Der Prozentsatz des Luftüberschusses wird anhand des theoretischen Nettosauerstoffbedarfs für die vollständige Verbrennung berechnet, selbst wenn der tatsächliche Prozess Kohlenmonoxid oder unverbrannten Brennstoff erzeugt. Berechnen Sie zunächst den Sauerstoff, der benötigt wird, um den gesamten Brenstoffkohlenstoff zu CO₂, Wasserstoff zu H₂O und Schwefel zu SO₂ zu oxidieren. Ziehen Sie anschließend den chemisch im Brennstoff gebundenen Sauerstoff ab, vergleichen Sie den resultierenden Nettobedarf mit dem durch die Luft zugeführten Sauerstoff und geben Sie die Differenz als Prozentsatz des Nettobedarfs an.

Wichtigste Erkenntnis: Die unvollständige Verbrennung verändert die tatsächliche Rauchgaszusammensetzung, jedoch nicht die theoretische Verbrennungsgrundlage, die zur Definition des Luftüberschusses verwendet wird. Bei Brennstoffen mit gebundenem Sauerstoff muss der Brennstoffsauerstoff vom Sauerstoffbedarf für die vollständige Verbrennung abgezogen werden, bevor der Luftüberschuss berechnet wird.

Bestimmung des theoretischen Sauerstoffbedarfs

Verwenden Sie die vollständige Verbrennung als Berechnungsgrundlage

Der theoretische Sauerstoffbedarf setzt die vollständige Oxidation des Brennstoffs voraus:

Kohlenstoff wird zu CO₂.
Wasserstoff wird zu H₂O.
Schwefel wird zu SO₂.

Diese Grundlage bleibt unverändert, selbst wenn die Pilotanlage tatsächlich CO, Ruß oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe erzeugt.

Berechnen Sie den Sauerstoff aus der Brennstoffzusammensetzung

Für einen Brennstoff, der Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel und Sauerstoff enthält, kann der stöchiometrische Sauerstoffbedarf auf Massenbasis wie folgt angegeben werden:

[ m_{O_2,\ theoretisch}

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

wobei (m_C), (m_H) und (m_S) die Massen von Kohlenstoff, Wasserstoff und Schwefel im Brennstoff sind.

Die Koeffizienten ergeben sich aus den Reaktionen der vollständigen Verbrennung:

[ C + O_2 \rightarrow CO_2 ]

[ 2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O ]

[ S + O_2 \rightarrow SO_2 ]

Berücksichtigen Sie den bereits im Brennstoff vorhandenen Sauerstoff

Wenn der Brennstoff sauerstoffhaltige Verbindungen enthält, wird ein Teil des benötigten Sauerstoffs intern durch den Brennstoff und nicht durch die Luft bereitgestellt.

Der aus der Luft benötigte Nettosauerstoff beträgt daher:

[ m_{O_2,\ netto}

m_{O_2,\ theoretisch}

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

oder, einfacher, wenn (m_{O,\ Brennstoff}) als Masse des elementaren Sauerstoffs angegeben wird:

[ m_{O_2,\ netto}

m_{O_2,\ theoretisch}

m_{O,\ Brennstoff} ]

Die zweite Form ist gültig, weil die Masse der Sauerstoffatome erhalten bleibt, unabhängig davon, ob dieser Sauerstoff als brennstoffgebundener Sauerstoff oder als molekularer Sauerstoff aus der Luft eingebracht wird.

Für einen Brennstoff mit den Massenanteilen (C), (H), (S) und (O) lautet die übliche Form der Elementaranalyse:

[ m_{O_2,\ netto}

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

m_O ]

Das Ergebnis muss auf einer konsistenten Bezugsgröße basieren, beispielsweise auf Kilogramm Brennstoff oder Kilomol Brennstoff.

Berechnung des prozentualen Luftüberschusses

Berechnen Sie den durch die Luft zugeführten Sauerstoff

Wenn der Luftstrom bekannt ist, berechnen Sie den mit der Luft eintretenden Sauerstoff:

[ m_{O_2,\ eintretend}

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

wobei (y_{O_2,\ Luft}) der Massenanteil des Sauerstoffs in der Luft ist.

Für trockene Luft wird der Sauerstoffgehalt üblicherweise mit etwa 21 Mol-% Sauerstoff angegeben. Bei Verwendung von Masseneinheiten entspricht dies einem Sauerstoffmassenanteil von ungefähr 0,233. Die Luftbezugsgröße muss mit der Berechnung des theoretischen Sauerstoffs konsistent sein.

Wenden Sie die Gleichung für den Luftüberschuss an

Der prozentuale Luftüberschuss beträgt:

[ %,\text{Luftüberschuss}

\frac{ m_{O_2,\ eintretend}

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

Da Luft und Sauerstoff bei einer konstanten Luftzusammensetzung proportional sind, kann dasselbe Ergebnis mithilfe von Luftmengen ausgedrückt werden:

[ %,\text{Luftüberschuss}

\frac{ m_{\text{Luft, tatsächlich}}

m_{\text{Luft, theoretisch}} }{ m_{\text{Luft, theoretisch}} } \times 100 ]

Die theoretische Luftmenge ist die Luftmenge, die zur Bereitstellung von (m_{O_2,\ netto}) erforderlich ist.

Interpretieren Sie das Ergebnis korrekt

Ein Wert von null steht für theoretische Luft: Es ist genau die für die vollständige Verbrennung auf der definierten stöchiometrischen Grundlage erforderliche Luftmenge vorhanden.

Ein positiver Wert zeigt einen Luftüberschuss an. Ein negativer Wert zeigt Luftmangel an, der häufig mit CO, Ruß oder unverbranntem Brennstoff verbunden ist.

Warum die unvollständige Verbrennung den Luftüberschuss nicht neu definiert

CO ist ein tatsächliches Produkt und keine neue theoretische Grundlage

Wenn Kohlenstoff statt CO₂ CO bildet, wird tatsächlich weniger Sauerstoff verbraucht als für die vollständige Verbrennung erforderlich wäre.

Der prozentuale Luftüberschuss soll jedoch messen, wie viel Luft im Verhältnis zu der für die vollständige Oxidation benötigten Menge zugeführt wurde. Eine Neuberechnung des theoretischen Bedarfs anhand des tatsächlich gebildeten CO würde den Luftmangel oder Luftüberschuss im Verhältnis zum gewünschten Verbrennungsendpunkt zu niedrig ansetzen.

Unverbrannter Brennstoff muss als Ergebnis der tatsächlichen Bilanz behandelt werden

Restkohlenwasserstoffe, Ruß oder unverbrannter Kohlenstoff beeinflussen die tatsächlichen Stoff- und Energiebilanzen.

Sie sollten beim Abgleich der gemessenen Ein- und Ausgangsströme berücksichtigt werden, ersetzen jedoch nicht den stöchiometrischen Sauerstoffbedarf für die vollständige Verbrennung, der bei der Definition des Luftüberschusses verwendet wird.

Trennen Sie Luftüberschuss und Verbrennungseffizienz

Der Luftüberschuss beschreibt die Luftzufuhr im Verhältnis zum stöchiometrischen Bedarf.

Die Verbrennungseffizienz hängt außerdem von Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Ruß, Brennstoffumwandlung, Wärmeverlusten und anderen Betriebsbedingungen ab. Eine Anlage kann mit Luftüberschuss betrieben werden und dennoch eine unvollständige Verbrennung aufweisen, beispielsweise aufgrund schlechter Durchmischung, unzureichender Verweilzeit, niedriger Temperatur oder Einschränkungen des Brenners.

Verwendung der Rauchgasanalyse in einer Pilotanlage

Messen Sie den Sauerstoff im trockenen Rauchgas

Analysatoren für trockenes Rauchgas messen üblicherweise O₂, CO₂, CO und manchmal SO₂ sowie Kohlenwasserstoffe.

Die gemessene Sauerstoffkonzentration kann zur Abschätzung des Luftüberschusses verwendet werden, wenn die Brennstoffzusammensetzung und die Verbrennungsprodukte bekannt sind. Die Berechnung muss jedoch Verdünnung, Feuchtigkeitsentzug, Leckagen und die gewählte trockene oder feuchte Bezugsgröße berücksichtigen.

Verwenden Sie Stoffbilanzen zur Validierung des Ergebnisses

Eine zuverlässige Berechnung für eine Pilotanlage vergleicht:

Brennstoffzusammensetzung und Luftzufuhr.
Theoretisch für die vollständige Verbrennung benötigten Sauerstoff.
Gemessene Rauchgaszusammensetzung.
Unverbrannten Kohlenstoff, unverbrannten Brennstoff und andere Ausgangsströme.

Dieser Vergleich identifiziert Analysatorfehler, Luftleckagen, falsche Feuchtigkeitskorrekturen und uneinheitliche Durchflussmengen-Bezugsgrößen.

Verwechseln Sie Restsauerstoff nicht mit Luftüberschuss

Restsauerstoff im Abgas weist im Allgemeinen darauf hin, dass mehr Sauerstoff eingetragen wurde, als verbraucht wurde.

Er entspricht jedoch nicht automatisch dem prozentualen Luftüberschuss, da das Rauchgas außerdem Stickstoff, CO₂, Wasserdampf, CO und möglicherweise unverbrannten Brennstoff enthält. Das Sauerstoffergebnis muss anhand der gesamten Verbrennungsbilanz interpretiert werden.

Verständnis der Zielkonflikte

Zu wenig Luft

Luftmangel kann CO, Ruß, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und eine verringerte Wärmefreisetzung verursachen.

Er führt außerdem zu Sicherheits- und Umweltproblemen, da CO giftig ist und sich unverbrannter Brennstoff in nachgeschalteten Anlagen oder Abgassystemen ansammeln kann.

Zu viel Luft

Ein übermäßiger Luftstrom erhöht die Menge an Stickstoff und ungenutztem Sauerstoff, die durch den Verbrennungsprozess erwärmt werden.

Dieses zusätzliche Gas führt fühlbare Wärme aus der Anlage ab, senkt den thermischen Wirkungsgrad und kann möglicherweise die Flammentemperatur reduzieren. Der Luftüberschuss kann auch die NOₓ-Bildung beeinflussen. Der optimale Betriebspunkt ist daher nicht unbedingt der höchstmögliche Luftstrom.

Uneinheitliche Berechnungsgrundlagen

Ein häufiger Fehler besteht darin, massenbasierten theoretischen Sauerstoff mit einem molaren Luftstrom zu vergleichen oder eine feuchte Rauchgasanalyse mit Berechnungen auf Trockenbasis zu vergleichen.

Verwenden Sie während der gesamten Berechnung eine einheitliche Bezugsgröße und geben Sie klar an, ob Ströme und Zusammensetzungen auf feuchter oder trockener Basis gemessen werden.

Luftleckagen und Einschränkungen der Analysatoren

Falschluft, die durch Leckagen eintritt, kann den gemessenen Sauerstoffgehalt im Abgas erhöhen, ohne Teil der vorgesehenen Verbrennungsluftzufuhr zu sein.

Darüber hinaus können unvollständige Durchmischung, Kondensation in der Probenahmeleitung, Kalibrierungsfehler des Analysators und ein instabiler Pilotanlagenbetrieb dazu führen, dass auf Rauchgasdaten basierende Schätzungen von den auf den Zuführungen basierenden Berechnungen abweichen.

Die richtige Entscheidung für Ihr Ziel treffen

Wenden Sie je nach Zweck der Pilotanlagenberechnung den folgenden Ansatz an:

Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der stöchiometrischen Auslegung liegt: Berechnen Sie den Sauerstoffbedarf für die vollständige Verbrennung, ziehen Sie den im Brennstoff gebundenen Sauerstoff ab, wandeln Sie den Nettobedarf in theoretische Luft um und vergleichen Sie ihn mit der tatsächlichen Luftzufuhr.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Diagnose unvollständiger Verbrennung liegt: Behalten Sie die theoretische Grundlage der vollständigen Verbrennung bei und quantifizieren Sie anschließend CO, unverbrannten Brennstoff, Ruß und Restkohlenstoff separat anhand der gemessenen Ausgangszusammensetzungen.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Validierung von Pilotanlagendaten liegt: Vergleichen Sie das auf den Zuführungen basierende Ergebnis des Luftüberschusses mit einer Rauchgas-Stoffbilanz auf Trockenbasis und untersuchen Sie Abweichungen durch Prüfungen auf Luftleckagen, Feuchtigkeit und Analysatorfehler.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf dem thermischen Wirkungsgrad liegt: Behandeln Sie den Luftüberschuss nicht als eigenständiges Betriebsziel. Ermitteln Sie die niedrigste Luftmenge, die eine akzeptable Vollständigkeit der Verbrennung und Emissionsleistung gewährleistet.

Eine belastbare Berechnung des Luftüberschusses verwendet stets den für die vollständige Verbrennung erforderlichen Nettosauerstoff, unabhängig von den während des tatsächlichen Betriebs beobachteten unvollständigen Verbrennungsprodukten.

Übersichtstabelle:

Berechnungselement	Grundprinzip	Praktischer Hinweis
Theoretischer Sauerstoff	Oxidation von Kohlenstoff zu CO₂, Wasserstoff zu H₂O und Schwefel zu SO₂	Die vollständige Verbrennung als Referenzgrundlage verwenden
Brennstoffgebundener Sauerstoff	Den bereits im Brennstoff vorhandenen Sauerstoff abziehen	Eine konsistente Massen- oder Molbasis verwenden
Nettosauerstoffbedarf	Theoretischer Sauerstoff minus brennstoffgebundener Sauerstoff	Dies ist der aus der Luft benötigte Sauerstoff
Luftüberschuss	`(Tatsächliche Luft - Theoretische Luft) / Theoretische Luft × 100`	Positive Werte zeigen Luftüberschuss an; negative Werte zeigen Luftmangel an
Unvollständige Verbrennung	CO, Ruß und unverbrannten Brennstoff als tatsächliche Ausgangsergebnisse behandeln	Den theoretischen Sauerstoffbedarf nicht neu definieren
Rauchgasvalidierung	Trockenes O₂, CO₂, CO, Feuchtigkeit und Durchflussdaten vergleichen	Auf Luftleckagen, Probenahmefehler und uneinheitliche Bezugsgrößen prüfen

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