Практикум по расчету горения топлива

  
 
 
 
 
 
 
Б. М. Гришко, П. А. Трубаев 
 
 
 
ПРАКТИКУМ 
ПО РАСЧЕТУ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
 
 
1 

УДК 662.61 
ББК 31.35 
Г85 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. (ГОУВПО «ДонНТУ») А. Б. Бирюков; 
д-р техн. наук, проф. (НИУ «МЭИ») Е. Г. Гашо; 
д-р техн. наук, проф. (ФГБОУ ВО «ВГТУ») Н. В. Мозговой; 
канд. техн. наук, доц. (ФГБОУ ВО «БГТУ им. В. Г. Шухова») Д. Ю. Суслов  
 
 
 
Гришко, Б. М. 
Г85  
Практикум по расчету горения топлива : учебное пособие / Б. М. Гришко, П. А. Трубаев. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 140 с. : 
ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1296-4 
 
Рассмотрены расчеты горения по составу топлива и по известному 
составу отходящих газов, расчет температуры горения, приведены примеры расчетов и контрольные задания.  
Для студентов теплоэнергетических и теплотехнических направлений подготовки. 
 
УДК 662.61 
ББК 31.35 
 
 
 
 
 
 
На обложке изображена горелка фирмы KIPI (https://kipi.pl/) 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1296-4 
© Гришко Б. М., Трубаев П. А., 2023 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
 
2 

 
СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
Введение ...................................................................................................................... 7 
1. Состав и теплота сгорания топлива 
................................................................ 12 
1.1. Состав топлива, пересчет состава топлива с одной массы на другую ........ 12 
Основные понятия и расчетные формулы .............................................................. 12 
Пример 1. Перевод горючей массы топлива на рабочую 
.................................. 14 
Пример 2. Пересчет состава твердого топлива .................................................. 14 
Пример 3. Расчет состава рабочей массы топлива при изменении  
влажности топлива ................................................................................................ 15 
Пример 4. Расчет плотности природного газа 
.................................................... 16 
1.2. Теплота сгорания топлива ................................................................................ 17 
Основные понятия и расчетные формулы .............................................................. 17 
Пример 5. Расчет теплоты сгорания рабочей массы топлива 
........................... 18 
Пример 6. Расчет теплоты сгорания рабочей массы топлива  
при изменении влажности .................................................................................... 18 
Пример 7. Расчет теплоты сгорания газообразного топлива 
............................ 19 
2. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания по составу топлива 
......... 21 
2.1. Расчет теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания  
для твердого и жидкого топлива 
.............................................................................. 21 
Основные расчетные формулы ................................................................................ 21 
Пример 8. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания  
по составу твердого топлива ................................................................................ 22 
Пример 9. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания  
по составу мазута .................................................................................................. 23 
Пример 10. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания  
по составу дров ...................................................................................................... 25 
2.2. Расчет теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания 
для газообразного топлива ....................................................................................... 26 
Основные расчетные формулы ................................................................................ 26 
Пример 11. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания  
по составу природного газа 
.................................................................................. 28 
2.3. Расчет действительных объемов воздуха и продуктов сгорания 
................. 29 
Расчет действительных объемов воздуха и продуктов сгорания 
по составу твердого и жидкого топлива ................................................................. 29 
Расчет действительных объемов воздуха и продуктов сгорания 
по составу газообразного топлива ........................................................................... 30 
Пример 12. Расчет количества воздуха, необходимого на горение,  
объема продуктов сгорания и низшей теплоты сгорания для твердого  
топлива ................................................................................................................... 31 
3 

 
Пример 13. Расчет количества воздуха, необходимого на горение,  
объема продуктов сгорания и низшей теплоты сгорания  
для природного газа .............................................................................................. 33 
3. Расчет горения по составу продуктов сгорания ........................................... 35 
3.1. Расчет коэффициента избытка (расхода) воздуха ......................................... 35 
Влияние α на эффективность использования топлива 
.......................................... 35 
Определение α в действующих топливоиспользующих установках................... 36 
«Азотная» формула для расчета α 
........................................................................... 37 
«Кислородная» формула расчета α ......................................................................... 38 
Расчет α по упрощенному методу М. Б. Равича .................................................... 38 
Упрощенный метод расчета α по углекислотной формуле 
.................................. 40 
Пример 14. Расчет коэффициента избытка (расхода) воздуха  
при полном сгорании топлива ............................................................................. 42 
Пример 15. Расчет коэффициента избытка (расхода) воздуха  
при наличии недожога .......................................................................................... 43 
Пример 16. Расчет коэффициента избытка (расхода) воздуха  
по содержанию в продуктах сгорания O2 и CO ................................................. 44 
3.2. Основное уравнение горения ........................................................................... 44 
Основные понятия и расчетные формулы .............................................................. 44 
Пример 17. Определение коэффициента избытка (расхода) воздуха  
по уравнению газового анализа при неполном сгорании топлива .................. 46 
Пример 18. Определение коэффициента избытка (расхода) воздуха  
по уравнению газового анализа при полном сгорании топлива ...................... 46 
3.3. Определение коэффициента использования природного газа ..................... 47 
Основные понятия и расчетные формулы .............................................................. 47 
Пример 19. Расчет коэффициента использования топлива  
при неполном сгорании ........................................................................................ 49 
Пример 20. Расчет коэффициента использования топлива  
при полном сгорании ............................................................................................ 50 
Пример 21. Расчет коэффициента использования топлива  
по данным газового анализа и коэффициенту h 
................................................... 51 
Пример 22. Расчет коэффициента использования топлива по данным  
полного газового анализа ..................................................................................... 51 
3.4. Расчет объема продуктов сгорания по их составу 
......................................... 52 
Основные понятия и расчетные формулы .............................................................. 52 
Пример 23. Определение объема продуктов сгорания мазута  
по содержанию RO2 и СО 
..................................................................................... 53 
Пример 24. Определение объема продуктов сгорания природного газа  
по содержанию RO'2 и горючих газов 
................................................................. 54 
4 

 
4. Расчет температуры горения ............................................................................ 56 
4.1. Калориметрическая температура горения. 
Жаропроизводительность топлива .......................................................................... 56 
Определение калориметрической температуры горения балансовым  
методом....................................................................................................................... 56 
Жаропроизводительность топлива .......................................................................... 57 
Определение калориметрической температуры горения 
упрощенными методами 
........................................................................................... 58 
Пример 25. Расчет калориметрической температуры горения  
балансовым методом 
............................................................................................. 59 
Пример 26. Упрощенный расчет жаропроизводительности  
пропана ................................................................................................................... 60 
Пример 27. Определение калориметрической теплоты сгорания  
природного газа упрощенными методами 
.......................................................... 61 
4.2. Определение теоретической температуры горения 
....................................... 63 
Основные понятия и расчетные формулы .............................................................. 63 
Пример 28. Расчет теоретической температуры горения метана 
..................... 65 
4.3. Определение расчетной температуры горения .............................................. 66 
Основные понятия и расчетные формулы .............................................................. 66 
5. Расчет сжигания нетрадиционного топлива и совместного сжигания 
разных топлив 
.......................................................................................................... 68 
5.1. Расчет горения биогаза ..................................................................................... 68 
Пример 29. Расчет выбросов парниковых газов от отходов,  
генерируемых одним человеком 
.......................................................................... 69 
5.2. Расчет горения RDF-топлива и отходов ......................................................... 71 
Пример 30. Расчет состава и теплоты сгорания RDF-топлива ......................... 73 
5.3. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания при совместном  
сжигании нескольких видов топлива ...................................................................... 75 
Расчет при совместном сжигании топлива одного вида ....................................... 76 
Расчет совместного сжигания при заданном количестве  
или расходе топлив ................................................................................................... 76 
Расчет совместного сжигания твердого (жидкого) топлива и газообразного .... 77 
Расчет при заданных долях тепловыделения ......................................................... 78 
Библиографический список .................................................................................. 80 
Приложение 1. Свойства газов при нормальных условиях .................................. 81 
Приложение 2. Теплоемкость основных газов 
....................................................... 82 
Приложение 3. Степень диссоциации трехатомных газов 
.................................... 84 
Приложение 4. Величина Z и характеристики продуктов полного сгорания  
природного газа ......................................................................................................... 87 
5 

 
Приложение 5. Состав и характеристики твердого, жидкого  
и газообразного топлива ........................................................................................... 91 
Приложение 6. Состав биогаза 
............................................................................... 101 
Приложение 7. Состав и характеристики твердых коммунальных отходов 
..... 102 
Приложение 8. Инструментальные средства определения состава  
отходящих газов ...................................................................................................... 104 
Приложение 9. Расчет горения топлива в электронных таблицах 
..................... 114 
 
6 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Топливом называют вещество, способное выделять энергию в ходе определённых процессов (химических или ядерных реакций), которую можно использовать для технических целей. 
Органическое топливо состоит из химических соединений, которые вступают в химическую реакцию с окислителем и выделяют в процессе горения 
теплоту.  
Органическое топливо по агрегатному состоянию бывает трех видов: 
1) твердое (бурые и каменные угли, антрацит, торф, древесина, горючие 
сланцы, кокс, сельскохозяйственные и бытовые отходы и др.); 
2) жидкое (мазут, дизельное топливо, бензин и др.); 
3) газообразное (природный газ, генераторный, доменный, коксовый и др. 
искусственные газы, биогаз). 
По происхождению природные топлива делят на природные и искусственные, специально получаемые из других органических веществ (синтетическое 
топливо, биотопливо) или являющиеся побочными продуктами технологического процесса (доменный. коксовый газ и др.). 
 
Материальный баланс процесса горения 
 
Основными горючими химическими элементами в топливе является углерод C и водород H, поэтому его называют углеводородным. При их соединении 
с окислителем, которым в большинстве случаев является кислород, образуются 
углекислый газ CO2 и водяные пары H2O. Если в топливе присутствует горючая 
сера, то при сгорании топлива также образуется двуокись серы SO2. Так как в 
качестве окислителя используется кислород воздуха, то в состав продуктов сгорания переходит азот, входящий в состав атмосферного воздуха, и азот, содержащийся в топливе. 
Если на горение подается столько воздуха, сколько необходимо для полного сгорания топлива без остатка кислорода (теоретический объем воздуха, необходимый для горения), такое соотношение называют стехиометрическим, и 
теоретический состав продуктов сгорания состоит из CO2, H2O, N2 и, при наличии в топливе горючей серы, SO2.  
На практике для обеспечения полного сгорания топлива объем воздуха, 
подаваемого на горение (действительный объем воздуха), всегда больше теоретического объёма. Лишний кислород, не вступивший в реакцию и присутствующий в продуктах сгорания, называется избыточным. Действительный состав 
продуктов полного сгорания (рис. 1) состоит из четырех газов: 
– углекислый газ CO2; 
– водяные пары H2O; 
– азот N2; 
– кислород О2; 
– диоксид серы SO2 (при наличии в топливе горючей серы). 
7 

 
Топливо 
SO2 (при наличии 
в топливе горючей серы) 
+ 
CO2 
RO2 
Продукты 
полного 
сгорания 
 
Воздух: 
H2O (продукт горения, влага 
топлива и воздуха) 
Влага топлива и воздуха, 
негорючие компоненты 
и избыточный кислород 
 
21 % кислорода О2 
79 % азота N2 
О2 (избыточный) 
N2 
 
Рис. 1. Процесс горения топлива 
 
Сумму содержания двуокиси углерода и серы обозначают как RO2 (˕˓ˈ˘˃˕ˑˏː˞ˈ ˆ˃ˊ˞). 
 
Понятие о материальном балансе горения газообразного топлива 
Химическое уравнение горения метана СH4, из которого на 90–98 % состоит природный газ, в кислороде следующее: 
 
ʠH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O,  
 
то есть для сжигания 1 м3 метана требуется 2 м3 кислорода, а продукты сгорания содержат 1 м3 CO2 и 2 м3 H2O. Основные компоненты воздуха – 21 % кислорода О2 и 79 % азота N2 (по объему). Поэтому 2 м3 кислорода содержится в 
2/0,21 = 9,52 м3 воздуха. Таким образом, в продуктах сгорания метана при стехиометрическом соотношении содержится: 
CO2  ........ 1 м3 (9,5 объемных %); 
H2О  ........ 2 м3 (19,0 объемных %); 
N2  ........... 0,79·9,52 = 7,52 м3 (71,5 объемных %). 
При определении фактического состава продуктов сгорания с помощью 
специальных приборов – газоанализаторов определяется состав сухих газов, их 
состав при стехиометрическом соотношении объемов топлива и воздуха: 
CO2  
......... 1 м3 (11,8 объемных %); 
N2  ........... 7,52 м3 (88,2 объемных %). 
Величина 11,8 % – это максимальное содержание углекислого газа СО2 max 
при сжигании природного газа, состоящего в основном из метана. 
 
Понятие о материальном балансе горения твердого и жидкого топлива 
В состав горючей массы твердого и жидкого топлива входят сложные органические соединения, в основном состоящие из углерода C и водорода H. 
Также в топливе присутствуют кислород О, азот N и сера S. Поэтому состав 
твердого и жидкого топлива выражают в виде массового содержания химических элементов, а реакцию горения топлива представляют как химические реакции соединения горючих химических элементов с кислородом. 
 
 
8 

 
Коэффициент избытка (расхода) воздуха 
Отношение действительного объема воздуха, подаваемого на горение, Vв к 
теоретическому объёму, необходимому для полного сгорания топлива в стехиометрическом соотношении ܸ
˅
଴, называется коэффициентом избытка (расхода) воздуха α: 
 
 
Ƚ = ܸ
˅
ܸ
˅଴. 
(1) 
 
При увеличении значения α за счет их разбавления избыточным воздухом 
увеличивается объем продуктов сгорания, что приводит к увеличению потерь 
теплоты с уходящими газами и снижению теплового КПД топливоиспользующей установки, снижению температуры горения. Обычно при сжигании топлива в высокотемпературных установках поддерживают α = 1,05...1,06 для природного газа и α = 1,2 для твердого пылевидного топлива, при этом должна 
быть обеспечена полнота сгорания (отсутствие продуктов недожога CO, CH4, 
H2).  
Если топливо сгорает не полностью, то часть углерода окисляется не до 
углекислого газа CO2, а до оксида углерода (угарного газа) CO. По содержанию 
в продуктах сгорания CO, измеряемого с помощью газоанализаторов, определяют степень недожога топлива. 
 
Температура горения 
 
Температура горения – это средняя по объему температура, до которой 
нагреваются продукты сгорания. Температуру горения для реальных условий 
(действительную) можно определить из теплового баланса: 
 
 ܳː
˓ + Q˗.˕ + Q˗.˅ = Q˒.ˆ + Q˒ˑ˕ + Qˇˋ˔˔,  
 
где ܳː
˓ – низшая теплота сгорания топлива; Qф.т и Qф.в – физическая теплота (энтальпия) топлива и воздуха, подаваемых на горение; Qп.г – энтальпия продуктов 
сгорания; Qпот – потери теплоты в окружающую среду, связанные с недожогом 
топлива и др.; Qдисс – теплота, затрачиваемая на диссоциацию трехатомных газов (разложение на более простые составляющие при высоких температурах, 
обратимое при охлаждении, для находящихся в продуктах сгорания CO2 и H2O 
имеет место при температурах свыше 1700 °С). 
Так как энтальпия продуктов сгорания определяется через их удельную 
объемную теплоемкость сп.г, объем Vп.г и температуру t:  
 
Q˒.ˆ = ˔˒.ˆ V˒.ˆ t, 
 
9 

 
то расчетная (действительная) температура горения может быть определена по 
выражению:  
 
 
. 
(2) 
ݐ˓˃˔˚ =
ܳː
˓ + ܳ˗.˕ + ܳ˗.˅– ܳ˒ˑ˕ െܳˇˋ˔˔
ܿ˒.ˆܸ
˒.ˆ
 
Для сравнения различных топлив и технических расчетов применяют также следующие характеристики: 
– теоретическая температура горения определяется с учетом диссоциации, 
но без учета потерь теплоты: 
 
, 
(3) 
ݐ˕ˈˑ˓ =
ܳː
˓ + ܳ˗.˕ + ܳ˗.˅ െܳˇˋ˔˔
ܿԢ˒.ˆܸԢ˒.ˆ
 | ܳː
˓ െܳˇˋ˔˔
ܿԢ˒.ˆܸԢ˒.ˆ
 
где ܿԢ˒.ˆܸԢ˒.ˆ – теплоемкость и объем продуктов сгорания с учетом диссоциации 
трехатомных газов;  
– калориметрическая температура горения рассчитывается без учета потерь теплоты и диссоциации: 
 
; 
(4) 
ݐˍ˃ˎ =
ܳː
˓ + ܳ˗.˕ + ܳ˗.˅
ܿ˒.ˆܸ
˒.ˆ
– максимальная температура горения топлива (жаропроизводительность) 
определяется при условии стехиометрического сжигания топлива при коэффициенте избытка (расхода) воздуха α = 1, температуре топлива и воздуха, подаваемым на горение, равной 0 °С, и без учета потерь и диссоциации по выражению: 
 
ݐ୫ୟ୶=
ܳː
˓
ܿ˒.ˆܸ
˒.ˆ
଴. 
(5) 
 
Особенность расчета по выражениям (2)–(5) состоит в том, что удельная 
теплоемкость сп.г и теплота диссоциации ܳˇˋ˔˔ зависит от определяемой температуры горения. Поэтому температуру находят итерационным способом. Сначала задается первое приближение – примерное значение температуры, и по 
ней определяется удельная теплоемкость продуктов сгорания и теплоты диссоциации. Затем рассчитывается температура горения и сравнивается с принятым 
значением. Если отклонение большое, удельная теплоемкость продуктов сгорания и теплота диссоциации определяется при новой температуре и расчет повторяется. Вычисления прекращаются, когда отличие значений температур на 
текущем и предыдущем шаге становятся незначительными.  
10