過剰空気率は、実際のプロセスで一酸化炭素や未燃燃料が発生する場合であっても、完全燃焼に必要な正味の理論酸素量に対して計算されます。 まず、燃料中の炭素をCO₂へ、水素をH₂Oへ、硫黄をSO₂へ酸化するために必要な酸素量を計算します。次に、燃料中に化学的に結合している酸素を差し引き、得られた正味の必要量と空気から供給される酸素量を比較し、その差を正味必要量に対する割合として表します。

重要なポイント： 不完全燃焼は実際の排ガス組成を変化させますが、過剰空気率を定義するために使用される理論燃焼の基準は変化させません。結合酸素を含む燃料の場合、過剰空気を計算する前に、完全燃焼に必要な酸素需要から燃料中の酸素を差し引いてください。

理論酸素必要量の確立

完全燃焼を計算の基準とする

理論酸素必要量は、燃料の完全酸化を前提とします：

炭素はCO₂になる。
水素はH₂Oになる。
硫黄はSO₂になる。

この基準は、パイロットプラントで実際にCO、すす、または未燃炭化水素が発生した場合でも固定されたままです。

燃料組成から酸素量を計算する

炭素、水素、硫黄、酸素を含む燃料の場合、化学量論的酸素必要量は質量基準で次のように記述できます：

[ m_{O_2,\ theoretical}

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

ここで、(m_C)、(m_H)、(m_S) は燃料中の炭素、水素、硫黄の質量です。

係数は完全燃焼反応から導かれます：

[ C + O_2 \rightarrow CO_2 ]

[ 2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O ]

[ S + O_2 \rightarrow SO_2 ]

燃料中に既に存在する酸素を考慮する

燃料に酸素含有化合物が含まれている場合、必要な酸素の一部は空気からではなく、燃料内部から供給されます。

したがって、空気から必要な正味の酸素量は次のようになります：

[ m_{O_2,\ net}

m_{O_2,\ theoretical}

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

または、(m_{O,\ fuel}) を元素酸素の質量として表す場合、より単純に：

[ m_{O_2,\ net}

m_{O_2,\ theoretical}

m_{O,\ fuel} ]

2番目の形式が有効なのは、酸素原子の質量は、燃料結合酸素として入るか空気中の分子状酸素として入るかに関わらず保存されるためです。

質量分率 (C)、(H)、(S)、(O) を持つ燃料の場合、一般的な元素分析形式は次の通りです：

[ m_{O_2,\ net}

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

m_O ]

結果は、燃料のキログラムやキロモルなど、一貫した量基準に基づいている必要があります。

過剰空気率の計算

空気から供給される酸素量を計算する

空気供給量がわかっている場合、空気とともに流入する酸素量を計算します：

[ m_{O_2,\ entering}

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

ここで、(y_{O_2,\ air}) は空気中の酸素の質量分率です。

乾燥空気の場合、酸素含有量は一般的に約21モル％と表されます。質量単位を使用する場合、対応する酸素質量分率は約0.233です。空気の基準は、理論酸素計算と一貫性を保つ必要があります。

過剰空気の式を適用する

過剰空気率は次の通りです：

[ %,\text{excess air}

\frac{ m_{O_2,\ entering}

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

空気と酸素は一定の空気組成に対して比例するため、同じ結果を空気量を使用して表すこともできます：

[ %,\text{excess air}

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

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

理論空気量は、(m_{O_2,\ net}) を供給するために必要な空気量です。

結果を正しく解釈する

値がゼロの場合は理論空気量を表し、定義された化学量論的基準に基づいて完全燃焼するために必要な正確な空気量であることを示します。

正の値は過剰空気を示します。負の値は空気不足を示し、これは一般的にCO、すす、または未燃燃料に関連しています。

なぜ不完全燃焼が過剰空気率を再定義しないのか

COは実際の生成物であり、新しい理論基準ではない

炭素がCO₂ではなくCOを形成する場合、実際に消費される酸素量は完全燃焼に必要な酸素量よりも少なくなります。

しかし、過剰空気率は、目標とする燃焼終点に対してどれだけの空気が供給されたかを測定するためのものです。実際に生成されたCOを使用して理論必要量を再計算すると、目的の燃焼終点に対する空気不足または過剰が過小評価されてしまいます。

未燃燃料は実際の収支結果として扱う必要がある

残留炭化水素、すす、または未燃炭素は、実際の物質収支およびエネルギー収支に影響を与えます。

これらは測定された入力流と出力流を照合する際に含めるべきですが、過剰空気率の定義で使用される完全燃焼の化学量論的必要量を置き換えるものではありません。

過剰空気と燃焼効率を分離する

過剰空気は、化学量論的需要に対する空気供給量を表します。

燃焼効率は、一酸化炭素、未燃炭化水素、すす、燃料転換率、熱損失、およびその他の運転条件にも依存します。混合不良、滞留時間の不足、低温、またはバーナーの制限により、ユニットに過剰空気が供給されていても不完全燃焼を示すことがあります。

パイロットプラントでの排ガス分析の利用

乾燥排ガス中の酸素を測定する

乾燥排ガス分析計は通常、O₂、CO₂、CO、および場合によってはSO₂や炭化水素を測定します。

燃料組成と燃焼生成物がわかっている場合、測定された酸素濃度を使用して過剰空気を推定できますが、計算では希釈、水分除去、漏れ、および選択された乾燥または湿潤基準を考慮する必要があります。

物質収支を使用して結果を検証する

信頼できるパイロットプラントの計算では、以下を比較します：

燃料組成と空気供給速度。
完全燃焼に必要な理論酸素量。
測定された排ガス組成。
未燃炭素、未燃燃料、およびその他の出口流。

この比較により、分析計の誤差、空気漏れ、不適切な水分補正、および一貫性のない流量基準が特定されます。

残留酸素と過剰空気を混同しない

煙道内の残留O₂は、一般的に消費された量を超えて酸素が流入したことを示します。

排ガスには窒素、CO₂、水蒸気、CO、および潜在的に未燃燃料も含まれるため、これは自動的に過剰空気率と等しくなるわけではありません。酸素の結果は、全体的な燃焼収支を通じて解釈する必要があります。

トレードオフを理解する

空気不足

空気不足は、CO、すす、未燃炭化水素の生成、および熱放出の低下を引き起こす可能性があります。

また、COは有毒であり、未燃燃料が下流の機器や排気システムに蓄積する可能性があるため、安全性と環境上の懸念も生じます。

空気過剰

過剰な空気は、燃焼プロセスによって加熱される窒素と未使用の酸素の量を増加させます。

その追加のガスがユニットから顕熱を持ち出し、熱効率を低下させ、火炎温度を低下させる可能性があります。過剰空気はNOₓ生成にも影響を与える可能性があるため、最適な運転ポイントが必ずしも可能な限り高い空気量であるとは限りません。

計算基準の不一致

よくある間違いは、質量ベースの理論酸素量とモルベースの空気流量を比較したり、湿潤排ガス分析と乾燥ベースの計算を比較したりすることです。

計算全体で一貫した基準を1つ使用し、流量と組成が湿潤ベースか乾燥ベースのどちらで測定されたかを明確に記載してください。

空気漏れと分析計の制限

漏れから入る偽の空気は、意図された燃焼空気供給の一部ではないにもかかわらず、測定された煙道酸素量を増加させる可能性があります。

さらに、不完全な混合、サンプリングラインの結露、分析計の校正誤差、および不安定なパイロット運転により、排ガスベースの推定値が供給ベースの計算と異なる場合があります。

目標に適した選択をする

パイロットプラントの計算目的に応じて、次のアプローチを使用してください：

主な焦点が化学量論的設計にある場合： 完全燃焼の酸素需要を計算し、燃料中の結合酸素を差し引き、正味必要量を理論空気量に変換して、実際の空気供給量と比較します。
主な焦点が不完全燃焼の診断にある場合： 完全燃焼の理論基準を維持し、測定された出口組成を使用してCO、未燃燃料、すす、および残留炭素を個別に定量化します。
主な焦点がパイロットプラントデータの検証にある場合： 供給ベースの過剰空気結果を乾燥排ガスの物質収支と比較し、空気漏れ、水分、分析計のチェックを通じて不一致を調査します。
主な焦点が熱効率にある場合： 過剰空気をそれ自体で運転目標として扱うことを避け、許容可能な燃焼完全性と排出性能を達成する最低の空気量を特定します。

正当な過剰空気計算は、実際の運転中に観察される不完全な生成物に関係なく、常に完全燃焼に必要な正味の酸素量を使用します。

要約表：

計算要素	主要原則	実務上の注意点
理論酸素量	炭素をCO₂、水素をH₂O、硫黄をSO₂に酸化	完全燃焼を基準として使用する
燃料結合酸素	燃料中に既に存在する酸素を差し引く	一貫した質量またはモル基準を適用する
正味酸素需要	理論酸素量から燃料結合酸素を引いたもの	これが空気から必要な酸素量である
過剰空気	`(実際の空気量 - 理論空気量) / 理論空気量 × 100`	正の値は過剰、負の値は不足を示す
不完全燃焼	CO、すす、未燃燃料を実際の出口結果として扱う	理論酸素必要量を再定義しないこと
排ガス検証	乾燥O₂、CO₂、CO、水分、流量データを比較	空気漏れ、サンプリング誤差、基準の不一致を確認する

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