吸附式制氧機組噪聲研究與控制

王明 楊智偉 金勇

第一作者：王明，男，34歲，工程師

收稿日期：2023-12-20

摘 要：介紹了吸附制氧機組噪聲源產(chǎn)生的部位及強度，分析了噪聲源特性及傳播規(guī)律，重點介紹了目前吸附制氧建設(shè)項目中噪聲治理采用的工藝及施工運行中存在的問題，提出了解決問題的方案，為吸附制氧工程項目噪聲治理設(shè)計施工提供思路。

關(guān)鍵詞：吸附制氧；真空泵；低頻噪聲

RESEARCH AND CONTROL ON NOISE OF ADSORPTION OXYGEN PRODUCTION UNITS

Wang Ming? ? Yang Zhiwei? ? Jin Yong

（Fangda Special Steel Technology Co.， Ltd? ? Nanchang? ? 300012，China）

Abstract：The article introduces the location and intensity of noise sources generated by adsorption oxygen production units， analyzes the characteristics and propagation laws of noise sources， and focuses on the processes used for noise control in current adsorption oxygen production construction projects and the problems existing in construction and operation. Solutions are proposed to solve these problems， providing ideas for the design and construction of noise control in adsorption oxygen production engineering projects.

Key words： adsorption oxygen production；vacuum pump；low-frequency noise

0? ? 前? ? 言

隨著我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴張，鋼鐵需求不斷加大，刺激鋼鐵企業(yè)抓住機遇，采用快速高效的技術(shù)進(jìn)行鋼鐵生產(chǎn)，如煉鐵富氧噴煤技術(shù)等。為了滿足煉鐵工藝供氧強度的進(jìn)一步提高，吸附制氧以其建設(shè)周期短、投資省、見效快也被越來越多企業(yè)所采用，取得了良好的效果，但同時也帶來了較為嚴(yán)重的噪聲污染問題。由于工藝要求，污氮放空需通過放散塔高空排放，因此，其特有的類似直升機螺旋槳產(chǎn)生的噪聲在特定氣象條件下，傳播距離可達(dá)3 km以上，對附近居民造成嚴(yán)重干擾，必須進(jìn)行治理。

1? ? 吸附制氧噪聲源分析

1.1? ? 吸附制氧工藝簡介

吸附制氧設(shè)備采用兩塔變壓吸附工藝，工藝流程如表1所示。

表1? ? 兩塔變壓吸附工藝流程

吸附塔 主要操作步驟

A 吸附

A 均壓降

ED 解吸

V 沖洗P 均壓升

ER

B 解吸

V 沖洗P 均壓升

ER 吸附

A 均壓降

ED

在一個周期內(nèi)，每個吸附塔都至少需經(jīng)過“吸附”“均壓降”“解吸”“沖洗”和“均壓升”五個步驟，在同一時刻兩臺吸附塔分別處于不同的操作階段。變壓吸附基本過程如圖1所示，即吸附塔在一個周期循環(huán)里，氮氣吸附量和壓力變化的彼此關(guān)系。

圖1? ? 變壓吸附基本過程示意

簡單說吸附制氧工藝就是利用吸附塔內(nèi)的吸附劑將空氣中的H20、CO2、N2依次吸附掉，留下產(chǎn)品氧氣，經(jīng)緩沖罐供用戶使用；然后對吸附單元抽真空，將吸附劑中截留的氮氣（含雜質(zhì)）由放散塔排出，吸附劑完成再生。一套制氧機組由兩個吸附單元組成，兩個單元“產(chǎn)氣-再生”交替反向運行，實現(xiàn)氧氣連續(xù)生產(chǎn)的過程。

以上各步驟的切換主要由控制系統(tǒng)和專用開關(guān)蝶閥完成?？刂葡到y(tǒng)按照各步驟的先后邏輯（簡稱“時序邏輯”）來開關(guān)各專用蝶閥，進(jìn)而控制吸附塔在“吸附”“均壓降”“解吸”“沖洗”“均壓升”等步驟過程中的時間長短，以此實現(xiàn)氧氮分離，最終制取符合客戶要求的產(chǎn)品氧氣。

制氧工藝設(shè)備組成：羅茨鼓風(fēng)機、真空泵機組、吸附分離系統(tǒng)、氣動閥門切換系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等。

1.2? ? 噪聲源分析

1.2.1? ? 噪聲來源

噪聲來源分兩類，一類是羅茨風(fēng)機設(shè)備的機械噪聲和氣流的脈動噪音，主要表現(xiàn)為中低頻噪音；另一類是氣體在管道中流動、氣體放空及氣體經(jīng)過閥門或變徑時產(chǎn)生的氣流噪音，這些噪聲主要表現(xiàn)為中高頻噪音。

1.2.2? ? 噪聲產(chǎn)生及特性

1）羅茨設(shè)備的機械噪聲。

羅茨設(shè)備的機械噪聲主要是其轉(zhuǎn)子碰撞和齒輪噪聲。轉(zhuǎn)子噪聲是在轉(zhuǎn)子通過較窄的通道出口時，周向的氣壓及流速均發(fā)生較大變化，從而導(dǎo)致較大的氣動噪聲。同時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在葉輪表面形成渦流，這些渦流在其表面分裂時產(chǎn)生渦流噪聲。另外，升壓后的高壓氣體通過兩葉輪之間、葉輪與機殼、葉輪與墻板之間的微小間隙向低壓處泄露也可產(chǎn)生渦流噪聲。且葉輪周期性地將氣體由進(jìn)口送至出口時，出口高壓氣體會回流，相當(dāng)于回流氣體周期性地打擊介質(zhì)質(zhì)點，引起介質(zhì)的壓力脈動，形成周期性的旋轉(zhuǎn)噪聲，旋轉(zhuǎn)噪聲的基頻就是葉輪每秒打擊介質(zhì)質(zhì)點的次數(shù)。

電機是羅茨風(fēng)機的重要組成部分，其噪聲也很明顯。

上述噪聲再加上風(fēng)機進(jìn)氣容積的亥姆霍茲共鳴，羅茨鼓風(fēng)機的局部噪聲在115 dB（A）以上。羅茨設(shè)備噪聲與風(fēng)機葉輪轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)、流量、排氣壓力等因素有關(guān)，其噪聲頻譜常呈中、低頻特性。放散塔噪聲監(jiān)測頻譜情況如表2所示。

變壓吸附裝置在風(fēng)機出口和真空泵進(jìn)口以及產(chǎn)品氣后端均設(shè)有放空管道，這些排空口在排空前氣體壓力較高，排出氣體的流速較大，從而也輻射出強烈的噪聲。機械噪聲通過管道等固體傳聲也可通過放散塔輻射到大氣中。該噪聲傳播距離遠(yuǎn)，影響范圍廣。

2）氣流噪聲。

氣流噪聲貫穿整套變壓吸附制氧生產(chǎn)過程。氣流噪聲產(chǎn)生于管道，閥門和各類排空口。其中管道噪聲主要表現(xiàn)在：1）高速氣體在流動中沖刷碰撞管道管壁并使之發(fā)生振動形成“發(fā)生器”后經(jīng)管壁向四周輻射從而產(chǎn)生噪聲。2）在管道的彎頭、變徑處等部位因渦流、渦阻現(xiàn)象導(dǎo)致氣體的紊流現(xiàn)象從而引起這些部位的劇烈振動產(chǎn)生噪聲。隨著變壓吸附制氧設(shè)計過多的考慮經(jīng)濟性，管道內(nèi)氣流速度瞬時可達(dá)40 m/s以上，從而變壓吸附制氧裝置的氣流噪聲也很大，一般在90 dB（A）左右，主要影響崗位環(huán)境。

3）閥門切換排氣噪聲。

變壓吸附制氧裝置是由程控閥門的頻繁開關(guān)實現(xiàn)的，專用蝶閥采用壓縮空氣驅(qū)動，每次閥門動作結(jié)束后，氣缸需要排氣，壓縮空氣從高壓突然釋放至常壓，沖出排氣口時產(chǎn)生強烈噪聲，氣動噪聲可達(dá)100 dB（A）以上。該噪聲傳播距離不遠(yuǎn)，主要影響現(xiàn)場崗位環(huán)境。

2? ? 噪聲治理工藝

2.1? ? 吸附制氧配套噪聲治理工藝

羅茨鼓風(fēng)機、羅茨真空泵機械噪音主要依靠廠房隔聲。一般采用磚混墻體的結(jié)構(gòu)，頂部采用輕型隔聲構(gòu)件進(jìn)行隔聲處理。隔聲量一般可以做到

35 dB左右，基本能滿足廠區(qū)內(nèi)的治理要求。如果制氧機組臨近廠界，則需要另外對鼓風(fēng)機和真空泵設(shè)備單獨設(shè)置隔聲間，同時考慮通風(fēng)散熱。

羅茨鼓風(fēng)機、羅茨真空泵設(shè)消音放散塔（如圖2所示）。其中，鼓風(fēng)機排氣采用阻性消聲器，氣流在放散塔頂部橫向流動再上出；真空泵排氣采用阻抗復(fù)合消聲結(jié)構(gòu)，放散塔下部為抗性節(jié)流段，上部加阻性片式消聲。根據(jù)消聲原理和消聲器結(jié)構(gòu)尺寸計算，理論消聲量可達(dá)45 dB左右。

閥門切換排氣噪聲在排氣口處配置CS-B型多孔陶瓷消聲器。消聲量一般可達(dá)30 dB以上，缺點是設(shè)備阻力大，易堵塞等。

2.2? ? 存在的問題及原因分析

根據(jù)對多個吸附制氧機工程案例統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)噪聲控制普遍存在幾個問題。

2.2.1? ? 放散塔噪聲治理效果差，噪聲排放影響范圍大

真空泵放散塔噪聲控制效果差，出口排放噪聲可達(dá)110 dB以上。噪聲傳播距離遠(yuǎn)達(dá)3 km以上，其特有的類似直升機螺旋槳產(chǎn)生的噪聲對附近居民造成嚴(yán)重干擾。

造成放散塔噪聲控制效果差的原因有以下幾點：

1） 噪聲治理工藝選擇有誤，抗性消聲未起作用。

從設(shè)計單位提供的消音放散塔的結(jié)構(gòu)圖紙分析，該消聲結(jié)構(gòu)設(shè)計思路為抗性消聲+阻性消聲。放散塔外壁采用混凝土澆筑成3 000 mm×3 000 mm×

14 400 mm的桶狀結(jié)構(gòu)，放散塔中間用混凝土隔成三個腔室。根據(jù)氣流方向從下往上看，下部兩個室組合為抗性消聲結(jié)構(gòu)，第一隔層隔板中部設(shè)置有直徑1 000 mm、長度2 275 mm的連接管1根，第二隔層設(shè)計有直徑820 mm、長度1 710 mm的連接管2根；上部腔室裝有無邊框阻性消聲器。

從運行情況看，由于上部裝有阻性消聲器，根據(jù)其有效消聲長度2.5 m計算，消聲量應(yīng)有

25 dB，而實際排放基本上未消減，說明抗性消聲結(jié)構(gòu)未起到消聲作用，可能反而放大了噪聲。

2）消音放散塔漏聲，阻性消聲作用有限。

由于放散塔為混凝土澆筑結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁平直度不會太好。無框消聲器從頂部吊裝進(jìn)入塔內(nèi)，邊緣預(yù)留間隙過大，約100 mm左右，噪聲可通過間隙泄漏出去。參照隔聲構(gòu)件經(jīng)驗，當(dāng)漏聲面積占整個構(gòu)件面積的1%，其消聲量降低最高不超過20 dB；當(dāng)孔、洞、漏縫面積占10%時，則隔聲量最大不會超過10 dB [1]。而該處縫隙面積約占6.7%，可見其噪聲消減量也就非常有限了。

3）內(nèi)壁未做吸聲，噪聲源增強。

放散塔內(nèi)壁未做吸聲處理，聲波在放散塔內(nèi)壁反射疊加，出口噪聲排放至少增加3 dB。如果采取內(nèi)壁吸聲措施，噪聲消減量至少3 dB。這一項措施未實施就增加了6 dB的排放。

4）消音放散塔內(nèi)消聲結(jié)構(gòu)選材問題。

真空泵運行需要用水進(jìn)行密封，在排氣過程中污氮夾帶較多的水分，而消聲片采用普通鋼材制作，因此，短期內(nèi)消聲片骨架、沖孔板等發(fā)生嚴(yán)重腐蝕脫落情況，造成消聲結(jié)構(gòu)不完整，消聲效果大打折扣。

以上四個問題共同作用，造成消音放散塔降噪效果下降或失效。

2.2.2? ? 真空泵排氣管道噪聲輻射強烈

真空泵排氣管道通過預(yù)留孔洞進(jìn)入放散塔，一般會對管道進(jìn)行包扎隔聲處理，并對孔洞進(jìn)行填充。在生產(chǎn)過程中，由于真空泵周期性排氣，造成放散塔內(nèi)外壓差反復(fù)突變，其孔洞處填充物松脫，形成嚴(yán)重漏聲，噪聲排放強度與真空泵本體幾乎相當(dāng)，可達(dá)110 dB。

2.2.3? ? 切換閥排氣噪聲

實際運行過程中，配套消聲器運行一段時間后，其阻尼材料內(nèi)壁會被粉塵等堵塞，消聲器阻力增大，閥門切換時間延長，影響正常生產(chǎn)。因此，該消聲器往往被拆除后不恢復(fù)，從而造成現(xiàn)場噪聲污染嚴(yán)重。

2.3? ? 整治措施

根據(jù)現(xiàn)有制氧機組噪聲治理設(shè)施運行狀況及設(shè)計施工存在的問題，提出以下整治措施。

2.3.1? ? 排氣放散噪聲治理

1）真空泵排氣噪聲的治理是吸附制氧機組噪聲控制的重點難點。在不改變現(xiàn)有消音放散塔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，可以有兩種整治措施：

一種是在現(xiàn)有放散塔上方增加二級消聲器。

片式消聲器計算公式[2]：

a+h

?LB=2φ（a0）——i

ah

式中：?LB為消聲段的消聲量，dB；φ（a0）為消聲系數(shù)；a為吸聲片間距，m；h為吸聲片空間長度，m；i為消聲段有效長度，m。

通過計算，消聲器的有效長度必須達(dá)到3 m，同時必須改變氣流行進(jìn)路線，才能滿足30 dB消聲量。

另一種是取消現(xiàn)有消音放散塔下部的抗性消聲結(jié)構(gòu)，采用節(jié)流降壓消聲器取代現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，即在真空泵放散管道出口增設(shè)兩層節(jié)流孔板，設(shè)計適當(dāng)?shù)耐鹘孛?，使原來高壓氣體直接排空改為通過多層降壓裝把壓力逐步降低再排空，而取得較好的消聲效果。

按照此整治措施，可以有效降低進(jìn)入消聲塔的噪聲強度，為阻性消聲創(chuàng)造條件。優(yōu)點是投資較小，缺點是施工難度過大，要求停機時間充裕，影響生產(chǎn)。

2）放散塔內(nèi)部漏聲整治。放散塔漏聲主要是施工問題。在阻性消聲器安裝完成后，對于消聲器與放散塔壁之間的空隙必須進(jìn)行封堵，采用“U”型槽在間隙處焊接封堵，槽中間填充吸音棉，防止噪聲直接通過縫隙