复合型消音器在高压蒸汽排空中的应用及设计

根据GB 3096—2008声环境质量标准要求，任何地方环境噪声昼间不得超过50～70 dB，夜间不应高于40～60 dB。炼油、煤化工、电厂等的蒸汽锅炉是产生大量噪音的源头，尤其是对空排汽，因其声级高、传播远、污染面广，对周围环境和人员影响极大。因此，对高压蒸汽锅炉消音器的设计与选用至关重要。

1 消音器概况

消音器按消声机理分为5种主要类型，即阻性消音器、抗性消音器、阻抗复合式消音器、微穿孔板消音器、降压扩容（小孔喷注型）消音器。各类消音器消声原理及适用场合见表1。

表1 消音器原理及适用场合

2 高压蒸汽排空噪声的特点

高压蒸汽排空时，高温、高速、高压气体在极短时间从排放口喷射出来的“射流”使邻近的大气一起运动，形成“卷吸”，并沿着射流方向逐渐扩散，气体压力锐减为环境压力，而体积相应扩大，在射流核心区域附近，“射流”气体与“卷吸”气体剧烈碰撞产生高频噪声，此为射流噪声的主要区域。气体流速随着“射流”宽度的扩大而降低，产生中、低频噪声。由此可见，高压蒸汽排空的噪声具有突发性、声级高、频带宽、传播远等特点。只有设计结构合理的消音器，才能降低噪声污染，减少噪声对人员的伤害。

3 高压蒸汽消音器设计机理

目前，控制排汽放空噪声的有效方法是在排汽管口安装消音器，针对高压蒸汽排空噪声的特点，该消音器必须具有降压降速、改变频率或改变喷射气流参数等功能才能取得消声效果。

1）利用节流降压原理降低蒸汽的排放压力。由于排气噪声功率与压力降的2.3次方成正比[1]，通过多级孔板串联，将排汽总压降分散至各级节流孔板上，即把压力突变排空改为压力渐变排空来获得消声效果。

2）利用小孔喷注的移频效应。在声功率不变情况下，小孔喷注能改变噪声的频谱特性，将噪声从低频移向高频，使峰值频率落在人耳不敏感的频率范围（＞8 000 Hz）或感觉不到的超声频率范围（＞20 000 Hz）。

3）利用阻性吸声层。蒸汽气流经过节流降压、小孔喷注后进入阻性吸声层，声波在吸声材料中的摩擦和粘滞阻力将声能转化为热能，从而达到消声效果。

4）控制产生再生噪声。蒸汽流速越大，再生噪声越大。控制排气口的截面积，可降低蒸汽气流产生的再生噪声。一般高压排汽放空消声器内的气流流速不宜大于60 m/s。

综上所述，拟采用节流降压+小孔喷注+阻性吸声结构来控制高压蒸汽排空噪声。

4 结构设计

4.1 节流降压层

4.1.1 节流级数确定

各级节流孔板所承担的压降，按临界比设计，即

式中:Pn为第n级节流孔板后的压力，可按驻压Ps取值，MPa；P1为节流孔板前的压力，即消音器入口压力，MPa；n为节流孔板（含小孔喷注层）级数；q为压强比（节流孔板后的压力Pn与该级节流孔板前的压力Pn-1之比），

对饱和蒸汽q=0.577，过热蒸汽q=0.546。

根据文献 [2]的试验结果，小孔喷注后的噪声大小在很大程度上取决于喷注前的驻压。如果将进入末级小孔前的驻压控制在0.8 MPa左右，在距排汽口100 m处的噪声已降至60 dB。故计算时可取Ps=0.8 MPa。

对式（1）左右两侧取对数，可得

4.1.2 节流降压每级流通截面积

第1级节流降压流通截面积计算公式[3]为

式中:S1为第1级节流降压层流通截面积，cm2；K为排放不同介质的修正系数；饱和蒸汽可取14，过热蒸汽可取13.4；μ为流量系数，1.2～2.0；G为排气汽量，kg/h；V1为节流前气体比容，m3/kg。

已知第1级节流降压截面积后，可按与比容成正比例的关系近似确定其余各级流通截面积，简化计算公式为

式中:Sn为第n级节流降压层流通截面积，cm2；q为压强比。

消音器的各级节流板不但应有足够的流通面积，还应有充分的扩容空间，以避免气流在节流中产生二次噪声通过下一级节流传播，因此各节流层的间距应大于15倍孔径。按GB/T 50087—2013工业企业噪声控制设计规范的相关规定，每级开孔总面积应大于原排汽口面积的1.5～2倍。

4.1.3 节流降压消声量计算

节流降压消声量计算公式[3]为

式中:a为修正系数，取0.9±0.2，当压力较高时a取偏低值，压力较低时a取偏高值；P0为环境压力，MPa；n为节流降压层数。

4.2 小孔喷注层

4.2.1 小孔孔径

理论上小孔喷注的孔径越小消音效果越好。实际上由于孔道堵塞和加工困难，孔径不宜太小，一般为1～3 mm。孔间距一般为孔径的5～10倍为宜。

4.2.2 小孔数量

小孔数量计算公式为

式中:N为小孔数量，个；Q为蒸汽总排量，kg/h；qs为单个小孔流量，kg/h。

当消声器室温度Ts≠645 K时，半经验计算公式[4]为

式中:ψ为与小孔直径有关的系数；Ps为驻压，MPa；Ts为消声器室温度，K（见表2）。

表2 小孔直径d与ψ关系表

4.2.3 喷注层消音量计算

喷注层消音量的经验计算公式[3]为

式中:d为小孔孔径，mm。

4.3 阻性吸声层

4.3.1 阻性吸声层构成

阻性吸声层一般由吸声材料+玻璃布+不锈钢板构成。吸声材料可采用密度为15～25 kg/m3、孔隙率为95%的超细玻璃棉。为弥补吸声材料吸水率高的缺点，在超细玻璃棉外加玻璃布和一层塑料薄膜。最外层设置一层不锈钢穿孔板，其穿孔率为25%～30%[5]，以避免蒸汽气流对吸声材料的冲击。

4.3.2 阻性吸声消音量

阻性吸声层的消音量计算公式为

式中:φ（a0）为消声系数，由法向吸声系数a0决定，可按表3选取；p为阻性吸声段内吸声材料的饰面周长，m；l为阻性吸声段的长度，m；S为阻性吸声段通道截面积，m2。

表3 消声系数取值

5 设计实例

以某硫磺回收装置52 t/h锅炉为例设计排汽消声降噪的复合消音器介绍如下。

5.1 原始数据

介质类别:饱和蒸汽；介质参数:P0=4.5 MPa（绝压），t0=257℃；锅炉额定蒸发量:G=52 t/h；设计汽体流量:按照锅炉蒸发量的30%考虑，即Q=（52×0.3）t/h=15.6 t/h；排气管:DN100；设置目标:要求距离声源1 m处噪声≤85 dB。

5.2 设计计算

5.2.1 节流降压级数

根据式 （2）可得

此型消音器采用3级结构就可达到消声要求，其中最内层为节流降压级，外2层为小孔喷注级。

5.2.2 小孔数量计算

根据式（7），可得小孔的单孔流量为

孔数N=Q/qs=15 600/11.1=1 406个。

小孔孔径d取2 mm。

5.2.3 原始噪声量

离噪声源1 m处的原始噪声为

式中:D0为消音器入口管径，m。

5.2.4 消音量计算

根据式（5），节流降压消音量为

小孔喷注消音量为

根据式（9），阻性吸声消音量为

此消音器理论消音量为

预计加装消音器后距消音器1 m处的声压级为153.9 dB-74.2 dB=79.7 dB＜85 dB，满足设计要求。

5.3 结构简图

结构简图见图1。

图1 结构简图

6 结束语

采用节流降压+小孔喷注+阻性吸声高效复合结构消音器，可以有效控制高压蒸汽排空噪声，将噪声值从153.9 dB降低至79.7 dB，从而减少对人体的伤害。该类消音器不仅适用于锅炉高压蒸汽排空，也适用于宽频带的高压气流排空，具有很好的应用前景。