富集與轉(zhuǎn)化設(shè)備及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天催化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種密閉空間內(nèi)CO2富集與轉(zhuǎn)化設(shè)備及方法。
技術(shù)背景
[0002]大氣中的CO2濃度為0.03 %，當(dāng)大氣中的CO2濃度達(dá)到0.1 %時(shí)，人就會(huì)感到惡心；當(dāng)達(dá)到I %時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致昏厥和乏力；當(dāng)達(dá)到2%時(shí)，呼吸和心跳就會(huì)加速；3%時(shí)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)就會(huì)癱瘓；5%時(shí)，人只能堅(jiān)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(shí)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(jìn)行太空探索所必需解決的問(wèn)題。另外，O2的回收和自給，每年能夠節(jié)省發(fā)射成本2200萬(wàn)美元；實(shí)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(jiǎn)稱環(huán)控生保系統(tǒng))。
[0003]對(duì)此，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量研究，開(kāi)發(fā)出兩種空間站二氧化碳還原技術(shù)Bosch反應(yīng)和 Sabatier 反應(yīng)(航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2003，16(S):566-572 !Advances in SpaceResearch, 2011, 48 (3):457-464.)。相對(duì)而言，Sabatier技術(shù)更加安全可靠。基于此，美國(guó)宇航局(NASA)和TDA研究公司開(kāi)發(fā)出一套二氧化碳富集和CO2加氫還原(Sabatier反應(yīng))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(guò)兩段甲烷化反應(yīng)，轉(zhuǎn)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(duì)人體健康不利；而金屬氧化物和分子篩對(duì)CO2的選擇性較低；同時(shí)，這三類吸附材料對(duì)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(qiáng)的腐蝕性，同時(shí)難以再生；而采用有機(jī)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(wú)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(shè)備處理能力低等弊?。欢滦桶l(fā)展起來(lái)的微通道反應(yīng)器能夠強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱，有望在氣體分離、強(qiáng)放熱過(guò)程控制等傳統(tǒng)化工領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)革新。專利ZL201010522860.3和CN102784543A公開(kāi)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(yīng)器也可用于吸收劑的再生(CN201110131821.5)。但是微通道反應(yīng)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(jié)構(gòu)上還需要優(yōu)化。
[0005]此外，甲烷化反應(yīng)是一個(gè)強(qiáng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)受熱力學(xué)平衡限制；如果能把反應(yīng)熱及時(shí)移除，將有利于Sabatier反應(yīng)的發(fā)生；同時(shí)，如果將反應(yīng)(放熱過(guò)程)和原料氣預(yù)熱(吸熱過(guò)程)，耦合在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，既可以促進(jìn)Sabatier反應(yīng)的發(fā)生，又能節(jié)省空間和減輕反應(yīng)系統(tǒng)重量。
[0006]為此，亟待開(kāi)發(fā)一種高效的CO2富集過(guò)程，并將多段甲烷化工藝進(jìn)行簡(jiǎn)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(jìn)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(zhuǎn)化設(shè)備及方法，具有工藝流程簡(jiǎn)單、系統(tǒng)集成度高、體積小重量輕等優(yōu)點(diǎn)。
[0008]本發(fā)明一種密閉空間內(nèi)CO2富集與轉(zhuǎn)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(yīng)器、吸收液循環(huán)泵、氣體引風(fēng)機(jī)或真空泵及啟動(dòng)電加熱器組成；密閉空間內(nèi)的氣體首先通過(guò)引風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)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(jìn)行連續(xù)或間歇性富集；富集CO2的富液進(jìn)入CO2微通道解吸器，經(jīng)加熱解吸；解吸出的CO2和H2混合，進(jìn)入CO2加氫甲烷化反應(yīng)器，發(fā)生甲烷化反應(yīng)將CO2轉(zhuǎn)化為CH4。
[0009]所述的CO2微通道富集器由多個(gè)氣體分布腔和吸收腔構(gòu)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(gè)解吸腔和氫氣預(yù)熱腔構(gòu)成，它們交替布置，被預(yù)熱的氫氣首先進(jìn)入氫氣預(yù)熱腔，預(yù)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(yīng)器由原料氣一次預(yù)熱腔、二段甲烷化反應(yīng)腔、原料氣二次預(yù)熱腔、一段甲烷化反應(yīng)腔、氫氣預(yù)熱腔以及空冷換熱器構(gòu)成，氣體按步驟通過(guò)不同的腔，進(jìn)行預(yù)換熱、反應(yīng)和熱量回收，出口產(chǎn)品氣中CO2濃度達(dá)到脫除標(biāo)準(zhǔn)。
[0012]所述甲烷化反應(yīng)熱用于原料氣預(yù)熱、吸收液解吸，多余的熱量通過(guò)空冷換熱器移除；甲烷化反應(yīng)過(guò)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(yīng)提供H2 ;0)2富集過(guò)程和甲烷化反應(yīng)、熱量移除高度集成在一個(gè)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(jié)構(gòu)，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(dòng)方式為逆流、并流或錯(cuò)流。
[0015]所述甲烷化反應(yīng)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(zhǎng)方體或多腔套筒圓柱形結(jié)構(gòu)；所述多腔長(zhǎng)方體或套筒圓柱體結(jié)構(gòu)流體通道為百葉窗、鋸齒或波紋型等結(jié)構(gòu)；
[0016]所述系統(tǒng)的啟動(dòng)是通過(guò)內(nèi)置或外置于反應(yīng)器內(nèi)的U型管、波紋片管或翅片管等結(jié)構(gòu)的電加熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)；
[0017]一種密閉空間內(nèi)CO2富集與轉(zhuǎn)化方法，采用上述密閉空間內(nèi)CO2富集與轉(zhuǎn)化裝置，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行:
[0018]采用用吸收液，通過(guò)連續(xù)或間歇操作富集CO2，然后解吸；通過(guò)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(yīng)腔和二段甲烷化反應(yīng)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(yīng)壓力為I?6atm，原料氣在反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)過(guò)一次預(yù)熱和二次預(yù)熱，進(jìn)入一段甲烷化反應(yīng)腔的入口溫度
[0019]達(dá)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(guò)空冷換熱器冷卻至100-300°C左右，進(jìn)入二段甲烷化反應(yīng)腔繼續(xù)進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，反應(yīng)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(jìn)一步冷卻，甲烷化反應(yīng)器出口 H2的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(lái)源的氫氣，經(jīng)過(guò)電加熱器或和系統(tǒng)內(nèi)的高溫氣體換熱，將氫氣預(yù)熱；預(yù)熱的氫氣進(jìn)入微通道解吸器，先和吸收有CO2的富液進(jìn)行熱量交換,然后，進(jìn)入吸收液解吸腔和解吸出的CO2混合進(jìn)入CO2加氣甲烷化反應(yīng)器；在加氫甲烷化反應(yīng)器中，氫氣和CO2首先在反應(yīng)器內(nèi)和反應(yīng)產(chǎn)物氣進(jìn)行多次換熱，預(yù)熱到催化劑起活溫度；然后進(jìn)行CO2甲烷化反應(yīng)(C02+4H2 = CH4+2H20);反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過(guò)多級(jí)冷卻，冷凝水析出，供給電解水制氫；
[0025]CO2的富集通過(guò)在CO2微通道吸收器中進(jìn)行:含CO2的氣體進(jìn)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(guò)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(guò)解吸的貧液經(jīng)冷卻后回到吸收器進(jìn)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(guò)多孔分布板進(jìn)入吸收液通道；
[0027]本發(fā)明提供的CO2富集與轉(zhuǎn)化方法及設(shè)備，與現(xiàn)有技術(shù)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(jìn)行CO2的富集和解吸，不需要