肼推進(jìn)劑廢氣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝戰(zhàn)焱，孫 波，朱海濤，金朝旭

（1. 北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074；2. 中國人民解放軍駐二一八廠軍事代表室，北京 100176；3. 空軍裝備部航材部，北京 100038）

肼推進(jìn)劑廢氣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝戰(zhàn)焱1，孫 波2，朱海濤3，金朝旭1

（1. 北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074；2. 中國人民解放軍駐二一八廠軍事代表室，北京 100176；3. 空軍裝備部航材部，北京 100038）

為吸收某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)尾氣中所含的肼和氨氣，設(shè)計(jì)了肼推進(jìn)劑廢氣處理系統(tǒng)，處理后的氣體達(dá)到可排入大氣的標(biāo)準(zhǔn)。文章介紹了肼分解廢氣處理的7種常用方法，經(jīng)比較選擇使用處理液噴淋的方法。廢氣處理系統(tǒng)實(shí)際達(dá)到的技術(shù)參數(shù)為：對(duì)空自運(yùn)行流量 944Nm3/h；發(fā)動(dòng)機(jī)試車狀態(tài)下經(jīng)過處理的廢氣中肼含量＜0.0012mg/m3，氨含量為0.0326～0.057mg/m3（廠界值，共檢測(cè)4點(diǎn)）。檢測(cè)結(jié)果大大優(yōu)于國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)過數(shù)十次發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)的實(shí)踐證明，系統(tǒng)能夠滿足用戶使用要求，并且操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行可靠、免于維護(hù)。

肼；推進(jìn)劑；發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)；廢氣處理；噴淋

0 引言

肼推進(jìn)劑是性能優(yōu)良的高能液體燃料，廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域［1］。因其具有高毒、易燃、易爆的特性，所有涉及肼推進(jìn)劑的作業(yè)都有可能產(chǎn)生肼廢氣，可能對(duì)作業(yè)人員造成傷害并污染大氣環(huán)境，所以必須對(duì)肼廢氣進(jìn)行處理，達(dá)標(biāo)排放。

肼廢氣的處理方法包括水吸收處理法、催化氧化處理法、活性炭吸附處理法、燃燒法、中和處理法、光催化氧化處理法、高空排放處理法等［2］。其中高空排放處理法只是靠氣流擴(kuò)散和稀釋而實(shí)現(xiàn)濃度降低；水吸收處理法和活性炭吸附法是將肼物質(zhì)物理濃縮和轉(zhuǎn)移，會(huì)產(chǎn)生大量的含肼廢水或固體廢棄物。實(shí)際上，這3種方法均未對(duì)肼物質(zhì)進(jìn)行處理［3-7］。

燃燒法是先將處理設(shè)備加熱到規(guī)定的溫度，再通入待處理氣體進(jìn)行燃燒，因此需要添加輔助燃料啟動(dòng)和維持燃燒。國家標(biāo)準(zhǔn)要求包括肼在內(nèi)的危險(xiǎn)廢物燃燒溫度需維持在1100～1200℃［8］，這需要添加大量的燃料（柴油、煤油等），既耗費(fèi)能源又使操作有危險(xiǎn)，曾有燃燒法處理肼廢氣燒傷操作工的報(bào)道；另外，為保證廢氣中的肼氣體能夠充分燃燒，還需設(shè)置氣體分配裝置和復(fù)雜的控制裝置。催化氧化處理法使用中為防止催化劑中毒，需先對(duì)待處理氣體和輔助氧化的空氣進(jìn)行預(yù)處理和凈化；為保證催化效果，還必須采取措施使氣體與催化劑有盡量大的接觸面積，導(dǎo)致對(duì)催化劑的微觀形態(tài)要求高，一般需要在催化劑中添加有一定強(qiáng)度的成形用添加劑，因此催化劑制作工藝復(fù)雜、成本較高，還需要定期更換，而更換下來的催化劑仍需處理。由此看來，燃燒法和催化氧化處理法的投資和全生命周期運(yùn)行費(fèi)用均較高。

光催化方法可以有效降解多種揮發(fā)性有機(jī)物，但處理時(shí)間較長且需要較大的占地面積，肼廢氣在漫長的處理過程中對(duì)周圍的環(huán)境仍有不良影響。

與以上各種處理方法相比，中和法中采用專用處理液噴淋處理肼廢氣，具有反應(yīng)速度快、處理效果好的優(yōu)點(diǎn)，而且能源消耗較低，操作簡(jiǎn)便，還能夠吸收發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)廢氣中所含有的另一種有害氣體——氨氣。處理后的液體還有進(jìn)一步的處理方法，最終可以實(shí)現(xiàn)零污染排放。因此噴淋法處理肼及肼分解廢氣是全程環(huán)境友好的處理方法，實(shí)用性強(qiáng)。

經(jīng)過調(diào)研，采用專利號(hào)為CN102114381B的高效廢氣處理液［9］，能夠有效吸收處理肼推進(jìn)劑試驗(yàn)后產(chǎn)生的廢氣中所含有的肼和氨氣。實(shí)驗(yàn)室研究表明：該處理液經(jīng)過配比和稀釋，水溶液對(duì)肼含量≤3×10-3、氨氣含量≤40%的發(fā)動(dòng)機(jī)試車廢氣有很好的吸收處理效果。本文在此基礎(chǔ)之上經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計(jì)和計(jì)算，研制生產(chǎn)了一套專用于處理肼推進(jìn)劑地面試驗(yàn)廢氣的系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)作用和設(shè)計(jì)指標(biāo)

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的廢氣的主要成分是氮?dú)狻⒄羝?、氨氣、肼和氫氣。該肼推進(jìn)劑廢氣處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：

1）廢氣處理能力：600m3/h；

2）系統(tǒng)進(jìn)氣口處氣體溫度：≤100℃；

3）系統(tǒng)排氣口肼濃度：≤0.13mg/m3；

4）系統(tǒng)排氣口氨濃度：≤1.5mg/m3。

2 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)為氣液傳質(zhì)系統(tǒng)（如圖1所示）：肼廢氣經(jīng)過氣體輸送子系統(tǒng)從下至上、處理液被循環(huán)泵從處理液貯箱內(nèi)抽出經(jīng)液體輸送子系統(tǒng)從上至下分別進(jìn)入到吸收塔內(nèi)；氣體和噴淋液體在吸收塔內(nèi)的填料表面充分接觸，使廢氣中所含的有害氣體成分降低到國家標(biāo)準(zhǔn)許可的范圍內(nèi)；然后溶液從吸收塔底部回流至處理液貯箱完成循環(huán)，處理過的達(dá)標(biāo)廢氣由塔頂對(duì)空排放。處理液是循環(huán)使用的，設(shè)計(jì)更換周期約為 1年。

圖1　肼推進(jìn)劑廢氣處理系統(tǒng)示意Fig. 1 Schematic diagram of the waste gas treatment system of hydrazine propellant

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

肼分解產(chǎn)生的廢氣里面除含有殘余肼蒸氣之外還含有大量氨氣。查閱了各種文獻(xiàn)，能夠兼具去除這2種有害氣體并且環(huán)保處理、不產(chǎn)生二次污染的方法只有高溫燃燒或通過氣液傳質(zhì)設(shè)備進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)。經(jīng)過實(shí)地調(diào)研，綜合比較了這2種方法的優(yōu)缺點(diǎn)后，選擇了后者。

常用的氣液傳質(zhì)設(shè)備有板式塔和填料塔2種［10］。其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1［11］。

表1　板式塔和填料塔優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

本系統(tǒng)處理能力要求為600m3/h，屬于小處理量氣液傳質(zhì)設(shè)備；為降低成本，需要選擇在小直徑時(shí)有高效率的塔類型。因此確定選型為填料吸收塔。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：根據(jù)廢氣處理能力要求計(jì)算塔徑和填料高度，設(shè)計(jì)噴淋裝置及布?xì)庋b置，選配風(fēng)機(jī)和循環(huán)泵；根據(jù)匹配的噴淋量、噴淋壓力計(jì)算管道直徑和承壓、處理液貯箱承壓；根據(jù)布置現(xiàn)場(chǎng)情況計(jì)算塔承載、風(fēng)載荷和地震載荷，并設(shè)計(jì)設(shè)備基礎(chǔ)；繪制各子系統(tǒng)部件圖和總裝配圖；選配電控箱和電控元件。由于廢氣只是流經(jīng)該系統(tǒng)，所以系統(tǒng)設(shè)備屬于常壓設(shè)備，沒有承壓相關(guān)計(jì)算，強(qiáng)度計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單。而填料高度的計(jì)算是難點(diǎn)。

填料高度需要按照肼和氨氣的吸收過程分別計(jì)算，然后在兩結(jié)果間取大值。以下按照肼氣體闡述計(jì)算過程。

按照前期實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，所采用的處理液與含肼廢氣在進(jìn)行氣液傳質(zhì)時(shí)遵循的飽和平衡關(guān)系如圖2所示。

圖2　CN102114381B處理液處理肼的飽和濃度曲線（20℃）Fig. 2 Treating saturation concentration curve of hydrazine with CN102114381B treatment liquid （20℃）

由圖2可知，x與y近似為線性關(guān)系，可表示為

其中x和y分別為任意平面的液體和氣體中肼的摩爾分?jǐn)?shù)。

采用對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法計(jì)算填料層高度［11］，有

式中：Δya和Δyb分別為塔頂和塔底的氣相總推動(dòng)力；ya和 yb分別為塔頂和塔底氣體中肼的摩爾分?jǐn)?shù)；m為相平衡常數(shù)；xa和xb分別為塔頂和塔底液體中肼的摩爾分?jǐn)?shù)；Δym為塔頂、塔底推動(dòng)力的對(duì)數(shù)平均值。

故填料層高度為

式中：G為進(jìn)塔的氣體流率，kmol/（m2·s）；Kya為體積總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m3·s）。

5 系統(tǒng)主要組件設(shè)計(jì)選型

該廢氣處理系統(tǒng)由氣液傳質(zhì)子系統(tǒng)、液體輸送子系統(tǒng)、氣體輸送子系統(tǒng)、尾氣排放裝置、連接閥門和管道等組成。

系統(tǒng)使用的循環(huán)工質(zhì)具有弱腐蝕性，且氣體來源是發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)尾氣，進(jìn)氣口處溫度會(huì)比較高，故系統(tǒng)主體材料選用奧氏體不銹鋼06Cr19Ni10。

氣液傳質(zhì)設(shè)備是系統(tǒng)的核心部件，采用技術(shù)成熟的噴淋式填料吸收塔，其主要組件包括填料、噴淋裝置、布?xì)庋b置、承力結(jié)構(gòu)件等。

5.1填料

當(dāng)前性能最好的填料是規(guī)整填料，但對(duì)于本項(xiàng)目，規(guī)整填料的價(jià)格昂貴，缺乏使用經(jīng)驗(yàn)，且地面設(shè)備可以用填料高度來彌補(bǔ)填料性能的不足，因此綜合考慮性價(jià)比、循環(huán)工質(zhì)及氣體來源之后選擇不銹鋼材料的散堆填料。

5.2噴淋裝置

噴淋裝置決定吸收塔初始液體均布效果，對(duì)氣液傳質(zhì)效果影響很大，是吸收塔的關(guān)鍵組件。為最大限度發(fā)揮高效填料的性能，必須對(duì)噴淋裝置進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，以保證處理液在氣液傳質(zhì)裝置截面內(nèi)部盡量均布。噴淋裝置的總送液能力為［12］

式中：L為液體流量，m3/s；d為小孔直徑，m；n為孔數(shù)；φ為小孔流量系數(shù)；h為噴淋壓力，m。

5.3氣體輸送子系統(tǒng)

氣體輸送子系統(tǒng)的主要功能是提供氣體進(jìn)入系統(tǒng)至排放全流程的動(dòng)力，并且負(fù)責(zé)肼廢氣在全流程中的均勻分布流動(dòng)。其設(shè)計(jì)核心是選擇合適的風(fēng)機(jī)，并設(shè)計(jì)能達(dá)到氣體均布效果的氣體均布裝置，必要情況下需要設(shè)置多層氣體均布裝置。

風(fēng)機(jī)軸功率為［13］

式中：Pa為風(fēng)機(jī)的軸功率，kW；qv為混合氣體流量，m3/h；Δp為氣體通過系統(tǒng)的壓力降，Pa；η為風(fēng)機(jī)效率。

5.4液體輸送子系統(tǒng)

液體輸送子系統(tǒng)的主要功能是為處理液在全系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)提供動(dòng)力，并確保處理液與需處理的廢氣充分接觸。該子系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)包括泵的計(jì)算和處理液貯箱的匹配設(shè)計(jì)。

處理液需要獲得的、維持在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)運(yùn)行的功率即循環(huán)泵的輸出功率，為［14］

式中：Pu為循環(huán)泵的輸出功率，kW；ρ為處理液密度，kg/m3；g為重力加速度，9.81m/s2；Q為處理液的流量，m3/s；H為所需處理液初始流動(dòng)揚(yáng)程，m。

處理液貯箱的容量決定處理液的更換周期，而增大處理液貯箱的容量則意味著設(shè)備制造成本和占地面積的增加。因此，需要權(quán)衡一次性投入成本與使用方便性的綜合性價(jià)比，合理選配處理液貯箱的容量。

6 使用效果

6.1指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

系統(tǒng)處理能力的專項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果為：包括系統(tǒng)與廢氣來源管路對(duì)接的工藝管道在內(nèi)，系統(tǒng)對(duì)空自運(yùn)行流量為944Nm3/h，完全能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求并有較大余量。正常工作狀態(tài)下的專項(xiàng)排氣檢測(cè)結(jié)果為：肼未檢出（最小檢出限0.0012mg/m3）；氨氣0.0326～0.057mg/m3（廠界值，共檢測(cè)4點(diǎn)）?！稅撼粑廴疚锱欧艠?biāo)準(zhǔn)》（GB 14554-1993）中規(guī)定，氨氣排放的標(biāo)準(zhǔn)值（二級(jí)、新擴(kuò)改建的廠界標(biāo)準(zhǔn)值）為1.5mg/m3；《車間空氣中肼衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16221-1996）中規(guī)定，車間空氣中肼的最高容許濃度為0.13mg/m3（肼氣體尚無排放標(biāo)準(zhǔn)）。可見，該系統(tǒng)排氣的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足甚至大大優(yōu)于國家排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

該系統(tǒng)現(xiàn)已投入使用。實(shí)踐證明，系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)滿足用戶使用要求，并且操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行可靠。

6.2使用后的處理液

所使用的處理液配方以酸和鹽為主。廢氣中的肼和氨經(jīng)噴淋處理進(jìn)入液體當(dāng)中，轉(zhuǎn)化為肼基和氨基鹽類。通過監(jiān)測(cè)液體的飽和程度可以判斷是否需要更換處理液。使用后的液體進(jìn)入廢水收集池進(jìn)行統(tǒng)一處理，處理時(shí)可以采用專用化學(xué)試劑，比如文獻(xiàn)［15］所指肼類廢液處理液，也可以采用專用肼廢水處理設(shè)備進(jìn)行后續(xù)處理，使肼和氨最終轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退?，?shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

7 系統(tǒng)進(jìn)步點(diǎn)

該系統(tǒng)用于處理肼推進(jìn)劑分解產(chǎn)生的有毒有害氣體。相比較其他的肼推進(jìn)劑廢氣處理裝置，該系統(tǒng)的進(jìn)步點(diǎn)主要有：

1）處理效率高。采用了處理效果好、投入和維護(hù)成本低、操作簡(jiǎn)便的處理液噴淋法處理含肼廢氣。

2）采用高效吸收處理液。采用具有專利技術(shù)的高效吸收處理液，不僅能高效吸收殘余的肼，還能夠吸收處理廢氣中含量很大的氨氣。

3）全系統(tǒng)采用免維護(hù)設(shè)計(jì)。由于處理液有一定腐蝕性，全系統(tǒng)采用奧氏體不銹鋼材料，而且循環(huán)泵采用原理上無漏液的磁力泵，保證了系統(tǒng)使用壽命，在系統(tǒng)全生命期內(nèi)能有效降低維護(hù)成本，并且除電機(jī)外系統(tǒng)免維護(hù)。

4）設(shè)計(jì)使用了性能價(jià)格比最優(yōu)的吸收塔內(nèi)件。

5）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了充分的匹配設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況相匹配，充分考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)各個(gè)階段的特點(diǎn)和需要，并且系統(tǒng)內(nèi)部的氣液循環(huán)也經(jīng)過匹配計(jì)算。通過詳細(xì)的計(jì)算和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證使用效果達(dá)到任務(wù)書要求。

8 結(jié)束語

該套廢氣處理系統(tǒng)采用處理液噴淋式處理方法，所用處理液為具有專利技術(shù)的高效廢氣處理液，經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算以及全系統(tǒng)的精心匹配設(shè)計(jì)，能夠?qū)﹄峦七M(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行有效吸收處理，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。檢測(cè)結(jié)果顯示，系統(tǒng)的處理能力達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，處理效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。經(jīng)過試驗(yàn)狀態(tài)的實(shí)際檢測(cè)和長時(shí)間使用驗(yàn)證，該系統(tǒng)處理效果理想，運(yùn)行可靠，使用成本低，使用3年的時(shí)間都不需要維護(hù)。這證明了采用處理液噴淋法進(jìn)行肼推進(jìn)劑廢氣處理是可行的、值得采用的。

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（編輯：許京媛）

Design of waste gas treatment system of hydrazine propellant

HAO Zhanyan1， SUN Bo2， ZHU Haitao3， JIN Zhaoxu1
（1. Beijing Institute of Aerospace Testing Technology， Beijing 100074， China；2. Military Representative Office of PLA in the No. 218 Factory， Beijing 100176， China；3. Aviation Material Department of PLA Air Force Armaments Ministry， Beijing 100038， China）

A waste gas treatment system is designed， to be used for treating the hydrazine and the ammonia gas in the tail gas from a certain type of engine during the ground test， and the remained gas is discharged into the atmosphere. Seven common methods for the treatment of the decomposition hydrazine waste gas are introduced in this paper. A method of spraying waste gas using treatment liquid is adopted after comparison. Technical parameters that the system actually has achieved include:the no-load operation flow of 944Nm3/h； the gases from the engine ground test and after the system operation include hydrazine ＜0.0012mg/m3and ammonia 0.0326-0.057mg/m3（factory boundary values，total 4 spots detected）. The test result is much better than the value of the relevant national standard requirements. Dozens of engine ground test results have shown that the system can meet the user’s requirements， with easy operation，reliable running， and almost no need of maintenance.

hydrazine； propellant； engine ground test； waste gas treatment； spray

V511+.1

B

1673-1379（2016）04-0451-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.04.020

2016-02-16；

2016-07-10

郝戰(zhàn)焱（1974—），女，碩士學(xué)位，高級(jí)工程師，從事推進(jìn)劑設(shè)備研發(fā)工作。E-mail:hzyhaozhanyan@126.com。