吸附式制氧机组噪声研究与控制.pdf

METALLURGICAL INFORMATION REVIEW 2024.245冶金信息导刊工程装备Engineering Equipment吸附式制氧机组噪声研究与控制王 明 杨智伟 金 勇（方大特钢科技股份有限公司 南昌 330012）摘要：介绍了吸附制氧机组噪声源产生的部位及强度，分析了噪声源特性及传播规律，重点介绍了目前吸附制氧建设项目中噪声治理采用的工艺及施工运行中存在的问题，提出了解决问题的方案，为吸附制氧工程项目噪声治理设计施工提供思路。关键词：吸附制氧；真空泵；低频噪声RESEARCH AND CONTROL ON NOISE OF ADSORPTION OXYGEN PRODUCTION UNITSWang 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 noise0 前 言随着我国经济飞速发展，基础建设规模持续扩张，钢铁需求不断加大，刺激钢铁企业抓住机遇，采用快速高效的技术进行钢铁生产，如炼铁富氧喷煤技术等。为了满足炼铁工艺供氧强度的进一步提高，吸附制氧以其建设周期短、投资省、见效快也被越来越多企业所采用，取得了良好的效果，但同时也带来了较为严重的噪声污染问题。由于工艺要求，污氮放空需通过放散塔高空排放，因此，其特有的类似直升机螺旋桨产生的噪声在特定气象条件下，传播距离可达 3 km 以上，对附近居民造成严重干扰，必须进行治理。1 吸附制氧噪声源分析1.1 吸附制氧工艺简介吸附制氧设备采用两塔变压吸附工艺，工艺流程如表 1 所示。表 1 两塔变压吸附工艺流程吸附塔主要操作步骤A吸附A均压降ED解吸V冲洗 P均压升ERB解吸V冲洗 P均压升ER吸附A均压降ED 在一个周期内，每个吸附塔都至少需经过“吸附”“均压降”“解吸”“冲洗”和“均压升”五个步骤，在同一时刻两台吸附塔分别处于不同的操作阶段。变压吸附基本过程如图 1 所示，即吸附塔在一个周期循环里，氮气吸附量和压力变化的彼此第一作者：王明，男，34 岁，工程师收稿日期：2023-12-20METALLURGICAL INFORMATION REVIEW 2024.246冶金信息导刊工程装备Engineering Equipment关系。图 1 变压吸附基本过程示意简单说吸附制氧工艺就是利用吸附塔内的吸附剂将空气中的 H20、CO2、N2依次吸附掉，留下产品氧气，经缓冲罐供用户使用；然后对吸附单元抽真空，将吸附剂中截留的氮气（含杂质）由放散塔排出，吸附剂完成再生。一套制氧机组由两个吸附单元组成，两个单元“产气-再生”交替反向运行，实现氧气连续生产的过程。以上各步骤的切换主要由控制系统和专用开关蝶阀完成。控制系统按照各步骤的先后逻辑（简称“时序逻辑”）来开关各专用蝶阀，进而控制吸附塔在“吸附”“均压降”“解吸”“冲洗”“均压升”等步骤过程中的时间长短，以此实现氧氮分离，最终制取符合客户要求的产品氧气。制氧工艺设备组成:罗茨鼓风机、真空泵机组、吸附分离系统、气动阀门切换系统、仪表控制系统、电气控制系统等。1.2 噪声源分析1.2.1 噪声来源噪声来源分两类，一类是罗茨风机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。1.2.2 噪声产生及特性1）罗茨设备的机械噪声。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。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。电机是罗茨风机的重要组成部分，其噪声也很明显。上述噪声再加上风机进气容积的亥姆霍兹共鸣,罗茨鼓风机的局部噪声在 115 dB（A）以上。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。放散塔噪声监测频谱情况如表 2 所示。Q4Q3Q2Q1FDBACB真空解吸冲洗均压升均压降吸附P1 P2 P3 P4表 2 放散塔噪声监测频谱位置SPL/dB(A)LMAX频率/HZ8 0004 0002 0001 0005002501256331.5A 吸附制氧消声井排口114.1116.890.0100.5103.9106.5105.6112.3100.474.464.9B 吸附制氧消声井排口112.7113.582.396.0103.5109.1108.5102.391.975.967.2A 吸附制氧消声井底部108.5111.174.689.297.8101.9106.4100.394.781.869.7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。机械噪声通过管道等固体传声也可通过放散塔辐射到大气中。该噪声传播距离远，影响范围广。2）气流噪声。气流噪声贯穿整套变压吸附制氧生产过程。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。随着变压吸附制氧设计过多的考虑经济性，管道内气流速度瞬时可达 40 m/s 以上，从而变压吸附制氧装置的METALLURGICAL INFORMATION REVIEW 2024.247冶金信息导刊工程装备Engineering Equipment气流噪声也很大，一般在 90 dB（A）左右，主要影响岗位环境。3）阀门切换排气噪声。变压吸附制氧装置是由程控阀门的频繁开关实现的，专用蝶阀采用压缩空气驱动，每次阀门动作结束后，气缸需要排气，压缩空气从高压突然释放至常压，冲出排气口时产生强烈噪声，气动噪声可达 100 dB（A）以上。该噪声传播距离不远，主要影响现场岗位环境。2 噪声治理工艺2.1 吸附制氧配套噪声治理工艺罗茨鼓风机、罗茨真空泵机械噪音主要依靠厂房隔声。一般采用砖混墙体的结构，顶部采用轻型隔声构件进行隔声处理。隔声量一般可以做到35 dB 左右，基本能满足厂区内的治理要求。如果制氧机组临近厂界，则需要另外对鼓风机和真空泵设备单独设置隔声间，同时考虑通风散热。罗茨鼓风机、罗茨真空泵设消音放散塔（如图2 所示）。其中，鼓风机排气采用阻性消声器，气流在放散塔顶部横向流动再上出；真空泵排气采用阻抗复合消声结构，放散塔下部为抗性节流段，上部加阻性片式消声。根据消声原理和消声器结构尺寸计算，理论消声量可达 45 dB 左右。阀门切换排气噪声在排气口处配置 CS-B 型多图 2 放散塔消音工艺结构设计示意孔陶瓷消声器。消声量一般可达 30 dB 以上，缺点是设备阻力大，易堵塞等。2.2 存在的问题及原因分析根据对多个吸附制氧机工程案例统计分析，发现噪声控制普遍存在几个问题。2.2.1 放散塔噪声治理效果差，噪声排放影响范围大真空泵放散塔噪声控制效果差，出口排放噪声可达 110 dB 以上。噪声传播距离远达 3 km 以上，其特有的类似直升机螺旋桨产生的噪声对附近居民造成严重干扰。造成放散塔噪声控制效果差的原因有以下几点：1）噪声治理工艺选择有误，抗性消声未起作用。从设计单位提供的消音放散塔的结构图纸分析，该消声结构设计思路为抗性消声+阻性消声。放散塔外壁采用混凝土浇筑成 3 000 mm3 000 mm14 400 mm 的桶状结构，放散塔中间用混凝土隔成三个腔室。根据气流方向从下往上看，下部两个室组合为抗性消声结构，第一隔层隔板中部设置有直径 1 000 mm、长度 2 275 mm 的连接管 1 根，第二隔层设计有直径 820 mm、长度 1 710 mm 的连接管2 根；上部腔室装有无边框阻性消声器。METALLURGICAL INFORMATION REVIEW 2024.248冶金信息导刊工程装备Engineering Equipment从运行情况看，由于上部装有阻性消声器，根据其有效消声长度 2.5 m 计算，消声量应有25 dB，而实际排放基本上未消减，说明抗性消声结构未起到消声作用，可能反而放大了噪声。2）消音放散塔漏声，阻性消声作用有限。由于放散塔为混凝土浇筑结构，内壁平直度不会太好。无框消声器从顶部吊装进入塔内，边缘预留间隙过大，约 100 mm 左右，噪声可通过间隙泄漏出去。参照隔声构件经验，当漏声面积占整个构件面积的 1%，其消声量降低最高不超过 20 dB；当孔、洞、漏缝面积占 10%时，则隔声量最大不会超过 10 dB 1。而该处缝隙面积约占 6.7%，可见其噪声消减量也就非常有限了。3）内壁未做吸声，噪声源增强。放散塔内壁未做吸声处理，声波在放散塔内壁反射叠加，出口噪声排放至少增加 3 dB。如果采取内壁吸声措施，噪声消减量至少 3 dB。这一项措施未实施就增加了 6 dB 的排放。4）消音放散塔内消声结构选材问题。真空泵运行需要用水进行密封，在排气过程中污氮夹带较多的水分，而消声片采用普通钢材制作，因此，短期内消声片骨架、冲孔板等发生严重腐蚀脱落情况，造成消声结构不完整，消声效果大打折扣。以上四个问题共同作用，造成消音放散塔降噪效果下降或失效。2.2.2 真空泵排气管道噪声辐射强烈真空泵排气管道通过预留孔洞进入放散塔，一般会对管道进行包扎隔声处理，并对孔洞进行填充。在生产过程中，由于真空泵周期性排气，造成放散塔内外压差反复突变，其孔洞处填充物松脱，形成严重漏声，噪声排放强度与真空泵本体几乎相当，可达 110 dB。2.2.3 切换阀排气噪声实际运行过程中，配套消声器运行一段时间后，其阻尼材料内壁会被粉尘等堵塞，消声器阻力增大，阀门切换时间延长，影响正常生产。因此，该消声器往往被拆除后不恢复，从而造成现场噪声污染严重。2.3 整治措施根据现有制氧机组噪声治理设施运行状况及设计施工存在的问题，提出以下整治措施。2.3.1 排气放散噪声治理1）真空泵排气噪声的治理是吸附制氧机组噪声控制的重点难点。在不改变现有消音放散塔结构的基础上，可以有两种整治措施：一种是在现有放散塔上方增加二级消声器。片式消声器计算公式2：a+hLB=2(a0)i ah式中：LB为消声段的消声量，dB；(a0)为消声系数；a为吸声片间距，m；h为吸声片空间长度，m；i为消声段有效长度，m。通过计算，消声器的有效长度必须达到 3 m，同时必须改变气流行进路线，才能满足 30 dB 消声量。另一种是取消现有消音放散塔下部的抗性消声结构，采用节流降压消声器取代现有结构，即在真空泵放散管道出口增设两层节流孔板，设计适当的通流截面，使原来高压气体直接排空改为通过多层降压装把压力逐步降低再排空，而取得较好的消声效果。按照此整治措施，可以有效降低进入消声塔的噪声强度，为阻性消声创造条件。优点是投资较小，缺点是施工难度过大，要求停机时间充裕，影响生产。2）放散塔内部漏声整治。放散塔漏声主要是施工问题。在阻性消声器安装完成后，对于消声器与放散塔壁之间的空隙必须进行封堵，采用“U”型槽在间隙处焊接封堵，槽中间填充吸音棉，防止噪声直接通过缝隙传出，让阻性消声器真正发挥作用。3）为了减少停机时间，消音放散塔内壁无法做吸声处理，可以简单做拉毛处理，减小内壁的镜面反射，至少噪声的叠加产生。4）对于真空泵放散塔内消声器腐蚀问题，可以选用不锈钢材质加以克服。2.3.2 真空泵排气管道噪声治理真空泵穿墙管道降噪是最容易被忽视的而影响又是非常严重的一个环节，它不仅影响地面现场环境，而且会通过放散塔等构筑物向上传播，远距离影响环境。该处治理措施重点有两个：一是管道包扎处理必须加强，采用阻尼材料、吸声棉、无碱憎水玻璃布、镀锌板等包扎处理工艺进行施工，减小管道辐射噪声。二是做好穿墙管道封堵，管道外部采用隔METALLURGICAL INFORMATION REVIEW 2024.249冶金信息导刊工程装备Engineering Equipment声构件或用砖墙砌筑。如此设计施工可以降低噪声排放 35 40 dB。2.3.3 切换阀排气噪声切换阀排气噪声属于喷注噪声。测量表明，沿喷注表面，在喷口附近，声压较低，在 3 4倍喷口直径的距离内迅速增加到极大值，以后又慢慢降低，喷注噪声大部分来自混合区和过渡区的湍流运动，高频噪声主要是在喷口附近产生的，低频噪声主要是在下游产生的，频谱峰在核心的尖端附近3。目前，阀门切换排气消声使用多孔陶瓷消声器，由于其体积小巧、效果明显，具有一定优势。但其阻力上升快、使用周期较短，不利于其推广应用。因此，可以在距离阀门比较近的位置设置一台排气消声器，将所有阀门排气用管道引入消声器集中处理，这样可以做到“一劳永逸”。2.3.4 噪声治理设计中还存在一种情况，即厂房内负压高，检修门打开困难厂房隔声工艺越来越多采用室内进风的模式，即利用厂房内风机将室外空气引入室内，达到风机取气和对室内降温的作用。这样可以取消通常配置室内进风风机及消声器的做法，节约建设费用及运行成本。厂房隔声工艺必须根据室内风机风量，将进风消声面积设计得足够大，保证消声断面的流速小于 8 m/s。3 治理效果通过以上治理措施，制氧机厂房周围噪声可以达到 80 dB 以内，如果厂界距离较近，可以单独对真空泵、鼓风机设置隔声间，可以使厂房周边噪声进一步降低至 60 dB，通过距离衰减，厂界噪声可以达标。通过二级消声，放散塔顶部噪声排放降至75 dB，消除真空泵特征噪声扰民现象。4 结 语吸附式制氧是近年来建设较多的制氧系统，适应了当前钢铁工业发展的需要，但其突出的噪声污染是一个不可回避的问题，必须加以解决。上述是吸附式制氧机配套建设噪声治理中出现的常见问题，提出了切实可行的解决办法。为吸附式制氧机建设噪声污染治理设计、施工提供了思路，为吸附制氧机噪声排放达标、减少扰民现象提供了治理方向。参考文献1 吕玉恒,王庭佛.噪声与振动控制设备材料选用手册 M.第2 版.北京：机械工业出版社,1999.2 马大猷.噪声与振动控制工程手册 M.第 1 版.北京：机械工业出版社，2002.3 杨红伟，孙金凤，王艳，等.噪声控制新技术与消声器设计选用及质量检验标准规范实用手册M.第1版.北京：北方工业出版社，2006.目 前 炼 钢 厂 氧 枪 的 设 计 供 氧 流 量 为38 000 Nm3/h，因为回收系统的限制、废钢装配过多、吹炼过程溢渣等问题导致班组在吹炼时常使用36 00038 000 Nm3/h吹炼，也就是说一直处于“软吹”状态，软吹会大大地降低氧气对熔池的穿透能力和搅拌能力，射流的性能很不稳定，致使吹炼过程操作很不稳定，同时由于喷头端面和氧孔内造成负压，极易吸入钢渣，造成喷头损坏。因此，在吹炼中应尽量杜绝“软吹”，保证实际供氧流量在设计流量 38 000 Nm3/h 以上。在供氧流量为 38 000 Nm3/h 时，化渣枪位范围建议为 170 220 cm，拉碳枪位为 150 cm；在供氧流量为 40 000 Nm3/h 时，化渣枪位范围建议为 180 250 cm，拉碳枪位为 170 cm；在供氧流量为 42 000 Nm3/h 时，化渣枪位范围建议为 200 280 cm，拉碳枪位为 180 cm。参考文献1 王新华.钢铁冶金 M.北京:高等教育出版社,2010.2 张岩,张红文.氧气转炉炼钢工艺与设备 M.北京:冶金工业出版社,2019.3 刘锟,刘浏,何平,等.转炉生产低磷钢的脱磷反应热力学 J.钢铁,2012,47(1):34-39.4 Double Slag Operation Dephosphorization in BOF for Producing Low Phosphorus SteelJ.Journal of Iron and Steel Research(International),2009,16(3):6-14.5 阚永海,范鼎东,任茂勇,等.120 t 转炉氧枪喷吹射流特性及其冶金效果 J.天津冶金,2019(6):1-5.6 周振宇,唐萍,周遵传,等.200t 提钒复吹转炉氧枪喷头优化J.钢铁,2019(9):50-56,105.（上接第 29 页）