一种密闭空间内CO2富集及甲烷化工艺与反应器的制作方法与工艺

本发明属于催化反应和系统集成领域，具体涉及一种密闭空间内CO2富集及甲烷化工艺与反应器。技术背景宇宙飞船、太空舱、潜水艇、防空洞、高精技术车间等封闭体系中，CO2气体中浓度的不断积累增加会导致体系空气质量的下降，对人体健康和生命都会产生一定的危害。大气中的CO2浓度为0.03%，当大气中的CO2浓度达到0.1%时，人就会感到恶心不适；当达到1%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，人的呼吸只能维持30min；当达到10%以上时，会使人失去知觉甚至死亡；因此，降低封闭体系中CO2的含量对于维持生命保障体系的正常运行具有十分重要的意义。为此，包括美国、前苏联和俄罗斯对于太空乘员舱内的CO2含量都有严格的标准。然而，如何才能有效控制密闭空间内由于人的形成代谢导致的CO2积累，保障生命财产安全就显得尤为重要。尽管，CO2富集分离目前已经具有成熟的技术，但是，针对空间站、潜艇等密闭空间内的CO2量相对比较少。因为，每人每天呼吸产生的CO2的量为0.7-1.0kg；而人类每天需要消耗的氧气为0.83kg。为此，工业规模的CO2富集分离方法针对工况存在较大的局限性。在该领域要求系统满足体积、重量、功耗与消耗物质最小化以及运行的安全性、长寿命、高可靠性等要求。尽管，俄罗斯和美国都各自开发了相应的基于萨博提尔（Sabatier）反应的CO2甲烷脱除系统（航天医学与医学工程，2011，24（5）：384-390；）浙江大学也提出了一套空间站CO2富集转化的概念流程(JournalofZhejiangUniversityScienceA,2009,10(11):1642-1650;)。但是这些方案未能将二氧化碳富集过程和甲烷化过程高效耦合起来，这样势必降低了整个系统的能耗，从而增加了系统体积、重量和功耗。而体积、重量、功耗是考核航天产品最重要的指标。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种密闭空间内CO2富集及甲烷化工艺与反应器，该工艺主要解决空间站与水下航行器载人舱以及防空洞内CO2累积问题，为密闭空间提供生存所需氧气；该反应器是集CO2富集和Sabatier反应于一体的设备，极大程度上降低了航行器的环境控制与生命保障系统（EnvironmentalControlandLifeSupportSystem,ECLSS）的体积、重量和功耗。本发明提供了一种密闭空间内CO2富集及甲烷化工艺，可以周期性自动进行CO2富集；当富集的CO2达到密闭空间最大允许浓度时，通过CO2和H2发生甲烷化反应将CO2转化为CH4；甲烷化反应过程中生成的水用于电解为甲烷化反应提供H2和为密闭空间提供氧气；当富集的CO2完全转化后，再周期性进行CO2富集和CO2甲烷化。本发明提供的CO2富集及甲烷化工艺，载人舱内的含CO2气体被吸入CO2富集和甲烷化反应器内；首先，CO2在吸附剂或吸收液中进行富集，当吸附或吸收达到饱和后；系统自动启动电加热器，同时通入H2在系统内进行闭路循环，预热的气体逐渐将吸附剂或吸收液床层加热，解离脱附的CO2和H2经预热后进入到甲烷化反应床层进行甲烷化反应；检测系统压力和系统内的气体组成，调节H2供入量，当CO2的转化率及甲烷浓度达到设定值时，气体排出系统；甲烷化反应出口气体经过冷却，将过饱和水冷凝；冷凝水供给电解水过程，产生的氢气供给甲烷化反应过程，生成的氧气供给乘员舱；电解水用电可以来自于电池或太阳能。本发明还提供了一种密闭空间内CO2富集及甲烷化反应器，CO2富集过程和甲烷化反应集成在同一反应器内，反应器由包括换热腔、CO2富集腔、电加热启动腔、甲烷化反应腔等多层腔构成；需要净化的气体连续经过换热腔、CO2富集腔、电加热启动腔以及甲烷化反应腔，通过不同腔之间的交替换热实现原料气预热、产品气冷却以及CO2富集与解离。本发明提供的密闭空间内CO2富集及甲烷化工艺，通过实时监测富集及甲烷化工艺出口CO2浓度、H2浓度以及系统压力，周期性自动进行CO2富集和甲烷化工艺过程。本发明提供的密闭空间内CO2富集及甲烷化工艺，可以通过调节循环气量和氢气的供入量来控制系统温度和CO2的解离速率。本发明提供的密闭空间内CO2富集及甲烷化工艺，CO2甲烷化反应产生的水用于提供甲烷化反应所需氢气和生存所需氧气。本发明提供的密闭空间内CO2富集及甲烷化工艺，所述的氢气和氧气是通过电解水产生。本发明提供的密闭空间内CO2富集及甲烷化反应器，所述的甲烷化反应腔内填充颗粒、整体结构或壁载甲烷化催化剂。本发明提供的密闭空间内CO2富集及甲烷化反应器，所述的甲烷化催化剂的活性组分为Ru、Pt、Rh、Pd、Ni中的一种或几种，载体为Al2O3、CeO2、ZrO2、SiO2、TiO2、SnO2金属氧化物中的一种或几种。本发明提供的密闭空间内CO2富集及甲烷化反应器，所述的CO2富集腔内填充的为分子筛、固体氨吸附剂（SAWD）或其他具有CO2选择吸附的材料；也可以是封装有乙醇胺（MEA）、聚乙二醇二甲醚（NHD）、离子液体等具有CO2选择吸收性能的液体。本发明提供的密闭空间内CO2富集及甲烷化反应器，所述的多层腔是环形或方形结构，腔内为管翅或板翅结构或是无翅片直通结构。所述的多层腔是将CO2吸附腔和换热腔交替布置在同一反应器内，实现吸放热过程的高效耦合。本发明提供了所述密闭空间内CO2富集及甲烷化工艺与反应器的应用，该工艺与反应器适用于水下潜水设备或太空站（舱）中的CO2的脱除。本发明提供了所述密闭空间内CO2富集及甲烷化工艺与反应器的应用，所述的工艺和反应器还可以应用于其他低浓度气体的高效脱除过程。本发明提供的CO2富集及甲烷化工艺，所述甲烷化启动通过内置或外置二氧化碳分析仪检测二氧化碳浓度达到设定值，自动启动该系统。本发明提供的CO2富集及甲烷化工艺，所述CO2的解离脱附是通过电加热或甲烷化反应热预热吸附剂或吸收液实现。本发明提供的CO2富集及甲烷化工艺，所述H2闭路循环是关闭系统出口阀，通过内置循环增压泵或压缩机来驱动系统内的气体进行自循环。本发明提供的CO2富集及甲烷化工艺，所述的H2供入量是通过检测工艺系统内的H2、CO2和甲烷浓度以及系统压力进行调节的。本发明提供的CO2富集及甲烷化工艺，所述的CO2甲烷化过程产生的水通过和原料气或增设空冷来进行冷却，从而将饱和水冷凝。本发明的集CO2富集和Sabatier反应于一体的反应器设备，采用套筒式结构，将CO2富集和加氢甲烷化反应过程高效耦合在一体，交替地设置甲烷化反应腔和CO2吸附腔，能够将甲烷化反应放出的热量即时传递给CO2解离脱附过程，很大程度上改善了CO2甲烷化过程平衡限制；同时，在该设备中心轴向上放置一管翅电加热器来进行系统启动。本发明提供的CO2富集及甲烷化反应器设备，所述的套筒式结构，每层腔内为翅片或无翅片直通结构。与现有的技术相比，本发明的优点在于：1.本发明通过调节供入的氢气量可以有效控制甲烷化反应的进程，很大程度上降低甲烷化反应平衡限制；2.本发明实现了CO2解离和甲烷化反应的同时发生，省略了CO2收集罐，简化了工艺，降低了整个系统的重量和体积；3.本发明将CO2富集和甲烷化反应耦合在一个反应器内完成，显著简化了CO2脱除工艺，降低了能耗；4.通过CO2、H2等在线监测仪器的设置，可以方便地实现系统的完全自动化操作运行；5.冷热流体流通通道的交替设计，能够合理利用回收热量，节能、环保；6.结构紧凑、便携，为低浓度气体的脱除提供了一种新的思路和方法。附图说明图1密闭空间内CO2富集及甲烷化工艺；图2套筒式CO2富集及甲烷化反应器轴向截面图；图3套筒式CO2富集及甲烷化反应器径向截面图；图4板式CO2富集及甲烷化反应器；图例说明：1：乘员舱；2：电解水；3:CO2富集与甲烷化反应器；4:分水罐；5:循环压缩机；6:氢气流量控制阀；7:含CO2气体流量控制；8:净化后的气体（不含CO2）流量控制；9:冷凝水出口阀；10：内循环流量控制；11：温度检测；12：流量检测；13：压力检测；14：组分检测；15：流量调节；TI：温度显示；FI：流量显示；PI：压力显示；AI：组分显示；FC：流量控制；A：进气腔；B：出气腔；C：一次吸附腔；D：二次甲烷化反应腔；E:二次吸附腔；F：一次甲烷化反应腔；G：电加热腔。具体实施方式除非另外指出，在本发明说明书和权利要求书中出现的所有数字，例如净化气体的进、出口温度范围，表示气体组分构成的体积百分比等数值均不应该被理解为绝对精确值，该数值是在本领域内的普通技术人员所理解的、公知技术所允许的误差范围内。在本发明说明书和权利要求书中出现的精确的数值应该被理解为构成本发明的部分实施例。尽管在本发明给出的实例中努力做到保证数值的精确性，但由于各种测量技术的标准偏差，任何测量得到的数值都不可避免地存在一定误差。实施例1：在一乘员为5人的太空舱内，如果乘员舱内的空间体积为6m3,如果不进行处理，一天内CO2的浓度就会达到30%以上。为此，设计一台CO2富集及甲烷化反应器，在CO2富集及甲烷化反应器的CO2吸附腔内填充固体氨吸附剂（SAWD），在甲烷化反应腔内填充一定量的甲烷化催化剂；根据吸附和CO2甲烷化反应的周期，设置两台CO2富集及甲烷化反应器交替进行,从而保证了乘员舱内的CO2浓度保持在较低的水平。首先，将乘员舱内的气体经阀门7鼓入CO2富集与甲烷化反应器3中，CO2气体在吸附腔中进行富集，通过出口CO2浓度在线分析14检测，当CO2浓度超过设定值时，关闭阀门7和8。将氢气经阀门6供入到CO2富集与甲烷化反应器3中，同时开启电加热器，关闭系统出口阀门，并开启循环压缩机，让氢气在系统内闭路循环；随着温度的提高，吸附在吸附剂或吸收到溶剂中的CO2逐渐脱附，和氢气一块进入甲烷化反应腔，当达到甲烷化反应起活温度时，H2便可以和CO2发生甲烷化反应生成甲烷和水；生成的水经分水罐4，气液分离后返回到电解水系统，氧气供入乘员舱，氢气供系统进行甲烷化反应；甲烷化生成的甲烷排出系统或用作燃料。