Le pourcentage d'air en excès est calculé par rapport au besoin théorique net en oxygène pour une combustion complète, même lorsque le processus réel produit du monoxyde de carbone ou du combustible imbrûlé. Calculez d'abord l'oxygène nécessaire pour oxyder tout le carbone du combustible en CO₂, l'hydrogène en H₂O et le soufre en SO₂. Soustrayez ensuite l'oxygène déjà chimiquement lié dans le combustible, comparez le besoin net résultant avec l'oxygène fourni par l'air, et exprimez la différence en pourcentage du besoin net.

Point clé : La combustion incomplète modifie la composition réelle des gaz de combustion, mais elle ne change pas la base de combustion théorique utilisée pour définir l'air en excès. Pour un combustible contenant de l'oxygène lié, soustrayez l'oxygène du combustible de la demande en oxygène pour une combustion complète avant de calculer l'air en excès.

Établir le besoin théorique en oxygène

Utiliser la combustion complète comme base de calcul

Le besoin théorique en oxygène suppose une oxydation complète du combustible :

Le carbone devient du CO₂.
L'hydrogène devient de l'H₂O.
Le soufre devient du SO₂.

Cette base reste fixe même si l'unité pilote produit réellement du CO, de la suie ou des hydrocarbures imbrûlés.

Calculer l'oxygène à partir de la composition du combustible

Pour un combustible contenant du carbone, de l'hydrogène, du soufre et de l'oxygène, le besoin stoechiométrique en oxygène peut être écrit sur une base massique comme suit :

[ m_{O_2,\ théorique}

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

où (m_C), (m_H) et (m_S) sont les masses de carbone, d'hydrogène et de soufre dans le combustible.

Les coefficients proviennent des réactions de combustion complète :

[ C + O_2 \rightarrow CO_2 ]

[ 2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O ]

[ S + O_2 \rightarrow SO_2 ]

Prendre en compte l'oxygène déjà présent dans le combustible

Si le combustible contient des composés oxygénés, une partie de l'oxygène requis est fournie en interne par le combustible plutôt que par l'air.

L'oxygène net requis provenant de l'air est donc :

[ m_{O_2,\ net}

m_{O_2,\ théorique}

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

ou, plus simplement lorsque (m_{O,\ combustible}) est exprimé comme la masse d'oxygène élémentaire :

[ m_{O_2,\ net}

m_{O_2,\ théorique}

m_{O,\ combustible} ]

La deuxième forme est valide car la masse des atomes d'oxygène est conservée, que cet oxygène entre sous forme d'oxygène lié au combustible ou d'oxygène moléculaire provenant de l'air.

Pour un combustible avec des fractions massiques (C), (H), (S) et (O), la forme courante d'analyse élémentaire est :

[ m_{O_2,\ net}

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

m_O ]

Le résultat doit être basé sur une unité cohérente, telle que des kilogrammes de combustible ou des kilomoles de combustible.

Calculer le pourcentage d'air en excès

Calculer l'oxygène fourni par l'air

Si l'alimentation en air est connue, calculez l'oxygène entrant avec l'air :

[ m_{O_2,\ entrant}

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

où (y_{O_2,\ air}) est la fraction massique d'oxygène dans l'air.

Pour l'air sec, la teneur en oxygène est généralement représentée comme étant d'environ 21 % mol d'oxygène. Lors de l'utilisation d'unités de masse, la fraction massique d'oxygène correspondante est d'environ 0,233. La base de l'air doit rester cohérente avec le calcul de l'oxygène théorique.

Appliquer l'équation de l'air en excès

Le pourcentage d'air en excès est :

[ %,\text{air en excès}

\frac{ m_{O_2,\ entrant}

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

Comme l'air et l'oxygène sont proportionnels pour une composition d'air fixe, le même résultat peut être exprimé en utilisant les quantités d'air :

[ %,\text{air en excès}

\frac{ m_{\text{air, réel}}

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

L'air théorique est l'air requis pour fournir (m_{O_2,\ net}).

Interpréter correctement le résultat

Une valeur de zéro représente l'air théorique : exactement assez d'air pour une combustion complète sur la base stoechiométrique définie.

Une valeur positive indique un excès d'air. Une valeur négative indique un déficit d'air, ce qui est généralement associé à la présence de CO, de suie ou de combustible imbrûlé.

Pourquoi la combustion incomplète ne redéfinit pas l'air en excès

Le CO est un produit réel, pas une nouvelle base théorique

Lorsque le carbone forme du CO au lieu du CO₂, l'oxygène réellement consommé est inférieur à l'oxygène requis pour une combustion complète.

Cependant, le pourcentage d'air en excès vise à mesurer la quantité d'air fournie par rapport à la quantité nécessaire pour une oxydation complète. Recalculer le besoin théorique en utilisant le CO réellement formé sous-estimerait le déficit ou l'excès d'air par rapport à l'objectif de combustion souhaité.

Le combustible imbrûlé doit être traité comme un résultat de bilan réel

Les hydrocarbures résiduels, la suie ou le carbone imbrûlé affectent les bilans réels de matière et d'énergie.

Ils doivent être inclus lors du rapprochement des flux d'entrée et de sortie mesurés, mais ils ne remplacent pas le besoin stoechiométrique de combustion complète utilisé dans la définition de l'air en excès.

Séparer l'air en excès de l'efficacité de combustion

L'air en excès décrit l'alimentation en air par rapport à la demande stoechiométrique.

L'efficacité de la combustion dépend également du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés, de la suie, de la conversion du combustible, des pertes de chaleur et d'autres conditions opératoires. Une unité peut recevoir de l'air en excès et présenter tout de même une combustion incomplète en raison d'un mauvais mélange, d'un temps de séjour inadéquat, d'une basse température ou de limitations du brûleur.

Utiliser l'analyse des gaz de combustion dans une unité pilote

Mesurer l'oxygène dans les gaz de combustion secs

Les analyseurs de gaz de combustion secs mesurent généralement l'O₂, le CO₂, le CO, et parfois le SO₂ et les hydrocarbures.

La concentration d'oxygène mesurée peut être utilisée pour estimer l'air en excès lorsque la composition du combustible et les produits de combustion sont connus, mais le calcul doit tenir compte de la dilution, de l'élimination de l'humidité, des fuites et de la base choisie (sèche ou humide).

Utiliser les bilans de matière pour valider le résultat

Un calcul fiable en unité pilote compare :

La composition du combustible et le débit d'alimentation en air.
L'oxygène théorique requis pour une combustion complète.
La composition mesurée des gaz de combustion.
Le carbone imbrûlé, le combustible imbrûlé et les autres flux de sortie.

Cette comparaison identifie les erreurs d'analyseur, les fuites d'air, les corrections d'humidité incorrectes et les bases de débit incohérentes.

Ne pas confondre l'oxygène résiduel avec l'air en excès

L'O₂ résiduel dans la cheminée indique généralement que l'oxygène est entré en excès par rapport à la quantité consommée.

Il n'est pas automatiquement égal au pourcentage d'air en excès car les gaz de combustion contiennent également de l'azote, du CO₂, de la vapeur d'eau, du CO et potentiellement du combustible imbrûlé. Le résultat en oxygène doit être interprété à travers le bilan de combustion global.

Comprendre les compromis

Trop peu d'air

Un déficit d'air peut produire du CO, de la suie, des hydrocarbures imbrûlés et une libération de chaleur réduite.

Cela crée également des problèmes de sécurité et environnementaux, car le CO est toxique et le combustible imbrûlé peut s'accumuler dans les équipements en aval ou les systèmes d'échappement.

Trop d'air

Un air excessif augmente la quantité d'azote et d'oxygène inutilisé chauffés par le processus de combustion.

Ce gaz supplémentaire emporte de la chaleur sensible hors de l'unité, réduisant l'efficacité thermique et potentiellement la température de flamme. L'air en excès peut également influencer la formation de NOₓ, le point de fonctionnement optimal n'est donc pas nécessairement le débit d'air le plus élevé possible.

Bases de calcul incohérentes

Une erreur courante consiste à comparer l'oxygène théorique basé sur la masse avec le débit d'air molaire, ou à comparer l'analyse des gaz de combustion humides avec des calculs sur base sèche.

Utilisez une base cohérente tout au long du calcul et indiquez clairement si les débits et les compositions sont mesurés sur une base humide ou sèche.

Fuites d'air et limitations des analyseurs

L'air parasite entrant par des fuites peut augmenter l'oxygène mesuré dans la cheminée sans faire partie de l'alimentation en air de combustion prévue.

De plus, un mélange incomplet, la condensation dans les lignes d'échantillonnage, les erreurs d'étalonnage de l'analyseur et un fonctionnement instable de l'unité pilote peuvent rendre les estimations basées sur les gaz de combustion différentes des calculs basés sur l'alimentation.

Faire le bon choix pour votre objectif

Utilisez l'approche suivante en fonction de l'objectif du calcul de l'unité pilote :

Si votre objectif principal est la conception stoechiométrique : Calculez la demande en oxygène pour une combustion complète, soustrayez l'oxygène lié dans le combustible, convertissez le besoin net en air théorique et comparez-le avec l'alimentation en air réelle.
Si votre objectif principal est de diagnostiquer une combustion incomplète : Conservez la base théorique de combustion complète, puis quantifiez séparément le CO, le combustible imbrûlé, la suie et le carbone résiduel en utilisant les compositions de sortie mesurées.
Si votre objectif principal est de valider les données de l'unité pilote : Comparez le résultat de l'air en excès basé sur l'alimentation avec un bilan de matière des gaz de combustion secs et enquêtez sur les écarts via les fuites d'air, l'humidité et les vérifications des analyseurs.
Si votre objectif principal est l'efficacité thermique : Évitez de traiter l'air en excès comme un objectif de fonctionnement en soi ; identifiez le débit d'air le plus bas qui permet d'atteindre une complétude de combustion et des performances d'émissions acceptables.

Un calcul d'air en excès défendable utilise toujours l'oxygène net requis pour une combustion complète, indépendamment des produits incomplets observés pendant l'essai réel.

Tableau récapitulatif :

Élément de calcul	Principe clé	Note pratique
Oxygène théorique	Oxydation du carbone en CO₂, de l'hydrogène en H₂O et du soufre en SO₂	Utiliser la combustion complète comme base de référence
Oxygène lié au combustible	Soustrayez l'oxygène déjà présent dans le combustible	Appliquez une base massique ou molaire cohérente
Demande nette en oxygène	Oxygène théorique moins oxygène lié au combustible	C'est l'oxygène requis provenant de l'air
Air en excès	`(Air réel - Air théorique) / Air théorique × 100`	Les valeurs positives indiquent un excès d'air ; les valeurs négatives indiquent un déficit
Combustion incomplète	Traitez le CO, la suie et le combustible imbrûlé comme des résultats de sortie réels	Ne redéfinissez pas le besoin théorique en oxygène
Validation des gaz de combustion	Comparez les données d'O₂, CO₂, CO, humidité et débit secs	Vérifiez les fuites d'air, les erreurs d'échantillonnage et les incohérences de base

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