液体推进剂废气处理系统的设计

李 慧 庄 杰 谢 龙 沈锡江

（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

液体推进剂由于具有比冲高、燃烧稳定、可多次点火、易于贮存和推力可调等诸多优点，在航天、国防领域具有广泛的应用[1]。液体推进剂包括燃料、氧化剂2 个部分。其中，燃料以无水肼、一甲基肼、偏二甲肼和单推-3 等肼类为主，氧化剂以四氧化二氮为主[2]。通过分析某航天企业试车台区的环境污染可知，污染主要来源于发动机试车过程中所用推进剂肼类及四氧化二氮所产生的废气。

肼类燃料为无色透明液体，具有高毒、易爆、易燃的特性，在肼类燃料的增压、卸压、加注和贮存等试车过程中会产生大量的肼类废气，对人体健康及周边生态环境都能造成严重的破坏[3]。四氧化二氮腐蚀性及氧化性强、毒性较高，易分解为红棕色的二氧化氮，其在试车过程中产生的废气主要含有一氧化氮、二氧化氮，能造成酸雨、光化学烟雾、臭氧层空洞等危害[4]。因此，有必要对肼类及四氧化二氮废气进行综合处理，实现达标排放。

肼类废气的处理方法包括水吸收法、催化氧化法、活性炭吸附法、中和吸收法和燃烧法等[5]。四氧化二氮废气的处理方法包括液体吸收法、还原法、吸附法、生物法和焚化法等[6]。以上治理肼类及四氧化二氮废气的方法各有优缺点，随着环保要求越来越高，肼类及四氧化二氮废气的排放指标也进一步提高。仅仅依靠单一的处理技术通常较难达到国家要求的排放标准，需要根据具体情况制定出合适的治理方案，以取得较好的效果。

针对某航天企业发动机试车台区肼类、四氧化二氮废气处理难题，分别设计完成了相应的处理系统：对肼类废气处理采用催化氧化法与中和吸收法的组合工艺，对四氧化二氮废气处理采用两级液体吸收法工艺。通过运行实践，这2 套系统均取得了安全高效的处理效果，对试车台区的污染程度的降低以及对整个周边环境的生态保护，都起到了重要作用。

1 工艺设计说明

1.1 燃料废气处理系统设计说明

燃料（肼类）废气处理工艺流程如图1 所示。燃料贮罐卸压废气（肼类废气）先导入缓冲器，既避免废气浓度过大，又能防止液体直接与催化剂反应。随后加热进入催化分解塔对肼类废气先进行反应分解，接着再进入吸收塔净化吸收处理。其中，催化氧化的特点是有毒有害废气在催化剂的作用下进行分解，生成氮气、氢气、二氧化碳和氨气等小分子物质，无二次污染，工艺趋于简单化、实用化[7]。工艺选用CM 型蜂窝状方形稀土作催化剂，转化温度低，价格较贵金属催化剂便宜，且效果较好。为了增加转化率，减少多次催化的复杂工序，将催化剂在催化分解塔内放置成纵向分隔式，使废气流向呈横s 型。液体吸收塔上部喷淋吸收液，下部进入塔体的未被完全处理掉的废气和喷淋液呈逆向流动，废气由风机压入吸收塔中的匀压室，穿过由陶瓷规整填料构成的填料层，然后采用喷雾处理，使气液两相间进行有效接触，达到高效净化的目的。经过处理后的废气可由肼浓度监测仪进行检测，最终实现达标排放。

吸收肼类废气后的溶液流入塔底循环液槽，采用耐腐蚀的泵将其抽出重新送入吸收塔中，如此循环往复，对有毒有害的废气进行充分吸收。另外，为了提高加药精准度与降低劳动强度，增加了自动加药控制系统。该系统可根据调试过程中的最佳参数，通过计量水泵添加适量药剂，替代饱和溶液，以确保稳定的净化效果。饱和吸收液经收集管网进入工业废水预处理池作进一步净化处理。

1.2 氧化剂废气处理系统设计说明

氧化剂（四氧化二氮）废气处理工艺流程如图2 所示。利用离心通风机机械抽风，将发动机试车过程中产生的四氧化二氮废气，也即瞬时性爆发的“黄龙”[8]，经缓冲器、通风管道引入吸收塔底侧沿塔内上升，吸收液在填料层内均匀分布，且往下流动。吸收塔中以气液传质的双膜理论为机理[9]，使气液溶剂间充分进行接触，发生化学反应，处于剧烈的扰动状态。为了增强气液两相的传质功效，重点在于应选择抗堵塞、喷射力度与细密度大的喷嘴，与优良的陶瓷规整填料。根据四氧化二氮废气成分复杂、难以处理、浓度较高的特性，设计两级废气吸收塔，以增加四氧化二氮废气和吸收液之间的传质过程，有充裕的时间使四氧化二氮废气扩散到液相中，进行反应得以净化。利用两级湿法处理较高浓度、较大风量四氧化二氮废气时，既要选用气相传质系数大、操作弹性宽、压降低、负荷高的设备，又要合理配置吸收液。为了防止两级吸收塔处理四氧化二氮废气串流，在吸收液箱内设置半截式防串隔板，提高了第一级吸收塔的利用率，降低了第二级吸收塔的处理负荷，增加了总吸收净化率。吸收液箱加装透明有机玻璃液位计及溢流管，其可靠性优于浮球式自动液位控制。采用波浪形塔板，在并在每层塔板上设置陶瓷鲍尔环，增加气液接触面积，延长停留时间，扩大操作弹性。

图1 燃料废气处理工艺流程

由于氧化剂贮罐卸压废气（四氧化二氮废气）是以NO2、NO 为主，该废气极易被水吸收，生成亚硝酸及硝酸。但NO 难溶于水，即使强碱溶液也难于将它吸收，因此应在吸收塔的废气中通入适量空气，将NO 氧化成NO 。第一级吸收塔中使用尿素、硝酸作吸收液，原因是：一方面尿素和硝酸、亚硝酸反应，生成二氧化碳、氮气、硝酸铵等无毒产物；另一方面尿素本身即为化肥，处理后所产生的废液不必对过量的尿素进行分离，可直接用作化肥使用。然后，未被彻底去除的废气流入第二级吸收塔，经氢氧化钠及硫化钠进一步吸收去除。硫化钠、氢氧化钠水溶液均能较为有效地吸收二氧化氮，且氢氧化钠能提供碱性环境，提高反应速率[10]。

吸收四氧化二氮废气后的溶液流入塔底循环液槽，采用耐腐蚀的泵将其抽出重新送入吸收塔中，循环往复，使废气不断地被吸收。同时，自动加药控制系统根据调试时的最佳参数，通过计量水泵抽取药剂于喷淋塔水槽中。

1.3 控制系统说明

根据工艺要求，该燃料、氧化剂废气处理系统主要对泵、阀门等开关设备进行控制，辅以液位、ORP 值、pH 值等模拟量监控，利用可编程逻辑控制器（PLC）进行自动控制。控制回路主要包括：ORP 值自动控制、配药槽液位自动控制、pH 值自动控制、收集水槽及中间水槽液位自动控制、泵及液位的联锁控制、物料计量。设计的自动控制系统采用三级控制方式，如图3 所示。

采用工控机可模拟显示整个系统的流程及控制点数据，并可在工控机上灵活设置各点的控制参数、各台调和的启停。同时可按需生成数据报表、设备运行报表、模拟量历史数据趋势图等。该方案设置2 台工控机，互为热备，确保工控系统稳定。该系统操作便捷，可使手动与自动进行相互切换，在提高劳动效率时还可节约成本。

2 主要设备及设备参数

2.1 吸收塔

燃料废气处理1 座，氧化剂废气处理2 座。塔体规格为Φ2 000×6 000 mm 塔体材质为321，型式为直立逆流式，填料层为规整填料，喷淋管为PVC 材质，喷头采用无堵塞PP 螺旋喷头，设备运行电功率为8.7 kW，处理风量为8 000 m3/h。

2.2 321耐酸碱离心风机（含避震器、避震底座）

型号为T4-72-6A，风压为1.8 kPa，材质为321，转速2 900 r/min，风量为8 000 m3/h，功率7.5 kW，油浴式轴承，风机效率为90%以上，数量2 台。

2.3 循环水泵

型号为KD-100VK-15，泵转速为2 900 r/min，泵轴材质为304、功率为0.75 kW，流量为500 L/min，数量6 台。

2.4 陶瓷规整填料

图2 氧化剂废气处理工艺流程

图3 自动控制系统示意图

新型规整填料的一种，由许多有着同样形状的填料单元体组合而成，有着较好的亲水、润湿性能，可耐高温高压、耐腐蚀，强度高且化学稳定性较好[11]。

2.5 pH控制器

测定pH 值范围为0～14，输出电流范围为4 mA～20 mA，温度范围为0℃～60℃，数量2 台。

2.6 压差传感器

主体结构材料为1Cr18Ni9Ti，外壳为压铸合金铝，工作温度为-10℃～70℃，测量范围为-100 kPa～40 MPa 及0～100 m（液位），防护等级为IP65、IP67，最大过载为标准量程的2 倍，负载电阻≤500 Ω，数量2 台。

2.7 电磁流量计

测量范围为0.1 m/s～15 m/s，输出电流范围为4 mA～20 mA，功耗≤8 W，电极材料为316L 不锈钢，数量2 台。

2.8 加药系统

由加药计量泵、药箱、加药平台、浮球阀、耐腐蚀加药泵组成，具体参数见表1。

表1 加药系统的各设备参数

3 指标检测结果

肼类、四氧化二氮废气处理系统研制成功后即在发动机试车台区投入使用。使用情况表明，这两套系统运行正常、性能可靠、处理效果良好，完全能够满足试车台区废气处理要求。

发动机试车任务书规定：肼类废气允许排放的浓度值不应超过5 ppm。其中，航天七院认为，甲基肼排放浓度为10 mg/m3时，排气口离地8 m～10 m 高度，加上废气温度在150℃左右的热力抬升，排放废气扩散稀释，落地浓度不超过0.2 mg/m3[12]。通过对进气口、排气口的多次采样，得出甲基肼、无水肼废气处理效果分别见表2、表3。

由表2 可得，甲基肼废气的净化率均在97.04%以上，处理后的浓度小于任务书规定的浓度值（不超过5 ppm）。排气口距离地面约10 m，排放废气热力抬升和扩散稀释后落地浓度远远小于0.2 mg/m3。由表3 可知，无水肼废气的净化率均在99.92%以上，处理后浓度均小于1 mg/m3，优于任务书允许的5 ppm（约7 mg/m3）的要求。

表2 甲基肼废气处理效果

表3 无水肼废气处理效果

根据GB16297—1996《大气污染物综合排放标准》的要求，氮氧化物废气排放总量应不超过240 mg/m3[13]。经过四氧化二氮废气处理系统的调试运行，得出其废气处理效果见表4。

表4 四氧化二氮废气处理效果

由表4 可得，四氧化二氮废气的净化率均在98.61%以上，远远高于GB16297—1996《大气污染物综合排放标准》的要求。

4 工程投资及运行费用

该工程（肼类、四氧化二氮废气处理系统）总投资258万元，其中土建费用4 万元，设备费用206 万元，安装费、调试费、设计费、运杂费等48 万元。两套废气处理系统的直接运行费用2 200 元/d，其中水电费1 310 元/d，药剂费590 元/d，人工费300 元/d。

5 结论

肼类废气处理系统采用的是催化氧化法与中和吸收法联用技术。其中，催化剂选用的是CM 型蜂窝状方形稀土，可将肼类废气分解为N2、H2、CO2、NH3等小分子物质；未被完全处理掉的废气再进入液体吸收塔中作进一步净化。经多次采样检测得出，甲基肼废气的净化率在97.04%以上，无水肼废气的净化率在99.92%以上，均优于发动机试车任务书上规定的肼类废气浓度值不超过5 ppm的要求，能实现达标排放。

四氧化二氮废气处理系统采用的是两级液体吸收法技术。四氧化二氮废气成分以NO2、NO 为主。第一级吸收塔中采用尿素、硝酸作吸收液，生成CO2、N2、NH4NO3等无毒产物；第二级吸收塔中采用氢氧化钠、硫化钠作吸收液，且氢氧化钠提供的碱性环境，可加快反应速率。经检测得出，四氧化二氮废气的净化率在98.61%以上，远远高于GB16297—1996《大气污染物综合排放标准》的要求。

此外，在肼类、四氧化二氮废气处理系统中增加自动加药控制系统，在提高加药精准度的同时还减轻了劳动强度。这2 套废气处理系统目前已在某航天企业发动机试车台区投入使用，运行正常、性能可靠且便于维护。这证明利用催化氧化法与中和吸收法相结合进行肼类废气处理、两级液体吸收法进行四氧化二氮废气处理是行之有效的。这2套废气处理系统的成功研制，使发动机试车台区生态环境保护能力水平得以显著提升，保障了员工的身体健康，也为在有毒有害液体推进剂环境下的安全工作提供了一种新的工程化应用技术。