过量空气百分比是根据完全燃烧所需的净理论氧量计算的，即使实际过程中产生了二氧化碳或未燃尽的燃料。 首先计算将所有燃料碳氧化为 CO₂、氢氧化为 H₂O 以及硫氧化为 SO₂ 所需的氧气。然后减去燃料中已有的化学结合氧，将所得的净需求量与空气提供的氧气进行比较，并将差值表示为净需求量的百分比。
核心要点： 不完全燃烧会改变实际烟气成分，但不会改变用于定义过量空气的理论燃烧基准。对于含有结合氧的燃料，在计算过量空气之前，应从完全燃烧的需氧量中减去燃料中的氧。
确定理论需氧量
以完全燃烧作为计算基准
理论需氧量假设燃料完全氧化：
- 碳变为 CO₂。
- 氢变为 H₂O。
- 硫变为 SO₂。
即使中试装置实际上产生了 CO、烟灰或未燃尽的碳氢化合物，该基准依然保持不变。
根据燃料成分计算氧气
对于含有碳、氢、硫和氧的燃料，按质量计的化学计量需氧量可写为：
[ m_{O_2,\ theoretical}
\frac{32}{12}m_C + 8m_H + m_S ]
其中 (m_C)、(m_H) 和 (m_S) 分别是燃料中碳、氢和硫的质量。
这些系数源自完全燃烧反应：
[ C + O_2 \rightarrow CO_2 ]
[ 2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O ]
[ S + O_2 \rightarrow SO_2 ]
核算燃料中已有的氧
如果燃料含有含氧化合物，部分所需氧气由燃料内部提供，而不是由空气提供。
因此，从空气中所需的净氧量为：
[ m_{O_2,\ net}
m_{O_2,\ theoretical}
m_{O,\ fuel}\left(\frac{32}{16}\right) ]
或者，当 (m_{O,\ fuel}) 表示为元素氧的质量时，更简单的形式为：
[ m_{O_2,\ net}
m_{O_2,\ theoretical}
m_{O,\ fuel} ]
第二种形式是有效的，因为无论氧气是以燃料结合氧的形式进入，还是以空气中分子氧的形式进入，氧原子的质量都是守恒的。
对于质量分数为 (C)、(H)、(S) 和 (O) 的燃料，常见的元素分析形式为：
[ m_{O_2,\ net}
\frac{32}{12}m_C + 8m_H + m_S
m_O ]
结果必须基于一致的数量基准，例如燃料的千克数或千摩尔数。
计算过量空气百分比
计算空气提供的氧气
如果已知空气进料量，则计算随空气进入的氧气：
[ m_{O_2,\ entering}
y_{O_2,\ air}m_{\text{air}} ]
其中 (y_{O_2,\ air}) 是空气中氧气的质量分数。
对于干空气，氧含量通常表示为约 21 mol%。使用质量单位时，相应的氧质量分数约为 0.233。空气基准必须与理论需氧量计算保持一致。
应用过量空气方程
过量空气百分比为：
[ %,\text{excess air}
\frac{ m_{O_2,\ entering}
m_{O_2,\ net} }{ m_{O_2,\ net} } \times 100 ]
由于对于固定的空气成分，空气和氧气成比例，因此可以使用空气量表示相同的结果：
[ %,\text{excess air}
\frac{ m_{\text{air, actual}}
m_{\text{air, theoretical}} }{ m_{\text{air, theoretical}} } \times 100 ]
理论空气量是提供 (m_{O_2,\ net}) 所需的空气量。
正确解读结果
零值代表理论空气量：即在定义的化学计量基准下完全燃烧所需的精确空气量。
正值表示过量空气。负值表示空气不足，这通常与 CO、烟灰或未燃尽的燃料有关。
为什么不完全燃烧不会重新定义过量空气
CO 是实际产物，而非新的理论基准
当碳形成 CO 而不是 CO₂ 时，实际消耗的氧气低于完全燃烧所需的氧气。
然而，过量空气百分比旨在衡量相对于完全氧化所需量供应了多少空气。如果使用实际生成的 CO 重新计算理论需求，会低估相对于目标燃烧终点的空气不足或过量情况。
未燃尽的燃料必须视为实际平衡结果
残留的碳氢化合物、烟灰或未燃尽的碳会影响实际的物料和能量平衡。
在调节测量的输入和输出流时应包括它们，但它们不能取代过量空气定义中使用的完全燃烧化学计量需求。
将过量空气与燃烧效率区分开来
过量空气描述的是相对于化学计量需求的空气供应。
燃烧效率还取决于一氧化碳、未燃尽的碳氢化合物、烟灰、燃料转化率、热损失和其他操作条件。由于混合不良、停留时间不足、温度低或燃烧器限制，装置即使在过量空气下也可能表现出不完全燃烧。
在中试装置中使用烟气分析
测量干烟气中的氧气
干烟气分析仪通常测量 O₂、CO₂、CO，有时还测量 SO₂ 和碳氢化合物。
当已知燃料成分和燃烧产物时，测得的氧浓度可用于估算过量空气，但计算必须考虑稀释、水分去除、泄漏以及所选择的干基或湿基。
使用物料平衡验证结果
可靠的中试装置计算应比较：
- 燃料成分和空气进料速率。
- 完全燃烧所需的理论需氧量。
- 测得的烟气成分。
- 未燃尽的碳、未燃尽的燃料和其他出口流。
这种比较可以识别分析仪误差、空气泄漏、不正确的水分校正以及不一致的流量基准。
不要混淆残余氧与过量空气
烟道中的残余 O₂ 通常表明进入的氧气超过了消耗量。
它并不自动等于过量空气百分比，因为烟气中还含有氮气、CO₂、水蒸气、CO 以及可能存在的未燃尽燃料。氧气结果必须通过整体燃烧平衡来解读。
理解权衡
空气过少
空气不足会产生 CO、烟灰、未燃尽的碳氢化合物，并降低热释放。
由于 CO 有毒且未燃尽的燃料可能在下游设备或排气系统中积聚，这也造成了安全和环境问题。
空气过多
过量的空气会增加燃烧过程中被加热的氮气和未利用氧气的量。
这些额外的气体将显热带出装置，降低热效率并可能降低火焰温度。过量空气也会影响 NOₓ 的形成，因此最佳操作点不一定是尽可能高的空气速率。
计算基准不一致
一个常见的错误是将基于质量的理论氧与摩尔空气流量进行比较，或者将湿烟气分析与干基计算进行比较。
在整个计算过程中使用一个一致的基准，并明确说明流量和成分是按湿基还是干基测量的。
空气泄漏和分析仪限制
通过泄漏进入的假空气会增加测得的烟道氧气，而这些空气并非预期的燃烧空气进料的一部分。
此外，混合不完全、采样管冷凝、分析仪校准误差以及中试装置运行不稳定，都可能导致基于烟气的估算与基于进料的计算存在差异。
为您的目标做出正确的选择
根据中试装置计算的目的，采用以下方法：
- 如果您的主要重点是化学计量设计： 计算完全燃烧需氧量，减去燃料中的结合氧，将净需求量转换为理论空气量，并将其与实际空气进料进行比较。
- 如果您的主要重点是诊断不完全燃烧： 保留完全燃烧理论基准，然后使用测得的出口成分分别量化 CO、未燃尽燃料、烟灰和残余碳。
- 如果您的主要重点是验证中试装置数据： 将基于进料的过量空气结果与干烟气物料平衡进行比较，并通过空气泄漏、水分和分析仪检查来调查差异。
- 如果您的主要重点是热效率： 避免将过量空气本身视为操作目标；确定实现可接受的燃烧完整性和排放性能的最低空气速率。
无论在实际运行中观察到何种不完全产物，可靠的过量空气计算始终使用完全燃烧所需的净氧量。
总结表：
| 计算要素 | 关键原则 | 实用说明 |
|---|---|---|
| 理论需氧量 | 将碳氧化为 CO₂，氢氧化为 H₂O，硫氧化为 SO₂ | 使用完全燃烧作为参考基准 |
| 燃料结合氧 | 减去燃料中已有的氧 | 应用一致的质量或摩尔基准 |
| 净需氧量 | 理论需氧量减去燃料结合氧 | 这是从空气中所需的氧气 |
| 过量空气 | (实际空气 - 理论空气) / 理论空气 × 100 |
正值表示过量空气；负值表示不足 |
| 不完全燃烧 | 将 CO、烟灰和未燃尽燃料视为实际出口结果 | 不要重新定义理论需氧量 |
| 烟气验证 | 比较干 O₂、CO₂、CO、水分和流量数据 | 检查空气泄漏、采样误差和基准不一致 |
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