液體推進劑廢氣處理系統(tǒng)的設計

李 慧 莊 杰 謝 龍 沈錫江

（1．上?？臻g推進研究所，上海 201112；2．上?？臻g發(fā)動機工程技術研究中心，上海 201112）

0 引言

液體推進劑由于具有比沖高、燃燒穩(wěn)定、可多次點火、易于貯存和推力可調等諸多優(yōu)點，在航天、國防領域具有廣泛的應用[1]。液體推進劑包括燃料、氧化劑2 個部分。其中，燃料以無水肼、一甲基肼、偏二甲肼和單推-3 等肼類為主，氧化劑以四氧化二氮為主[2]。通過分析某航天企業(yè)試車臺區(qū)的環(huán)境污染可知，污染主要來源于發(fā)動機試車過程中所用推進劑肼類及四氧化二氮所產生的廢氣。

肼類燃料為無色透明液體，具有高毒、易爆、易燃的特性，在肼類燃料的增壓、卸壓、加注和貯存等試車過程中會產生大量的肼類廢氣，對人體健康及周邊生態(tài)環(huán)境都能造成嚴重的破壞[3]。四氧化二氮腐蝕性及氧化性強、毒性較高，易分解為紅棕色的二氧化氮，其在試車過程中產生的廢氣主要含有一氧化氮、二氧化氮，能造成酸雨、光化學煙霧、臭氧層空洞等危害[4]。因此，有必要對肼類及四氧化二氮廢氣進行綜合處理，實現達標排放。

肼類廢氣的處理方法包括水吸收法、催化氧化法、活性炭吸附法、中和吸收法和燃燒法等[5]。四氧化二氮廢氣的處理方法包括液體吸收法、還原法、吸附法、生物法和焚化法等[6]。以上治理肼類及四氧化二氮廢氣的方法各有優(yōu)缺點，隨著環(huán)保要求越來越高，肼類及四氧化二氮廢氣的排放指標也進一步提高。僅僅依靠單一的處理技術通常較難達到國家要求的排放標準，需要根據具體情況制定出合適的治理方案，以取得較好的效果。

針對某航天企業(yè)發(fā)動機試車臺區(qū)肼類、四氧化二氮廢氣處理難題，分別設計完成了相應的處理系統(tǒng)：對肼類廢氣處理采用催化氧化法與中和吸收法的組合工藝，對四氧化二氮廢氣處理采用兩級液體吸收法工藝。通過運行實踐，這2 套系統(tǒng)均取得了安全高效的處理效果，對試車臺區(qū)的污染程度的降低以及對整個周邊環(huán)境的生態(tài)保護，都起到了重要作用。

1 工藝設計說明

1.1 燃料廢氣處理系統(tǒng)設計說明

燃料（肼類）廢氣處理工藝流程如圖1 所示。燃料貯罐卸壓廢氣（肼類廢氣）先導入緩沖器，既避免廢氣濃度過大，又能防止液體直接與催化劑反應。隨后加熱進入催化分解塔對肼類廢氣先進行反應分解，接著再進入吸收塔凈化吸收處理。其中，催化氧化的特點是有毒有害廢氣在催化劑的作用下進行分解，生成氮氣、氫氣、二氧化碳和氨氣等小分子物質，無二次污染，工藝趨于簡單化、實用化[7]。工藝選用CM 型蜂窩狀方形稀土作催化劑，轉化溫度低，價格較貴金屬催化劑便宜，且效果較好。為了增加轉化率，減少多次催化的復雜工序，將催化劑在催化分解塔內放置成縱向分隔式，使廢氣流向呈橫s 型。液體吸收塔上部噴淋吸收液，下部進入塔體的未被完全處理掉的廢氣和噴淋液呈逆向流動，廢氣由風機壓入吸收塔中的勻壓室，穿過由陶瓷規(guī)整填料構成的填料層，然后采用噴霧處理，使氣液兩相間進行有效接觸，達到高效凈化的目的。經過處理后的廢氣可由肼濃度監(jiān)測儀進行檢測，最終實現達標排放。

吸收肼類廢氣后的溶液流入塔底循環(huán)液槽，采用耐腐蝕的泵將其抽出重新送入吸收塔中，如此循環(huán)往復，對有毒有害的廢氣進行充分吸收。另外，為了提高加藥精準度與降低勞動強度，增加了自動加藥控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據調試過程中的最佳參數，通過計量水泵添加適量藥劑，替代飽和溶液，以確保穩(wěn)定的凈化效果。飽和吸收液經收集管網進入工業(yè)廢水預處理池作進一步凈化處理。

1.2 氧化劑廢氣處理系統(tǒng)設計說明

氧化劑（四氧化二氮）廢氣處理工藝流程如圖2 所示。利用離心通風機機械抽風，將發(fā)動機試車過程中產生的四氧化二氮廢氣，也即瞬時性爆發(fā)的“黃龍”[8]，經緩沖器、通風管道引入吸收塔底側沿塔內上升，吸收液在填料層內均勻分布，且往下流動。吸收塔中以氣液傳質的雙膜理論為機理[9]，使氣液溶劑間充分進行接觸，發(fā)生化學反應，處于劇烈的擾動狀態(tài)。為了增強氣液兩相的傳質功效，重點在于應選擇抗堵塞、噴射力度與細密度大的噴嘴，與優(yōu)良的陶瓷規(guī)整填料。根據四氧化二氮廢氣成分復雜、難以處理、濃度較高的特性，設計兩級廢氣吸收塔，以增加四氧化二氮廢氣和吸收液之間的傳質過程，有充裕的時間使四氧化二氮廢氣擴散到液相中，進行反應得以凈化。利用兩級濕法處理較高濃度、較大風量四氧化二氮廢氣時，既要選用氣相傳質系數大、操作彈性寬、壓降低、負荷高的設備，又要合理配置吸收液。為了防止兩級吸收塔處理四氧化二氮廢氣串流，在吸收液箱內設置半截式防串隔板，提高了第一級吸收塔的利用率，降低了第二級吸收塔的處理負荷，增加了總吸收凈化率。吸收液箱加裝透明有機玻璃液位計及溢流管，其可靠性優(yōu)于浮球式自動液位控制。采用波浪形塔板，在并在每層塔板上設置陶瓷鮑爾環(huán)，增加氣液接觸面積，延長停留時間，擴大操作彈性。

圖1 燃料廢氣處理工藝流程

由于氧化劑貯罐卸壓廢氣（四氧化二氮廢氣）是以NO2、NO 為主，該廢氣極易被水吸收，生成亞硝酸及硝酸。但NO 難溶于水，即使強堿溶液也難于將它吸收，因此應在吸收塔的廢氣中通入適量空氣，將NO 氧化成NO 。第一級吸收塔中使用尿素、硝酸作吸收液，原因是：一方面尿素和硝酸、亞硝酸反應，生成二氧化碳、氮氣、硝酸銨等無毒產物；另一方面尿素本身即為化肥，處理后所產生的廢液不必對過量的尿素進行分離，可直接用作化肥使用。然后，未被徹底去除的廢氣流入第二級吸收塔，經氫氧化鈉及硫化鈉進一步吸收去除。硫化鈉、氫氧化鈉水溶液均能較為有效地吸收二氧化氮，且氫氧化鈉能提供堿性環(huán)境，提高反應速率[10]。

吸收四氧化二氮廢氣后的溶液流入塔底循環(huán)液槽，采用耐腐蝕的泵將其抽出重新送入吸收塔中，循環(huán)往復，使廢氣不斷地被吸收。同時，自動加藥控制系統(tǒng)根據調試時的最佳參數，通過計量水泵抽取藥劑于噴淋塔水槽中。

1.3 控制系統(tǒng)說明

根據工藝要求，該燃料、氧化劑廢氣處理系統(tǒng)主要對泵、閥門等開關設備進行控制，輔以液位、ORP 值、pH 值等模擬量監(jiān)控，利用可編程邏輯控制器（PLC）進行自動控制?？刂苹芈分饕ǎ篛RP 值自動控制、配藥槽液位自動控制、pH 值自動控制、收集水槽及中間水槽液位自動控制、泵及液位的聯鎖控制、物料計量。設計的自動控制系統(tǒng)采用三級控制方式，如圖3 所示。

采用工控機可模擬顯示整個系統(tǒng)的流程及控制點數據，并可在工控機上靈活設置各點的控制參數、各臺調和的啟停。同時可按需生成數據報表、設備運行報表、模擬量歷史數據趨勢圖等。該方案設置2 臺工控機，互為熱備，確保工控系統(tǒng)穩(wěn)定。該系統(tǒng)操作便捷，可使手動與自動進行相互切換，在提高勞動效率時還可節(jié)約成本。

2 主要設備及設備參數

2.1 吸收塔

燃料廢氣處理1 座，氧化劑廢氣處理2 座。塔體規(guī)格為Φ2 000×6 000 mm 塔體材質為321，型式為直立逆流式，填料層為規(guī)整填料，噴淋管為PVC 材質，噴頭采用無堵塞PP 螺旋噴頭，設備運行電功率為8.7 kW，處理風量為8 000 m3/h。

2.2 321耐酸堿離心風機（含避震器、避震底座）

型號為T4-72-6A，風壓為1.8 kPa，材質為321，轉速2 900 r/min，風量為8 000 m3/h，功率7.5 kW，油浴式軸承，風機效率為90%以上，數量2 臺。

2.3 循環(huán)水泵

型號為KD-100VK-15，泵轉速為2 900 r/min，泵軸材質為304、功率為0.75 kW，流量為500 L/min，數量6 臺。

2.4 陶瓷規(guī)整填料

圖2 氧化劑廢氣處理工藝流程

圖3 自動控制系統(tǒng)示意圖

新型規(guī)整填料的一種，由許多有著同樣形狀的填料單元體組合而成，有著較好的親水、潤濕性能，可耐高溫高壓、耐腐蝕，強度高且化學穩(wěn)定性較好[11]。

2.5 pH控制器

測定pH 值范圍為0～14，輸出電流范圍為4 mA～20 mA，溫度范圍為0℃～60℃，數量2 臺。

2.6 壓差傳感器

主體結構材料為1Cr18Ni9Ti，外殼為壓鑄合金鋁，工作溫度為-10℃～70℃，測量范圍為-100 kPa～40 MPa 及0～100 m（液位），防護等級為IP65、IP67，最大過載為標準量程的2 倍，負載電阻≤500 Ω，數量2 臺。

2.7 電磁流量計

測量范圍為0.1 m/s～15 m/s，輸出電流范圍為4 mA～20 mA，功耗≤8 W，電極材料為316L 不銹鋼，數量2 臺。

2.8 加藥系統(tǒng)

由加藥計量泵、藥箱、加藥平臺、浮球閥、耐腐蝕加藥泵組成，具體參數見表1。

表1 加藥系統(tǒng)的各設備參數

3 指標檢測結果

肼類、四氧化二氮廢氣處理系統(tǒng)研制成功后即在發(fā)動機試車臺區(qū)投入使用。使用情況表明，這兩套系統(tǒng)運行正常、性能可靠、處理效果良好，完全能夠滿足試車臺區(qū)廢氣處理要求。

發(fā)動機試車任務書規(guī)定：肼類廢氣允許排放的濃度值不應超過5 ppm。其中，航天七院認為，甲基肼排放濃度為10 mg/m3時，排氣口離地8 m～10 m 高度，加上廢氣溫度在150℃左右的熱力抬升，排放廢氣擴散稀釋，落地濃度不超過0.2 mg/m3[12]。通過對進氣口、排氣口的多次采樣，得出甲基肼、無水肼廢氣處理效果分別見表2、表3。

由表2 可得，甲基肼廢氣的凈化率均在97.04%以上，處理后的濃度小于任務書規(guī)定的濃度值（不超過5 ppm）。排氣口距離地面約10 m，排放廢氣熱力抬升和擴散稀釋后落地濃度遠遠小于0.2 mg/m3。由表3 可知，無水肼廢氣的凈化率均在99.92%以上，處理后濃度均小于1 mg/m3，優(yōu)于任務書允許的5 ppm（約7 mg/m3）的要求。

表2 甲基肼廢氣處理效果

表3 無水肼廢氣處理效果

根據GB16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》的要求，氮氧化物廢氣排放總量應不超過240 mg/m3[13]。經過四氧化二氮廢氣處理系統(tǒng)的調試運行，得出其廢氣處理效果見表4。

表4 四氧化二氮廢氣處理效果

由表4 可得，四氧化二氮廢氣的凈化率均在98.61%以上，遠遠高于GB16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》的要求。

4 工程投資及運行費用

該工程（肼類、四氧化二氮廢氣處理系統(tǒng)）總投資258萬元，其中土建費用4 萬元，設備費用206 萬元，安裝費、調試費、設計費、運雜費等48 萬元。兩套廢氣處理系統(tǒng)的直接運行費用2 200 元/d，其中水電費1 310 元/d，藥劑費590 元/d，人工費300 元/d。

5 結論

肼類廢氣處理系統(tǒng)采用的是催化氧化法與中和吸收法聯用技術。其中，催化劑選用的是CM 型蜂窩狀方形稀土，可將肼類廢氣分解為N2、H2、CO2、NH3等小分子物質；未被完全處理掉的廢氣再進入液體吸收塔中作進一步凈化。經多次采樣檢測得出，甲基肼廢氣的凈化率在97.04%以上，無水肼廢氣的凈化率在99.92%以上，均優(yōu)于發(fā)動機試車任務書上規(guī)定的肼類廢氣濃度值不超過5 ppm的要求，能實現達標排放。

四氧化二氮廢氣處理系統(tǒng)采用的是兩級液體吸收法技術。四氧化二氮廢氣成分以NO2、NO 為主。第一級吸收塔中采用尿素、硝酸作吸收液，生成CO2、N2、NH4NO3等無毒產物；第二級吸收塔中采用氫氧化鈉、硫化鈉作吸收液，且氫氧化鈉提供的堿性環(huán)境，可加快反應速率。經檢測得出，四氧化二氮廢氣的凈化率在98.61%以上，遠遠高于GB16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》的要求。

此外，在肼類、四氧化二氮廢氣處理系統(tǒng)中增加自動加藥控制系統(tǒng)，在提高加藥精準度的同時還減輕了勞動強度。這2 套廢氣處理系統(tǒng)目前已在某航天企業(yè)發(fā)動機試車臺區(qū)投入使用，運行正常、性能可靠且便于維護。這證明利用催化氧化法與中和吸收法相結合進行肼類廢氣處理、兩級液體吸收法進行四氧化二氮廢氣處理是行之有效的。這2套廢氣處理系統(tǒng)的成功研制，使發(fā)動機試車臺區(qū)生態(tài)環(huán)境保護能力水平得以顯著提升，保障了員工的身體健康，也為在有毒有害液體推進劑環(huán)境下的安全工作提供了一種新的工程化應用技術。