Топливо и основы теории горения

 
 
 
 
 
ǩ. Ƿ. ǩǬǫǷǺǾǬǴDZǵ 
ǩ. ǩ. DZǷǧǰǴǵǩ 
ǩ. DZ. ǪǧǧDZ 
 
 
 
 
 
ǹǵǶDzǯǩǵ ǯ ǵǸǴǵǩȂ ǹǬǵǷǯǯ ǪǵǷǬǴǯȆ 
 
 
dzȕȔȕȊȗȇțȏȦ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
dzȕȘȑȉȇ    ǩȕȒȕȊȋȇ 
«ǯȔțȗȇ-ǯȔȍȌȔȌȗȏȦ» 
2024 
 

УДК 662.61 
ББК 31.35 
В26 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор А. П. Болштянский; 
доктор технических наук, профессор И. И. Гончар; 
кандидат технических наук, доцент Ю. П. Макушев 
 
 
 
 
 
 
 
Ведрученко, В. Р.  
В26   
Топливо и основы теории горения : монография / В. Р. Ведрученко, 
В. В. Крайнов, В. К. Гаак. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 
220 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1651-1 
 
Изложены основные фундаментальные и новые сведения о разных видах топлива: энергетического, местного и альтернативного. Приведены методы их классификации; проанализированы физико-химические, энергетические, эксплуатационные и 
экологические показатели качества. Изложены новые методы топливоподготовки. Приведены основные положения теории воспламенения и горения: рассматриваются методы, способы и условия рационального сжигания разных видов топлива как в котельных топках, так и в топках других топливосжигающих устройств. Рассмотрены основные положения по расчету процессов горения разных видов топлива в топках котельных установок и методы контроля процесса горения во взаимосвязи с основами теплообмена. Приведены результаты авторских исследований водомазутных эмульсий и дисперсных топливных систем, повышающих эффективность сжигания низкосортных видов топлива. 
Для инженерно-технических работников котельных и проектных организаций, 
преподавателей, аспирантов, студентов специальности «Промышленная теплоэнергетика» и других теплоэнергетических специальностей, а также для слушателей Института повышения квалификации и переподготовки. 
 
 
УДК 662.61 
ББК 31.35 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1651-1 
” Ведрученко В. Р., Крайнов В. В., Гаак В. К., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 6 
 
1. Топливо, его состав и основные технические характеристики .......................... 9 
1.1. Источники энергии для котельных установок промышленных  
предприятий ................................................................................................................. 9 
1.2. Общие сведения о топливе и его классификация по агрегатному  
состоянию 
................................................................................................................... 10 
1.3. Элементарный химический состав топлива .................................................... 12 
1.4. Балласт топлива .................................................................................................. 15 
1.4.1. Зола топлива 
................................................................................................... 15 
1.4.2. Влага топлива ................................................................................................ 18 
1.5. Методы пересчета элементарного состава топлива ....................................... 20 
1.6. Летучие вещества и спекаемость топлива ....................................................... 23 
1.6.1. Летучие вещества .......................................................................................... 23 
1.6.2. Коксовый остаток 
.......................................................................................... 25 
1.7. Теплота сгорания топлива. Понятие об условном топливе ........................... 27 
1.7.1. Высшая и низшая теплота сгорания 
............................................................ 27 
1.7.2. Определение теплоты сгорания по химическому составу топлива ......... 29 
1.7.3. Теплота сгорания смесей .............................................................................. 30 
1.7.4. Условное топливо и топливные эквиваленты ............................................ 31 
1.8. Топливные стандарты. Общие понятия об исследовании топлива  
и отборе проб ............................................................................................................. 32 
1.8.1. Классификация топливных стандартов ...................................................... 32 
1.8.2. Методы исследования топлива .................................................................... 33 
1.8.3. Общие принципы отбора проб 
..................................................................... 35 
 
2. Характеристика отдельных видов топлива ........................................................ 37 
2.1. Общая характеристика топлива ........................................................................ 37 
2.2. Древесное топливо ............................................................................................. 37 
2.3. Торф ..................................................................................................................... 38 
2.4. Ископаемые угли и их классификация ............................................................ 42 
2.4.1. Техническая классификация и свойства каменных углей ........................ 45 
2.4.2. Антрациты 
...................................................................................................... 47 
2.4.3. Требования, предъявляемые к углям различными потребителями ......... 48 
2.4.4. Хранение углей и горючих сланцев ............................................................ 50 
2.5. Горючие сланцы и их характеристики 
............................................................. 54 
2.6. Искусственное твердое топливо ....................................................................... 55 
2.7. Жидкое топливо 
.................................................................................................. 57 
2.7.1. Происхождение нефти и ее запасы 
.............................................................. 57 
2.7.2. Гипотезы о происхождении нефти .............................................................. 59 
2.7.3. Мазут как энергетическое топливо ............................................................. 60 
2.8. Способы получения жидкого топлива из альтернативного сырья 
................ 61 
2.9. Искусственное жидкое топливо 
........................................................................ 62 
2.9.1. Методы получения искусственного жидкого топлива 
.............................. 62 
3 

2.9.2. Переработка смол полукоксования ............................................................. 62 
2.9.3. Деструктивная гидрогенизация твердого топлива .................................... 63 
2.9.4. Синтез жидкого топлива из газов 
................................................................ 65 
2.9.5. Влияние состава и теплофизических свойств жидкого нефтяного  
топлива и дисперсных топливных систем на температуру газов в топке 
......... 66 
2.9.6. Реакционная способность и воспламеняемость многокомпонентного  
жидкого топлива в виде капельного факела, сжигаемого  
в топке котельной установки ................................................................................. 80 
2.9.7. Влияние энергетических показателей качества жидкого  
нефтяного топлива на коммерческую выгоду 
...................................................... 90 
2.10. Газообразное топливо ...................................................................................... 95 
2.10.1. Виды газообразного топлива и его преимущества .................................. 95 
2.10.2. Природный газ ............................................................................................. 97 
2.10.3. Искусственные виды газообразного топлива 
........................................... 98 
2.11. Ядерное топливо, топливные ресурсы и динамика  
топливопотребления 
................................................................................................ 103 
 
3. Основы теории горения ...................................................................................... 106 
3.1. Общие понятия о процессе горения ............................................................... 106 
3.2. Тепловой эффект и кинетика реакции горения 
............................................. 108 
3.3. Горение газообразного топлива 
...................................................................... 114 
3.3.1. Разветвленные и неразветвленные цепные реакции ............................... 114 
3.3.2. Тепловое воспламенение газообразного топлива и концентрационные 
пределы 
................................................................................................................... 116 
3.3.3. Классификация топок и общие характеристики процессов сжигания  
разных видов топлива ........................................................................................... 118 
3.3.4. Виды горения газообразного топлива и газовые горелки 
....................... 125 
3.4. Горение жидкого нефтяного топлива 
............................................................. 131 
3.4.1. Горение капли жидкого топлива ............................................................... 131 
3.4.2. Распыливание жидкого топлива и форсуночные устройства 
................. 133 
3.4.3. Факельное сжигание жидкого топлива и его стабилизация ................... 136 
3.5. Горение твердого топлива ............................................................................... 170 
3.5.1. Периоды воспламенения и горения твердого топлива 
............................ 170 
3.5.2. Структура горящего твердого топлива в слое  
и в пылевидном состоянии ................................................................................... 172 
 
4. Расчет процессов горения 
................................................................................... 177 
4.1. Полное и неполное горение. Основные количественные соотношения .... 177 
4.2. Горение углерода, водорода и серы в воздухе.  
Баланс продуктов сгорания .................................................................................... 179 
4.3. Теоретическое (расчетное) количество воздуха для горения.  
Коэффициент избытка воздуха .............................................................................. 181 
4.4. Продукты сгорания, их состав и количество 
................................................. 184 
4.4.1. Продукты сгорания твердого и жидкого топлива 
.................................... 184 
4.4.2. Продукты сгорания газообразного топлива ............................................. 190 
 
4 

5. Методы контроля процессов горения топлива и основы теплообмена  
в топке 
....................................................................................................................... 193 
5.1. Анализ газов и определение количества продуктов сгорания 
по данным газового анализа 
................................................................................... 193 
5.2. Определение количества окиси углерода в продуктах сгорания ................ 195 
5.3. Определение коэффициента избытка воздуха  
по составу продуктов сгорания 
.............................................................................. 197 
5.4. Уравнения неполного и полного горения 
...................................................... 199 
5.5. Основы теплообмена в топке .......................................................................... 201 
5.5.1. Энтальпия (теплосодержание) продуктов сгорания.  
Температура горения ............................................................................................ 201 
5.5.2. Теоретическая температура горения ......................................................... 202 
5.5.3. Прямая отдача и температура топки ......................................................... 205 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 207 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................... 208 
 
ПРИЛОЖЕНИЕ ....................................................................................................... 212 
 
5 

ВВЕДЕНИЕ 
Топливом в технике называют вещества, способные в процессе химических превращений (окислений), объединяемых общим термином «горение», выделять значительное количество тепловой энергии, которая может быть использована человеком. 
Для промышленных и коммунально-бытовых потребителей основным топливом является органическое: уголь, торф, природные и искусственные газы, 
остатки переработки нефти и др. Обычно это топливо при производстве пара или 
горячей воды сжигается в топочном устройстве. При этом образуются газы высокой температуры (продукты сгорания), тепло которых и используется далее 
для получения водяного пара (или горячей воды) в паровом котле. 
Такое представление о топливе подтверждается данными, качественно и 
количественно ограничивающими круг веществ, которые, обладая целым рядом 
вторичных технико-экономических признаков, могут быть использованы в качестве источника тепловой энергии. 
К числу признаков, полностью охватывающих характеристики топлива и 
отражающих те требования, которые предъявляются к нему процессами использования, относятся следующие. 
1. Достаточно большой для современной техники процент использования 
энергии, освобождающейся при горении единицы веса (или объема) для вещества в газообразном состоянии. 
2. Достаточно большие и допускающие экономически целесообразную добычу запасы данного вида горючего в природе. 
3. Газообразное состояние продуктов горения, обеспечивающее, благодаря 
легкости их перемещения, возможность использования получаемого тепла вне 
места его выделения. 
4. Безвредность продуктов горения топлива как для процесса, в котором 
используется теплота горения, так и для аппаратуры, обслуживающего персонала и окружающей среды. 
Однако выделение в процессе превращения большого количества тепловой 
энергии является недостаточным, хотя и существенным признаком топлива. 
Хотя в ряду химических превращений веществ можно найти значительное число 
таких, горение которых сопровождается выделением большого количества тепловой энергии, однако в качестве топлива техника выделяет лишь те вещества,  
в процессе превращения которых в качестве окислителя участвует кислород. 
Следовательно, топливо должно состоять из элементов, способных окисляться 
(соединяться) с кислородом. 
Перечисленные выше признаки определяют виды топлива, которые могут 
удовлетворять требованиям самых разнообразных технологических процессов. 
Однако всем перечисленным требованиям одновременно удовлетворяют 
лишь вещества органического происхождения, так как 
– образующие органические соединения углерод С и кислород Н характеризуются высокими значениями тепловых эффектов их окисления-горения;  
– продукты окисления этих элементов газообразны;  
6 

– продукты эти относительно безвредны для обрабатываемых материалов 
и в малых концентрациях безвредны для окружающей среды. 
Что касается наличия достаточных запасов веществ органического происхождения в природе, то современный растительный мир и продукты превращения растительности отдаленных исторических эпох – ископаемые угли, нефть, 
частично возобновляемые также за счет современной растительности, представляют огромный источник энергии.  
На всем протяжении развития топочной и котельной техники научная  
и техническая мысль была направлена на создание наиболее рациональных методов сжигания топлива и получения водяного пара. 
В конце XIX и начале XX в. в России строились топочные устройства  
и паровые котлы простейших типов, рассчитанные на низкое давление пара  
(12–18 атм), громоздкие и малоэкономичные. Более крупные и технически совершенные агрегаты ввозились из-за границы. 
В начале двадцатых годов прошлого столетия отечественная топочно-котельная техника начала развиваться бурными темпами. Особенно интенсивное 
развитие котельные установки получили в послевоенные годы. За это время достигнуты существенные количественные и качественные сдвиги в конструировании, производстве, монтаже, эксплуатации и топливоиспользовании в котельных установках. 
Успехи советских теплотехников в области развития котельных установок 
являются естественным продолжением работ передовых русских ученых, инженеров и изобретателей. Д. И. Менделееву и И. М. Губкину принадлежат большие 
заслуги в области исследования жидкого топлива. Д. И. Менделеевым создан метод расчета теплоты сгорания твердого и жидкого топлива, формулами которого 
пользуются и в настоящее время. 
Отечественные ученые А. М. Бутлеров, В. В. Марковников, А. Е. Фаворский и другие внесли значительный вклад в развитие химии нефти и угля. 
В 1864 г. П. П. Алымов опубликовал работу по расчету тяги в паровых котлах. Механизм создания тяги в дымовых трубах был установлен еще М. В. Ломоносовым. 
Создателем новых воззрений в области проектирования котельных установок явился выдающийся ученый К. В. Кирш (1877–1919 гг.). Он создал стройное 
учение о процессе сгорания топлива в промышленных топках. К. В. Кирш обобщил большой экспериментальный материал, на основе которого создал метод 
расчета поверхностей нагрева котлов и методику испытания котельных установок, успешно разрешил вопрос о рациональном сжигании антрацита, подмосковных бурых углей и дров. К. В. Киршем разработано несколько видов конструкции топок. Он явился также основателем одного из крупнейших современных 
научных учреждений – Всероссийского ордена Трудового Красного Знамени 
теплотехнического института им. Ф. Э. Дзержинского, был создателем самостоятельной школы советских теплотехников. 
Велики заслуги советских теплотехников в освоении сжигания местных 
низкосортных видов топлива (торфа, сланцев, бурых углей и др.); в разработке 
новых методов добычи торфа (Р. Э. Классон, А. И. Корелин и др.); в создании 
7 

новых видов конструкции топок, в которых достигается вполне экономичное 
сжигание низкосортного топлива (шахтно-цепные топки Т. Ф. Макарьева для 
сжигания кускового торфа, топки А. К. Сильницкого для сжигания сырых дров 
и древесных отходов, пневматические топки А. А. Шершнева для сжигания фрезерного торфа и др.). Благодаря этим работам СССР занимал одно из первых мест 
по масштабам и совершенству сжигания местных низкосортных видов топлива. 
Большая работа проделана русскими и советскими теплотехниками и в области котельной техники. Выдающимся конструктором-инженером В. Г. Шуховым (1853–1939 гг.) была создана оригинальная конструкция секционного горизонтально-водотрубного котла, получившего в свое время широкое распространение. Общеизвестна конструкция форсунки, названной именем Шухова. Л. К. Рамзин является автором прямоточных котлов, замечательных своей дешевизной  
и компактностью. 
Отечественные ученые, инженеры и техники ведут огромную работу по 
увеличению экономичности и надежности котельных установок и освоению новой котельной техники. 
Усовершенствование действующих и создание новых видов конструкции 
котлов и топок осуществляются на основе теоретических исследований, подтверждаемых опытом. 
К этим исследованиям относятся теория теплового моделирования М. В. Кирпичева; метод расчета циркуляции, разработанный под руководством М. А. Стыриковича; теория топочных процессов, получившая развитие в трудах Г. Ф. Кнорре,  
Э. И. Ромма, Д. М. Гриневецкого, Л. Н. Хитрина, А. С. Предводителева,  
Б. В. Кантаровича и других ученых теплотехников. 
Ценный вклад в отопительную котельную технику внес Н. Н. Ревокатов, 
разработавший оригинальную конструкцию чугунного отопительного котла, работающего на любом виде топлива. Этот котел был широко внедрен в отопительные установки и продолжает применяться до сих пор. 
В создании новых видов конструкции котлов, топок и другого вспомогательного оборудования котельных установок, а также в разработке ряда важнейших 
теоретических вопросов теплофизики и теории горения огромная роль принадлежит Центральному научно-исследовательскому котлотурбинному институту  
им. И. И. Ползунова (ЦКТИ), Всероссийскому теплотехническому институту  
им. Ф. Э. Дзержинского (ВТИ), Энергетическому институту  им. Г. М. Кржижановского (ЭНИИ), НИИ Теплофизики СО РАН (С. С. Кутателадзе, В. Е. Накоряков, В. В. Саломатов и др.), МЭИ, ВНИИМТу и др. 
Настоящая монография написана по материалам научных разработок и лекций, читаемых авторами с 1980 г. в Омском государственном университете путей 
сообщения студентам-теплоэнергетикам. Разделы 1, 3, 4 и введение написаны доктором технических наук, профессором В. Р. Ведрученко, раздел 5, заключение 
написаны кандидатом технических наук, доцентом В. В. Крайновым, раздел 2 выполнены совместно, первичное редактирование и приложения выполнены кандидатом технических наук,  доцентом  В. К. Гааком. 
8 

1. ТОПЛИВО, ЕГО СОСТАВ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ 
ХАРАКТЕРИСТИКИ 
1.1. Источники энергии для котельных установок промышленных 
предприятий 
Источником энергии для котельных установок различного назначения на 
промышленных предприятиях является природное и искусственное топливо в твердом, жидком и газообразном состояниях, теплота отходящих газов теплотехнологических установок, теплота экзотермических превращений, выделяющаяся в отдельных технологических процессах, теплота охлаждаемых элементов высокотемпературных технологических рабочих камер, теплота охлаждаемого технологического 
продукта и т. п. Находят некоторое применение и  нетрадиционные возобновляемые 
источники энергии, в частности, солнечная, геотермальная энергия и др. Широкое 
применение для получения пара и горячей воды в последние годы находит теплота, 
выделяющаяся при реакциях распада атомных ядер тяжелых элементов (уран, 
плутоний). 
Мировое потребление энергоресурсов в 1985 г. составило около 10 млрд т 
условного топлива, оставаясь примерно на этом уровне в течение последних десятилетий, что связано с интенсивно проводимыми мероприятиями по энергосбережению. Потребление энергоресурсов в СССР составляло около 20 % мировых запасов. 
По материалам XIII мирового энергетического конгресса (МИРЭКа) на 
2000 г. прогнозировалось мировое потребление первичных энергоресурсов 
12,4–16 (18,4) млрд т условного топлива. Предполагаемая структура потребления первичных энергоресурсов: твердое топливо – 25,8 %; нефть – 30,8 %; природный газ – 17,0 %; гидроэнергия – 6,3 %; атомная энергии – 8,1 %; новые источники энергии – 1,9 %, кроме того, намечается использование некоммерческих 
энергоресурсов (соломы, щепы и др.) – 10,1 %. По долгосрочным прогнозам  
к 2060 г. в мире предполагается примерное удвоение (по сравнению с 2000 г.) 
потребления первичных энергоресурсов с повышением доли твердого топлива 
до 33,8 %, сокращением доли нефти до 10,6 %; потребление газа составит 16,9 %; 
гидроэнергии – 9,2 %; атомной энергии – 13,5 %; новых источников – 12,1 %; 
некоммерческих энергоресурсов – 3,9 %. 
В настоящее время и на обозримую перспективу основным источником 
первичной энергии для котельных установок промышленных предприятий является органическое топливо. Данные об энергетическом органическом топливе приведены в источнике [59]. 
В котельных установках промышленных предприятий в качестве твердого топлива применяют различные угли – бурые (удельная теплота сгорания 
влажной беззольной массы 
вл.без
в
Q
 < 24 МДж/кг, выход летучих Vк > 40 %), каменные (
вл.без
в
Q
 < 24 МДж/кг, Vr > 9 %), антрациты (
вл.без
в
Q
 < 24 МДж/кг, 
Vr < 9 %) и полуантрациты (переходные от каменных углей к антрацитовым), 
а также горючие сланцы (
p
н
Q  = 7,66 ÷ 9,00 МДж/кг, Vr = 85,9 ÷ 90 %), торф  
9 

(
p
н
Q  = 8,12 ÷ 9,25 МДж/кг, Vr = 70 %). Используется также промпродукт – высокозольные отходы углеобогащения и шлам, образующийся при мокром обогащении углей (
p
н
Q  = 16 ÷ 20 МДж/кг, Vr = 20 ÷ 25 %). Применяются различные заменители твердого топлива – брикеты из угля (
p
н
Q < 30 МДж/кг), брикеты из торфа 
(
p
н
Q  < 18 МДж/кг), городской мусор (
p
н
Q  = 3,8 ÷ 4,2 МДж/кг) и другие отходы. 
На промышленных предприятиях в котельных установках в качестве жидкого топлива продолжает использоваться мазут – остаточный продукт нефтепереработки (
p
н
Q  = 39 ÷ 40 МДж/кг). В соответствии с ГОСТ 10585-75 применяются топочные мазуты марок 40 В, 40, 100 В и 100. В связи с тем, что мазут является ценным химическим сырьем, его применение для котельных установок 
будет существенно уменьшаться. Находят применение масло сланцевое топливное (ГОСТ 4806-79) с теплотой сгорания около 39 МДж/кг, а также отходы коксохимического производства – смолы и др. 
Газообразное топливо – это различные горючие газы. 
Применяют природные газы различных месторождений с теплотой сгорания 
с
н
Q  = 28 ÷ 38 МДж/м3; попутные газы, получаемые при добыче нефти, с 
с
н
Q  = 
= 36 ÷ 46 МДж/м3, а также промышленные газы – доменный с 
с
н
Q  = 3,8 МДж/м3, 
реже – коксовый с 
с
н
Q  = 16 МДж/м3. На промышленных предприятиях в котельных установках в ряде случаев при использовании физической теплоты отходящих газов теплотехнологических установок используется и химическая теплота 
содержащихся в них горючих составляющих – СО, H2S и др. 
1.2. Общие сведения о топливе и его классификация  
по агрегатному состоянию 
Топливом может быть названо любое вещество, которое способно в процессе быстрого окисления (горения) выделять значительное количество теплоты 
и которое целесообразно использовать в качестве топлива для технических, бытовых и других целей. 
Техническая целесообразность применения тех или иных видов топлива 
определяется следующими условиями: 
– наличием данного вида топлива в больших количествах, достаточных для 
длительного его использования; 
– экономической целесообразностью его добычи; 
– достаточной активностью к вступлению в процесс горения в атмосферном воздухе; 
– значительным удельным тепловыделением (на единицу веса или объема); 
– безвредностью газообразных продуктов сгорания топлива для оборудования, обслуживающего персонала, окружающего растительного и животного 
мира. 
10