肼推进剂废气处理系统设计

郝战焱，孙 波，朱海涛，金朝旭

（1. 北京航天试验技术研究所，北京 100074；2. 中国人民解放军驻二一八厂军事代表室，北京 100176；3. 空军装备部航材部，北京 100038）

肼推进剂废气处理系统设计

郝战焱1，孙 波2，朱海涛3，金朝旭1

（1. 北京航天试验技术研究所，北京 100074；2. 中国人民解放军驻二一八厂军事代表室，北京 100176；3. 空军装备部航材部，北京 100038）

为吸收某型号发动机地面试验尾气中所含的肼和氨气，设计了肼推进剂废气处理系统，处理后的气体达到可排入大气的标准。文章介绍了肼分解废气处理的7种常用方法，经比较选择使用处理液喷淋的方法。废气处理系统实际达到的技术参数为：对空自运行流量 944Nm3/h；发动机试车状态下经过处理的废气中肼含量＜0.0012mg/m3，氨含量为0.0326～0.057mg/m3（厂界值，共检测4点）。检测结果大大优于国家相关标准要求。经过数十次发动机地面试验的实践证明，系统能够满足用户使用要求，并且操作简便、运行可靠、免于维护。

肼；推进剂；发动机地面试验；废气处理；喷淋

0 引言

肼推进剂是性能优良的高能液体燃料，广泛应用于航天领域［1］。因其具有高毒、易燃、易爆的特性，所有涉及肼推进剂的作业都有可能产生肼废气，可能对作业人员造成伤害并污染大气环境，所以必须对肼废气进行处理，达标排放。

肼废气的处理方法包括水吸收处理法、催化氧化处理法、活性炭吸附处理法、燃烧法、中和处理法、光催化氧化处理法、高空排放处理法等［2］。其中高空排放处理法只是靠气流扩散和稀释而实现浓度降低；水吸收处理法和活性炭吸附法是将肼物质物理浓缩和转移，会产生大量的含肼废水或固体废弃物。实际上，这3种方法均未对肼物质进行处理［3-7］。

燃烧法是先将处理设备加热到规定的温度，再通入待处理气体进行燃烧，因此需要添加辅助燃料启动和维持燃烧。国家标准要求包括肼在内的危险废物燃烧温度需维持在1100～1200℃［8］，这需要添加大量的燃料（柴油、煤油等），既耗费能源又使操作有危险，曾有燃烧法处理肼废气烧伤操作工的报道；另外，为保证废气中的肼气体能够充分燃烧，还需设置气体分配装置和复杂的控制装置。催化氧化处理法使用中为防止催化剂中毒，需先对待处理气体和辅助氧化的空气进行预处理和净化；为保证催化效果，还必须采取措施使气体与催化剂有尽量大的接触面积，导致对催化剂的微观形态要求高，一般需要在催化剂中添加有一定强度的成形用添加剂，因此催化剂制作工艺复杂、成本较高，还需要定期更换，而更换下来的催化剂仍需处理。由此看来，燃烧法和催化氧化处理法的投资和全生命周期运行费用均较高。

光催化方法可以有效降解多种挥发性有机物，但处理时间较长且需要较大的占地面积，肼废气在漫长的处理过程中对周围的环境仍有不良影响。

与以上各种处理方法相比，中和法中采用专用处理液喷淋处理肼废气，具有反应速度快、处理效果好的优点，而且能源消耗较低，操作简便，还能够吸收发动机试验废气中所含有的另一种有害气体——氨气。处理后的液体还有进一步的处理方法，最终可以实现零污染排放。因此喷淋法处理肼及肼分解废气是全程环境友好的处理方法，实用性强。

经过调研，采用专利号为CN102114381B的高效废气处理液［9］，能够有效吸收处理肼推进剂试验后产生的废气中所含有的肼和氨气。实验室研究表明：该处理液经过配比和稀释，水溶液对肼含量≤3×10-3、氨气含量≤40%的发动机试车废气有很好的吸收处理效果。本文在此基础之上经过系统设计和计算，研制生产了一套专用于处理肼推进剂地面试验废气的系统。

1 系统作用和设计指标

某型号发动机排放的废气的主要成分是氮气、蒸汽、氨气、肼和氢气。该肼推进剂废气处理系统的设计指标为：

1）废气处理能力：600m3/h；

2）系统进气口处气体温度：≤100℃；

3）系统排气口肼浓度：≤0.13mg/m3；

4）系统排气口氨浓度：≤1.5mg/m3。

2 系统原理

该系统为气液传质系统（如图1所示）：肼废气经过气体输送子系统从下至上、处理液被循环泵从处理液贮箱内抽出经液体输送子系统从上至下分别进入到吸收塔内；气体和喷淋液体在吸收塔内的填料表面充分接触，使废气中所含的有害气体成分降低到国家标准许可的范围内；然后溶液从吸收塔底部回流至处理液贮箱完成循环，处理过的达标废气由塔顶对空排放。处理液是循环使用的，设计更换周期约为 1年。

图1　肼推进剂废气处理系统示意Fig. 1 Schematic diagram of the waste gas treatment system of hydrazine propellant

3 系统设计思路

肼分解产生的废气里面除含有残余肼蒸气之外还含有大量氨气。查阅了各种文献，能够兼具去除这2种有害气体并且环保处理、不产生二次污染的方法只有高温燃烧或通过气液传质设备进行物理化学反应。经过实地调研，综合比较了这2种方法的优缺点后，选择了后者。

常用的气液传质设备有板式塔和填料塔2种［10］。其优缺点对比见表1［11］。

表1　板式塔和填料塔优缺点对比

本系统处理能力要求为600m3/h，属于小处理量气液传质设备；为降低成本，需要选择在小直径时有高效率的塔类型。因此确定选型为填料吸收塔。

4 系统设计难点

系统设计包括：根据废气处理能力要求计算塔径和填料高度，设计喷淋装置及布气装置，选配风机和循环泵；根据匹配的喷淋量、喷淋压力计算管道直径和承压、处理液贮箱承压；根据布置现场情况计算塔承载、风载荷和地震载荷，并设计设备基础；绘制各子系统部件图和总装配图；选配电控箱和电控元件。由于废气只是流经该系统，所以系统设备属于常压设备，没有承压相关计算，强度计算相对简单。而填料高度的计算是难点。

填料高度需要按照肼和氨气的吸收过程分别计算，然后在两结果间取大值。以下按照肼气体阐述计算过程。

按照前期实验室数据，所采用的处理液与含肼废气在进行气液传质时遵循的饱和平衡关系如图2所示。

图2　CN102114381B处理液处理肼的饱和浓度曲线（20℃）Fig. 2 Treating saturation concentration curve of hydrazine with CN102114381B treatment liquid （20℃）

由图2可知，x与y近似为线性关系，可表示为

其中x和y分别为任意平面的液体和气体中肼的摩尔分数。

采用对数平均推动力法计算填料层高度［11］，有

式中：Δya和Δyb分别为塔顶和塔底的气相总推动力；ya和 yb分别为塔顶和塔底气体中肼的摩尔分数；m为相平衡常数；xa和xb分别为塔顶和塔底液体中肼的摩尔分数；Δym为塔顶、塔底推动力的对数平均值。

故填料层高度为

式中：G为进塔的气体流率，kmol/（m2·s）；Kya为体积总传质系数，kmol/（m3·s）。

5 系统主要组件设计选型

该废气处理系统由气液传质子系统、液体输送子系统、气体输送子系统、尾气排放装置、连接阀门和管道等组成。

系统使用的循环工质具有弱腐蚀性，且气体来源是发动机试验尾气，进气口处温度会比较高，故系统主体材料选用奥氏体不锈钢06Cr19Ni10。

气液传质设备是系统的核心部件，采用技术成熟的喷淋式填料吸收塔，其主要组件包括填料、喷淋装置、布气装置、承力结构件等。

5.1填料

当前性能最好的填料是规整填料，但对于本项目，规整填料的价格昂贵，缺乏使用经验，且地面设备可以用填料高度来弥补填料性能的不足，因此综合考虑性价比、循环工质及气体来源之后选择不锈钢材料的散堆填料。

5.2喷淋装置

喷淋装置决定吸收塔初始液体均布效果，对气液传质效果影响很大，是吸收塔的关键组件。为最大限度发挥高效填料的性能，必须对喷淋装置进行详细的设计计算，以保证处理液在气液传质装置截面内部尽量均布。喷淋装置的总送液能力为［12］

式中：L为液体流量，m3/s；d为小孔直径，m；n为孔数；φ为小孔流量系数；h为喷淋压力，m。

5.3气体输送子系统

气体输送子系统的主要功能是提供气体进入系统至排放全流程的动力，并且负责肼废气在全流程中的均匀分布流动。其设计核心是选择合适的风机，并设计能达到气体均布效果的气体均布装置，必要情况下需要设置多层气体均布装置。

风机轴功率为［13］

式中：Pa为风机的轴功率，kW；qv为混合气体流量，m3/h；Δp为气体通过系统的压力降，Pa；η为风机效率。

5.4液体输送子系统

液体输送子系统的主要功能是为处理液在全系统内的循环流动提供动力，并确保处理液与需处理的废气充分接触。该子系统的详细设计包括泵的计算和处理液贮箱的匹配设计。

处理液需要获得的、维持在系统内循环运行的功率即循环泵的输出功率，为［14］

式中：Pu为循环泵的输出功率，kW；ρ为处理液密度，kg/m3；g为重力加速度，9.81m/s2；Q为处理液的流量，m3/s；H为所需处理液初始流动扬程，m。

处理液贮箱的容量决定处理液的更换周期，而增大处理液贮箱的容量则意味着设备制造成本和占地面积的增加。因此，需要权衡一次性投入成本与使用方便性的综合性价比，合理选配处理液贮箱的容量。

6 使用效果

6.1指标检测结果

系统处理能力的专项检测结果为：包括系统与废气来源管路对接的工艺管道在内，系统对空自运行流量为944Nm3/h，完全能够满足设计指标要求并有较大余量。正常工作状态下的专项排气检测结果为：肼未检出（最小检出限0.0012mg/m3）；氨气0.0326～0.057mg/m3（厂界值，共检测4点）。《恶臭污染物排放标准》（GB 14554-1993）中规定，氨气排放的标准值（二级、新扩改建的厂界标准值）为1.5mg/m3；《车间空气中肼卫生标准》（GB 16221-1996）中规定，车间空气中肼的最高容许浓度为0.13mg/m3（肼气体尚无排放标准）。可见，该系统排气的各项指标均满足甚至大大优于国家排放标准的要求。

该系统现已投入使用。实践证明，系统各项参数满足用户使用要求，并且操作简便、运行可靠。

6.2使用后的处理液

所使用的处理液配方以酸和盐为主。废气中的肼和氨经喷淋处理进入液体当中，转化为肼基和氨基盐类。通过监测液体的饱和程度可以判断是否需要更换处理液。使用后的液体进入废水收集池进行统一处理，处理时可以采用专用化学试剂，比如文献［15］所指肼类废液处理液，也可以采用专用肼废水处理设备进行后续处理，使肼和氨最终转化为氮气和水，实现达标排放。

7 系统进步点

该系统用于处理肼推进剂分解产生的有毒有害气体。相比较其他的肼推进剂废气处理装置，该系统的进步点主要有：

1）处理效率高。采用了处理效果好、投入和维护成本低、操作简便的处理液喷淋法处理含肼废气。

2）采用高效吸收处理液。采用具有专利技术的高效吸收处理液，不仅能高效吸收残余的肼，还能够吸收处理废气中含量很大的氨气。

3）全系统采用免维护设计。由于处理液有一定腐蚀性，全系统采用奥氏体不锈钢材料，而且循环泵采用原理上无漏液的磁力泵，保证了系统使用寿命，在系统全生命期内能有效降低维护成本，并且除电机外系统免维护。

4）设计使用了性能价格比最优的吸收塔内件。

5）对系统进行了充分的匹配设计。系统设计与发动机试验工况相匹配，充分考虑了发动机试验各个阶段的特点和需要，并且系统内部的气液循环也经过匹配计算。通过详细的计算和系统设计，保证使用效果达到任务书要求。

8 结束语

该套废气处理系统采用处理液喷淋式处理方法，所用处理液为具有专利技术的高效废气处理液，经过系统设计计算以及全系统的精心匹配设计，能够对肼推进剂发动机地面试验产生的废气进行有效吸收处理，实现达标排放。检测结果显示，系统的处理能力达到设计指标，处理效果远远好于相关标准的要求。经过试验状态的实际检测和长时间使用验证，该系统处理效果理想，运行可靠，使用成本低，使用3年的时间都不需要维护。这证明了采用处理液喷淋法进行肼推进剂废气处理是可行的、值得采用的。

（References）

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［2］ 王卫波， 牛群钊， 余琦. 肼类燃料废气处理进展［J］.化学推进剂与高分子材料， 2015， 13（2）:51-54 WANG W B， NIU Q Z， YU Q. Progress in exhaust treatment of hydrazine-type fuels［J］. Chemical Propellants & Polymeric Materials， 2015， 13（2）:51-54

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［7］ Review of alpha-ketoglutaric acid （AKGA） hydrazine and monomethylhydrazine （MMH） neutralizing compound:NASA/TM-2009-215913［S］， 2009

［8］ 中国环境监测总站， 中国科技大学. 危险废物焚烧污染控制标准:GB 18484—2001［S］， 2001:3

［9］ 北京航天凯恩化工科技有限公司. 一种肼类废气吸收液:CN102114381B.2013［P］. 2013-03-13

［10］ 贾绍义， 柴诚敬. 化工传质与分离过程［M］. 北京:化学工业出版社， 2007:172

［11］ 路秀林， 王者相. 塔设备［M］. 北京:化学工业出版社，2004:17； 174

［12］ 杨祖荣， 刘丽英， 刘伟. 化工原理［M］. 3版. 北京:化学工业出版社， 2014:233

［13］ 张玉成， 仪登利， 冯殿义， 等. 通风机设计与选型［M］.北京:化学工业出版社， 2011:26

［14］ 中国石化集团上海工程有限公司. 化工工艺设计手册［M］. 4版. 北京:化学工业出版社， 2009:926

［15］ 北京航天凯恩化工科技有限公司. 一种肼类废液处理液:CN102134109B.2012［P］. 2012-08-08

（编辑：许京媛）

Design of waste gas treatment system of hydrazine propellant

HAO Zhanyan1， SUN Bo2， ZHU Haitao3， JIN Zhaoxu1
（1. Beijing Institute of Aerospace Testing Technology， Beijing 100074， China；2. Military Representative Office of PLA in the No. 218 Factory， Beijing 100176， China；3. Aviation Material Department of PLA Air Force Armaments Ministry， Beijing 100038， China）

A waste gas treatment system is designed， to be used for treating the hydrazine and the ammonia gas in the tail gas from a certain type of engine during the ground test， and the remained gas is discharged into the atmosphere. Seven common methods for the treatment of the decomposition hydrazine waste gas are introduced in this paper. A method of spraying waste gas using treatment liquid is adopted after comparison. Technical parameters that the system actually has achieved include:the no-load operation flow of 944Nm3/h； the gases from the engine ground test and after the system operation include hydrazine ＜0.0012mg/m3and ammonia 0.0326-0.057mg/m3（factory boundary values，total 4 spots detected）. The test result is much better than the value of the relevant national standard requirements. Dozens of engine ground test results have shown that the system can meet the user’s requirements， with easy operation，reliable running， and almost no need of maintenance.

hydrazine； propellant； engine ground test； waste gas treatment； spray

V511+.1

B

1673-1379（2016）04-0451-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.04.020

2016-02-16；

2016-07-10

郝战焱（1974—），女，硕士学位，高级工程师，从事推进剂设备研发工作。E-mail:hzyhaozhanyan@126.com。