本發(fā)明屬于催化反應(yīng)和系統(tǒng)集成領(lǐng)域，具體涉及一種密閉空間內(nèi)CO2富集及甲烷化工藝與反應(yīng)器。技術(shù)背景宇宙飛船、太空艙、潛水艇、防空洞、高精技術(shù)車間等封閉體系中，CO2氣體中濃度的不斷積累增加會(huì)導(dǎo)致體系空氣質(zhì)量的下降，對(duì)人體健康和生命都會(huì)產(chǎn)生一定的危害。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)感到惡心不適；當(dāng)達(dá)到1%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)，人的呼吸只能維持30min；當(dāng)達(dá)到10%以上時(shí)，會(huì)使人失去知覺(jué)甚至死亡；因此，降低封閉體系中CO2的含量對(duì)于維持生命保障體系的正常運(yùn)行具有十分重要的意義。為此，包括美國(guó)、前蘇聯(lián)和俄羅斯對(duì)于太空乘員艙內(nèi)的CO2含量都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。然而，如何才能有效控制密閉空間內(nèi)由于人的形成代謝導(dǎo)致的CO2積累，保障生命財(cái)產(chǎn)安全就顯得尤為重要。盡管，CO2富集分離目前已經(jīng)具有成熟的技術(shù)，但是，針對(duì)空間站、潛艇等密閉空間內(nèi)的CO2量相對(duì)比較少。因?yàn)椋咳嗣刻旌粑a(chǎn)生的CO2的量為0.7-1.0kg；而人類每天需要消耗的氧氣為0.83kg。為此，工業(yè)規(guī)模的CO2富集分離方法針對(duì)工況存在較大的局限性。在該領(lǐng)域要求系統(tǒng)滿足體積、重量、功耗與消耗物質(zhì)最小化以及運(yùn)行的安全性、長(zhǎng)壽命、高可靠性等要求。盡管，俄羅斯和美國(guó)都各自開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的基于薩博提爾（Sabatier）反應(yīng)的CO2甲烷脫除系統(tǒng)（航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2011，24（5）：384-390；）浙江大學(xué)也提出了一套空間站CO2富集轉(zhuǎn)化的概念流程(JournalofZhejiangUniversityScienceA,2009,10(11):1642-1650;)。但是這些方案未能將二氧化碳富集過(guò)程和甲烷化過(guò)程高效耦合起來(lái)，這樣勢(shì)必降低了整個(gè)系統(tǒng)的能耗，從而增加了系統(tǒng)體積、重量和功耗。而體積、重量、功耗是考核航天產(chǎn)品最重要的指標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種密閉空間內(nèi)CO2富集及甲烷化工藝與反應(yīng)器，該工藝主要解決空間站與水下航行器載人艙以及防空洞內(nèi)CO2累積問(wèn)題，為密閉空間提供生存所需氧氣；該反應(yīng)器是集CO2富集和Sabatier反應(yīng)于一體的設(shè)備，極大程度上降低了航行器的環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)（EnvironmentalControlandLifeSupportSystem,ECLSS）的體積、重量和功耗。本發(fā)明提供了一種密閉空間內(nèi)CO2富集及甲烷化工藝，可以周期性自動(dòng)進(jìn)行CO2富集；當(dāng)富集的CO2達(dá)到密閉空間最大允許濃度時(shí)，通過(guò)CO2和H2發(fā)生甲烷化反應(yīng)將CO2轉(zhuǎn)化為CH4；甲烷化反應(yīng)過(guò)程中生成的水用于電解為甲烷化反應(yīng)提供H2和為密閉空間提供氧氣；當(dāng)富集的CO2完全轉(zhuǎn)化后，再周期性進(jìn)行CO2富集和CO2甲烷化。本發(fā)明提供的CO2富集及甲烷化工藝，載人艙內(nèi)的含CO2氣體被吸入CO2富集和甲烷化反應(yīng)器內(nèi)；首先，CO2在吸附劑或吸收液中進(jìn)行富集，當(dāng)吸附或吸收達(dá)到飽和后；系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)電加熱器，同時(shí)通入H2在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行閉路循環(huán)，預(yù)熱的氣體逐漸將吸附劑或吸收液床層加熱，解離脫附的CO2和H2經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入到甲烷化反應(yīng)床層進(jìn)行甲烷化反應(yīng)；檢測(cè)系統(tǒng)壓力和系統(tǒng)內(nèi)的氣體組成，調(diào)節(jié)H2供入量，當(dāng)CO2的轉(zhuǎn)化率及甲烷濃度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，氣體排出系統(tǒng)；甲烷化反應(yīng)出口氣體經(jīng)過(guò)冷卻，將過(guò)飽和水冷凝；冷凝水供給電解水過(guò)程，產(chǎn)生的氫氣供給甲烷化反應(yīng)過(guò)程，生成的氧氣供給乘員艙；電解水用電可以來(lái)自于電池或太陽(yáng)能。本發(fā)明還提供了一種密閉空間內(nèi)CO2富集及甲烷化反應(yīng)器，CO2富集過(guò)程和甲烷化反應(yīng)集成在同一反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)器由包括換熱腔、CO2富集腔、電加熱啟動(dòng)腔、甲烷化反應(yīng)腔等多層腔構(gòu)成；需要凈化的氣體連續(xù)經(jīng)過(guò)換熱腔、CO2富集腔、電加熱啟動(dòng)腔以及甲烷化反應(yīng)腔，通過(guò)不同腔之間的交替換熱實(shí)現(xiàn)原料氣預(yù)熱、產(chǎn)品氣冷卻以及CO2富集與解離。本發(fā)明提供的密閉空間內(nèi)CO2富集及甲烷化工藝，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)富集及甲烷化工藝出口CO2濃度、H2濃度以及系統(tǒng)壓力，周期性自動(dòng)進(jìn)行CO2富集和甲烷化工藝過(guò)程。本發(fā)明提供的密閉空間內(nèi)CO2富集及甲烷化工藝，可以通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)氣量和氫氣的供入量來(lái)控制系統(tǒng)溫度和CO2的解離速率。本發(fā)明提供的密閉空間內(nèi)CO2富集及甲烷化工藝，CO2甲烷化反應(yīng)產(chǎn)生的水用于提供甲烷化反應(yīng)所需氫氣和生存所需氧氣。本發(fā)明提供的密閉空間內(nèi)CO2富集及甲烷化工藝，所述的氫氣和氧氣是通過(guò)電解水產(chǎn)生。本發(fā)明提供的密閉空間內(nèi)CO2富集及甲烷化反應(yīng)器，所述的甲烷化反應(yīng)腔內(nèi)填充顆粒、整體結(jié)構(gòu)或壁載甲烷化催化劑。本發(fā)明提供的密閉空間內(nèi)CO2富集及甲烷化反應(yīng)器，所述的甲烷化催化劑的活性組分為Ru、Pt、Rh、Pd、Ni中的一種或幾種，載體為Al2O3、CeO2、ZrO2、SiO2、TiO2、SnO2金屬氧化物中的一種或幾種。本發(fā)明提供的密閉空間內(nèi)CO2富集及甲烷化反應(yīng)器，所述的CO2富集腔內(nèi)填充的為分子篩、固體氨吸附劑（SAWD）或其他具有CO2選擇吸附的材料；也可以是封裝有乙醇胺（MEA）、聚乙二醇二甲醚（NHD）、離子液體等具有CO2選擇吸收性能的液體。本發(fā)明提供的密閉空間內(nèi)CO2富集及甲烷化反應(yīng)器，所述的多層腔是環(huán)形或方形結(jié)構(gòu)，腔內(nèi)為管翅或板翅結(jié)構(gòu)或是無(wú)翅片直通結(jié)構(gòu)。所述的多層腔是將CO2吸附腔和換熱腔交替布置在同一反應(yīng)器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)吸放熱過(guò)程的高效耦合。本發(fā)明提供了所述密閉空間內(nèi)CO2富集及甲烷化工藝與反應(yīng)器的應(yīng)用，該工藝與反應(yīng)器適用于水下潛水設(shè)備或太空站（艙）中的CO2的脫除。本發(fā)明提供了所述密閉空間內(nèi)CO2富集及甲烷化工藝與反應(yīng)器的應(yīng)用，所述的工藝和反應(yīng)器還可以應(yīng)用于其他低濃度氣體的高效脫除過(guò)程。本發(fā)明提供的CO2富集及甲烷化工藝，所述甲烷化啟動(dòng)通過(guò)內(nèi)置或外置二氧化碳分析儀檢測(cè)二氧化碳濃度達(dá)到設(shè)定值，自動(dòng)啟動(dòng)該系統(tǒng)。本發(fā)明提供的CO2富集及甲烷化工藝，所述CO2的解離脫附是通過(guò)電加熱或甲烷化反應(yīng)熱預(yù)熱吸附劑或吸收液實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明提供的CO2富集及甲烷化工藝，所述H2閉路循環(huán)是關(guān)閉系統(tǒng)出口閥，通過(guò)內(nèi)置循環(huán)增壓泵或壓縮機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的氣體進(jìn)行自循環(huán)。本發(fā)明提供的CO2富集及甲烷化工藝，所述的H2供入量是通過(guò)檢測(cè)工藝系統(tǒng)內(nèi)的H2、CO2和甲烷濃度以及系統(tǒng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)的。本發(fā)明提供的CO2富集及甲烷化工藝，所述的CO2甲烷化過(guò)程產(chǎn)生的水通過(guò)和原料氣或增設(shè)空冷來(lái)進(jìn)行冷卻，從而將飽和水冷凝。本發(fā)明的集CO2富集和Sabatier反應(yīng)于一體的反應(yīng)器設(shè)備，采用套筒式結(jié)構(gòu)，將CO2富集和加氫甲烷化反應(yīng)過(guò)程高效耦合在一體，交替地設(shè)置甲烷化反應(yīng)腔和CO2吸附腔，能夠?qū)⒓淄榛磻?yīng)放出的熱量即時(shí)傳遞給CO2解離脫附過(guò)程，很大程度上改善了CO2甲烷化過(guò)程平衡限制；同時(shí)，在該設(shè)備中心軸向上放置一管翅電加熱器來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)啟動(dòng)。本發(fā)明提供的CO2富集及甲烷化反應(yīng)器設(shè)備，所述的套筒式結(jié)構(gòu)，每層腔內(nèi)為翅片或無(wú)翅片直通結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：1.本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)供入的氫氣量可以有效控制甲烷化反應(yīng)的進(jìn)程，很大程度上降低甲烷化反應(yīng)平衡限制；2.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了CO2解離和甲烷化反應(yīng)的同時(shí)發(fā)生，省略了CO2收集罐，簡(jiǎn)化了工藝，降低了整個(gè)系統(tǒng)的重量和體積；3.本發(fā)明將CO2富集和甲烷化反應(yīng)耦合在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)完成，顯著簡(jiǎn)化了CO2脫除工藝，降低了能耗；4.通過(guò)CO2、H2等在線監(jiān)測(cè)儀器的設(shè)置，可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的完全自動(dòng)化操作運(yùn)行；5.冷熱流體流通通道的交替設(shè)計(jì)，能夠合理利用回收熱量，節(jié)能、環(huán)保；6.結(jié)構(gòu)緊湊、便攜，為低濃度氣體的脫除提供了一種新的思路和方法。附圖說(shuō)明圖1密閉空間內(nèi)CO2富集及甲烷化工藝；圖2套筒式CO2富集及甲烷化反應(yīng)器軸向截面圖；圖3套筒式CO2富集及甲烷化反應(yīng)器徑向截面圖；圖4板式CO2富集及甲烷化反應(yīng)器；圖例說(shuō)明：1：乘員艙；2：電解水；3:CO2富集與甲烷化反應(yīng)器；4:分水罐；5:循環(huán)壓縮機(jī)；6:氫氣流量控制閥；7:含CO2氣體流量控制；8:凈化后的氣體（不含CO2）流量控制；9:冷凝水出口閥；10：內(nèi)循環(huán)流量控制；11：溫度檢測(cè)；12：流量檢測(cè)；13：壓力檢測(cè)；14：組分檢測(cè)；15：流量調(diào)節(jié)；TI：溫度顯示；FI：流量顯示；PI：壓力顯示；AI：組分顯示；FC：流量控制；A：進(jìn)氣腔；B：出氣腔；C：一次吸附腔；D：二次甲烷化反應(yīng)腔；E:二次吸附腔；F：一次甲烷化反應(yīng)腔；G：電加熱腔。具體實(shí)施方式除非另外指出，在本發(fā)明說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中出現(xiàn)的所有數(shù)字，例如凈化氣體的進(jìn)、出口溫度范圍，表示氣體組分構(gòu)成的體積百分比等數(shù)值均不應(yīng)該被理解為絕對(duì)精確值，該數(shù)值是在本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員所理解的、公知技術(shù)所允許的誤差范圍內(nèi)。在本發(fā)明說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中出現(xiàn)的精確的數(shù)值應(yīng)該被理解為構(gòu)成本發(fā)明的部分實(shí)施例。盡管在本發(fā)明給出的實(shí)例中努力做到保證數(shù)值的精確性，但由于各種測(cè)量技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，任何測(cè)量得到的數(shù)值都不可避免地存在一定誤差。實(shí)施例1：在一乘員為5人的太空艙內(nèi)，如果乘員艙內(nèi)的空間體積為6m3,如果不進(jìn)行處理，一天內(nèi)CO2的濃度就會(huì)達(dá)到30%以上。為此，設(shè)計(jì)一臺(tái)CO2富集及甲烷化反應(yīng)器，在CO2富集及甲烷化反應(yīng)器的CO2吸附腔內(nèi)填充固體氨吸附劑（SAWD），在甲烷化反應(yīng)腔內(nèi)填充一定量的甲烷化催化劑；根據(jù)吸附和CO2甲烷化反應(yīng)的周期，設(shè)置兩臺(tái)CO2富集及甲烷化反應(yīng)器交替進(jìn)行,從而保證了乘員艙內(nèi)的CO2濃度保持在較低的水平。首先，將乘員艙內(nèi)的氣體經(jīng)閥門(mén)7鼓入CO2富集與甲烷化反應(yīng)器3中，CO2氣體在吸附腔中進(jìn)行富集，通過(guò)出口CO2濃度在線分析14檢測(cè)，當(dāng)CO2濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉閥門(mén)7和8。將氫氣經(jīng)閥門(mén)6供入到CO2富集與甲烷化反應(yīng)器3中，同時(shí)開(kāi)啟電加熱器，關(guān)閉系統(tǒng)出口閥門(mén)，并開(kāi)啟循環(huán)壓縮機(jī)，讓氫氣在系統(tǒng)內(nèi)閉路循環(huán)；隨著溫度的提高，吸附在吸附劑或吸收到溶劑中的CO2逐漸脫附，和氫氣一塊進(jìn)入甲烷化反應(yīng)腔，當(dāng)達(dá)到甲烷化反應(yīng)起活溫度時(shí)，H2便可以和CO2發(fā)生甲烷化反應(yīng)生成甲烷和水；生成的水經(jīng)分水罐4，氣液分離后返回到電解水系統(tǒng)，氧氣供入乘員艙，氫氣供系統(tǒng)進(jìn)行甲烷化反應(yīng)；甲烷化生成的甲烷排出系統(tǒng)或用作燃料。