Материальные балансы и потребность в избыточном воздухе оцениваются путем объединения стехиометрии реакций с измеренными составами исходных материалов и дымовых газов. На пилотной установке термической обработки операторы сначала определяют элементный состав топлива и отходов, а затем рассчитывают теоретическое количество кислорода, необходимое для полного окисления. Анализ сухих дымовых газов, обычно включающий измерение O₂, CO₂, CO, а иногда SO₂, HCl и углеводородов, используется для проверки баланса, расчета количества избыточного воздуха, оценки полноты сжигания и определения размеров последующей системы очистки газов.

Основной расчет сравнивает количество кислорода, подаваемого с воздухом, с чистым количеством кислорода, необходимым для окисления углерода, водорода, серы и других горючих элементов до заданных продуктов. Надежные результаты требуют определенной расчетной основы, согласованных измерений влажного или сухого газа, а также компонентных или элементных балансов по всей пилотной установке.

Формирование основы материального баланса

Определение границ процесса

Граница баланса обычно охватывает камеру сгорания, включая подачу отходов, основное топливо, воздух для горения, золу или остаток и дымовые газы.

Для установившегося режима работы накопление принимается равным нулю:

[ \text{Общий вход}=\text{Общий выход} ]

Технологическая схема должна идентифицировать каждый поток, пересекающий границу, включая вспомогательное топливо, обогащенный кислородом воздух, закалочную воду, скрубберную жидкость и твердые остатки.

Выбор расчетной основы

Практической основой может быть один час работы, одна партия отходов или фиксированная масса отходов, например 100 кг.

Выбранная основа должна последовательно применяться к расходам подачи, измерениям газа, количествам остатков и расчетным потребностям в кислороде.

Характеристика исходного сырья

Топливо и отходы анализируют на содержание углерода, водорода, кислорода, азота, серы, хлора, влаги, золы и других значимых компонентов.

Для опасных органических отходов, таких как ПХБ, содержание хлора особенно важно, поскольку при достаточном наличии водорода полное превращение может приводить к образованию HCl, а при иных условиях реакции и составе сырья — к образованию других хлорсодержащих продуктов.

Расчет теоретической потребности в кислороде

Запись реакций полного сжигания

Для основных горючих элементов целевыми продуктами полного сжигания обычно являются:

[ \mathrm{C \rightarrow CO_2} ]

[ \mathrm{H \rightarrow H_2O} ]

[ \mathrm{S \rightarrow SO_2} ]

Для условного топлива, содержащего углерод, водород, кислород и серу, теоретическая потребность в кислороде рассчитывается на основе элементного состава.

Часто используемое выражение на массовой основе имеет вид:

[ m_{\mathrm{O_2,theoretical}}

\frac{32}{12}m_C + 8m_H + m_S

m_O ]

где массы элементов выражены в согласованных единицах. Кислород, уже связанный в топливе, вычитается, поскольку он участвует в окислении и тем самым уменьшает количество кислорода, которое должно поступить с воздухом.

Совместный учет отходов и вспомогательного топлива

Потребность в кислороде должна включать горючие вещества как из отходов, так и из вспомогательного топлива.

Например, в качестве основного топлива может использоваться гексан, а отходы могут вносить дополнительное количество углерода, водорода и хлора. Общая теоретическая потребность в кислороде определяется на основе объединенного элементного состава сырья, а не только вспомогательного топлива.

Рассмотрение неполного сгорания как показателя эффективности

Теоретическая потребность в кислороде определяется для полного окисления до выбранных конечных продуктов. Измеренные значения CO, сажи, несгоревших углеводородов или остаточного углерода указывают на неполное превращение, но не изменяют теоретическую потребность в кислороде.

Эти вещества используются для оценки эффективности сжигания и определения того, являются ли недостаточными перемешивание, температура, время пребывания или распределение воздуха.

Определение потребности в воздухе

Расчет теоретического количества воздуха

Обычно принимается, что сухой воздух содержит приблизительно 20,99 мол.% O₂ и 78,03 мол.% N₂, а также небольшие количества аргона, диоксида углерода и следовых газов.

Таким образом, теоретическая потребность в воздухе составляет:

[ n_{\mathrm{air,theoretical}}

\frac{n_{\mathrm{O_2,theoretical}}}{0.2099} ]

Если используется обогащенный кислородом воздух, фактическая мольная доля кислорода в подаваемом потоке должна заменить 0.2099 в этом расчете.

Расчет фактического поступления кислорода

Количество кислорода, поступающего с воздухом, определяется по расходу воздуха и его составу:

[ n_{\mathrm{O_2,in}}

y_{\mathrm{O_2,air}}n_{\mathrm{air,in}} ]

Для воздушного потока также рассчитывается соответствующее поступление азота:

[ n_{\mathrm{N_2,in}}

y_{\mathrm{N_2,air}}n_{\mathrm{air,in}} ]

Азот удобен в качестве компонента баланса, поскольку обычно проходит через зону горения практически без изменений, за исключением небольших эффектов, связанных с азотсодержащим топливом или образованием термических NOₓ.

Расчет процентного содержания избыточного воздуха

Стандартное определение имеет вид:

[ %\text{ избыточного воздуха}

\frac{n_{\mathrm{air,actual}}-n_{\mathrm{air,theoretical}}} {n_{\mathrm{air,theoretical}}} \times 100 ]

Эквивалентно, через кислород:

[ %\text{ избыточного воздуха}

\frac{n_{\mathrm{O_2,in}}-n_{\mathrm{O_2,required}}} {n_{\mathrm{O_2,required}}} \times 100 ]

Здесь (n_{\mathrm{O_2,required}}) — это чистое количество кислорода, необходимое из воздуха, с учетом кислорода, уже содержащегося в топливе или отходах.

Использование анализа дымовых газов для проверки баланса

Измерение на согласованной сухой основе

Анализаторы Орсата или инструментальные газоанализаторы обычно измеряют концентрации O₂, CO₂, CO, а иногда SO₂ в сухих дымовых газах.

Вода удаляется или исключается при сухом анализе, поэтому рассчитанные количества газа также должны использоваться на сухой основе. Сравнение сухих измерений с теоретическими расчетами для влажного газа приводит к систематическим ошибкам.

Использование мольных долей и закона Дальтона

Если газоанализатор показывает мольные доли, парциальное давление каждого компонента определяется как:

[ p_i=y_iP ]

где (y_i) — мольная доля компонента, а (P) — общее давление.

Измеренная концентрация O₂ показывает, сколько кислорода остается после сжигания. Высокое остаточное содержание O₂ обычно соответствует большему избытку воздуха, тогда как очень низкое содержание O₂ может указывать на недостаток кислорода, если измерение надежно и подсос воздуха исключен.

Применение балансов углерода и азота

Баланс углерода сравнивает углерод, поступающий с топливом и отходами, с углеродом, выходящим в виде:

CO₂
CO
Несгоревших углеводородов
Сажи или несгоревшего углерода в твердом остатке

Баланс азота сравнивает азот, поступающий с воздухом и топливом, с азотом в сухих дымовых газах и азотсодержащих продуктах.

Эти балансы помогают выявить утечки, подсос воздуха, ошибки анализаторов, неизмеренные продукты или неточную характеристику сырья.

Косвенное определение расхода воздуха при ненадежных прямых измерениях

Измерения расхода газа при высокой температуре могут быть сложными и подверженными ошибкам. На многих пилотных установках поступление воздуха и общий выход дымовых газов определяют косвенно по элементным балансам, используя данные о расходе топлива, составе отходов, количестве остатков и анализе сухих дымовых газов.

Этот косвенный метод особенно полезен, когда дымовые газы горячие, коррозионно-активные, насыщены твердыми частицами или имеют переменный состав.

Оценка эффективности сжигания и очистки

Различие между полным и неполным сгоранием

Полное сгорание преимущественно приводит к образованию CO₂ и H₂O из углеродсодержащих и водородсодержащих материалов.

CO, сажа, несгоревшие углеводороды и остаточный горючий углерод указывают на неполное сгорание. Их наличие следует указывать отдельно от расчета избытка воздуха, поскольку один лишь избыток кислорода не гарантирует полного разрушения загрязнителей, если температура, турбулентность или время пребывания недостаточны.

Связь баланса с тепловой эффективностью

Избыток воздуха влияет как на экологические показатели, так и на энергоэффективность.

Слишком малое количество воздуха может привести к неполному сгоранию, образованию сажи и CO, а также к нестабильной работе. Слишком большое количество воздуха увеличивает объем газа, который необходимо нагревать и отводить, повышая потери ощутимого тепла и потенциально снижая тепловую эффективность.

Использование балансов хлора для контроля кислых газов

Для хлорсодержащих отходов баланс хлора помогает оценить образование HCl и поддерживает проектирование скруббера для очистки кислых газов.

Баланс должен учитывать хлор в отходах, HCl в дымовых газах, хлор, удерживаемый твердыми веществами, а также любые другие измеренные или ожидаемые хлорсодержащие продукты.

Понимание компромиссов

Избыток воздуха не равен полному разрушению загрязнителей

Высокое значение избытка воздуха может улучшить доступность кислорода, но не способно компенсировать недостаточную температуру сжигания, плохое перемешивание или недостаточное время пребывания.

Поэтому эффективность термического разрушения следует оценивать с учетом температуры, времени пребывания, условий перемешивания, содержания CO и несгоревших углеводородов, а также, где применимо, показателей эффективности разрушения и удаления.

Содержание кислорода в дымовых газах может вводить в заблуждение

Остаточное содержание O₂ может увеличиваться из-за утечки воздуха в печь или систему отбора проб. Если подсос не выявлен, рассчитанное количество избыточного воздуха будет завышено.

Для получения значимых результатов необходимы калибровка анализатора, проверка герметичности, кондиционирование пробоотборной линии и поправка на разбавление.

Обогащенный кислородом воздух требует пересмотренных расчетов

Использование обогащенного кислородом воздуха изменяет соотношение между расходом кислорода и общим расходом газа. Применение стандартного содержания кислорода в сухом воздухе, равного 20,99 %, к обогащенному потоку приведет к занижению или искажению фактической потребности в воздухе.

Вместо этого необходимо использовать измеренную или заданную концентрацию кислорода в обогащающем потоке.

Расчетные основы измерений должны совпадать

Состав топлива может быть указан на основе фактического состояния при приемке, состав отходов — на сухой основе, а дымовые газы — на сухой основе с поправкой на кислород.

Эти основы нельзя непосредственно объединять. Перед расчетом материальных балансов или выбросов необходимо согласовать влагу, золу, кислород в топливе, обогащение кислородом и разбавление.

Выбор подхода в зависимости от цели

Правильный метод оценки зависит от того, что именно должна продемонстрировать пилотная установка:

Если основное внимание уделяется стехиометрии сжигания: определите объединенный элементный состав сырья, рассчитайте теоретическую и чистую потребность в кислороде и сравните ее с количеством кислорода, подаваемого топливом и воздухом.
Если основное внимание уделяется контролю избытка воздуха: используйте откалиброванный анализ сухих дымовых газов на содержание O₂ вместе с составом подаваемого воздуха и проверьте результат балансами азота и углерода.
Если основное внимание уделяется эффективности разрушения загрязнителей: помимо рассчитанного процента избытка воздуха оценивайте CO, несгоревшие углеводороды, сажу, температуру, время пребывания и перемешивание.
Если основное внимание уделяется проектированию системы очистки выбросов: составьте полные балансы углерода, хлора, серы и твердых частиц для оценки CO₂, HCl, SO₂, золы и нагрузки на скруббер.
Если основное внимание уделяется качеству данных пилотной установки: согласуйте все потоки на одной основе и используйте косвенные элементные балансы для проверки расходомеров, анализаторов, утечек и неизмеренных выходных потоков.

Обоснованная оценка пилотной установки объединяет стехиометрические расчеты, измеренный состав дымовых газов, рабочие условия и требования к контролю выбросов в единый согласованный материальный баланс.

Сводная таблица:

Область оценки	Ключевые исходные данные	Основной результат
Материальный баланс	Данные о сырье, топливе, воздухе, остатках и дымовых газах	Проверенный материальный баланс входных и выходных потоков
Теоретический кислород	Углерод, водород, сера и кислород в сырье	Потребность в O₂ для полного сгорания
Избыток воздуха	Фактическое поступление воздуха или O₂ по сравнению с теоретической потребностью	Процентное содержание избыточного воздуха
Проверка дымовых газов	Данные о сухих O₂, CO₂, CO, SO₂ и азоте	Проверка сжигания и измерений
Эффективность разрушения	CO, углеводороды, сажа, температура и время пребывания	Оценка полноты сгорания
Очистка выбросов	Балансы хлора, серы, углерода, золы и твердых частиц	Нагрузка на скруббер и требования к очистке
Качество данных	Согласованные влажные/сухие и фактические/сухие основы	Обоснованные результаты пилотной установки

Планируете пилотную установку для сжигания, биопроцессов или экологической обработки? Свяжитесь с LABPARK, чтобы обсудить ваши требования. LABPARK предоставляет учебные и профессиональные пилотные установки для единичных операций в химической инженерии, биопроцессах и биотехнологии, а также для экологических приложений и очистки воды. Наши решения помогают университетам, исследовательским институтам и предприятиям оценивать материальные балансы, контроль избытка воздуха, эффективность сжигания, очистку выбросов и качество технологических данных с помощью практичного оборудования, ориентированного на конкретные приложения. Сообщите о целях процесса, характеристиках сырья, рабочих условиях и потребностях в обучении или исследованиях, и наша команда поможет подобрать подходящую конфигурацию пилотной установки.