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[摘 要]通过研究过剩空气系数的计算方法和过剩空气系数对导热油炉的影响，找出过剩空气系数与热油炉热效率和炉管腐蚀以及排放量的关系，并确定最优的过剩空气系数，以此提高燃烧的热效率，同时减少炉管的腐蚀和排放。
[关键词]热油炉 过剩空气系数 热效率
中图分类号：O346.2+1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）36-0064-02
前言：
导热油炉是精馏分离的一种重要设备，目前我厂使用的是常州能源设备厂3000KW的导热油炉，其主要为各个精馏塔塔底再沸器提供热源，属于我厂主要能源消耗设备。导热油炉的热负荷和传热面积固定以后，支配导热油炉热效率的主要因素即为燃烧空气的供给量，即过剩空气的控制，同时过剩空气也影响着炉管腐蚀速度和烟囱。为了确保我厂导热油炉在一个较高的热效率同时安全的情况下运行，本文通过对过剩空气系数的研究，找出导热油炉最适合的过剩空气系数，以提高热效率同时尽量减少炉管腐蚀以及废物排放，提高导热油炉运行的经济效益。
1.过剩空气系数α的介绍
目前我厂导热油炉燃烧器使用的是天然气燃料，天然气属于碳氢化合物，其可燃组分为C、H、S等。这些元素转化成燃烧后的产物所需要的氧气是一定的，这个量的氧气所对应的空气的量就是燃烧所需要的理论空气量。然而，受到天然气与空气混合是否充分等影响，从燃烧器进入的空气不可能全部参与燃烧，并且必须有一定的过剩空气系数才能完全燃烧，燃料燃烧所需要的空气量总是大于理论空气量，所以实际炉内空气一般比理论空气需要量多，实际吸入空气量与理论所需空气量之比就称为过剩空气系数，即：α=
我们一般通过检测烟气中或者O2含量来判断过剩空气系数的大小。在实际导热油炉的操作中，过剩空气系数过大，会造成烟道气量多，从烟道带走的热量多，使热效率下降；同时导热油炉内空气量过多，会导致NOX和SOX含量过多，加速炉管腐蚀和环境污染。若过剩空气过小，则会导致燃料燃烧不充分，燃料没有完全燃烧，炉子的热效率下降。所以过剩空气系数必须选择一个最佳值，在保证热效率的情况下还能减少炉管腐蚀和NOX排放。
2.过剩空气系数的计算方法
目前过剩空气系数的计算方法是用烟气分析计算确定过剩空气系数α，其优点是不需要在进气道中安装测量仪器，假设干烟气仅由O2、N2和CO2组成（即为完全燃烧），对于空气来说，其容积组分为[O2]=21%，[N2]=79%。
由过剩空气系数定义可知：
α=实际吸入空气量/理论所需空气量=公式中S ------实际供给的空气量
Smin-----燃烧所需要的理论空气量
显然，燃烧所需要的最少氧气体积为：Vo2min=0.21Smin；而烟气中所剩下的氧气为
其中[O2]为烟气中的O2容积成分；[O2]为烟气中的N2容积成分
根据燃气燃烧及应用原理，干气燃烧后的干烟气中N2的含量接近于79%
所以α=
上式中没有考虑烟气中CO2，所以得到的结果只是近似值。
3.过剩空气系数对导热油炉的影响
过剩空气系数对导热油炉的影响主要体现在三个方面，一是对热效率的影响，二是对炉管腐蚀的影响，三是对热油炉烟囱废气NOX排放量的影响。表1是丁烷厂导热油炉烟气检测分析数据
3.1 过剩空气系数对热油炉效率的影响
随着过剩空气系数α逐渐变大，热油炉的热效率先增大后减小，当过剩空气系数在1.3-1.4之间时，导热油炉的热效率是最高的。因为如果过剩空气系数过少，有可能导致燃料气燃烧不完全，有时候甚至可能导致排烟中含有一定量的可燃气体，结果是燃气没有充分利用，热效率低下；如果过剩空气系数过大，那排烟中的过剩空气就越多，大量的过剩空气会将热量带入大气中，使热损失加大，加热炉的效率下降。所以热效率随着过剩空气系数的递增呈现先增大后减小的趋势。
3.2 过剩空气系数对炉管腐蚀的影响
过剩空气系数对导热油炉炉管的腐蚀主要体现在两个方面：一是烟气中的氧气会氧化炉管金属，会在炉管表面生成一层氧化膜，由于受热膨胀，氧化膜容易脱落而形成新的氧化膜，最终会导致炉管越来越薄甚至穿孔。二是由于干气中含有一定的硫化物，燃烧后会生SO2，SO2进一步氧化会生成SO2，SO2遇水发生化学反应生成硫酸，而硫酸属于强腐蚀性酸，会腐蚀炉管等金属构件。过剩空气系数越大，烟气中SO2含量呈现上升趋势，说明过剩空气系数大利于生成SO2，同时过剩空气系数越大，代表者烟气中氧气含量越高，SO2和SO2都能加速炉管的腐蚀，所以过剩空气系数越大，会导致炉管腐蚀越严重。
3.3 过剩空气系数对烟囱排放量的影响
导热油炉烟囱排放的和NO2，另外还有氧化亚氮（N2O）等，NOX是光化学烟雾的主要污染物质，空气过剩系数是烟气中NOX含量的重要影响因素，当过剩空气系数在1.1-1.4区域内，烟气中NOX含量随着过剩空气系数增长变化较缓慢，当过剩空气系数大于1.4后烟气中NOX含量随着过剩空气系数增长急剧上升，可以看出1.4是一个转折点，当过剩空气系数大于1.4后将会导致污染物排放急剧增长，所以应尽量将过剩空气系数控制在1.4以下。
结论
综合研究过剩空气系数与导热油炉热效率、炉管腐蚀以及NOX排放的关系，我们可以得出以下结论
1.导热油炉的热效率刚开始随着过剩空气系数的增大而增大，当过剩空气系数达到某一个临界值后，热效率随着过剩空气系数的增大而减少，在过剩空气系数为1.38热效率达到一个最大值，在这个空气过剩系数下，能最大地节约燃料气，提高炉子运行的经济性。
2.在炉管腐蚀方面，随着过剩空气系数遞增，烟气中SO2含量升高，当过剩空气系数达到1.35后烟气中SO2含量趋于平稳，过剩空气系数从1.1到1.5烟气中SO2含量都在10ppm以下，所以过剩空气系数在1.1-1.4区间对炉管腐蚀影响不大。
3.过剩空气系数在1.4之前烟气中NOX含量较少，只有大于1.4时NOX排放量才大幅攀升，所以在选择过剩空气系数时，应尽量将数值控制在1.4以下，才能尽最大限度的降低NOX排放。
结合过剩空气系数与我厂导热油炉热效率，炉管腐蚀速率以及NOX排放三者之间关系，综合分析我们可以得出，过剩空气系数α选定在1.3-1.4左右时较为合适。此时炉管腐蚀较小，同时热效率较大，NOX排放量少，达到了经济效益与环境效益的统一。
参考文献
[1] 周玉明，奥斯瓦尔德燃烧三角形，天然气与石油.1991.3.
[2] 宗虎，锅炉测试，中国计量出版社（北京）.1996.
[3] 王文宇 供热能耗与供热锅炉空气过剩系数的关系，热能动力工程.1999.5.
[关键词]热油炉 过剩空气系数 热效率
中图分类号：O346.2+1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）36-0064-02
前言：
导热油炉是精馏分离的一种重要设备，目前我厂使用的是常州能源设备厂3000KW的导热油炉，其主要为各个精馏塔塔底再沸器提供热源，属于我厂主要能源消耗设备。导热油炉的热负荷和传热面积固定以后，支配导热油炉热效率的主要因素即为燃烧空气的供给量，即过剩空气的控制，同时过剩空气也影响着炉管腐蚀速度和烟囱。为了确保我厂导热油炉在一个较高的热效率同时安全的情况下运行，本文通过对过剩空气系数的研究，找出导热油炉最适合的过剩空气系数，以提高热效率同时尽量减少炉管腐蚀以及废物排放，提高导热油炉运行的经济效益。
1.过剩空气系数α的介绍
目前我厂导热油炉燃烧器使用的是天然气燃料，天然气属于碳氢化合物，其可燃组分为C、H、S等。这些元素转化成燃烧后的产物所需要的氧气是一定的，这个量的氧气所对应的空气的量就是燃烧所需要的理论空气量。然而，受到天然气与空气混合是否充分等影响，从燃烧器进入的空气不可能全部参与燃烧，并且必须有一定的过剩空气系数才能完全燃烧，燃料燃烧所需要的空气量总是大于理论空气量，所以实际炉内空气一般比理论空气需要量多，实际吸入空气量与理论所需空气量之比就称为过剩空气系数，即：α=
我们一般通过检测烟气中或者O2含量来判断过剩空气系数的大小。在实际导热油炉的操作中，过剩空气系数过大，会造成烟道气量多，从烟道带走的热量多，使热效率下降；同时导热油炉内空气量过多，会导致NOX和SOX含量过多，加速炉管腐蚀和环境污染。若过剩空气过小，则会导致燃料燃烧不充分，燃料没有完全燃烧，炉子的热效率下降。所以过剩空气系数必须选择一个最佳值，在保证热效率的情况下还能减少炉管腐蚀和NOX排放。
2.过剩空气系数的计算方法
目前过剩空气系数的计算方法是用烟气分析计算确定过剩空气系数α，其优点是不需要在进气道中安装测量仪器，假设干烟气仅由O2、N2和CO2组成（即为完全燃烧），对于空气来说，其容积组分为[O2]=21%，[N2]=79%。
由过剩空气系数定义可知：
α=实际吸入空气量/理论所需空气量=公式中S ------实际供给的空气量
Smin-----燃烧所需要的理论空气量
显然，燃烧所需要的最少氧气体积为：Vo2min=0.21Smin；而烟气中所剩下的氧气为
其中[O2]为烟气中的O2容积成分；[O2]为烟气中的N2容积成分
根据燃气燃烧及应用原理，干气燃烧后的干烟气中N2的含量接近于79%
所以α=
上式中没有考虑烟气中CO2，所以得到的结果只是近似值。
3.过剩空气系数对导热油炉的影响
过剩空气系数对导热油炉的影响主要体现在三个方面，一是对热效率的影响，二是对炉管腐蚀的影响，三是对热油炉烟囱废气NOX排放量的影响。表1是丁烷厂导热油炉烟气检测分析数据
3.1 过剩空气系数对热油炉效率的影响
随着过剩空气系数α逐渐变大，热油炉的热效率先增大后减小，当过剩空气系数在1.3-1.4之间时，导热油炉的热效率是最高的。因为如果过剩空气系数过少，有可能导致燃料气燃烧不完全，有时候甚至可能导致排烟中含有一定量的可燃气体，结果是燃气没有充分利用，热效率低下；如果过剩空气系数过大，那排烟中的过剩空气就越多，大量的过剩空气会将热量带入大气中，使热损失加大，加热炉的效率下降。所以热效率随着过剩空气系数的递增呈现先增大后减小的趋势。
3.2 过剩空气系数对炉管腐蚀的影响
过剩空气系数对导热油炉炉管的腐蚀主要体现在两个方面：一是烟气中的氧气会氧化炉管金属，会在炉管表面生成一层氧化膜，由于受热膨胀，氧化膜容易脱落而形成新的氧化膜，最终会导致炉管越来越薄甚至穿孔。二是由于干气中含有一定的硫化物，燃烧后会生SO2，SO2进一步氧化会生成SO2，SO2遇水发生化学反应生成硫酸，而硫酸属于强腐蚀性酸，会腐蚀炉管等金属构件。过剩空气系数越大，烟气中SO2含量呈现上升趋势，说明过剩空气系数大利于生成SO2，同时过剩空气系数越大，代表者烟气中氧气含量越高，SO2和SO2都能加速炉管的腐蚀，所以过剩空气系数越大，会导致炉管腐蚀越严重。
3.3 过剩空气系数对烟囱排放量的影响
导热油炉烟囱排放的和NO2，另外还有氧化亚氮（N2O）等，NOX是光化学烟雾的主要污染物质，空气过剩系数是烟气中NOX含量的重要影响因素，当过剩空气系数在1.1-1.4区域内，烟气中NOX含量随着过剩空气系数增长变化较缓慢，当过剩空气系数大于1.4后烟气中NOX含量随着过剩空气系数增长急剧上升，可以看出1.4是一个转折点，当过剩空气系数大于1.4后将会导致污染物排放急剧增长，所以应尽量将过剩空气系数控制在1.4以下。
结论
综合研究过剩空气系数与导热油炉热效率、炉管腐蚀以及NOX排放的关系，我们可以得出以下结论
1.导热油炉的热效率刚开始随着过剩空气系数的增大而增大，当过剩空气系数达到某一个临界值后，热效率随着过剩空气系数的增大而减少，在过剩空气系数为1.38热效率达到一个最大值，在这个空气过剩系数下，能最大地节约燃料气，提高炉子运行的经济性。
2.在炉管腐蚀方面，随着过剩空气系数遞增，烟气中SO2含量升高，当过剩空气系数达到1.35后烟气中SO2含量趋于平稳，过剩空气系数从1.1到1.5烟气中SO2含量都在10ppm以下，所以过剩空气系数在1.1-1.4区间对炉管腐蚀影响不大。
3.过剩空气系数在1.4之前烟气中NOX含量较少，只有大于1.4时NOX排放量才大幅攀升，所以在选择过剩空气系数时，应尽量将数值控制在1.4以下，才能尽最大限度的降低NOX排放。
结合过剩空气系数与我厂导热油炉热效率，炉管腐蚀速率以及NOX排放三者之间关系，综合分析我们可以得出，过剩空气系数α选定在1.3-1.4左右时较为合适。此时炉管腐蚀较小，同时热效率较大，NOX排放量少，达到了经济效益与环境效益的统一。
参考文献
[1] 周玉明，奥斯瓦尔德燃烧三角形，天然气与石油.1991.3.
[2] 宗虎，锅炉测试，中国计量出版社（北京）.1996.
[3] 王文宇 供热能耗与供热锅炉空气过剩系数的关系，热能动力工程.1999.5.