烟气成分和过量空气是通过将气体分析与燃烧装置周围的物料和元素平衡相结合来评估的。 在中试装置中，操作员通常使用奥氏气体分析仪（Orsat apparatus）或连续气体分析仪测量CO₂、O₂、CO、SO₂和N₂的干烟气浓度。然后，他们根据燃料成分计算理论需氧量，并将其与燃烧空气中实际供应的氧气量进行比较。
核心要点： 烟气分析表明燃烧后剩余的氧气量，而燃料和空气流量数据则确定了理论需求量。将实际供应的空气与化学计量空气进行比较，并根据测得的烟气成分核对结果，即可得出过量空气百分比，并验证燃烧物料平衡。
建立燃烧基准
定义燃料成分
分析始于干基或收到基燃料成分。平衡计算应确定碳、氢、硫、燃料中固有的氧、水分、灰分以及任何氮或其他相关成分。
对于气体燃料，成分可用甲烷、乙烷、氢气、一氧化碳、二氧化碳和其他组分的摩尔分数表示。对于固体或液体燃料，工业分析通常表示为碳、氢、氧、硫、氮、灰分和水分的质量百分比。
选择一致的基准
计算是在定义的基准上进行的，例如100 kmol燃料、100 kg煤或测定的中试装置运行周期。所有燃料、空气、烟气和残渣量必须使用相同的基准。
分析还区分了湿烟气（包含水蒸气）和干烟气（已除去水分）。大多数奥氏分析仪和烟道气结果均以干基报告。
计算理论需氧量
应用完全燃烧化学计量学
理论需氧量是针对完全氧化至最高预期氧化态计算的：
- 碳转化为CO₂。
- 氢转化为H₂O。
- 硫转化为SO₂。
对于含有元素碳、氢、硫和氧的燃料，净需氧量通常以质量为基准写为：
[ n_{O_2,\text{net}}
n_C+\frac{n_H}{4}+n_S-\frac{n_O}{2} ]
此处，(n_C)、(n_H)、(n_S)和(n_O)是按一致原子单位表示的碳、氢、硫和燃料结合氧的量。
燃料结合氧需扣除，因为它有助于氧化。理论需求基于完全燃烧，因此测得的一氧化碳或未燃燃料不会重新定义理论需氧量。
将需氧量转换为化学计量空气
对于普通干空气，氧气体积或摩尔分数约为21%，其余大部分为氮气。因此：
[ n_{\text{air,stoich}}
\frac{n_{O_2,\text{stoich}}}{y_{O_2,\text{air}}} ]
当装置使用富氧空气、循环烟气、加湿空气或其他氧化剂时，使用适当的实际空气成分非常重要。
测量烟气成分
使用奥氏分析仪或仪器分析
传统的奥氏分析仪通过选择性吸收二氧化碳、氧气和有时的一氧化碳来测量干烟气成分。氮气通常通过差减法获得：
[ y_{N_2}
1-y_{CO_2}-y_{O_2}-y_{CO}-y_{\text{other}} ]
现代中试装置通常使用连续分析仪，其技术包括顺磁氧测量、红外二氧化碳和一氧化碳测量或紫外二氧化硫测量。
报告基准和采样条件
烟气结果应说明浓度是干基还是湿基、是体积还是摩尔分数，以及采样温度和压力。采样管线可能需要过滤、冷却、冷凝控制和水分校正。
采样不当会导致误导性结果。冷凝水、泄漏、颗粒物负载、分析仪交叉灵敏度或不具代表性的采样位置都可能扭曲表观气体成分。
解释主要成分
CO₂表示碳氧化，有助于核对碳平衡。CO₂浓度偏低可能是由于过量空气过多、燃烧不完全、燃料稀释或采样气体中未体现碳所致。
O₂代表燃烧反应后剩余的氧气。它是控制过量空气最常用的烟气指标，但必须结合CO和未燃燃料测量结果进行解释。
CO和残留碳氢化合物表示燃烧不完全。它们的存在可能是由于空气不足、燃料-空气混合不良、停留时间不足、温度过低或燃烧器运行不稳定所致。
SO₂主要与硫转化有关，有助于评估硫平衡和下游酸性气体处理。氮气主要来自燃烧空气，尽管燃料结合氮和氮氧化物的形成可能需要额外分析。
确定过量空气百分比
根据空气流量数据计算
如果测量了实际空气进料量，则过量空气百分比为：
[ %\text{ excess air}
\frac{n_{\text{air,actual}}-n_{\text{air,stoich}}} {n_{\text{air,stoich}}} \times 100 ]
等效地，使用空气提供的氧气：
[ %\text{ excess air}
\frac{n_{O_2,\text{actual}}-n_{O_2,\text{stoich}}} {n_{O_2,\text{stoich}}} \times 100 ]
过量空气系数为：
[ \lambda
\frac{n_{\text{air,actual}}}{n_{\text{air,stoich}}}
1+\frac{%\text{ excess air}}{100} ]
因此，15%的过量空气对应于(\lambda=1.15)。
根据干烟气氧气含量估算
对于使用普通空气且燃料中氧含量可忽略不计的完全燃烧，基于干烟气氧含量的常用近似公式为：
[ %\text{ excess air} \approx \frac{y_{O_2,\text{dry}}} {0.21-y_{O_2,\text{dry}}} \times 100 ]
该关系假设测得的氧气是过量氧化剂的主要指标，且空气成分已知。
当存在一氧化碳、未燃燃料、富氧、空气泄漏、烟气再循环或显著的燃料结合氧时，该近似值的可靠性会降低。
通过完整的物料平衡进行交叉核对
最稳妥的中试装置程序是比较两个独立的估算值：
- 根据燃料元素分析计算理论空气量。
- 根据测得的空气流量计算实际空气量。
- 分析干烟气。
- 使用碳、氢、硫、氧和氮平衡重建出口流。
- 比较计算值和测量值。
一致性支持运行数据的有效性。显著差异可能表明分析仪误差、空气渗入、燃料成分不准确、未测量的固体残渣或燃烧不完全。
理解权衡因素
空气过少导致燃烧不完全
在化学计量空气需求以下运行会产生CO、烟灰、烟雾、氢气、甲烷或其他未燃碳氢化合物。它还会降低可回收热量，因为部分燃料化学能残留在废气或残渣中。
仅凭低氧读数并不能证明运行高效。伴随CO升高的低O₂烟气可能表明缺氧或混合不良。
空气过多降低热效率
过量空气有助于促进完全燃烧，但也会增加被炉膛加热的氮气和未用氧气的体积。这些气体通过烟囱排出，带走过程中的显热。
因此，过量空气会降低热效率，增加风机和管道需求，并稀释污染物浓度。合适的运行点是在保持稳定、完全燃烧并满足安全和排放要求的前提下，最低的过量空气水平。
空气泄漏会破坏计算
通过炉膛密封件、检查孔、管道接头或采样点进入的空气会增加测得的烟气氧含量，而不一定代表供给燃烧器的燃烧空气。这可能使计算出的过量空气看起来比燃烧器设置建议的要高。
因此，中试装置平衡应尽可能区分燃烧空气和不可控稀释空气。
必须考虑水分和露点
燃料水分和氢燃烧生成的水出现在湿烟气中，但在干奥氏分析结果中不存在。在将测得的浓度转换为总流量或进行氧平衡时，这种区别很重要。
除非有意管理冷凝，否则烟气在热回收设备中必须保持在其相关的水露点或酸露点以上。含硫燃料在硫氧化物和水共同冷凝时会产生酸性冷凝液和腐蚀风险。
如何将其应用于您的中试装置
适当的方法取决于实验目的和可用的仪器。
- 如果您的主要重点是燃烧效率： 连续测量干基O₂、CO₂和CO，根据燃料成分计算理论空气量，并在保持CO和未燃燃料处于可接受低水平的前提下，以最低过量空气运行。
- 如果您的主要重点是物料平衡验证： 使用固定的燃料基准，测量空气和烟气流量，分析干气体，并闭合碳、氢、硫、氧和氮平衡。
- 如果您的主要重点是燃烧器或炉膛控制： 使用烟气O₂作为控制指标，但要根据CO、空气泄漏、燃料流量和定期分析仪校准对其进行验证。
- 如果您的主要重点是排放或废气处理： 在确定洗涤器和其他处理设备的尺寸或进行评估之前，以明确的干基或湿基跟踪CO₂、CO、SO₂、氧气、水分和相关污染物。
可靠的过量空气评估既需要准确的烟气测量，也需要化学计量一致的燃烧平衡。
总结表：
| 评估领域 | 关键方法 | 主要考虑因素 |
|---|---|---|
| 燃料基准 | 分析碳、氢、硫、氧、水分和灰分 | 使用一致的质量或摩尔基准 |
| 理论需氧量 | 应用完全燃烧化学计量学 | 扣除燃料结合氧 |
| 化学计量空气 | 需氧量除以空气氧分数 | 针对富氧、加湿或循环空气进行调整 |
| 烟气分析 | 测量干基O₂、CO₂、CO、SO₂和N₂ | 说明干基或湿基及采样条件 |
| 流量数据计算过量空气 | 比较实际空气与化学计量空气 | %过量空气 = (实际空气 - 化学计量空气) / 化学计量空气 x 100 |
| 氧气含量计算过量空气 | 使用干烟气氧浓度 | 近似值: O₂ / (0.21 - O₂) x 100 |
| 平衡验证 | 核对碳、氢、硫、氧和氮 | 检查泄漏、分析仪误差、水分和未燃燃料 |
| 运行权衡 | 在保持完全燃烧的同时最小化过量空气 | 监测O₂并结合CO和未燃碳氢化合物 |
需要用于教学、研究或工艺开发的可靠燃烧数据吗？联系LABPARK，讨论为您量身定制的教育或职业单元操作中试装置。LABPARK支持大学、研究机构和企业开展化学工程、生物过程与生物技术、环境与水处理应用的中试装置。我们的系统帮助团队测量空气和燃料流量、分析烟气、验证物料平衡、评估燃烧效率，并使用实用的仪表化设备培训操作员。
