一种密闭空间内CO2富集与转化设备及方法技术

本发明专利技术一种密闭空间内CO2富集与转化设备及方法属航天催化技术领域。该装置由CO2微通道富集器、CO2微通道解吸器、CO2加氢甲烷化反应器、吸收液循环泵、气体引风机或真空泵及启动电加热器组成。该方法采用用吸收液，通过连续或间歇操作富集CO2，然后解吸；通过调节H2的流量控制氢气和CO2的摩尔比；在甲烷化反应器内装填甲烷化催化剂I和催化剂II,原料气在反应器内经过一次预热和二次预热，进行甲烷化反应。本发明专利技术能够有效控制密闭空间内的CO2含量，并为电解制氧提供水；该CO2富集及甲烷化设备结构紧凑，集CO2富集和甲烷化反应于一体，提高了系统的集成度，节省了空间，降低了系统重量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于航天催化
，具体涉及一种密闭空间内CO2。技术背景大气中的CO2浓度为0.03 %，当大气中的CO2浓度达到0.1 %时，人就会感到恶心；当达到I %时，就会导致昏厥和乏力；当达到2%时，呼吸和心跳就会加速；3%时，中枢神经系统就会瘫痪；5%时，人只能坚持30min ;在密闭空间内，呼吸产生的CO2，每人每天为0.7-1.0kg/天；而人类每天需要消耗的氧气为0.83kg。如何实现密闭空间内如太空站、潜艇内乘员的氧气供给，避免CO2在乘员舱内的累积是进行太空探索所必需解决的问题。另外，O2的回收和自给，每年能够节省发射成本2200万美元；实现这一目的的系统又被称为载人航天器环境控制与生命保障系统(Environmental Control and Life SupportSystem,简称环控生保系统)。对此，国内外进行了大量研究，开发出两种空间站二氧化碳还原技术Bosch反应和 Sabatier 反应(航天医学与医学工程，2003，16(S):566-572 !Advances in SpaceResearch, 2011, 48 (3):457-464.)。相对而言，Sabatier技术更加安全可靠。基于此，美国宇航局(NASA)和TDA研究公司开发出一套二氧化碳富集和CO2加氢还原(Sabatier反应)的原理工艺。首先，将二氧化碳在吸附剂上吸附，然后升温解吸；然后，将解吸出的二氧化碳通过两段甲烷化反应，转化为甲烷；然而，目前使用的固体胺吸附、金属氧化物吸附或分子筛吸附等CO2吸附剂，其中，胺类吸附剂具有较高的毒性，对人体健康不利；而金属氧化物和分子筛对CO2的选择性较低；同时，这三类吸附材料对CO2均为不可逆吸附，可再生性低，不利于吸附材料的循环使用。而采用碱性钾盐和钠盐(ZL200910092354.2)具有较强的腐蚀性，同时难以再生；而采用有机胺类、离子液体等吸收剂，具有较好的吸收效果而且易于解吸回用，并且吸收剂无毒。另外，工业上采用的填料吸收塔，易发生液泛、雾沫夹带，存在设备处理能力低等弊病；而新型发展起来的微通道反应器能够强化传质传热，有望在气体分离、强放热过程控制等传统化工领域中实现革新。专利ZL201010522860.3和CN102784543A公开了一种微通道CO2吸收器具有优良的CO2吸收性能；微通道反应器也可用于吸收剂的再生(CN201110131821.5)。但是微通道反应器阻力降较大，在空间站或潜艇中由于受增压功耗所限，在结构上还需要优化。此外，甲烷化反应是一个强放热反应，反应受热力学平衡限制；如果能把反应热及时移除，将有利于Sabatier反应的发生；同时，如果将反应(放热过程)和原料气预热(吸热过程)，耦合在同一个反应器内，既可以促进Sabatier反应的发生，又能节省空间和减轻反应系统重量。为此，亟待开发一种高效的CO2富集过程，并将多段甲烷化工艺进行简化和高度集成，提高载人航天器环境控制与生命保障系统的集成度、可靠性；进一步优化系统空间布局，节省空间降低重量。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种密闭空间内CO2，具有工艺流程简单、系统集成度高、体积小重量轻等优点。本专利技术一种密闭空间内CO2富集与转化装置，由CO2微通道富集器、CO2微通道解吸器、CO2加氢甲烷化反应器、吸收液循环泵、气体引风机或真空泵及启动电加热器组成；密闭空间内的气体首先通过引风机、压缩机或鼓风机进入CO2微通道富集器，与吸收液循环泵供入的吸收液接触，进行连续或间歇性富集；富集CO2的富液进入CO2微通道解吸器，经加热解吸；解吸出的CO2和H2混合，进入CO2加氢甲烷化反应器，发生甲烷化反应将CO2转化为CH4。所述的CO2微通道富集器由多个气体分布腔和吸收腔构成，它们交替布置，中间用多孔气体分布板连接。所述的CO2微通道解吸器由多个解吸腔和氢气预热腔构成，它们交替布置，被预热的氢气首先进入氢气预热腔，预热富液，然后和富液接触将解吸的CO2带走。所述的CO2加氢甲烷化反应器由原料气一次预热腔、二段甲烷化反应腔、原料气二次预热腔、一段甲烷化反应腔、氢气预热腔以及空冷换热器构成，气体按步骤通过不同的腔，进行预换热、反应和热量回收，出口产品气中CO2浓度达到脱除标准。所述甲烷化反应热用于原料气预热、吸收液解吸，多余的热量通过空冷换热器移除；甲烷化反应过程中生成的水用于电解为密闭空间提供氧气和甲烷化反应提供H2 ;0)2富集过程和甲烷化反应、热量移除高度集成在一个系统内，既节省空间又减轻重量。所述的空冷换热器为板翅或管翅结构，热流体在管程，空冷空气在壳程。所述气-液或气-气在交替通道内的流动方式为逆流、并流或错流。所述甲烷化反应器、微通道接触器、解吸器以及空冷换热器，其特征在于其为多腔长方体或多腔套筒圆柱形结构；所述多腔长方体或套筒圆柱体结构流体通道为百叶窗、锯齿或波纹型等结构；所述系统的启动是通过内置或外置于反应器内的U型管、波纹片管或翅片管等结构的电加热器来实现；一种密闭空间内CO2富集与转化方法，采用上述密闭空间内CO2富集与转化装置，其特征在于按照以下步骤进行:采用用吸收液，通过连续或间歇操作富集CO2，然后解吸；通过调节4的流量控制氢气和CO2的摩尔比为3.0?5.0 ;—段甲烷化反应腔和二段甲烷化反应腔内装填甲烷化催化剂I和/或催化剂II，催化剂起燃温度100?300°C，反应压力为I?6atm，原料气在反应器内经过一次预热和二次预热，进入一段甲烷化反应腔的入口温度达到催化剂起燃温度，一段甲烷化床层出口温度为400-650°C ;经过空冷换热器冷却至100-300°C左右，进入二段甲烷化反应腔继续进行甲烷化反应，反应器二段甲烷化床层温度在150-400°C，然后和氢气换热，将温度进一步冷却，甲烷化反应器出口 H2的转化率为80-98%。所述的吸收液为胺类、醇胺类、醚类、醇类、酮类、酯类、醇醚类以及离子液体CO2吸收剂中的一种或几种的组合。所述的甲烷催化剂为:颗粒或整体结构催化剂或以陶瓷纤维、金属纤维等多孔材料为载体的催化剂或将活性组分壁载在流体通道表面；所述的甲烷化催化剂I为:以N1、Fe、Co等一种或几种为活性组分的金属氧化物催化剂。所述的甲烷催化剂II为:以Ru、Rh、Pt、Pd等一种或几种为活性组分的贵金属催化剂。为了避免在人居密闭空间内CO2的富集，首先，将电解水或其他来源的氢气，经过电加热器或和系统内的高温气体换热，将氢气预热；预热的氢气进入微通道解吸器，先和吸收有CO2的富液进行热量交换,然后，进入吸收液解吸腔和解吸出的CO2混合进入CO2加氣甲烷化反应器；在加氢甲烷化反应器中，氢气和CO2首先在反应器内和反应产物气进行多次换热，预热到催化剂起活温度；然后进行CO2甲烷化反应(C02+4H2 = CH4+2H20);反应产物经过多级冷却，冷凝水析出，供给电解水制氢；CO2的富集通过在CO2微通道吸收器中进行:含CO2的气体进入吸收器，CO2在吸收液中溶解吸收；而吸收CO2的吸收富液通过循环泵供入吸收液解吸器，经解析后循环使用；被净化后的气体排入空间；经过解吸的贫液经冷却后回到吸收器进行CO2的富集；所述的CO2微通道吸收器(通道的特征尺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种密闭空间内CO2富集与转化装置，其特征在于由CO2微通道富集器、CO2微通道解吸器、CO2加氢甲烷化反应器、吸收液循环泵、气体引风机或真空泵及启动电加热器组成；密闭空间内的气体首先通过引风机、压缩机或鼓风机进入CO2微通道富集器，与吸收液循环泵供入的吸收液接触，进行连续或间歇性富集；富集CO2的富液进入CO2微通道解吸器，经加热解吸；解吸出的CO2和H2混合，进入CO2加氢甲烷化反应器，发生甲烷化反应将CO2转化为CH4。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王胜，王树东，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21