液體推進(jìn)劑廢氣處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 慧 莊 杰 謝 龍 沈錫江

（1．上海空間推進(jìn)研究所，上海 201112；2．上海空間發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112）

0 引言

液體推進(jìn)劑由于具有比沖高、燃燒穩(wěn)定、可多次點(diǎn)火、易于貯存和推力可調(diào)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在航天、國防領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1]。液體推進(jìn)劑包括燃料、氧化劑2 個(gè)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(tái)區(qū)的環(huán)境污染可知，污染主要來源于發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程中所用推進(jìn)劑肼類及四氧化二氮所產(chǎn)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(huì)產(chǎn)生大量的肼類廢氣，對(duì)人體健康及周邊生態(tài)環(huán)境都能造成嚴(yán)重的破壞[3]。四氧化二氮腐蝕性及氧化性強(qiáng)、毒性較高，易分解為紅棕色的二氧化氮，其在試車過程中產(chǎn)生的廢氣主要含有一氧化氮、二氧化氮，能造成酸雨、光化學(xué)煙霧、臭氧層空洞等危害[4]。因此，有必要對(duì)肼類及四氧化二氮廢氣進(jìn)行綜合處理，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)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(diǎn)，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(biāo)也進(jìn)一步提高。僅僅依靠單一的處理技術(shù)通常較難達(dá)到國家要求的排放標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)具體情況制定出合適的治理方案，以取得較好的效果。

針對(duì)某航天企業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)區(qū)肼類、四氧化二氮廢氣處理難題，分別設(shè)計(jì)完成了相應(yīng)的處理系統(tǒng)：對(duì)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(duì)四氧化二氮廢氣處理采用兩級(jí)液體吸收法工藝。通過運(yùn)行實(shí)踐，這2 套系統(tǒng)均取得了安全高效的處理效果，對(duì)試車臺(tái)區(qū)的污染程度的降低以及對(duì)整個(gè)周邊環(huán)境的生態(tài)保護(hù)，都起到了重要作用。

1 工藝設(shè)計(jì)說明

1.1 燃料廢氣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dǎo)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(yīng)。隨后加熱進(jìn)入催化分解塔對(duì)肼類廢氣先進(jìn)行反應(yīng)分解，接著再進(jìn)入吸收塔凈化吸收處理。其中，催化氧化的特點(diǎn)是有毒有害廢氣在催化劑的作用下進(jìn)行分解，生成氮?dú)狻錃狻⒍趸己桶睔獾刃》肿游镔|(zhì)，無二次污染，工藝趨于簡(jiǎn)單化、實(shí)用化[7]。工藝選用CM 型蜂窩狀方形稀土作催化劑，轉(zhuǎn)化溫度低，價(jià)格較貴金屬催化劑便宜，且效果較好。為了增加轉(zhuǎn)化率，減少多次催化的復(fù)雜工序，將催化劑在催化分解塔內(nèi)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(jìn)入塔體的未被完全處理掉的廢氣和噴淋液呈逆向流動(dòng)，廢氣由風(fēng)機(jī)壓入吸收塔中的勻壓室，穿過由陶瓷規(guī)整填料構(gòu)成的填料層，然后采用噴霧處理，使氣液兩相間進(jìn)行有效接觸，達(dá)到高效凈化的目的。經(jīng)過處理后的廢氣可由肼濃度監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)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(fù)，對(duì)有毒有害的廢氣進(jìn)行充分吸收。另外，為了提高加藥精準(zhǔn)度與降低勞動(dòng)強(qiáng)度，增加了自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)調(diào)試過程中的最佳參數(shù)，通過計(jì)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(jīng)收集管網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)廢水預(yù)處理池作進(jìn)一步凈化處理。

1.2 氧化劑廢氣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(fēng)機(jī)機(jī)械抽風(fēng)，將發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程中產(chǎn)生的四氧化二氮廢氣，也即瞬時(shí)性爆發(fā)的“黃龍”[8]，經(jīng)緩沖器、通風(fēng)管道引入吸收塔底側(cè)沿塔內(nèi)上升，吸收液在填料層內(nèi)均勻分布，且往下流動(dòng)。吸收塔中以氣液傳質(zhì)的雙膜理論為機(jī)理[9]，使氣液溶劑間充分進(jìn)行接觸，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，處于劇烈的擾動(dòng)狀態(tài)。為了增強(qiáng)氣液兩相的傳質(zhì)功效，重點(diǎn)在于應(yīng)選擇抗堵塞、噴射力度與細(xì)密度大的噴嘴，與優(yōu)良的陶瓷規(guī)整填料。根據(jù)四氧化二氮廢氣成分復(fù)雜、難以處理、濃度較高的特性，設(shè)計(jì)兩級(jí)廢氣吸收塔，以增加四氧化二氮廢氣和吸收液之間的傳質(zhì)過程，有充裕的時(shí)間使四氧化二氮廢氣擴(kuò)散到液相中，進(jìn)行反應(yīng)得以凈化。利用兩級(jí)濕法處理較高濃度、較大風(fēng)量四氧化二氮廢氣時(shí)，既要選用氣相傳質(zhì)系數(shù)大、操作彈性寬、壓降低、負(fù)荷高的設(shè)備，又要合理配置吸收液。為了防止兩級(jí)吸收塔處理四氧化二氮廢氣串流，在吸收液箱內(nèi)設(shè)置半截式防串隔板，提高了第一級(jí)吸收塔的利用率，降低了第二級(jí)吸收塔的處理負(fù)荷，增加了總吸收凈化率。吸收液箱加裝透明有機(jī)玻璃液位計(jì)及溢流管，其可靠性優(yōu)于浮球式自動(dòng)液位控制。采用波浪形塔板，在并在每層塔板上設(shè)置陶瓷鮑爾環(huán)，增加氣液接觸面積，延長停留時(shí)間，擴(kuò)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(qiáng)堿溶液也難于將它吸收，因此應(yīng)在吸收塔的廢氣中通入適量空氣，將NO 氧化成NO 。第一級(jí)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(yīng)，生成二氧化碳、氮?dú)狻⑾跛徜@等無毒產(chǎn)物；另一方面尿素本身即為化肥，處理后所產(chǎn)生的廢液不必對(duì)過量的尿素進(jìn)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(jí)吸收塔，經(jīng)氫氧化鈉及硫化鈉進(jìn)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(yīng)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(fù)，使廢氣不斷地被吸收。同時(shí)，自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)根據(jù)調(diào)試時(shí)的最佳參數(shù)，通過計(jì)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(jù)工藝要求，該燃料、氧化劑廢氣處理系統(tǒng)主要對(duì)泵、閥門等開關(guān)設(shè)備進(jìn)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(jìn)行自動(dòng)控制。控制回路主要包括：ORP 值自動(dòng)控制、配藥槽液位自動(dòng)控制、pH 值自動(dòng)控制、收集水槽及中間水槽液位自動(dòng)控制、泵及液位的聯(lián)鎖控制、物料計(jì)量。設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)采用三級(jí)控制方式，如圖3 所示。

采用工控機(jī)可模擬顯示整個(gè)系統(tǒng)的流程及控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，并可在工控機(jī)上靈活設(shè)置各點(diǎn)的控制參數(shù)、各臺(tái)調(diào)和的啟停。同時(shí)可按需生成數(shù)據(jù)報(bào)表、設(shè)備運(yùn)行報(bào)表、模擬量歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖等。該方案設(shè)置2 臺(tái)工控機(jī)，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(dòng)與自動(dòng)進(jìn)行相互切換，在提高勞動(dòng)效率時(shí)還可節(jié)約成本。

2 主要設(shè)備及設(shè)備參數(shù)

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(zhì)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(zhì)，噴頭采用無堵塞PP 螺旋噴頭，設(shè)備運(yùn)行電功率為8.7 kW，處理風(fēng)量為8 000 m3/h。

2.2 321耐酸堿離心風(fēng)機(jī)（含避震器、避震底座）

型號(hào)為T4-72-6A，風(fēng)壓為1.8 kPa，材質(zhì)為321，轉(zhuǎn)速2 900 r/min，風(fēng)量為8 000 m3/h，功率7.5 kW，油浴式軸承，風(fēng)機(jī)效率為90%以上，數(shù)量2 臺(tái)。

2.3 循環(huán)水泵

型號(hào)為KD-100VK-15，泵轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，泵軸材質(zhì)為304、功率為0.75 kW，流量為500 L/min，數(shù)量6 臺(tái)。

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(dòng)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(qiáng)度高且化學(xué)穩(wěn)定性較好[11]。

2.5 pH控制器

測(cè)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(shù)量2 臺(tái)。

2.6 壓差傳感器

主體結(jié)構(gòu)材料為1Cr18Ni9Ti，外殼為壓鑄合金鋁，工作溫度為-10℃～70℃，測(cè)量范圍為-100 kPa～40 MPa 及0～100 m（液位），防護(hù)等級(jí)為IP65、IP67，最大過載為標(biāo)準(zhǔn)量程的2 倍，負(fù)載電阻≤500 Ω，數(shù)量2 臺(tái)。

2.7 電磁流量計(jì)

測(cè)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(shù)量2 臺(tái)。

2.8 加藥系統(tǒng)

由加藥計(jì)量泵、藥箱、加藥平臺(tái)、浮球閥、耐腐蝕加藥泵組成，具體參數(shù)見表1。

表1 加藥系統(tǒng)的各設(shè)備參數(shù)

3 指標(biāo)檢測(cè)結(jié)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(dòng)機(jī)試車臺(tái)區(qū)投入使用。使用情況表明，這兩套系統(tǒng)運(yùn)行正常、性能可靠、處理效果良好，完全能夠滿足試車臺(tái)區(qū)廢氣處理要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)試車任務(wù)書規(guī)定：肼類廢氣允許排放的濃度值不應(yīng)超過5 ppm。其中，航天七院認(rèn)為，甲基肼排放濃度為10 mg/m3時(shí)，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(kuò)散稀釋，落地濃度不超過0.2 mg/m3[12]。通過對(duì)進(jìn)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(wù)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(kuò)散稀釋后落地濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(wù)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(jù)GB16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，氮氧化物廢氣排放總量應(yīng)不超過240 mg/m3[13]。經(jīng)過四氧化二氮廢氣處理系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于GB16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

4 工程投資及運(yùn)行費(fèi)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(fèi)用4 萬元，設(shè)備費(fèi)用206 萬元，安裝費(fèi)、調(diào)試費(fèi)、設(shè)計(jì)費(fèi)、運(yùn)雜費(fèi)等48 萬元。兩套廢氣處理系統(tǒng)的直接運(yùn)行費(fèi)用2 200 元/d，其中水電費(fèi)1 310 元/d，藥劑費(fèi)590 元/d，人工費(fèi)300 元/d。

5 結(jié)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(lián)用技術(shù)。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(zhì)；未被完全處理掉的廢氣再進(jìn)入液體吸收塔中作進(jìn)一步凈化。經(jīng)多次采樣檢測(cè)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(dòng)機(jī)試車任務(wù)書上規(guī)定的肼類廢氣濃度值不超過5 ppm的要求，能實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

四氧化二氮廢氣處理系統(tǒng)采用的是兩級(jí)液體吸收法技術(shù)。四氧化二氮廢氣成分以NO2、NO 為主。第一級(jí)吸收塔中采用尿素、硝酸作吸收液，生成CO2、N2、NH4NO3等無毒產(chǎn)物；第二級(jí)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(yīng)速率。經(jīng)檢測(cè)得出，四氧化二氮廢氣的凈化率在98.61%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GB16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》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(dòng)加藥控制系統(tǒng)，在提高加藥精準(zhǔn)度的同時(shí)還減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。這2 套廢氣處理系統(tǒng)目前已在某航天企業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)區(qū)投入使用，運(yùn)行正常、性能可靠且便于維護(hù)。這證明利用催化氧化法與中和吸收法相結(jié)合進(jìn)行肼類廢氣處理、兩級(jí)液體吸收法進(jìn)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(dòng)機(jī)試車臺(tái)區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)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(jìn)劑環(huán)境下的安全工作提供了一種新的工程化應(yīng)用技術(shù)。