Понимание измерения кислорода в потоках дымовых газов

Оценка общего количества O2 в газовом потоке может ввести в заблуждение, поскольку стехиометрическое количество избыточного O2 является более важным измерением.

Автоматизированные процессы сжигания окружают нас повсюду: от бытовой техники и систем отопления, вентиляции и кондиционирования до крупных промышленных котлов, обогревателей и электростанций. Несмотря на все различия в масштабах и целях, общим элементом, которого все пытаются достичь, является высокая эффективность за счет эффективного контроля сгорания. Стоимость топлива является основным фактором и, следовательно, акцент делается на эффективности, но соображения безопасности и выбросов также имеют первостепенное значение, особенно последнее для промышленного применения. Тип сгорания, обсуждаемый в этой статье, представляет собой химическую реакцию между топливом и кислородом (O2) и, следовательно, зависит от основных стехиометрических факторов. Должно быть доступно правильное количество молекул O2 для реакции с соответствующим количеством молекул топлива. На практике большинство камер сгорания используют атмосферный воздух, при этом расход воздуха измеряется для контроля подачи O2. Дисбаланс воздушного потока в любом направлении является проблематичным. Если воздуха недостаточно (ниже стехиометрического требования или при богатом топливе сгорании), несгоревшее топливо выходит из дымовой трубы. Это приводит к перерасходу топлива, создает выбросы и опасные загрязнители воздуха. Это также создает потенциальную угрозу безопасности, если достаточное количество топлива впоследствии смешается с O2 и воспламенится. Ситуация еще больше усложняется тем, что в реальном мире сгорание редко бывает полным на сто процентов. Обычно в дымовых газах содержится некоторое количество несгоревшего топлива, хотя его следы не оказывают существенного влияния на общий уровень O2 по сравнению с избыточным. Однако в какой-то момент срока эксплуатации установки, вероятно, возможны значительные уровни несгоревшего топлива, и это явление встречается чаще, чем предполагалось. Это неизбежно даже в самых эффективных горелках. Подробнее о том, что это означает, чуть позже. Если воздуха слишком много (выше стехиометрического требования, что приводит к обеднению топлива), эффективность снижается из-за траты энергии на нагрев ненужного объема воздуха. Это в некоторой степени неизбежно, поскольку примерно 80% воздуха состоит из азота, но избыток воздуха менее проблематичен для эффективности и более безопасен для эксплуатации, хотя выбросы оксидов азота (NOx) могут увеличиваться с увеличением избытка воздуха. Для большинства камер сгорания существует идеальный избыток воздуха для достижения хорошего сгорания, низкого уровня выбросов и высокой эффективности. Избыток воздуха и избыточное топливо снижают эффективность, но избыток воздуха не снижает эффективность так сильно, как тот же объем избыточного топлива.

Любой, кто работал со старинной газовой плитой или обогревателем, может увидеть, как работает процесс смешивания, отрегулировав воздухозаборник горелки так, чтобы добиться идеально синего пламени. Но возникает вопрос: какой наиболее практичный способ оптимизировать крупномасштабное сжигание с точки зрения безопасности, эффективности и выбросов? Самый распространенный ответ – измерять и контролировать количество O2, остающегося в выхлопных газах, но что является идеальным? Как только что упоминалось, сгорание часто не является полностью полным, поэтому часть несгоревшего топлива и O2 выходят в дымовую трубу, даже если смесь воздуха и топлива, поступающая в горелку, в норме. Вызывает обеспокоенность количество O2, превышающее необходимое для сжигания топлива, но определение общего содержания O2 в потоке дымовых газов может ввести в заблуждение, если операторы не до конца понимают, что представляют собой измерения. Задача состоит в том, чтобы определить, какая часть O2 в дымовых газах превышает стехиометрическое количество. Операторам обычно требуется некоторое количество избыточного O2, поскольку нежелательно уменьшать поток воздуха ниже стехиометрического количества (рис. 1), но точное количество зависит от топлива и системы сгорания. Ошибка в сторону обеднения топлива в большинстве ситуаций более желательна, чем работа на богатом топливе.

Для промышленных установок существует широкий спектр стратегий управления. Как минимум, будет прибор, контролирующий расход топлива. Поток воздуха будет измеряться или, по крайней мере, контролироваться, чтобы соответствовать расходу топлива. Схема такого типа может быть реализована с использованием некоторой формулы (объем воздуха на единицу топлива) для грубого расчета, но изменчивость потребности в кислороде от разных источников топлива, а также точность измерений расхода топлива и воздуха приводят к необходимости контролировать фактический расход топлива. Содержание O2 в дымовых газах. Для измерения O2 в дымовых газах обычно применяются два метода: анализатор с перестраиваемым диодным лазером (TDL) и анализатор с циркониевым датчиком. В анализаторе TDL используются два чувствительных компонента (рис. 2): лазерный источник и детектор.