Состав дымовых газов и избыток воздуха оцениваются путем объединения газового анализа с материальными и элементными балансами вокруг узла сгорания. На пилотной установке операторы обычно измеряют концентрации сухих дымовых газов CO₂, O₂, CO, SO₂ и N₂ с помощью прибора Орсата или непрерывных газоанализаторов. Затем они рассчитывают теоретическую потребность в кислороде на основе состава топлива и сравнивают ее с фактическим количеством кислорода, подаваемого с воздухом для горения.

Ключевой вывод: Анализ дымовых газов показывает, сколько кислорода остается после сгорания, в то время как данные о расходе топлива и воздуха определяют теоретическую потребность. Сравнение фактически подаваемого воздуха со стехиометрическим количеством и сопоставление результата с измеренным составом дымовых газов позволяет определить процент избыточного воздуха и проверить материальный баланс процесса горения.

Определение основы процесса горения

Определение состава топлива

Анализ начинается с состава топлива в сухом виде или в состоянии «как есть». Баланс должен учитывать углерод, водород, серу, кислород, уже связанный в топливе, влагу, золу, а также любой азот или другие значимые компоненты.

Для газообразного топлива состав может быть выражен в виде мольных долей метана, этана, водорода, оксида углерода, диоксида углерода и других компонентов. Для твердого или жидкого топлива технический анализ обычно выражается в массовых процентах углерода, водорода, кислорода, серы, азота, золы и влаги.

Выбор единой базы расчета

Расчет выполняется на определенной базе, например, 100 кмоль топлива, 100 кг угля или измеренный период работы пилотной установки. Все количества топлива, воздуха, дымовых газов и остатков должны использовать одну и ту же базу.

Анализ также различает влажный дымовой газ, который включает водяной пар, и сухой дымовой газ, из которого была удалена вода. Большинство результатов прибора Орсата и анализа дымовых газов приводятся на сухую основу.

Расчет теоретической потребности в кислороде

Применение стехиометрии полного сгорания

Теоретическая потребность в кислороде рассчитывается для полного окисления до максимально ожидаемых степеней окисления:

Углерод преобразуется в CO₂.
Водород преобразуется в H₂O.
Сера преобразуется в SO₂.

Для топлива, содержащего элементарный углерод, водород, серу и кислород, чистая потребность в кислороде обычно записывается в массовом выражении как:

[ n_{O_2,\text{net}}

n_C+\frac{n_H}{4}+n_S-\frac{n_O}{2} ]

Здесь (n_C), (n_H), (n_S) и (n_O) — это количества углерода, водорода, серы и связанного в топливе кислорода, выраженные в соответствующих атомных единицах.

Связанный в топливе кислород вычитается, так как он участвует в окислении. Теоретическая потребность основана на полном сгорании, поэтому измеренный оксид углерода или несгоревшее топливо не изменяют теоретическую потребность в кислороде.

Пересчет потребности в кислороде в стехиометрический воздух

Для обычного сухого воздуха содержание кислорода составляет примерно 21% по объему (или мольной доле), остальное приходится в основном на азот. Следовательно:

[ n_{\text{air,stoich}}

\frac{n_{O_2,\text{stoich}}}{y_{O_2,\text{air}}} ]

Использование соответствующего фактического состава воздуха важно, если пилотная установка использует обогащенный кислородом воздух, рециркулирующие дымовые газы, увлажненный воздух или другой окислитель.

Измерение состава дымовых газов

Использование газоанализатора Орсата или инструментального анализа

Традиционный газоанализатор Орсата измеряет компоненты сухого дымового газа путем селективного поглощения диоксида углерода, кислорода и иногда оксида углерода. Азот обычно определяется по разности:

[ y_{N_2}

1-y_{CO_2}-y_{O_2}-y_{CO}-y_{\text{other}} ]

Современные пилотные установки часто используют непрерывные анализаторы, основанные на таких методах, как парамагнитное измерение кислорода, инфракрасное измерение диоксида и оксида углерода или ультрафиолетовое измерение диоксида серы.

Отчетность о базе и условиях отбора проб

Результат анализа дымовых газов должен указывать, приведены ли концентрации на сухую или влажную основу, являются ли они объемными или мольными долями, а также температуру и давление отбора проб. Линии отбора проб могут требовать фильтрации, охлаждения, контроля конденсации и коррекции на влажность.

Некачественный отбор проб может привести к вводящим в заблуждение результатам. Конденсированная вода, утечки, наличие твердых частиц, перекрестная чувствительность анализатора или нерепрезентативное место отбора проб могут исказить кажущийся состав газа.

Интерпретация основных компонентов

CO₂ указывает на окисление углерода и полезен для проверки углеродного баланса. Низкая концентрация CO₂ может быть результатом высокого избытка воздуха, неполного сгорания, разбавления топлива или того, что углерод не представлен в отобранном газе.

O₂ представляет собой кислород, оставшийся после реакций горения. Это наиболее часто используемый индикатор дымовых газов для контроля избытка воздуха, но его необходимо интерпретировать вместе с измерениями CO и несгоревшего топлива.

CO и остаточные углеводороды указывают на неполное сгорание. Их присутствие может быть вызвано недостатком воздуха, плохим перемешиванием топлива и воздуха, недостаточным временем пребывания, низкой температурой или нестабильной работой горелки.

SO₂ в первую очередь связан с конверсией серы и помогает оценивать балансы серы и последующую очистку кислых газов. Азот в основном поступает из воздуха для горения, хотя образование азота из топлива и оксидов азота может потребовать дополнительного анализа.

Определение процента избыточного воздуха

Расчет по данным о расходе воздуха

Если измеряется фактическая подача воздуха, процент избыточного воздуха равен:

[ %\text{ избыточного воздуха}

\frac{n_{\text{air,actual}}-n_{\text{air,stoich}}} {n_{\text{air,stoich}}} \times 100 ]

Эквивалентно, используя кислород, подаваемый с воздухом:

[ %\text{ избыточного воздуха}

\frac{n_{O_2,\text{actual}}-n_{O_2,\text{stoich}}} {n_{O_2,\text{stoich}}} \times 100 ]

Коэффициент избытка воздуха равен:

[ \lambda

\frac{n_{\text{air,actual}}}{n_{\text{air,stoich}}}

1+\frac{%\text{ избыточного воздуха}}{100} ]

Таким образом, 15% избыточного воздуха соответствует (\lambda=1.15).

Оценка по содержанию кислорода в сухих дымовых газах

Для полного сгорания с обычным воздухом и пренебрежимо малым содержанием кислорода в топливе, общее приближение, основанное на кислороде в сухих дымовых газах, выглядит так:

[ %\text{ избыточного воздуха} \approx \frac{y_{O_2,\text{dry}}} {0.21-y_{O_2,\text{dry}}} \times 100 ]

Это соотношение предполагает, что измеренный кислород является основным индикатором избыточного окислителя и что состав воздуха известен.

Приближение становится менее надежным при наличии оксида углерода, несгоревшего топлива, обогащения кислородом, подсоса воздуха, рециркуляции дымовых газов или значительного количества связанного в топливе кислорода.

Перекрестная проверка с полным материальным балансом

Наиболее надежная процедура на пилотной установке сравнивает две независимые оценки:

Рассчитать теоретический воздух на основе элементного анализа топлива.
Рассчитать фактический воздух на основе измеренного расхода воздуха.
Проанализировать сухие дымовые газы.
Восстановить поток на выходе, используя балансы углерода, водорода, серы, кислорода и азота.
Сравнить рассчитанные и измеренные составы.

Согласованность подтверждает достоверность рабочих данных. Существенное расхождение может указывать на ошибку анализатора, подсос воздуха, неточный состав топлива, неучтенный твердый остаток или неполное сгорание.

Понимание компромиссов

Слишком мало воздуха вызывает неполное сгорание

Работа ниже стехиометрической потребности в воздухе может привести к образованию CO, сажи, дыма, водорода, метана или других несгоревших углеводородов. Это также снижает извлекаемое тепло, поскольку часть химической энергии топлива остается в выхлопных газах или остатках.

Низкие показания кислорода сами по себе не доказывают эффективную работу. Дымовой газ с низким содержанием O₂ в сочетании с повышенным уровнем CO может указывать на дефицит кислорода или плохое перемешивание.

Слишком много воздуха снижает тепловой КПД

Избыточный воздух способствует полному сгоранию, но также увеличивает объем азота и неиспользованного кислорода, нагреваемых в печи. Эти газы уходят через дымовую трубу и уносят явное тепло из процесса.

Следовательно, чрезмерный избыток воздуха может снизить тепловой КПД, увеличить требования к вентиляторам и воздуховодам, а также разбавить концентрацию загрязняющих веществ. Оптимальная рабочая точка — это минимальный уровень избыточного воздуха, который поддерживает стабильное, полное сгорание и удовлетворяет требованиям безопасности и выбросов.

Подсос воздуха может исказить расчет

Воздух, проникающий через уплотнения печи, смотровые лючки, соединения воздуховодов или точки отбора проб, увеличивает измеренное содержание кислорода в дымовых газах, не обязательно представляя собой воздух для горения, подаваемый в горелку. Это может сделать расчетный избыток воздуха выше, чем предполагают настройки горелки.

Поэтому балансы пилотных установок должны по возможности различать воздух для горения и неконтролируемый подсос воздуха.

Необходимо учитывать влажность и точку росы

Влага топлива и вода, образовавшаяся при сгорании водорода, присутствуют во влажных дымовых газах, но отсутствуют в сухих результатах анализатора Орсата. Это различие важно при пересчете измеренных концентраций в общие расходы или при проведении кислородного баланса.

Дымовой газ также должен оставаться выше соответствующей точки росы воды или кислоты в оборудовании для рекуперации тепла, если только конденсация не управляется намеренно. Топливо, содержащее серу, может создавать риски кислотного конденсата и коррозии при одновременной конденсации оксидов серы и воды.

Как применить это на вашей пилотной установке

Подходящий метод зависит от цели эксперимента и доступного оборудования.

Если ваша основная цель — эффективность сгорания: Непрерывно измеряйте сухие O₂, CO₂ и CO, рассчитывайте теоретический воздух на основе состава топлива и работайте при минимальном избытке воздуха, который удерживает CO и несгоревшее топливо на приемлемо низком уровне.
Если ваша основная цель — проверка материального баланса: Используйте фиксированную базу топлива, измеряйте расходы воздуха и дымовых газов, анализируйте сухой газ и замыкайте балансы углерода, водорода, серы, кислорода и азота.
Если ваша основная цель — управление горелкой или печью: Используйте O₂ в дымовых газах как индикатор контроля, но проверяйте его по уровню CO, подсосу воздуха, расходу топлива и периодической калибровке анализатора.
Если ваша основная цель — выбросы или очистка выхлопных газов: Отслеживайте CO₂, CO, SO₂, кислород, влажность и соответствующие загрязнители на четко указанной сухой или влажной основе перед расчетом размеров или оценкой скрубберов и другого очистного оборудования.

Надежная оценка избыточного воздуха требует как точного измерения дымовых газов, так и стехиометрически согласованного баланса горения.

Сводная таблица:

Область оценки	Ключевой метод	Основные соображения
База топлива	Анализ углерода, водорода, серы, кислорода, влаги и золы	Используйте единую массовую или молярную базу
Теоретический кислород	Применение стехиометрии полного сгорания	Вычтите связанный в топливе кислород
Стехиометрический воздух	Разделите потребность в кислороде на долю кислорода в воздухе	Корректируйте для обогащенного, увлажненного или рециркулирующего воздуха
Анализ дымовых газов	Измерение сухих O₂, CO₂, CO, SO₂ и N₂	Указывайте сухую или влажную основу и условия отбора проб
Избыток воздуха по расходу	Сравнение фактического воздуха со стехиометрическим	% избытка = (факт - стех) / стех x 100
Избыток воздуха по O₂	Использование концентрации кислорода в сухих газах	Приближение: O₂ / (0.21 - O₂) x 100
Проверка баланса	Согласование углерода, водорода, серы, кислорода и азота	Проверяйте на утечки, ошибки анализатора, влагу и несгоревшее топливо
Рабочий компромисс	Минимизация избытка при поддержании полного сгорания	Контролируйте O₂ вместе с CO и несгоревшими углеводородами

Нужны надежные данные по горению для обучения, исследований или разработки процессов? Свяжитесь с LABPARK, чтобы обсудить учебную или профессиональную пилотную установку для химических процессов, адаптированную под ваши нужды. LABPARK поддерживает университеты, научно-исследовательские институты и предприятия пилотными установками для химической инженерии, биопроцессов и биотехнологий, а также для очистки воды и защиты окружающей среды. Наши системы помогают командам измерять расходы воздуха и топлива, анализировать дымовые газы, проверять материальные балансы, оценивать эффективность сгорания и обучать операторов на практическом, оснащенном приборами оборудовании.