某企業(yè)發(fā)動機(jī)試驗廢氣處理系統(tǒng)的設(shè)計

陳廣其，王燕平(1.上海空間推進(jìn)研究所，上海 201112； 2.上?？臻g發(fā)動機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

0 引言

液體火箭發(fā)動機(jī)試驗過程中產(chǎn)生有毒有害氣體和污水，給環(huán)境造成污染，危害人身健康，甚至影響生物的正常生存和發(fā)展，因此對這些有害物質(zhì)進(jìn)行處理治理，已成為發(fā)動機(jī)試驗技術(shù)中不可缺少的部分。

1 燃?xì)馓幚硐到y(tǒng)方案

液體火箭發(fā)動機(jī)試車中產(chǎn)生的有毒有害氣體主要來源有3個方面：一是推進(jìn)劑在轉(zhuǎn)注、加注過程中產(chǎn)生的廢氣；二是發(fā)動機(jī)在試車過程中產(chǎn)生的燃?xì)?；三是試車結(jié)束對發(fā)動機(jī)吹除清洗過程中產(chǎn)生的廢液廢氣。對于轉(zhuǎn)注加注過程產(chǎn)生的廢氣可通過地面設(shè)備加以保證，處理的重點在于試車過程中產(chǎn)生的燃?xì)猓纾弘骂愓羝?、二氧化氮蒸汽等。這些燃?xì)馔ǔ２捎米匀粌艋?，即依靠燃燒產(chǎn)物在大氣中的自然稀釋和衰變來達(dá)到凈化目的。據(jù)報道，美國空軍火箭推進(jìn)實驗室(AFRPL)和阿諾德工程發(fā)展中心(AEDC)曾對液體和固體火箭發(fā)動機(jī)的燃燒產(chǎn)物進(jìn)行凈化處理研究，提出了濕法洗滌處理方案。試驗結(jié)果表明，對小推力發(fā)動機(jī)的燃燒產(chǎn)物治理比較有效。本處理系統(tǒng)主要適用于小推力姿控發(fā)動機(jī)(如490 N以下)。由于小推力姿控發(fā)動機(jī)試車以脈沖為主，脈沖工作時間長。在發(fā)動機(jī)電磁閥啟閉過程中，約有20%～30%的不完全燃燒的有毒產(chǎn)物產(chǎn)生，危害極大。而對于大推力發(fā)動機(jī)(2 500 N)由于燃燒充分完全，采用燃?xì)庵苯优欧糯髿猓瑑H對吹除、清洗過程所產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行處理。

1.1 燃?xì)馓幚碓?/h3>

1.1.1 處理依據(jù)

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(guān)系符合亨利定律。因此用水作吸收介質(zhì)，以填料式吸收塔進(jìn)行處理，將廢氣轉(zhuǎn)化為廢液，對廢液進(jìn)行二次處理，方法簡單、有效可行。

1.1.2 處理流程

發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的廢氣通過導(dǎo)流管流入吸收塔，在導(dǎo)流管內(nèi)進(jìn)行初步冷卻和熱交換后，最終在吸收塔內(nèi)進(jìn)行充分的混合、接觸、吸收、溶解，溶于水的物質(zhì)由塔底部回流管流至水池，循環(huán)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(jìn)入水汽分離器，再由風(fēng)機(jī)抽出排空。風(fēng)機(jī)使吸收塔內(nèi)形成負(fù)壓，以利于廢氣的排出。設(shè)計方案原理流程圖如圖1所示。

圖1 燃?xì)馓幚硐到y(tǒng)原理流程圖

1.2 設(shè)備的總體布局

總體結(jié)構(gòu)布置要求燃?xì)庑谐潭?，通道流暢，美觀實用。簡圖如圖2所示。

圖2 燃?xì)馓幚硐到y(tǒng)布局圖

2 關(guān)鍵設(shè)備

2.1 發(fā)動機(jī)安裝架

考慮到對不同推力發(fā)動機(jī)燃?xì)馓幚矸绞讲煌l(fā)動機(jī)安裝設(shè)計了垂直、水平2個工位。垂直工位安裝的發(fā)動機(jī)燃?xì)庵苯訃娙肴細(xì)鈱?dǎo)流管內(nèi)，水平安裝的發(fā)動機(jī)僅在試車結(jié)束吹除時，由氣缸頂起放置在導(dǎo)流管內(nèi)的集液管，將發(fā)動機(jī)推力室噴口罩住，吹除、清洗產(chǎn)生的廢液、廢氣通過集液管流入導(dǎo)流管。

2.2 氣體導(dǎo)流管

導(dǎo)流管是連接發(fā)動機(jī)與燃?xì)馕账g的通道，導(dǎo)流管直接與大質(zhì)量流燃?xì)饨佑|，為使燃?xì)庠趯?dǎo)流管內(nèi)冷卻、減速和避免高溫燃?xì)鈱?dǎo)流管內(nèi)壁的燒蝕，需必要的冷卻措施。因此導(dǎo)流管設(shè)計為雙層夾套水冷結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流管口部還加裝噴水盤，由四周向?qū)Я鞴苤行膰娝?，以冷卻和引射高溫高速燃?xì)狻?/p>

2.3 吸收塔

為了節(jié)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?shù)纳徟顕婎^噴入，與塔底部送入的燃?xì)馔ㄟ^填料層逆流接觸，在填料(聚丙烯酯階梯環(huán))表面發(fā)生傳質(zhì)作用。

2.3.1 吸收塔噴淋水量計算

根據(jù)發(fā)動機(jī)試車產(chǎn)生的燃?xì)饬考叭細(xì)鉁囟冗M(jìn)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(fā)動機(jī)試驗

以490 N短噴管雙元發(fā)動機(jī)為例，按照將燃?xì)饫鋮s至50 ℃、80 ℃、100 ℃分別計算，結(jié)果如表1所示。

表1 490N短噴管雙元發(fā)動機(jī)試驗

2.4 汽水分離器和風(fēng)機(jī)

吸收塔內(nèi)經(jīng)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(fēng)機(jī)的抽吸，風(fēng)機(jī)是氣體抽吸的動力源，保證即使燃?xì)庠趯?dǎo)流管口無壓力的情況下，也可在塔內(nèi)形成負(fù)壓將氣體抽吸走。風(fēng)機(jī)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(fā)動機(jī)試驗燃?xì)馓幚硌b置研制成功后投入地面試驗臺使用。使用結(jié)果表明，該系統(tǒng)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?xì)馓幚淼母黜椧蟆Ｔ囼炦^程中產(chǎn)生的燃?xì)饨?jīng)吸收塔內(nèi)水介質(zhì)進(jìn)行噴淋處理，再通過塔內(nèi)的填料進(jìn)行吸收處理，將廢氣轉(zhuǎn)化為廢液，對廢液再次進(jìn)行處理。最終，廢氣、廢液經(jīng)該系統(tǒng)處理排放后均能達(dá)到有關(guān)環(huán)保檢測的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過采樣化驗得出，廢氣的凈化率在97%以上，優(yōu)于航天廢氣廢水排放規(guī)定的肼類廢氣濃度值不超過5×10-6的要求，能實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。該套燃?xì)馓幚硐到y(tǒng)中額外增加了全自動的加藥技術(shù)，在配置好中和液的基礎(chǔ)上，設(shè)定每次投藥的間隔時間，這樣既提高了每次精準(zhǔn)的加藥頻率，同時，大大減低了勞動力。該套燃?xì)庠O(shè)備在航天企業(yè)運(yùn)行以來，各項性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，也便于后續(xù)的維護(hù)保養(yǎng)。較好地證明利用設(shè)計的此套設(shè)備進(jìn)行燃?xì)馓幚硎切兄行У?。該設(shè)備的投入使用，使航天企業(yè)發(fā)動機(jī)試驗區(qū)域的環(huán)境得到進(jìn)一步的改善與提升，既保護(hù)了廣大員工的身體健康，又為惡劣環(huán)境職業(yè)安全工作總結(jié)出了一項新的工程化技術(shù)應(yīng)用成果。

4 結(jié)語

在短時間內(nèi)將幾萬至幾十萬立方米的高溫、高速燃?xì)馐占饋磉M(jìn)行處理十分困難，而且試驗條件經(jīng)常變動，要設(shè)計一種固定的處理裝置很不現(xiàn)實。應(yīng)用水噴淋吸收有毒燃?xì)鉃榈孛嫒細(xì)馓幚砑夹g(shù)，提供了一種新途徑，燃?xì)饨?jīng)處理后，對臺區(qū)和人身的污染比處理前大大降低。