一种火星表面二氧化碳捕集与转化系统及其方法与流程

1.本发明涉及火星探测技术领域，特指一种火星表面二氧化碳捕集与转化系统及其方法。


背景技术：

2.火星推进剂原位制备是指勘探、获取和利用火星的天然资源在火星上原地制备运载火箭推进剂，是实现地外载人探测和未来太空殖民等地外活动的关键技术。火星表面大气的主要成分是二氧化碳，占总量的95.32％，可通过还原反应获取推进剂。二氧化碳还原存在多种技术路径，综合考虑成熟性、可操作性、经济性、长期稳定性等多种因素，二氧化碳加氢甲烷化(sabatier反应)已成为当前的主流技术，并已在国际空间站成功应用。sabatier反应是一个受热力学平衡限制的强放热过程，要提高sabatier反应速度，必须维持反应器处于高温，而要提高转化率则需要反应器处于较低温度，所以难以同时实现高反应速度与反应速率的目标。此外，火星大气层很薄，全年压力在680～1000pa之间波动，不及地球大气压的百分之一，火星平均气温约为216k，昼夜温差高达80k。因此，地球常规的二氧化碳捕集方法难以适应火星表面的低温、低压环境，而用于二氧化碳转化的sabatier反应系统也需进行针对性设计，以使其与二氧化碳捕集系统进行高效耦合。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种火星表面二氧化碳捕集与转化系统，利用转轮吸附器实现火星大气中二氧化碳的高效捕集，利用sabatier反应热作为转轮吸附器的再生热源，可连续获取返回式火星探测所需的甲烷推进剂。
4.本发明拟用如下技术方案实现本发明的目的：
5.第一方面，本发明提供了一种火星表面二氧化碳捕集与转化系统，其包括火星大气管路、再生气管路、混合气管路、转轮吸附器、冷凝器和环路热管；
6.所述转轮吸附器的流通通道包括转轮吸附通道和转轮解吸通道，转轮吸附器通过不断的旋转，使吸附水和二氧化碳气体的转轮在转轮吸附通道和转轮解吸通道之间往复回转，进而使吸附和解吸再生同步进行；且转轮解吸通道外侧安装有用于隔离外部大气和转轮解吸通道的密封罩；所述环路热管由环路热管蒸发段、环路热管绝热段和环路热管冷凝段连接而成；
7.所述冷凝器中具有构成换热的第一通路和第二通路；
8.所述火星大气管路的入口端用于通入火星大气，而管路依次连通低温截止阀、过滤器、低温风机和转轮吸附器的转轮吸附通道后出口端放空，从而使通入火星大气管路的火星大气中的水和二氧化碳气体在转轮吸附通道中被吸附捕集；
9.所述再生气管路的入口端连通转轮解吸通道外部的密封罩，而管路依次连通定压阀、冷凝器的第一通路、集水器、压缩机后出口端接入混合器中，冷凝器的第二通路流经用于对第一通路进行冷却的火星大气，从而使转轮吸附器吸附的二氧化碳和水汽解吸、分离、
增压后以纯二氧化碳形式通入混合器中；所述的定压阀根据压力大小自动控制启闭状态，当压力低于压力设定值时处于关闭状态，当压力高于压力设定值时处于打开状态；
10.所述混合气管路的入口端用于通入氢气，而管路依次连接混合器、电加热器和sabatier反应器，从而使二氧化碳和氢气发生sabatier反应后生成产品气；sabatier反应器的反应腔后半段通过环路热管连接转轮吸附通道，用于将sabatier反应器中的反应热传导至转轮解吸通道中用于再生解吸。
11.作为上述第一方面的优选，还包括风力发电装置和太阳能发电装置，风力发电装置用于利用火星表面的风能产生电能，太阳能发电装置用于通过火星表面的太阳能产生电能，两者将电能通过电源线传递到电加热器，完成混合气的升温。
12.作为上述第一方面的优选，所述过滤器采用静电除尘设备。
13.作为上述第一方面的优选，所述转轮吸附器中的吸附剂为硅胶或沸石13x。
14.作为上述第一方面的优选，所述集水器为用于去除液滴的离心分离除水设备或丝网阻水设备。
15.作为上述第一方面的优选，所述冷凝器选用翅片管式换热器。
16.作为上述第一方面的优选，所述sabatier反应器外部包覆绝热材料，内部反应腔中均填充有催化剂。
17.作为上述第一方面的优选，所述混合器连接电解水系统中的氢气输出管路。
18.作为上述第一方面的优选，所述环路热管由环路热管蒸发段、环路热管绝热段和环路热管冷凝段构成，环路热管蒸发段与sabatier反应器的反应腔后半部分构成换热接触，环路热管绝热段位于sabatier反应器和转轮解吸通道之间，环路热管冷凝段与转轮解吸通道内部的导热结构构成换热接触。
19.第二方面，本发明提供了一种利用上述第一方面任一方案所述系统的火星表面二氧化碳捕集与转化方法，其包括：
20.s1、打开低温截止阀，启动低温风机将火星大气抽入火星大气管路中，经过滤器去除杂质后进入转轮吸附器的转轮吸附通道，火星大气中的二氧化碳和水汽组分被转轮吸附器中的吸附剂吸附，剩余火星大气直接排空，吸附饱和的转轮会由转轮吸附通道转动至转轮解吸通道；
21.s2、通过环路热管将sabatier反应器中的反应热传导至转轮解吸通道中吸附饱和的转轮上，使转轮吸收环路热管提供的热量进行解吸再生，含有二氧化碳和水汽的再生气进入密封罩中使罩内压力持续上升，当达到定压阀的压力设定值后，定压阀开启使密封罩内的再生气进入再生气管路；在再生气管路中，再生气首先进入冷凝器的第一通路并吸收第二通路中持续流经的火星大气冷量后使水汽液化，再进入集水器中过滤去除液态水，剩余的纯二氧化碳则通过压缩机进一步增压后进入混合器，与氢气混合形成混合气；
22.s3、来自混合器的混合气进入混合气管路后，首先由电加热器加热到sabatier反应的启动温度，随后进入sabatier反应器前半部分，在内部填充的sabatier反应催化剂作用下进行sabatier反应，随后继续流经sabatier反应器后半部分继续反应，而反应热被环路热管吸收并传导至转轮解吸通道中用于转轮解吸通道的解吸再生，从而降低sabatier反应器后半部分温度并提高反应的转化率，最终由sabatier反应器输出sabatier反应产品气。
23.本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：基于火星大气低温特征，设计基于吸附原理的二氧化碳捕集系统，充分利用火星大气低温特征提升系统的二氧化碳捕集效率；转轮吸附器具有二氧化碳吸附和解吸的同步进行的特征，可为sabatier反应器连续供应二氧化碳气体；设计利用火星大气冷能的冷却凝器和集水器，实现再生气中二氧化碳和水汽的分离，无需设置额外的水汽吸附器，同时还可实现宝贵水资源的收集；根据sabatier反应特性，使sabatier反应器的前半部分绝热、后半部分冷却，同时实现高反应速度和高转化效率目标；利用sabatier反应热作为转轮中吸附剂的再生热源，无需配置额外的加热系统，实现二氧化碳捕集和转化系统的高效耦合；利用火星表面太阳能和风能的组合为电加热器提供电源，有效克服了太阳能和风能的间歇性。
24.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果做进一步说明，以充分的了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
25.图1是实施例中一种火星表面二氧化碳捕集与转化系统的结构示意图。
26.图2是实施例中另一种火星表面二氧化碳捕集与转化系统的结构示意图。
27.图中：火星大气管路1、低温截止阀2、过滤器3、低温风机4、转轮吸附器5、转轮吸附通道6、转轮解吸通道7、密封罩8、再生气管路9、定压阀10、冷凝器11、集水器12、压缩机13、混合器14、混合气管路15、电加热器16、sabatier反应器17、环路热管18、环路热管蒸发段19、环路热管绝热段20、环路热管冷凝段21、电源线22、风能发电装置23、太阳能发电装置24。
具体实施方式
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
29.在本发明的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件或者是间接连接即存在中间元件。相反，当元件为称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
31.在本发明的一个较佳实施例中，如图1所示，提供了一种火星表面二氧化碳捕集与转化系统，其包括火星大气管路1、低温截止阀2、过滤器3、低温风机4、转轮吸附器5、转轮吸附通道6、转轮解吸通道7、密封罩8、再生气管路9、定压阀10、冷凝器11、集水器12、压缩机13、混合器14、混合气管路15、电加热器16、sabatier反应器17、环路热管18、环路热管蒸发段19、环路热管绝热段20、环路热管冷凝段21、电源线22。
32.其中转轮吸附器5是一种吸附剂布置在转轮上的一种吸附解析装置。转轮可设计
成蜂窝轮形式，以增加其比表面积。转轮吸附器5的流通通道包括转轮吸附通道6和转轮解吸通道7，转轮大部分处在转轮吸附通道6中，另一部分处在转轮解吸通道7中。转轮吸附器5通过不断的旋转，使吸附水和二氧化碳气体的转轮在转轮吸附通道6和转轮解吸通道7之间往复回转，进而使吸附和解吸再生同步进行。实际工作时，气体进人转轮后在转轮吸附通道6中被吸附剂吸附目标组分后排入大气，当吸附有目标组分的转轮部分回转到转轮解吸通道7时，用加热的方式可将吸附的目标组分重新从转轮中脱附出来，由此实现目标组分的富集。为了保证转轮解吸通道7中解析的目标组分能够被收集，转轮解吸通道7外侧安装有用于隔离外部大气和转轮解吸通道7的密封罩8，解吸的目标组分进入密封罩8中，防止外部火星大气影响转轮吸附器解吸气的纯度。本发明中，转轮所吸附的目标组分为火星大气中的二氧化碳，但一般也会同时吸附部分水，因此转轮中填充的吸附材料可选用硅胶或沸石13x等吸附剂，增二氧化碳的吸附能力。
33.需要说明的是，sabatier反应器17是利用sabatier反应sabatier reaction的反应器。反应器的具体结构不限，可采用任意现有技术中的此类反应器实现。sabatier反应是一种非放热反应。一般而言，为了避免火星大气低温对sabatier反应造成不利影响，sabatier反应器17外部可包覆绝热材料，内部反应腔中均填充有催化剂，催化剂可采用能够催化sabatier反应的现有催化剂。
34.另外，为了对转轮解吸通道7中的转轮上吸附的二氧化碳和水进行解析，需要向转轮解吸通道7中输入热量。在本发明中，由于sabatier反应器17会产生热量，而这些反应热本身又不利于提高sabatier反应的转化效率，因此可以通过设置热管来将sabatier反应器17中的热量传递至转轮解吸通道7中。本发明可设置一条用于连接sabatier反应器17和转轮解吸通道7的环路热管18。环路热管18由环路热管蒸发段19、环路热管绝热段20和环路热管冷凝段21连接而成，热管的原理可参见现有技术，对此不再赘述。
35.另外，本发明中还利用火星大气的低温特点，设计了冷凝器11来对二氧化碳和水汽进行降温，从而分离水和二氧化碳。冷凝器11中具有构成换热的第一通路和第二通路，第一通路流经转轮吸附器5解吸的二氧化碳和水汽的混合气，第二通路流经火星大气。火星大气的平均气温约为216k，该温度可以作为冷源对二氧化碳和水汽的混合气进行降温，使水汽凝结成液滴以便于从混合气中脱离。本发明中，冷凝器11可选用翅片管式换热器。
36.火星大气管路1的入口端直接暴露于火星大气中，用于通入火星大气，而火星大气管路1依次连通低温截止阀2、过滤器3、低温风机4和转轮吸附器5的转轮吸附通道6后出口端放空，从而使通入火星大气管路1的火星大气中的水和二氧化碳气体在转轮吸附通道6中被转轮上的吸附剂吸附捕集。
37.在本发明中，过滤器3的作用是对火星大气中的灰尘进行去除，其可以采用过滤除尘设备、旋风除尘设备或者静电除尘设备。考虑到除尘的可靠性和除尘效率，过滤器3优选选用静电除尘的方式去除原料气中的灰尘。
38.在本发明中，低温风机4的作用是为火星大气的输入提供动力。由于火星大气昼夜温差高达80k，夏季温度变化范围约为185k～244k，冬季温度变化范围约为172k～252k，绝大多数时间段的温度均低于普通风机低温启动极限，因此需要采用能够耐受火星大气温度的低温风机类型。
39.再生气管路9的入口端连通转轮解吸通道7外部的密封罩8，而管路依次连通定压
阀10、冷凝器11的第一通路、集水器12、压缩机13后出口端接入混合器14中，冷凝器11的第二通路流经用于对第一通路进行冷却的火星大气，从而使转轮吸附器5吸附的二氧化碳和水汽解吸、分离、增压后以纯二氧化碳形式通入混合器14中。
40.其中，密封罩8的出口处设置的定压阀10是一种能够在设定的压力下开启的阀门组件，其安装在管路上后，当管内压力超出压力设定值时，阀门开启泄压，反之阀门保持关闭，从而保证输出的气体压力。定压阀10的开启压力为一个可根据实际的用气或者出气压力来优化调整的压力设定值，定压阀10根据密封罩8内的压力大小自动控制启闭状态，当压力低于压力设定值时处于关闭状态，密封罩8内继续升压，当压力高于压力设定值时处于打开状态，密封罩8内的再生气排入再生气管路9中。
41.另外，本发明中的集水器12可以采用任意能够将液态水滴从二氧化碳气体中分离出来的设备，例如可以通过离心分离或阻水丝网的形式获取液态水，因此集水器12可以采用离心分离除水设备或丝网阻水设备。离心分离除水设备中使携带液态水滴的二氧化碳气体通过旋转形成将液滴甩至设备内壁的离心力，而丝网阻水设备中在气流通道上设置若干细孔径的丝网，丝网的孔径小于液滴的常规尺寸。由此，再生气经过冷凝器11后形成了携带液态水滴的二氧化碳气体，经过集水器12分离其中的液滴后，即可形成高纯二氧化碳。高纯二氧化碳再经过压缩机13对高纯二氧化碳进行增压，使得混合器14中的压力能够满足后续sabatier反应所需的压力。
42.混合气管路15的入口端用于通入氢气，而管路依次连接混合器14、电加热器16和sabatier反应器17，从而使二氧化碳和氢气发生sabatier反应后生成产品气。而且sabatier反应器17的反应腔分为前半段和后半段，sabatier反应器17的反应腔后半段通过环路热管18连接转轮吸附通道6，用于将sabatier反应器17中的反应热传导至转轮解吸通道7中用于再生解吸。
43.在本发明中，环路热管18由环路热管蒸发段19、环路热管绝热段20和环路热管冷凝段21构成，环路热管蒸发段19与sabatier反应器17的反应腔后半部分构成换热接触，环路热管绝热段20位于sabatier反应器17和转轮解吸通道7之间，环路热管冷凝段21与转轮解吸通道7内部的导热结构构成换热接触。转轮解吸通道7内部的导热结构的形式是多样的，例如可以在转轮上设置高导热单元，在转轮旋转时高导热单元可与转轮解吸通道7内的环路热管冷凝段21进行高效换热。
44.在本发明中，电加热器16的作用是将二氧化碳和氢气的混合气体送入sabatier反应器17之前加热至sabatier反应的启动温度。考虑到火星上的环境条件，可以设置风力发电和太阳能发电来为电加热器16提供所需的电力。因此，如图2所示，本发明中还可以设置风力发电装置23和太阳能发电装置24，风力发电装置23用于利用火星表面的风能产生电能，太阳能发电装置24用于通过火星表面的太阳能产生电能，两者将电能通过电源线22传递到电加热器16，完成混合气的升温。
45.需要说明的是，本发明中参与sabatier反应的氢气，可来源于预先存储的氢气，也可来源于直接制备的氢气，例如可将混合器14连接火星上的电解水系统中的氢气输出管路，将电解水形成的氢气直接用于参与sabatier反应。
46.在本发明的另一实施例中，基于上述火星表面二氧化碳捕集与转化系统，还提供了一种火星表面二氧化碳捕集与转化方法，其具体流程如下：
47.(1)准备流程：启动风能发电装置23和太阳能发电装置24，两者运行产生的电能通过电源线22传递至电加热器16；火星大气在风机等设备的作用下，流经冷凝器11的第二通路，用于冷凝解吸再生的水汽。
48.(2)吸附流程：打开低温截止阀2，启动低温风机4将火星大气抽入火星大气管路1中，经过滤器2去除灰尘等杂质，，随后经过低温风机4进入转轮吸附器5的转轮吸附通道6，火星大气中的二氧化碳和水汽组分被转轮吸附器5中的吸附剂吸附，剩余火星大气直接排空，吸附饱和的转轮会由转轮吸附通道6转动至转轮解吸通道7；
49.(3)解析再生流程：打开压缩机13，通过环路热管18将sabatier反应器17中的反应热传导至转轮解吸通道7中吸附饱和的转轮上，使转轮吸收环路热管18提供的热量进行解吸再生，含有二氧化碳和水汽的再生气进入密封罩8中使罩内压力持续上升，当达到定压阀10的压力设定值后，定压阀10开启使密封罩8内的再生气进入再生气管路9；在再生气管路9中，再生气首先进入冷凝器11的第一通路并吸收第二通路中持续流经的火星大气冷量后使水汽液化，再进入集水器12中过滤去除液态水，剩余的高纯二氧化碳则通过压缩机13进一步增压后进入混合器14，与氢气混合形成混合气。
50.(4)sabatier反应流程：来自混合器14的混合气进入混合气管路15后，首先由电加热器16加热到sabatier反应的启动温度，随后进入sabatier反应器17前半部分，在内部填充的sabatier反应催化剂作用下进行sabatier反应，随后继续流经sabatier反应器17后半部分继续反应，而反应热被环路热管18吸收并传导至转轮解吸通道7中用于转轮解吸通道7的解吸再生，从而降低sabatier反应器17后半部分温度并提高反应的转化率，最终由sabatier反应器17输出sabatier反应产品气。
51.在上述sabatier反应流程中，由于sabatier反应器17前半部分的温度较高，所以前半部分中sabatier反应具有较高的反应速率，随后继续流经sabatier反应器17后半部分，反应热被环路热管18的环路热管蒸发段19吸收并用于转轮解吸通道7的再生，因此sabatier反应器17后半部分温度会显著降低，所以此处的sabatier反应具有较高的转化率，由此兼顾了sabatier反应的反应速率和转化率，同时也利用了反应废热，节省了对转轮解析时的电力消耗。
52.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。