Коэффициент избытка воздуха: значение, формула, расчет. Как определить коэффициент избытка воздуха?

Коэффициент избытка воздуха - важный показатель процесса горения топлива. От него зависит полнота сгорания, экономичность и экологичность процесса. Давайте разберемся, что это такое, как рассчитать и зачем нужно определять.

1. Понятие коэффициента избытка воздуха

Коэффициент избытка воздуха (α) - это отношение фактически поданного количества воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания топлива.

Стехиометрическое соотношение топлива и окислителя, при котором они полностью прореагировали бы без остатка, называют стехиометрической горючей смесью. Но на практике для обеспечения полноты сгорания требуется подавать избыток воздуха.

Стехиометри́ческая горю́чая смесь — смесь окислителя и горючего, в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления горючего.

Избыток воздуха нужен по ряду причин:

• Для восполнения потерь части воздуха через неплотности в топке
• Для смешения компонентов и лучшего контакта топлива с окислителем
• Для компенсации нестехиометричности реакции из-за отклонения состава топлива
• Для поддержания высокой скорости горения

Небольшой избыток воздуха улучшает смесеобразование и сгорание. Чрезмерный ведет к снижению температуры и замедлению реакций.

Пример реакции горения метана:

Рекомендуемый диапазон коэффициента избытка воздуха:

• Для газообразного топлива 1,03-1,1
• Для жидкого топлива 1,05-1,15
• Для твердого топлива 1,4-1,8

2. Формула для расчета коэффициента избытка воздуха

Формула для расчета коэффициента избытка воздуха (α):

Где:

• Вф - фактический объем поданного воздуха
• Вт - теоретически необходимый объем воздуха

В фактический объем входят:

1. Воздух, подаваемый в топку
2. Присосы воздуха через неплотности в элементах котла

Формула учитывает вид топлива, поэтому расчет проводят отдельно для газа, жидкого и твердого топлива.

3. Значение коэффициента избытка воздуха

Коэффициент избытка воздуха оказывает влияние на многие показатели процесса горения:

• Полноту сгорания топлива
• Температуру продуктов сгорания
• Скорость реакций горения
• КПД и экономичность установки
• Вредные выбросы в атмосферу

При недостатке воздуха в продуктах сгорания содержится много СО и сажи. При избытке снижается температура и эффективность процесса.

Оптимальные значения зависят от вида топлива. Для газа - 1,05-1,15, для жидкого - 1,1-1,2, для твердого - 1,3-1,6.

Подбор коэффициента - компромисс между полнотой сгорания и экономичностью.

4. Как определить коэффициент избытка воздуха

Для определения оптимального значения используют:

• Расчет по стехиометрическим уравнениям горения
• Анализ состава уходящих газов
• Корректировку по режиму работы установки

Последовательность расчета:

1. Определение теоретического расхода воздуха
2. Выбор присосов для элементов котла
3. Расчет фактического расхода воздуха
4. Определение коэффициента избытка воздуха
5. Корректировка по данным замеров

Замеряют: O₂, CO, CO₂, NO_x, сажу. По ним уточняют коэффициент и режим горения.

5. Расчет коэффициента избытка воздуха на примере

Рассмотрим расчет коэффициента избытка воздуха на конкретном примере.

Дано: котел, работающий на природном газе. Расход газа - 100 м3/ч. Необходимо определить оптимальный коэффициент избытка воздуха.

1. Определяем теоретически необходимое количество воздуха для сгорания данного объема газа - по стехиометрическому соотношению это будет примерно 500 м3/ч
2. Принимаем для конвективной части котла присосы воздуха в объеме 7% от теоретического расхода, т.е. 35 м3/ч
3. Тогда фактический объем подаваемого воздуха = 500 + 35 = 535 м3/ч
4. Коэффициент избытка воздуха по формуле = 535 / 500 = 1,07

Полученное значение находится в рекомендуемом для газового топлива диапазоне 1,03-1,1. Значит, оно оптимально подобрано.

6. Как снизить коэффициент избытка воздуха

Иногда бывает необходимо снизить завышенный коэффициент избытка воздуха. Это может потребоваться для повышения эффективности процесса горения.

Для этого проводят:

• Выявление и устранение избыточных присосов воздуха
• Корректировку режима горения - снижение дутья или количества подаваемого топлива
• Проверку соотношения компонентов в форсунке горелки

Однако коэффициент нельзя снижать ниже оптимальных значений, иначе снова ухудшится эффективность из-за неполноты сгорания.

7. Повышение коэффициента при недостатке воздуха

Признаки недостатка воздуха:

• Появление дыма из трубы
• Повышенное содержание CO и сажи в уходящих газах
• Снижение температуры горения

Для повышения коэффициента можно:

1. Увеличить количество подаваемого воздуха
2. Подать дополнительное дутье в зону горения
3. Использовать обогащение воздуха кислородом

Контролировать состав уходящих газов.

8. Выбор оптимального значения коэффициента

При подборе коэффициента избытка воздуха следует:

1. Ориентироваться на рекомендуемые диапазоны в зависимости от вида топлива
2. Уточнять по данным замеров состава уходящих газов
3. Анализировать влияние на разные показатели процесса горения
4. Корректировать по режиму и условиям работы установки

Необходим компромисс между полнотой сгорания и экономичностью.

9. Факторы, влияющие на коэффициент избытка воздуха

На численное значение коэффициента влияют следующие факторы:

• Вид и качество используемого топлива
• Конструкция и тип горелочных устройств
• Наличие и эффективность средств рециркуляции уходящих газов
• Герметичность элементов котла
• Способ подачи воздуха на горение

Поэтому при идентичных котлах, но на разных топливах коэффициенты могут отличаться. То же при использовании разных горелок или систем дутья.

10. Методы определения оптимального коэффициента

Для нахождения оптимального на данном оборудовании коэффициента применяют:

1. Расчетно-аналитический метод
2. Экспериментальный метод
3. Комплексный подход

Расчетно-аналитический базируется на стехиометрических соотношениях. Экспериментальный - на замерах состава уходящих газов. Лучший результат дает их комбинация.

11. Коэффициент избытка воздуха и вредные выбросы

Коэффициент оказывает влияние на вредные выбросы в атмосферу:

• При недостатке воздуха растут СО, сажа, углеводороды
• С увеличением коэффициента снижаются СО и сажа, но растут NO_x
• Необходимо поддерживать оптимальное значение для минимизации вредных выбросов

Контроль выбросов нужен для соблюдения экологических норм.

12. Экономический эффект от оптимизации коэффициента

Подбор оптимального коэффициента избытка воздуха позволяет:

• Повысить КПД процесса горения на 2-5%
• Снизить расход топлива на 3-8%
• Сократить образование вредных веществ

Это дает значительный экономический эффект на крупных энергетических объектах.