажного топлива, а при расчете Wh — к навеске воздушно‑су‑
хого. Для того чтобы иметь возможность сложить эти величины, необ‑
ходимо отнести их к одинаковому состоянию топлива — исходному 
влажному топливу. Если принять массу исходного влажного топлива 
за 100 %, а массу воздушно‑сухого топлива за (100 – Wвн), то для пере‑
счета содержания влаги воздушно‑сухого топлива содержание влаги 

/ 1.3. Основные свойства твердого топлива: влага, минеральные примеси и выход летучих веществ  /

в исходном угле надо умножить Wh на коэффициент 100
100
-
(
)
Wвн
.  

Отсюда найдем содержание общей влаги, %, по формуле 

 
W
W
W
W
h
об
вн
вн
=
+
-
(
)
100
100
/
.  
(1.15) 

Наличие в топливе влаги неблагоприятно отражается на его основ‑

ных технологических характеристиках: снижает теплоту сгорания, уве‑
личивает объем продуктов сгорания, что приводит к снижению КПД 
топочных устройств.

Изменение теплоты сгорания твердого топлива при изменении 

его влажности от W1
p  до W2
p  может быть рассчитано по выражению, 

кДж/кг, 

 
Q
Q
W
W
W
W
2
1
2

1
1
100
100
25
p
p
p

p
2
p
p
=
-
-
-
-
(
) .  
(1.16) 

Увеличение влажности топлива ведет к снижению подвижности его 

частиц вплоть до полной потери сыпучести. Влага, соответствующая 
такому состоянию, при котором топливо лишается сыпучести, назы‑
вается влагой сыпучести. Для большинства топлив влага сыпучести 
всего на несколько процентов превышает рабочую.

Наибольшее содержание влаги в топливе, при котором еще не проис‑

ходит его смерзание при отрицательных температурах, характеризуется 
влагой смерзания, которая обычно меньше рабочей. Влага смерзания 
уменьшается при снижении выхода летучих и зольности. На практике 
нашли применение следующие способы борьбы со смерзанием: обе‑
звоживание (путем отстаивания, нагревания и центрифугирования), 
вымораживание с перелопачиванием, добавка несмерзающихся ма‑
териалов, обмасливание нефтепродуктами, разгрузка с применением 
устройств для дробления, обогрев бункеров, разогрев в вагонах.

Минеральные примеси твердого топлива
Присутствие в твердых топливах минеральных компонентов об‑

условлено следующими причинами: наличие минеральных органи‑
ческих веществ в исходном органическом материале, накопление 
в залежи вместе с органическим материалом минеральных веществ, 
заносимых водой и ветром, попаданием в топливо минералов из окру‑
жающих горных пород при разработке месторождения. Доля их зависит 
от геологии пласта и способа его разработки. С увеличением механиза‑
ции добычи эта доля минеральных примесей значительно возрастает.

\ 1. Топливо, материальный баланс процессов горения, энтальпия продуктов сгорания \

Примеси твердого топлива образованы большим числом различ‑

ных минеральных веществ, главными из которых обычно являют‑
ся алюмосиликаты (Al2O3·2SiO2·2H2O), кремнезем (SiO2), карбона‑
ты (CaCO3, MgCO3, FeCO3), сульфиды (FeS2, CaS), сульфаты (CaSO4, 
MgSO4), соли щелочных металлов (NaCl, KCl). Помимо перечислен‑
ных основных компонентов в минеральных примесях твердого топли‑
ва присутствуют часто в повышенных концентрациях соединения мно‑
гих редких элементов: платины, палладия, никеля, кобальта, германия,  
урана и др.

Зольность угля — это масса золы, определяемая в установленных ус‑

ловиях, отнесенная к единице массы угля и выраженная в процентах. 
Стандартный метод определения зольности углей (ГОСТ 11022–75,  
СТ СЭВ 1461–78) заключается в полном сжигании навески топли‑
ва (озолении), прокаливании зольного остатка до постоянной массы 
при (815±15) °C и определении массы образовавшейся золы. Метод 
может выполняться по двум вариантам: медленное и ускоренное озо‑
ление. При медленном озолении зольный остаток прокаливают в те‑
чение 1 ч при анализе бурых углей и горючих сланцев и 1,5 ч при ана‑
лизе каменных углей и антрацитов. Сущность ускоренного озоления 
заключается в постепенном продвижении лодочек с навесками в нагре‑
тую до (815±15) °C муфельную печь. Лодочки помещают на пластин‑
ку из жаропрочного материала, устанавливают на откинутую крышку 
муфеля и выдерживают в таком положении 3–5 мин. Затем пластинку 
продвигают внутрь муфеля со скоростью 2 см/мин, закрывают дверцу 
печи и прокаливают зольные остатки бурых углей и горючих сланцев 
25 мин, каменных углей и антрацитов — 35 мин.

Шлакование котла — прогрессирующее накопление в топке и га‑

зоходах отложений очаговых остатков, сопровождающееся упрочне‑
нием этих отложений. Интенсивность шлакования во многом зависит 
от состава и свойств минеральной части топлива. Накопление шлако‑
вых отложений начинается с появления на поверхности так называе‑
мого первичного слоя, в образовании которого важное место занима‑
ет конденсация паров легколетучих компонентов минеральной части 
топлива — главным образом оксидов (K2O, Na2O) и хлоридов (NaCl, 
KC) щелочных металлов. На поверхности первичного слоя происхо‑
дит рост рыхлого вторичного слоя отложений, температура поверхно‑
сти которого быстро увеличивается и может превысить температуру 
появления жидкой фазы, что ускоряет рост толщины слоя.