يتم حساب نسبة الهواء الزائد مقابل صافي متطلبات الأكسجين النظرية للاحتراق الكامل، حتى عندما تنتج العملية الفعلية أول أكسيد الكربون أو وقوداً غير محترق. احسب أولاً الأكسجين المطلوب لأكسدة كل كربون الوقود إلى CO₂، والهيدروجين إلى H₂O، والكبريت إلى SO₂. ثم اطرح الأكسجين المرتبط كيميائياً بالفعل في الوقود، وقارن صافي المتطلبات الناتج مع الأكسجين المورد عبر الهواء، وعبر عن الفرق كنسبة مئوية من صافي المتطلبات.

الخلاصة الأساسية: يغير الاحتراق غير الكامل تكوين غاز المداخن الفعلي، لكنه لا يغير أساس الاحتراق النظري المستخدم لتعريف الهواء الزائد. بالنسبة للوقود الذي يحتوي على أكسجين مرتبط، اطرح أكسجين الوقود من طلب الأكسجين للاحتراق الكامل قبل حساب الهواء الزائد.

تحديد متطلبات الأكسجين النظرية

استخدام الاحتراق الكامل كأساس للحساب

تفترض متطلبات الأكسجين النظرية الأكسدة الكاملة للوقود:

يتحول الكربون إلى CO₂.
يتحول الهيدروجين إلى H₂O.
يتحول الكبريت إلى SO₂.

يظل هذا الأساس ثابتاً حتى لو أنتجت المحطة التجريبية فعلياً CO أو سخاماً أو هيدروكربونات غير محترقة.

حساب الأكسجين من تكوين الوقود

بالنسبة لوقود يحتوي على الكربون والهيدروجين والكبريت والأكسجين، يمكن كتابة متطلبات الأكسجين المتكافئ على أساس الكتلة كالتالي:

[ m_{O_2,\ theoretical}

\frac{32}{12}m_C + 8m_H + m_S ]

حيث (m_C) و (m_H) و (m_S) هي كتل الكربون والهيدروجين والكبريت في الوقود.

تنشأ المعاملات من تفاعلات الاحتراق الكامل:

[ C + O_2 \rightarrow CO_2 ]

[ 2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O ]

[ S + O_2 \rightarrow SO_2 ]

مراعاة الأكسجين الموجود بالفعل في الوقود

إذا كان الوقود يحتوي على مركبات حاملة للأكسجين، فإن بعض الأكسجين المطلوب يتم توفيره داخلياً بواسطة الوقود بدلاً من الهواء.

وبالتالي، فإن صافي الأكسجين المطلوب من الهواء هو:

[ m_{O_2,\ net}

m_{O_2,\ theoretical}

m_{O,\ fuel}\left(\frac{32}{16}\right) ]

أو ببساطة أكبر عندما يتم التعبير عن (m_{O,\ fuel}) ككتلة للأكسجين العنصري:

[ m_{O_2,\ net}

m_{O_2,\ theoretical}

m_{O,\ fuel} ]

الصيغة الثانية صالحة لأن كتلة ذرات الأكسجين محفوظة سواء دخل هذا الأكسجين كأكسجين مرتبط بالوقود أو كأكسجين جزيئي من الهواء.

بالنسبة لوقود بكسور كتلية (C) و (H) و (S) و (O)، فإن صيغة التحليل النهائي الشائعة هي:

[ m_{O_2,\ net}

\frac{32}{12}m_C + 8m_H + m_S

m_O ]

يجب أن تستند النتيجة إلى أساس كمي متسق، مثل كيلوغرامات الوقود أو كيلومولات الوقود.

حساب نسبة الهواء الزائد

حساب الأكسجين المورد بواسطة الهواء

إذا كان تغذية الهواء معروفة، احسب الأكسجين الداخل مع الهواء:

[ m_{O_2,\ entering}

y_{O_2,\ air}m_{\text{air}} ]

حيث (y_{O_2,\ air}) هو الكسر الكتلي للأكسجين في الهواء.

بالنسبة للهواء الجاف، يتم تمثيل محتوى الأكسجين عادةً بحوالي 21% مول أكسجين. عند استخدام وحدات الكتلة، يكون الكسر الكتلي المقابل للأكسجين حوالي 0.233. يجب أن يظل أساس الهواء متسقاً مع حساب الأكسجين النظري.

تطبيق معادلة الهواء الزائد

نسبة الهواء الزائد هي:

[ %,\text{excess air}

\frac{ m_{O_2,\ entering}

m_{O_2,\ net} }{ m_{O_2,\ net} } \times 100 ]

نظراً لأن الهواء والأكسجين متناسبان لتركيبة هواء ثابتة، يمكن التعبير عن نفس النتيجة باستخدام كميات الهواء:

[ %,\text{excess air}

\frac{ m_{\text{air, actual}}

m_{\text{air, theoretical}} }{ m_{\text{air, theoretical}} } \times 100 ]

الهواء النظري هو الهواء المطلوب لتوفير (m_{O_2,\ net}).

تفسير النتيجة بشكل صحيح

تمثل القيمة الصفرية الهواء النظري: أي كمية الهواء الكافية تماماً للاحتراق الكامل على أساس المتكافئ المحدد.

تشير القيمة الموجبة إلى هواء زائد. تشير القيمة السالبة إلى نقص في الهواء، وهو ما يرتبط عادةً بوجود CO أو سخام أو وقود غير محترق.

لماذا لا يعيد الاحتراق غير الكامل تعريف الهواء الزائد

CO هو منتج فعلي، وليس أساساً نظرياً جديداً

عندما يشكل الكربون CO بدلاً من CO₂، يكون الأكسجين الفعلي المستهلك أقل من الأكسجين المطلوب للاحتراق الكامل.

ومع ذلك، تهدف نسبة الهواء الزائد إلى قياس مقدار الهواء الذي تم توفيره بالنسبة للكمية اللازمة للأكسدة الكاملة. إعادة حساب المتطلبات النظرية باستخدام CO المتكون فعلياً من شأنه أن يقلل من تقدير نقص الهواء أو زيادته بالنسبة لنقطة نهاية الاحتراق المطلوبة.

يجب التعامل مع الوقود غير المحترق كنتيجة توازن فعلية

تؤثر الهيدروكربونات المتبقية أو السخام أو الكربون غير المحترق على توازنات المواد والطاقة الفعلية.

يجب تضمينها عند موازنة تدفقات المدخلات والمخرجات المقاسة، لكنها لا تحل محل متطلبات الاحتراق الكامل المتكافئ المستخدمة في تعريف الهواء الزائد.

فصل الهواء الزائد عن كفاءة الاحتراق

يصف الهواء الزائد إمداد الهواء بالنسبة للطلب المتكافئ.

تعتمد كفاءة الاحتراق أيضاً على أول أكسيد الكربون، والهيدروكربونات غير المحترقة، والسخام، وتحويل الوقود، وفقدان الحرارة، وظروف التشغيل الأخرى. يمكن للوحدة أن تتلقى هواءً زائداً ومع ذلك تظهر احتراقاً غير كامل بسبب سوء الخلط، أو عدم كفاية وقت البقاء، أو انخفاض درجة الحرارة، أو قيود الموقد.

استخدام تحليل غاز المداخن في المحطة التجريبية

قياس الأكسجين في غاز المداخن الجاف

تقيس أجهزة تحليل غاز المداخن الجاف عادةً O₂ و CO₂ و CO، وأحياناً SO₂ والهيدروكربونات.

يمكن استخدام تركيز الأكسجين المقاس لتقدير الهواء الزائد عندما يكون تكوين الوقود ونواتج الاحتراق معروفين، ولكن يجب أن يراعي الحساب التخفيف، وإزالة الرطوبة، والتسرب، والأساس الجاف أو الرطب المختار.

استخدام توازنات المواد للتحقق من النتيجة

يقارن حساب المحطة التجريبية الموثوق:

تكوين الوقود ومعدل تغذية الهواء.
الأكسجين النظري المطلوب للاحتراق الكامل.
تكوين غاز المداخن المقاس.
الكربون غير المحترق، والوقود غير المحترق، وتيارات المخرج الأخرى.

تحدد هذه المقارنة أخطاء أجهزة التحليل، وتسرب الهواء، وتصحيحات الرطوبة غير الصحيحة، وأسس معدل التدفق غير المتسقة.

لا تخلط بين الأكسجين المتبقي والهواء الزائد

يشير الأكسجين المتبقي (O₂) في المدخنة عموماً إلى أن الأكسجين دخل بكمية تزيد عن الكمية المستهلكة.

لا يساوي ذلك تلقائياً نسبة الهواء الزائد لأن غاز المداخن يحتوي أيضاً على النيتروجين و CO₂ وبخار الماء و CO وربما وقود غير محترق. يجب تفسير نتيجة الأكسجين من خلال توازن الاحتراق العام.

فهم المقايضات

القليل جداً من الهواء

يمكن أن يؤدي نقص الهواء إلى إنتاج CO وسخام وهيدروكربونات غير محترقة وانخفاض في إطلاق الحرارة.

كما أنه يخلق مخاوف تتعلق بالسلامة والبيئة لأن CO سام ويمكن أن يتراكم الوقود غير المحترق في المعدات المصب أو أنظمة العادم.

الكثير من الهواء

يزيد الهواء الزائد من كمية النيتروجين والأكسجين غير المستخدم المسخن بواسطة عملية الاحتراق.

يحمل ذلك الغاز الإضافي الحرارة المحسوسة خارج الوحدة، مما يقلل من الكفاءة الحرارية وربما يقلل من درجة حرارة اللهب. يمكن أن يؤثر الهواء الزائد أيضاً على تكوين NOₓ، لذا فإن نقطة التشغيل المثلى ليست بالضرورة أعلى معدل هواء ممكن.

أسس حساب غير متسقة

من الأخطاء الشائعة مقارنة الأكسجين النظري القائم على الكتلة بتدفق الهواء المولي، أو مقارنة تحليل غاز المداخن الرطب بحسابات الأساس الجاف.

استخدم أساساً واحداً متسقاً طوال الحساب واذكر بوضوح ما إذا كانت التدفقات والتكوينات مقاسة على أساس رطب أو جاف.

تسرب الهواء وقيود أجهزة التحليل

يمكن للهواء الكاذب الذي يدخل عبر التسريبات أن يزيد من أكسجين المدخنة المقاس دون أن يكون جزءاً من تغذية هواء الاحتراق المقصودة.

بالإضافة إلى ذلك، فإن الخلط غير الكامل، وتكثيف خط أخذ العينات، وأخطاء معايرة أجهزة التحليل، والتشغيل غير المستقر للمحطة التجريبية يمكن أن تجعل التقديرات القائمة على غاز المداخن تختلف عن الحسابات القائمة على التغذية.

اتخاذ الخيار الصحيح لهدفك

استخدم النهج التالي وفقاً لغرض حساب المحطة التجريبية:

إذا كان تركيزك الأساسي هو التصميم المتكافئ: احسب طلب الأكسجين للاحتراق الكامل، واطرح الأكسجين المرتبط في الوقود، وحوّل صافي المتطلبات إلى هواء نظري، وقارنه بتغذية الهواء الفعلية.
إذا كان تركيزك الأساسي هو تشخيص الاحتراق غير الكامل: احتفظ بأساس الاحتراق النظري الكامل، ثم قم بقياس CO والوقود غير المحترق والسخام والكربون المتبقي بشكل منفصل باستخدام تكوينات المخرج المقاسة.
إذا كان تركيزك الأساسي هو التحقق من بيانات المحطة التجريبية: قارن نتيجة الهواء الزائد القائمة على التغذية بتوازن مادة غاز المداخن الجاف وتحقق من التناقضات من خلال فحوصات تسرب الهواء والرطوبة وأجهزة التحليل.
إذا كان تركيزك الأساسي هو الكفاءة الحرارية: تجنب التعامل مع الهواء الزائد كهدف تشغيلي بحد ذاته؛ حدد أقل معدل هواء يحقق اكتمال احتراق مقبول وأداء انبعاثات مقبولاً.

يستخدم حساب الهواء الزائد القابل للدفاع دائماً صافي الأكسجين المطلوب للاحتراق الكامل، بغض النظر عن النواتج غير الكاملة الملاحظة أثناء التشغيل الفعلي.

جدول الملخص:

عنصر الحساب	المبدأ الأساسي	ملاحظة عملية
الأكسجين النظري	أكسدة الكربون إلى CO₂، والهيدروجين إلى H₂O، والكبريت إلى SO₂	استخدم الاحتراق الكامل كأساس مرجعي
الأكسجين المرتبط بالوقود	اطرح الأكسجين الموجود بالفعل في الوقود	طبق أساس كتلة أو مول متسق
صافي طلب الأكسجين	الأكسجين النظري ناقص الأكسجين المرتبط بالوقود	هذا هو الأكسجين المطلوب من الهواء
الهواء الزائد	`(الهواء الفعلي - الهواء النظري) / الهواء النظري × 100`	القيم الموجبة تشير إلى هواء زائد؛ القيم السالبة تشير إلى نقص
الاحتراق غير الكامل	تعامل مع CO والسخام والوقود غير المحترق كنتائج مخرج فعلية	لا تعد تعريف متطلبات الأكسجين النظرية
التحقق من غاز المداخن	قارن بيانات O₂ الجاف، و CO₂، و CO، والرطوبة، والتدفق	تحقق من تسرب الهواء، وأخطاء أخذ العينات، وتناقضات الأساس

هل تحتاج إلى تدريب موثوق على الاحتراق ومعدات محطة تجريبية للتدريس أو البحث أو تطوير العمليات؟ اتصل بـ LABPARK لمناقشة متطلباتك. توفر LABPARK محطات تجريبية لعمليات الوحدات التعليمية والمهنية للهندسة الكيميائية، والمعالجة الحيوية والتكنولوجيا الحيوية، وتطبيقات معالجة البيئة والمياه. تساعد أنظمتنا الجامعات ومعاهد البحوث والمؤسسات على تقييم توازنات الاحتراق، والتحكم في الهواء الزائد، وتحليل غاز المداخن، والكفاءة الحرارية، وظروف التشغيل من خلال تجارب عملية تركز على التطبيق.