La composizione dei gas di combustione e l'aria in eccesso vengono valutate combinando l'analisi dei gas con i bilanci di materia ed elementari attorno all'unità di combustione. In un impianto pilota, gli operatori misurano solitamente le concentrazioni di gas di combustione secchi di CO₂, O₂, CO, SO₂ e N₂ utilizzando un apparato di Orsat o analizzatori di gas continui. Successivamente, calcolano il fabbisogno teorico di ossigeno dalla composizione del combustibile e lo confrontano con l'ossigeno effettivamente fornito nell'aria di combustione.

Concetto chiave: L'analisi dei gas di combustione indica quanto ossigeno rimane dopo la combustione, mentre i dati sul flusso di combustibile e aria stabiliscono il fabbisogno teorico. Confrontare l'aria effettivamente fornita con l'aria stechiometrica e verificare il risultato rispetto alla composizione misurata dei gas di combustione fornisce la percentuale di aria in eccesso e verifica il bilancio di materia della combustione.

Stabilire la base di combustione

Definire la composizione del combustibile

L'analisi inizia con la composizione del combustibile secco o "as-fired" (così come alimentato). Il bilancio dovrebbe identificare carbonio, idrogeno, zolfo, ossigeno già legato nel combustibile, umidità, ceneri ed eventuale azoto o altri costituenti rilevanti.

Per i combustibili gassosi, la composizione può essere espressa come frazioni molari di metano, etano, idrogeno, monossido di carbonio, anidride carbonica e altri componenti. Per i combustibili solidi o liquidi, l'analisi elementare è comunemente espressa come percentuali in massa di carbonio, idrogeno, ossigeno, zolfo, azoto, ceneri e umidità.

Selezionare una base coerente

Il calcolo viene eseguito su una base definita, come 100 kmol di combustibile, 100 kg di carbone o un periodo operativo misurato dell'impianto pilota. Tutte le quantità di combustibile, aria, gas di combustione e residui devono utilizzare la stessa base.

L'analisi distingue inoltre tra gas di combustione umidi, che includono il vapore acqueo, e gas di combustione secchi, dai quali l'acqua è stata rimossa. La maggior parte dei risultati di Orsat e dei gas di scarico è riportata su base secca.

Calcolo del fabbisogno teorico di ossigeno

Applicare la stechiometria della combustione completa

Il fabbisogno teorico di ossigeno viene calcolato per l'ossidazione completa agli stati di ossidazione più elevati previsti:

Il carbonio viene convertito in CO₂.
L'idrogeno viene convertito in H₂O.
Lo zolfo viene convertito in SO₂.

Per un combustibile contenente carbonio elementare, idrogeno, zolfo e ossigeno, l'ossigeno netto richiesto è comunemente scritto su base massica come:

[ n_{O_2,\text{net}}

n_C+\frac{n_H}{4}+n_S-\frac{n_O}{2} ]

Qui, (n_C), (n_H), (n_S) e (n_O) sono le quantità di carbonio, idrogeno, zolfo e ossigeno legato al combustibile espresse in unità atomiche coerenti.

L'ossigeno legato al combustibile viene sottratto perché contribuisce all'ossidazione. Il fabbisogno teorico si basa sulla combustione completa, quindi il monossido di carbonio misurato o il combustibile incombusto non ridefiniscono il fabbisogno teorico di ossigeno.

Convertire il fabbisogno di ossigeno in aria stechiometrica

Per l'aria secca ordinaria, l'ossigeno è circa il 21% in volume, o frazione molare, con l'azoto che costituisce la maggior parte del resto. Pertanto:

[ n_{\text{aria,steich}}

\frac{n_{O_2,\text{steich}}}{y_{O_2,\text{aria}}} ]

È importante utilizzare l'appropriata composizione dell'aria reale quando l'impianto pilota utilizza aria arricchita di ossigeno, gas di combustione riciclati, aria umidificata o un altro ossidante.

Misurazione della composizione dei gas di combustione

Utilizzare l'analisi Orsat o strumentale

Un tradizionale analizzatore Orsat misura i costituenti dei gas di combustione secchi assorbendo selettivamente anidride carbonica, ossigeno e talvolta monossido di carbonio. L'azoto si ottiene comunemente per differenza:

[ y_{N_2}

1-y_{CO_2}-y_{O_2}-y_{CO}-y_{\text{altro}} ]

Gli impianti pilota moderni utilizzano spesso analizzatori continui basati su tecniche come la misurazione paramagnetica dell'ossigeno, la misurazione a infrarossi di anidride carbonica e monossido di carbonio, o la misurazione a ultravioletti dell'anidride solforosa.

Riportare la base e le condizioni di campionamento

Un risultato dei gas di combustione dovrebbe indicare se le concentrazioni sono su base secca o umida, se sono frazioni volumetriche o molari, e la temperatura e la pressione di campionamento. Le linee di campionamento possono richiedere filtrazione, raffreddamento, controllo della condensa e correzione dell'umidità.

Un campionamento inadeguato può produrre risultati fuorvianti. Acqua condensata, perdite, carico di particolato, sensibilità incrociata dell'analizzatore o un punto di campionamento non rappresentativo possono distorcere l'apparente composizione del gas.

Interpretare i componenti principali

La CO₂ indica l'ossidazione del carbonio ed è utile per verificare il bilancio del carbonio. Una bassa concentrazione di CO₂ può derivare da un'elevata aria in eccesso, combustione incompleta, diluizione del combustibile o carbonio non rappresentato nel gas campionato.

L'O₂ rappresenta l'ossigeno che rimane dopo le reazioni di combustione. È l'indicatore dei gas di combustione più comunemente utilizzato per controllare l'aria in eccesso, ma deve essere interpretato insieme alle misurazioni di CO e combustibile incombusto.

Il CO e gli idrocarburi residui indicano una combustione incompleta. La loro presenza può derivare da aria insufficiente, scarsa miscelazione combustibile-aria, tempo di residenza inadeguato, bassa temperatura o funzionamento instabile del bruciatore.

L'SO₂ è correlato principalmente alla conversione dello zolfo e aiuta a valutare i bilanci dello zolfo e il trattamento a valle dei gas acidi. L'azoto è per lo più trasportato dall'aria di combustione, sebbene l'azoto legato al combustibile e la formazione di ossidi di azoto possano richiedere un'analisi aggiuntiva.

Determinazione della percentuale di aria in eccesso

Calcolarla dai dati di flusso dell'aria

Se l'alimentazione d'aria effettiva viene misurata, la percentuale di aria in eccesso è:

[ %\text{ aria in eccesso}

\frac{n_{\text{aria,effettiva}}-n_{\text{aria,steich}}} {n_{\text{aria,steich}}} \times 100 ]

In modo equivalente, utilizzando l'ossigeno fornito dall'aria:

[ %\text{ aria in eccesso}

\frac{n_{O_2,\text{effettivo}}-n_{O_2,\text{steich}}} {n_{O_2,\text{steich}}} \times 100 ]

Il coefficiente di aria in eccesso è:

[ \lambda

\frac{n_{\text{aria,effettiva}}}{n_{\text{aria,steich}}}

1+\frac{%\text{ aria in eccesso}}{100} ]

Pertanto, il 15% di aria in eccesso corrisponde a (\lambda=1,15).

Stimarli dall'ossigeno nei gas di combustione secchi

Per la combustione completa con aria ordinaria e ossigeno trascurabile nel combustibile, un'approssimazione comune basata sull'ossigeno nei gas di combustione secchi è:

[ %\text{ aria in eccesso} \approx \frac{y_{O_2,\text{secco}}} {0,21-y_{O_2,\text{secco}}} \times 100 ]

Questa relazione presuppone che l'ossigeno misurato sia l'indicatore principale dell'ossidante in eccesso e che la composizione dell'aria sia nota.

L'approssimazione diventa meno affidabile quando sono presenti monossido di carbonio, combustibile incombusto, arricchimento di ossigeno, infiltrazioni d'aria, ricircolo dei gas di combustione o una quantità significativa di ossigeno legato al combustibile.

Verifica incrociata con un bilancio di materia completo

La procedura più solida per l'impianto pilota confronta due stime indipendenti:

Calcolare l'aria teorica dall'analisi elementare del combustibile.
Calcolare l'aria effettiva dal flusso d'aria misurato.
Analizzare i gas di combustione secchi.
Ricostruire il flusso in uscita utilizzando i bilanci di carbonio, idrogeno, zolfo, ossigeno e azoto.
Confrontare le composizioni calcolate e misurate.

La concordanza supporta la validità dei dati operativi. Una discrepanza sostanziale può indicare un errore dell'analizzatore, infiltrazioni d'aria, composizione del combustibile imprecisa, residui solidi non misurati o combustione incompleta.

Comprendere i compromessi

Troppo poca aria causa una combustione incompleta

Operare al di sotto del fabbisogno d'aria stechiometrico può produrre CO, fuliggine, fumo, idrogeno, metano o altri idrocarburi incombusti. Riduce anche il calore recuperabile perché parte dell'energia chimica del combustibile rimane nello scarico o nel residuo.

Le letture basse di ossigeno da sole non provano un funzionamento efficiente. Un gas di combustione con basso O₂ accompagnato da elevato CO può indicare carenza di ossigeno o scarsa miscelazione.

Troppa aria riduce l'efficienza termica

L'aria in eccesso aiuta a promuovere la combustione completa, ma aumenta anche il volume di azoto e ossigeno inutilizzato riscaldato dal forno. Questi gas lasciano il camino e portano via calore sensibile dal processo.

Un'aria eccessiva può quindi ridurre l'efficienza termica, aumentare i requisiti di ventilatori e condotti e diluire le concentrazioni di inquinanti. Il punto operativo appropriato è il livello di aria in eccesso più basso che mantiene una combustione stabile e completa e soddisfa i requisiti di sicurezza e di emissione.

Le infiltrazioni d'aria possono corrompere il calcolo

L'aria che entra attraverso guarnizioni del forno, porte di ispezione, giunti dei condotti o punti di campionamento aumenta l'ossigeno misurato nei gas di combustione senza rappresentare necessariamente l'aria di combustione fornita al bruciatore. Questo può far apparire l'aria in eccesso calcolata più alta di quanto suggerito dall'impostazione del bruciatore.

I bilanci dell'impianto pilota dovrebbero quindi distinguere tra aria di combustione e aria di diluizione incontrollata ove possibile.

L'umidità e il punto di rugiada devono essere considerati

L'umidità del combustibile e l'acqua formata dalla combustione dell'idrogeno compaiono nei gas di combustione umidi ma sono assenti dai risultati secchi di Orsat. Questa distinzione è importante quando si convertono le concentrazioni misurate in portate totali o si esegue un bilancio dell'ossigeno.

Il gas di combustione deve anche rimanere al di sopra del suo punto di rugiada dell'acqua o dell'acido rilevante nelle apparecchiature di recupero del calore, a meno che la condensazione non sia gestita intenzionalmente. I combustibili contenenti zolfo possono creare rischi di condensa acida e corrosione quando gli ossidi di zolfo e l'acqua condensano insieme.

Come applicare questo al tuo impianto pilota

Il metodo appropriato dipende dallo scopo dell'esperimento e dalla strumentazione disponibile.

Se il tuo obiettivo principale è l'efficienza della combustione: Misura continuamente O₂, CO₂ e CO secchi, calcola l'aria teorica dalla composizione del combustibile e opera al minimo di aria in eccesso che mantiene CO e combustibile incombusto a livelli accettabilmente bassi.
Se il tuo obiettivo principale è la verifica del bilancio di materia: Usa una base di combustibile fissa, misura le portate d'aria e di gas di combustione, analizza il gas secco e chiudi i bilanci di carbonio, idrogeno, zolfo, ossigeno e azoto.
Se il tuo obiettivo principale è il controllo del bruciatore o del forno: Usa l'O₂ nei gas di combustione come indicatore di controllo, ma convalidalo rispetto a CO, infiltrazioni d'aria, flusso di combustibile e calibrazione periodica dell'analizzatore.
Se il tuo obiettivo principale è il trattamento delle emissioni o degli scarichi: Traccia CO₂, CO, SO₂, ossigeno, umidità e inquinanti rilevanti su una base secca o umida chiaramente indicata prima di dimensionare o valutare scrubber e altre apparecchiature di trattamento.

Una valutazione affidabile dell'aria in eccesso richiede sia una misurazione accurata dei gas di combustione che un bilancio di combustione stechiometricamente coerente.

Tabella riassuntiva:

Area di valutazione	Metodo chiave	Considerazioni principali
Base combustibile	Analizzare carbonio, idrogeno, zolfo, ossigeno, umidità e ceneri	Utilizzare una base massica o molare coerente
Ossigeno teorico	Applicare la stechiometria della combustione completa	Sottrarre l'ossigeno legato al combustibile
Aria stechiometrica	Dividere la richiesta di ossigeno per la frazione di ossigeno nell'aria	Regolare per aria arricchita, umidificata o riciclata
Analisi gas di combustione	Misurare O₂, CO₂, CO, SO₂ e N₂ secchi	Indicare base secca o umida e condizioni di campionamento
Aria in eccesso dai dati di flusso	Confrontare aria effettiva con aria stechiometrica	% aria in eccesso = (aria effettiva - aria stechiometrica) / aria stechiometrica x 100
Aria in eccesso da O₂	Utilizzare la concentrazione di ossigeno nei gas di combustione secchi	Approssimazione: O₂ / (0,21 - O₂) x 100
Verifica del bilancio	Riconciliare carbonio, idrogeno, zolfo, ossigeno e azoto	Controllare perdite, errori dell'analizzatore, umidità e combustibile incombusto
Compromesso operativo	Minimizzare l'aria in eccesso mantenendo la combustione completa	Monitorare O₂ insieme a CO e idrocarburi incombusti

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