變壓吸附制氫裝置噪聲分析與控制技術研究＊

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產生噪聲的原因以及噪聲源進行了分析，提出解決系統噪聲的途徑:優化工藝過程，增加隔聲裝置和消聲裝置，優化管道消聲器結構。計算結果顯示，優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;結構優化

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，廣泛應用于石油、化工、冶金、能源、環保等領域。四川天一科技股份有限公司在吸附工藝、吸附劑、吸附塔結構、程控閥、控制系統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定高效的運行。

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

1 變壓吸附制氫系統噪聲分析

1.1 變壓吸附制氫系統

變壓吸附制氫主要是利用吸附質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吸附和解吸過程的交替進行，從而實現氫氣提純的目的。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發出的指令，去實現各個步驟。在壓力變化步驟的初期，系統的壓差比較大，因此在塔內和管路系統中會產生很大的流速，從而產生非常大的噪聲。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，過程開始時的系統流速將逐步增加［2］。

圖1 PSA提氫一均時系統壓力和速度的分布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。空氣動力性噪聲是由于氣體振動而產生的，當氣體中產生了渦流或發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生的噪聲，就稱作空氣動力性噪聲。對比變壓吸附制氫系統，噪聲主要是在瞬態過程中由于高速氣流而產生的空氣動力性噪聲和氣流沖擊產生的機械振動性噪聲。其中，在閥門處流場的變化較為復雜，不僅產生渦流，同時高速氣流沖擊閥體。因此，在閥門處將產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處的噪聲加權聲級為113 dB(A）［5］。

在緩沖罐內，氣體流通面積的突然放大，就產生了類似于管道放空的噪聲;這是由于管道內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生的。因此，通過優化變壓吸附制氫工藝，降低瞬態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，而一般的設計值是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%，均壓時閥門產生的噪聲也將大為降低。此外，均壓時閥門如果采用調節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，在總管增加調節閥，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境等。然而，要達到很好的隔聲效果要根據噪聲源的頻率特征，設計合理的隔聲結構和有效的隔聲材料。

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

2.3 開發高性能管道消聲器

對于工業變壓吸附裝置而言，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，對消聲器的結構有很大的限制，目前主要采用的是一種類似小孔消聲器的結構。變壓吸附制氫瞬態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生的空氣動力學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）。

結構優化是提高消聲器性能的有效途徑，圖3是結構優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

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，通過優化變壓吸附的工藝管道和工藝過程，實施隔聲和消聲技術，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 ［J］．天然氣化工，2009，(34）2: 60-63．

［2］卜令兵，李克兵，張杰，等．變壓吸附系統流體力學研究［C］//2011年全國天然氣化工與碳一化學信息中心變壓吸附網三屆三次全網大會暨技術交流會論文集．成都:全國天然氣化工與碳一化學信息中心變壓吸附網秘書處，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信息中心變壓吸附網三屆三次全網大會暨技術交流會論文集．成都:全國天然氣化工與碳一化學信息中心變壓吸附網秘書處，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控制系統上的實現［J］．廣東化工，2001(4）:47-49．

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

［6］潘敦銀，王勇．高壓排氣放空噪聲及消聲設計 ［J］．安全、環境和健康，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用［J］．油氣田環境保護，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，從事變壓吸附技術的研究開發與工程應用，E-mail:blb_ustb@sina.com。