某企業發動機試驗廢氣處理系統的設計

陳廣其，王燕平(1.上海空間推進研究所，上海 201112； 2.上海空間發動機工程技術研究中心，上海 201112)

0 引言

液體火箭發動機試驗過程中產生有毒有害氣體和污水，給環境造成污染，危害人身健康，甚至影響生物的正常生存和發展，因此對這些有害物質進行處理治理，已成為發動機試驗技術中不可缺少的部分。

1 燃氣處理系統方案

液體火箭發動機試車中產生的有毒有害氣體主要來源有3個方面：一是推進劑在轉注、加注過程中產生的廢氣；二是發動機在試車過程中產生的燃氣；三是試車結束對發動機吹除清洗過程中產生的廢液廢氣。對于轉注加注過程產生的廢氣可通過地面設備加以保證，處理的重點在于試車過程中產生的燃氣，如：肼類蒸汽、二氧化氮蒸汽等。這些燃氣通常采用自然凈化法，即依靠燃燒產物在大氣中的自然稀釋和衰變來達到凈化目的。據報道，美國空軍火箭推進實驗室(AFRPL)和阿諾德工程發展中心(AEDC)曾對液體和固體火箭發動機的燃燒產物進行凈化處理研究，提出了濕法洗滌處理方案。試驗結果表明，對小推力發動機的燃燒產物治理比較有效。本處理系統主要適用于小推力姿控發動機(如490 N以下)。由于小推力姿控發動機試車以脈沖為主，脈沖工作時間長。在發動機電磁閥啟閉過程中，約有20%～30%的不完全燃燒的有毒產物產生，危害極大。而對于大推力發動機(2 500 N)由于燃燒充分完全，采用燃氣直接排放大氣，僅對吹除、清洗過程所產生的廢氣進行處理。

1.1 燃氣處理原理

1.1.1 處理依據

氧化劑四氧化二氮和肼類燃料都極易溶于水，且肼類燃料是極性化合物，其在水溶液中的濃度與蒸汽壓之間關系符合亨利定律。因此用水作吸收介質，以填料式吸收塔進行處理，將廢氣轉化為廢液，對廢液進行二次處理，方法簡單、有效可行。

1.1.2 處理流程

發動機產生的廢氣通過導流管流入吸收塔，在導流管內進行初步冷卻和熱交換后，最終在吸收塔內進行充分的混合、接觸、吸收、溶解，溶于水的物質由塔底部回流管流至水池，循環使用。水池的液面高出回流管管口，形成液封，使廢氣只能夠向吸收塔頂部排出，而不能由回流管逃逸。不溶于水的氣體進入水汽分離器，再由風機抽出排空。風機使吸收塔內形成負壓，以利于廢氣的排出。設計方案原理流程圖如圖1所示。

圖1 燃氣處理系統原理流程圖

1.2 設備的總體布局

總體結構布置要求燃氣行程短，通道流暢，美觀實用。簡圖如圖2所示。

圖2 燃氣處理系統布局圖

2 關鍵設備

2.1 發動機安裝架

考慮到對不同推力發動機燃氣處理方式不同，發動機安裝設計了垂直、水平2個工位。垂直工位安裝的發動機燃氣直接噴入燃氣導流管內，水平安裝的發動機僅在試車結束吹除時，由氣缸頂起放置在導流管內的集液管，將發動機推力室噴口罩住，吹除、清洗產生的廢液、廢氣通過集液管流入導流管。

2.2 氣體導流管

導流管是連接發動機與燃氣吸收塔之間的通道，導流管直接與大質量流燃氣接觸，為使燃氣在導流管內冷卻、減速和避免高溫燃氣對導流管內壁的燒蝕，需必要的冷卻措施。因此導流管設計為雙層夾套水冷結構，導流管口部還加裝噴水盤，由四周向導流管中心噴水，以冷卻和引射高溫高速燃氣。

2.3 吸收塔

為了節省能源消耗和緊湊土建面積，采用填料式吸收塔，為增大水汽接觸面積，水由塔頂的蓮蓬噴頭噴入，與塔底部送入的燃氣通過填料層逆流接觸，在填料(聚丙烯酯階梯環)表面發生傳質作用。

2.3.1 吸收塔噴淋水量計算

根據發動機試車產生的燃氣量及燃氣溫度進行計算。

2.3.2 吸收塔塔徑計算

塔徑由液泛速度計算。

2.3.3 490 N短噴管雙元發動機試驗

以490 N短噴管雙元發動機為例，按照將燃氣冷卻至50 ℃、80 ℃、100 ℃分別計算，結果如表1所示。

表1 490N短噴管雙元發動機試驗

2.4 汽水分離器和風機

吸收塔內經填料層作用的尾氣，由塔頂排出至汽水分離器，水汽分離后以利于風機的抽吸，風機是氣體抽吸的動力源，保證即使燃氣在導流管口無壓力的情況下，也可在塔內形成負壓將氣體抽吸走。風機排放管口距離地面20 m，大大削弱了降落地表的有毒有害氣體的濃度。

3 裝置使用效果

發動機試驗燃氣處理裝置研制成功后投入地面試驗臺使用。使用結果表明，該系統操作簡便，性能可靠，處理效果顯著，完全能夠滿足雙組元地面試驗后燃氣處理的各項要求。試驗過程中產生的燃氣經吸收塔內水介質進行噴淋處理，再通過塔內的填料進行吸收處理，將廢氣轉化為廢液，對廢液再次進行處理。最終，廢氣、廢液經該系統處理排放后均能達到有關環保檢測的標準。經過采樣化驗得出，廢氣的凈化率在97%以上，優于航天廢氣廢水排放規定的肼類廢氣濃度值不超過5×10-6的要求，能實現達標排放。該套燃氣處理系統中額外增加了全自動的加藥技術，在配置好中和液的基礎上，設定每次投藥的間隔時間，這樣既提高了每次精準的加藥頻率，同時，大大減低了勞動力。該套燃氣設備在航天企業運行以來，各項性能可靠、運行穩定，也便于后續的維護保養。較好地證明利用設計的此套設備進行燃氣處理是行之有效的。該設備的投入使用，使航天企業發動機試驗區域的環境得到進一步的改善與提升，既保護了廣大員工的身體健康，又為惡劣環境職業安全工作總結出了一項新的工程化技術應用成果。

4 結語

在短時間內將幾萬至幾十萬立方米的高溫、高速燃氣收集起來進行處理十分困難，而且試驗條件經常變動，要設計一種固定的處理裝置很不現實。應用水噴淋吸收有毒燃氣為地面燃氣處理技術，提供了一種新途徑，燃氣經處理后，對臺區和人身的污染比處理前大大降低。