2024年4月15日发(作者：隆冰巧)
余热锅炉 ２０１ １．２
高效节能低污染脉动燃烧技术
介绍及其应用
杭州锅炉集团股份有限公司吴敏
摘要 综述了一种高效节能、低污染的新型燃烧技术——脉动燃烧技术，详
细介绍了其工作原理、特点、燃烧器结构类型及其应用，最后对脉动燃烧技术的前
景和存在的问题进行了分析，对脉动燃烧技术进一步研究和开发的重点提出了建
议：加强对其燃烧机理的研究，掌握其声学特性，发展脉动燃烧器关键部件的研
究，增强其与现有燃烧技术的结合。
关键词
０引言
脉动燃烧过程不同于常规的稳定燃烧
过程，它是指在一定的声学条件下，燃烧区
内表征燃烧过程的状态参数，如温度、压力、
气流速度及热释放率等稳态变量都随时间
脉动燃烧技术高效节能
１脉动燃烧器的工作原理
脉动燃烧器可以利用气体、液体和固体
作为燃料Ⅲ。燃气和空气可以通过各种型式
的阀门进入燃烧室：液体或固体燃烧可直
接喷入燃烧室，也可随空气进入燃烧室。脉
发生周期性波动的一种特殊的不稳定燃烧
过程。
动燃烧器的工作循环一般由四个基本过程
组成，在此以Ｈｅｌｉｍｈｏｌｔｚ型脉动燃烧器为例，
如图１所示： 脉动燃烧过程中包含两个基本激励过
程：燃烧在某种条件下激发燃烧器中的声
学脉动；反过来，声脉动又改变了燃烧的特
性。脉动燃烧即是在特定条件下，两个激励
过程正向的相互反馈所形成的。正是脉动燃
第一阶段：点火燃烧。进入燃烧室的可
燃物点火后，燃烧室内的温度和压力开始升
高，燃烧区膨胀，燃烧产物向两端排出，工作
点由Ａ到达Ｂ：第二阶段：气体膨胀。该过
烧这种特殊的相互反馈，很大程度上强化了
燃烧器及尾管中颗粒与颗粒之间、颗粒与气
流之问的传热、传质及动量传递过程，使得
脉动燃烧器具有常规稳态燃烧器无法比拟
的优点。利用燃烧不稳定性，在一定的声学
程中气体膨胀向外流出，燃烧室压力由点Ｂ
开始下降，由于气流的惯性，使得燃烧室压
力降到大气压以下（点Ｃ），燃烧室内形成负
压；第三阶段：吸入可燃物。在燃烧室负压
作用下，燃料和空气由进气阀自动吸入，与
条件控制下，专门工作在声脉动状态下的燃
烧器，称之为脉动燃烧器，由此所形成了一
此同时，尾管中的燃烧产物也返回燃烧室，
使燃烧室内的压力由点Ｃ升到Ｄ：第四阶
门特殊的燃烧技术，叫做脉动燃烧技术。
段：压缩重新点火。回流气体的惯性使燃烧
余热锅炉 ２０Ｉ １．２ ２５
室内的气体压缩，压力由点Ｄ升到Ａ，空气
开始下一循环：燃烧过程自动重复，不再需
和燃料急速混合，被回流的高温气流点燃，
要外加点火。
一
１） ２）
（ｔ＞－ｒ＿作过程 ． （ ）热稽球过程
图１ Ｈｅ１ ｉｍｈｏ１ ｔｚ型脉动燃烧器工作循环示意图
２脉动燃烧的特点
表１脉动燃烧与稳态燃烧各指标比较
过程参数 稳定燃烧 脉动燃烧
燃烧强度（ＫＷ／ｍ３） １０Ｏ～１０００ １００００～５０ＯＯＯ
燃烧效率（％） ８０～９６ ９０～９９
排放浓度ＣＯ（％） ０～２ ０～１
排放浓度ＮＯｘ（ｍｇ／ｍ３） １００～７０００ ２０～７０
对流传热系数（Ｗ／（ｍ２．Ｋ）） ５Ｏ～ｌ００ １００～５Ｏ０
．
过量空气系数 １．０１～１．２Ｏ １．０Ｏ～１．Ｏ５
反应时间（ｓ） 】～ｌＯ Ｏ．０】～Ｏ．Ｏ５
燃烧区产生的噪音（Ｄｂ） ８５～ｌＯ０ １】０～ｌ３Ｏ
２６
．
余热锅炉２０１ １．２
优点：
（２）振动问题
（１）燃烧强度高、燃烧效率高
由于气流的脉动强化了燃烧器中气流
与颗粒之间的混合，同时气流的扰动除去了
煤在燃烧中产生并包覆在煤颗粒表面的燃
由于脉动燃烧器内的压力脉动会诱发
燃烧装置组件的振动，对系统构件的强度、
工作可靠性造成一定的影响。目前这一振动
步研究。
对系统组件的影响尚未完全了解，仍需进一
烧产物，增加氧原子扩散到固体表面上的速
率，加快了化学反应速度，燃烧充分，使得脉
３脉动燃烧器的分类
动燃烧器具有很高的燃烧强度【２】。
（２）具有极高的传热效率
脉动燃烧室中的声共振引起了较大的
流体振动，附加在这些振动上的是湍流速度
振动，湍流的作用增强了传热。同时由于气
流的脉动削弱了管壁边界层的阻力作用，使
热量传递加快【３】。
（３）降低污染物的排放量（特别是ＮＯｘ）
充分的燃烧使得排气中的Ｃ、Ｈ、ＣＯ
及ＨＣ的含量都降低，且由于脉动燃烧的温
度一般较低，使得热力型的Ｎ０ｘ的排放更
低，与常规锅炉５８～１３８ｍＬ／Ｌ的ＮＯｘ
排放量相比，脉动燃烧器的排放量可减小到
３４～３６ｍＬ／Ｌ，有利于环境保护。
（４）具有自吸功能
脉动燃烧器的工作原理决定了在其工
作过程中在燃烧器内会形成一段暂时的部
分真空状态，因此它可以自行吸入所需的空
气及燃料，减少为其提供燃烧所需的空气鼓
风机压头，或不需要鼓风机。
（５）结构紧凑、节省投资
脉动燃烧器的结构简单、体积小、几乎没
有活动件，因此生产投资及制造成本低廉。
缺点：
（１）噪声问题
在燃烧器中有一定的声能从尾管出口
辐射出来，通过空气和燃料各自的入口也会
向外辐射声能，对周围环境带来噪声污染。
近年来的最新设计已成功地把噪声水平降
到４５ｄＢ以下。
根据脉动燃烧器内声场发生方式的不
同，脉动燃烧技术可分为自激励式脉动燃烧
和强迫脉动式脉动燃烧两种。
１、自激励脉动式：利用热声转换将部
分热能自发地转化成声能，产生自激励持
续稳定的脉动，由于没有机械运动部件，组
件使用寿命相对较长，缺点是噪声较大【４】。
Ｒａｙｌｅｉｇｈ准则［５】是最早描述周期性放热过
程与脉动压力的准则关系，数学表达式为：
ｌ Ｐ ・ｑ ｄＶ＞０ （１．１）
Ｖ
其中，Ｐ’和ｇ分别代表压力波动和单位
体积的放热量波动，为流动区域。瑞利准则
是描述自激励振荡火焰的重要判据，物理意
义上可概括为，当燃烧过程中的压力脉动与
放热量波动之间满足一定关系时，系统持续
热声振荡状态 Ⅱ 。
自激励脉动燃烧器有四种基本类型：
（１）Ｓｃｈｍｉｄｔ型：又称为１／４波长型，是
一
端开口一端闭口的直管结构。它是基于声
学上的１／４波长谐振管的原理，依靠白激励
振荡产生并维持气流脉动，这种自激励是热
声转换克服摩擦造成的声能内部损失和辐
射造成的声能损失，放大微弱扰动的实现。
（２）Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ型：Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ型与
Ｓｃｈｍｉｄｔ型主要区别在于它有一个大的共振
腔，但两者的工作原理基本是一样的。当采
用进气阀门时，这两类型的燃烧器可以把尾
管做得很长，因此换热非常充分。
余热锅炉 ２０１ １．２ ２７
空
气
薹 一
‘ａ）Ｓｅｂｍｉａｔ型
气
ｆｌｔ￣，Ｄ
苎｛
ｌ鼍气ａ
（ｃ） 虹受
鍪毒 ＼燃烧童 窬 —。
图２各种类型脉动燃烧器结构示意图
（３）Ｒｉｊｋｅ型：这是一个两端开口的直立
长管。当热源在进口端Ｌ／４处时，或冷源在出
口端Ｌ／４处时，便可产生热与声耦合的脉动。
特征，主要关注热声耦合起振机理及相应的
声场和燃烧特征；强迫脉动燃烧则侧重描
述燃烧对声场的响应行为。一方面强迫脉动
它的特点在于不仅可以燃用气、液燃料，而
且还可以方便地使用固体燃料 ｊ。
（４）Ｍａｒｃｏｎｎｅｔ型：这种类型的燃烧器最
可以将自激励脉动过程中两个复杂过程解
耦，将声脉动下燃烧及化学反应的特征进行
较好的表达：另一方面自激励脉动燃烧获
得的现象为研究强迫脉动燃烧的研究提供
了重要思路 。
４脉动燃烧技术应用
大的特点在于它的进气口是一个“气动阀”。
当燃气从燃烧室向外流动时，阻力较火，而
当气体向燃烧室内流动时，阻力则较小。这
样，这种“阀门”就起到了一定的白吸作用。
２、强迫脉动式：按结构可分为两种形
脉动燃烧技术早期应用在喷气推进系
统和燃气涡轮领域。２０世纪８０年代，各种
式，一种是通过一定的机械部件，向燃烧室
周期供气或供燃料，从而产生脉动燃烧；另
外一种仍然是借助于声场作用，通过扬声器
等声发生装置产生声波，用于激励燃料、空
气或火焰，形成各种形式的强迫脉动燃烧过
类型的脉动加热器 断涌现。美国是最早将
脉动燃烧应用于锅炉采暖。日本的东芝公司
在２Ｏ世纪８０年代推出…款脉动燃烧热水
器。２０世纪９０年代，美国一些州比如威斯
程，在声场激励下，速度脉动能使火焰表面
积发生波动，形成燃烧放热量的波动。强迫
脉动燃烧器由于阀门使用频繁，寿命较短，
可靠性比较差。
康星州积极推广一种由富尔顿公司生产的
型号为ＨＶＡＤ２的脉动燃烧锅炉用于热水
供应系统，以实现联邦政府每年总能源消耗
缩减的目标。该种脉动燃烧热水锅炉可以降
低能耗近５０％。因而脉动燃烧在锅炉上的应
用引起了人们极大的兴趣。到目前为止，已有
在脉动燃烧的研究中，自激励脉动燃烧
表征了燃烧与声振荡两个过程相互激励的
余热锅炉 ２０１ １．２
一
些采暖和烧热水的高效脉动燃烧器出现在
可用于粮食、沙石、木材、药物、褐煤、废料等
美国、加拿大等国的市场上。近年，国外公司
又将其应用于干燥领域，包括粮食的干燥。综
上，美、日以及欧洲的一些发达国家对脉动燃
烧的机理和应用技术进行了深入而广泛的研
物品的干燥【９】。美国矿产局研制出７．３ＫＷ的
褐煤干燥设备：南非的Ｍｕｌｌｅｒ设计出脉动
燃烧玉米干燥设备；美国爱德华州的Ｓｏｎｉｃ
公司成功地将脉动燃烧器用于酒曲的快
究。不少研究成果已经商品化并取得专利，被
广泛应用于人民生活及工业领域。
（１）产生推动力：利用脉动燃烧器产生
速干燥，产量和质量都有所提高。Ｍｏｒｉａｈ．
Ｉｓｒａｅｌ研制的脉动燃烧－Ｔ燥设备用于干燥水
果，比常规干燥设备提高产量３．５倍。ｌ９８９
的高速热气流推动飞行器，如早期的Ｖ．１导
弹；有人曾试验将脉动燃烧器装在直升机
桨片的两端，推动桨片转动。利用脉动燃烧
器推动涡轮机，这一直是一个比较活跃的应
用领域，研究方向是设法提高脉动燃烧器内
的工作压力和推动效率。此外，还有研究者
将脉动燃烧所产生的高速热气流用来清除
表面积垢等。
（２）锅炉与采暖：出于节能、环保和
小巧灵便的考虑，脉动燃烧技术被用于锅
炉和采暖领域。在西方国家，这方面的研究
主要集中在小型热水器上。如美国Ｌｅｎｎｏｘ
公司生产的系列脉动燃烧热水器，其功率
为１２～３８ＫＷ；日本东芝公司生产的系
列脉动燃烧热水器的功率为６～ｌ８ＫＷ；
美国Ｈｙｄｏｔｈｅｒｍ公司推出的“Ｈｙｄｒｏｐｕｌｓｅ”
牌热水器使用气、液燃料，对于额定功率
为２３ＫＷ的家用热水器，其外形尺寸为
０．８５ｍｍ×０．５ｍｍ Ｘ ０．３５ｍｍ，质量６０ｋｇ，由
于采取了隔音措施，ｌｍ以外的噪声小于
５０ｄＢ，排气污染很小（州∞】 ，ｏｏｘｌ０ （ⅣＤ）＜如ｘｌ０ ），燃
烧效率可达９２％～９９％，比普通热水器节
省燃料１０％～３０％，且使用操作方便。美
国Ｆｏｒｂｅｓ公司于８０年代推出了１４６．５ＫＷ
的中小型蒸汽锅炉，蒸发量为２００磁．ｈ～，总
热效率提高到８６％，整个装置的体积只有
Ｏ．９１４ｍＸ １．２７０ｍ×１．１８０ｍ，可用于旅店、饭
店、洗衣房等。脉动燃烧器还可用于车辆、住
宅和工业建筑采暖等。
（３）物料干燥和食品烘烤：脉动燃烧器
年美国的Ｆｏｏｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ报道了美国燃气
公司开发的用于干燥浆状和液状物料的脉
动燃烧干燥机，由于脉动燃烧产生的高温、
高速尾气及声波能的作用，使得物料被打散
雾化，从而提高了传热传质速率，可在０．０１ｓ
内将物料干燥，而且物料温度不超过６０℃，
特别适合于干燥热敏性物料。此外，还有用
脉动燃烧器制成食品烤箱等。
（４）其他应用：脉动燃烧应用的范围很
广，有关的技术专利层出不穷。例如：利用
脉动燃烧产生的高温脉冲射流打井、打洞；
制成冰雪融化器、辐射管加热器、化学反应
器、土壤杀菌器、军用烟雾发生器、杀虫烟雾
发生器、机械设备加热装置和化丁石油Ｔ艺
设备等Ｄｏｌｔ“】。
国内，由于对脉动燃烧的研究起步较
晚，目前还基本停留在理论和实验阶段，成
熟的工业应用很少。现如今，我国各油田共
应用脉动燃烧加热设备５０００余台，多为幽
外进口，而且功率 高。大庆石化总，’瞄准
这一广阔的市场，组成专门的科研小组进行
攻关，于２００７年３月研发、制造出国内首台
大功率脉动燃烧锅炉，填补国内空白¨ 。
５脉动燃烧技术研究的前景与问题
国内外的应用实践证明，脉动燃烧技术
是一种高效节能、降低污染的燃烧技术０ ３］。
它是缓解目前我国能源问题和环境问题的
有效途径之一。能源利用效率的问题在电力
行业尤为突出，而且普通燃煤设备又会造成
余热锅炉 ２Ｏ１ １．２ ２９
环境污染Ｄ４］。在这种条件下，脉动燃烧技术
应该目益得到重视。但由于我国在脉动燃烧
研究及应用现状【Ｊ］．现代化农业，２００９（７）：３８—＿加．
（３）程显辰．脉动燃烧［Ｍ］．北京：中国铁道出
版社，１９９４．
（４）ＨＡＮＴＳＣＨＫ Ｃ．Ｃ，ＶＯＲＴＭＥＹＥＲ Ｄ．
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｅｌｆ－ｅｘｃｉｔｅｄ Ｔｈｅｒｍｏａｃｏｕｓｔｉｃ
方面的研究起步较晚，人们对其燃烧机理还
缺乏足够的认识，大量的研究工作主要采用
的是试差法，而不是基于对燃烧机理与系统
的充分理解而进行深入研究。因此，脉动燃
烧技术仍有许多问题需要解决，并应着重在
以下方面展开研究：
Ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｉｅｓ Ｉｎ ａ Ｒｉｊｋｅ Ｔｕｂｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｎｄ ａｎｄ
Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，１９９９・２７７（３）：５ｌ１－５２２．
（５）Ｒａｙｌｅｉｇｈ ＪＷＳＬ．Ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｅｒｔａｉｎ
（１）深入对脉动燃烧机理的研究：结
合流体力学、化学反应动力学及燃烧理论，
ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｈｅｎｏｍｅｎａｌ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ，１ ８７８，１８：３１９—３２１．
（６）Ｎ．Ｎｏｉｒａｙ，Ｄ．Ｄｕｒｏｘ， Ｓｃｈｕｌｌｅｒ，ｅｔ ａ１．Ｓｅｌｆ－
ｉｎｄｕｃｅｄ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｌａｍｉｎａｒ ｐｒｅｍｉｘｅｄ
建立脉动燃烧的精确数学模型。
（２）掌握脉动燃烧的声学特性：对热．
声的耦合机理做深入的研究，以期减少噪声
污染，并能有效利用声波能。
（３）加强脉动燃烧器关键部件的研发：
ｌｆａｍｅｓ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｏｎ ａｎｎｕｌａｒ ｂｕｒｎｅｒｓ［Ｊ】＿Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ
ａｎｄ Ｆｌａｍｅ，２００３，１３５：５２５－５３７
［７）Ｆｒａｎｔｉｓｅｋ Ｌ．Ｅｉｓｉｎｇｅｒ，Ｒｏｂｅｒｔ Ｅ．Ｓｕｌｌｉｖａｎ．
Ａｖｏｉｄｉｎｇ Ｔｈｅｒｍｏａｃｏｕｓｔｉｃ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｎ Ｂｕｒｎｅｄ Ｆｕｒｎａｃｅ
解决机械脉动燃烧器寿命太短的问题。将脉
动燃烧技术与现有的燃烧技术结合，将会有
更广阔的应用前景。
６总结
Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
２００２，１２４：４１８・４２４
（８］ＲＡＵＮ Ｒ Ｌ，ＢＥＣＫＳＴＥＡＤ Ｍ Ｗ．Ａ
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｇｒａｄｉｅｎｔ ａｎｄ
Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ Ｒｉｊｋｅ Ｂｕｒｎｅｒ ０ｓｃｉｌｌａｔｉ０ｎｓ［Ｊ］．
Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ａｎｄ Ｆｌａｎｉｅ，１９９３，９４：１．５．
与常规燃烧技术相比，脉动燃烧技术有
其独特的、无可比拟的优越性，即高效节能、
降低排放污染。在当今能源紧张，环境形势严
峻的背景下，更应该加强对脉动燃烧技术的
（９）李保国，刘相东，曹崇文．脉动燃烧干燥及
传热特性研究【Ｊ】．农业工 学报，２０００，１６（６）：１１．
［１０）刘云芳，程乐呜，郑海啸，等．燃用固体燃料
的脉动燃烧技术【Ｊ】．动力工程，２００５，２５（５）：７０７．
研究与开发。在 内脉动燃烧技术研究基础
薄弱的条件下，我们应加强对其燃烧机理的
研究，掌握其声学特性，促进脉动燃烧器关键
部件的研发，加强其与现有燃烧技术的结合。
（１１】钟英杰，张雪梅，徐璋，等．Ｒｉｊｋｅ．ＺＴ型脉
动锅炉燃烧系统分析［Ｊ］．热力发电，２００６（１２）：１０．
（１２）符立萍，袁定伟．大功率脉动燃烧锅炉填
补国内空白［Ｎ】．中国石油报，２００７—勺３—２９．１９９ｌ
参考文献：
（１］李保国，曹崇文，刘相东，等．脉动燃烧技术
及其应用［Ｊ］．｝Ｉ１＿国农业大学学报．１９９８
（１３）拉乌申巴赫．振荡燃烧［Ｅ１．张斌全译．北
京：科学出版社，ｌ９６５．
（１４）曹传钧，许登峰，朱一Ｋ海，等．脉动燃烧技术
（２ｊ邵东伟，王俊发，刘远军，等．脉动燃烧技术的
的回顾与展望［Ｊ］．航空动力学报，１９９１（６）：７３＿７８．
（上接第５页）
京：机械上业出版社．２００５，９３．１４３．
［３］李志翔，李晓平，赵永强．火力发电』一新材
料Ｔ９ｌ／Ｐ９１刚性能综述［Ｊ］．云南电力技术．２００４，
（１）：ｌ５．１７．
（４】陈祝年．焊接工程师手册［Ｍ】．北京：机械
工业出版社．２００２，ｌ１９５．１２１３．
2024年4月15日发(作者：隆冰巧)
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高效节能低污染脉动燃烧技术
介绍及其应用
杭州锅炉集团股份有限公司吴敏
摘要 综述了一种高效节能、低污染的新型燃烧技术——脉动燃烧技术，详
细介绍了其工作原理、特点、燃烧器结构类型及其应用，最后对脉动燃烧技术的前
景和存在的问题进行了分析，对脉动燃烧技术进一步研究和开发的重点提出了建
议：加强对其燃烧机理的研究，掌握其声学特性，发展脉动燃烧器关键部件的研
究，增强其与现有燃烧技术的结合。
关键词
０引言
脉动燃烧过程不同于常规的稳定燃烧
过程，它是指在一定的声学条件下，燃烧区
内表征燃烧过程的状态参数，如温度、压力、
气流速度及热释放率等稳态变量都随时间
脉动燃烧技术高效节能
１脉动燃烧器的工作原理
脉动燃烧器可以利用气体、液体和固体
作为燃料Ⅲ。燃气和空气可以通过各种型式
的阀门进入燃烧室：液体或固体燃烧可直
接喷入燃烧室，也可随空气进入燃烧室。脉
发生周期性波动的一种特殊的不稳定燃烧
过程。
动燃烧器的工作循环一般由四个基本过程
组成，在此以Ｈｅｌｉｍｈｏｌｔｚ型脉动燃烧器为例，
如图１所示： 脉动燃烧过程中包含两个基本激励过
程：燃烧在某种条件下激发燃烧器中的声
学脉动；反过来，声脉动又改变了燃烧的特
性。脉动燃烧即是在特定条件下，两个激励
过程正向的相互反馈所形成的。正是脉动燃
第一阶段：点火燃烧。进入燃烧室的可
燃物点火后，燃烧室内的温度和压力开始升
高，燃烧区膨胀，燃烧产物向两端排出，工作
点由Ａ到达Ｂ：第二阶段：气体膨胀。该过
烧这种特殊的相互反馈，很大程度上强化了
燃烧器及尾管中颗粒与颗粒之间、颗粒与气
流之问的传热、传质及动量传递过程，使得
脉动燃烧器具有常规稳态燃烧器无法比拟
的优点。利用燃烧不稳定性，在一定的声学
程中气体膨胀向外流出，燃烧室压力由点Ｂ
开始下降，由于气流的惯性，使得燃烧室压
力降到大气压以下（点Ｃ），燃烧室内形成负
压；第三阶段：吸入可燃物。在燃烧室负压
作用下，燃料和空气由进气阀自动吸入，与
条件控制下，专门工作在声脉动状态下的燃
烧器，称之为脉动燃烧器，由此所形成了一
此同时，尾管中的燃烧产物也返回燃烧室，
使燃烧室内的压力由点Ｃ升到Ｄ：第四阶
门特殊的燃烧技术，叫做脉动燃烧技术。
段：压缩重新点火。回流气体的惯性使燃烧
余热锅炉 ２０Ｉ １．２ ２５
室内的气体压缩，压力由点Ｄ升到Ａ，空气
开始下一循环：燃烧过程自动重复，不再需
和燃料急速混合，被回流的高温气流点燃，
要外加点火。
一
１） ２）
（ｔ＞－ｒ＿作过程 ． （ ）热稽球过程
图１ Ｈｅ１ ｉｍｈｏ１ ｔｚ型脉动燃烧器工作循环示意图
２脉动燃烧的特点
表１脉动燃烧与稳态燃烧各指标比较
过程参数 稳定燃烧 脉动燃烧
燃烧强度（ＫＷ／ｍ３） １０Ｏ～１０００ １００００～５０ＯＯＯ
燃烧效率（％） ８０～９６ ９０～９９
排放浓度ＣＯ（％） ０～２ ０～１
排放浓度ＮＯｘ（ｍｇ／ｍ３） １００～７０００ ２０～７０
对流传热系数（Ｗ／（ｍ２．Ｋ）） ５Ｏ～ｌ００ １００～５Ｏ０
．
过量空气系数 １．０１～１．２Ｏ １．０Ｏ～１．Ｏ５
反应时间（ｓ） 】～ｌＯ Ｏ．０】～Ｏ．Ｏ５
燃烧区产生的噪音（Ｄｂ） ８５～ｌＯ０ １】０～ｌ３Ｏ
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余热锅炉２０１ １．２
优点：
（２）振动问题
（１）燃烧强度高、燃烧效率高
由于气流的脉动强化了燃烧器中气流
与颗粒之间的混合，同时气流的扰动除去了
煤在燃烧中产生并包覆在煤颗粒表面的燃
由于脉动燃烧器内的压力脉动会诱发
燃烧装置组件的振动，对系统构件的强度、
工作可靠性造成一定的影响。目前这一振动
步研究。
对系统组件的影响尚未完全了解，仍需进一
烧产物，增加氧原子扩散到固体表面上的速
率，加快了化学反应速度，燃烧充分，使得脉
３脉动燃烧器的分类
动燃烧器具有很高的燃烧强度【２】。
（２）具有极高的传热效率
脉动燃烧室中的声共振引起了较大的
流体振动，附加在这些振动上的是湍流速度
振动，湍流的作用增强了传热。同时由于气
流的脉动削弱了管壁边界层的阻力作用，使
热量传递加快【３】。
（３）降低污染物的排放量（特别是ＮＯｘ）
充分的燃烧使得排气中的Ｃ、Ｈ、ＣＯ
及ＨＣ的含量都降低，且由于脉动燃烧的温
度一般较低，使得热力型的Ｎ０ｘ的排放更
低，与常规锅炉５８～１３８ｍＬ／Ｌ的ＮＯｘ
排放量相比，脉动燃烧器的排放量可减小到
３４～３６ｍＬ／Ｌ，有利于环境保护。
（４）具有自吸功能
脉动燃烧器的工作原理决定了在其工
作过程中在燃烧器内会形成一段暂时的部
分真空状态，因此它可以自行吸入所需的空
气及燃料，减少为其提供燃烧所需的空气鼓
风机压头，或不需要鼓风机。
（５）结构紧凑、节省投资
脉动燃烧器的结构简单、体积小、几乎没
有活动件，因此生产投资及制造成本低廉。
缺点：
（１）噪声问题
在燃烧器中有一定的声能从尾管出口
辐射出来，通过空气和燃料各自的入口也会
向外辐射声能，对周围环境带来噪声污染。
近年来的最新设计已成功地把噪声水平降
到４５ｄＢ以下。
根据脉动燃烧器内声场发生方式的不
同，脉动燃烧技术可分为自激励式脉动燃烧
和强迫脉动式脉动燃烧两种。
１、自激励脉动式：利用热声转换将部
分热能自发地转化成声能，产生自激励持
续稳定的脉动，由于没有机械运动部件，组
件使用寿命相对较长，缺点是噪声较大【４】。
Ｒａｙｌｅｉｇｈ准则［５】是最早描述周期性放热过
程与脉动压力的准则关系，数学表达式为：
ｌ Ｐ ・ｑ ｄＶ＞０ （１．１）
Ｖ
其中，Ｐ’和ｇ分别代表压力波动和单位
体积的放热量波动，为流动区域。瑞利准则
是描述自激励振荡火焰的重要判据，物理意
义上可概括为，当燃烧过程中的压力脉动与
放热量波动之间满足一定关系时，系统持续
热声振荡状态 Ⅱ 。
自激励脉动燃烧器有四种基本类型：
（１）Ｓｃｈｍｉｄｔ型：又称为１／４波长型，是
一
端开口一端闭口的直管结构。它是基于声
学上的１／４波长谐振管的原理，依靠白激励
振荡产生并维持气流脉动，这种自激励是热
声转换克服摩擦造成的声能内部损失和辐
射造成的声能损失，放大微弱扰动的实现。
（２）Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ型：Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ型与
Ｓｃｈｍｉｄｔ型主要区别在于它有一个大的共振
腔，但两者的工作原理基本是一样的。当采
用进气阀门时，这两类型的燃烧器可以把尾
管做得很长，因此换热非常充分。
余热锅炉 ２０１ １．２ ２７
空
气
薹 一
‘ａ）Ｓｅｂｍｉａｔ型
气
ｆｌｔ￣，Ｄ
苎｛
ｌ鼍气ａ
（ｃ） 虹受
鍪毒 ＼燃烧童 窬 —。
图２各种类型脉动燃烧器结构示意图
（３）Ｒｉｊｋｅ型：这是一个两端开口的直立
长管。当热源在进口端Ｌ／４处时，或冷源在出
口端Ｌ／４处时，便可产生热与声耦合的脉动。
特征，主要关注热声耦合起振机理及相应的
声场和燃烧特征；强迫脉动燃烧则侧重描
述燃烧对声场的响应行为。一方面强迫脉动
它的特点在于不仅可以燃用气、液燃料，而
且还可以方便地使用固体燃料 ｊ。
（４）Ｍａｒｃｏｎｎｅｔ型：这种类型的燃烧器最
可以将自激励脉动过程中两个复杂过程解
耦，将声脉动下燃烧及化学反应的特征进行
较好的表达：另一方面自激励脉动燃烧获
得的现象为研究强迫脉动燃烧的研究提供
了重要思路 。
４脉动燃烧技术应用
大的特点在于它的进气口是一个“气动阀”。
当燃气从燃烧室向外流动时，阻力较火，而
当气体向燃烧室内流动时，阻力则较小。这
样，这种“阀门”就起到了一定的白吸作用。
２、强迫脉动式：按结构可分为两种形
脉动燃烧技术早期应用在喷气推进系
统和燃气涡轮领域。２０世纪８０年代，各种
式，一种是通过一定的机械部件，向燃烧室
周期供气或供燃料，从而产生脉动燃烧；另
外一种仍然是借助于声场作用，通过扬声器
等声发生装置产生声波，用于激励燃料、空
气或火焰，形成各种形式的强迫脉动燃烧过
类型的脉动加热器 断涌现。美国是最早将
脉动燃烧应用于锅炉采暖。日本的东芝公司
在２Ｏ世纪８０年代推出…款脉动燃烧热水
器。２０世纪９０年代，美国一些州比如威斯
程，在声场激励下，速度脉动能使火焰表面
积发生波动，形成燃烧放热量的波动。强迫
脉动燃烧器由于阀门使用频繁，寿命较短，
可靠性比较差。
康星州积极推广一种由富尔顿公司生产的
型号为ＨＶＡＤ２的脉动燃烧锅炉用于热水
供应系统，以实现联邦政府每年总能源消耗
缩减的目标。该种脉动燃烧热水锅炉可以降
低能耗近５０％。因而脉动燃烧在锅炉上的应
用引起了人们极大的兴趣。到目前为止，已有
在脉动燃烧的研究中，自激励脉动燃烧
表征了燃烧与声振荡两个过程相互激励的
余热锅炉 ２０１ １．２
一
些采暖和烧热水的高效脉动燃烧器出现在
可用于粮食、沙石、木材、药物、褐煤、废料等
美国、加拿大等国的市场上。近年，国外公司
又将其应用于干燥领域，包括粮食的干燥。综
上，美、日以及欧洲的一些发达国家对脉动燃
烧的机理和应用技术进行了深入而广泛的研
物品的干燥【９】。美国矿产局研制出７．３ＫＷ的
褐煤干燥设备：南非的Ｍｕｌｌｅｒ设计出脉动
燃烧玉米干燥设备；美国爱德华州的Ｓｏｎｉｃ
公司成功地将脉动燃烧器用于酒曲的快
究。不少研究成果已经商品化并取得专利，被
广泛应用于人民生活及工业领域。
（１）产生推动力：利用脉动燃烧器产生
速干燥，产量和质量都有所提高。Ｍｏｒｉａｈ．
Ｉｓｒａｅｌ研制的脉动燃烧－Ｔ燥设备用于干燥水
果，比常规干燥设备提高产量３．５倍。ｌ９８９
的高速热气流推动飞行器，如早期的Ｖ．１导
弹；有人曾试验将脉动燃烧器装在直升机
桨片的两端，推动桨片转动。利用脉动燃烧
器推动涡轮机，这一直是一个比较活跃的应
用领域，研究方向是设法提高脉动燃烧器内
的工作压力和推动效率。此外，还有研究者
将脉动燃烧所产生的高速热气流用来清除
表面积垢等。
（２）锅炉与采暖：出于节能、环保和
小巧灵便的考虑，脉动燃烧技术被用于锅
炉和采暖领域。在西方国家，这方面的研究
主要集中在小型热水器上。如美国Ｌｅｎｎｏｘ
公司生产的系列脉动燃烧热水器，其功率
为１２～３８ＫＷ；日本东芝公司生产的系
列脉动燃烧热水器的功率为６～ｌ８ＫＷ；
美国Ｈｙｄｏｔｈｅｒｍ公司推出的“Ｈｙｄｒｏｐｕｌｓｅ”
牌热水器使用气、液燃料，对于额定功率
为２３ＫＷ的家用热水器，其外形尺寸为
０．８５ｍｍ×０．５ｍｍ Ｘ ０．３５ｍｍ，质量６０ｋｇ，由
于采取了隔音措施，ｌｍ以外的噪声小于
５０ｄＢ，排气污染很小（州∞】 ，ｏｏｘｌ０ （ⅣＤ）＜如ｘｌ０ ），燃
烧效率可达９２％～９９％，比普通热水器节
省燃料１０％～３０％，且使用操作方便。美
国Ｆｏｒｂｅｓ公司于８０年代推出了１４６．５ＫＷ
的中小型蒸汽锅炉，蒸发量为２００磁．ｈ～，总
热效率提高到８６％，整个装置的体积只有
Ｏ．９１４ｍＸ １．２７０ｍ×１．１８０ｍ，可用于旅店、饭
店、洗衣房等。脉动燃烧器还可用于车辆、住
宅和工业建筑采暖等。
（３）物料干燥和食品烘烤：脉动燃烧器
年美国的Ｆｏｏｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ报道了美国燃气
公司开发的用于干燥浆状和液状物料的脉
动燃烧干燥机，由于脉动燃烧产生的高温、
高速尾气及声波能的作用，使得物料被打散
雾化，从而提高了传热传质速率，可在０．０１ｓ
内将物料干燥，而且物料温度不超过６０℃，
特别适合于干燥热敏性物料。此外，还有用
脉动燃烧器制成食品烤箱等。
（４）其他应用：脉动燃烧应用的范围很
广，有关的技术专利层出不穷。例如：利用
脉动燃烧产生的高温脉冲射流打井、打洞；
制成冰雪融化器、辐射管加热器、化学反应
器、土壤杀菌器、军用烟雾发生器、杀虫烟雾
发生器、机械设备加热装置和化丁石油Ｔ艺
设备等Ｄｏｌｔ“】。
国内，由于对脉动燃烧的研究起步较
晚，目前还基本停留在理论和实验阶段，成
熟的工业应用很少。现如今，我国各油田共
应用脉动燃烧加热设备５０００余台，多为幽
外进口，而且功率 高。大庆石化总，’瞄准
这一广阔的市场，组成专门的科研小组进行
攻关，于２００７年３月研发、制造出国内首台
大功率脉动燃烧锅炉，填补国内空白¨ 。
５脉动燃烧技术研究的前景与问题
国内外的应用实践证明，脉动燃烧技术
是一种高效节能、降低污染的燃烧技术０ ３］。
它是缓解目前我国能源问题和环境问题的
有效途径之一。能源利用效率的问题在电力
行业尤为突出，而且普通燃煤设备又会造成
余热锅炉 ２Ｏ１ １．２ ２９
环境污染Ｄ４］。在这种条件下，脉动燃烧技术
应该目益得到重视。但由于我国在脉动燃烧
研究及应用现状【Ｊ］．现代化农业，２００９（７）：３８—＿加．
（３）程显辰．脉动燃烧［Ｍ］．北京：中国铁道出
版社，１９９４．
（４）ＨＡＮＴＳＣＨＫ Ｃ．Ｃ，ＶＯＲＴＭＥＹＥＲ Ｄ．
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｅｌｆ－ｅｘｃｉｔｅｄ Ｔｈｅｒｍｏａｃｏｕｓｔｉｃ
方面的研究起步较晚，人们对其燃烧机理还
缺乏足够的认识，大量的研究工作主要采用
的是试差法，而不是基于对燃烧机理与系统
的充分理解而进行深入研究。因此，脉动燃
烧技术仍有许多问题需要解决，并应着重在
以下方面展开研究：
Ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｉｅｓ Ｉｎ ａ Ｒｉｊｋｅ Ｔｕｂｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｎｄ ａｎｄ
Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，１９９９・２７７（３）：５ｌ１－５２２．
（５）Ｒａｙｌｅｉｇｈ ＪＷＳＬ．Ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｅｒｔａｉｎ
（１）深入对脉动燃烧机理的研究：结
合流体力学、化学反应动力学及燃烧理论，
ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｈｅｎｏｍｅｎａｌ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ，１ ８７８，１８：３１９—３２１．
（６）Ｎ．Ｎｏｉｒａｙ，Ｄ．Ｄｕｒｏｘ， Ｓｃｈｕｌｌｅｒ，ｅｔ ａ１．Ｓｅｌｆ－
ｉｎｄｕｃｅｄ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｌａｍｉｎａｒ ｐｒｅｍｉｘｅｄ
建立脉动燃烧的精确数学模型。
（２）掌握脉动燃烧的声学特性：对热．
声的耦合机理做深入的研究，以期减少噪声
污染，并能有效利用声波能。
（３）加强脉动燃烧器关键部件的研发：
ｌｆａｍｅｓ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｏｎ ａｎｎｕｌａｒ ｂｕｒｎｅｒｓ［Ｊ】＿Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ
ａｎｄ Ｆｌａｍｅ，２００３，１３５：５２５－５３７
［７）Ｆｒａｎｔｉｓｅｋ Ｌ．Ｅｉｓｉｎｇｅｒ，Ｒｏｂｅｒｔ Ｅ．Ｓｕｌｌｉｖａｎ．
Ａｖｏｉｄｉｎｇ Ｔｈｅｒｍｏａｃｏｕｓｔｉｃ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｎ Ｂｕｒｎｅｄ Ｆｕｒｎａｃｅ
解决机械脉动燃烧器寿命太短的问题。将脉
动燃烧技术与现有的燃烧技术结合，将会有
更广阔的应用前景。
６总结
Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
２００２，１２４：４１８・４２４
（８］ＲＡＵＮ Ｒ Ｌ，ＢＥＣＫＳＴＥＡＤ Ｍ Ｗ．Ａ
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｇｒａｄｉｅｎｔ ａｎｄ
Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ Ｒｉｊｋｅ Ｂｕｒｎｅｒ ０ｓｃｉｌｌａｔｉ０ｎｓ［Ｊ］．
Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ａｎｄ Ｆｌａｎｉｅ，１９９３，９４：１．５．
与常规燃烧技术相比，脉动燃烧技术有
其独特的、无可比拟的优越性，即高效节能、
降低排放污染。在当今能源紧张，环境形势严
峻的背景下，更应该加强对脉动燃烧技术的
（９）李保国，刘相东，曹崇文．脉动燃烧干燥及
传热特性研究【Ｊ】．农业工 学报，２０００，１６（６）：１１．
［１０）刘云芳，程乐呜，郑海啸，等．燃用固体燃料
的脉动燃烧技术【Ｊ】．动力工程，２００５，２５（５）：７０７．
研究与开发。在 内脉动燃烧技术研究基础
薄弱的条件下，我们应加强对其燃烧机理的
研究，掌握其声学特性，促进脉动燃烧器关键
部件的研发，加强其与现有燃烧技术的结合。
（１１】钟英杰，张雪梅，徐璋，等．Ｒｉｊｋｅ．ＺＴ型脉
动锅炉燃烧系统分析［Ｊ］．热力发电，２００６（１２）：１０．
（１２）符立萍，袁定伟．大功率脉动燃烧锅炉填
补国内空白［Ｎ】．中国石油报，２００７—勺３—２９．１９９ｌ
参考文献：
（１］李保国，曹崇文，刘相东，等．脉动燃烧技术
及其应用［Ｊ］．｝Ｉ１＿国农业大学学报．１９９８
（１３）拉乌申巴赫．振荡燃烧［Ｅ１．张斌全译．北
京：科学出版社，ｌ９６５．
（１４）曹传钧，许登峰，朱一Ｋ海，等．脉动燃烧技术
（２ｊ邵东伟，王俊发，刘远军，等．脉动燃烧技术的
的回顾与展望［Ｊ］．航空动力学报，１９９１（６）：７３＿７８．
（上接第５页）
京：机械上业出版社．２００５，９３．１４３．
［３］李志翔，李晓平，赵永强．火力发电』一新材
料Ｔ９ｌ／Ｐ９１刚性能综述［Ｊ］．云南电力技术．２００４，
（１）：ｌ５．１７．
（４】陈祝年．焊接工程师手册［Ｍ】．北京：机械
工业出版社．２００２，ｌ１９５．１２１３．