某企业发动机试验废气处理系统的设计

2021-03-24陈广其王燕平上海空间推进研究所上海201112上海空间发动机工程技术研究中心上海201112

化工管理 2021年6期

陈广其，王燕平(1.上海空间推进研究所，上海 201112； 2.上海空间发动机工程技术研究中心，上海 201112)

0 引言

液体火箭发动机试验过程中产生有毒有害气体和污水，给环境造成污染，危害人身健康，甚至影响生物的正常生存和发展，因此对这些有害物质进行处理治理，已成为发动机试验技术中不可缺少的部分。

1 燃气处理系统方案

液体火箭发动机试车中产生的有毒有害气体主要来源有3个方面：一是推进剂在转注、加注过程中产生的废气；二是发动机在试车过程中产生的燃气；三是试车结束对发动机吹除清洗过程中产生的废液废气。对于转注加注过程产生的废气可通过地面设备加以保证，处理的重点在于试车过程中产生的燃气，如：肼类蒸汽、二氧化氮蒸汽等。这些燃气通常采用自然净化法，即依靠燃烧产物在大气中的自然稀释和衰变来达到净化目的。据报道，美国空军火箭推进实验室(AFRPL)和阿诺德工程发展中心(AEDC)曾对液体和固体火箭发动机的燃烧产物进行净化处理研究，提出了湿法洗涤处理方案。试验结果表明，对小推力发动机的燃烧产物治理比较有效。本处理系统主要适用于小推力姿控发动机(如490 N以下)。由于小推力姿控发动机试车以脉冲为主，脉冲工作时间长。在发动机电磁阀启闭过程中，约有20%～30%的不完全燃烧的有毒产物产生，危害极大。而对于大推力发动机(2 500 N)由于燃烧充分完全，采用燃气直接排放大气，仅对吹除、清洗过程所产生的废气进行处理。

1.1 燃气处理原理

1.1.1 处理依据

氧化剂四氧化二氮和肼类燃料都极易溶于水，且肼类燃料是极性化合物，其在水溶液中的浓度与蒸汽压之间关系符合亨利定律。因此用水作吸收介质，以填料式吸收塔进行处理，将废气转化为废液，对废液进行二次处理，方法简单、有效可行。

1.1.2 处理流程

发动机产生的废气通过导流管流入吸收塔，在导流管内进行初步冷却和热交换后，最终在吸收塔内进行充分的混合、接触、吸收、溶解，溶于水的物质由塔底部回流管流至水池，循环使用。水池的液面高出回流管管口，形成液封，使废气只能够向吸收塔顶部排出，而不能由回流管逃逸。不溶于水的气体进入水汽分离器，再由风机抽出排空。风机使吸收塔内形成负压，以利于废气的排出。设计方案原理流程图如图1所示。

图1 燃气处理系统原理流程图

1.2 设备的总体布局

总体结构布置要求燃气行程短，通道流畅，美观实用。简图如图2所示。

图2 燃气处理系统布局图

2 关键设备

2.1 发动机安装架

考虑到对不同推力发动机燃气处理方式不同，发动机安装设计了垂直、水平2个工位。垂直工位安装的发动机燃气直接喷入燃气导流管内，水平安装的发动机仅在试车结束吹除时，由气缸顶起放置在导流管内的集液管，将发动机推力室喷口罩住，吹除、清洗产生的废液、废气通过集液管流入导流管。

2.2 气体导流管

导流管是连接发动机与燃气吸收塔之间的通道，导流管直接与大质量流燃气接触，为使燃气在导流管内冷却、减速和避免高温燃气对导流管内壁的烧蚀，需必要的冷却措施。因此导流管设计为双层夹套水冷结构，导流管口部还加装喷水盘，由四周向导流管中心喷水，以冷却和引射高温高速燃气。

2.3 吸收塔

为了节省能源消耗和紧凑土建面积，采用填料式吸收塔，为增大水汽接触面积，水由塔顶的莲蓬喷头喷入，与塔底部送入的燃气通过填料层逆流接触，在填料(聚丙烯酯阶梯环)表面发生传质作用。

2.3.1 吸收塔喷淋水量计算

根据发动机试车产生的燃气量及燃气温度进行计算。

2.3.2 吸收塔塔径计算

塔径由液泛速度计算。

2.3.3 490 N短喷管双元发动机试验

以490 N短喷管双元发动机为例，按照将燃气冷却至50 ℃、80 ℃、100 ℃分别计算，结果如表1所示。

表1 490N短喷管双元发动机试验

2.4 汽水分离器和风机

吸收塔内经填料层作用的尾气，由塔顶排出至汽水分离器，水汽分离后以利于风机的抽吸，风机是气体抽吸的动力源，保证即使燃气在导流管口无压力的情况下，也可在塔内形成负压将气体抽吸走。风机排放管口距离地面20 m，大大削弱了降落地表的有毒有害气体的浓度。

3 装置使用效果

发动机试验燃气处理装置研制成功后投入地面试验台使用。使用结果表明，该系统操作简便，性能可靠，处理效果显著，完全能够满足双组元地面试验后燃气处理的各项要求。试验过程中产生的燃气经吸收塔内水介质进行喷淋处理，再通过塔内的填料进行吸收处理，将废气转化为废液，对废液再次进行处理。最终，废气、废液经该系统处理排放后均能达到有关环保检测的标准。经过采样化验得出，废气的净化率在97%以上，优于航天废气废水排放规定的肼类废气浓度值不超过5×10-6的要求，能实现达标排放。该套燃气处理系统中额外增加了全自动的加药技术，在配置好中和液的基础上，设定每次投药的间隔时间，这样既提高了每次精准的加药频率，同时，大大减低了劳动力。该套燃气设备在航天企业运行以来，各项性能可靠、运行稳定，也便于后续的维护保养。较好地证明利用设计的此套设备进行燃气处理是行之有效的。该设备的投入使用，使航天企业发动机试验区域的环境得到进一步的改善与提升，既保护了广大员工的身体健康，又为恶劣环境职业安全工作总结出了一项新的工程化技术应用成果。