과잉 공기 비율은 실제 공정에서 일산화탄소나 미연소 연료가 생성되는 경우에도 완전 연소에 필요한 순 이론 산소량을 기준으로 계산합니다. 먼저 연료의 모든 탄소를 CO₂로, 수소를 H₂O로, 황을 SO₂로 산화하는 데 필요한 산소량을 계산합니다. 그런 다음 연료에 화학적으로 결합된 산소를 차감하고, 그 결과로 얻은 순 산소 요구량을 공기로 공급된 산소량과 비교한 후 그 차이를 순 요구량의 백분율로 나타냅니다.

핵심 요점: 불완전 연소는 실제 연도 가스 조성을 변화시키지만, 과잉 공기를 정의하는 데 사용되는 이론 연소 기준을 변화시키지는 않습니다. 결합 산소를 포함한 연료의 경우, 과잉 공기를 계산하기 전에 완전 연소 산소 요구량에서 연료 산소를 차감해야 합니다.

이론 산소 요구량 설정

완전 연소를 계산 기준으로 사용

이론 산소 요구량은 연료가 완전히 산화된다고 가정합니다:

탄소는 CO₂가 됩니다.
수소는 H₂O가 됩니다.
황은 SO₂가 됩니다.

파일럿 플랜트에서 실제로 CO, 그을음 또는 미연소 탄화수소가 생성되더라도 이 기준은 변하지 않습니다.

연료 조성으로부터 산소량 계산

탄소, 수소, 황 및 산소를 포함하는 연료의 화학양론적 산소 요구량은 질량 기준으로 다음과 같이 나타낼 수 있습니다:

[ m_{O_2,\ 이론}

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

여기서 (m_C), (m_H), (m_S)는 연료에 포함된 탄소, 수소 및 황의 질량입니다.

계수는 다음과 같은 완전 연소 반응에서 유도됩니다:

[ C + O_2 \rightarrow CO_2 ]

[ 2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O ]

[ S + O_2 \rightarrow SO_2 ]

연료에 이미 포함된 산소 고려

연료에 산소 함유 화합물이 포함되어 있다면, 필요한 산소의 일부는 공기가 아니라 연료 자체에서 내부적으로 공급됩니다.

따라서 공기로부터 필요한 순 산소량은 다음과 같습니다:

[ m_{O_2,\ 순}

m_{O_2,\ 이론}

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

또는 (m_{O,\ 연료})가 원소 산소의 질량으로 표시되는 경우에는 더 간단히 다음과 같습니다:

[ m_{O_2,\ 순}

m_{O_2,\ 이론}

m_{O,\ 연료} ]

두 번째 식이 유효한 이유는 산소가 연료 결합 산소로 유입되든 공기 중 분자 산소로 유입되든 산소 원자의 질량이 보존되기 때문입니다.

질량분율 (C), (H), (S), (O)를 갖는 연료의 경우 일반적인 원소 분석식은 다음과 같습니다:

[ m_{O_2,\ 순}

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

m_O ]

결과는 연료 1킬로그램 또는 연료 1킬로몰과 같이 일관된 기준량을 바탕으로 계산해야 합니다.

과잉 공기 비율 계산

공기로 공급되는 산소량 계산

공기 공급량을 알고 있다면 공기와 함께 유입되는 산소량을 계산합니다:

[ m_{O_2,\ 유입}

y_{O_2,\ 공기}m_{\text{공기}} ]

여기서 (y_{O_2,\ 공기})는 공기 중 산소의 질량분율입니다.

건조 공기의 경우 산소 함량은 일반적으로 약 21 mol%의 산소로 나타냅니다. 질량 단위를 사용할 때 이에 해당하는 산소 질량분율은 약 0.233입니다. 공기 기준은 이론 산소 계산 기준과 일관되어야 합니다.

과잉 공기 방정식 적용

과잉 공기 비율은 다음과 같습니다:

[ %,\text{과잉 공기}

\frac{ m_{O_2,\ 유입}

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

공기와 산소는 일정한 공기 조성에서 비례하므로 동일한 결과를 공기량을 사용하여 다음과 같이 나타낼 수도 있습니다:

[ %,\text{과잉 공기}

\frac{ m_{\text{공기, 실제}}

m_{\text{공기, 이론}} }{ m_{\text{공기, 이론}} } \times 100 ]

이론 공기는 (m_{O_2,\ 순})을 공급하는 데 필요한 공기량입니다.

결과를 올바르게 해석

0이라는 값은 정의된 화학양론적 기준에서 완전 연소에 정확히 필요한 만큼의 공기가 공급되는 이론 공기를 의미합니다.

양수 값은 과잉 공기를 나타냅니다. 음수 값은 공기 부족을 나타내며, 일반적으로 CO, 그을음 또는 미연소 연료와 관련이 있습니다.

불완전 연소가 과잉 공기의 정의를 바꾸지 않는 이유

CO는 실제 생성물이지 새로운 이론 기준이 아님

탄소가 CO₂ 대신 CO를 형성하면 실제로 소비되는 산소량은 완전 연소에 필요한 산소량보다 적습니다.

그러나 과잉 공기 비율은 완전 산화에 필요한 공기량을 기준으로 얼마나 많은 공기가 공급되었는지를 측정하기 위한 것입니다. 실제로 생성된 CO를 사용하여 이론 요구량을 다시 계산하면, 원하는 연소 종점에 비해 공기 부족 또는 과잉 정도를 과소평가하게 됩니다.

미연소 연료는 실제 물질수지 결과로 처리

잔류 탄화수소, 그을음 또는 미연소 탄소는 실제 물질수지와 에너지수지에 영향을 줍니다.

측정된 유입 및 유출 흐름을 조정할 때 이러한 항목을 포함해야 하지만, 과잉 공기 정의에 사용되는 완전 연소 화학양론적 요구량을 대체해서는 안 됩니다.

과잉 공기와 연소 효율을 구분

과잉 공기는 화학양론적 요구량에 비해 공기가 얼마나 공급되었는지를 나타냅니다.

연소 효율은 일산화탄소, 미연소 탄화수소, 그을음, 연료 전환율, 열 손실 및 기타 운전 조건에도 영향을 받습니다. 혼합 불량, 부족한 체류 시간, 낮은 온도 또는 버너의 한계로 인해 과잉 공기가 공급되는 장치에서도 불완전 연소가 나타날 수 있습니다.

파일럿 플랜트에서 연도 가스 분석 사용

건조 연도 가스의 산소 측정

건조 연도 가스 분석기는 일반적으로 O₂, CO₂, CO를 측정하며, 경우에 따라 SO₂와 탄화수소도 측정합니다.

측정된 산소 농도는 연료 조성과 연소 생성물을 알고 있을 때 과잉 공기를 추정하는 데 사용할 수 있지만, 계산 시 희석, 수분 제거, 누출 및 선택한 건식 또는 습식 기준을 고려해야 합니다.

물질수지로 결과 검증

신뢰할 수 있는 파일럿 플랜트 계산에서는 다음 항목을 비교합니다:

연료 조성 및 공기 공급 유량.
완전 연소에 필요한 이론 산소량.
측정된 연도 가스 조성.
미연소 탄소, 미연소 연료 및 기타 출구 흐름.

이 비교를 통해 분석기 오류, 공기 누출, 잘못된 수분 보정 및 일관되지 않은 유량 기준을 확인할 수 있습니다.

잔류 산소를 과잉 공기와 혼동하지 않기

배출 스택의 잔류 O₂는 일반적으로 소비된 양보다 많은 산소가 유입되었음을 나타냅니다.

그러나 연도 가스에는 질소, CO₂, 수증기, CO 및 잠재적으로 미연소 연료도 포함되므로 잔류 산소가 과잉 공기 비율과 자동으로 동일한 것은 아닙니다. 산소 결과는 전체 연소수지를 통해 해석해야 합니다.

상충 관계 이해

공기가 너무 적은 경우

공기 부족은 CO, 그을음, 미연소 탄화수소 및 감소된 열 발생을 유발할 수 있습니다.

또한 CO는 독성이 있고 미연소 연료는 하류 장비나 배기 시스템에 축적될 수 있으므로 안전 및 환경 문제를 초래합니다.

공기가 너무 많은 경우

과도한 공기는 연소 과정에서 가열되는 질소와 미사용 산소의 양을 증가시킵니다.

이 추가 가스는 현열을 장치 외부로 운반하여 열효율을 낮추고 화염 온도를 감소시킬 수 있습니다. 과잉 공기는 NOₓ 생성에도 영향을 줄 수 있으므로 최적 운전점이 반드시 가능한 가장 높은 공기 공급률인 것은 아닙니다.

일관되지 않은 계산 기준

흔히 발생하는 오류는 질량 기준 이론 산소량을 몰 기준 공기 유량과 비교하거나, 습식 연도 가스 분석을 건식 기준 계산과 비교하는 것입니다.

계산 전반에서 하나의 일관된 기준을 사용하고, 유량과 조성이 습식 또는 건식 기준 중 어느 기준으로 측정되었는지 명확히 명시해야 합니다.

공기 누출 및 분석기 한계

누출을 통해 유입되는 외부 공기는 의도한 연소 공기 공급량에 포함되지 않으면서 측정된 스택 산소 농도를 증가시킬 수 있습니다.

또한 불완전한 혼합, 샘플링 라인 응축, 분석기 교정 오류 및 불안정한 파일럿 운전으로 인해 연도 가스 기반 추정값이 공급량 기반 계산과 다를 수 있습니다.

목표에 맞는 선택

파일럿 플랜트 계산의 목적에 따라 다음과 같은 접근법을 사용합니다:

주요 초점이 화학양론적 설계인 경우: 완전 연소 산소 요구량을 계산하고, 연료에 결합된 산소를 차감한 다음, 순 요구량을 이론 공기량으로 환산하여 실제 공기 공급량과 비교합니다.
주요 초점이 불완전 연소 진단인 경우: 완전 연소 이론 기준을 유지한 후, 측정된 출구 조성을 사용하여 CO, 미연소 연료, 그을음 및 잔류 탄소를 별도로 정량화합니다.
주요 초점이 파일럿 플랜트 데이터 검증인 경우: 공급량 기반 과잉 공기 결과를 건조 연도 가스 물질수지와 비교하고, 공기 누출, 수분 및 분석기 점검을 통해 불일치 원인을 조사합니다.
주요 초점이 열효율인 경우: 과잉 공기 자체를 운전 목표로 취급하지 말고, 허용 가능한 연소 완전도와 배출 성능을 달성하는 가장 낮은 공기 공급률을 확인합니다.

방어 가능한 과잉 공기 계산은 실제 운전 중 관찰된 불완전 연소 생성물과 관계없이 항상 완전 연소에 필요한 순 산소량을 사용합니다.

요약 표:

계산 요소	핵심 원칙	실무 참고사항
이론 산소량	탄소를 CO₂로, 수소를 H₂O로, 황을 SO₂로 산화	완전 연소를 기준으로 사용
연료 결합 산소	연료에 이미 존재하는 산소를 차감	일관된 질량 또는 몰 기준 적용
순 산소 요구량	이론 산소량에서 연료 결합 산소량을 차감	공기로부터 필요한 산소량
과잉 공기	`(실제 공기량 - 이론 공기량) / 이론 공기량 × 100`	양수 값은 과잉 공기, 음수 값은 공기 부족을 나타냄
불완전 연소	CO, 그을음 및 미연소 연료를 실제 출구 결과로 처리	이론 산소 요구량을 다시 정의하지 않음
연도 가스 검증	건조 O₂, CO₂, CO, 수분 및 유량 데이터를 비교	공기 누출, 샘플링 오류 및 기준 불일치 확인

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