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。
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
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。
某企业发动机试验废气处理系统的设计
陈广其1,2，王燕平1,2(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)
摘要：液体火箭发动机在点火和试车结束的吹除清洗过程中，均有大量不完全燃烧产物和推进剂的释放，从人身安全和环境保护角度考虑，均带来一定的危害。文章阐述了水喷淋吸收装置在双组元液体火箭发动机地面试车台燃气处理系统中的应用、处理方法和设计计算，为地面试车燃气处理技术提供了一条途径。关键词：液体火箭发动机；地面试验；燃气处理中图分类号：X949
文献标志码：A
文章编号：1008-4800(2021)06-0102-02
DOI:10.19900/jki.ISSN1008-4800.2021.06.049
Design of Exhaust Gas Treatment System for Engine Test in an Enterprise
CHEN Guang-qi 1,2, WANG Yan-ping 1,2 (1. Shanghai Institute of Space Propulsion, Shanghai 201112, China ；
2. Shanghai Engineering Research Center of Space Engine, Shanghai 201112, China)
Abstract: A lot of incomplete combustion products and propellants are released in the process of ignition and purging of liquid rocket engine, which brings harm to human safety and environment protection. This paper describes the application, treatment method and design calculation of the water spray absorption device in the gas treatment system of the Ground Test Bench of the two-component liquid rocket engine, which provides a way for the gas treatment technology of ground test.Keywords: liquid rocket engine; ground test; gas treatment
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。
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
废气净化装置内冷却、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。
表1 490N短喷管双元发动机试验
注： 计算涉及传热和传质两个复杂过程，为简化计算采用了热平衡和物料平衡计算法，结果的准确性有一定的限制，设计时要留有余地。
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。
4 结语
在短时间内将几万至几十万立方米的高温、高速燃气收集起来进行处理十分困难，而且试验条件经常变动，要设计一种固定的处理装置很不现实。应用水喷淋吸收有毒燃气为地面燃气处理技术，提供了一种新途径，燃气经处理后，对台区和人身的污染比处理前大大降低。
参考文献：
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[3] 陈联，赵澜，孙冬花，等. 航天器推进剂泄漏检测技术研究进展[J]. 真空与低温, 2017, 23(3): 125-130.
作者简介：陈广其(1971-)，男，高级工程师，研究方向：航天试验设备设计。
基金项目：上海市科学技术委员会资助项目(17DZ2280800)。
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