浓淡燃烧噪音及振动原因分析及解决方案研究

袁金魁 罗伟平

（广东万和热能科技有限公司 佛山 528325）

引言

近年来的监测数据表明，典型特征污染物PM2.5在部分区域出现严重超标情况，改善空气质量是重大挑战。NOX是PM2.5 的重要前体物，美国加州利用CAMQ 模型模拟削减一次排放的NOX对PM2.5 的影响，结果是每减少1 t NOX排放可减少约0.13 t PM2.5。因此，降低NOX排放是改善空气环质量的重要任务之一。因此，欧盟先后颁布No.813/2013 号2009/125/EC， REGULATION（EU）2016/426 等指令要求，强制要求NOX排放要满足＜56 mg/kW·h。我国国务院2018 年印发的《大气污染防治行动计划》中明确提出，推行低氮产品工程建设。我国各城市也相继推出氮氧化物排放等级，因此研究低氮燃烧技术任重道远。

1 浓淡燃烧技术原理

燃气热水器及采暖热水炉产生的NOX主要由是热力型NOX和快速型NOX组成，其中热力型NOX约占90 %。因此，如果要降低NOX排放量，重点要放在降低热力型NOX。降低热力型NOX必须从两方面考虑：一是降低燃烧温度，尤其是峰值温度；其二是合理组织气流，使燃烧腔内的温度场尽量均匀。当前行业上的低氮燃烧技术有火焰冷却体内插技术、分级燃烧技术、稀燃技术、降火孔热强度技术等。浓淡燃烧作为稀燃技术一种，因其产品制造成本低，产品结构上与普通燃烧切换方便，更受行业青睐，但浓淡燃烧实则是偏离化学当量的燃烧方式，其火焰稳定性能余量较小。因此燃烧振荡是浓淡燃烧技术需要攻克的难题，为此本文就燃烧噪音及振荡原因作了分析。

2 噪音及振动产生的原理

瑞利提出：当热释放率波动与燃烧室声压波动相位一致时，就会产生不稳定性，结果是声压波动增大了，继而质量流率波动会成比例地增大，最终又会返过来增大热释放的波动，形成一个循环系统。因此，解决热释放率波动是解决振动问题的关键环节。影响热释放率波动主要因素有：火焰表面积的脉动和空燃当量比的脉动。本文主要从火焰表面积的脉动和空燃当量比的脉动这两个解决浓淡燃烧振动问题的方向展开分析研究。

3 燃烧噪音与振动引起的原因现象分析

3.1 火焰面的脉动

火焰面的脉动主要表现有三种，分别是火孔燃烧强度不均引起火焰周期性脉动；燃烧热负荷过大引起火焰峰面紊动；燃气浓度分布不均引起火焰周期脉动。

3.1.1 火孔燃烧强度不均引起火焰周期性脉动

火孔燃烧强度不均引起火焰周期性脉动有两种，分别是燃气射流速度场不均引起火焰周期性脉动；燃气和空气在射流截面上的浓度分布不均引起火焰锋面混乱曲折。

燃气射流速度场不均主要体现在两种情况，分别是燃烧器单片通道流场速度分布不均；分气杆流道阻力大或内容积不足导致分气杆两端压损大，两端喷嘴出口流速小，中间流速大。

在燃烧器单片1 内缓缓通入的甲烷，由图1 可见，A 区左侧流量小，火焰较矮，在回火界限上，B、C 区流速较高，火焰长，整体火焰上下扰动，火焰稳定性较差。在燃烧器单片2 通入同样流量的甲烷，由图2可见，三区流速均匀，火焰面平整，火焰面近于静止状态。

图1 流速不均燃烧器单片1

图2 整流后燃烧器单片2

如图3 所示，分气杆A 是250*25*10 方管，为了验证压力分布状况，图3 一次空气系数a ∝0。进气管到分气杆处流道没有圆角导流，分气杆横截面积小，流道阻力大，两端压损大。从火焰长度可以看出：分气杆A 两端喷嘴出口燃气流速和中间区域流速相差较大。

图3 一次空气系数（a ∝0)

为了验证分气杆压损对火焰稳定性的影响，逐渐加入一次空气，整体空气系数a ≈1.1。因为燃烧器所在的给气排烟方式为强制式，所以燃气射流流速的自然引射力对一次空气的引射能力影响不大，暂时忽略一次布风的影响，所以进入燃烧器的一次空气量视为一样多。因分气杆A 两端喷嘴燃气流速低，燃气流量小，中间阻力小，流速高，通过中间燃烧气单片的燃气量大，通过烟气测量计算得出燃烧器单片两侧的空气系数约为浓a ≈0.5，淡a ≈1.8，中间的空气系数约为浓a ≈0.3，淡a ≈1.1。中间段因为淡火接近化学当量，火焰较短，出现回火现象。燃烧器单片两侧燃烧状态较好，火焰稳定。逐渐提高风机转速，增加一次空气系数。当中间的空气系数为浓a ≈0.4，淡a=1.5，两侧空气系数为浓a=0.6，淡a=2.2，两侧出现严重离焰，火焰脉动和噪音明显。

如图4 所示，加大分气杆内容积，采用圆角导流，减少流体阻力，有助于改善火焰平整性，拉大火焰稳定性的一次空气系数范围。

图4 分气杆B 一次空气系数（整体均值浓a ≈0.45／淡a ≈1.8)

3.1.2 燃烧热负荷过大引起火焰峰面紊动

图5 是燃烧器单片通入CH4当燃气压力＜3 000 Pa时火焰平衡，当燃气压力逐渐增大时，火焰中心的气流速度也渐渐加大，火焰的长度不断增加，气体流动状态由层流转为紊流，火焰顶尖区域开始出现跳动。若燃气压力再增大到5 000 Pa 时，扩散过程变为紊流扩散，燃烧过程得到强化。随着气流扰动的不断增加，燃烧时间不断缩短。当化学反应速度远小于混合速度时（τbh ＜τch)，火焰稳定性更为失衡，如图6 所示。

图5 燃气压力＜3 000 Pa时火焰

图6 燃气压力≥5 000 Pa时火焰

在设计热负荷为30 kW 的机器，逐渐加大燃气流量和等比例提高风机速度。当热负荷达到了33 kW 时，机器开始出现低频轰鸣声；当达到了35 kW 时，机器出现严重共振，振动现象不可自愈，降低燃气流量，共振消除。

综上所述，燃烧热负荷过大会激励燃烧振动的产生。浓淡燃烧归属大气式燃烧，因此对热负荷的设计额定火孔热强度应为（3 ～8）W/mm2。

3.1.3 燃气浓度分布不均引起火焰周期脉动

如图7 所示，燃气从引射口进入燃烧器引射管基本没有和空气发生混合，直接以层流的方式进入到燃烧器内。前部为空气层，后部为燃气气流柱，中间为扩散过渡层，CH4浓度后部远大于前部。若以中间为正常燃烧基准，则前部离焰严重，火焰无法维持，后部容易黄焰。没有燃烧的燃气聚集火焰上部，导致焰尾过长，引起火焰周期性脉动。如图8 所示，在混合管内加上扰流，混合能力加强，燃气浓度分布均匀，火焰平整性加强。

图7 燃气与空气没有扰流混合的燃烧

图8 燃气与空气有扰流混合的燃烧

3.2 空燃当量比的脉动

3.2.1 风机脉动引起燃烧脉动

风机叶轮动平衡失衡，导致空气系数周期性变化，引起空气动力学噪音及燃烧脉动。 风机装配精度不高、机组运转时不平衡所产生的冲击噪音和摩擦噪音。

3.2.2 输入功率或空燃比不稳定引起燃烧脉动

比例阀稳压性能、供电电压输入不稳定、风机转速变化均会导致输入功率不稳定，空燃比波动一定会引起热释放波动。燃气与空气供给形成周期性脉动，这种情况为形成的不稳定热声周期性脉动提供了能量。燃气、空气流量和压力三者之间形成脉动，脉动频率与风机叶轮转速成一定比例，脉动随着燃气和空气沿进气管道向燃烧室内传递，导致燃烧工况失稳。另外，如果燃烧室内本身存在脉动，声波由燃烧室内向燃气与空气入口传播，对燃气与空气入口处流动形成影响，致使燃气和空气比例出现脉动，最终两者的叠加作用下，将导致热释放脉动骤然增强，致使整个燃烧系统产生热声振荡。

4 结论

燃烧噪音与振动关键因素是热释放率波动。热释放率波动主要原因在于火焰峰面周期性脉动和空燃当量比的脉动。

1）火焰峰面周期性脉动的根本原因主要是火孔流束分面不均，燃气浓度分布不均，设计热负荷过大。所以在燃烧器结构上加强流速和浓度的均匀分布，让热负荷在个合理值范围，可以有效减少热声振荡的产生。

2）空燃当量比的脉动主要原因是风机动平衡引起脉动。燃气比例阀稳压性能不良，电压波动，导致供气供风周期变化，引起脉动。所以控制平衡的燃料和空气比例供给，能有效减少空燃当量比脉动。