變壓吸附制氫裝置噪聲分析與控制技術探析

張雨 唐俊峰（陜西未來能源化工有限公司，陜西 榆林 719000）

變壓吸附是制氫的一種實用方式，變壓吸附可以從多種氫氣源來進行氫氣的提取工作，變壓吸附制氫的壓力適應范圍較廣、啟停便捷、自動化程度高并且能耗低，因此變壓吸附制氫在眾多行業(yè)中廣泛應用，例如能源行業(yè)、化工行業(yè)、環(huán)保行業(yè)、冶金行業(yè)等。為了使變壓吸附制氫裝置可以在日常生產(chǎn)活動中長期穩(wěn)定工作，就要對其相關的工藝、吸附塔結構、吸附裝置管路計算、吸附劑、程控閥以及裝置的控制系統(tǒng)進行研究。現(xiàn)代社會大力提倡環(huán)保節(jié)能思想，因此變壓吸附制氫裝置的噪聲被相關行業(yè)加大了關注程度，因此文章對變壓吸附制氫裝置噪聲分析與控制技術進行了探究。

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)

變壓吸附制氫工藝主要利用的原理是吸附劑上平衡吸附容量差異，壓力越大吸附質的總量越多，并且變壓吸附制氫的壓力具備周期性，根據(jù)周期性來實現(xiàn)變壓吸附制氫的吸附、解吸兩種制氫過程的不間斷交替，最終達到氫氣提純的生產(chǎn)目的。通用的變壓吸附制氫步驟主要包括：氫氣吸附、系統(tǒng)多級均壓降壓、裝置順放、解吸以及裝置多級均壓升壓，其中解吸又包括逆放步驟、沖洗步驟以及抽空步驟，變壓吸附制氫系統(tǒng)中實現(xiàn)壓力改變的主要在于均壓、順放以及逆放三個過程。

變壓吸附制氫工藝主要用到了管道、吸附塔、順放罐、程控閥以及逆放緩沖罐，由程控閥來實現(xiàn)自動化控制系統(tǒng)所發(fā)出的程序指令，讓其他裝置來實現(xiàn)變壓吸附制氫工藝的各個步驟。變壓吸附制氫裝置壓力改變初期，整個系統(tǒng)存在一定的壓力差，這會導致管路系統(tǒng)和塔內(nèi)中有一定的流速，從而導致出現(xiàn)流速噪音。例如在變壓吸附制氫裝置中50000Nm3/h 的均壓環(huán)境下，提純氫氣第一步的變壓吸附制氫系統(tǒng)中一些位置氣體流速較低，尤其是在系統(tǒng)兩吸附塔出口的主管路中更加明顯，但是在兩程控閥之間的均壓管路流速很高，流速甚至達到了超音速的標準，變壓吸附制氫系統(tǒng)的壓力降也主要在兩程控閥之間，從阻力系數(shù)角度來看，程控閥阻力加大，其阻力在部分均壓步驟中至少占到了總阻力的一半，所以程控閥的壓力變化幅度較大。變壓吸附制氫的變壓吸附是一個瞬態(tài)的變化過程，系統(tǒng)壓力降低，氣體密度變小，這一變化過程開始后的流速將漸進增加。

1.2 變壓吸附制氫噪聲源介紹

將變壓吸附制氫系統(tǒng)出現(xiàn)噪聲的原因進行分類，具體可化為三類：機械噪聲、空氣噪聲、以及電磁噪聲。機械噪聲主要是震動性噪聲，在變壓吸附制氫系統(tǒng)中，機械噪聲主要來自瞬態(tài)過程中系統(tǒng)內(nèi)氣流沖擊和高速氣流發(fā)出的氣流動力性噪聲產(chǎn)生的機械振動噪聲，變壓吸附制氫裝置閥門處流場變化情況較為復雜，流場不僅僅會出現(xiàn)渦流，還會生成高速氣體對閥門有沖擊作用，這就會導致變壓吸附制氫系統(tǒng)出現(xiàn)十分明顯的空氣動力性噪聲，通過對實際變壓吸附制氫裝置中的壓力計算可知，距離管壁1m的噪聲加權聲級是113dB（A）。變壓吸附制氫裝置中的氣體振動也會產(chǎn)生空氣動力性噪聲，裝置中的氣體出現(xiàn)渦流或者出現(xiàn)裝置內(nèi)部壓力突變，都會引發(fā)變壓吸附制氫系統(tǒng)內(nèi)部氣體擾動，從而出現(xiàn)空氣動力性噪聲。在變壓吸附制氫裝置的緩沖罐中，氣體流通的面積如果出現(xiàn)突然放大的現(xiàn)象，會產(chǎn)生管道空響的噪聲，從科學角度進行解釋就是裝置管道內(nèi)部有高速噴出的氣流對周邊環(huán)境的氣體進行剪切以及沖擊，從而產(chǎn)生劇烈的氣體擾動，這種原理引發(fā)的噪聲被稱為噴注噪聲。

2 變壓吸附制氫裝置的噪聲控制技術

噪聲主要由三個方面形成：聲源、傳播方式、聽者，因此變壓吸附制氫裝置噪聲的實際解決措施也從這三個地方入手，這樣才能更好的控制變壓吸附制氫裝置的各類噪聲。在一般變壓吸附制氫裝置噪聲控制中，可以選用有效的制氫降噪工藝方法來處理聲源噪聲并且改善噪聲的傳播途徑。

2.1 變壓吸附制氫裝置噪聲源控制技術

變壓吸附系統(tǒng)主要有兩個噪聲源，分別是緩沖罐噪聲和閥門噪聲，這兩個噪聲源都是變壓吸附制氫裝置中的高速氣流形成的，根據(jù)高速氣流形成噪聲的原理可以對變壓吸附制氫工藝進行優(yōu)化來改善，降低變壓吸附制氫中的流速可以極大降低變壓吸附制氫生產(chǎn)活動的噪聲。在變壓吸附制氫的均壓過程中，將均壓過程的時間進行延長，減慢均壓過程裝置氣流的速度，一般的變壓吸附制氫裝置均壓時間在20～30s，還有一部分變壓吸附制氫裝置的均壓時間低于15s，通過科學的變壓吸附制氫裝置管路計算，得出將均壓過程控制在大約25s 可以有效的將氣流流速降低到原流速的50%，這樣可以有效降低閥門噪聲，除了這個方法，也可以通過控制調(diào)節(jié)閥來降低均壓過程的最大流速，這種方法也能夠有效改善噪聲源所產(chǎn)生的噪音。對于變壓吸附制氫的順放步驟和逆放步驟來說，可以通過增設總管調(diào)節(jié)閥來有效控制裝置中氣體的釋放速度，根據(jù)研究可知，噴注噪聲的數(shù)值和氣流速度數(shù)值的8次方是正比關系，因此增設調(diào)節(jié)閥同樣可以有效降低噪音。

2.2 變壓吸附制氫噪音途徑控制技術

作為較為常見的方法，隔聲措施可以有效降低變壓吸附制氫裝置的噪音。使用高比重、高密度的材料對噪音聲源進行隔離，這樣可以有效防止噪聲影響外界，但是想要達到較好的降噪效果，則需要根據(jù)噪音源的特性來選用隔離材料，并且要設計相應的隔聲結構，這樣才能在噪音途徑上進行降噪處理。消聲器是可以有效降低噪音的設備，使用這種設備可以在變壓吸附制氫的氣體以順利流通的前提下降低噪音，消聲器中有吸聲內(nèi)襯以及特殊消聲結構，這樣可以提供特殊的氣流管道，因此主要在動力設備的排氣口進行氣流消聲處理，消聲器可分為四類：抗性消聲器、阻性消聲器、共振式消聲器以及復合式消聲器，根據(jù)這幾種消聲器不同的性能和消聲原理，可應用在不同的噪聲途徑降低噪聲。

2.3 設計高性能管道消聲器

對于應用在工業(yè)大型變壓吸附設備來說，在設備的程控閥門處設置專用消聲器能夠起到降低噪聲的作用，但是設備管道的空間較小，這就對消聲器的物理結構有一定的要求，現(xiàn)在工藝變壓吸附裝置廣泛使用小孔消聲器，值得注意的是變壓吸附制氫瞬態(tài)過程中氣體的瞬時流速很高，但是閥門處安裝的消聲器所發(fā)揮的消聲作用有限，其原因在于程控閥門處存在的空氣動力學噪聲不僅僅有很大的強度，并且噪音的頻率帶較寬，但是常見的消聲器只能改善頻率范圍窄的噪聲。因此設計高性能管道消聲器是十分有必要的，提升消聲器的消聲性能是改善變壓吸附制氫裝置噪聲的有效途徑。

3 結語

現(xiàn)代用于氫氣提純的變壓吸附制氫裝置體積越來越大，設備運行所產(chǎn)生的噪聲對周邊環(huán)境有一定的不良影響，因此變壓吸附制氫裝置的噪聲處理越來越被人們所重視，將變壓吸附制氫的工藝和裝置管道進行改善，使用各類消聲技術來最大程度上解決噪聲問題。國家對環(huán)保問題極大了重視程度，做好噪聲處理工作是工業(yè)發(fā)展的趨勢，這樣才能滿足現(xiàn)代人生活品質的需求，建設文明和諧的社會環(huán)境。