Буква И — Избыток воздуха
Избыток воздуха является основной характеристикой качества (эффективности) использования топлива при работе теплового агрегата (комплекта «котёл-горелка»). Его величина означает соотношение рабочего количества подаваемого воздуха к теоретически необходимому, рассчитываемому по химическим реакциям «полного окисления» горючих компонентов элементарного состава топлива. Избыток воздуха обозначается греческими буквами – АЛЬФА (в России) или ЛЯМБДА (в западных странах).
Для количественной оценки избытка воздуха:
- в РФ традиционно чаще используются числовые величины. Так, например, избыток воздуха 1,0 характеризует теоретическое (т. н. «стехиометрическое») количество воздуха;
- в Западной Европе принято процентное соотношение и для вышеприведённого примера избыток воздуха равен нулю.
Для расчёта избытка воздуха используются результаты анализа продуктов сгорания (см. выше). Для определения паспортных характеристик котлов анализируются уходящие газы (на выходе котла) при полном отсутствии «химической» (q3) и «механической» (твердые горючие остатки — q4) неполноты сгорания.
- «углекислотная» формула — СО2 макс/СО2, где СО2 – содержание СО2 (%) в продуктах сгорания и СО2 макс — то же в топливе данного элементарного состава при «стехиометрическом» сгорании;
- «кислородная» формула — 21/21-О2, где О2 – содержание О2 (%) в уходящих газах и 21 – «стандартное» содержание О2 в атмосферном воздухе (точное значение равно 20,95%).
Кислородная формула проще, требуя знания только концентрации «свободного» кислорода в уходящих газах, что легко обеспечивается существующими анализаторами дымовых газов. Углекислотная формула точнее, но в области наиболее употребляемых («малых») избытков воздуха «сходимость» обеих формул вполне отвечает практическим целям. Зная величину избытка воздуха, рекомендуемого изготовителем котла/горелки, можно:
- во-первых, оценить качество горелки и эффективность её использования в котле;
- во-вторых, сравнивая паспортные характеристики оборудования с реальными ( «рабочими») избытками воздуха, оценить качество эксплуатации теплового агрегата.
В топочной технике используется термин «критический избыток воздуха», означающий тот минимально допустимый избыток воздуха, при котором уже заметен рост остаточных продуктов химической неполноты сгорания (в первую очередь СО). Для жаротрубно-дымогарных котлов, где качество сгорания топлива преобладающим образом определяется смесеобразованием непосредственно в факеле горелки (см. «смешение топлива с воздухом») , разработчики котлов/горелок обычно задают некоторый «эксплуатационный», учитывающий возможные изменения рабочих условий, запас по величине избытка воздуха, рекомендуя содержание кислорода на уровне 3,5… 4,0%, при величинах избытка воздуха «по кислороду» на уровне 2,0. В то же время «европейские» дутьевые горелки, как показывают их режимные испытания, допускают снижение концентрации О2, без ухудшения итоговых показателей за котлом, до примерно 2,0%, следовательно их критический избыток составляет порядка 1,1. Для сравнения отметим, что камерные многогорелочные котлы, в топках которых имеет место активное вторичное смесеобразование/дожигание горючих «остатков», работают с гораздо меньшим избытком воздуха.
В топочной технике используется термин «критический избыток воздуха», означающий тот минимально допустимый избыток воздуха, при котором уже заметен рост остаточных продуктов химической неполноты сгорания (в первую очередь СО). Для жаротрубно-дымогарных котлов, где качество сгорания топлива преобладающим образом определяется смесеобразованием непосредственно в факеле горелки (см. «смешение топлива с воздухом») , разработчики котлов/горелок обычно задают некоторый «эксплуатационный», учитывающий возможные изменения рабочих условий, запас по величине избытка воздуха, рекомендуя содержание кислорода на уровне 3,5… 4,0%, при величинах избытка воздуха «по кислороду» на уровне 2,0. В то же время «европейские» дутьевые горелки, как показывают их режимные испытания, допускают снижение концентрации О2, без ухудшения итоговых показателей за котлом, до примерно 2,0%, следовательно их критический избыток составляет порядка 1,1. Для сравнения отметим, что камерные многогорелочные котлы, в топках которых имеет место активное вторичное смесеобразование/дожигание горючих «остатков», работают с гораздо меньшим избытком воздуха.
Возвращаясь к бытовым котлам, следует подчеркнуть, что только регулярная (не менее одного раза в год, как предписывают изготовители котлов) приборная проверка качества сгорания может обеспечить длительную эффективную и надёжную работу котла с дутьевой горелкой. Желание «клиента» сэкономить на привлечении «прибориста» вполне естественно, но контроль пламени в топке «на глаз», неминуемо закончится, тем более в случае дизельной горелки, необходимостью останова котла, для чистки его газового тракта от сажи, в самый неподходящий момент — в зимний период.
Сервисная служба компании «ТГВ» располагает штатом высококвалифицированных наладчиков котлов/дутьевых горелок и оснащена портативными многофункциональными газоанализаторами продуктов сгорания (см. выше).
2.6. Определение избытка воздуха
Расчетный коэффициент избытка воздуха в топке устанавливается согласно нормам теплового расчета котла. Обычно он принимает следующее значение: 1,1-1,25 при сжигании твердых топлив; 1,03-1,1 при сжигании жидких и газообразных топлив.
Уменьшение избытка воздуха приводит к экономии расхода энергии на привод тягодутьевых машин и повышению кпд котла, однако его снижение ниже расчетного значения ведет к быстрому росту недожога топлива и снижает экономичность.
При
работе котла под разрежением, создаваемым
дымососом, происходит подсос в газовый
тракт холодного воздуха из окружающей
среды. За счет этого объем продуктов
сгорания увеличивается, возрастает
избыток воздуха и снижается температура
газов.
Присосы определяются в долях
теоретически необходимого объема
воздуха i Vi/V0,
где Vi – объем присосного воздуха в пределах i-й
поверхности котла. Тогда избыток воздуха
за i-й
по порядку поверхностью нагрева после
топки определится как I т i.
Для обеспечения оптимальных условий горения и минимума присосов воздуха по газовому тракту необходим постоянный контроль за избытками воздуха в газовом тракте.
Коэффициент избытка воздуха в соответствии с определением равен отношению действительно поданного количества воздуха к теоретически необходимому:
, (2.38)
где ΔV – избыточное количество воздуха.
Не учитывая увеличения содержания азота в дымовых газах за счет азота топлива, можно записать, что объем всего воздуха подаваемого на горение связан с объемом азота в дымовых газах следующим соотношением:
.
(2.39)
Избыточное количество воздуха, подаваемого на горение, связано с объемом кислорода, не вступившим в реакцию, соотношением
. (2.40)
Подставляя (2.39) и (2.40) в (2.38), получим:
. (2.41)
При наличии химнедожога расчет ведется на количество кислорода, который должен был прореагировать при полном окислении горючих элементов:
, (2.42)
Тогда азотная формула примет окончательный вид
. (2.43)
Таким образом, для точного определения коэффициента избытка воздуха необходимо измерить практически полный состав продуктов сгорания, а именно: концентрации кислорода, азота, оксида углерода, водорода, метана.
На
практике используют два метода определения
коэффициента избытка воздуха
по концентрации кислорода и по концентрации
сухих трехатомных газов в продуктах
сгорания. Основным является метод
прямого определения концентрации
кислорода (магнитный кислородомер или
электролитическая ячейка).
Пусть горючая часть топлива не содержит водорода. При окислении углерода и серы объемы образовавшихся диоксидов углерода и серы равны объему израсходованного кислорода (С+О2=СО2, S+O2=SO2), при этом концентрация азота при любом коэффициенте избытка воздуха будет постоянной и равной 79 %. Тогда при отсутствии химического недожога (СО=0, Н2=0, СН4=0) азотная формула может быть преобразована к виду
. (2.44)
Пусть
горючая часть топлива представлена
только водородом. Тогда в продуктах
полного сгорания будут содержаться
только азот, кислород и вода, а в сухих
продуктах сгорания (газоанализаторы
работают при комнатной температуре)
только азот и кислород. Совершенно
очевидно, что при коэффициенте избытка
воздуха α = 1 концентрация азота в
продуктах сгорания будет равна 100 %.
На изменение концентрации азота в продуктах сгорания влияет также и содержание кислорода в топливе. При соотношении водорода топлива и кислорода топлива 32/4 = 1/8 (2Н2 + О2 = 2Н2О, 4 + 32 = 36) весь кислород топлива затрачивается на окисление водорода топлива, а кислород воздуха будет расходоваться на окисление углерода и серы. В этом случае концентрация азота в продуктах сгорания при любом избытке воздуха будет также постоянной и равной 79 %. Следовательно, кислородная формула дает достаточно точные значения либо когда содержание водорода в топливе незначительно, либо когда выполняется соотношение , например, при сжигании древесины.
Вторым достаточно широко применяемым методом определения избытка воздуха в продуктах сгорания является его расчет на основе нахождения процентного содержания сухих трехатомных газов RO2 = CO2 + SO2, где RO2=
При полном сгорании топлива в стехиометрических соотношениях (=1) и при условии, что содержание водорода и кислорода в топливе соответствует выражению Нр=Ор/8 (весь водород топлива окисляется кислородом топлива), содержание сухих трехатомных газов составит:
.
(2.45)
В
большинстве твердых и жидких топливах
Нр > О
, (2.46)
и тем меньше, чем больше разность Нр и Ор/8.
Показателем, отражающим это различие в содержании водорода и кислорода в топливе, является топливный коэффициент Бунте . Его значение для твердых и жидких топлив определяется по формуле
. (2.47)
С помощью коэффициента величину максимально возможного содержания сухих трехатомных газов в продуктах сгорания можно выразить следующим образом:
. (2.48)
Значения находятся в следующих пределах для различных видов топлив, %:
твердое
топливо………………….
.18 20 ;
мазут……………………………….16 17 ;
природный газ…………………….11 13 .
При коэффициенте избытка воздуха 1 объем сухих газов составит Vс.г= +V и RO2=[ ]100 и будет меньше, чем .
Поскольку при этом объем не изменится, то отношение
(2.49)
Надежность этого метода определения коэффициента избытка воздуха зависит от того, насколько точно известно для данного топлива значение , а также от точности выполнения анализа дымовых газов на содержание RO2. Трудности использования данного метода возникают при сжигании топлив, чья минеральная часть содержит карбонаты, которые выделяют дополнительное количество СО2 при термическом разложении.
Избыточный воздух: его роль в горении и теплопередаче
Избыточный воздух играет несколько ролей в системах термообработки. Узнайте о его важности для процессов горения и теплообмена, а также о том, почему хорошая информация поможет вашей системе работать с максимальной производительностью.
Эта статья с оригинальным содержанием, написанная Джоном Кларком , техническим директором в Helios Electric Corporation , опубликована в Heat Treat Today’s Aerospace, март 2021 г. печатный журнал. См. этот выпуск и другие здесь.
Джон Б. Кларк
Технический директор
Helios Electric Corporation
Источник: Helios Electric Corporation
Ваша система работает оптимально? Следующее обсуждение обеспечит лучшее, хотя и сокращенное, понимание роли воздуха в горении и теплопередаче.
Избыток воздуха в системах отопления играет множество ролей: он обеспечивает достаточное количество кислорода для предотвращения образования CO или сажи, может уменьшить образование NO x , увеличивает массовый расход в конвективных печах для улучшения однородности температуры, а иногда и тратит энергию впустую. Избыток воздуха — это не хорошо и не плохо, но часто он необходим.
Для начала мы должны рассмотреть базовую формулу. Для наших обсуждений мы заменим природный газ, который представляет собой смесь углеводородов с метаном (CH 4 ). Кислород (O 2 ) подается по воздуху.
Приведенная выше упрощенная формула описывает идеальное или стехиометрическое сгорание. Входы — метан и воздух (где только O 2 используется для окисления углерода и водорода в метане), а продукты сгорания (POC) состоят из нагретой двуокиси углерода (CO 2 ), водяного пара (H 2 O) и, конечно же, азота ( N 2 ). (Реальная реакция намного сложнее, и в воздухе присутствуют другие элементы, которые мы игнорируем для простоты.) Как видно из уравнения, кислород, необходимый для сжигания метана, поставляется со значительным количеством азота.
На практике очень трудно даже приблизиться к этой стехиометрической или идеальной реакции, потому что это требует идеального перемешивания, а это означает, что каждая молекула метана находится рядом с молекулой кислорода в нужное время.
Без избыточного воздуха можно было бы ожидать образования некоторого количества угарного газа и/или сажи. Избыток воздуха обычно определяется как процент от общего количества подаваемого воздуха, превышающий то, что требуется для стехиометрического или идеального сгорания. Для природного газа хорошее эмпирическое правило состоит в том, чтобы иметь около 10 кубических футов воздуха на каждый кубический фут топливного газа для идеального сгорания. Еще одним способом описания избытка воздуха является более высокое соотношение воздух/топливо, скажем, 11:1.
В большинстве случаев нагревания следует избегать образования окиси углерода и других несгоревших углеводородов, за исключением редких случаев, когда они служат для защиты обрабатываемого материала. Сотрудники должны быть защищены от воздействия угарного газа; а сажа может повредить не только оборудование, но и обрабатываемый материал.
Источник: Heat Treat Today
Количество избыточного воздуха, необходимого для обнаружения и соединения с метаном, зависит не только от горелки, но также от применения и рабочей температуры.
Некоторые горелки и системы могут работать с очень небольшим избытком воздуха (менее 5%) и не образовывать сажу или CO. Другим для чистого сгорания может потребоваться 15% или более. Тот факт, что горелка хорошо работает при 10% избытке воздуха в приложении А, не обязательно означает, что такой же уровень достаточен и в приложении Б.
Как только количество воздуха превысит необходимое для полного окисления или сжигания метана, эффективность горения упадет, потому что добавленный воздух не вносит полезного O 2 в процесс горения, и его необходимо нагревать. Это очень похоже на то, как кто-то кладет камень вам в рюкзак перед тем, как отправиться в 16-мильное путешествие. Продолжая эту аналогию, более высокие температуры процесса приравниваются к восхождению на холм или гору с той же самой скалой — чем выше подъем или чем выше температура процесса, тем больше энергии вы тратите. Иногда этот дополнительный вес или масса могут быть полезны.
Чем больше избыток воздуха, тем больше массовый расход.
Другими словами, общая масса продуктов сгорания увеличивается, а температура СО 2 , Н 2 О, N 2 и О 2 понижается. Если мы пытаемся передать тепло конвективно, эта дополнительная масса или вес обеспечит улучшенную теплопередачу и однородность температуры. Простой способ представить однородность температуры состоит в том, что чем меньше перепад температур между продуктами сгорания и нагреваемым материалом, тем лучше однородность температуры. Многие системы отопления специально разработаны, чтобы использовать это условие — более высокий уровень воздуха при более низких температурах. Это особенно верно, когда конвективная теплопередача является доминирующим средством передачи тепла от POC к нагреваемому материалу (когда температура процесса составляет примерно 1000 ° F или ниже).
Источник: Heat Treat Today
Некоторые системы обогрева специально разработаны для работы как можно ближе к идеальному сгоранию, когда материал нагревается, а затем переключаются на более высокие уровни избыточного воздуха для повышения однородности температуры по мере приближения к заданной температуре.
Другими словами, он обеспечивает эффективное сгорание, когда однородность температуры не является проблемой, и очень однородную среду, когда обрабатываемый материал приближается к своей конечной заданной температуре.
Конечно, в систему может подаваться слишком много воздуха, что может привести к потере энергии, но также не позволит системе достичь заданной температуры. Энергии недостаточно, чтобы нагреть весь воздух, обрабатываемый материал и компенсировать потери печи или печи. В этих случаях очевидно, что мы должны уменьшить подачу воздуха в систему.
В системах непрямого нагрева, где продукты сгорания не вступают в контакт с обрабатываемым материалом, например, в радиационных трубах, подача воздуха в количестве, превышающем то, что требуется для чистого горения, дает ограниченную пользу, и его, как правило, следует избегать. В этих системах лучше всего играть в лимбо, так сказать, «Как низко вы можете пасть». Проверьте каждую горелку, чтобы увидеть, сколько избыточного воздуха требуется для чистого сгорания, и добавьте немного для безопасности.
Помните, что если вы получаете воздух для горения извне в районе со значительными сезонными колебаниями, эффективность вентилятора изменится, и потребуется сезонная настройка горения.
Наконец, некоторым горелкам для правильной работы требуется минимальный уровень избыточного воздуха. Этот дополнительный воздух предотвращает перегрев критических частей горелки, иначе воздух может ограничить образование оксидов азота (NO x ). В этом случае изменение соотношения воздух/топливо в горелке может привести к чрезмерному загрязнению или даже к выходу из строя горелки.
Эффективность важна, но главное — процесс. Не существует волшебного соотношения воздух-топливо и единого оптимального уровня избытка воздуха в продуктах сгорания. Каждое приложение уникально и должно быть тщательно проанализировано, прежде чем мы сможем с уверенностью сказать, что оптимизировали уровень избыточного воздуха. Но тщательное внимание, уделяемое влиянию избыточного воздуха на ваши системы, работающие на топливе, принесет дивиденды в виде повышения безопасности и эффективности.
О авторе :
Джон Кларк, технический директор Helios Electric Corporation , консультации по сжиганию, будет обмениваться своим опытом, поскольку он навигает на нас через все, что является энергии, как и в сфере сжигания это относится к термическому оборудованию.
Избыток воздуха: когда слишком много действительно слишком много?
Экономия топлива имеет смысл; если вы используете меньше, вы платите меньше. Это относится к заправке вашего автомобиля, а также к расходу топлива в технологическом нагревателе. Сколько денег вы сэкономите, легко подсчитать, умножив экономию топлива на цену топлива за галлон. С воздухом для горения не все так однозначно. Воздух бесплатный, так зачем экономить на воздухе для горения?
На самом деле у оператора возникает соблазн использовать немного дополнительного воздуха для процесса горения по ряду причин. Потребность в кислороде может варьироваться из-за колебаний в процессе, таких как изменение скорости подачи и качества подачи.
Кроме того, на сторону сгорания нагревателя могут влиять изменения состава топлива и условий окружающей среды. Известная проблема заключается в том, что на тягу и распределение воздуха внутри обогревателей с естественной тягой влияют порывы ветра. Эти и другие переменные могут вызвать существенное изменение уровня кислорода в топке. Теперь любой умный оператор хочет, чтобы этот уровень был значительно выше нуля, и если колебания могут быть серьезными, осторожный оператор добавляет хорошую маржу сверх рекомендуемого уровня.
Итак, сколько избытка воздуха разумно? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно посмотреть на стоимость избыточного воздуха. Нет простой цены за галлон, но есть скрытые расходы, которые могут быть существенными.
Что оптимально?
С точки зрения эффективности теоретически оптимальный уровень избытка воздуха равен нулю процентов; мы, конечно, не хотим опускаться ниже нуля, потому что процесс горения не получит достаточного количества воздуха, и мы рискуем заполнить камеру сгорания несгоревшими углеводородами.
Удерживать его точно на нуле невозможно ни из-за вышеупомянутых колебаний в системе, ни потому, что непросто спроектировать процесс горения с идеальным смешиванием воздуха и топлива. Итак, нам нужно обеспечить некоторый «избыточный» воздух в систему.
Рекомендуемый уровень избытка воздуха для технологической печи, работающей на газе, составляет 15% в соответствии с отраслевыми рекомендациями, такими как API 535. На некоторых технологических установках, таких как производство этилена и водорода, печи работают очень стабильно и при высокой температуре. В этих случаях отраслевой нормой является уровень избытка воздуха 8 – 10 %. С другой стороны, для сжигания жидкого топлива требуется избыточный уровень воздуха на 20–25 % для предотвращения образования сажи.
Кстати, оператор печи обычно знает только уровень кислорода в топке. Чтобы преобразовать уровень кислорода в процент избытка воздуха, можно использовать следующую простую формулу:
Избыточный воздух = 92 O2 / (21 – O2)
с O2, выраженным в объемных % (сухой).
Используя это уравнение, мы видим, что 3 % O2 соответствует 15 % избыточного воздуха, а 5 % O2 соответствует 35 % избыточного воздуха.
Итак, какова цена «избыточного» избыточного воздуха?
Давайте сначала обсудим некоторые основы топки, которые мало кто знает или о которых заботятся; избыток воздуха влияет на тепловую эффективность топки (если вас это не волнует – в этом случае переходите к 9).0010 Конечный результат .
Воздух состоит почти исключительно из азота и кислорода. Поскольку они двухатомные, ни один из газов не участвует в переносе энергии излучения. Единственные газы, которые взаимодействуют между собой осмысленным образом, — это водяной пар и углекислый газ, образующиеся при сгорании. Если топка работает при высоком уровне избытка воздуха, концентрации H3O и CO2 разбавляются, что снижает эффективную излучательную способность дымовых газов. Поскольку дымовые газы становятся менее эффективным источником лучистой энергии, падает тепловой КПД топки.
Работа топки на 35% избыточного воздуха вместо 15% избыточного воздуха снижает коэффициент излучения дымовых газов на 5%.
Вторая проблема заключается в том, что каждый лишний килограмм воздуха «крадет» тепло от процесса горения. Он эффективно снижает равновесную температуру, также известную как адиабатическая температура пламени. Излучение зависит от температуры в четвертой степени, поэтому лучистая теплопередача резко падает, когда температура топки падает из-за всего лишнего воздушного багажа. Работа топки на 35% избыточного воздуха вместо 15% избыточного воздуха снижает адиабатическую температуру пламени на колоссальные 400°F.
Конечный результат: тепловая эффективность излучения значительно падает при высоких уровнях избытка воздуха. Для примера 15% избытка воздуха по сравнению с 35% избытка воздуха разница составляет около 7%. Топка должна работать пропорционально сильнее, чтобы компенсировать это, и она менее энергоэффективна.
Используя стоимость топлива в размере 3 долларов США за MMBtu, можно легко рассчитать потери эффективности.
Для технологического нагревателя, работающего с производительностью 100 млн БТЕ/ч, снижение эффективности использования топлива на 1% стоит 26 300 долларов США в год. Для типичного нефтеперерабатывающего завода мощностью 300 000 баррелей в сутки каждый % прироста или потери энергии составляет около 1 млн долларов.
СКРЫТЫЕ ЗАТРАТЫ
В дополнение к затратам на топливо снижение энергоэффективности также увеличивает выбросы парниковых газов. В нагревателе мощностью 100 млн БТЕ/ч каждый % эффективности соответствует 550 т/год CO2.
Работа при более высоком уровне избыточного воздуха изменяет распределение режима работы между радиационной и конвекционной секциями. Сочетание более высокой скорости горения и более низкой лучистой эффективности приводит к значительному увеличению нагрузки на конвекцию. Это повлияет на температуру металла трубы, температуру опоры трубы и температуру кончиков ребер и может сократить срок службы каждого из этих компонентов.