变压吸附制氧噪音分析与控制方法

变压吸附制氧噪音分析与控制方法

董静 ,官正宇

成都华西堂环保科技有限公司，四川 成都 611730

摘要：变压吸附制氧装置的噪声主要来源于罗茨设备的中低频噪声与气体流动产生的中高频噪声，若不处理该噪声，会导致厂界声环境超出国家规定的噪声限值标准，构成噪声污染。先分析了变压吸附制氧装置产生噪声的原因，然后提出了变压吸附制氧装置噪音处理方案。

关键词：变压吸附；制氧；噪声；分析与控制   

0 引言

近年来，钢铁、玻纤、有色冶炼、化工、水泥、热电、环保等行业的生产工艺不断革新，工艺的优化和节能扩产使各行业对氧气的需求也不断增大。氧气需求的增长同时也带动了工业制氧设备的发展，而制氧方法主要有深冷空分制氧工艺、膜分离制氧工艺和变压吸附制氧工艺。其中，深冷空分制氧工艺通常适应于大气量且对氮气氩气有需求的场合，规模小的时候，装置投资及运行能耗不划算；膜分离制氧工艺产品的纯度＜30%，纯度太低限制了其应用价值。变压吸附制氧较深冷空分制氧及膜分离制氧方法有以下优势：（1）流程简洁，运转设备仅有风机、真空泵以及程控阀门；（2）本质安全，产品氧气为常温常压气态，即使泄露也不会造成局部聚集；（3）操作方便，装置启动迅速，二十分钟内即可正常产氧；（4）装置一次性投资及后期运维费用低，单位氧气产品成本低于0.3元。且随着锂基吸附剂的应用和径向吸附塔的开发，变压吸附制氧规模也越来越大，其应用范围也更加的广泛，因此对变压吸附制氧装置技术的要求也越来越高。而当今社会大力提倡环保节能，所以变压吸附制氧装置的噪声引起了极大的关注，本文对变压吸附制氧装置噪声进行了分析并提出了处理方案。

1 变压吸附制氧装置介绍

变压吸附（PSA）技术是近三十多年来发展起的一项新型气体分离与净化技术。1942年德国发表了第一篇无热吸附净化空气的专利文献。60年代初，美国联合碳化物公司首次实现了变压吸附四床工艺技术的工业化。由于变压吸附技术投资少、运行费用低、产品纯度高、操作简单、灵活、环境污染小、原料气源适应范围宽，因此，进入70年代后，这项技术被广泛用于钢铁、石油化工、环保、轻工及冶金等领域。变压吸附制氧技术也由此而来。变压吸附制氧是利用氮氧四极矩的差异，在沸石表面吸附分离氮氧，得到所需纯度的产品氧气。变压吸附制氧工艺如下：环境中的空气首先经过空气净化装置后送入风机，风机将空气升至一定压力后送入吸附单元；在吸附单元中，空气中的氮气等被吸附，氧气从塔的产气侧流出，再经缓冲罐送至用氧处；吸附在吸附单元中的氮气则被真空泵抽出，直接排放至大气中。

变压吸附制氧装置工艺所用设备有：风机、真空泵、吸附塔、程控阀、管道和缓冲罐等，该工艺是通过程控阀的快速开关来实现自动化控制，依次进行吸附过程、均压降压过程、抽真空过程、均压升压过程、产品气升压过程来得到所需纯度（＜95.5%)的产品氧气。

2 变压吸附制氧装置噪声源介绍

变压吸附制氧装置的动力设备就近几年来看主要以罗茨式鼓风机和罗茨式真空泵为主，因此本文动力设备就以罗茨设备来探究。对变压吸附制氧装置噪声来源进行分类，具体可以分为以下两类：一类是罗茨设备的机械噪声和气流的脉动噪音，主要表现为中低频噪音；另一类是气体在管道中流动、气体放空及气体经过阀门或变径时产生的气流噪音，这些噪声主要表现为中高频噪音。

罗茨设备的机械噪声主要是其转子碰撞和齿轮噪声。转子噪声是在转子通过较窄的通道出口时，周向的气压及流速均发生较大变化，从而导致较大的气动噪声[1]。同时，转子旋转时，在叶轮表面形成涡流，这些涡流在其表面分裂时产生涡流噪声。另外，升压后的高压气体通过两叶轮之间、叶轮与机壳、叶轮与墙板之间的微小间隙向低压处泄露也可产生涡流噪声。且叶轮周期性地将气体由进口送至出口时，出口高压气体会回流，相当于回流气体周期性地打击介质质点，引起介质的压力脉动，形成周期性的旋转噪声，旋转噪声的基频就是叶轮每秒打击介质质点的次数。另外，电机是罗茨风机的重要组成部分，通常风机厂家采用的电机都是由专业电机生产厂家提供。事实上，电机的噪声也很明显，主要表现有以下几个方面：（1）因换向器整流子炭刷摩擦导电环和整流子本身产生的机械噪声；（2）因电机轴承的精度低而产生的机械噪声；（3）因电机转子的不平衡和电磁力的轴向分量产生的轴向窜动而造成的噪声；（4）因电机内部径向交变的电磁力的激发而产生的电磁噪声；（5）因电机冷却风扇的形状尺寸等参数不太合理而产生的空气动力噪声。上述噪声再加上风机进气容积的亥姆霍兹共鸣,是的罗茨鼓风机的局部噪声在110dB（A）以上，且属于中低频噪声。罗茨设备噪声与风机叶轮转速、叶片数、流量、排气压力等因素有关，其噪声频谱常呈中、低频特性。这些噪声若处理不当会导致厂区内的声环境超出国家规定的噪声限值标准，构成严重的噪声污染。

气流噪音是贯穿整套变压吸附制氧装置的。变压吸附制氧流程大致如下：环境空气首先经过空气过滤器净化后送入风机，风机将空气升压至一定压力后送入吸附单元；在吸附单元中，空气中的氮气等被吸附，氧气从塔的产气侧流出，经缓冲罐送至用氧处；吸附在吸附单元中的氮气被真空泵抽出，直接排至空气中。由上述流程可知：气流噪声产生于管道，阀门和各类排空口。其中管道噪声主要表现在：（1）高速气体在流动中冲刷碰撞管道管壁并使之发生振动形成“发生器”后经管壁向四周辐射从而产生噪声。（2）在管道的弯头、变径处等部位因涡流、涡阻现象导致气体的紊流现象从而引起这些部位的剧烈振动产生噪声，涡流噪声当管内气流速度大于8 m/ s 时, 直管道的气流噪声会比较大。而随着变压吸附制氧装置的大型化且同时兼顾投资效益等各方面后，管道内气流速度可达到20m/ s ，从而变压吸附制氧装置的气流噪声也很大。其次变压吸附制氧装置是由程控阀门的频繁开关实现的，当气体在通过阀门时，由于口径的突然变化也会引起强烈的紊流产生，从而激发出噪声。强的气动噪声可达100dB（A）以上，且可能导致阀门零件以及与之相连管道的机械性破坏。变压吸附装置在风机出口和真空泵进口以及产品气后端均设有放空管道，这些排空口在排空前气体压力较高，排出气体的流速较大，从而也辐射出强烈的噪声。

3 变压吸附制氧装置噪声控制方法

噪声主要由以下三个方面形成：声源、传播途径和听者，因此变压吸附制氧装置噪声处理措施也从这三个地方入手，这样才能更好的控制变压吸附制氧装置产生的各种噪声。变压吸附制氧装置运用隔声、吸声、消声、隔振与阻尼技术，以保证满足降噪要求。

3.1变压吸附制氧装置降噪依据

变压吸附制氧装置进行降噪的依据如下：（1）隔声技术：对露天和半露天布置的噪声源设备采取必要的建筑隔声维护结构，通过隔声建筑将声源隔离，从而达到降噪要求。（2）隔声屏：在空气中传播的声波遇到声屏障时，就会产生反射、透射及绕射现象。一部分越过声屏障顶端绕射到达受声点；一部分穿透声屏障到达受声点，一部分在声屏障壁面产生反射。声屏障的插入损失主要取决于声源发出的声波沿着三条道路传播的声能分配。声屏障的作用就是阻挡直达声的传播，隔离透射声，并使绕射声产生足够的衰减。当声波撞击到声屏障的壁面上时，会在声屏障边缘产生绕射现象，而在屏障背后形成“声影区”。我们所期待的声屏障的减噪效果就在“声影区”的范围内。与光影区相比较，由于声波波长比光波波长大的多，因此，这种“声影区”的边界并不明显，经过屏障边缘之外，声源发出来的声波可以直接到达的范围，叫做“亮区”。从亮区到声影区之间还有一小段“过渡区”。位于“声影区”内的噪声级低于未设置声屏障时的噪声级，这就是声屏障降噪的基本原理[2]。（3）吸声技术：在噪声源周围设置了隔声围护结构的内侧壁面上做必要的吸声处理，不但可有效加强隔声围护结构的隔声量，而且可对室内产生的噪声降低3～8 dB(A)，同时可以改善操作人员的操作环境，可起到一定的劳动保护作用。（4）消声技术：对所有的空气动力性噪声统一采用消声治理措施，对噪声源采取消声治理后，要求既要有适宜的消声量（即声学性能），又要对设备的运行不能有明显的影响（即良好的空气动力性能）。消声器是一种既能使噪声得到有效的衰减又能保证气流正常通过的一种有效设备。（5）阻尼减振降噪：在薄板隔声维护结构的隔声背板上涂刷特殊配比的阻尼材料能有效增加隔声结构的内阻尼，它能使隔声构件的动能转化为热能，从而减少了构件的振动，因此阻尼对提高隔声构件尤其是薄板隔声结构的隔声量特别是低频共振时的隔声量有明显的作用。

3.2罗茨风机和罗茨真空泵噪声控制方法

依据上述降噪原理，罗茨风机和罗茨真空泵产生的噪声具体可以从以下几个方面来进行控制：（1）可以对罗茨设备的基础进行处理，在设备基础与室内硬化地面采用隔振沟来实现隔振处理，隔振沟可以用双层隔振板和一层隔振棉做隔振结构，并在隔振沟的表面设置一定厚度的缓振带。（2）可以将罗茨设备单独设置在一个厂房内，对罗茨风机所置厂房的墙壁采用双层隔声墙体，墙体为密实砖块或混凝土，两墙间设一定厚度的空气隔层,两墙基础不得相连，且基础间用柔性材料相隔，且在室内墙壁上安装多孔吸音材料，吸收罗茨设备产生的噪声，通过上述处理后确保整体隔声量大于50dB(A)。屋面采用一定厚度的现浇混凝土结构。吸附塔厂房均采用370mm，墙体为密实砖块或混凝土，屋面采用混凝土现浇或双层夹芯棉结构，屋面与墙面间连接处应密实，且接缝处内外两侧均采用结构胶进行密封。（3）对罗茨设备厂房的排、换气系统加设消音器，避免噪音从排、换气扩散排放。（4）采用合理的调节方式，使罗茨风机入口和出口在一定流速下能均匀进气，减小因罗茨风机进、出口阻力而造成的噪声。（5）隔声门采用声闸结构隔声门，即采用双层门厅结构，隔声量在40dB(A)左右。

3.3气流噪音控制方法

气流噪音可以通过以下几个方面进行控制：（1）对变压吸附制氧的所有管道进行一定厚度的消音材料包覆，使管道产生的噪声被消音材料吸收。（2）将管道中的气体流速控制在一定的范围内，避免因涡阻现象导致气体的紊流现象而引起这些部位的剧烈振动产生噪声。（3）在动力设备进出口增加管道消声器以及在管道放空处增设管道消声器，气体经过管道消声器后，噪声可降低15dB(A)左右。（4）在程控阀门处设置专用消声器，起到降低阀门噪声的作用。（5）对于大管径管道，设置合适的管道支架，减少因管道振动带来的噪音。（6）管道与设备间连接设置弹性接头软连接，软连接具有隔振减噪的作用。

4结语

随着变压吸附制氧装置的大型化，装置运行所产生的噪声对厂区及周边环境构成了噪声污染，对生产和生活产生严重影响，且现代社会对环保要求也越来越高，因此变压吸附制氧装置的噪声处理要求也越来越高。变压吸附制氧的噪声经上述方法处理后，最大限度的降低了制氧装置在工作时造成的环境污染，达到国家要求的排放标准。

参考文献：

[1]邢华奎.基于薄膜型声学超材料的罗茨风机隔声装置的研究与应用[D].华南理工大学,2020.

[2]王建辉,李沛沛.聚合物-粉煤灰陶粒多孔降噪声屏障材料制备及影响因素分析[J].长安大学学报(自然科学版),2020,40(05):27-37.