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

0 引言

液體火箭發(fā)動機試驗過程中產(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)進行處理治理，已成為發(fā)動機試驗技術(shù)中不可缺少的部分。

1 燃氣處理系統(tǒng)方案

液體火箭發(fā)動機試車中產(chǎn)生的有毒有害氣體主要來源有3個方面：一是推進劑在轉(zhuǎn)注、加注過程中產(chǎn)生的廢氣；二是發(fā)動機在試車過程中產(chǎn)生的燃氣；三是試車結(jié)束對發(fā)動機吹除清洗過程中產(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(chǎn)物在大氣中的自然稀釋和衰變來達到凈化目的。據(jù)報道，美國空軍火箭推進實驗室(AFRPL)和阿諾德工程發(fā)展中心(AEDC)曾對液體和固體火箭發(fā)動機的燃燒產(chǎn)物進行凈化處理研究，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(如490 N以下)。由于小推力姿控發(fā)動機試車以脈沖為主，脈沖工作時間長。在發(fā)動機電磁閥啟閉過程中，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(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(chǎn)生的廢氣進行處理。

1.1 燃氣處理原理

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)，以填料式吸收塔進行處理，將廢氣轉(zhuǎn)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(fā)動機產(chǎn)生的廢氣通過導(dǎo)流管流入吸收塔，在導(dǎo)流管內(nèi)進行初步冷卻和熱交換后，最終在吸收塔內(nèi)進行充分的混合、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。不溶于水的氣體進入水汽分離器，再由風(fēng)機抽出排空。風(fēng)機使吸收塔內(nèi)形成負壓，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 燃氣處理系統(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(tǒng)布局圖

2 關(guān)鍵設(shè)備

2.1 發(fā)動機安裝架

考慮到對不同推力發(fā)動機燃氣處理方式不同，發(fā)動機安裝設(shè)計了垂直、水平2個工位。垂直工位安裝的發(fā)動機燃氣直接噴入燃氣導(dǎo)流管內(nèi)，水平安裝的發(fā)動機僅在試車結(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)動機與燃氣吸收塔之間的通道，導(dǎo)流管直接與大質(zhì)量流燃氣接觸，為使燃氣在導(dǎo)流管內(nèi)冷卻、減速和避免高溫燃氣對導(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岳鋮s和引射高溫高速燃氣。

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，與塔底部送入的燃氣通過填料層逆流接觸，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)動機試車產(chǎn)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(fā)動機試驗

以490 N短噴管雙元發(fā)動機為例，按照將燃氣冷卻至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)動機試驗

2.4 汽水分離器和風(fēng)機

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)機的抽吸，風(fēng)機是氣體抽吸的動力源，保證即使燃氣在導(dǎo)流管口無壓力的情況下，也可在塔內(nèi)形成負壓將氣體抽吸走。風(fēng)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(fā)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(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氣處理的各項要求。試驗過程中產(chǎn)生的燃氣經(jīng)吸收塔內(nèi)水介質(zhì)進行噴淋處理，再通過塔內(nèi)的填料進行吸收處理，將廢氣轉(zhuǎn)化為廢液，對廢液再次進行處理。最終，廢氣、廢液經(jīng)該系統(tǒng)處理排放后均能達到有關(guān)環(huán)保檢測的標準。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)達標排放。該套燃氣處理系統(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的加藥頻率，同時，大大減低了勞動力。該套燃氣設(shè)備在航天企業(yè)運行以來，各項性能可靠、運行穩(wěn)定，也便于后續(xù)的維護保養(yǎng)。較好地證明利用設(shè)計的此套設(shè)備進行燃氣處理是行之有效的。該設(shè)備的投入使用，使航天企業(yè)發(fā)動機試驗區(qū)域的環(huán)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(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、高速燃氣收集起來進行處理十分困難，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氣為地面燃氣處理技術(shù)，提供了一種新途徑，燃氣經(jīng)處理后，對臺區(qū)和人身的污染比處理前大大降低。