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肼推進劑廢氣處理系統設計

文檔作者：郝戰(zhàn)焱1 孫波2 朱海濤3 金朝旭1 文檔來源： 1. 北京航天試驗技術研究所2. 中國人民解放軍駐二一八廠軍事代表室3. 空軍裝備部航材部		點擊數：	更新時間： 2021年05月12日
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第33 卷第4 期 航 天 器 環(huán) 境 工 程 Vol. 33, No. 4
2016 年8 月 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 451
http://www.bisee.ac.cn E-mail: htqhjgc@126.com Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544
肼推進劑廢氣處理系統設計
郝戰(zhàn)焱1，孫 波2，朱海濤3，金朝旭1
（1. 北京航天試驗技術研究所，北京 100074；
2. 中國人民解放軍駐二一八廠軍事代表室，北京 100176；3. 空軍裝備部航材部，北京 100038）
摘要：為吸收某型號發(fā)動機地面試驗尾氣中所含的肼和氨氣，設計了肼推進劑廢氣處理系統，處理后的氣體
達到可排入大氣的標準。文章介紹了肼分解廢氣處理的7 種常用方法，經比較選擇使用處理液噴淋的方法。廢氣
處理系統實際達到的技術參數為：對空自運行流量944 Nm3/h；發(fā)動機試車狀態(tài)下經過處理的廢氣中肼含量
＜0.001 2 mg/m3，氨含量為0.032 6～0.057 mg/m3（廠界值，共檢測4 點）。檢測結果大大優(yōu)于國家相關標準要
求。經過數十次發(fā)動機地面試驗的實踐證明，系統能夠滿足用戶使用要求，并且操作簡便、運行可靠、免于維護。
關鍵詞：肼；推進劑；發(fā)動機地面試驗；廢氣處理；噴淋
中圖分類號：V511+.1 文獻標志碼：B 文章編號：1673-1379(2016)04-0451-05
DOI: 10.3969/j.issn.1673-1379.2016.04.020
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)
Abstract: 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 944 Nm3/h; the gases from the engine ground test and after
the system operation include hydrazine ＜0.0012mg/m3 and ammonia 0.0326-0.057 mg/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.
Key words: hydrazine; propellant; engine ground test; waste gas treatment; spray
0 引言
肼推進劑是性能優(yōu)良的高能液體燃料，廣泛應
用于航天領域[1]。因其具有高毒、易燃、易爆的特
性，所有涉及肼推進劑的作業(yè)都有可能產生肼廢
氣，可能對作業(yè)人員造成傷害并污染大氣環(huán)境，所
以必須對肼廢氣進行處理，達標排放。
肼廢氣的處理方法包括水吸收處理法、催化氧
化處理法、活性炭吸附處理法、燃燒法、中和處理
法、光催化氧化處理法、高空排放處理法等[2]。其
中高空排放處理法只是靠氣流擴散和稀釋而實現
濃度降低；水吸收處理法和活性炭吸附法是將肼物
質物理濃縮和轉移，會產生大量的含肼廢水或固體
廢棄物。實際上，這3 種方法均未對肼物質進行處
理[3-7]。
燃燒法是先將處理設備加熱到規(guī)定的溫度，再
通入待處理氣體進行燃燒，因此需要添加輔助燃料
啟動和維持燃燒。國家標準要求包括肼在內的危險
廢物燃燒溫度需維持在1100～1200 ℃[8]，這需要添
————————————————————————
收稿日期：2016-02-16；修回日期：2016-07-10
452 航 天 器 環(huán) 境 工 程 第33 卷
加大量的燃料（柴油、煤油等），既耗費能源又使
操作有危險，曾有燃燒法處理肼廢氣燒傷操作工的
報道；另外，為保證廢氣中的肼氣體能夠充分燃燒，
還需設置氣體分配裝置和復雜的控制裝置。催化氧
化處理法使用中為防止催化劑中毒，需先對待處理
氣體和輔助氧化的空氣進行預處理和凈化；為保證
催化效果，還必須采取措施使氣體與催化劑有盡量
大的接觸面積，導致對催化劑的微觀形態(tài)要求高，
一般需要在催化劑中添加有一定強度的成形用添
加劑，因此催化劑制作工藝復雜、成本較高，還需
要定期更換，而更換下來的催化劑仍需處理。由此
看來，燃燒法和催化氧化處理法的投資和全生命周
期運行費用均較高。
光催化方法可以有效降解多種揮發(fā)性有機物，
但處理時間較長且需要較大的占地面積，肼廢氣在
漫長的處理過程中對周圍的環(huán)境仍有不良影響。
與以上各種處理方法相比，中和法中采用專用處
理液噴淋處理肼廢氣，具有反應速度快、處理效果好
的優(yōu)點，而且能源消耗較低，操作簡便，還能夠吸
收發(fā)動機試驗廢氣中所含有的另一種有害氣體——
氨氣。處理后的液體還有進一步的處理方法，最終
可以實現零污染排放。因此噴淋法處理肼及肼分解
廢氣是全程環(huán)境友好的處理方法，實用性強。
經過調研，采用專利號為CN102114381B 的高
效廢氣處理液[9]，能夠有效吸收處理肼推進劑試驗
后產生的廢氣中所含有的肼和氨氣。實驗室研究表
明：該處理液經過配比和稀釋，水溶液對肼含量
≤3×10-3、氨氣含量≤40%的發(fā)動機試車廢氣有很
好的吸收處理效果。本文在此基礎之上經過系統設
計和計算，研制生產了一套專用于處理肼推進劑地
面試驗廢氣的系統。
1 系統作用和設計指標
某型號發(fā)動機排放的廢氣的主要成分是氮氣、
蒸汽、氨氣、肼和氫氣。該肼推進劑廢氣處理系統
的設計指標為：
1）廢氣處理能力：600 m3/h；
2）系統進氣口處氣體溫度：≤100 ℃；
3）系統排氣口肼濃度：≤0.13 mg/m3；
4）系統排氣口氨濃度：≤1.5 mg/m3。
2 系統原理
該系統為氣液傳質系統（如圖1 所示）：肼廢氣
經過氣體輸送子系統從下至上、處理液被循環(huán)泵從
處理液貯箱內抽出經液體輸送子系統從上至下分別
進入到吸收塔內；氣體和噴淋液體在吸收塔內的填
料表面充分接觸，使廢氣中所含的有害氣體成分降
低到國家標準許可的范圍內；然后溶液從吸收塔底
部回流至處理液貯箱完成循環(huán)，處理過的達標廢氣
由塔頂對空排放。處理液是循環(huán)使用的，設計更換
周期約為 1 年。
1. 離心風機；2. 風機用波紋補償器；3. 吸收塔；4. 球閥；
5. 泵用波紋補償器；6. 循環(huán)泵；7. 球閥；8. 處理液貯箱；9. 壓力表。
圖1 肼推進劑廢氣處理系統示意
Fig. 1 Schematic diagram of the waste gas treatment system
of hydrazine propellant
3 系統設計思路
肼分解產生的廢氣里面除含有殘余肼蒸氣之
外還含有大量氨氣。查閱了各種文獻，能夠兼具去
除這2 種有害氣體并且環(huán)保處理、不產生二次污染
的方法只有高溫燃燒或通過氣液傳質設備進行物
理化學反應。經過實地調研，綜合比較了這2 種方
法的優(yōu)缺點后，選擇了后者。
常用的氣液傳質設備有板式塔和填料塔2 種[10]。
其優(yōu)缺點對比見表1[11]。
表1 板式塔和填料塔優(yōu)缺點對比
Table 1 Comparison of plate column and packed column
設備 板式塔 填料塔
壓力降 較大 較小
處理能力大 較大
塔效率 大直徑效率高 小直徑（＜1.5 m）效率高
液氣比 適應范圍較大 有一定要求
持液量 較大 較小
材質要求一般用金屬材料 可用非金屬材料
安裝維修較容易 較困難
造價 大直徑低 小直徑低
重量 較輕 較重
第4 期 郝戰(zhàn)焱等：肼推進劑廢氣處理系統設計 453
本系統處理能力要求為600 m3/h，屬于小處理
量氣液傳質設備；為降低成本，需要選擇在小直徑
時有高效率的塔類型。因此確定選型為填料吸收塔。
4 系統設計難點
系統設計包括：根據廢氣處理能力要求計算塔
徑和填料高度，設計噴淋裝置及布氣裝置，選配風
機和循環(huán)泵；根據匹配的噴淋量、噴淋壓力計算管
道直徑和承壓、處理液貯箱承壓；根據布置現場情
況計算塔承載、風載荷和地震載荷，并設計設備基
礎；繪制各子系統部件圖和總裝配圖；選配電控箱
和電控元件。由于廢氣只是流經該系統，所以系統
設備屬于常壓設備，沒有承壓相關計算，強度計算
相對簡單。而填料高度的計算是難點。
填料高度需要按照肼和氨氣的吸收過程分別
計算，然后在兩結果間取大值。以下按照肼氣體闡
述計算過程。
按照前期實驗室數據，所采用的處理液與含肼
廢氣在進行氣液傳質時遵循的飽和平衡關系如圖2
所示。
圖2 CN102114381B 處理液處理肼的飽和濃度曲線
（20 ℃）
Fig. 2 Treating saturation concentration curve of hydrazine
with CN102114381B treatment liquid (20 ℃)
由圖2 可知，x 與y 近似為線性關系，可表示為
y = 0.161 2x-3.8×10-7， (1)
其中x 和y 分別為任意平面的液體和氣體中肼的摩
爾分數。
采用對數平均推動力法計算填料層高度[11]，有
Δya = ya-mxa， (2)
Δyb = yb-mxb， (3)
Δym = (Δyb-Δya)/ln(Δyb/Δya)。 (4)
式中：Δya 和Δyb 分別為塔頂和塔底的氣相總推動
力；ya 和yb 分別為塔頂和塔底氣體中肼的摩爾分
數；m 為相平衡常數；xa 和xb 分別為塔頂和塔底液
體中肼的摩爾分數；Δym 為塔頂、塔底推動力的對
數平均值。
故填料層高度為
b a
0
y m
h G y y
K a y
?
= ?
Δ
， (5)
式中：G 為進塔的氣體流率，kmol/(m2·s)；Kya 為
體積總傳質系數，kmol/(m3·s)。
5 系統主要組件設計選型
該廢氣處理系統由氣液傳質子系統、液體輸送
子系統、氣體輸送子系統、尾氣排放裝置、連接閥
門和管道等組成。
系統使用的循環(huán)工質具有弱腐蝕性，且氣體來
源是發(fā)動機試驗尾氣，進氣口處溫度會比較高，故
系統主體材料選用奧氏體不銹鋼06Cr19Ni10。
氣液傳質設備是系統的核心部件，采用技術成
熟的噴淋式填料吸收塔，其主要組件包括填料、噴
淋裝置、布氣裝置、承力結構件等。
5.1 填料
當前性能最好的填料是規(guī)整填料，但對于本項
目，規(guī)整填料的價格昂貴，缺乏使用經驗，且地面
設備可以用填料高度來彌補填料性能的不足，因此
綜合考慮性價比、循環(huán)工質及氣體來源之后選擇不
銹鋼材料的散堆填料。
5.2 噴淋裝置
噴淋裝置決定吸收塔初始液體均布效果，對氣
液傳質效果影響很大，是吸收塔的關鍵組件。為最
大限度發(fā)揮高效填料的性能，必須對噴淋裝置進行
詳細的設計計算，以保證處理液在氣液傳質裝置截
面內部盡量均布。噴淋裝置的總送液能力為[12]
π 2 2
4
L = d nφ gh， (6)
式中：L 為液體流量，m3/s；d 為小孔直徑，m；n
為孔數；φ 為小孔流量系數；h 為噴淋壓力，m。
5.3 氣體輸送子系統
氣體輸送子系統的主要功能是提供氣體進入
系統至排放全流程的動力，并且負責肼廢氣在全流
程中的均勻分布流動。其設計核心是選擇合適的風
機，并設計能達到氣體均布效果的氣體均布裝置，
必要情況下需要設置多層氣體均布裝置。
454 航 天 器 環(huán) 境 工 程 第33 卷
風機軸功率為[13]
v
a 3600 102
P q p
η
Δ
=
× ×
(7)
式中：Pa 為風機的軸功率，kW；qv 為混合氣體流
量，m3/h；Δp 為氣體通過系統的壓力降，Pa；η 為
風機效率。
5.4 液體輸送子系統
液體輸送子系統的主要功能是為處理液在全
系統內的循環(huán)流動提供動力，并確保處理液與需處
理的廢氣充分接觸。該子系統的詳細設計包括泵的
計算和處理液貯箱的匹配設計。
處理液需要獲得的、維持在系統內循環(huán)運行的
功率即循環(huán)泵的輸出功率，為[14]
Pu = ρgQH/1000， (8)
式中：Pu 為循環(huán)泵的輸出功率，kW；ρ 為處理液密
度，kg/m3；g 為重力加速度，9.81 m/s2；Q 為處理
液的流量，m3/s；H 為所需處理液初始流動揚程，m。
處理液貯箱的容量決定處理液的更換周期，而
增大處理液貯箱的容量則意味著設備制造成本和
占地面積的增加。因此，需要權衡一次性投入成本
與使用方便性的綜合性價比，合理選配處理液貯箱
的容量。
6 使用效果
6.1 指標檢測結果
系統處理能力的專項檢測結果為：包括系統與
廢氣來源管路對接的工藝管道在內，系統對空自運
行流量為944 Nm3/h，完全能夠滿足設計指標要求
并有較大余量。正常工作狀態(tài)下的專項排氣檢測結
果為：肼未檢出（最小檢出限0.001 2 mg/m3）；氨
氣0.032 6～0.057 mg/m3（廠界值，共檢測4 點）。
《惡臭污染物排放標準》（GB 14554－1993）中規(guī)
定，氨氣排放的標準值（二級、新擴改建的廠界標
準值）為1.5 mg/m3；《車間空氣中肼衛(wèi)生標準》（GB
16221－1996）中規(guī)定，車間空氣中肼的最高容許
濃度為0.13 mg/m3（肼氣體尚無排放標準）?？梢?，
該系統排氣的各項指標均滿足甚至大大優(yōu)于國家
排放標準的要求。
該系統現已投入使用。實踐證明，系統各項參
數滿足用戶使用要求，并且操作簡便、運行可靠。
6.2 使用后的處理液
所使用的處理液配方以酸和鹽為主。廢氣中的
肼和氨經噴淋處理進入液體當中，轉化為肼基和氨
基鹽類。通過監(jiān)測液體的飽和程度可以判斷是否需
要更換處理液。使用后的液體進入廢水收集池進行
統一處理，處理時可以采用專用化學試劑，比如文
獻[15]所指肼類廢液處理液，也可以采用專用肼廢
水處理設備進行后續(xù)處理，使肼和氨最終轉化為氮
氣和水，實現達標排放。
7 系統進步點
該系統用于處理肼推進劑分解產生的有毒有
害氣體。相比較其他的肼推進劑廢氣處理裝置，該
系統的進步點主要有：
1）處理效率高。采用了處理效果好、投入和維
護成本低、操作簡便的處理液噴淋法處理含肼廢氣。
2）采用高效吸收處理液。采用具有專利技術
的高效吸收處理液，不僅能高效吸收殘余的肼，還
能夠吸收處理廢氣中含量很大的氨氣。
3）全系統采用免維護設計。由于處理液有一
定腐蝕性，全系統采用奧氏體不銹鋼材料，而且循
環(huán)泵采用原理上無漏液的磁力泵，保證了系統使用
壽命，在系統全生命期內能有效降低維護成本，并
且除電機外系統免維護。
4）設計使用了性能價格比最優(yōu)的吸收塔內件。
5）對系統進行了充分的匹配設計。系統設計
與發(fā)動機試驗工況相匹配，充分考慮了發(fā)動機試驗
各個階段的特點和需要，并且系統內部的氣液循環(huán)
也經過匹配計算。通過詳細的計算和系統設計，保
證使用效果達到任務書要求。
8 結束語
該套廢氣處理系統采用處理液噴淋式處理方
法，所用處理液為具有專利技術的高效廢氣處理
液，經過系統設計計算以及全系統的精心匹配設
計，能夠對肼推進劑發(fā)動機地面試驗產生的廢氣進
行有效吸收處理，實現達標排放。檢測結果顯示，
系統的處理能力達到設計指標，處理效果遠遠好于
相關標準的要求。經過試驗狀態(tài)的實際檢測和長時
，
第4 期 郝戰(zhàn)焱等：肼推進劑廢氣處理系統設計 455
間使用驗證，該系統處理效果理想，運行可靠，使
用成本低，使用3 年的時間都不需要維護。這證明
了采用處理液噴淋法進行肼推進劑廢氣處理是可
行的、值得采用的。
參考文獻（References）
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液: CN102134109B.2012[P]. 2012-08-08
（編輯：許京媛）
作者簡介：郝戰(zhàn)焱（1974—），女，碩士學位，高級工程師，從事推進劑設備研發(fā)工作。E-mail: hzyhaozhanyan@126.com。

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