變壓吸附制氫裝置噪聲分析與控制技術(shù)研究＊

卜令兵，殷文華，曾凡華，李克兵，郜豫川

(四川天一科技股份有限公司變壓吸附分離工程研究所，成都 610225）

變壓吸附制氫裝置噪聲分析與控制技術(shù)研究＊

卜令兵，殷文華，曾凡華，李克兵，郜豫川

(四川天一科技股份有限公司變壓吸附分離工程研究所，成都 610225）

對變壓吸附制氫系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲的原因以及噪聲源進行了分析，提出解決系統(tǒng)噪聲的途徑:優(yōu)化工藝過程，增加隔聲裝置和消聲裝置，優(yōu)化管道消聲器結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果顯示，優(yōu)化后的管道消聲器的性能與原管道消聲器相比有了大幅提高。

變壓吸附;氫氣;噪聲;消聲器;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

變壓吸附是獲得氫氣的一個重要途徑，可以從多種含氫氣源中將氫氣提純，并以其適應(yīng)壓力范圍大 (0.5～10.0 MPa）、能耗低、自動化程度高、開停車方便等特點，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、能源、環(huán)保等領(lǐng)域。四川天一科技股份有限公司在吸附工藝、吸附劑、吸附塔結(jié)構(gòu)、程控閥、控制系統(tǒng)以及管路計算方面做了大量的研究工作［1-4］，保證了大型變壓吸附制氫裝置長期穩(wěn)定高效的運行。

隨著變壓吸附制氫裝置的大型化和環(huán)保要求的提高，裝置所產(chǎn)生的噪聲被越來越多的關(guān)注，因此，本文對變壓吸附制氫裝置噪聲的產(chǎn)生和控制進行了深入分析。

1 變壓吸附制氫系統(tǒng)噪聲分析

1.1 變壓吸附制氫系統(tǒng)

變壓吸附制氫主要是利用吸附質(zhì)在吸附劑上的平衡吸附容量差異，以及吸附量隨壓力增加而增加的特性，通過周期性的壓力變化實現(xiàn)吸附和解吸過程的交替進行，從而實現(xiàn)氫氣提純的目的。一般的變壓吸附制氫工藝包括吸附、多級均壓降壓、順放、解吸、多級均壓升等步驟，解吸步驟包括逆放、沖洗或抽空等過程。其中壓力變化步驟主要在均壓步驟、順放步驟和逆放步驟。

變壓吸附制氫系統(tǒng)主要包括吸附塔、管道、程控閥、順放罐和逆放緩沖罐等，其中程控閥完成控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，去實現(xiàn)各個步驟。在壓力變化步驟的初期，系統(tǒng)的壓差比較大，因此在塔內(nèi)和管路系統(tǒng)中會產(chǎn)生很大的流速，從而產(chǎn)生非常大的噪聲。以某50 000 Nm3/h變壓吸附制氫裝置的均壓為例，第一步均壓時系統(tǒng)中壓力和流速的分布如圖1所示。由圖1可以看出在兩吸附塔出口的主管路里氣流的速度較低，而在兩程控閥之間的均壓管路里流速很高，都達到了超音速，系統(tǒng)的壓力降也主要集中在兩程控閥之間，而程控閥的阻力系數(shù)較大，在部分均壓過程中，其阻力占到總阻力的一半以上，因此程控閥也是壓力變化比較大的地方。在變壓吸附的瞬態(tài)過程中，隨著壓力的逐步降低，氣體密度的不斷減小，過程開始時的系統(tǒng)流速將逐步增加［2］。

圖1 PSA提氫一均時系統(tǒng)壓力和速度的分布Fig.1 The distribution of pressure and velocity when PSA-H2 1ED

1.2 變壓吸附制氫噪聲源

按照噪聲的發(fā)生原因，噪聲分為三類:空氣動力性噪聲、機械性噪聲和電磁噪聲?？諝鈩恿π栽肼暿怯捎跉怏w振動而產(chǎn)生的，當氣體中產(chǎn)生了渦流或發(fā)生了壓力突變等情況，就會引起氣體的擾動，由于氣體的擾動而產(chǎn)生的噪聲，就稱作空氣動力性噪聲。對比變壓吸附制氫系統(tǒng)，噪聲主要是在瞬態(tài)過程中由于高速氣流而產(chǎn)生的空氣動力性噪聲和氣流沖擊產(chǎn)生的機械振動性噪聲。其中，在閥門處流場的變化較為復(fù)雜，不僅產(chǎn)生渦流，同時高速氣流沖擊閥體。因此，在閥門處將產(chǎn)生強度較大的空氣動力性噪聲，通過對某變壓吸附提純裝置中均壓時閥門處的噪聲計算顯示，在管壁外1 m處的噪聲加權(quán)聲級為113 dB(A）［5］。

在緩沖罐內(nèi)，氣體流通面積的突然放大，就產(chǎn)生了類似于管道放空的噪聲;這是由于管道內(nèi)高速噴出的氣流沖擊和剪切周圍靜止氣體，引起劇烈的氣體擾動而產(chǎn)生的。這種噪聲稱為噴注噪聲。

2 變壓吸附制氫裝置噪聲控制

噪聲是由聲源—傳播途徑—受者三方面構(gòu)成。噪聲控制的各種措施，也主要是針對上述三方面而提出的。變壓吸附制氫裝置噪聲控制中，可以采用工藝手段降低聲源噪聲，控制噪聲的傳播途徑。

2.1 噪聲源的控制

變壓吸附制氫裝置中的兩個主要噪聲源是閥門和緩沖罐，都是由于高速氣流產(chǎn)生的。因此，通過優(yōu)化變壓吸附制氫工藝，降低瞬態(tài)過程中的流速就可以大為降低噪聲。

對于均壓過程，適當延長均壓時間，降低均壓時氣流的速度，部分變壓吸附制氫裝置的均壓時間在15 s以內(nèi)，而一般的設(shè)計值是20～30 s。因此，通過準確的管路計算，將均壓時間控制在25 s左右，均壓時的最高流速降低將近50%，均壓時閥門產(chǎn)生的噪聲也將大為降低。此外，均壓時閥門如果采用調(diào)節(jié)閥也可以大幅降低均壓時的最大流速，從而降低噪聲。

對于逆放和順放工序，在總管增加調(diào)節(jié)閥，控制氣體的釋放速度來降低噪聲。研究表明，噴注噪聲與氣流速度的8次方成正比［6］。

2.2 傳播途徑的控制［7-8］

1．隔聲。隔聲是噪聲控制中一個比較傳統(tǒng)的方法，其原理是用高密度、高比重的材料將聲源封閉起來，從而使聲源的噪聲不影響到其他環(huán)境等。然而，要達到很好的隔聲效果要根據(jù)噪聲源的頻率特征，設(shè)計合理的隔聲結(jié)構(gòu)和有效的隔聲材料。

2．消聲。在噪聲控制技術(shù)中，消聲器是應(yīng)用最多最廣的降噪設(shè)備，既可使氣流順利通過并有效降低噪聲，也是具有吸聲內(nèi)襯或有效降低噪聲的特殊結(jié)構(gòu)形式氣流管道，廣泛應(yīng)用于各類動力設(shè)備的進排氣口消聲以及放空排氣消聲。根據(jù)消聲器的原理、形式以及性能，可以分為阻性、抗性、復(fù)合式及共振式。在閥門處增加管道消聲器，在緩沖罐內(nèi)增加噴注式放空消聲器，可以降低系統(tǒng)的噪聲。

2.3 開發(fā)高性能管道消聲器

對于工業(yè)變壓吸附裝置而言，在程控閥門后安裝消聲器可以起到降低噪聲的效果，然而，由于管道的空間有限，對消聲器的結(jié)構(gòu)有很大的限制，目前主要采用的是一種類似小孔消聲器的結(jié)構(gòu)。變壓吸附制氫瞬態(tài)過程中的瞬時流速很大，消聲器的消聲量有限，主要是由于閥門處產(chǎn)生的空氣動力學(xué)噪聲不僅噪聲強度較大，而且頻率范圍也比較寬，而常用的管道消聲器消聲頻率范圍比較窄。

圖2是采用數(shù)值模擬計算得到的某管道消聲器的特性曲線，由圖2可以看出，該管道消聲器僅在1080～1220 Hz的消聲量達到15 dB(A）以上，最大消聲量為35.2 dB(A）。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化是提高消聲器性能的有效途徑，圖3是結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的消聲器特性曲線，由圖3可以看出，該消聲器的消聲性能大幅提高，740～1995 Hz的消聲量達到15 dB(A）以上，最大消聲量達115 dB(A）。

3 小 結(jié)

隨著變壓吸附制氫裝置的大型化，裝置的噪聲越來越受到人們的重視，通過優(yōu)化變壓吸附的工藝管道和工藝過程，實施隔聲和消聲技術(shù)，可以有效降低裝置的噪聲。針對目前管道消聲器消聲效果不好的實際狀況，通過模擬計算的方法優(yōu)化后的管道消聲器消聲性能得到大幅的提高。

［1］李克兵，曾凡華，殷文華，等．帶兩個順放罐的變壓吸附制氫新技術(shù) ［J］．天然氣化工，2009，(34）2: 60-63．

［2］卜令兵，李克兵，張杰，等．變壓吸附系統(tǒng)流體力學(xué)研究［C］//2011年全國天然氣化工與碳一化學(xué)信息中心變壓吸附網(wǎng)三屆三次全網(wǎng)大會暨技術(shù)交流會論文集．成都:全國天然氣化工與碳一化學(xué)信息中心變壓吸附網(wǎng)秘書處，2011:49-56．

［3］卜令兵，郜豫川，李克兵，等．氣體分布器流場測量［C］//2011年全國天然氣化工與碳一化學(xué)信息中心變壓吸附網(wǎng)三屆三次全網(wǎng)大會暨技術(shù)交流會論文集．成都:全國天然氣化工與碳一化學(xué)信息中心變壓吸附網(wǎng)秘書處，2011:57-61．

［4］周曉峰，李英．變壓吸附工藝多塔任意切換控制方案在OMRON中PLC控制系統(tǒng)上的實現(xiàn)［J］．廣東化工，2001(4）:47-49．

［5］蘇超．變壓吸附管道流體力學(xué)特性研究 ［D］．煙臺:山東科技大學(xué)，2010．

［6］潘敦銀，王勇．高壓排氣放空噪聲及消聲設(shè)計 ［J］．安全、環(huán)境和健康，2002，2(3）:18-19．

［7］洪有明，儀垂杰，劉志紅，等．某煤壓機房外煤氣管道的噪聲治理［J］．能源與環(huán)境，2009(1）:88-89．

［8］陳永生，武萍．噪聲防治在化工裝置中的研究應(yīng)用［J］．油氣田環(huán)境保護，2009(19）:43-44．

Analysis of Noise of PSA-H2Device And Research on Its Control

BU Lingbing，YINWenhua，Zeng Fanhua，LIKebing，GAO Yuchuan

(PSA Business Group，Sichuan Tianyi Science and Technology Co．，Ltd．，Chengdu 610225，China）

The article analysis the causes ofnoise and noise source of PSA-H2，proposeways to solve the system noise:optimization process，increased sound insulation device and noise elimination device，optimization themuffler structure．The simulation results show that themuffler＇s performance is improved sharply through structure optimization．

pressure swing adsorption;hydrogen;noise;muffler;structure optimization

TQ051.8+6

A

1007-7804(2012）03-0025-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2012.03.006

2011-12-08

卜令兵 (1978），男，河南滑縣人，從事變壓吸附技術(shù)的研究開發(fā)與工程應(yīng)用，E-mail:blb_ustb@sina.com。