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. Проанализировано влияние характеристик топлива на конструктивные и технологические 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 «Теплоэнергетика 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 характеризовалось глубоким теоретическим анализом соответствующих явлений и их закономерностей. Это направле
ние было сохранено и развито и в дальнейшем, причем глубокой 
научной разработке были подвергнуты все основные стороны рабочего процесса котла. Российских ученых, начиная с И. И. Ползунова (1728–1766 гг.), изобретателя паровой машины, а также парового котла с автоматическим регулированием питания, всегда 
отличала глубокая теоретическая проработка и оригинальные практические решения самых сложных вопросов развития котельной  
техники.

Цели настоящего издания:
- проследить динамику непрерывного развития топочных техно
логий, научно-технического, технологического и аппаратурного обеспечения 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 энергетики 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 кадров является непрерывность творческого поиска, выполнение 
самых передовых, перспективных разработок в топочной технике, не ограниченное переложением иностранных технологий (как 
это зачастую делается сейчас). Необходимо создавать и выводить 
на мировой рынок отечественную конкурентоспособную научнотехническую 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 рассмотрели ее в различных временных срезах, охватывающих весь период 
развития отечественной энергетики, и связи его с процессами в мировой энергетике. Это позволит наглядно убедиться в непрерывности 
направленного развития топочной технологии как условия развития 
отрасли, в последовательном формировании научно-технической и методической базы совершенствования процессов и оборудования для 
сжигания широкого спектра энергетических углей, утверждать значимость инженерного творчества, развивать творческое мышление современных 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 актуаль
ным 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-горелочных 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, исследователя, 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 более одного столетия. Однако законы, определяющие условия использования и преобразования электричества, изучены более глубоко, чем 
законы, определяющие горение. Эта, казалось бы, парадоксальная ситуация определяется сложностью процессов горения, в которых одновременно протекают разветвленные химические реакции, диффузионные, тепло- и массообменные процессы.

Научные исследования горения начались в XVI в. и постепенно 

углублялись в течение последующих пяти веков. От поколения к поколению ученых — физиков и химиков — передавалась эстафета все 
большего постижения столь очевидного и загадочного процесса преобразования 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, утверждавшей 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 флогистона; 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 революцию, но стал жертвой другой революции — Великой французской — 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 неощущаемые 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, соз
дал 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 хи
мических 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 термо
динамики [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 при
роде в неизменном количестве, она, собственно говоря, никогда 
не создается, никогда не уничтожается, она меняет форму, вызывает то один вид движения, то другой, но никогда не исчезает;

• эквивалент тепловой и механической энергии — определил 

численное значение этого эквивалента, позднее несколько 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 добыть холод, без него теплота стала бы бесполезной. Повсюду, 
где имеется разность температур, может происходить возникновение 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 путем в несколько приемов, количество выделившегося при его образовании 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 уравнение состояния идеального газа;

— Р. Клаузиус (1822–1888 гг.) — много сделал для утверждения вто
рого закона термодинамики, для обратимых термодинамических процессов установил математическое выражение Q1/Q2 = T1/T2 и далее 
установил, что для кругового процесса, когда рабочее тело возвращается в исходное состояние, изменение энтропии равно нулю.

— У. Томпсон (лорд Уильям Кельвин) (1824–1907 гг.) — сформу
лировал второе начало термодинамики («в природе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, совершенная за счет охлаждения теплового резервуара»). Ввел 
понятие абсолютной температуры и абсолютной шкалы температур 
(шкала Кельвина), выдвинул теорию строения атомов (1902 г.), рассчитал размер молекулы.

— А. Ле Шателье (1850–1936 гг.) — создатель принципа химическо
го равновесия системы — принципа Ле Шателье (химически равновесная 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 увеличению его расходования в прямой реакции). Впервые использовал фотосъемку для исследования распространения пламени.

— Д. И. Менделеев (1834–1907 гг.) — создатель периодической си
стемы элементов (1869 г.), занимался вопросами развития топливодобывающих отраслей — угле- и нефтедобычи, рационального использования топлив («уголь как топливо, нефть как сырье»); высказал идею 
подземной газификации угля, использования протяженных газопроводов. Ввел понятие «абсолютной температуры кипения» (критическая температура, при которой плотности жидкости и пара данного 
вещества совпадают, отсутствует фазовый переход). Корректировал 
уравнение состояния идеального газа (уравнение Клайперона — Менделеева) [6].

— С. Аррениус (1859–1927 гг.) — разработал теорию электролити
ческой диссоциации (распад молекулы в растворе на положительный 
и отрицательный фрагменты — ионы, которые направляются к противоположно заряженным электродам). Ввел понятие энергии активации 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 пламени, установил зависимость скорости распространения фронта воспламенения от состава горючей газовой смеси; заложил основы теории взрывного горения [7].

В XX в. с опорой на такой огромный научный задел трудами мно
гих выдающихся западных и отечественных ученых, крупных научных коллективов были сформулированы основные положения теории 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