四氧化二氮/肼类推进剂废气废液处理燃烧器及控制方法与流程

本发明属于有毒物质无害化处理技术领域，主要涉及四氧化二氮/肼类推进剂废气废液处理，具体是一种用于四氧化二氮/肼类推进剂废气废液处理燃烧器及控制方法，可处理四氧化二氮/肼类推进剂产生的废气废液。

背景技术：

四氧化二氮/肼类(如无水肼、甲基肼、偏二甲肼等)推进剂是目前我国液体火箭发动机常用的推进剂组合之一，四氧化二氮/肼类推进剂属于剧毒化学品，其中，四氧化二氮的lc50(大白鼠吸入4h)为126mg/m³、肼的ld50为60mg/kg、甲基肼的ld50为32mg/kg、偏二甲肼的ld50为122mg/kg，在科研生产、试验过程中产生的四氧化二氮/肼类(如无水肼、甲基肼、偏二甲肼等)推进剂的废气废液若不及时、合理处置，会造成环境污染，给人员的安全带来严重隐患。

目前对于四氧化二氮/肼类推进剂废气的处理方法主要有物理吸收法、化学处理法和生物处理法，对于四氧化二氮/肼类推进剂废液的处理方法主要有化学处理法和焚烧法，1996年第5期《航天技术与民用》刊登的名称为“火箭废气处理取得成果”的文章，公开了中国航天科技集团公司101所与中科院生态环境研究中心采用空气预热器预热反应催化床的方法实现了四氧化二氮95％的去除率；2001年第2期《靶场试验与管理》刊登名称为“用煤油燃烧法处理航天发射场四氧化二氮和偏二甲肼废气”公开了酒泉卫星发射中心针对四氧化二氮和偏二甲肼，设计了两种燃烧装置，采用煤油燃烧处理实现四氧化二氮＜800ppm、偏二甲肼＜0.6ppm的处理效果。

上述的废气或废液的处理方法和装置，只能单独处理四氧化二氮或肼类推进剂，废气和废液的处理装置也不能共用。在实际的使用过程中，既需要处理四氧化二氮、肼类推进剂的废气，同时也需要处理四氧化二氮、肼类推进剂的废液，针对目前尚无一套既能处理四氧化二氮、肼类推进剂的废气，又能处理四氧化二氮、肼类推进剂的废液的装置，为节约成本、简化系统结构、提高空间利用率和安全性，本发明致力于提出一种用于四氧化二氮/肼类推进剂废气废液处理燃烧器及控制方法，以实现一套装置实现处理四氧化二氮、肼类推进剂的废气和废液的目的。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：提供一套能够实现处理四氧化二氮、肼类推进剂的废气和废液的装置，且达到四氧化二氮的排放含量＜800ppm、肼类推进剂的排放含量＜0.6ppm的效果。

本发明的技术解决方案是提供一种用于四氧化二氮/肼类推进剂废气废液处理的燃烧器，包括提供点火预混气的头部1、废气废液处理的身部2和尾喷管3，头部1位于身部2的前端和身部同轴安装，尾喷管3位于身部2的末端和身部2同轴安装；

其特殊之处在于：

上述头部1包括同轴套装的头部内管11和头部外管12，上述头部内管11与头部外管12的前端部通过头部盖板13连接，形成头部的中心整体；头部内管11的腔体为点火煤油通道，头部内管11和头部外管12之间形成空气通道，头部内管11的一端伸出头部盖板13，头部内管的另一端安装有点火煤油喷嘴14及台阶形混合管15，台阶形混合管15包括大端152与小端151，点火煤油喷嘴14位于台阶形混合管小端151内；台阶形混合管15小端侧壁均布小孔形成点火空气通道；台阶形混合管15与点火煤油喷嘴14之间沿煤油流动方向依次形成雾化区(小端)和掺混区(大端)；

头部外管具有第一空气通道16，头部外管12的后端部及台阶形混合管大端152通过二次空气均流板17和身部连接在一起；上述二次空气均流板17上设置有开孔；

上述身部2包括同轴套装的身部内管21、身部外管22及安装在身部2上、均穿过身部内管21和身部外管22的多个无空气通道模块安装座23和多个带空气通道模块安装座24，上述带空气通道模块安装座24上设置有第二空气通道241；

上述身部2还包括分别与各无空气通道模块安装座23可拆卸安装的点火器座25、n2o4废液处理模块26、n2o4废气处理模块27和肼类废气处理模块28及与带空气通道模块安装座24可拆卸安装的肼类废液处理模块29；

上述n2o4废液处理模块26、n2o4废气处理模块27和肼类废气处理模块28及肼类废液处理模块29上均具有入口、通道及喷嘴；上述入口与喷嘴通过通道连通，上述喷嘴位于身部2内；

上述n2o4废气处理模块27及n2o4废液处理模块26上还设置有煤油进口；上述煤油进口与通道连通；

头部外管12中的空气通过二次空气均流板17上的开孔171、172进入身部内管21和身部外管22管间夹层；夹层空气通过带空气通道模块安装座24上设置的第二空气通道241进入身部内管21；

台阶形混合管15中的燃气通过二次空气均流板17上的开孔173进入身部内管21；

上述尾喷管与身部外管连接。

台阶形混合管与点火煤油喷嘴之间沿煤油流动方向依次形成雾化区和掺混区，以保证煤油、空气雾化和掺混均匀，保证可靠点火。

优选地，上述点火煤油喷嘴14为切向孔式单组元离心式喷嘴；上述身部内管21后段侧壁开有小孔221。身部内管后段侧壁开有小孔，一方面避免内外管后段形成死腔，加快空气流动，降低身部内管外壁温度，另一方面进行补燃，使废气废液充分燃烧。

优选地，上述台阶形混合管小端151侧壁均布的小孔为直孔，孔轴线与台阶形混合管轴线的夹角为40°～60°，孔形截面为圆形或方形。

优选地，上述n2o4废液处理模块26、n2o4废气处理模块27、肼类废气处理模块28和肼类废液处理模块29，其喷嘴形式分别为直流互击式、气液同轴直流离心式喷嘴、直射流气喷嘴和中心直流自击式与外环直射流气喷嘴，各喷嘴呈180°安装。

优选地，上述无空气通道模块安装座23和带空气通道模块安装座24沿进气方向依次安装在身部2的中前段。

优选地，n2o4废液处理模块26的通道包括n2o4废液通道与煤油通道，n2o4废液通道的一端与入口连通，煤油通道的一端与煤油进口连通，所述n2o4废液通道与煤油通道的另一端均与喷嘴连通。

优选地，上述头部内管11与头部外管12的前端部通过头部盖板13焊接连接；头部外管12的后端部及台阶形混合管大端152通过二次空气均流板17和身部焊接连接；

优选地，为了便于拆换，上述点火器座25、n2o4废液处理模块26、n2o4废气处理模块27和肼类废气处理模块28与无空气通道模块安装座23均通过螺纹连接；上述肼类废液处理模块29与带空气通道模块安装座24通过螺纹连接。尾喷管3与身部外管22法兰连接。

优选地，点火器座25轴线与二次空气均流板17的距离为30mm～60mm。

优选地，上述n2o4废液处理模块26、n2o4废气处理模块27、肼类废气处理模块28和肼类废液处理模块29，其轴线与二次空气均流板17的距离分别为90mm～120mm、150mm～180mm、290mm～320mm和340mm～370mm。

本发明还提供一种四氧化二氮/肼类推进剂废气废液处理的燃烧器的控制方法，在上述的用于四氧化二氮/肼类推进剂废气废液处理的燃烧器上执行，控制过程包括以下步骤：

步骤一：控制进入台阶形混合管小端的一次点火空气与进入头部内管的一次点火煤油的混合比为8～12，偏富燃，确保点火成功；使用普通火花塞即能够满足点火要求；

步骤二：控制一次点火空气与一次点火煤油的量，使台阶形混合管大端即掺混区两者的混合气体流速为12m/s～20m/s，确保火焰稳定；

步骤三：控制待处理的废气或废液的量，使n2o4偏富燃燃烧或肼类推进剂偏氧燃燃烧，确保废气废液充分反应，形成无毒尾气；

步骤四：控制一次点火空气与一次点火煤油预混气的流速，混合燃烧段采用两级突扩设计，降低煤油和空气的流速，使煤油充分雾化、与空气混合均匀，保证煤油与空气稳定燃烧形成火炬。

本发明将空气分为三路供应，头部供应一路空气，用于点火，身部供应两路空气，一路空气用于与富燃燃气或肼类推进剂燃烧，一路空气用于冷却身部内管和二次补燃。煤油分两路供应，头部供应一路煤油用于点火，身部供应一路煤油用于与n2o4废气废液燃烧，煤油的分路供应便于精确控制和调节流量，达到控制点火和燃烧的目的。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明使用一套燃烧处理装置，可分别处理有毒氧化剂n2o4和肼类燃料的废气和废液，具有成本低廉、操作简便、使用灵活、节省空间的优点。

(2)本发明通过采用分区分组混合燃烧方法，使有毒氧化剂n2o4和肼类燃料分别处于富燃和富氧环境下燃烧反应，保证有毒物质充分燃烧反应，有效降低尾气中的有毒物质残留。

(3)本发明针对不同工作模态下不同的混合物性，采用不同的喷嘴组合方式，保证每一种工作模态下氧化剂与燃料均能高效混合燃烧，有效降低尾气中的有毒物质残留。

(4)本发明处理废气废液的四种模块与安装座均通过螺纹连接，有利于拆换，方便维修、节约成本。

(5)本发明的燃烧器的结构紧凑，构件均采用不锈钢材料，各主构件间采用焊接，结构强度好，可靠性高，具备多次重复使用能力。

附图说明

图1是本发明燃烧器示意图；

图2是图1的a向俯视剖面图；

图3本发明燃烧器头部示意图；

图4是图3沿a-a的剖面图；

图5本发明燃烧器无空气通道模块安装座示意图；

图6是图5的a向左视剖面图；

图7本发明燃烧器带空气通道模块安装座示意图；

图8是图7的a向左视剖面图；

图9是本发明的n2o4废液处理模块结构示意图；

图10是图9的a向左视剖面图；

图11是本发明的n2o4废气处理模块结构示意图；

图12是图11的a向左视剖面图；

图13是本发明的肼类废气处理模块结构示意图；

图14是图13的a向左视剖面图；

图15是本发明的肼类废液处理模块结构示意图；

图16是图15的a向左视剖面图。

图中附图标记为：1-头部，11-头部内管，12-头部外管，13-头部盖板，14-点火煤油喷嘴，15-台阶形混合管，151-小端，1511-小孔，152-大端，16-第一空气通道，17-二次空气均流板，171、172、173-开孔；

2-身部，21-身部内管，22-身部外管，221-小孔；23-无空气通道模块安装座，24-带空气通道模块安装座，241-第二空气通道，25-点火器座，26-n2o4废液处理模块，27-n2o4废气处理模块，28-肼类废气处理模块，29-肼类废液处理模块；

3-尾喷管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例一

本发明针对尚无一套既能处理四氧化二氮废气废液又能处理肼类推进剂废气废液装置的现状提出了一种用于四氧化二氮/肼类推进剂废气废液处理的燃烧器，包括提供用于点火预混气的头部1、废气废液处理的身部2和尾喷管3，头部1位于身部2的前端和身部2同轴安装，尾喷管3位于身部2的末端和身部2同轴安装，参见图1和图2，头部1提供用于点火的煤油/空气预混气，身部2主要燃烧所需处理的废气废液；头部内管11和头部外管12同轴安装，头部内管11前段部位上安装有焊接直通，与头部外管12前端部通过头部盖板13焊接连接，形成头部的中心整体，头部内管11的腔体为点火煤油通道，头部内管11和头部外管12之间形成空气通道，头部内管11末端安装有点火煤油喷嘴14，头部内管11后端外侧安装有台阶形混合管15，两级突扩设计为了降低点火预混气的流速，有利于稳定燃烧形成火炬，台阶形混合管15前段侧面均布小孔形成点火空气通道，台阶形混合管15与点火煤油喷嘴14之间沿煤油流动方向依次形成雾化区和掺混区，参见图4，头部外管12前端部一侧安装有第一空气通道16，头部1和身部2通过二次空气均流板17焊接在一起；身部内管21和身部外管22同轴安装，无空气通道模块安装座23、带空气通道模块安装座24，参见图6和图8，沿进气方向依次安装在身部外管22的中前段，均穿过身部内外管，与身部内、外管相焊接，点火器座25与无空气通道模块安装座23通过螺纹连接，处于安装空气通道的另一侧，n2o4废液处理模块26、n2o4废气处理模块27和肼类废气处理模块28沿进气方向依次与无空气通道模块安装座23通过螺纹连接，成对呈180°安装，参见图10、图12和图14，肼类废液处理模块29与带空气通道模块安装座24通过螺纹连接，成对呈180°安装，参见图16；尾喷管3与身部外管22法兰连接。

本发明在点火装置的设计上采用两级突扩结构，有效降低了点火预混气的流速，提高火焰稳定性的同时使煤油充分雾化、与空气混合均匀，降低了点火能量要求，保证煤油与空气稳定点火形成火炬。本发明在装置的总体设计上针对n2o4/肼类推进剂废气废液的不同物性和特点，设计了4种工作模态，采用不同的喷嘴组合形式和分区分组混合燃烧方法，使有毒氧化剂和燃料分别处于富燃和富氧环境下燃烧反应，保证有毒物质充分燃烧反应。

本发明的燃烧器能够实现处理四氧化二氮、肼类推进剂的废气和废液共用一套装置，且达到四氧化二氮的排放含量＜800ppm、肼类推进剂的排放含量＜0.6ppm的效果。

实施例二

用于四氧化二氮/肼类推进剂废气废液处理的燃烧器结构及总体方案同实施例一，不同点在于：点火煤油喷嘴14为切向孔式单组元离心式喷嘴，可保证煤油的雾化细度。点火煤油从点火煤油通道经点火煤油喷嘴14的切向孔进入，从喷嘴出口喷入雾化区在点火空气作用下进行二次雾化掺混，混合气在掺混区进一步掺混点火燃烧形成高温富燃燃气。点火空气通道为台阶形混合管前段侧面均布的直孔，本例中，孔形截面为圆形。

实施例三

用于四氧化二氮/肼类推进剂废气废液处理的燃烧器结构及总体方案同实施例一、二，头部内管11、头部外管12、二次空气均流板17、身部内管21、身部外管22、尾喷管3、无空气通道模块安装座23、带空气通道模块安装座24、n2o4废液处理模块26、n2o4废气处理模块27、肼类废气处理模块28、肼类废液处理模块29、点火煤油喷嘴14、台阶形混合管15、点火器座25和头部盖板13的材料均采用不锈钢；除n2o4废液处理模块26、n2o4废气处理模块27、肼类废气处理模块28、肼类废液处理模块29与安装座之间采用螺纹连接，便于拆换，其余各零件间均采用焊接连接，保证燃烧器的强度。

头部1和身部2均由内外管同轴套接而成，头部内管11是燃料腔，头部内、外管间为氧化剂腔，头部内管11后端装有台阶形混合管15，点火煤油喷嘴14装于头部内管11末端，与台阶形混合管15间依次形成雾化区和掺混区，台阶形混合管15前段侧面均布小孔形成点火空气通道，一次雾化的点火煤油在点火空气的作用下二次雾化、掺混，点火器座25装在身部内管头部，点火煤油和点火空气在点火器作用下点火燃烧形成火炬，废气废液通过不同的模块喷入燃烧室身部进行燃烧，生成无毒尾气。

本发明装置的结构强度好、可靠点火，使废气废液转变成无毒尾气排出。

实施例四

本发明还提供一种用于四氧化二氮/肼类推进剂废气废液处理燃烧器的控制方法，在上述的用于四氧化二氮/肼类推进剂废气废液处理的燃烧器上执行，用于四氧化二氮/肼类推进剂废气废液处理燃烧器同实施例一至三，

控制过程包括有

步骤一：控制一次(点火)空气与一次(点火)煤油的混合比为8～12，偏富燃，确保点火成功；使用普通火花塞即能够满足点火要求。本例中，一次(点火)空气与一次(点火)煤油的混合比为8。

步骤二：控制一次(点火)空气与一次(点火)煤油的量，使掺混区两者的混合气体流速为12m/s～20m/s，确保火焰稳定。本例中，掺混区两者的混合气体流速为12m/s。

步骤三：控制待处理的废气或废液的量，使n2o4偏富燃燃烧或肼类推进剂偏氧燃燃烧，确保废气废液充分反应，形成无毒尾气。

步骤四：控制一次(点火)空气与一次(点火)煤油预混气的流速，混合燃烧段采用两级突扩设计，降低煤油和空气的流速，使煤油充分雾化、与空气混合均匀，保证煤油与空气稳定燃烧形成火炬。

本发明采取的技术原理：点火时，控制氧化剂与燃料的混合比，使之处于富燃状态，便于点火，采用两级突扩技术，降低混合气的流速，便于稳定火焰；废气废液处理时，根据待处理废气废液的物性选用不同的处理模块，当处理某一种废气或废液时，其余三个模块处于关闭状态，即每次只有一个处理模块工作，处理氧化剂n2o4废气废液时采用富燃燃烧技术，保证氧化剂n2o4废气废液充分反应，富燃燃气再与三次空气燃烧使富燃燃气中的煤油充分反应，处理燃料肼类废气废液时采用富氧燃烧技术，保证燃料肼类废气废液充分反应，形成无毒尾气。

实施例五

四氧化二氮/肼类推进剂废气废液处理燃烧器的控制方法同实施例四，本例中，点火煤油与点火空气燃烧形成火炬，n2o4废液与二次煤油通过n2o4废液处理模块26进入燃烧器进行雾化燃烧，使n2o4充分反应，二次空气与前端形成的富燃燃气混合燃烧，使富燃燃气中的煤油充分反应，形成无毒尾气；三次空气从身部尾端喷入，保持二次空气喷射孔后、身部夹层内的空气流动，冷却身部的内壁，本例中，使用n2o4废液处理模块26。

实施例六

四氧化二氮/肼类推进剂废气废液处理燃烧器的控制方法同实施例四至五，本例中，点火煤油与点火空气燃烧形成火炬，n2o4废气与二次煤油通过n2o4废气处理模块27进入燃烧器进行雾化燃烧，使n2o4充分反应，二次空气与前端形成的富燃燃气混合燃烧，使富燃燃气中的煤油充分反应，形成无毒尾气；三次空气从身部尾端喷入，保持二次空气喷射孔后、身部夹层内的空气流动，冷却身部的内壁，本例中，使用n2o4废气处理模块27，其它三个模块关闭。

实施例七

四氧化二氮/肼类推进剂废气废液处理燃烧器的控制方法同实施例四至六，本例中，

步骤一：控制一次(点火)空气与一次(点火)煤油的混合比为8～12，偏富燃，确保点火成功；使用普通火花塞即能够满足点火要求。本例中，一次(点火)空气与一次(点火)煤油的混合比为12。

步骤二：控制一次(点火)空气与一次(点火)煤油的量，使掺混区两者的混合气体流速为12m/s～20m/s，确保火焰稳定。本例中，掺混区两者的混合气体流速为20m/s。

点火煤油与点火空气燃烧形成火炬，肼类废气与二次空气通过肼类废气处理模块28进入燃烧器进行雾化燃烧，使肼类废气充分反应，形成的富氧燃气与点火产生的富燃燃气燃烧，使富燃燃气中的煤油充分反应，形成无毒尾气；三次空气从身部尾端喷入，保持二次空气喷射孔后、身部夹层内的空气流动，冷却身部的内壁，本例中，使用肼类废气处理模块28。

实施例八

四氧化二氮/肼类推进剂废气废液处理燃烧器的控制方法同实施例四至七，本例中，

点火煤油与点火空气燃烧形成火炬，肼类废液与二次空气通过肼类废液处理模块29进入燃烧器进行雾化燃烧，使肼类废液充分反应，形成的富氧燃气与点火产生的富燃燃气燃烧，使富燃燃气中的煤油充分反应，形成无毒尾气；三次空气从身部尾端喷入，保持二次空气喷射孔后、身部夹层内的空气流动，冷却身部的内壁，本例中，使用肼类废液处理模块29。

简而言之，本发明公开的用于四氧化二氮/肼类推进剂废气废液处理燃烧器，该燃烧器头部由内外两根钢管套接而成，头部内管内部是燃料腔，头部内管和头部外管之间形成氧化剂腔，头部内管后端装有台阶形混合管，点火煤油喷嘴装于头部内管末端，与台阶形混合管间依次形成雾化区和掺混区，台阶形混合管前段侧面均布小孔形成点火空气通道，一次雾化的点火煤油在点火空气的作用下二次雾化、掺混，点火器座装在身部内管头部，点火煤油和点火空气在点火器作用下点火燃烧形成火炬，废气废液通过不同的模块喷入燃烧室身部进行燃烧，生成无毒尾气。

本发明通过控制点火空气与点火煤油的量使之处于富燃状态下、采用两级突扩技术，确保点火可靠、火焰稳定，采用分区分组混合燃烧方法和不同的喷嘴组合方式，确保雾化均匀、燃烧完全，使有毒氧化剂n2o4和肼类燃料分别处于富燃和富氧环境下燃烧反应，保证有毒物质充分燃烧反应，有效降低尾气中的有毒物质残留。

本实施方式的上述描述和附图代表了本发明的优选方案，本领域技术人员可以根据不同的设计要求和设计参数在不偏离本发明权利要求所界定的范围内进行各种增补、改进和更换，因此，本发明是广泛的。