濃淡燃燒噪音及振動(dòng)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(jiān)測數(shù)據(jù)表明，典型特征污染物PM2.5在部分區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重超標(biāo)情況，改善空氣質(zhì)量是重大挑戰(zhàn)。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(jié)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(huán)質(zhì)量的重要任務(wù)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(qiáng)制要求NOX排放要滿足＜56 mg/kW·h。我國國務(wù)院2018 年印發(fā)的《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》中明確提出，推行低氮產(chǎn)品工程建設(shè)。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(shù)任重道遠(yuǎn)。

1 濃淡燃燒技術(shù)原理

燃?xì)鉄崴骷安膳療崴疇t產(chǎn)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(diǎn)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(nèi)的溫度場盡量均勻。當(dāng)前行業(yè)上的低氮燃燒技術(shù)有火焰冷卻體內(nèi)插技術(shù)、分級燃燒技術(shù)、稀燃技術(shù)、降火孔熱強(qiáng)度技術(shù)等。濃淡燃燒作為稀燃技術(shù)一種，因其產(chǎn)品制造成本低，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上與普通燃燒切換方便，更受行業(yè)青睞，但濃淡燃燒實(shí)則是偏離化學(xué)當(dāng)量的燃燒方式，其火焰穩(wěn)定性能余量較小。因此燃燒振蕩是濃淡燃燒技術(shù)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(dòng)產(chǎn)生的原理

瑞利提出：當(dāng)熱釋放率波動(dòng)與燃燒室聲壓波動(dòng)相位一致時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定性，結(jié)果是聲壓波動(dòng)增大了，繼而質(zhì)量流率波動(dòng)會(huì)成比例地增大，最終又會(huì)返過來增大熱釋放的波動(dòng)，形成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)。因此，解決熱釋放率波動(dòng)是解決振動(dòng)問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。影響熱釋放率波動(dòng)主要因素有：火焰表面積的脈動(dòng)和空燃當(dāng)量比的脈動(dòng)。本文主要從火焰表面積的脈動(dòng)和空燃當(dāng)量比的脈動(dòng)這兩個(gè)解決濃淡燃燒振動(dòng)問題的方向展開分析研究。

3 燃燒噪音與振動(dòng)引起的原因現(xiàn)象分析

3.1 火焰面的脈動(dòng)

火焰面的脈動(dòng)主要表現(xiàn)有三種，分別是火孔燃燒強(qiáng)度不均引起火焰周期性脈動(dòng)；燃燒熱負(fù)荷過大引起火焰峰面紊動(dòng)；燃?xì)鉂舛确植疾痪鸹鹧嬷芷诿}動(dòng)。

3.1.1 火孔燃燒強(qiáng)度不均引起火焰周期性脈動(dòng)

火孔燃燒強(qiáng)度不均引起火焰周期性脈動(dòng)有兩種，分別是燃?xì)馍淞魉俣葓霾痪鸹鹧嬷芷谛悦}動(dòng)；燃?xì)夂涂諝庠谏淞鹘孛嫔系臐舛确植疾痪鸹鹧驿h面混亂曲折。

燃?xì)馍淞魉俣葓霾痪饕w現(xiàn)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(nèi)容積不足導(dǎo)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(nèi)緩緩?fù)ㄈ氲募淄?，由圖1 可見，A 區(qū)左側(cè)流量小，火焰較矮，在回火界限上，B、C 區(qū)流速較高，火焰長，整體火焰上下擾動(dòng)，火焰穩(wěn)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(qū)流速均勻，火焰面平整，火焰面近于靜止?fàn)顟B(tài)。

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(yàn)證壓力分布狀況，圖3 一次空氣系數(shù)a ∝0。進(jìn)氣管到分氣桿處流道沒有圓角導(dǎo)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?xì)饬魉俸椭虚g區(qū)域流速相差較大。

圖3 一次空氣系數(shù)（a ∝0)

為了驗(yàn)證分氣桿壓損對火焰穩(wěn)定性的影響，逐漸加入一次空氣，整體空氣系數(shù)a ≈1.1。因?yàn)槿紵魉诘慕o氣排煙方式為強(qiáng)制式，所以燃?xì)馍淞髁魉俚淖匀灰淞σ淮慰諝獾囊淠芰τ绊懖淮?，暫時(shí)忽略一次布風(fēng)的影響，所以進(jìn)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?xì)饬魉俚?，燃?xì)饬髁啃?，中間阻力小，流速高，通過中間燃燒氣單片的燃?xì)饬看?，通過煙氣測量計(jì)算得出燃燒器單片兩側(cè)的空氣系數(shù)約為濃a ≈0.5，淡a ≈1.8，中間的空氣系數(shù)約為濃a ≈0.3，淡a ≈1.1。中間段因?yàn)榈鸾咏瘜W(xué)當(dāng)量，火焰較短，出現(xiàn)回火現(xiàn)象。燃燒器單片兩側(cè)燃燒狀態(tài)較好，火焰穩(wěn)定。逐漸提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，增加一次空氣系數(shù)。當(dāng)中間的空氣系數(shù)為濃a ≈0.4，淡a=1.5，兩側(cè)空氣系數(shù)為濃a=0.6，淡a=2.2，兩側(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重離焰，火焰脈動(dòng)和噪音明顯。

如圖4 所示，加大分氣桿內(nèi)容積，采用圓角導(dǎo)流，減少流體阻力，有助于改善火焰平整性，拉大火焰穩(wěn)定性的一次空氣系數(shù)范圍。

圖4 分氣桿B 一次空氣系數(shù)（整體均值濃a ≈0.45／淡a ≈1.8)

3.1.2 燃燒熱負(fù)荷過大引起火焰峰面紊動(dòng)

圖5 是燃燒器單片通入CH4當(dāng)燃?xì)鈮毫Γ? 000 Pa時(shí)火焰平衡，當(dāng)燃?xì)鈮毫χ饾u增大時(shí)，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(dòng)狀態(tài)由層流轉(zhuǎn)為紊流，火焰頂尖區(qū)域開始出現(xiàn)跳動(dòng)。若燃?xì)鈮毫υ僭龃蟮? 000 Pa 時(shí)，擴(kuò)散過程變?yōu)槲闪鲾U(kuò)散，燃燒過程得到強(qiáng)化。隨著氣流擾動(dòng)的不斷增加，燃燒時(shí)間不斷縮短。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)速度遠(yuǎn)小于混合速度時(shí)（τbh ＜τch)，火焰穩(wěn)定性更為失衡，如圖6 所示。

圖5 燃?xì)鈮毫Γ? 000 Pa時(shí)火焰

圖6 燃?xì)鈮毫Α? 000 Pa時(shí)火焰

在設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為30 kW 的機(jī)器，逐漸加大燃?xì)饬髁亢偷缺壤岣唢L(fēng)機(jī)速度。當(dāng)熱負(fù)荷達(dá)到了33 kW 時(shí)，機(jī)器開始出現(xiàn)低頻轟鳴聲；當(dāng)達(dá)到了35 kW 時(shí)，機(jī)器出現(xiàn)嚴(yán)重共振，振動(dòng)現(xiàn)象不可自愈，降低燃?xì)饬髁浚舱裣?/p>

綜上所述，燃燒熱負(fù)荷過大會(huì)激勵(lì)燃燒振動(dòng)的產(chǎn)生。濃淡燃燒歸屬大氣式燃燒，因此對熱負(fù)荷的設(shè)計(jì)額定火孔熱強(qiáng)度應(yīng)為（3 ～8）W/mm2。

3.1.3 燃?xì)鉂舛确植疾痪鸹鹧嬷芷诿}動(dòng)

如圖7 所示，燃?xì)鈴囊淇谶M(jìn)入燃燒器引射管基本沒有和空氣發(fā)生混合，直接以層流的方式進(jìn)入到燃燒器內(nèi)。前部為空氣層，后部為燃?xì)鈿饬髦?，中間為擴(kuò)散過渡層，CH4濃度后部遠(yuǎn)大于前部。若以中間為正常燃燒基準(zhǔn)，則前部離焰嚴(yán)重，火焰無法維持，后部容易黃焰。沒有燃燒的燃?xì)饩奂鹧嫔喜浚瑢?dǎo)致焰尾過長，引起火焰周期性脈動(dòng)。如圖8 所示，在混合管內(nèi)加上擾流，混合能力加強(qiáng)，燃?xì)鉂舛确植季鶆?，火焰平整性加?qiáng)。

圖7 燃?xì)馀c空氣沒有擾流混合的燃燒

圖8 燃?xì)馀c空氣有擾流混合的燃燒

3.2 空燃當(dāng)量比的脈動(dòng)

3.2.1 風(fēng)機(jī)脈動(dòng)引起燃燒脈動(dòng)

風(fēng)機(jī)葉輪動(dòng)平衡失衡，導(dǎo)致空氣系數(shù)周期性變化，引起空氣動(dòng)力學(xué)噪音及燃燒脈動(dòng)。 風(fēng)機(jī)裝配精度不高、機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不平衡所產(chǎn)生的沖擊噪音和摩擦噪音。

3.2.2 輸入功率或空燃比不穩(wěn)定引起燃燒脈動(dòng)

比例閥穩(wěn)壓性能、供電電壓輸入不穩(wěn)定、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化均會(huì)導(dǎo)致輸入功率不穩(wěn)定，空燃比波動(dòng)一定會(huì)引起熱釋放波動(dòng)。燃?xì)馀c空氣供給形成周期性脈動(dòng)，這種情況為形成的不穩(wěn)定熱聲周期性脈動(dòng)提供了能量。燃?xì)狻⒖諝饬髁亢蛪毫θ咧g形成脈動(dòng)，脈動(dòng)頻率與風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速成一定比例，脈動(dòng)隨著燃?xì)夂涂諝庋剡M(jìn)氣管道向燃燒室內(nèi)傳遞，導(dǎo)致燃燒工況失穩(wěn)。另外，如果燃燒室內(nèi)本身存在脈動(dòng)，聲波由燃燒室內(nèi)向燃?xì)馀c空氣入口傳播，對燃?xì)馀c空氣入口處流動(dòng)形成影響，致使燃?xì)夂涂諝獗壤霈F(xiàn)脈動(dòng)，最終兩者的疊加作用下，將導(dǎo)致熱釋放脈動(dòng)驟然增強(qiáng)，致使整個(gè)燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生熱聲振蕩。

4 結(jié)論

燃燒噪音與振動(dòng)關(guān)鍵因素是熱釋放率波動(dòng)。熱釋放率波動(dòng)主要原因在于火焰峰面周期性脈動(dòng)和空燃當(dāng)量比的脈動(dòng)。

1）火焰峰面周期性脈動(dòng)的根本原因主要是火孔流束分面不均，燃?xì)鉂舛确植疾痪?，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷過大。所以在燃燒器結(jié)構(gòu)上加強(qiáng)流速和濃度的均勻分布，讓熱負(fù)荷在個(gè)合理值范圍，可以有效減少熱聲振蕩的產(chǎn)生。

2）空燃當(dāng)量比的脈動(dòng)主要原因是風(fēng)機(jī)動(dòng)平衡引起脈動(dòng)。燃?xì)獗壤y穩(wěn)壓性能不良，電壓波動(dòng)，導(dǎo)致供氣供風(fēng)周期變化，引起脈動(dòng)。所以控制平衡的燃料和空氣比例供給，能有效減少空燃當(dāng)量比脈動(dòng)。