摘要：针对红外辐射式燃烧器燃烧稳定性差的问题，结合试验，对产生回火、脱火和噪声问题的原因进行分析，通过燃烧器结构及腔体结构的合理设计，以及燃烧器表面材料的合理选取，达到稳定燃烧、不回火、不脱火、无高频噪声的效果。

关键词：  红外辐射式燃烧器；  全预混燃烧；  燃烧稳定性；  金属网；  噪声

Study on Combustion Stability and Noise of Infrared Radiation Burner

Abstract：In view of poor stability of infrared radiation burner，the causes for flash back：flame lifting and noise are analyzed experimentally．The stable combustion，no flash back，on flame lifting and no high-frequency noise can be achieved by rational design of burner structure and its head structure as

well as rational select ion of burner surface material．

Key words：  infrared radiation burner；  fully premixed combustion：  combustion stability；metal mesh：  noise

1 概述

红外辐射式燃烧器在燃烧效率与烟气指标方面较佳，它比较适用于蒸烤类灶具，如蒸箱、大锅灶和烤箱等。该燃烧器是一种低压引射式完全预混燃烧器，燃烧所需要的空气全部依靠低压燃气的能量吸入，并进行全部预混，过剩空气系数为1．03～1．06。基本不需要二次空气，燃气-空气混合物到达燃烧区后能瞬间完成燃烧，火焰很短甚至看不见。这种燃烧方式燃烧比较完全，能达到较高的燃烧温度，对流热损失小，而且燃烧产物中N0_x及C0浓度都很小。另一方面，由于这种燃烧方式的一次空气系数较大，空-燃比接近于理论值，造成这种燃烧方式的稳定性较差，燃烧温度较高时容易发生回火，以及燃烧器表面材料对燃烧稳定性产生影响。从我们掌握的商用红外辐射式燃烧器使用情况看，很多是由于陶瓷板烧裂、陶瓷板边缘与金属交接处密封不严等多种原因产生回火，影响其正常工作。目前红外辐射燃烧技术在中餐灶的应用主要是陶瓷板燃烧器，但陶瓷板材料抗高温、抗机械冲击能力差，使用不当易造成水流到炽热的燃烧器表面而产生炸裂，发生回火，使用寿命缩短。有的厂家为了防止回火，或为了满足用户对明火的需求而采用带小火苗的红外燃烧器，殊不知这样会导致烟气中的C0超标，未达到红外辐射式燃烧器应有的效果。因此，我们针对该燃烧器存在的问题，对燃烧器的结构进行研发，从工艺和材质上进行改进。采用铁络铝金属网面燃烧器，避免了这一缺陷，有一定的机械强度，使用寿命大大提高，而且特殊的结构设计又进一步提高了热效率。

2 陶瓷板红外辐射式燃烧器的特性

陶瓷板红外辐射式燃烧器的燃烧表面由若干块多火孔陶瓷板组成，适用于天然气的陶瓷板的火孔直径d_p=1．2～1．5 mm，适用于液化石油气的d_p=1．1～1．2 mm。为了防止回火，陶瓷板的热导率小于0．58 W／(m·K)。燃烧器工作时，燃气-空气混合物以很小的速度(0．10～0．14 m／s)从火孔逸出进行燃烧。点燃后约过40～50 S，板面温度即可达到800～900℃。这时板面呈红色，向外辐射红外线。辐射热效率随形状不同，可达到45％～60％。

陶瓷板具有热导率小、质地均匀、成本低等特点，陶瓷材料的低热导率有助于保持火焰的稳定，燃烧器火孔采用蜂窝状排列，能有效地避免离焰和回火，增大热负荷调节比。但是，当陶瓷板有裂缝时，很容易发生回火。当热负荷过大时，火孔热强度过大，温度过高，会使陶瓷板烧酥，缩短陶瓷板的使用寿命。

3 凹面组合金属网红外辐射式燃烧器

①结构

燃烧器表面由多个扇形金属网块组成一个坡向中心的碟状坡面，中心为一个圆形金属网块，燃烧器表面组合成凹面结构。这样增大了火孔总面积，同时也增加了与被加热锅的接触面积，有利于提高热效率。坡向中心的凹面结构使得火力集中，减少了辐射热损失，进一步提高热效率。该燃烧器适用于大锅灶。

燃烧器主要由引射器、火盖和腔体三部分组成。引射器包括喷嘴、喉管、扩散管。火盖由金属网块和支撑框架组成。腔体采用中心下凹状结构，扩散管设置在下凹腔体内。这既缩小了腔体的体积，又能容纳引射器扩散管且不影响扩散管的功能。凹面组合金属网红外辐射式燃烧器结构见图l。

②性能

燃烧器头部以双层金属网代替陶瓷板，双金属网作为稳焰载体，燃烧器工作时可燃气体混合物在内网与外网之间进行燃烧。当辐射表面温度达到850～900℃的高温时，便向外辐射红外线。辐射面热强度可达0．14～0．19 W／mm²，辐射效率为45％左右。金属网的细密性决定了燃烧器的回火倾向性极低。另外，铁络铝材质的金属网耐高温性能好，热惰性小，能被很快地加热和冷却。金属网比多孔陶瓷板结实，遇水不会产生炸裂，有一定的机械强度。

4 回火问题分析与改进措施

红外辐射式燃烧器属全预混燃烧器，燃烧完全，一次空气系数较大，燃烧稳定性就受到影响，容易产生回火现象，因此，如何控制回火是关键的问题。造成回火的原因有多种，火孔热强度过高容易产生回火。金属网变形后孔径变大，陶瓷板龟裂破损漏气而导致火孔热强度降低时，也易回火。陶瓷板红外辐射式燃烧器与金属网红外辐射式燃烧器的燃烧过程与回火原因有所不同。

①陶瓷板红外辐射式燃烧器回火分析

多孔陶瓷板燃烧状况见图2^[1-2]。陶瓷板红外辐射式燃烧器的辐射面是布满许多小孔道的陶瓷板，当燃气-空气混合气体通过小孔道着火后，燃烧所产生的热量主要加热烟气和陶瓷板，其中陶瓷板得到的热量大部分由A面向外辐射。当低温的燃气-空气混合气体从B面流进孔道以后，对孔道壁进行冲刷冷却，同时其本身沿孔道长度方向温度逐渐升高，当接近A面时，又得到来自火焰面的辐射热，使其立即达到着火温度而燃烧。随着陶瓷板外表面温度的升高，其沿A—B各点温度也相应升高，使小孔道内的未燃混合气体预热温度也相应升高，加剧了燃烧反应，提高了燃烧温度和火焰传播速度，火焰面从A面向板内移动，同时燃烧温度升高，增加了陶瓷板内各点温度，使其既向外增加辐射热，又提高了小孔道内未燃混合气体的预热温度。当燃烧反应热等于散热而达到热平衡后，燃气-空气混合气体的预热温度不再升高并有可能在离A面某一距离的C而就达到着火温度。气流速度和火焰传播速度达到一定的动平衡，火焰面就稳定在C而上。如果增加负荷即增加燃烧反应热，而陶瓷板的散热速度小于反应热的生成速度，则火焰面向B面移动，此时，靠近陶瓷板内表面B面处的燃气-空气混合气体预热温度升高很快，当达到着火温度时，火焰面就立即移至外壳内形成回火，称为热回火，即负荷过大使相应的火孔热强度大而产生热回火。

②金属网红外辐射式燃烧器的回火分析

金属网红外辐射式燃烧器的辐射而是由两层相隔一定距离的孔径不同的金属丝网构成的，外网孔径大，内网孔径小，材料采用铁络铝合金丝。当靠近外网的外表面遇到火源着火后，因外网的网孔面积大，火焰传播速度大于外网网孔内燃气-空气混合气体流速而使火焰立即缩入外网内。又因内网网孔面积小．火焰传播速度小于内网网孔内气流速度，使火焰被阻于内网外，这样，火焰面就被限制在内网与外网之间的空间内。在火焰面上，燃气-空气混合气体的气流速度与火焰传播速度处于动平衡状态。但是，如果因某种原因引起流过内网上某一点网孔内的燃气-空气混合气体速度小于火焰传播速度，两者就失去动平衡，火焰就缩入内网进入腔体而引起回火。如果流过内网网孔内的气流速度足够小(火孔热强度足够小)，导致火焰面就在内网上，此时由于内网的散热作用，火焰温度下降，使得本来极少的燃烧反应热不能将贴近火焰面的燃气-空气混合气体预热到着火温度而使燃烧中断，自动熄灭。

此外，可燃混合气体的反应热被外网、内网、烟气和火焰面上游侧的未燃混合气体吸收，而内网的辐射热又加热了流经内网的燃气-空气混合气体，使其预热温度升高。如果系统在单位时间内的燃烧反应热等于散热．则整个系统内无热量积聚，燃气-空气混合气体的预热温度就不再变化，气流速度和火焰传播速度之间保持了一定的动平衡状态，火焰面就稳定在内、外网间的某一位置上，燃烧处于热平衡状态；如果增加热负荷，使系统在单位时间内的燃烧反应生成热大于散热，则整个系统温度上升，进入新的热量平衡状态，燃气-空气混合气体的预热温度将升高，反应加剧，火焰传播速度的增加大于穿过内网孔气流速度的增加，动平衡的改变使火焰面向内网靠近，内网的温度升高。如果继续增加热负荷，火焰面将越来越贴近内网，内网的温度也越来越高，一直到靠近内网上游侧的燃气-空气混合气体达到着火温度时，在某一点就首先着火燃烧而形成回火^[1]。

因此，燃气红外辐射式燃烧器稳定燃烧时的火焰面是处在气流速度与火焰传播速度的动平衡和燃烧反应热与散热的热平衡状态。

实践证明，对于辐射面完好、选用合理、热强度小于回火极限的上述燃气红外辐射式燃烧器一般不会发生回火，但是超过回火极限时，则会发生回火^[1]。

③金属网变形等原因产生的回火及改进措施

火盖不严，漏火点过大，以及金属网变形后孔径变大，超过了同火极限孔径，由于火孔热强度相对于一般大气式燃烧器要低，如果火孔之外再有不严密的地方，就会造成出火面积过大，火孔热强度过低，造成回火。还有结构方面的原因，金属网红外辐射式燃烧器火焰在上下两层网之间燃烧，网间距为10～12 mm，由于火焰的温度较高，金属网表面的温度达到l 000℃左右，使得外网容易发生变形，变形严重时，上下网之间的间距缩小，局部有些地方距离过小甚至贴上，就会使火焰在内网上燃烧，从而发生回火现象。在两层网之间加设支架能减小变形，控制上下网之间的间距，达到避免回火的目的。金属网支架见图3。

5 脱火问题分析

当红外辐射式燃烧器的火孔出口流速过大时．火焰在燃烧器表面燃烧，不能将燃烧器表面材质烧红。造成这种现象的原因有两种，一种是一次空气流量过大，这是因为过量的一次空气带走了燃烧反应热，使燃烧器表面温度降低，从而破坏了焰面上燃烧的热平衡和速度的动平衡，使火焰面外移。另一种是燃气流量与空气流量都过大。因此，要在保证燃烧负荷的前提下，通过合理设计燃烧器和调节风门来控制空-燃比，才能控制燃烧不脱火。

6 吊火高度对烟气和热效率的影响

红外辐射式燃烧器非常适用于大锅灶，燃烧器安装于锅体的下方，炉膛底部。吊火高度是指锅底距燃烧器上表面中心的距离。红外辐射式燃烧器采用完全预混式燃烧，几乎不需要从周围获取二次空气。较小的吊火高度，对红外辐射式燃烧器与锅的换热是有利的。一方面产生的高温烟气与锅底充分接触．进行辐射和对流换热；另一方面根据辐射换热角系数的定义，赤热的板面离锅底越近，平均角系数越大，辐射换热量就越多，而从锅底与燃烧器上表面之间的空隙向周围环境的辐射热损失就越小^[3]。

吊火高度过低则排烟不畅，影响一次空气的引入而导致烟气中的C0含量偏高；吊火高度过高，烟气中的C0含量虽然低，但影响了热效率。因此，在保证烟气中C0含量达到相关标准的前提下，应尽可能降低吊火高度。经试验得出，吊火高度取30～40 mm比较合适。

大气式燃气灶的吊火高度是比较大的，因为较小的吊火高度会减少二次空气的供给量，同时，燃烧形成的本生火焰易与冷的锅底接触，这样都会产生不完全燃烧而导致烟气中的C0含量升高。较高的锅支架高度，会增加周围空气向火焰的扩散，降低火焰温度而减少了对锅的换热。这也正是红外辐射式燃烧器比大气式燃烧器热效率高且污染低的原因之一。

7 燃烧器结构对噪声及吊火高度的影响

在实际使用和实验中发现，当燃烧器的腔体过大时，大气式燃烧器会产生较大的关火噪声，红外辐射式燃烧器在燃烧时会产生高频噪声。

据分析，燃烧器腔体的微正压要保持在一定的范围，超出这个范围，燃烧器腔体压力过低，就会使得燃烧产生回火趋势而产生噪声。腔体过大就会产生这种效果。同时，燃烧器腔体过大，起到了放大噪声的作用，因此腔体的体积要适度。

燃烧器腔体结构的设计是燃烧器稳定燃烧的关键因素之一。由于引射器的扩散管在燃烧器的腔体内部．因此，为容纳扩散管，传统的红外辐射式燃烧器腔体高度相对较高，使得腔体的体积偏大，当完全预混燃烧时，就会产生高频噪声，腔体还会起到放大噪声的作用。因此，在保证正常燃烧的前提下，应尽可能降低腔体的高度。

采用下凹状结构燃烧器腔体后，腔体的体积变小，同时又能容纳引射器扩散管且不影响扩散管的功能，改变了噪声耦合频率，高频噪声消失。燃烧器腔体结构见图4。

燃烧器腔体结构改造前，燃烧器的腔体高度h=124 mm。为了消除高频噪声，只能靠增加吊火高度，吊火高度在150 mm时，噪声消失；吊火高度小于150 mm时就会出现高频噪声。这样的吊火高度大大影响了灶具热效率的提高。因此，靠提升吊火高度来消除噪声的方法不可取。

采用新型结构燃烧器腔体后，腔体的体积变小，同时改变了噪声耦合频率，高频噪声消失。但腔体内部高度要适宜，过小易造成燃气、空气混合不均，燃烧不完全而使C0含量升高。燃烧器腔体结构改造后试验数据见表l。

由表l的试验数据可以看出，腔体高度h=90mm时，在吊火高度比较低的情况下燃烧状况、热效率和烟气中的C0含量等综合状况相对较好。因此，该燃烧器腔体高度比较合适。燃烧器腔体高度确定后，将金属网红外辐射式燃烧器安装在锅直径为800 mm的大锅灶上进行试验，腔体高度为90mm时调整吊火高度的试验数据见表2。

由试验得出，所测试的燃烧器安装在锅直径为1 000 mm的大锅灶上时负荷偏小，在国家标准的测试工况条件下，水的升温速度偏低。从表2数据看出，安装在锅直径为800 mm的大锅灶上，虽然热效率略有下降，但升温速度提高了，满足了国家标准，同时烟气中的C0与N0_x含量比较低。对于锅直径为800 mm的大锅灶，国家标准规定的测试工况条件下的升温速度是3．0℃／min，C0体积分数小于0．1％，热效率大于45％。从表2可以看出，热效率为53．7％，高于国家标准规定值，烟气中的C0体积分数为0．026 4％，远低于国家标准规定值。

8 结论

红外辐射式燃烧器由于其稳定性较差，受结构、材料、设计、加工工艺以及使用环境的影响比较大。当结构设计不合理时会产生噪声等问题。工艺设计不合理，会产生气密性差的问题，从而产生回火。使用不当(如淋水)，陶瓷板会发生炸裂而影响其正常燃烧。因此，经过创新研发、合理设计燃烧器腔体结构，采用金属网材料的红外辐射式燃烧器，避免了上述问题的发生，充分发挥了红外辐射式燃烧器的良好特性，具有燃烧完全、N0_x、CO污染物排放量少、热效率高等特点。

参考文献：

[1] 施惠邦，庄永茂，徐吉浣．城市煤气红外辐射器回火性的研究[J]．城市公用事业，l990(2)：25-28．

[2] 张永康，张永刚，徐吉浣，等．多孔陶瓷板燃气红外灶回火的研究[J]．煤气与热力，1999，19(1)：40-42．

[3] 李艳红，徐吉浣，简瑞民，等．引射式大负荷陶瓷红外辐射燃烧器的研究[J]．煤气与热力，1997，17(3)：34-38

本文作者：高春梅   察瑞东   张晶

作者单位：北京市公用事业科学研究所