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