Топливо и топливосжигающие устройства тепловых агрегатов общепромышленного назначения

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

А.Ф. Куфтов

ТОПЛИВО И ТОПЛИВОСЖИГАЮЩИЕ
УСТРОЙСТВА ТЕПЛОВЫХ АГРЕГАТОВ
ОБЩЕПРОМЫШЛЕННОГО
НАЗНАЧЕНИЯ

Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия по курсу
«Топливо, топливосжигающие устройства и химические реакторы»

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2006

УДК 621.43.056(075.8)
ББК 31.365
К95

Рецензенты: В.И. Новиков, В.Е. Беляев

Êóôòîâ À.Ô.
К95
Топливо и топливосжигающие устройства тепловых агрегатов общепромышленного назначения: Учебное пособие. – М.:
Издво МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 44 с. ил.

ISBN 570382821X

Рассмотрены традиционные виды топлив и конструкции топливосжигающих устройств, используемых в тепловых агрегатах широкого назначения: парогенераторах, водонагревательных котлах, печах промышленности строительных материалов и т. п. Приведены расчеты материального и теплового балансов процесса горения топлив различного состава.
Для студентов старших курсов, обучающихся по специальности «Нетрадиционные возобновляемые источники энергии». Может быть использовано при
выполнении курсовых и дипломных проектов.

Ил. 10. Табл. 6. Библиогр. 5 назв.

УДК 621.43.056(075.8)

ББК 31.365

ISBN 57038282X
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006

ПРЕДИСЛОВИЕ

Стремление освоить различные формы и виды энергии было
присуще человечеству во все периоды его развития, начиная с каменного века. Это значительно повысило его возможности при
освоении окружающего мира. Современная цивилизация использует естественные энергетические ресурсы, которые называются первичными. К ним относятся ископаемые виды топлив, гидроэнергия
рек, морских волн и океанических приливов, геотермальная, солнечная, ветровая и другие виды энергии.
Принципиально иной характер использование энергии приобрело во время промышленной революции в Европе в XVII веке, когда
были открыты газовые законы, закон сохранения и превращения
энергии, а также сконструирована паровая машина. Энергия, ранее
используемая для бытовых целей (отопление, обработка пищи) и в
металлургии (выплавка металла), с помощью паровой машины превращалась в механическую работу, что способствовало значительному увеличению энергопотребления человеком. С этого времени интенсивность освоения энергии неуклонно растет. В настоящее время
количество потребляемой в мире энергии удваивается примерно каждые 10 лет, причем 80…85 % – за счет тепловой энергии, получаемой от
ископаемых топлив: каменного угля, нефти, природного газа.
В пособии рассмотрены характеристики ископаемых топлив, основы теории горения, описаны топливосжигающие устройства для
тепловых агрегатов общепромышленного назначения.

1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО

Под топливом понимают вещества, выделяющие в результате
тех или иных преобразований тепловую энергию, которая может
быть использована в технических целях. По принципу высвобождения энергии различают ядерное топливо, выделяющее энергию в результате ядерного распада, и химическое топливо, выделяющее

3

энергию за счет окисления горючих элементов, входящих в состав
этого топлива. К химическим топливам относятся ископаемые виды
топлив (нефть, каменный уголь, промысловый газ). Ископаемые
виды топлив образовались из органических остатков растений и животных, миллионы лет накапливавшихся в земной коре.

1.1. Требования, предъявляемые к топливам

К топливам, используемым в технике, предъявляют следующие
требования:
– наличие их в природе в большом количестве при экономически целесообразном способе добычи;
– возможность использования значительной доли теплоты, выделяющейся при горении;
– удобство применения продуктов сгорания в качестве рабочего
тела в энергетических и в качестве теплоносителя в технологических установках;
– минимальное отрицательное воздействие на окружающую
среду;
– возможность использования доступного окислителя (например, воздуха);
– стабильность свойств и характеристик при внешних воздействиях.
На сегодняшний день в мире потребляется примерно 8…10 %
энергии ядерного топлива, 85…90 % – химического топлива, 3…7 %
приходится на остальные виды, включая топлива, полученные за
счет нетрадиционных источников энергии.

1.2. Традиционные виды топлив

Основная масса химических видов топлив имеет природное
происхождение. Это древесина, торф, бурый уголь, каменный уголь,
антрацит, горючие сланцы (твердое топливо); нефть (жидкое топливо); промысловые горючие газы (газообразное топливо). Все эти
виды топлив перед применением подвергают переработке, обогащению, сушке и т. д.
Особенности различных природных топлив связывают с их геологическим возрастом. Твердые топлива от торфа до антрацита –
продукты различных стадий геологического старения остатков растений, причем чем старше топливо (например, антрацит), тем выше
в нем содержание углерода. Бурые, каменные угли и горючие слан4

цы имеют повышенную зольность (негорючую составляющую) за
счет сильного засорения первичных отложений минеральными примесями – оксидами алюминия (глиной), кремнием (песком), карбонатами кальция (известняком) и другими. Основной состав горючей
массы – углерод и водород в свободном и связанном состояниях.
Нефть и природные горючие газы также образованы из органических остатков, включенных в горные породы. Основная масса
нефти – углеводороды различных классов (предельные, непредельные, ароматические). В природном горючем газе преобладает углеводород СН4 (метан), содержание которого доходит до 90 %.
Как топливо непосредственно нефть не применяют. Топливом
служат продукты ее технологической переработки, проводимой при
нагреве до 500…1000 К и давлении от атмосферного до 5…10 МПа
(крекинг, пиролиз). В результате выпаривания и расщепления
тяжелых углеводородных цепочек получают бензин, лигроин,
керосин, дизельные и моторные топлива, мазут.
Горючий газ после очистки и осушки используют как топливо
в технологических процессах, для производства электроэнергии
и в быту.

1.3. Потребление и освоение энергоресурсов

Основными потребителями энергоресурсов являются промышленность – 40 %, транспорт – 50 %, на долю остальных приходится
10 %. В целом 60 % потребляемых топлив в мире составляют нефть и
газ, 30 % – уголь, 10 % – остальные виды топлив, в то время как из
разведанных запасов на уголь приходится 80 %, а 20 % – на нефть и
газ. Интенсивность освоения и потребления энергоресурсов в СССР
и России представлена в табл. 1.
Из таблицы следует, что за последние 40 лет произошло перераспределение потребления по отдельным видам топлив: потребление угля сократилось примерно в 4 раза, газа – увеличилось примерно в 5 раз. В целом рост добычи в 2000 г. по сравнению с 1960 г.
увеличился в 7 раз. Чем более высоко развита страна, тем выше в
ней энергопотребление в тоннах условного топлива. На душу населения в год приходится: в США и Канаде – 10, в Германии – 6, в
развивающихся странах – 0,82, в среднем в мире – 2 т у. т. в год. Под
условным подразумевается топливо с низшей теплотворной способностью Qу = 29 000 кДж на кг или на кубический метр при нор5

мальных условиях. Нормальные условия в теплотехнике – это давление 105 Па и температура 0 °С.

Таблица 1

Добыча
Годы

1960
1970
1985
2000

Всего, млн т у. т.*

Газ, %
Нефть, %
Уголь, %
Дрова, торф, %
ГЭС, АЭС, %

716
7,5
30
50
7,5
3,2

1300
18
40
35
4
3,5

2500
30
36
22
2,5
10

5000
40
35
12
3,5
8,5

* т у. т. – тонны условного топлива.

Географически ископаемое топливо расположено в одном
месте, а его потребление или выработка с его помощью энергии
происходит в другом, поэтому возникают проблемы доставки и
переработки топлива. Соответственно стоимость топлива как
энергоносителя состоит из стоимости добычи, переработки и
транспортировки. Самым эффективным способом транспортировки является передача по нефтепроводу, вторым по эффективности – передача по газопроводу. Твердое топливо перевозят на
большие расстояния в основном железнодорожным транспортом,
что наименее эффективно. Превращение тепловой энергии в электрическую (ТЭС) и передача ее с помощью линий высоковольтных электропередач (ЛЭП) по эффективности находится между
передачей по нефтеи газопроводу.

1.4. Классификация топлив

Помимо рассмотренной классификации по агрегатному состоянию – твердое, жидкое и газообразное – различают и другие типы
классификаций топлив и энергий:
1) по происхождению – естественные и искусственные. К естественным относятся дрова и ископаемые виды топлив, к искусственным – генераторный газ, синтетический бензин, метанол, продукты
крекинга и перегонки нефти, доменные газы и т. п.;
2) по видам – возобновляемые и невозобновляемые. Ископаемые виды топлив относятся к невозобновляемым. Дрова, торф, рас6

тительная масса – возобновляемые источники энергии. Сюда также
можно отнести и различные виды энергии: гидравлическую, приливную, геотермальную, солнечную и т. д.;
3) по использованию – традиционные и нетрадиционные. Ископаемые углеводородные топлива относятся к традиционным источникам энергии, а искусственные (синтетические) – к нетрадиционным,
сюдажеотносят ветровую,гидравлическую,приливнуюэнергииит.д.
Деление это достаточно условно: так, если ископаемое топливо
добывается ниже определенной глубины залегания, то оно считается
нетрадиционным; однако, ветровая энергия и гидроэнергия используются человеком больше тысячи лет, а генераторный газ – десятки
лет, а относятся они к нетрадиционным. Связано это с тем, что ископаемые виды топлив, составляющие основную часть потребляемой
энергии, в обозримом будущем будут исчерпаны, в первую очередь –
газ и нефть, во вторую – каменные и бурые угли (антрациты к
настоящему времени практически исчерпаны). По оптимистичным
прогнозам, нехватка жидкого и газообразного природных видов
топлив наступит через 80…120 лет. За это время человечество должно
найти альтернативные источники энергии. Работы по получению
жидкого и газообразного топлив ведутся в нескольких направлениях.
Из них в первую очередь можно отметить переработку низкосортных
и низкокалорийных твердых топлив (отходов углеобогащения, отходов жизнедеятельности человека, низкокалорийных горючих сланцев и т. п.) в газообразное топливо на основе газогенераторных процессов, а также биопереработку органосодержащих отходов сельского хозяйства в метан, этанол, водород.

2. СОСТАВ ТОПЛИВ

Наиболее важной технической характеристикой является состав топлива. Топливо состоит из горючей массы и балласта. К горючей массе относят первичные топливообразователи: углерод С, водород Н и серу S, окисление которых сопровождается выделением
теплоты. Кроме того, к горючей массе относят содержащиеся в топливе кислород О и азот N, которые могут участвовать в процессе горения. К балласту относят золу А и влагу W. Процентное содержание указанных веществ называется элементным составом. Различают элементный состав по рабочей, сухой и горючей массе.

7

Твердое и жидкое топлива в том виде, в котором оно поступает
на горение, называется рабочим топливом и обозначается верхним
индексом «р». Его элементный состав:

Cp + Hp + Sp + Op + Np + Ap + Wp = 100 %,

где каждое слагаемое выражается в %.
Все эти вещества входят в состав топлива в молекулярном виде
или в виде химических соединений. Так, сера состоит из двух частей –
горючей (летучей) и негорючей. Негорючая (сульфатная) сера входит
в состав золы и при расчете теплотворной способности не учитывается,
горючая сера Sp разделяется на органическую, колчеданную (пиритную) и элементарную. В жидком топливе сера содержится в виде сероорганических соединений (меркаптанов, сульфидов, дисульфидов и
т. д.), элементарной серы и сероводорода. Вся она участвует в горении.
В газовом топливе сера содержится в основном в виде сероводорода.
Если из рабочего топлива удалить влагу, то останется сухая масса
(индекс «с»), если удалить влагу и золу – горючая масса (индекс «г»).
Влага в твердом топливе состоит из аналитической, в которой молекулы воды связаны с молекулами минерального компонента золы химическими связями, и внешней (физической), находящейся в межпоровом пространстве топлива. Внешняя влага легко удаляется сушкой,
при этом затраты теплоты определяются только испарением. Масса топлива после удаления внешней влаги называется аналитической. В
жидкомигазообразномтопливевлагуможносчитатьтольковнешней.
Применяемые в теплофизических расчетах массы топлив и их
состав показаны на рис. 1.

Индексы
массы
Углерод
С
Водород
Н
Кислород
О

Сера
органическая
Sор

Сера
колчеданная
Sк

Балласт Б

Зола А

Влага

аналитическая
W a
внешняя
Wвн

о                            Органическая масса

г                             Горючая масса

с                             Сухая масса

а                             Аналитическая масса

р                             Рабочая масса

Рис. 1. Состав органического топлива

8

Пересчет одной массы на другую проводят по коэффициентам
пересчета, определяемым по балансам масс (табл. 2).
Например, количество углерода в горючей массе при известном
его количестве в рабочей массе

С
С
г
р
p
p
=
⋅
−
−

100

100 W
A
.

Таблица 2

Исходная масса
Множители пересчета

Рабочая
Сухая
Горючая

Рабочая
1
100/(100 – W p) 100/(100 – W p – Ap)

Сухая
(100 – W p)/100
1
100/(100 – Ac)

Горючая
(100 – W p – Ap)/100 (100 – Ac)/100
1

Жидкое топливо характеризуется фракционным составом. Основные фракции, которые получают при переработке нефти, – бензин, керосин, дизельное и моторное топлива, мазут. В жидком топливе содержится от 0,1 % (легкие топлива) до 10 % (мазут) влаги.
Зольность жидких топлив Aр = 0,1...0,15 %, в авиационных топливах
Αp < 0,005 %, в мазутах – Ac = 0,6…0,7 %.
Состав газового топлива принято записывать как сумму процентов объемного содержания отдельных газов:

CO + H2 + CO2 + H2S + Σ CnHm = 100 %,

где CnHm – непредельные углеводороды метанового ряда.
Состав топлива необходим для расчета тепловых и материальных балансов процесса горения. Средний состав некоторых топлив
приведен в приложении 1.

3. ГОРЕНИЕ ТОПЛИВА

Основное назначение топлива – вырабатывать теплоту при горении, т. е. при быстрой реакции окисления, сопровождающейся
большим выделением теплоты в единицу времени и повышением
температуры продуктов реакции.
Горение происходит по схеме

Топливо + Окислитель Продукты сгорания + Qв.

9

Реакция окисления является экзотермической, если в результате нее выделяется теплота: Qв > 0. Если в процессе горения существует теплоотвод Qотв в окружающую среду, то для устойчивого горения необходимо, чтобы Qв > Qотв, для воспламенения – Qв ≥ Qотв ,
для прекращения горения – Qв < Qотв .
Процесс воспламенения может начаться при подведении к реагентам определенного количества энергии, называемой энергией активации. Энергия активации разрушает первоначальные связи молекул топлива и окислителя и создает условия для возникновения
реакции.
Как и всякая химическая реакция, горение подчиняется закону
Аррениуса: скорость реакции wp, выражаемая количеством актов химического превращения в единицу времени в единице объема, экспотенциально зависит от температуры:

w
k T
E RT
p = exp( /
) ,

где k – константа скорости реакции; E – энергия активации; R – универсальная газовая постоянная.
Скорость горения зависит от температурных условий, давления,
состава смеси, теплообмена с окружающей средой и т. д.
Теория процессов горения в настоящее время развита недостаточно полно. Экспериментальная доводка топливосжигающих устройств необходима по следующим основным причинам:
– неоднородность и многообразие топлив, имеющих сложный
химический состав;
– сложный и многоэтапный процесс окисления горючих составляющих топлива;
– неравномерность процессов, приводящих к неоднородности
концентраций и состояний молекул, неравномерности полей температур, скоростей газа и т. д.
Уравнения процесса горения описывают нестационарную пространственную задачу турбулентного теплообмена при наличии источников теплоты и вещества. Эта задача может быть решена численными методами только для некоторых частных случаев. В инженерной практике пользуются упрощенным подходом, основанным
на эмпирических и статистических данных.

10