地外基地固體廢物和原位物質資源化集成利用系統及方法技術方案

本發明專利技術涉及一種地外基地固體廢物和原位物質資源化集成利用系統及方法，該系統包括依次連接的固廢處理與資源化裝置、原位礦物資源化裝置、氧氣與燃料提取裝置；固廢處理與資源化裝置用于將地外基地固體廢物轉化為原位礦物資源化的還原劑；原位礦物資源化裝置用于將含有金屬氧化物的地外基地礦物與所述還原劑反應，生成金屬及氣態產物水及二氧化碳；氧氣與燃料提取裝置用于將水、二氧化碳轉化為氧氣、氫氣、一氧化碳、甲烷。本發明專利技術將固體廢物與地外資源有機結合，以生產氧氣、燃料、金屬材料等基地必要物質的資源化為目標、經濟地實現基地物質自主生產與循環利用，使基地物質的供應，擺脫對地面后勤保障的依賴。

【技術實現步驟摘要】
地外基地固體廢物和原位物質資源化集成利用系統及方法
本專利技術屬于地外基地固體廢物及原位資源處理
，尤其涉及一種地外基地固體廢物和原位物質資源化集成利用系統及方法。
技術介紹
人的生存離不開氧氣、水、食物這些基本的生命保障物質，以氧氣為例，1名航天員每天平均需要0.83kg氧氣，長期、多人的空間探測任務，消耗的生保物質極為巨大。建立月球基地、登陸火星是人類共同的愿望，也是本世紀的載人航天發展的目標。這些任務的飛行距離遠遠高于以空間站為代表的近地飛行任務相比，其運行成本也大幅提升，如月球探測成本是其5倍，火星探測成本是其50倍以上。由于距離的遙遠，依賴地面補給的生保物質補給模式，無論從保障的及時性，還是營運的經濟性，都是不現實的，需要開發完全自主的原位生產模式以降低或實現零地面補給。地外基地航天員的主份生保系統是以生物技術生產的受控生態生保系統，由于它的脆弱性，還需要物理化學式的生保系統支持保障；另一方面，航天員在長期生活中將產生大量的廢物，包括人體代謝廢物，人體消耗廢物如食品殘渣、廢舊衣物、包裝袋等，4名宇航員僅1年產生的固廢超過4000kg。受控生保系統運行還產生更多的固體廢物，如植物秸稈等，受固廢垃圾不能排向地外環境的國際公約約束，它們擠占稀缺的空間資源、滋生微生物、散發臭氣、泄漏滲濾液等，威脅宇航員的健康與安全，必須進行減容化、安全穩定化以及資源化處理。而目前焚燒等地面固廢處理方法，雖然可大量、有效地實現固廢的減容與穩定化，但它同時也需要消耗大量的氧氣、能源等資源，無法滿足地外基地對物質和能量循環的要求。地外基地固廢可分為二部分，一部分是航天員所產生的生活垃圾，另一部分是受控生保系統生產過程中產生的生物質固廢，這些固體廢物的減容、無害化處理的方法與其資源化利用的目標密切相關，如用于生產水、氧氣等生保物質，以及氫氣、甲烷等火箭動力燃料，但是由于固體廢物處理過程中產生的往往是混合物，而需求物質要求的是純凈物，由混合物處理成純凈物的代價大，導致固體廢物難以資源化的利用，從而找不到地外基地固體廢物處理的合適途徑，制約了地外基地固體廢物處理技術的發展。除了生保系統需要氧氣、水外，基地能源系統以及運載動力系統也需要更多的氧氣與燃料，基地建設需要大量結構材料。而地外存在豐富的礦物資源，既是氧的資源，也是基地建設材料的資源。地外潛在的水、二氧化碳等資源，也是大規模生產能源燃料的原料。因此，如何以最低的代價解決環控生保系統中的固體廢物問題，并創造效益，如何利用地外資源，滿足能源、基地建設的需要，是亟需解決的問題。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種地外基地固體廢物和原位物質資源化集成利用系統及方法，針對基地人員生活以及受控生態生保系統生產過程中產生的大量固體廢物必須高效減容、無害化、資源化的難點，將固體廢物與地外資源有機結合，以生產氧氣、燃料、金屬材料等基地必要物質的資源化為目標、經濟地實現基地物質自主生產與循環利用，使基地物質的供應，擺脫對地面后勤保障的依賴。本專利技術提供了一種地外基地固體廢物和原位物質資源化集成利用系統，包括固廢處理與資源化裝置、原位礦物資源化裝置、氧氣與燃料提取裝置，所述固廢處理與資源化裝置與所述原位礦物資源化裝置連接，所述原位礦物資源化裝置與所述氧氣與燃料提取裝置連接；所述固廢處理與資源化裝置用于將地外基地固體廢物轉化為原位礦物資源化的還原劑；所述還原劑包括氫氣、一氧化碳、甲烷；所產生的粉塵用于改良生態系統中的土壤；所述原位礦物資源化裝置用于將含有金屬氧化物的地外基地礦物與所述還原劑反應，生成金屬及氣態產物水及二氧化碳，所述金屬以及產生的殘渣用于建筑；所述氧氣與燃料提取裝置用于將水、二氧化碳轉化為氧氣、氫氣、一氧化碳、甲烷；其中，高純度的氧氣用作生保物質或助燃料劑，氫氣、一氧化碳、甲烷用作補充的還原劑返回所述原位礦物資源化裝置，多余部分直接或進一步處理用作動力與能源系統的燃料。進一步地，所述固廢處理與資源化裝置包括第一旋風分離器、固體廢物轉化爐；所述原位礦物資源化裝置包括地外礦物還原爐、第二旋風分離器；所述氧氣與燃料提取裝置包括水電解池、熱交換器、凈化器、氧儲罐、氫儲罐；所述第一旋風分離器與所述固體廢物轉化爐連接，所述地外礦物還原爐通過所述第二旋風分離器與所述水電解池連接，所述水電解池的陰極通過所述熱交換器與所述氧儲罐連接，所述水電解池的陽極通過支路一依次連接所述凈化器及氫儲罐，通過支路二與所述地外礦物還原爐連接；所述固體廢物轉化爐用于將爐內的固體廢物和水發生轉化反應，產生的氣體與粉塵通過所述第一旋風分離器進行氣、固分離，分離的粉塵與固體廢物轉化爐中排出的殘渣混合，作為受控生態生保系統中植物土壤改良成份使用，分離的氣體作為還原劑直接進入所述地外礦物還原爐；所述地外礦物還原爐用于將還原性氣體與地外礦物在高溫下反應，將地外礦物中的氧轉換為水及二氧化碳，通過所述第二旋風分離器進行氣、固分離后，分離高溫水蒸氣及二氧化碳進入所述水電解池，分離的固體作為廢渣與地外礦物還原爐排出的廢渣一道用作建筑材料，所述地外礦物還原爐生成的金屬用作地外基地的結構材料；所述水電解池用于：在陽極產生氧氣，并通過所述熱交換器將氧氣降溫后儲存至所述氧儲罐中，用于生保系統或燃料系統；在陰極產生氫氣及一氧化碳，將氫氣及一氧化碳中的一部分作為補充的還原劑直接返回至所述地外礦物還原爐中，另一部分經所述凈化器后，氫氣儲存于所述氫儲罐中，一氧化碳返回至所述地外礦物還原爐。進一步地，所述固廢處理與資源化裝置包括第一旋風分離器、固體廢物轉化爐；所述原位礦物資源化裝置包括地外礦物還原爐、第二旋風分離器；所述氧氣與燃料提取裝置包括水電解池、熱交換器、氧儲罐、Sabatier反應器；冷凝分離器、甲烷儲罐、水箱；所述第一旋風分離器與所述固體廢物轉化爐連接，所述地外礦物還原爐通過所述第二旋風分離器與所述水電解池連接，所述水電解池的陰極通過所述熱交換器與所述氧儲罐連接，所述水電解池的陽極與所述Sabatier反應器連接；所述Sabatier反應器通過支路一與所述冷凝分離器連接，所述冷凝分離器與所述甲烷儲罐及水箱連接，所述Sabatier反應器通過支路二與所述地外礦物還原爐連接；所述固體廢物轉化爐用于將爐內的固體廢物和水發生轉化反應，產生的氣體與粉塵通過所述第一旋風分離器進行氣、固分離，分離的粉塵與固體廢物轉化爐中排出的殘渣混合，作為受控生態生保系統中植物土壤改良成份使用，分離的氣體作為還原劑直接進入所述地外礦物還原爐；所述地外礦物還原爐用于將還原性氣體與地外礦物在高溫下反應，將地外礦物中的氧轉換為水及二氧化碳，通過所述第二旋風分離器進行氣、固分離后，分離高溫水蒸氣及二氧化碳進入所述水電解池，分離的固體作為廢渣與地外礦物還原爐排出的廢渣一道用作建筑材料，所述地外礦物還原爐生成的金屬用作地外基地的結構材料；所述水電解池用于：在陽極產生氧氣，并通過所述熱交換器將氧氣降溫后儲存至所述氧儲罐中，用于生保系統或燃料系統；...

【技術保護點】
1.一種地外基地固體廢物和原位物質資源化集成利用系統，其特征在于，包括固廢處理與資源化裝置、原位礦物資源化裝置、氧氣與燃料提取裝置，所述固廢處理與資源化裝置與所述原位礦物資源化裝置連接，所述原位礦物資源化裝置與所述氧氣與燃料提取裝置連接；/n所述固廢處理與資源化裝置用于將地外基地固體廢物轉化為原位礦物資源化的還原劑；所述還原劑包括氫氣、一氧化碳、甲烷；所產生的粉塵用于改良生態系統中的土壤；/n所述原位礦物資源化裝置用于將含有金屬氧化物的地外基地礦物與所述還原劑反應，生成金屬及氣態產物水及二氧化碳，所述金屬以及產生的殘渣用于建筑；/n所述氧氣與燃料提取裝置用于將水、二氧化碳轉化為氧氣、氫氣、一氧化碳、甲烷；其中，高純度的氧氣用作生保物質或助燃料劑，氫氣、一氧化碳、甲烷用作補充的還原劑返回所述原位礦物資源化裝置，多余部分直接或進一步處理用作動力與能源系統的燃料。/n

【技術特征摘要】
1.一種地外基地固體廢物和原位物質資源化集成利用系統，其特征在于，包括固廢處理與資源化裝置、原位礦物資源化裝置、氧氣與燃料提取裝置，所述固廢處理與資源化裝置與所述原位礦物資源化裝置連接，所述原位礦物資源化裝置與所述氧氣與燃料提取裝置連接；
所述固廢處理與資源化裝置用于將地外基地固體廢物轉化為原位礦物資源化的還原劑；所述還原劑包括氫氣、一氧化碳、甲烷；所產生的粉塵用于改良生態系統中的土壤；
所述原位礦物資源化裝置用于將含有金屬氧化物的地外基地礦物與所述還原劑反應，生成金屬及氣態產物水及二氧化碳，所述金屬以及產生的殘渣用于建筑；
所述氧氣與燃料提取裝置用于將水、二氧化碳轉化為氧氣、氫氣、一氧化碳、甲烷；其中，高純度的氧氣用作生保物質或助燃料劑，氫氣、一氧化碳、甲烷用作補充的還原劑返回所述原位礦物資源化裝置，多余部分直接或進一步處理用作動力與能源系統的燃料。


2.根據權利要求1所述的地外基地固體廢物和原位物質資源化集成利用系統，其特征在于，所述固廢處理與資源化裝置包括第一旋風分離器、固體廢物轉化爐；所述原位礦物資源化裝置包括地外礦物還原爐、第二旋風分離器；所述氧氣與燃料提取裝置包括水電解池、熱交換器、凈化器、氧儲罐、氫儲罐；
所述第一旋風分離器與所述固體廢物轉化爐連接，所述地外礦物還原爐通過所述第二旋風分離器與所述水電解池連接，所述水電解池的陰極通過所述熱交換器與所述氧儲罐連接，所述水電解池的陽極通過支路一依次連接所述凈化器及氫儲罐，通過支路二與所述地外礦物還原爐連接；
所述固體廢物轉化爐用于將爐內的固體廢物和水發生轉化反應，產生的氣體與粉塵通過所述第一旋風分離器進行氣、固分離，分離的粉塵與固體廢物轉化爐中排出的殘渣混合，作為受控生態生保系統中植物土壤改良成份使用，分離的氣體作為還原劑直接進入所述地外礦物還原爐；
所述地外礦物還原爐用于將還原性氣體與地外礦物在高溫下反應，將地外礦物中的氧轉換為水及二氧化碳，通過所述第二旋風分離器進行氣、固分離后，分離高溫水蒸氣及二氧化碳進入所述水電解池，分離的固體作為廢渣與地外礦物還原爐排出的廢渣一道用作建筑材料，所述地外礦物還原爐生成的金屬用作地外基地的結構材料；
所述水電解池用于：
在陽極產生氧氣，并通過所述熱交換器將氧氣降溫后儲存至所述氧儲罐中，用于生保系統或燃料系統；
在陰極產生氫氣及一氧化碳，將氫氣及一氧化碳中的一部分作為補充的還原劑直接返回至所述地外礦物還原爐中，另一部分經所述凈化器后，氫氣儲存于所述氫儲罐中，一氧化碳返回至所述地外礦物還原爐。


3.根據權利要求1所述的地外基地固體廢物和原位物質...

【專利技術屬性】
技術研發人員：周抗寒，張良長，胡偉，劉相，王飛，
申請(專利權)人：中國人民解放軍六三九一九部隊，
類型：發明
國別省市：北京;11