过量空气系数的计算方法.docx
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过量空气系数的计算方法
过量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，以及燃烧丄况的恶化。
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H地使用近似公式，往往会引起较大的偏差，甚至于出现错误。
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。
最后提出两个比较精确的过剩空气计算公式，供有关人士参考。
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含量属于ppm级。
在计算燃烧X
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讣算过剩空气系数。
从而做出调整燃烧匸况的措施。
在燃烧以后混入周圉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（过剩空气系数二1）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0含量计算过剩空气系数2
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“可用下面公式计算,
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根据以上公式推导，可以看出公式（6）与（7）都是有条件的，要强调指出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）的使用范用。
参1指岀的条件本文将进一步验证。
3•根据干烟气中的CO含量计算过剩空气系数2
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公式（10）中的CO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b2m
CO含量就可以求得过剩空气系数。
2
根据以前讨论的前提条件，公式（10）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（10）,^公式（10）也是完全燃烧的判别式。
a
用公式（10）tr算岀过剩空气系数心其计•算结果应该与公式（7）所得的结果是一样的。
再一次提醒b
读者，以上结论都是在完全燃烧（C0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
山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、H0和乂在实际燃烧过程中，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222
气样中总会有些C0、\0等ppm级的微量的气体。
X
列外，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0?
。
因此城市燃2气完全燃烧下的烟气样中的主要成分为CO、H0、0及N;2222
城市燃气完全燃烧下的干烟气样中的主要成分为CO、0及N。
以后讨论的主要是干烟气（或干燃烧222产物）。
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8—309
上式与公式（10）相同。
可见无论是根据0?
或是根据C0?
计算过剩空气系数a,
其结果应该是一样的。
a22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0?
和C0?
计算a值的结果的准确性。
用一个实例分别用公式
（6）、⑺及（10b）22
计算&值。
1.实例
设燃烧一种天然气，其CO二12%。
燃烧后燃烧产物中CO含量CO二100ppm（相当于
过剩空气系数2maa=l）o由于CO含量很低，在烟气样中不考虑CO的成分，即还认为CO、0及?
;含量的合等于100%。
222根据以上条件计算在烟气样中不同0含量
（不同的空气系数）0,,情况下，用不同公式计算a值的结果如22下表。
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2.数字分析
根据表中计算，可以看出如下规律：
⑴公式⑺算出的a值是近似值；由公式⑹得到的&?
值相当于真值。
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全燃烧，C0?
与0?
必22须符合完全燃烧的判别式，所以，根据C0和0?
值可以算出C0?
o2m22
（2）当0?
二0%时，a=l;a?
=lo两者没有偏差。
2
（3）随着0?
值慢慢增加，偏差也逐渐增加。
当0?
达到10.45%时，偏差达到
5.l%o因此在0?
小于11%222（参1）的条件下，才适宜用公式（7）或者（10）计算过剩空气系数。
b
（4）0?
值越过10.45%时，过剩空气系数的偏差增加很快。
当0?
增至17.42%（即
C0?
接近2%）时,222这偏差已经达到9.1%。
很显然C0?
小于2%时是不宜使用公式（7）及（10）。
2b
25
05?
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图2a^fQQ裏（％）
（5）在0?
小于10.45%的阶段，随着0?
的增加，（0?
-X）值逐渐加大，结果也就加大a值的偏差。
当022222超过10.45%时，（0?
-X）值逐渐减少，也就是说0?
接近X。
但是虽然随着0?
的增长，虽然X逐步接近0?
2222还是表现出0?
越大，a值的偏差越高。
2
（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?
接近79%”的条件，正是烟气样2
中氧含量非常高，并且C0?
与0?
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22
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（10）的使用范围是有限度的。
只有在烟气样中氧含量小于11%,b
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0?
代替X.,0?
越大,引起的偏差（a-d?
）越大。
但是从曲线走势看，22
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
da'20,9-
历_（20.9-疔
由于da?
/dX永远大于0,所以公式（12）是单调增加函数，这就证明了X或0?
越大，a?
值越高的结论。
2
当da?
/dX=l时，X二10.45,也就是说0?
=（10.45?
11）%代替X时，由于0?
与X的偏差率（0?
-X）/X造成222
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0?
=（10.45?
11）%时，2两者偏差率都在0.053—0.056的范围内。
当取二阶导数时，
d2a'_2x20.9
~（20.9-X'f
由于X不可能大于20.9,因此其二阶导数也是大于0。
这就证明了公式（12）曲线的斜率也是单增的。
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四.正确的过剩空气系数讣算方法
对于天然气或城市燃气（基本不含0、\、及CO）在完全燃烧条件下，根据烟气样的成分可以用下列222
方法之一计算过剩空气系数茲
1•根据0’与C0'计算322
U前的烟气分析仪可以同时测出烟气样中的o?
与co?
值。
因此可以直接用公式
（6）计算过剩空气系22
数。
建议同时用公式（10）验算是否属于完全燃烧。
如果不属于完全燃烧，则应按不完全燃烧公式计算aa
（见参1与3）。
2.根据0'计算a2
如果只需要根据0?
计算a时，首先要保证属于完全燃烧范围，当不能确定C0?
时可以用其他方法证明22是否属于完全燃烧，例如烟气样中C0,,值是否属于微量级等。
当0?
小于11%,并且不要求a值具有较高的精度时，可用公式（7）计算a值;2
当0?
大于11%时，建议按下述方法计算a值，2
曲于是完全燃烧，根据公式（10）可得a
（13）-
co.cyztm
3209
SS悴首?
HR®o周朋融00》注后再代入公式⑹眄5R出tEWMBSTit计：
H八
209
<35；•
2090-[COU（20209（?
；]
式中的CO可以根据燃气的性质决定，是已知值。
这样算岀过剩空气系数/并且比直接用公式（7）2m
计算精确。
如果得不到C0时，只能用公式（7）汁算。
因为只有公式（7）才能只用一个参数0?
值（不需要C0）2m22m就可以求岀过剩空气系数。
但是，求得的过剩空气大于4-5时，就要考虑此公式具有较大的偏差。
同理，当求得的过剩空气小于2时，可以认为公式（7）的结果还是可以信任的。
3•根据C0'计算a值2
在完全燃烧条件下，用CO?
值计算a值时，建议在CO?
大于5.5%的条件下，用公式（10）计算a值。
22b
当CO?
小于5.3%时，建议用下述方法计算&值，2
曲于是完全燃烧，根据公式（10）得，a
离刘tec•占d国公氏（询园出几帧代入2瓷⑹・也可・轉用Et许
・也是比用仝Jt（JOJ皿/・•
五.简要结论
1.在完全燃烧的条件下，烟气样中的C0和0的含量必然符合燃烧三角图，也
就是说，符合公式（10）o22
2.无论是用公式（7）还是用公式（10）II-算过剩空气系数a,都应该要求烟气样中
的0含量小于11%b2或C含量大于5.5%o否则会引起较大的偏差。
02
3•如果烟气样中只有0含量，并且过大时，建议用公式（13）或（14）计算过剩空气系数当烟气样中2
只有C0,并且过小时，建议用公式（18）计算过剩空气系数花2
4•参1中（包括作者过去写过的文章和著作如参[4]）提到的：
”当干烟气中氮的容积成分接近79%时（这相当于C0?
与0?
的含量的合接近21%）,可用公式（7）或（10）计算过剩空气系数的观点是不确切的，22b
因为此时公式的偏差很大。
5.EN483（参5）中建议烟气样中的C02含量小于2%时，使用公式（7）的说法与本文有些矛盾，也是值得商榷的。
我们不能不加验证直接套用国外推荐的公式。
6（最后要强调的是在测试过程中必须保证烟气样是干的，燃气的成分中基本上没有氮气。
参考文献
1•“燃气燃烧及应用”同济大学等中国建筑工业出版社2000.122.“煤气应用手册”乌铎白歇尔著高等教育出版社I960.33.“煤气燃烧产物成分测定误差分析”金志刚天津土木学会论文集1983.4.
4.“燃气燃烧产物成分计算与分析”文集、测试、烟气、015.EUROPEANSTANDARDprEN483January1997.
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