La percentuale di aria in eccesso viene calcolata rispetto al fabbisogno netto di ossigeno teorico per una combustione completa, anche quando il processo reale produce monossido di carbonio o combustibile incombusto. Per prima cosa, calcola l'ossigeno necessario per ossidare tutto il carbonio del combustibile a CO₂, l'idrogeno a H₂O e lo zolfo a SO₂. Successivamente, sottrai l'ossigeno già chimicamente legato nel combustibile, confronta il fabbisogno netto risultante con l'ossigeno fornito dall'aria ed esprimi la differenza come percentuale del fabbisogno netto.
Concetto chiave: La combustione incompleta modifica la composizione effettiva dei fumi, ma non cambia la base di combustione teorica utilizzata per definire l'aria in eccesso. Per i combustibili contenenti ossigeno legato, sottrai l'ossigeno del combustibile dal fabbisogno di ossigeno per la combustione completa prima di calcolare l'aria in eccesso.
Stabilire il fabbisogno teorico di ossigeno
Utilizzare la combustione completa come base di calcolo
Il fabbisogno teorico di ossigeno presuppone l'ossidazione completa del combustibile:
- Il carbonio diventa CO₂.
- L'idrogeno diventa H₂O.
- Lo zolfo diventa SO₂.
Questa base rimane fissa anche se l'impianto pilota produce effettivamente CO, fuliggine o idrocarburi incombusti.
Calcolare l'ossigeno dalla composizione del combustibile
Per un combustibile contenente carbonio, idrogeno, zolfo e ossigeno, il fabbisogno stechiometrico di ossigeno può essere scritto su base massica come:
[ m_{O_2,\ teorico}
\frac{32}{12}m_C + 8m_H + m_S ]
dove (m_C), (m_H) e (m_S) sono le masse di carbonio, idrogeno e zolfo nel combustibile.
I coefficienti derivano dalle reazioni di combustione completa:
[ C + O_2 \rightarrow CO_2 ]
[ 2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O ]
[ S + O_2 \rightarrow SO_2 ]
Tenere conto dell'ossigeno già presente nel combustibile
Se il combustibile contiene composti ossigenati, parte dell'ossigeno richiesto viene fornito internamente dal combustibile stesso anziché dall'aria.
L'ossigeno netto richiesto dall'aria è quindi:
[ m_{O_2,\ netto}
m_{O_2,\ teorico}
m_{O,\ combustibile}\left(\frac{32}{16}\right) ]
o, più semplicemente quando (m_{O,\ combustibile}) è espresso come massa di ossigeno elementare:
[ m_{O_2,\ netto}
m_{O_2,\ teorico}
m_{O,\ combustibile} ]
La seconda forma è valida perché la massa degli atomi di ossigeno si conserva, indipendentemente dal fatto che tale ossigeno entri come ossigeno legato al combustibile o come ossigeno molecolare dall'aria.
Per un combustibile con frazioni di massa (C), (H), (S) e (O), la forma comune dell'analisi elementare è:
[ m_{O_2,\ netto}
\frac{32}{12}m_C + 8m_H + m_S
m_O ]
Il risultato deve basarsi su una quantità coerente, come chilogrammi di combustibile o chilomoli di combustibile.
Calcolo della percentuale di aria in eccesso
Calcolare l'ossigeno fornito dall'aria
Se l'alimentazione d'aria è nota, calcola l'ossigeno che entra con l'aria:
[ m_{O_2,\ in\ ingresso}
y_{O_2,\ aria}m_{\text{aria}} ]
dove (y_{O_2,\ aria}) è la frazione di massa dell'ossigeno nell'aria.
Per l'aria secca, il contenuto di ossigeno è comunemente rappresentato come circa il 21% molare. Quando si utilizzano unità di massa, la frazione di massa dell'ossigeno corrispondente è circa 0,233. La base dell'aria deve rimanere coerente con il calcolo dell'ossigeno teorico.
Applicare l'equazione dell'aria in eccesso
La percentuale di aria in eccesso è:
[ \%,\text{aria in eccesso}
\frac{ m_{O_2,\ in\ ingresso}
m_{O_2,\ netto} }{ m_{O_2,\ netto} } \times 100 ]
Poiché l'aria e l'ossigeno sono proporzionali per una composizione dell'aria fissa, lo stesso risultato può essere espresso utilizzando le quantità d'aria:
[ \%,\text{aria in eccesso}
\frac{ m_{\text{aria, effettiva}}
m_{\text{aria, teorica}} }{ m_{\text{aria, teorica}} } \times 100 ]
L'aria teorica è l'aria necessaria per fornire (m_{O_2,\ netto}).
Interpretare correttamente il risultato
Un valore pari a zero rappresenta l'aria teorica: esattamente l'aria necessaria per la combustione completa sulla base stechiometrica definita.
Un valore positivo indica aria in eccesso. Un valore negativo indica una carenza d'aria, comunemente associata a CO, fuliggine o combustibile incombusto.
Perché la combustione incompleta non ridefinisce l'aria in eccesso
Il CO è un prodotto reale, non una nuova base teorica
Quando il carbonio forma CO invece di CO₂, l'ossigeno effettivamente consumato è inferiore a quello richiesto per la combustione completa.
Tuttavia, la percentuale di aria in eccesso ha lo scopo di misurare quanta aria è stata fornita rispetto alla quantità necessaria per l'ossidazione completa. Ricalcolare il fabbisogno teorico utilizzando il CO effettivamente formato sottostimerebbe la carenza o l'eccesso d'aria rispetto all'obiettivo di combustione desiderato.
Il combustibile incombusto deve essere trattato come un risultato di bilancio effettivo
Idrocarburi residui, fuliggine o carbonio incombusto influenzano i bilanci reali di materia ed energia.
Dovrebbero essere inclusi quando si riconciliano i flussi di ingresso e uscita misurati, ma non sostituiscono il fabbisogno stechiometrico di combustione completa utilizzato nella definizione di aria in eccesso.
Separare l'aria in eccesso dall'efficienza di combustione
L'aria in eccesso descrive l'alimentazione d'aria rispetto al fabbisogno stechiometrico.
L'efficienza di combustione dipende anche da monossido di carbonio, idrocarburi incombusti, fuliggine, conversione del combustibile, perdite di calore e altre condizioni operative. Un'unità può ricevere aria in eccesso e mostrare comunque una combustione incompleta a causa di una miscelazione scadente, tempo di permanenza inadeguato, bassa temperatura o limitazioni del bruciatore.
Utilizzo dell'analisi dei fumi in un impianto pilota
Misurare l'ossigeno nei fumi secchi
Gli analizzatori di fumi secchi misurano comunemente O₂, CO₂, CO e talvolta SO₂ e idrocarburi.
La concentrazione di ossigeno misurata può essere utilizzata per stimare l'aria in eccesso quando la composizione del combustibile e i prodotti di combustione sono noti, ma il calcolo deve tenere conto della diluizione, della rimozione dell'umidità, delle perdite e della base scelta (secca o umida).
Utilizzare i bilanci di materia per validare il risultato
Un calcolo affidabile dell'impianto pilota confronta:
- Composizione del combustibile e portata dell'aria.
- Ossigeno teorico richiesto per la combustione completa.
- Composizione misurata dei fumi.
- Carbonio incombusto, combustibile incombusto e altri flussi in uscita.
Questo confronto identifica errori dell'analizzatore, perdite d'aria, correzioni dell'umidità errate e basi di portata incoerenti.
Non confondere l'ossigeno residuo con l'aria in eccesso
L'O₂ residuo nel camino indica generalmente che l'ossigeno è entrato in eccesso rispetto alla quantità consumata.
Non è automaticamente uguale alla percentuale di aria in eccesso perché i fumi contengono anche azoto, CO₂, vapore acqueo, CO e potenzialmente combustibile incombusto. Il risultato dell'ossigeno deve essere interpretato attraverso il bilancio di combustione complessivo.
Comprendere i compromessi
Troppo poca aria
La carenza d'aria può produrre CO, fuliggine, idrocarburi incombusti e una ridotta produzione di calore.
Crea anche problemi di sicurezza e ambientali perché il CO è tossico e il combustibile incombusto può accumularsi nelle apparecchiature a valle o nei sistemi di scarico.
Troppa aria
L'aria eccessiva aumenta la quantità di azoto e ossigeno inutilizzato riscaldati dal processo di combustione.
Quel gas aggiuntivo trasporta calore sensibile fuori dall'unità, riducendo l'efficienza termica e potenzialmente riducendo la temperatura di fiamma. L'aria in eccesso può anche influenzare la formazione di NOₓ, quindi il punto operativo ottimale non è necessariamente la portata d'aria più alta possibile.
Basi di calcolo incoerenti
Un errore comune è confrontare l'ossigeno teorico basato sulla massa con il flusso d'aria molare, o confrontare l'analisi dei fumi umidi con i calcoli su base secca.
Utilizzare una base coerente durante tutto il calcolo e dichiarare chiaramente se i flussi e le composizioni sono misurati su base umida o secca.
Perdite d'aria e limitazioni dell'analizzatore
L'aria falsa che entra attraverso le perdite può aumentare l'ossigeno misurato nel camino senza far parte dell'alimentazione d'aria di combustione prevista.
Inoltre, una miscelazione incompleta, la condensazione nella linea di campionamento, gli errori di calibrazione dell'analizzatore e il funzionamento instabile del pilota possono far sì che le stime basate sui fumi differiscano dai calcoli basati sull'alimentazione.
Fare la scelta giusta per il proprio obiettivo
Utilizzare il seguente approccio in base allo scopo del calcolo dell'impianto pilota:
- Se l'obiettivo principale è la progettazione stechiometrica: Calcolare il fabbisogno di ossigeno per la combustione completa, sottrarre l'ossigeno legato nel combustibile, convertire il fabbisogno netto in aria teorica e confrontarlo con l'alimentazione d'aria effettiva.
- Se l'obiettivo principale è diagnosticare la combustione incompleta: Mantenere la base teorica di combustione completa, quindi quantificare separatamente CO, combustibile incombusto, fuliggine e carbonio residuo utilizzando le composizioni misurate in uscita.
- Se l'obiettivo principale è validare i dati dell'impianto pilota: Confrontare il risultato dell'aria in eccesso basato sull'alimentazione con un bilancio di materia dei fumi secchi e indagare le discrepanze attraverso perdite d'aria, umidità e controlli dell'analizzatore.
- Se l'obiettivo principale è l'efficienza termica: Evitare di trattare l'aria in eccesso come un obiettivo operativo a sé stante; identificare la portata d'aria più bassa che raggiunge una completezza di combustione e prestazioni di emissione accettabili.
Un calcolo difendibile dell'aria in eccesso utilizza sempre l'ossigeno netto richiesto per la combustione completa, indipendentemente dai prodotti incompleti osservati durante il funzionamento effettivo.
Tabella riassuntiva:
| Elemento di calcolo | Principio chiave | Nota pratica |
|---|---|---|
| Ossigeno teorico | Ossidare carbonio a CO₂, idrogeno a H₂O e zolfo a SO₂ | Utilizzare la combustione completa come base di riferimento |
| Ossigeno legato al combustibile | Sottrarre l'ossigeno già presente nel combustibile | Applicare una base massica o molare coerente |
| Fabbisogno netto di ossigeno | Ossigeno teorico meno ossigeno legato al combustibile | Questo è l'ossigeno richiesto dall'aria |
| Aria in eccesso | (Aria effettiva - Aria teorica) / Aria teorica × 100 |
I valori positivi indicano aria in eccesso; quelli negativi indicano carenza |
| Combustione incompleta | Trattare CO, fuliggine e combustibile incombusto come risultati di uscita effettivi | Non ridefinire il fabbisogno teorico di ossigeno |
| Validazione dei fumi | Confrontare dati di O₂, CO₂, CO, umidità e flusso secchi | Verificare perdite d'aria, errori di campionamento e incoerenze di base |
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