Теория горения топлива

В. А. Хлебников
П. Н. Анисимов

ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Учебное пособие

по курсовому проектированию

Йошкар-Ола

ПГТУ
2023

УДК 662.61(076)
ББК 31.35я73

Х 55

Рецензенты:

профессор кафедры машиностроения и материаловедения

Поволжского государственного технологического университета

С. Я. Алибеков;

профессор кафедры строительных конструкций и водоснабжения 
Поволжского государственного технологического университета 

А. Г. Поздеев

Печатается по решению

редакционно-издательского совета ПГТУ

Хлебников, В. А.

Х 55
Теория горения топлива: учебное пособие по курсовому проек-

тированию / В. А. Хлебников, П. Н. Анисимов. – Йошкар-Ола: Поволжский 
государственный технологический университет, 2023. –
44 с.
ISBN 978-5-8158-2332-7

Представлены краткие теоретические сведения и практические реко-

мендации по расчету полного горения энергетических топлив (природного 
газа, угля и других твердых топлив) применительно к топкам паровых котлов 
серии ДЕ АО «Бийский котельный завод». Изложение материала основано 
на Нормативном методе теплового расчета котельных агрегатов. 

Для бакалавров и магистрантов направления 13.03.01 «Теплоэнерге-

тика и теплотехника» при изучении курса «Теория горения топлива», а 
также бакалавров направления 35.03.02 «Технология лесозаготовительных 
и деревоперерабатывающих производств» в рамках курсов «Теплотехника», «
Энергетическое использование древесной биомассы». Практикум 
может быть использован студентами других специальностей, изучающими 
курс «Теория горения топлива».

УДК 662.61(076)

ББК 31.35я73

ISBN 978-5-8158-2332-7
© В. А. Хлебников, П. Н. Анисимов, 2023
© Поволжский государственный 
технологический университет, 2023

ПРЕДИСЛОВИЕ

Энергетической стратегией России предусматривается увеличе-

ние в 2035 году производства электроэнергии на 43 % к уровню, достигнутому 
в 2014 году, при одновременном росте установленной 
мощности электростанций на 25 % и снижении удельных расходов 
топлива на отпуск электроэнергии на 13 %. Дальнейшее развитие получит 
теплоснабжение преимущественно на базе теплофикации. Доля 
тепловых электростанций в централизованном отпуске тепла за тот 
же период увеличится с 46 до 50 %, доля котельных сократится с 47 
до 42 % [1].

Водяной пар с заданными давлением и температурой, непосред-

ственно участвующий в технологическом процессе выработки электроэнергии 
и горячей воды для систем теплоснабжения, производится
котельными агрегатами (котлами) за счет сжигания в их топках требуемого 
количества энергетического топлива. 

Основными видами энергетического топлива в отмеченной пер-

спективе по-прежнему будут являться природный газ и различные 
виды каменного угля. 

К 2035 году ожидается увеличение добычи природного газа до 

885 млрд м3 (рост на 40 % к уровню 2014 года) и увеличение внутреннего 
потребления газа на 24 %, в т.ч. в промышленности в 1,5 раза. 
Добычу угля планируется увеличить с 358 млн т в 2014 до 445 млн т 
в 2035 году.

Подготовка квалифицированных бакалавров и магистров по 

направлению «Теплоэнергетика и теплотехника» невозможна без глубокого 
овладения обучающими методиками теплового расчета котлов 
и, в частности, расчета полного горения энергетических топлив.

Основное внимание в настоящем издании уделяется расчетам

расхода окислителя (кислорода, воздуха) на горение топлива, состава 
и объема продуктов горения, энтальпий воздуха и продуктов горения. 
Студенты знакомятся с методиками расчета адиабатной температуры 
газов в топочной камере, выбора альтернативного природного газа 
для сжигания в том же котле по числу Воббе.

Настоящее издание подготовлено на основе Нормативного ме-

тода по тепловому расчету котлов, разработанного коллективом авторов 
Всероссийского теплотехнического научно-исследовательского 
института (ВТИ) и научно-производственного объединения по исследованию 
и проектированию энергетического оборудования имени 
И.И. Ползунова (НПО ЦКТИ) [2].

ВВЕДЕНИЕ

Горение энергетических топлив (природного газа, каменного угля

и др.) – это процессы окисления их горючих составляющих, происходящие 
в топках котлов при высоких температурах и сопровождающиеся 
выделением теплоты.

Различают полное и неполное сгорание топлива. Полное горение

происходит при избытке окислителя (кислорода воздуха), неполное –
при его недостатке. В теплоэнергетике используется только полное 
горение энергетических топлив. Неполное горение применяется при 
газификации топлив (например, при получении из каменного угля 
кокса).

Основными горючими составляющими природного газа различ-

ных месторождений являются метан СН4, высокомолекулярные углеводороды 
СmНn, оксид углерода СО, водород Н2 и сероводород H2S.

Горючими элементами твердых и жидких топлив (в т.ч. камен-

ного угля и древесины) являются углерод С, водород Н и сера S. Входящий 
в их состав кислород О не является горючим элементом, т.к. 
содержится в топливах в связанном виде и, следовательно, не горит.

Конечные продукты горения горючих элементов топлив рассчи-

тываются с использованием результативных (стехиометрических) реакций 
соединения горючих составляющих топлив и окислителя [3].

При выполнении курсовой работы предполагается, что продукты 

неполного горения в продуктах сгорания топлива отсутствуют.

Последовательность выполнения расчетов
Расчет горения рекомендуется начинать с определения теорети-

чески необходимого и действительного расходов кислорода и воздуха
при известной величине коэффициента избытка воздуха на выходе из 
топки.

Затем следует определить состав, объем и энтальпии газообраз-

ных продуктов сгорания (дымовых газов), образующихся при сгорании 
топлива.

Температура горения топлива в топке, необходимая для дальней-

ших расчетов, определяется как адиабатная (т.е. без учета тепловых 
потерь в топочной камере). С целью упрощения предполагается, что 

имеет место линейная зависимость между энтальпией и температурой 
газов и равенство энтальпии дымовых газов и полезного тепловыделения 
в топке. Тепловыделение в топке рассчитывается с учетом известного 
КПД «брутто» котельного агрегата, указанного в задании на 
курсовую работу.

Для газового топлива выбирается номинальная мощность горелки

типа ГМП (ГМГ) для заданного котла серии ДЕ АО «Бийский котельный 
завод» [6]. На отдельном листе приводится чертеж общего вида 
горелки. Необходимые размеры могут быть взяты с сайта завода-изготовителя.


На завершающей стадии необходимо выбрать альтернативные 

виды природного газа, которые без существенного изменения технико-
экономических характеристик котла могли бы сжигаться в его 
топке вместо базового (расчетного) газа.

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ 

И СОДЕРЖАНИЕ 

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ

Целью выполнения курсовой работы является приобретение сту-

дентами практических навыков по расчету полного горения доминирующих 
в топливном балансе РФ энергетических топлив (природного 
газа и каменного угля), выбору номинальной тепловой мощности газовой 
горелки и по обоснованию замены для сжигания заданного газа 
на альтернативный газ другого месторождения.

Задание на курсовую работу содержит следующие исходные 

данные:

−
объемный состав горючих и не горючих газов в природном

газе заданного месторождения,

−
состав горючих и не горючих элементов в рабочей массе угля 

заданного месторождения,

−
влагосодержание природного газа и воздуха,

−
марка, КПД «брутто» парового котла и его номинальная теп-

ловая мощность,

−
коэффициент избытка воздуха на выходе из топки,

−
температура воздуха, поступающего в котел.

В курсовой работе выполняются следующие расчеты:
−
теоретически необходимого и действительного расходов кис-

лорода и воздуха,

−
состава и объемов продуктов горения,

−
энтальпии воздуха и продуктов горения,

−
номинальной тепловой мощности горелки для газового топлива,

−
чисел Воббе газовых топлив.

Расчеты могут выполняться при помощи программы «KP TGT

2011», дистрибутив которой студенты могут самостоятельно установить 
на ПК с операционной системой Windows 7 (и старше). 

1 

Рис. 1. Исходные данные, введенные в программу

Расчетно-пояснительная записка курсовой работы должна со-

держать:

−
цель и конкретные задачи расчетов,

−
представленные в табличном виде исходные данные,

−
расчетные формулы,

−
представленные в табличном виде результаты расчетов,

−
обоснование выбора номинальной тепловой мощности го-

релки для сжигания газа в котле,

−
обоснование выбора альтернативных природных газов, кото-

рые могли бы при необходимости сжигаться в котле взамен заданного 
газа,

−
общий вид горелки,

−
выводы и список использованной литературы.

Исходные данные для одного из вариантов, введенные в про-

грамму, представлены на рисунке 1.

Расчетные формулы в пояснительной записке должны приво-

диться с расшифровкой обозначений и краткими пояснениями по выбираемым 
величинам. 

Графическая часть курсовой работы состоит из чертежа общего 

вида газовой горелки, соответствующей заданному котлоагрегату, с 
изображением необходимых разрезов и сечений. Общее количество 
размеров на чертежах должно быть минимальным. 

Варианты заданий на курсовую работу приводятся в приложении. 

Номер варианта определяется по сумме двух последних цифр номера 
зачетной книжки. 

Необходимые для расчета адиабатной температуры газообразных 

продуктов сгорания топлива расчетный КПД брутто котла, %, (в программе 
назван коротко – КПД котла бр.) и его номинальная тепловая 
мощность, МВт (в программе – 𝑄к), определяются по таблице 2.12. 
Необходимые данные для выбора горелки приводятся в таблице 2.13.

РАСЧЕТ РАСХОДОВ ОКИСЛИТЕЛЯ 

И ОБЪЕМОВ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ

Состав природного газа в общем виде включает в себя горючие и 

негорючие газовые компоненты, которые принято задавать в объемных 
долях в % на 1 м3 газа 

CO + H2 + H2S + ∑ C𝑚H𝑛 + CO2 + N2 + O2 = 100 , %

м3,

где CO,H2, H2S, C𝑚H𝑛,O2 – горючие компоненты (окись углерода, водород, 
сероводород и углеводороды);

CO2,N2 – негорючие газы (двуокись углерода, азот).
Состав рабочей массы твердых и жидких топлив, в т.ч. каменного 

угля, задается по суммарной массе горючих и не горючих химических
элементов в процентах на 1 кг угля

C𝑝 + H𝑝 + S𝑜𝑝+𝑘

𝑝
+O𝑝 + N𝑝 + A𝑝 + W𝑝 = 100, %

кг,

где C𝑝,H𝑝,S𝑜𝑝+𝑘

𝑝
– горючие элементы (углерод, водород и сумма ор-

ганической и колчеданной серы);

O𝑝,N𝑝, A𝑝,W𝑝 – негорючие элементы (кислород, азот, минераль-

ные вещества, приводящие к образованию золы и влага). 

Определение теоретически необходимого расхода кислорода 

для полного сгорания горючих составляющих (элементов) топлива 
производится на основании следующих результативных реакций 
окисления1 при предположении, что кислород находится в н. у.
(𝑇 = 293 𝐾, 𝑝 = 0.1013 МПа):

1 Их называют также стехиометрическими реакциями, реакциями горения.

2 

а) для природного газа

{
 
 

 
 
CH4 + 2O2 = 2CO2 + 2H2O ,

𝐶𝑚H𝑛 + (𝑚 + 𝑛

4) O2 = 𝑚CO2 + 𝑛

2 H2O ,

CO + 0,5O2 = CO2 ,
H2 + 0,5O2 = H2O ,

H2S + 1,5O2 = O2 + H2O

(1)

б) для каменного угля2

{

C + O2 = CO2 ,
2H + O2 = 2H2O
S + O2 = SO2

,
(2)

2.1. Теоретически необходимые 

и действительные расходы окислителя

В соответствии с реакциями горения горючих компонентов 

природного газа (1) для полного сгорания 1 м3 газа требуется кислорода, 
м3

𝑉O2

0 = 0,01[0,5CO + 0,5H2 + 1,5H2S +

+ ∑(𝑚 + 𝑛/4)C𝑚H𝑛 –O2],м3

м3,

где C𝑚H𝑛,CO,H2, H2S,O2 – содержащиеся в природном газе углеводороды, 
окись углерода, водород, сероводород и кислород, (отдельные 
составляющие могут отсутствовать), %.

В соответствии с реакциями горения горючих элементов ка-

менного угля (2) для полного сгорания 1 кг угля требуется кислорода, 
м3

2 А также для других видов твердого топлива, в том числе древесного.