一种煤化工废水制氢联产淡水的方法及系统

本发明涉及煤化工废水间接制氢，具体而言，尤其涉及一种煤化工废水制氢联产淡水的方法及系统。

背景技术：

1、废水处理是煤化工生产过程中必不可少的环节，它能有效地减少对环境的污染，保护生态环境。如图1所示，传统的煤化工废水处理的基本工艺流程，包括预处理、混凝沉淀、回收处理、生物处理和后处理等环节。煤化工废水处理的第一步是进行预处理，主要目的是去除废水中的固体悬浮物和油脂等杂质。混凝沉淀处理后，通过对废水中的一些化工产品的回收完成回收处理，生物处理是煤化工废水处理的核心环节，通过利用微生物对有机物进行降解，将有机物转化为无机物，从而达到净化废水的目的。生物处理通常包括以下几个步骤：1.好氧生物处理：将经过混疑沉淀的废水进入好氧生物反应器，通过通入空气或者纯氧，提供充足的氧气供给，使微生物能够进行有效的有机物降解。2.好氧池：好氧生物反应器中的微生物通过降解有机物，产生二氧化碳和水等无害物质，同时繁殖增殖。经过好氧池处理后的废水中的有机物质已经大大降低。3.厌氧生物处理：经过好氧处理后的废水进入厌氧生物反应器，由于缺氧环境，微生物将继续降解有机物，产生甲烷等气体。之后进行盐水处理单元。如图2所示的兰炭废水是煤化工废水中的最难处理的废水之一，在传统的煤化工废水处理的基础上，还要进行脱酸、脱氨、萃取等处理，尤其是在上述第一步预处理过程中，除油单元后处理的废水中含油包尘及尘包油等杂质，极易出现进入氨回收单元容易堵塞氨回收装置的问题，厂区需要在间隔一段时间后进行滤网的清洗，极大地占用了生产时间，经过上述处理的废水也仅是为了达到省级或是国家级排放标准而进行的处理，最终处理后的废水无法再利用，排入城镇废水管网或是其他场所，目前工业废水的处理方式更多的是以处理后排放为主，并未有过多关于工业废水的资源化利用，上述废水处理过程存在着高能耗、高运行成本、对环境也有一定的负面影响的缺点，此外，各种处理装置之间通过管路连接，整体占地面积大，对于厂区的利用率低。

2、氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。利用太阳能、风能等可再生能源产生的绿电，驱动电解水反应制备氢气，对解决能源短缺问题并实现“双碳”目标具有重要意义。在目前的电解水制氢技术中，碱性电解水成本较低、技术相对成熟，是产业化程度最广的制氢技术，占据着主导地位。国际可再生能源署(irena)发布的《全球制氢用水报告》显示，目前全球主流制氢方式都需要用淡水，主要集中在制氢和冷却两大过程中。每生产1千克蓝氢需要消耗约32.2升淡水，绿氢生产中，碱性电解水制氢工艺每生产1千克氢气所消耗的淡水量预计为22.3升。但全球淡水资源极其有限，电解水制氢技术的大规模推广应用，无疑会加剧淡水资源短缺问题。

技术实现思路

1、根据上述提出的技术问题，而提供一种煤化工废水制氢联产淡水的方法及系统。本发明可以实现低成本的废水处理的同时，节省传统煤化工废水处理装置的占地面积，实现氢能源及其他产物的高效生产。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种煤化工废水制氢联产淡水的系统，包括：煤化工废水导出单元、物料提取单元、氧化处理单元和电解水耦合低温蒸馏集成系统，所述电解水耦合低温蒸馏集成系统包括碱性电解槽单元、氧分离冷却单元、氢分离冷却单元、氢纯化冷却单元、碱液过滤循环单元和废水制淡水单元，所述煤化工废水导出单元用于向氧化处理单元中供给煤化工废水，所述氧化处理单元用于对煤化工废水进行氧化处理，将酚类有机物氧化为co2或者生成羧酸或羧酸盐类物质，经氧化处理单元处理后的废水进入所述电解水耦合低温蒸馏集成，所述废水制淡水单元用于对废水进行加热，蒸汽除杂质并冷凝后产生淡水；所述废水制淡水单元的输出端与碱性电解槽单元相连，所述碱性电解槽单元中的淡水在直流电的作用下分解成氢气和氧气，氢气和碱液进入氢分离冷却单元，氧气和碱液进入氧分离冷却单元；所述氢纯化冷却单元用于完成氢气的提纯，所述碱液过滤循环单元用于完成碱性电解槽单元和氢分离冷却单元、氧分离冷却单元中的碱液强制循环，所述物料提取单元设置于煤化工废水导出单元和电解水耦合低温蒸馏集成系统之间，用于对需要的工质进行提取回收。

4、进一步地，废水经氧化处理单元处理后进入到废水制淡水单元或是进入到氢分离冷却单元、氧分离冷却单元中。

5、进一步地，所述氧化处理单元连接有氧化剂投加单元，所述氧化剂投加单元中设置有氧化剂，使得氧化剂投加至氧化处理单元后，经氧化处理单元处理后的废水已被完全氧化或不完全氧化，完全氧化时，产物为预处理废水和co2，不完全氧化时，生成含有羧酸或羧酸盐类物质的预处理废水。

6、进一步地，所述碱性电解槽模块的氢气出口与氢分离冷却单元相连，碱性电解槽模块的氧气出口与氧分离冷却单元相连，碱性电解槽模块的碱液入口与废水制淡水单元相连，氧分离冷却单元通过气液分离方法进行氧气和碱液的分离，氢分离冷却单元通过气液分离方法进行氢气和碱液的分离，氢分离冷却单元的氢出口与氢纯化冷却单元相连，氧分离冷却单元的碱液出口、氢分离冷却单元碱液出口均与碱液过滤循环单元相连，用以提供待冷却高温碱液，所述废水制淡水单元的淡水出口与氢分离冷却单元相连。

7、进一步地，所述氧化处理单元的进气端与氧分离冷却单元的输出端相连，氧化处理单元输出的废水已被完全氧化或不完全氧化，完全氧化时，产物为预处理废水和co2，不完全氧化时，生成含有羧酸或羧酸盐类物质的预处理废水。

8、进一步地，所述废水制淡水单元的数量至少为1个，所述废水制淡水单元包括装置筒体、抽真空系统、冷凝器、接水板、丝网分离器，所述装置筒体上开设有抽真空系统连接口、废水进入口、产物排出口、淡水出口、碱液循环管，通过抽真空系统连接口与抽真空系统相连，通过废水进入口与煤化工废水导出单元或是氧分离冷却单元/氢分离冷却单元相连，所述产物排出口用于收集浓盐水，所述碱液循环管用于将高温碱液与废水进行换热，降低碱液温度并使得废水到达蒸发温度蒸发为水蒸气，通过冷凝器对水蒸气进行冷凝，接水板用于承接冷凝水滴，其输出端与淡水出口相连，在装置筒体内设置有丝网分离器，其用于分离水蒸气中的较大液滴和杂质，当废水制淡水单元的数量不为1个时，第一废水制淡水单元和后续的废水制淡水单元之间设置有碱性物质投加装置。此时，所述产物排出口用于收集复合碳源。

9、进一步地，所述废水制淡水单元还连接有淡水存储单元，用于存储多余的淡水。

10、进一步地，所述物料提取单元包括下述单元的至少一个：在煤化工废水导出单元和氧化处理单元之间，设置有用于提炼焦油的除油单元；在煤化工废水导出单元和电解水耦合低温蒸馏集成系统之间，设置有用于提取氨水的氨回收单元，所述氨回收单元设置于氧化处理单元的前置工序或是氧化处理单元和电解水耦合低温蒸馏集成系统之间的后置工序；在煤化工废水导出单元和电解水耦合低温蒸馏集成系统之间，设置有用于提取粗酚的脱酚单元。

11、一种煤化工废水制氢联产淡水的方法，包括如下步骤：

12、s1、基于煤化工废水处理工艺过程中待回收的工质，确认物料提取单元的数量及组成；

13、s2、基于待处理煤化工废水的基本信息，确认氧化处理单元的设置位置、采用氧气内循环的氧化处理方式或是外加氧化剂的氧化处理方式，以及针对于最终产物的具体氧化处理参数；

14、s3、将电解水耦合低温蒸馏集成系统与煤化工废水导出单元连接，开启煤化工废水制氢联产淡水，其中，

15、煤化工废水导出单元将煤化工废水输送至氧化处理单元，煤化工废水中的有机物在氧化处理单元中被完全氧化为co2和n2，通过co2排放管和n2排放将co2和n2排空；或是被氧化为羧酸或羧酸盐类物质；

16、基于预设的物料提取单元对系统中待回收的物料进行回收；

17、处理后的煤化工废水输送至废水制淡水单元进行淡水的制取、浓盐水的分离或是经过氧分离冷却单元、氢分离冷却单元后进入废水制淡水单元，废水能够在氧分离冷却单元、氢分离冷却单元中起辅助冷却作用；

18、碱性电解槽单元内的淡水在直流电的作用下分解成氢气和氧气；

19、碱性电解槽单元的氧气出口输送氧气和碱液至氧分离冷却单元内进行气液分离，采用氧气内循环的氧化处理方式时，氧气返回至氧化处理单元参与反应；

20、碱性电解槽单元的氢气出口输送氢气和碱液至氢分离冷却单元内进行气液分离，经初步提纯后的氢气和少量水进入氢纯化冷却单元进一步进行纯化至氢含量为≥99.99％，氢最终供给至用户或进行存储；

21、碱液过滤循环单元通过抽取氧分离冷却单元和氢分离冷却单元中碱液，并经废水制淡水单元冷却后，最终输送至碱性电解槽单元，完成碱液的冷却及强制循环；

22、碱液在废水制淡水单元冷却时散发的热量用以加热负压下的废水，以产生淡水，产生的淡水输送至氢分离模块，用于补充用于电解的原料淡水，同时也辅助实现氢气洗涤冷却。

23、进一步地，步骤s2中，当需要制备的最终产物为复合碳源时，通过调节氧气量调节模块控制进入氧化处理单元中氧气的含量或是通过剂量调节模块控制进入氧化处理单元中氧化剂的含量，进而使得进入电解水耦合低温蒸馏集成系统的废水中含有羧酸或羧酸盐；设置有至少两个相连的废水制淡水单元，其中两个相连的废水制淡水单元之间设置有碱性物质投加装置，用于中和第一废水制淡水单元产出的含有氨水的淡水，在第二废水制淡水单元中完成二次蒸馏后形成最终的淡水。

24、较现有技术相比，本发明具有以下优点：传统的废水处理工艺，占地面积大，工艺流程复杂，且需要生化单元的处理才可以有效解决废水中的有机物，而生物处理还需要控制反应环境，以防止微生物死亡或失去活性，系统要求的精细控制度高，本发明将有机废水经过氧化处理后直接引入电解水耦合低温蒸馏集成系统，工艺流程短，占地面积小，同时，通过设置的氧化处理单元，有效解决了传统工艺中的含油包尘及尘包油等杂质，进入氨回收单元容易堵塞氨回收装置的问题；电解水耦合低温蒸馏集成系统利用需冷却的碱液加热处于负压环境下的废水，碱液得到冷却的同时，碱液冷却时散发的热量也得到了利用，废水制淡水单元生成的淡水作为电解水原料补充给碱性电解槽单元，缓解对淡水资源的依赖，使得化工废水最终完全变为高浓度氢气、氧气、淡水以及分离出高浓度盐或是高价值的复合碳源，生成的淡水水质远优于传统的达标排放废水，实现了废水的资源化利用，此外，生成的氧气还可作为氧化处理的来源，完成系统的内循环，最终产物得到有效利用。