航天推進(jìn)劑廢氣廢液燃燒處理實(shí)驗(yàn)

陳 帆，牛曉轍，佘彩青，李 鵬，楊岸龍

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

肼類燃料(無水肼、甲基肼、偏二甲肼等)與硝基類氧化劑(四氧化二氮、綠色四氧化二氮、紅煙硝酸)等常規(guī)推進(jìn)劑廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外航天動力系統(tǒng)[1-2]。由于肼類燃料與硝基類氧化劑均為具有腐蝕性的高毒或劇毒物質(zhì)，且多具有致癌作用[3]，而在科研、生產(chǎn)與試驗(yàn)過程中，如地面試車、靶場發(fā)射推進(jìn)劑轉(zhuǎn)加注或泄出等環(huán)節(jié)，不可避免會產(chǎn)生推進(jìn)劑廢氣與廢液，若不進(jìn)行及時(shí)、徹底處理，極易造成人員健康損害和環(huán)境污染，為此，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)均在推進(jìn)劑廢氣廢液處理方面進(jìn)行著不懈努力。

目前針對航天推進(jìn)劑廢氣廢液的處理方法通常有物理吸收法、化學(xué)中和處理法、燃燒法及生物處理法[4-8]。常見的物理吸收法包含水吸收、活性炭吸收、離子交換法，由于吸收后載體需要二次處理的問題已瀕于淘汰，目前僅在發(fā)生少量泄漏時(shí)采用?；瘜W(xué)中和處理法工藝成熟，但存在處理周期較長、投入成本高、使用場所受限的缺點(diǎn)，尤其在處理量較大的情況下，需配套大型中和塔或污水處理池。燃燒法是采用熱力燃燒或催化燃燒的方法處理廢氣廢液，具有有害物質(zhì)去除率高、處理速度快、設(shè)備靈活機(jī)動、低成本等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于航天機(jī)構(gòu)試驗(yàn)工位分散、工作間歇的特點(diǎn)，是行業(yè)內(nèi)一個(gè)重要的研究方向。

燃燒法處理的關(guān)鍵技術(shù)在于燃燒裝置性能及其處理工藝流程，如何實(shí)現(xiàn)有毒物質(zhì)充分分解的同時(shí)防止燃?xì)鈨?nèi)NOx、碳煙、烴類等有害產(chǎn)物的生成是一個(gè)很大的難題。催化燃燒法借助于催化劑實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑氧化/還原溫度的顯著降低，可采用電加熱或燃?xì)鈸Q熱的方式使有害物質(zhì)充分分解，以此避免處理環(huán)節(jié)存在的二次污染，如北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所[9]采用空氣預(yù)熱器反應(yīng)催化床實(shí)現(xiàn)了NO295%的去除率；何息忠[10]借助催化燃燒器實(shí)現(xiàn)偏二甲肼99%的去除率；焦天恕等[11]采用板式換熱器與催化反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)對偏二甲肼廢氣的處理。催化燃燒法對催化劑的性能要求很高，處理量的不匹配、催化劑保存不善等很容易造成催化劑失活，目前很難得到推廣應(yīng)用。相應(yīng)地，更多的研究機(jī)構(gòu)致力于熱力燃燒處理法，曹立仁等[12]開展了空氣/煤油燃燒爐處理偏二甲肼/四氧化二氮的一系列研究，實(shí)現(xiàn)了NO2小于680 ppm、偏二甲肼小于0.5 ppm的處理效果；沈全福[13]采用煤油燃燒爐實(shí)現(xiàn)了NO2小于800 ppm、偏二甲肼小于0.5 ppm的處理效果；美國馬伏特公司的瞬時(shí)膨脹式焚燒爐采用甲烷為燃料，肼處理后濃度小于2 mg/L，NOx小于165 mg/L；侯瑞琴等[14]以及張福光等[15]分別獨(dú)立設(shè)計(jì)了采用柴油助燃的推進(jìn)劑廢氣廢液集成式處理裝置，但并未對處理效果進(jìn)行說明；張暉等[16]嘗試將N2O4加熱汽化后在焚燒爐中與燃料反應(yīng)。從相關(guān)報(bào)道來看，國內(nèi)熱力燃燒處理法還存在有害物質(zhì)排放濃度過高的問題，主要原因在于燃燒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及處理環(huán)節(jié)中燃?xì)鉁囟?、混合比的控制方面存在不足?/p>

本文設(shè)計(jì)了一種新型火箭煤油/空氣燃燒裝置，以高壓離心風(fēng)機(jī)、齒輪燃料泵、電磁閥等組成介質(zhì)分級輸送系統(tǒng)，采用分區(qū)、分組燃燒策略實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑組分的徹底分解與反應(yīng)，降低烴基組分與NOx排放濃度。進(jìn)行了甲基肼、N2O4的廢氣廢液實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了NOx小于25 ppm、甲基肼濃度小于0.05 ppm的處理效果。

1 燃燒處理裝置

煤油/空氣燃燒處理裝置原理如圖1所示，系統(tǒng)由燃燒器、空氣系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、推進(jìn)劑廢氣廢液供應(yīng)系統(tǒng)及測控系統(tǒng)組成。

圖1 有毒有害廢氣廢液處理裝置組成Fig.1 Schematic of experimental system

空氣采用配有變頻電機(jī)的中壓離心風(fēng)機(jī)供應(yīng)，輸出壓力0～25 kPa可調(diào)，最大流量150 g/s，風(fēng)機(jī)出口設(shè)有壓力與溫度測點(diǎn)，用于監(jiān)測空氣參數(shù)；燃油采用微型齒輪泵擠壓供應(yīng)，輸出壓力0～0.8 MPa 可調(diào)，最大流量15 g/s，油泵后端輸出3路，分別為燃燒器相應(yīng)的噴嘴供應(yīng)燃油；推進(jìn)劑廢氣及廢液供應(yīng)系統(tǒng)分為燃料和氧化劑兩個(gè)部分，廢氣廢液經(jīng)氣液分離容器分離后分別供至燃燒器廢液與廢液噴嘴。油箱、分離容器出口均設(shè)有截止閥，在燃油、廢氣和廢液進(jìn)入噴嘴前的管路上均裝有電磁閥，其中廢氣廢液路還設(shè)有吹除電磁閥，電磁閥由控制單元統(tǒng)一控制。

如圖2所示，燃燒器結(jié)構(gòu)為直筒形，由頭部、身部及尾部組成。頭部外部設(shè)有燃油和空氣兩個(gè)接口，內(nèi)部設(shè)有燃油噴嘴和空氣分流裝置，一次燃油采用通徑0.6 mm的離心式噴嘴提高霧化效果；空氣分流裝置由環(huán)形柵和臺階形混合管組成，環(huán)形柵設(shè)有一組Φ10 mm的直孔用于二次空氣通道，臺階型混合管前段側(cè)面均布一組Φ6 mm斜孔形成一次空氣通道，臺階形混合管與點(diǎn)火煤油噴嘴之間沿煤油流動方向依次形成霧化區(qū)和摻混區(qū)，混合管兩級突擴(kuò)的形式有助于降低點(diǎn)火預(yù)混氣的流速，有利于穩(wěn)定燃燒形成火炬。燃燒器身部長度為500 mm、內(nèi)徑Φ160 mm，由內(nèi)管、外管組成的夾層形成二次空氣通道，側(cè)面沿軸線向下依次設(shè)有火花塞、四組廢氣廢液噴嘴及二次空氣調(diào)節(jié)錐，火花塞點(diǎn)火能量12 J，距離混合管出口端面100 mm，廢氣廢液噴嘴形式與規(guī)格如表1所示。

圖2 燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of the combustor

根據(jù)介質(zhì)類型與形態(tài)選擇不同形式的噴嘴，以保證介質(zhì)充分摻混與霧化，實(shí)現(xiàn)最佳處理效果，二次空氣調(diào)節(jié)錐位于身部末端，確保前段可燃物質(zhì)在身部出口充分反應(yīng)，同時(shí)有助于身部壁面冷卻，身部N2O4-煤油噴嘴、二次空氣噴嘴對稱的另一側(cè)設(shè)有溫度測點(diǎn)。尾部主要用于出口燃?xì)饨禍?、降噪，尾部?nèi)筒設(shè)冷卻水噴孔，用于燃?xì)饨禍?，?nèi)筒出口采用鋸齒形翅片結(jié)構(gòu)，利于增強(qiáng)高速燃?xì)馀c環(huán)境空氣之間摻混，降低噴射噪聲，尾部還設(shè)有NOx，VOC濃度傳感器。

表1 噴嘴規(guī)格形式

測控系統(tǒng)由可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，簡稱PLC)、計(jì)算機(jī)、點(diǎn)火器和火花塞組成。PLC將傳感器信號轉(zhuǎn)化為壓力、溫度、濃度等數(shù)值傳遞給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)判斷反饋數(shù)值并可根據(jù)預(yù)定程序發(fā)送電機(jī)參數(shù)調(diào)整或電磁閥門開閉的信號，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)閉環(huán)控制。

燃燒器采用分區(qū)燃燒策略，通過分級噴注、分級送風(fēng)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑組分的徹底分解或反應(yīng)，降低烴基組分與NOx的排放濃度，處理過程中，可根據(jù)煙氣溫度及廢氣流量，調(diào)節(jié)二次燃油的供應(yīng)流量，并可實(shí)時(shí)通過排氣成分測量，保證處理效果。針對肼類與硝基類氧化劑的廢氣廢液設(shè)計(jì)了兩種工作模態(tài)(以下稱為模態(tài)Y與模態(tài)R)。模態(tài)R：一次空氣與一次燃油以偏富燃的形式摻混點(diǎn)燃形成高溫火炬，在該模態(tài)下燃料類廢氣或廢液噴入燃燒室，在高溫作用下分解并進(jìn)一步與后端二次空氣反應(yīng)，出口區(qū)域燃?xì)饪偦旌媳绕谎?；模態(tài)Y：一次空氣與一次燃油以偏富燃的形式摻混點(diǎn)燃形成穩(wěn)定的高溫火炬，該狀態(tài)下二次燃油與N2O4廢氣廢液以富燃混合比噴入燃燒室，N2O4在高度富燃燃?xì)庵醒杆龠€原為無害的氮?dú)?，未完全反?yīng)的燃料物質(zhì)與后端二次空氣徹底反應(yīng)后排放。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

采用火箭煤油(C12H22)為燃料，濃度為100%的甲基肼及N2O4作為推進(jìn)劑廢液處理對象，開展推進(jìn)劑廢液處理實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)空氣、燃油及推進(jìn)劑流量范圍如表2所示。在推進(jìn)劑廢氣廢液處理中，排放物中的有害物質(zhì)主要為NOx與未徹底反應(yīng)的燃料類物質(zhì)(甲基肼、煤油及其中間產(chǎn)物)，燃料類物質(zhì)可通過改善霧化摻混效果、調(diào)整混合比等措施得到有效控制，NOx的控制則較為復(fù)雜，尤其在N2O4處理過程中，既要確保N2O4分解產(chǎn)生的NO2充分還原，還需避免新的NOx生成，相關(guān)文獻(xiàn)表明[17-18]：燃燒過程中NOx主要有熱力型、快速型及燃料型3類，熱力型NOx主要在溫度高于1 500 ℃時(shí)氮?dú)獗谎趸a(chǎn)生，隨溫度升高反應(yīng)速率呈指數(shù)上升，生成量占比可達(dá)15%～25%；快速型NOx是碳?xì)淙剂显诳諝庵腥紵a(chǎn)生的HCN、CN等中間產(chǎn)物與火焰中形成的O，OH等基團(tuán)反應(yīng)形成氮氧化物，快速型NOx只在富燃時(shí)出現(xiàn)，生成量占比通常不足5%；燃料型NOx是燃料中含有的氮化合物在燃燒過程中熱分解而又接著氧化而成，受燃燒溫度、混合比、燃料含氮量等多種因素影響，僅在處理甲基肼的環(huán)節(jié)存在燃料型NOx。因此在確保油氣霧化、摻混均勻的前提下，控制燃?xì)鉁囟燃盎旌媳仁墙档腿細(xì)庥泻ξ镔|(zhì)濃度最有效的途徑。

表2 介質(zhì)流量參數(shù)范圍

一次空氣與一次煤油冷試效果顯示：當(dāng)頭腔壓力高于15 kPa時(shí)，可確保一次煤油霧化與氣液摻混效果，提高點(diǎn)火可靠性。為確保頭腔空氣壓力15～25 kPa范圍內(nèi)，兩級空氣流量分配滿足表2要求，通過實(shí)驗(yàn)選配燃燒器混合管及二次空氣調(diào)節(jié)錐規(guī)格，圖3為最終選定的混合管及二次空氣調(diào)節(jié)錐流量分配曲線，結(jié)果顯示：在頭腔壓力15～25 kPa下，二次空氣與一次空氣流量比值間在2.40～2.63之間，一次空氣與二次空氣流量范圍滿足表2要求。

一次煤油和一次空氣的燃燒是燃燒器正常工作的前提條件，通過120余次點(diǎn)火驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和多次結(jié)構(gòu)優(yōu)化，解決了燃燒器身部過長引起的低頻振蕩、身部夾層空氣泄漏、部分零件材料耐腐蝕性差、局部過熱等問題。一次燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：①點(diǎn)火可靠性高，在煤油流量3～4 g·s-1，空氣頭腔壓力15～25 kPa范圍內(nèi)，上百次的點(diǎn)火中，未出現(xiàn)一例點(diǎn)火失敗的情況；②頭腔壓力15 kPa,20 kPa下一次燃燒火焰形態(tài)如圖4所示，15 kPa時(shí)燃燒偏富燃，火焰偏長且呈黃色，20 kPa時(shí)出口無明顯火焰，燃燒室身部更換為有機(jī)玻璃，采用高清相機(jī)拍攝燃燒室內(nèi)火焰呈藍(lán)色、火焰分布均勻，兩種工況下燃燒器內(nèi)均無積碳、無殘油；③燃燒室內(nèi)最高燃?xì)鉁囟? 100 ℃，NOx僅在頭腔壓力小于18 kPa時(shí)存在，最高值約2.0 ppm。實(shí)驗(yàn)表明燃燒器具有點(diǎn)火可靠、工作范圍寬、燃燒效率高、火焰剛度強(qiáng)、燃燒潔凈等特點(diǎn)。

圖3 燃燒器空氣流量分配曲線Fig.3 Curve of air flow distribution

圖4 不同頭腔空氣壓力下一次燃燒火焰形態(tài)Fig.4 Combustion flame shape at different air pressure in head chamber

燃燒器在兩種模態(tài)下的穩(wěn)定工作是進(jìn)行廢氣廢液處理的前提條件?？諝馀c火箭煤油燃燒化學(xué)恰當(dāng)比約為14.44，模態(tài)R在一次燃燒的基礎(chǔ)上增加二次空氣的供應(yīng)，頭部區(qū)域空-燃比9.34，通入二次空氣后空-燃比約32.6，燃燒室內(nèi)火焰溫度最高達(dá)1 100 ℃，受二次空氣影響，出口區(qū)域無可見火焰、溫度小于900 ℃，如圖5(a)所示；模態(tài)Y在模態(tài)R的基礎(chǔ)上增加二次燃油的供應(yīng)，頭部區(qū)域空-燃比保持9.34，燃燒室前段通入二次煤油使得空-燃比降至4.15，火焰溫度最高700 ℃，燃燒室后段供應(yīng)二次空氣后，空-燃比調(diào)整為14.49，火焰溫度介于1 100～1 200 ℃，出口燃?xì)馑俣容^快、火焰偏藍(lán)，如圖5(b)所示。燃燒器在局部混合比4.15～32.6范圍內(nèi)，火焰形態(tài)穩(wěn)定、未出現(xiàn)熄火、低頻情況，兩種模態(tài)下燃?xì)庵蠳Ox排放濃度均未大于2 ppm，充分驗(yàn)證了燃燒器的高效、穩(wěn)定，具備處理廢氣廢液的條件。

圖5 燃燒器火焰狀態(tài)Fig.5 Flame status of the combustor

N2O4廢氣廢液處理在模態(tài)Y的基礎(chǔ)上增加N2O4的供應(yīng)，N2O4結(jié)束供應(yīng)后進(jìn)行自動吹掃，確保處理的徹底性。

試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，圖6(a)數(shù)據(jù)顯示N2O4流量10～20 g/s范圍下，燃?xì)馀欧盼镏蠳Ox濃度均小于25 ppm，符合環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)[19]。圖6(b)溫度數(shù)據(jù)顯示：通入N2O4后，燃燒器中段溫度T1平均升高約200 ℃，整體溫度未超過950 ℃，表明二次煤油在中段與N2O4發(fā)生了劇烈反應(yīng)；末段溫度T2平均降幅達(dá)100 ℃，最高溫度未超過1 200 ℃，由于中段二次煤油消耗較多，降低了末段與二次空氣反應(yīng)的煤油量，從而T2溫度下降。

圖6 N2O4處理過程不同流量下濃度和溫度曲線Fig.6 The concentration and temperature curve of nitrogen tetroxidedipose at different flow rates

甲基肼廢氣廢液處理在模態(tài)R中增加甲基肼的供應(yīng)與吹掃程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，數(shù)據(jù)顯示甲基肼流量0～6 g/s范圍內(nèi)，燃?xì)馀欧盼镏蠽OC濃度均小于0.05 ppm、NOx濃度小于2.0 ppm，符合環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)[20]。溫度數(shù)據(jù)顯示：相對于模態(tài)R，通入甲基肼后燃燒器末段溫度T2顯著上升，且T2上升幅度隨著甲基肼流量增加而增大，最高溫度達(dá)1 300 ℃；中段溫度T1在通入甲基肼前后變化較小，最高溫度達(dá)1 100 ℃；溫度數(shù)據(jù)表明：處理甲基肼過程中，燃燒室狀態(tài)穩(wěn)定，一次燃燒狀態(tài)不受后端處理段影響。

圖7 甲基肼處理過程不同流量下的溫度曲線Fig.7 The temperature curve of methylhydrazine dipose at different flow rates

3 結(jié)論

通過上述實(shí)驗(yàn)研究，可以得到以下結(jié)論：

1)在N2O4流量0～20 g/s處理實(shí)驗(yàn)中，排放物中NOx濃度最高為25 ppm；在甲基肼流量0～10 g/s處理實(shí)驗(yàn)中，排放物中VOC濃度小于0.05 ppm,NOx濃度小于2.0 ppm，滿足環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。

2)通過分類配置噴嘴結(jié)構(gòu)、控制燃燒溫度、燃?xì)饣旌媳?，有效降低了推進(jìn)劑處理環(huán)節(jié)的NOx的生成，尤其是燃料型和熱力型NOx。

與目前報(bào)道的燃燒法處理推進(jìn)劑研究相比，該燃燒器具有通用性好、排放濃度大幅降低的效果，由于燃燒器身部冷卻方式為風(fēng)冷，在處理甲基肼時(shí)最高溫度達(dá)1 300 ℃，且隨著處理量的增大有上升趨勢，后續(xù)還需對冷卻方式、燃燒溫度控制等方面進(jìn)行改進(jìn)，以便提高處理能力。