富集與轉化設備及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于航天催化技術領域，具體涉及一種密閉空間內(nèi)CO2富集與轉化設備及方法。
技術背景
[0002]大氣中的CO2濃度為0.03 %，當大氣中的CO2濃度達到0.1 %時，人就會感到惡心；當達到I %時，就會導致昏厥和乏力；當達到2%時，呼吸和心跳就會加速；3%時，中樞神經(jīng)系統(tǒng)就會癱瘓；5%時，人只能堅持30min ;在密閉空間內(nèi)，呼吸產(chǎn)生的CO2，每人每天為0.7-1.0kg/天；而人類每天需要消耗的氧氣為0.83kg。如何實現(xiàn)密閉空間內(nèi)如太空站、潛艇內(nèi)乘員的氧氣供給，避免CO2在乘員艙內(nèi)的累積是進行太空探索所必需解決的問題。另外，O2的回收和自給，每年能夠節(jié)省發(fā)射成本2200萬美元；實現(xiàn)這一目的的系統(tǒng)又被稱為載人航天器環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)(Environmental Control and Life SupportSystem,簡稱環(huán)控生保系統(tǒng))。
[0003]對此，國內(nèi)外進行了大量研究，開發(fā)出兩種空間站二氧化碳還原技術Bosch反應和 Sabatier 反應(航天醫(yī)學與醫(yī)學工程，2003，16(S):566-572 !Advances in SpaceResearch, 2011, 48 (3):457-464.)。相對而言，Sabatier技術更加安全可靠。基于此，美國宇航局(NASA)和TDA研究公司開發(fā)出一套二氧化碳富集和CO2加氫還原(Sabatier反應)的原理工藝[Prototype Demonstrat1n of the advanced CO2 removal and reduct1nsystem, 051CES-31, 2005.]。首先，將二氧化碳在吸附劑上吸附，然后升溫解吸；然后，將解吸出的二氧化碳通過兩段甲烷化反應，轉化為甲烷；
[0004]然而，目前使用的固體胺吸附、金屬氧化物吸附或分子篩吸附等CO2吸附劑，其中，胺類吸附劑具有較高的毒性，對人體健康不利；而金屬氧化物和分子篩對CO2的選擇性較低；同時，這三類吸附材料對CO2均為不可逆吸附，可再生性低，不利于吸附材料的循環(huán)使用。而采用堿性鉀鹽和鈉鹽(ZL200910092354.2)具有較強的腐蝕性，同時難以再生；而采用有機胺類、離子液體等吸收劑，具有較好的吸收效果而且易于解吸回用，并且吸收劑無毒。另外，工業(yè)上采用的填料吸收塔，易發(fā)生液泛、霧沫夾帶，存在設備處理能力低等弊??；而新型發(fā)展起來的微通道反應器能夠強化傳質(zhì)傳熱，有望在氣體分離、強放熱過程控制等傳統(tǒng)化工領域中實現(xiàn)革新。專利ZL201010522860.3和CN102784543A公開了一種微通道CO2吸收器具有優(yōu)良的CO2吸收性能；微通道反應器也可用于吸收劑的再生(CN201110131821.5)。但是微通道反應器阻力降較大，在空間站或潛艇中由于受增壓功耗所限，在結構上還需要優(yōu)化。
[0005]此外，甲烷化反應是一個強放熱反應，反應受熱力學平衡限制；如果能把反應熱及時移除，將有利于Sabatier反應的發(fā)生；同時，如果將反應(放熱過程)和原料氣預熱(吸熱過程)，耦合在同一個反應器內(nèi)，既可以促進Sabatier反應的發(fā)生，又能節(jié)省空間和減輕反應系統(tǒng)重量。
[0006]為此，亟待開發(fā)一種高效的CO2富集過程，并將多段甲烷化工藝進行簡化和高度集成，提高載人航天器環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)的集成度、可靠性；進一步優(yōu)化系統(tǒng)空間布局，節(jié)省空間降低重量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種密閉空間內(nèi)CO2富集與轉化設備及方法，具有工藝流程簡單、系統(tǒng)集成度高、體積小重量輕等優(yōu)點。
[0008]本發(fā)明一種密閉空間內(nèi)CO2富集與轉化裝置，由CO2微通道富集器、CO2微通道解吸器、CO2加氫甲烷化反應器、吸收液循環(huán)泵、氣體引風機或真空泵及啟動電加熱器組成；密閉空間內(nèi)的氣體首先通過引風機、壓縮機或鼓風機進入CO2微通道富集器，與吸收液循環(huán)泵供入的吸收液接觸，進行連續(xù)或間歇性富集；富集CO2的富液進入CO2微通道解吸器，經(jīng)加熱解吸；解吸出的CO2和H2混合，進入CO2加氫甲烷化反應器，發(fā)生甲烷化反應將CO2轉化為CH4。
[0009]所述的CO2微通道富集器由多個氣體分布腔和吸收腔構成，它們交替布置，中間用多孔氣體分布板連接。
[0010]所述的CO2微通道解吸器由多個解吸腔和氫氣預熱腔構成，它們交替布置，被預熱的氫氣首先進入氫氣預熱腔，預熱富液，然后和富液接觸將解吸的CO2帶走。
[0011]所述的CO2加氫甲烷化反應器由原料氣一次預熱腔、二段甲烷化反應腔、原料氣二次預熱腔、一段甲烷化反應腔、氫氣預熱腔以及空冷換熱器構成，氣體按步驟通過不同的腔，進行預換熱、反應和熱量回收，出口產(chǎn)品氣中CO2濃度達到脫除標準。
[0012]所述甲烷化反應熱用于原料氣預熱、吸收液解吸，多余的熱量通過空冷換熱器移除；甲烷化反應過程中生成的水用于電解為密閉空間提供氧氣和甲烷化反應提供H2 ;0)2富集過程和甲烷化反應、熱量移除高度集成在一個系統(tǒng)內(nèi)，既節(jié)省空間又減輕重量。
[0013]所述的空冷換熱器為板翅或管翅結構，熱流體在管程，空冷空氣在殼程。
[0014]所述氣-液或氣-氣在交替通道內(nèi)的流動方式為逆流、并流或錯流。
[0015]所述甲烷化反應器、微通道接觸器、解吸器以及空冷換熱器，其特征在于其為多腔長方體或多腔套筒圓柱形結構；所述多腔長方體或套筒圓柱體結構流體通道為百葉窗、鋸齒或波紋型等結構；
[0016]所述系統(tǒng)的啟動是通過內(nèi)置或外置于反應器內(nèi)的U型管、波紋片管或翅片管等結構的電加熱器來實現(xiàn)；
[0017]一種密閉空間內(nèi)CO2富集與轉化方法，采用上述密閉空間內(nèi)CO2富集與轉化裝置，其特征在于按照以下步驟進行:
[0018]采用用吸收液，通過連續(xù)或間歇操作富集CO2，然后解吸；通過調(diào)節(jié)4的流量控制氫氣和CO2的摩爾比為3.0?5.0 ;—段甲烷化反應腔和二段甲烷化反應腔內(nèi)裝填甲烷化催化劑I和/或催化劑II，催化劑起燃溫度100?300°C，反應壓力為I?6atm，原料氣在反應器內(nèi)經(jīng)過一次預熱和二次預熱，進入一段甲烷化反應腔的入口溫度
[0019]達到催化劑起燃溫度，一段甲烷化床層出口溫度為400-650°C ;經(jīng)過空冷換熱器冷卻至100-300°C左右，進入二段甲烷化反應腔繼續(xù)進行甲烷化反應，反應器二段甲烷化床層溫度在150-400°C，然后和氫氣換熱，將溫度進一步冷卻，甲烷化反應器出口 H2的轉化率為80-98%。
[0020]所述的吸收液為胺類、醇胺類、醚類、醇類、酮類、酯類、醇醚類以及離子液體CO2吸收劑中的一種或幾種的組合。
[0021]所述的甲烷催化劑為:顆?；蛘w結構催化劑或以陶瓷纖維、金屬纖維等多孔材料為載體的催化劑或?qū)⒒钚越M分壁載在流體通道表面；
[0022]所述的甲烷化催化劑I為:以N1、Fe、Co等一種或幾種為活性組分的金屬氧化物催化劑。
[0023]所述的甲烷催化劑II為:以Ru、Rh、Pt、Pd等一種或幾種為活性組分的貴金屬催化劑。
[0024]為了避免在人居密閉空間內(nèi)CO2的富集，首先，將電解水或其他來源的氫氣，經(jīng)過電加熱器或和系統(tǒng)內(nèi)的高溫氣體換熱，將氫氣預熱；預熱的氫氣進入微通道解吸器，先和吸收有CO2的富液進行熱量交換,然后，進入吸收液解吸腔和解吸出的CO2混合進入CO2加氣甲烷化反應器；在加氫甲烷化反應器中，氫氣和CO2首先在反應器內(nèi)和反應產(chǎn)物氣進行多次換熱，預熱到催化劑起活溫度；然后進行CO2甲烷化反應(C02+4H2 = CH4+2H20);反應產(chǎn)物經(jīng)過多級冷卻，冷凝水析出，供給電解水制氫；
[0025]CO2的富集通過在CO2微通道吸收器中進行:含CO2的氣體進入吸收器，CO2在吸收液中溶解吸收；而吸收CO2的吸收富液通過循環(huán)泵供入吸收液解吸器，經(jīng)解析后循環(huán)使用；被凈化后的氣體排入空間；經(jīng)過解吸的貧液經(jīng)冷卻后回到吸收器進行CO2的富集；
[0026]所述的CO2微通道吸收器(通道的特征尺度為幾十微米到3_);為了減小微通道阻力降，氣體在氣體分布腔通過多孔分布板進入吸收液通道；
[0027]本發(fā)明提供的CO2富集與轉化方法及設備，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)占-
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[0028](I)系統(tǒng)高度集成，節(jié)省了空間體積，減輕了重量
[0029](2)易于放大，便于操作
[0030](3)連續(xù)進行CO2的富集和解吸，不需要