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 горению 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 химическими 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 количеству химических соединений, а по суммарной массе химических 
элементов в топливе в процентах на один килограмм, т. е. по элементному составу топлива.

Горючими элементами топлива являются углерод, водород, сера. 

Углерод является основным горючим элементом топлива, имеет высокую теплоту сгорания (34,4 МДж/кг) и составляет большую часть 
горючей массы топлива. Водород также имеет высокую теплоту сгорания (120,5 МДж/кг), но его содержание в топливе невелико (2–4 % 
в твердом и 10–11 % в жидком). Сера имеет невысокую теплоту сгорания (9,3 МДж/кг), ее содержание в топливе невелико (0,3–0,5 %), 
поэтому она не представляет ценности как горючий элемент. Но поскольку 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 минеральных 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 составляющих:

 
S
S
S
S
об
ор
п
сфт
=
+
+
.

Сумма двух первых слагаемых определяет содержание в топливе горючей серы:

 
S
S
S
г
ор
п
=
+
.

Различают пять основных состояний топлива. Рабочее состояние 

топлива (верхний индекс р (r)) — это состояние топлива с таким содержанием влаги и зольностью, с которым оно добывается, отгружается 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)) — состояние топлива, характеризуемое подготовкой пробы. Подготовка предусматривает размол до размеров частиц 0,2 мм и приведение в равновесие 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 топлива 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)) — условное 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, например из горючего состояния в рабочее, необходимо сделать следующие 

/ 1.2. Теплота сгорания топлива  /

преобразования. Запишем уравнение для рабочего состояния в следующем 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, справедливо 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 топлива и представляет собой количество тепловой энергии, выделяющейся в ходе химических реакций окисления горючих элементов 
газообразным кислородом. Различают высшую и низшую теплоту 
сгорания. Высшей теплотой сгорания Qв топлива называется количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг твердого 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 величину теплоты испарения влаги топлива и влаги, образующейся при 
горении водорода. При сжигании топлива в энергетических установках температура уходящих газов превышает 100 °C, влага, содержащаяся в продуктах сгорания, остается в парообразном состоянии 
и теплота испарения теряется. Количество водяного пара (кг) в продуктах сгорания, которое приходится на 1 кг топлива, представляет 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 конденсации 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 является 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 герметически закрытом металлическом сосуде — калориметрической бомбе, 
которую погружают в определенный объем воды. Количество теплоты, выделяющееся при сгорании этого топлива, определяют по повышению температуры этой воды.

Тепловой эффект, измеряемый с помощью калориметра, соответствует высшей теплоте сгорания, так как образующийся при горении 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 концентрацией 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 элементного состава. Метод определения теплоты сгорания по данным 
элементного состава топлива основан на использовании закона Гесса, 
согласно которому теплота прямого превращения топлива в продукты 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 простые вещества. В реальных топливах О, H и C связаны между собой 
в очень сложные молекулы с различными энергиями связи. Поскольку на разрыв этих связей при сжигании затрачивается различное количество энергии, поэтому до сих пор ни одно из модельных представлений не позволило получить универсальной формулы, позволяющей 
рассчитывать теплоту сгорания любого топлива. Наиболее удачной, 
т. е. простой и точной, является формула Д. И. Менделеева с эмпирически подобранными коэффициентами для соответствующих горючих 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 теплота 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 подставляют 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 экономичности 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 связана с расходом B топлива и теплотой сгорания очевидным соотношением, МВт, 

 
N
BQ
=
н
р .  
(1.14) 

Расход условного Bу топлива связан с расходом В натурального топлива 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, капиллярной влаги и молекул, адсорбированных на поверхности. Влага также 
может входить в состав минеральных соединений.

Для удобства определения влаги в угле, в соответствии с принятыми 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 капиллярная влага из открытых трещин и пор. В воздушно‑сухом угле остается 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 внешней влаги Wвн и влаги воздушно‑сухого топлива Wh.

Первую ступень — определение внешней влаги — проводят сушкой 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 лабораторной пробы (крупность частиц менее 3 мм). Влагу воздушно‑сухого 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 исходного влажного топлива, а при расчете Wh — к навеске воздушно‑сухого. Для того чтобы иметь возможность сложить эти величины, необходимо 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 пересчета 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 основных технологических характеристиках: снижает теплоту сгорания, увеличивает 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, называется влагой сыпучести. Для большинства топлив влага сыпучести 
всего на несколько процентов превышает рабочую.

Наибольшее содержание влаги в топливе, при котором еще не происходит 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: обезвоживание (путем отстаивания, нагревания и центрифугирования), 
вымораживание с перелопачиванием, добавка несмерзающихся материалов, обмасливание нефтепродуктами, разгрузка с применением 
устройств для дробления, обогрев бункеров, разогрев в вагонах.

Минеральные примеси твердого топлива
Присутствие в твердых топливах минеральных компонентов обусловлено следующими причинами: наличие минеральных органических веществ в исходном органическом материале, накопление 
в залежи вместе с органическим материалом минеральных веществ, 
заносимых водой и ветром, попаданием в топливо минералов из окружающих горных пород при разработке месторождения. Доля их зависит 
от геологии пласта и способа его разработки. С увеличением механизации добычи эта доля минеральных примесей значительно возрастает.

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

Примеси твердого топлива образованы большим числом различных минеральных веществ, главными из которых обычно являются алюмосиликаты (Al2O3·2SiO2·2H2O), кремнезем (SiO2), карбонаты (CaCO3, MgCO3, FeCO3), сульфиды (FeS2, CaS), сульфаты (CaSO4, 
MgSO4), соли щелочных металлов (NaCl, KCl). Помимо перечисленных основных компонентов в минеральных примесях твердого топлива присутствуют часто в повышенных концентрациях соединения многих редких элементов: платины, палладия, никеля, кобальта, германия,  
урана и др.

Зольность угля — это масса золы, определяемая в установленных условиях, 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 топлива (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 озоление. При медленном озолении зольный остаток прокаливают в течение 1 ч при анализе бурых углей и горючих сланцев и 1,5 ч при анализе каменных углей и антрацитов. Сущность ускоренного озоления 
заключается в постепенном продвижении лодочек с навесками в нагретую до (815±15) °C муфельную печь. Лодочки помещают на пластинку 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 газоходах отложений очаговых остатков, сопровождающееся упрочнением этих отложений. Интенсивность шлакования во многом зависит 
от состава и свойств минеральной части топлива. Накопление шлаковых отложений начинается с появления на поверхности так называемого первичного слоя, в образовании которого важное место занимает конденсация паров легколетучих компонентов минеральной части 
топлива — главным образом оксидов (K2O, Na2O) и хлоридов (NaCl, 
KC) щелочных металлов. На поверхности первичного слоя происходит рост рыхлого вторичного слоя отложений, температура поверхности которого быстро увеличивается и может превысить температуру 
появления жидкой фазы, что ускоряет рост толщины слоя.