Процент избытка воздуха рассчитывается относительно чистой теоретической потребности в кислороде для полного сгорания, даже если фактический процесс приводит к образованию монооксида углерода или несгоревшего топлива. Сначала рассчитайте количество кислорода, необходимое для окисления всего углерода топлива до CO₂, водорода до H₂O и серы до SO₂. Затем вычтите кислород, уже химически связанный в топливе, сравните полученную чистую потребность с количеством кислорода, подаваемого с воздухом, и выразите разницу в процентах от чистой потребности.

Основной вывод: Неполное сгорание изменяет фактический состав дымовых газов, но не изменяет теоретическую основу сгорания, используемую для определения избытка воздуха. Для топлива, содержащего связанный кислород, перед расчетом избытка воздуха необходимо вычесть кислород топлива из потребности в кислороде для полного сгорания.

Определение теоретической потребности в кислороде

Используйте полное сгорание как основу расчета

Теоретическая потребность в кислороде предполагает полное окисление топлива:

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

Эта основа остается неизменной, даже если пилотная установка фактически производит CO, сажу или несгоревшие углеводороды.

Рассчитайте количество кислорода по составу топлива

Для топлива, содержащего углерод, водород, серу и кислород, стехиометрическую потребность в кислороде можно записать на массовой основе следующим образом:

[ m_{O_2,\ theoretical}

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

где (m_C), (m_H) и (m_S) — массы углерода, водорода и серы в топливе.

Коэффициенты получены из реакций полного сгорания:

[ C + O_2 \rightarrow CO_2 ]

[ 2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O ]

[ S + O_2 \rightarrow SO_2 ]

Учитывайте кислород, уже содержащийся в топливе

Если топливо содержит кислородсодержащие соединения, часть необходимого кислорода поступает непосредственно из топлива, а не из воздуха.

Таким образом, чистая потребность в кислороде из воздуха составляет:

[ m_{O_2,\ net}

m_{O_2,\ theoretical}

m_{O,\ fuel}\left(\frac{32}{16}\right) ]

или, проще, если (m_{O,\ fuel}) выражено как масса элементарного кислорода:

[ m_{O_2,\ net}

m_{O_2,\ theoretical}

m_{O,\ fuel} ]

Вторая форма действительна, поскольку масса атомов кислорода сохраняется независимо от того, поступает ли этот кислород в составе топлива или в виде молекулярного кислорода из воздуха.

Для топлива с массовыми долями (C), (H), (S) и (O) обычно используется следующий вид уравнения элементарного анализа:

[ m_{O_2,\ net}

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

m_O ]

Результат должен быть основан на согласованной количественной базе, например на килограммах топлива или киломолях топлива.

Расчет процента избытка воздуха

Рассчитайте количество кислорода, подаваемого с воздухом

Если подача воздуха известна, рассчитайте количество кислорода, поступающего с воздухом:

[ m_{O_2,\ entering}

y_{O_2,\ air}m_{\text{air}} ]

где (y_{O_2,\ air}) — массовая доля кислорода в воздухе.

Для сухого воздуха содержание кислорода обычно представляют как приблизительно 21 мол. % кислорода. При использовании массовых единиц соответствующая массовая доля кислорода составляет приблизительно 0,233. Основа расчета воздуха должна быть согласована с расчетом теоретической потребности в кислороде.

Примените уравнение для расчета избытка воздуха

Процент избытка воздуха составляет:

[ %,\text{excess air}

\frac{ m_{O_2,\ entering}

m_{O_2,\ net} }{ m_{O_2,\ net} } \times 100 ]

Поскольку воздух и кислород пропорциональны при постоянном составе воздуха, тот же результат можно выразить через количества воздуха:

[ %,\text{excess air}

\frac{ m_{\text{air, actual}}

m_{\text{air, theoretical}} }{ m_{\text{air, theoretical}} } \times 100 ]

Теоретическое количество воздуха — это количество воздуха, необходимое для подачи (m_{O_2,\ net}).

Правильно интерпретируйте результат

Нулевое значение соответствует теоретическому количеству воздуха: воздуха ровно достаточно для полного сгорания на заданной стехиометрической основе.

Положительное значение указывает на избыток воздуха. Отрицательное значение указывает на недостаток воздуха, который обычно связан с образованием CO, сажи или несгоревшего топлива.

Почему неполное сгорание не меняет определения избытка воздуха

CO является фактическим продуктом, а не новой теоретической основой

Когда углерод образует CO вместо CO₂, фактически потребляемое количество кислорода меньше количества кислорода, необходимого для полного сгорания.

Однако процент избытка воздуха предназначен для оценки количества поданного воздуха относительно количества, необходимого для полного окисления. Перерасчет теоретической потребности на основе фактически образовавшегося CO занизил бы недостаток или избыток воздуха относительно требуемого конечного результата сгорания.

Несгоревшее топливо следует рассматривать как результат фактического баланса

Остаточные углеводороды, сажа или несгоревший углерод влияют на фактические материальный и энергетический балансы.

Их следует учитывать при согласовании измеренных входных и выходных потоков, но они не заменяют стехиометрическую потребность в кислороде для полного сгорания, используемую в определении избытка воздуха.

Разделяйте избыток воздуха и эффективность сгорания

Избыток воздуха описывает подачу воздуха относительно стехиометрической потребности.

Эффективность сгорания также зависит от содержания монооксида углерода, несгоревших углеводородов, сажи, степени превращения топлива, тепловых потерь и других рабочих условий. В установку может поступать избыточный воздух, но при этом наблюдаться неполное сгорание из-за плохого перемешивания, недостаточного времени пребывания, низкой температуры или ограничений горелки.

Использование анализа дымовых газов в пилотной установке

Измеряйте кислород в сухих дымовых газах

Анализаторы сухих дымовых газов обычно измеряют O₂, CO₂, CO, а иногда SO₂ и углеводороды.

Измеренная концентрация кислорода может использоваться для оценки избытка воздуха, если известны состав топлива и продукты сгорания, однако расчет должен учитывать разбавление, удаление влаги, подсос воздуха и выбранную сухую или влажную основу.

Используйте материальные балансы для проверки результата

Надежный расчет для пилотной установки сопоставляет:

Состав топлива и расход воздуха.
Теоретическое количество кислорода, необходимое для полного сгорания.
Измеренный состав дымовых газов.
Несгоревший углерод, несгоревшее топливо и другие выходные потоки.

Это сопоставление позволяет выявить ошибки анализаторов, подсос воздуха, некорректные поправки на влажность и несогласованные основы расчета расхода.

Не путайте остаточный кислород с избытком воздуха

Остаточный O₂ в дымовой трубе обычно указывает на то, что кислород поступил в количестве, превышающем потребленное.

Он не равен автоматически проценту избытка воздуха, поскольку дымовые газы также содержат азот, CO₂, водяной пар, CO и потенциально несгоревшее топливо. Результат по кислороду необходимо интерпретировать с учетом общего баланса сгорания.

Понимание компромиссов

Слишком мало воздуха

Недостаток воздуха может привести к образованию CO, сажи, несгоревших углеводородов и снижению тепловыделения.

Он также создает риски для безопасности и окружающей среды, поскольку CO токсичен, а несгоревшее топливо может накапливаться в последующем оборудовании или выхлопных системах.

Слишком много воздуха

Избыточное количество воздуха увеличивает количество азота и неиспользованного кислорода, нагреваемых в процессе сгорания.

Этот дополнительный газ уносит из установки явное тепло, снижая тепловую эффективность и потенциально уменьшая температуру пламени. Избыток воздуха также может влиять на образование NOₓ, поэтому оптимальная рабочая точка не обязательно соответствует максимально возможному расходу воздуха.

Несогласованные основы расчета

Распространенная ошибка — сравнивать теоретическое количество кислорода, рассчитанное по массе, с молярным расходом воздуха или сопоставлять анализ дымовых газов на влажной основе с расчетами на сухой основе.

Используйте одну согласованную основу на протяжении всего расчета и четко указывайте, измеряются ли расходы и составы на влажной или сухой основе.

Подсос воздуха и ограничения анализаторов

Подсос воздуха через неплотности может увеличить измеренное содержание кислорода в дымовой трубе, хотя этот воздух не является частью предусмотренной подачи воздуха для сгорания.

Кроме того, неполное перемешивание, конденсация в линии отбора проб, ошибки калибровки анализатора и нестабильная работа пилотной установки могут приводить к тому, что оценки по дымовым газам будут отличаться от расчетов по входным потокам.

Выбор подхода в зависимости от цели

Используйте следующий подход в зависимости от назначения расчета для пилотной установки:

Если основное внимание уделяется стехиометрическому проектированию: Рассчитайте потребность в кислороде для полного сгорания, вычтите кислород, связанный в топливе, переведите чистую потребность в теоретическое количество воздуха и сравните его с фактической подачей воздуха.
Если основное внимание уделяется диагностике неполного сгорания: Сохраните теоретическую основу полного сгорания, а затем отдельно определите количество CO, несгоревшего топлива, сажи и остаточного углерода по измеренному составу выходных потоков.
Если основное внимание уделяется проверке данных пилотной установки: Сравните результат по избытку воздуха, рассчитанный по входным потокам, с материальным балансом сухих дымовых газов и исследуйте расхождения с помощью проверок на подсос воздуха, влажность и состояние анализаторов.
Если основное внимание уделяется тепловой эффективности: Не рассматривайте избыток воздуха как самостоятельную рабочую цель; определите минимальный расход воздуха, обеспечивающий приемлемую полноту сгорания и показатели выбросов.

Обоснованный расчет избытка воздуха всегда использует чистое количество кислорода, необходимое для полного сгорания, независимо от продуктов неполного сгорания, наблюдаемых в ходе фактического процесса.

Сводная таблица:

Элемент расчета	Основной принцип	Практическое примечание
Теоретическое количество кислорода	Окисление углерода до CO₂, водорода до H₂O и серы до SO₂	Используйте полное сгорание как исходную основу
Кислород, связанный в топливе	Вычитание кислорода, уже присутствующего в топливе	Применяйте согласованную массовую или молярную основу
Чистая потребность в кислороде	Теоретическое количество кислорода минус кислород, связанный в топливе	Это количество кислорода, необходимое из воздуха
Избыток воздуха	`(Фактическое количество воздуха - Теоретическое количество воздуха) / Теоретическое количество воздуха × 100`	Положительные значения указывают на избыток воздуха; отрицательные значения указывают на недостаток
Неполное сгорание	Рассматривайте CO, сажу и несгоревшее топливо как фактические результаты выходного потока	Не изменяйте теоретическую потребность в кислороде
Проверка по дымовым газам	Сопоставляйте данные по сухому O₂, CO₂, CO, влажности и расходу	Проверяйте подсос воздуха, ошибки отбора проб и несогласованность основы расчета

Нужны надежные учебные решения по сгоранию и оборудование пилотной установки для обучения, исследований или разработки процессов? Свяжитесь с LABPARK, чтобы обсудить ваши требования. LABPARK предоставляет учебные и профессиональные пилотные установки для изучения единичных операций в химической инженерии, биопроцессах и биотехнологии, а также в сфере экологических технологий и очистки воды. Наши системы помогают университетам, научно-исследовательским институтам и предприятиям изучать балансы сгорания, регулирование избытка воздуха, анализ дымовых газов, тепловую эффективность и рабочие условия посредством практических экспериментов, ориентированных на конкретные области применения.