过剩空气系数的计算方法

过剩空气系数的计算方法
过剩空气系数的计算方法
引言
在燃气燃烧产物（烟气）的计算工作中，过剩空气系数的计算是经常遇到的。

一般用于以下两方面：
一为在控制燃烧过程中，需要检测燃烧过程中的过剩空气系数，防止过剩空气变化而引起的热效率的降
低，以及燃烧工况的恶化。

一为在检测燃气燃烧设备的烟气中的有害物质时，需要根据烟气样中氧含量或二氧化碳含量确定过剩
空气系数，从而折算成过剩空气系数为1时的有害物含量。

为了简化计算，通常是采用近似的计算公式。

但是这些近似公式都有一定的设定条件。

不考虑设定条件, 盲目地使用近似公式，往往会引起较大的偏差，甚至于岀现错误。

这也是在检测工作中经常发现数字矛盾的原因之一。

为了减少读者的查阅资料的时间，本文适当地重复过去推导的公式，强调的是近似公式的使用条件以及应用时应该考虑的问题。

最后提岀两个比较精确的过剩空气计算公式，供有关人士参考。

一.根据燃烧产物的成分计算过剩空气系数
本文讨论的主要是完全燃烧情况下的过剩空气系数。

这里的完全燃烧是指燃烧产物中未完全燃烧成分很低，例如CO与NO x含量属于ppm级。

在计算燃烧
产物成分时可以不计入这些未完全燃烧成分。

1. 过剩空气的来源
在完全燃烧条件下，燃烧产物中有过剩空气，来源于两个情况。

一为在燃烧过程中混入过多空气，使
燃烧后燃烧产物中有过剩的空气；另一为根据分析燃烧产物成分的需要抽取烟气样时，混入了周围的空气。

在燃烧以前混入过多的空气，会增加热损失，降低热效率；混入
的空气过少（过剩空气系数小于
1）
也会恶化燃烧，造成污染环境与能源浪费。

为此在运行过程中需要根据烟气样中的成分计算过剩空气系数。

从而做岀调整燃烧工况的措施。

在燃烧以后混入周围的空气大多数是在抽取烟气样时发生的。

为了消除多余空气对烟气样中成分的影响，需要折算到没有多余空气时（过剩空气系数=1）烟气样的成分。

这也需要计算过剩空气系数。

虽然在燃烧前混入过多空气会影响燃烧工况，而燃烧后混入空气对燃烧工况没有关系。

但是它们对烟气样的成分的影响是相同的。

都可以用烟气样中的氧或二氧化碳含量计算过剩空气系数。

当然这个结论都是在本文的先提条件，完全燃烧的情况下才能成立。

2. 根据干烟气中的O2 含量计算过剩空气系数
在燃烧过程中，供给燃烧需要的空气往往会大于燃烧实际需要的空气量。

这样，实际的空气量与燃烧理论需要的空气量的比值即为过剩空气系数。

过剩空气系数a,可用下面公式计算，
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根据以上公式推导，可以看岀公式（6）与（7）都是有条件的，要强调指岀的是使用这些公式时必须研
究其特定的条件。

需要经过验算与分析才能确定公式（7）的使用范围。

参1指岀的条件本文将进一步验证。

3. 根据干烟气中的CO 2含量计算过剩空气系数
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公式（10b ）中的CO 2m 可以根据燃气成分计算出来，所以在已知燃气成分条件下，只要测得干烟气中的 CO 2含量就可以求得过剩空气系数。

根据以前讨论的前提条件，公式（10a ）是一个完全燃烧的关系式。

也就是说完全燃烧必然满足公式（10a ），公式（10a ）也是完全燃烧的判别式。

用公式（10b ）计算出过剩空气系数a ,其计算结果应该与公式（7）所得的结果是一样的。

再一次提醒读者，以上结论都是在完全燃烧（ CO 含量属ppm 级）条件下成立的。

二. 燃烧产物的成分与燃烧三角图 1. 城市燃气燃烧产物中的成分
由于城市燃气尤其是天然气中基本上没有氮、硫与氧的成分。

在完全燃烧的条件下，燃烧产物中主要成分是CO 2、H 2O 和N 2。

在实际燃烧过程中，燃烧再完全也会有微量不完全燃烧及其他气体，也就是说在烟气样中总会有些CO 、NO X 等ppm 级的微量的气体。

另外，在燃烧过程中，为了使燃气燃烧完全，要求燃气与空气充分混合，为此混入的空气量略大于燃烧需要的空气量。

这就是说完全
燃烧条件下，过剩空气系数大于1,烟气样中还应有氧成分O 20因此城市燃
气完全燃烧下的烟气样中的主要成分为
CO 2、H 2O 、O 2及N 2；
城市燃气完全燃烧下的干烟气样中的主要成分为 CO 2、。

2及N 2。

以后讨论的主要是干烟气（或干燃烧
产物）。

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上式与公式（10a）相同。

可见无论是根据。

2‘或是根据CO2'计算过剩空气系数a,其结果应该是一样的。

都属于近似公式并具有相同
的偏差。

三.实例计算
为了检验根据02’和CO2 '计算a值的结果的准确性。

用一个实例分别用公式（6）、（7）及（10b）计算a值。

1.实例
设燃烧一种天然气，其CO2m=12%。

燃烧后燃烧产物中CO含量CO a=100ppm （相当于过剩空气系数
a=1）。

由于CO含量很低，在烟气样中不考虑CO的成分，即还认为C02、。

2及N2含量的合等于100%。

根据以上条件计算在烟气样中不同。

2含量（不同的空气系数）。

2情况下，用不同公式计算a 值的结果如
下表。

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2. 数字分析
根据表中计算，可以看岀如下规律：
（1）公式（7）算出的a 值是近似值；由公式（6）得到的a'值相当于真值。

由于是完全燃烧， CO 2与O 2必
须符合完全燃烧的判别式，所以，根椐
CO 2m 和O 2值可以算出CO 2。

（2）
当O 2=0%时，a=1 ； a ' =1两者没有偏差。

（3）随着O 2值慢慢增加，偏差也逐渐增加。

当O 2达到10.45%时，偏差达到5.1%。

因此在O 2小于11% （参1）的条件下，才适宜用公式（7）或者（10b ）计算过剩空气系数。

（4） 02'值越过10.45%时，过剩空气系数的偏差增加很快。

当
O 2增至17.42% （即CO 2接近2%）时，
这偏差已经达到9.1%。

很显然CO 2小于2%时是不宜使用公式（7）及（10b ）。

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(12)
（5）在O'小于10.45%的阶段，随着O 2的增加，（O'2-X）值逐渐加大，结果也就加大a值的偏差。

当O 2 超过10.45%时，（O' 2-X）值逐渐减少，也就是说O 2接近X。

但是虽然随着O '的增长，虽然X逐步接近O '，还是表现岀O 2越大，a值的偏差越高。

（6）参1指出的当干烟气中氮的容积成分接近79%时，可以近似
假定N'2接近79%的条件，正是烟气样
中氧含量非常高，并且CO 2与O2之合接近21%的时候。

此时恰是偏差比较大的条件。

因为在完全燃烧的条件下，烟气样中氮含量越接近79%，则氧含量越接近21%，造成的偏差也越大。

从以上计算可以认为，公式（7）或（10b）的使用范围是有限度的。

只有在烟气样中氧含量小于11%，或二氧化碳含量大于 5.7%才可以使用（在允许偏差不大于6%的要求下）。

当然随着偏差要求的变化时，
对烟气样中的氧的含量或二氧化碳的含量要求也应随之变化。

3. 曲线分析
图2是a' =f（X）的曲线。

如果以O 2代替X.，O 2越大，引起的偏差（a-a'）越大。

但是从曲线走势看，曲线的前一阶段的斜率变化比较缓慢，而后一阶段的斜率急剧增加。

取公式（12）的导数
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~dX~（20.9-JQ2
由于da' /dX永远大于0,所以公式f 12）是单调增加函数，这就证明了X或O2越大，a'值越高的结论。

当da' /dX=1时，X=10.45，也就是说O? ' =（10.45 —11代替X时，由于02 '与X的偏差率（O2 '-X）/X造成
的过剩空气系数的偏差率（a-a' ）/a是很接近的。

这个论点在计算表中可以证实，既在O 2=（10.45 宀11）时,。