濃淡燃燒噪音及振動原因分析及解決方案研究

袁金魁 羅偉平

（廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528325）

引言

近年來的監測數據表明，典型特征污染物PM2.5在部分區域出現嚴重超標情況，改善空氣質量是重大挑戰。NOX是PM2.5 的重要前體物，美國加州利用CAMQ 模型模擬削減一次排放的NOX對PM2.5 的影響，結果是每減少1 t NOX排放可減少約0.13 t PM2.5。因此，降低NOX排放是改善空氣環質量的重要任務之一。因此，歐盟先后頒布No.813/2013 號2009/125/EC， REGULATION（EU）2016/426 等指令要求，強制要求NOX排放要滿足＜56 mg/kW·h。我國國務院2018 年印發的《大氣污染防治行動計劃》中明確提出，推行低氮產品工程建設。我國各城市也相繼推出氮氧化物排放等級，因此研究低氮燃燒技術任重道遠。

1 濃淡燃燒技術原理

燃氣熱水器及采暖熱水爐產生的NOX主要由是熱力型NOX和快速型NOX組成，其中熱力型NOX約占90 %。因此，如果要降低NOX排放量，重點要放在降低熱力型NOX。降低熱力型NOX必須從兩方面考慮：一是降低燃燒溫度，尤其是峰值溫度；其二是合理組織氣流，使燃燒腔內的溫度場盡量均勻。當前行業上的低氮燃燒技術有火焰冷卻體內插技術、分級燃燒技術、稀燃技術、降火孔熱強度技術等。濃淡燃燒作為稀燃技術一種，因其產品制造成本低，產品結構上與普通燃燒切換方便，更受行業青睞，但濃淡燃燒實則是偏離化學當量的燃燒方式，其火焰穩定性能余量較小。因此燃燒振蕩是濃淡燃燒技術需要攻克的難題，為此本文就燃燒噪音及振蕩原因作了分析。

2 噪音及振動產生的原理

瑞利提出：當熱釋放率波動與燃燒室聲壓波動相位一致時，就會產生不穩定性，結果是聲壓波動增大了，繼而質量流率波動會成比例地增大，最終又會返過來增大熱釋放的波動，形成一個循環系統。因此，解決熱釋放率波動是解決振動問題的關鍵環節。影響熱釋放率波動主要因素有：火焰表面積的脈動和空燃當量比的脈動。本文主要從火焰表面積的脈動和空燃當量比的脈動這兩個解決濃淡燃燒振動問題的方向展開分析研究。

3 燃燒噪音與振動引起的原因現象分析

3.1 火焰面的脈動

火焰面的脈動主要表現有三種，分別是火孔燃燒強度不均引起火焰周期性脈動；燃燒熱負荷過大引起火焰峰面紊動；燃氣濃度分布不均引起火焰周期脈動。

3.1.1 火孔燃燒強度不均引起火焰周期性脈動

火孔燃燒強度不均引起火焰周期性脈動有兩種，分別是燃氣射流速度場不均引起火焰周期性脈動；燃氣和空氣在射流截面上的濃度分布不均引起火焰鋒面混亂曲折。

燃氣射流速度場不均主要體現在兩種情況，分別是燃燒器單片通道流場速度分布不均；分氣桿流道阻力大或內容積不足導致分氣桿兩端壓損大，兩端噴嘴出口流速小，中間流速大。

在燃燒器單片1 內緩緩通入的甲烷，由圖1 可見，A 區左側流量小，火焰較矮，在回火界限上，B、C 區流速較高，火焰長，整體火焰上下擾動，火焰穩定性較差。在燃燒器單片2 通入同樣流量的甲烷，由圖2可見，三區流速均勻，火焰面平整，火焰面近于靜止狀態。

圖1 流速不均燃燒器單片1

圖2 整流后燃燒器單片2

如圖3 所示，分氣桿A 是250*25*10 方管，為了驗證壓力分布狀況，圖3 一次空氣系數a ∝0。進氣管到分氣桿處流道沒有圓角導流，分氣桿橫截面積小，流道阻力大，兩端壓損大。從火焰長度可以看出：分氣桿A 兩端噴嘴出口燃氣流速和中間區域流速相差較大。

圖3 一次空氣系數（a ∝0)

為了驗證分氣桿壓損對火焰穩定性的影響，逐漸加入一次空氣，整體空氣系數a ≈1.1。因為燃燒器所在的給氣排煙方式為強制式，所以燃氣射流流速的自然引射力對一次空氣的引射能力影響不大，暫時忽略一次布風的影響，所以進入燃燒器的一次空氣量視為一樣多。因分氣桿A 兩端噴嘴燃氣流速低，燃氣流量小，中間阻力小，流速高，通過中間燃燒氣單片的燃氣量大，通過煙氣測量計算得出燃燒器單片兩側的空氣系數約為濃a ≈0.5，淡a ≈1.8，中間的空氣系數約為濃a ≈0.3，淡a ≈1.1。中間段因為淡火接近化學當量，火焰較短，出現回火現象。燃燒器單片兩側燃燒狀態較好，火焰穩定。逐漸提高風機轉速，增加一次空氣系數。當中間的空氣系數為濃a ≈0.4，淡a=1.5，兩側空氣系數為濃a=0.6，淡a=2.2，兩側出現嚴重離焰，火焰脈動和噪音明顯。

如圖4 所示，加大分氣桿內容積，采用圓角導流，減少流體阻力，有助于改善火焰平整性，拉大火焰穩定性的一次空氣系數范圍。

圖4 分氣桿B 一次空氣系數（整體均值濃a ≈0.45／淡a ≈1.8)

3.1.2 燃燒熱負荷過大引起火焰峰面紊動

圖5 是燃燒器單片通入CH4當燃氣壓力＜3 000 Pa時火焰平衡，當燃氣壓力逐漸增大時，火焰中心的氣流速度也漸漸加大，火焰的長度不斷增加，氣體流動狀態由層流轉為紊流，火焰頂尖區域開始出現跳動。若燃氣壓力再增大到5 000 Pa 時，擴散過程變為紊流擴散，燃燒過程得到強化。隨著氣流擾動的不斷增加，燃燒時間不斷縮短。當化學反應速度遠小于混合速度時（τbh ＜τch)，火焰穩定性更為失衡，如圖6 所示。

圖5 燃氣壓力＜3 000 Pa時火焰

圖6 燃氣壓力≥5 000 Pa時火焰

在設計熱負荷為30 kW 的機器，逐漸加大燃氣流量和等比例提高風機速度。當熱負荷達到了33 kW 時，機器開始出現低頻轟鳴聲；當達到了35 kW 時，機器出現嚴重共振，振動現象不可自愈，降低燃氣流量，共振消除。

綜上所述，燃燒熱負荷過大會激勵燃燒振動的產生。濃淡燃燒歸屬大氣式燃燒，因此對熱負荷的設計額定火孔熱強度應為（3 ～8）W/mm2。

3.1.3 燃氣濃度分布不均引起火焰周期脈動

如圖7 所示，燃氣從引射口進入燃燒器引射管基本沒有和空氣發生混合，直接以層流的方式進入到燃燒器內。前部為空氣層，后部為燃氣氣流柱，中間為擴散過渡層，CH4濃度后部遠大于前部。若以中間為正常燃燒基準，則前部離焰嚴重，火焰無法維持，后部容易黃焰。沒有燃燒的燃氣聚集火焰上部，導致焰尾過長，引起火焰周期性脈動。如圖8 所示，在混合管內加上擾流，混合能力加強，燃氣濃度分布均勻，火焰平整性加強。

圖7 燃氣與空氣沒有擾流混合的燃燒

圖8 燃氣與空氣有擾流混合的燃燒

3.2 空燃當量比的脈動

3.2.1 風機脈動引起燃燒脈動

風機葉輪動平衡失衡，導致空氣系數周期性變化，引起空氣動力學噪音及燃燒脈動。 風機裝配精度不高、機組運轉時不平衡所產生的沖擊噪音和摩擦噪音。

3.2.2 輸入功率或空燃比不穩定引起燃燒脈動

比例閥穩壓性能、供電電壓輸入不穩定、風機轉速變化均會導致輸入功率不穩定，空燃比波動一定會引起熱釋放波動。燃氣與空氣供給形成周期性脈動，這種情況為形成的不穩定熱聲周期性脈動提供了能量。燃氣、空氣流量和壓力三者之間形成脈動，脈動頻率與風機葉輪轉速成一定比例，脈動隨著燃氣和空氣沿進氣管道向燃燒室內傳遞，導致燃燒工況失穩。另外，如果燃燒室內本身存在脈動，聲波由燃燒室內向燃氣與空氣入口傳播，對燃氣與空氣入口處流動形成影響，致使燃氣和空氣比例出現脈動，最終兩者的疊加作用下，將導致熱釋放脈動驟然增強，致使整個燃燒系統產生熱聲振蕩。

4 結論

燃燒噪音與振動關鍵因素是熱釋放率波動。熱釋放率波動主要原因在于火焰峰面周期性脈動和空燃當量比的脈動。

1）火焰峰面周期性脈動的根本原因主要是火孔流束分面不均，燃氣濃度分布不均，設計熱負荷過大。所以在燃燒器結構上加強流速和濃度的均勻分布，讓熱負荷在個合理值范圍，可以有效減少熱聲振蕩的產生。

2）空燃當量比的脈動主要原因是風機動平衡引起脈動。燃氣比例閥穩壓性能不良，電壓波動，導致供氣供風周期變化，引起脈動。所以控制平衡的燃料和空氣比例供給，能有效減少空燃當量比脈動。