一种利用海岸垃圾生产电解水电极并副产甲醇的系统及方法与流程

本发明涉及电解水用电极制备领域，尤其涉及一种利用海岸垃圾生产电解水电极并副产甲醇的系统及方法。

背景技术：

1、由于缺乏系统的回收机制和快速处置手段，海岸垃圾总量与日俱增，对海岸生态、海岸景观及航行安全造成了难以预估的危害。以大米草、水葫芦等为代表的生物质基垃圾是海岸垃圾的重要组成部分。目前，海岸垃圾主要通过定期清运后送往堆肥厂堆肥或送往垃圾焚烧厂进行焚烧的方式处置，其资源没有得到有效利用，产生的价值有限。

2、以生物质基废弃物为原料生产电解水电极的技术路线既能实现废弃物的高附加值应用，又能够提供廉价的电极材料来源。中国专利cn112647091a公开了一种采用猪、鸡等动物骨头为原料制备电解水电极的方法。中国专利cn110155979a公开了一种采用海洋鱼骨为原料制备钠离子电容器电极的方法。中国专利cn108010749a及cn108002360a分别公开了一种采用海带及虾蟹壳为原料制备超级电容器电极的方法。然而有关采用海岸垃圾制备电解水用电极的相关方法，以及基于此方法构建的能够实现物质及能量合理调配和梯级利用的系统还尚未有相关专利提及。

3、在电极制备过程中，需要高温环境、活化剂以及保护性气氛，这些条件往往需要外界提供，导致了能耗、碳排放及生产成本的额外增加；同时该过程将副产组分复杂的可燃气，而该气体往往未经合理收集及利用。

4、如何减少甚至摆脱电极制备系统对于外源能量及原料的依赖，实现系统本身的能量优化调配、合理利用各环节副产物、降低全系统能耗及碳排放是废弃物基电极制备工艺所需解决的关键问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种利用海岸垃圾制备电解水电极并副产甲醇的系统及方法，利用海岸及滩涂的植物性废弃物和风、光资源为系统提供能源及生产原料，同时耦合电解水制氢模块为系统提供所需氢气及氧气。整个系统的能量和中间产物能够得到合理调配和梯级利用，降低了生产能耗及成本，在实现海岸废弃物资源化的同时能够实现高附加值产品的生产。

2、本发明采用如下技术方案：一种利用植物性海岸垃圾生产电解水电极并合成甲醇的系统，该系统由电解水装置和合成反应器、电极制备系统、烟气冷凝器、余热锅炉与汽轮发电机和/或海岸风光发电系统组成，所述电解水装置的电极由植物性海岸垃圾经所述电极制备系统处理所得，所述电极制备系统与所述烟气冷凝器可直接相接，或通过所述余热锅炉与汽轮发电机再与所述烟气冷凝器相接，所述电解水装置的水来源于所述烟气冷凝器所提供的冷凝水，所述电解水装置工作所需的电能来源于所述余热锅炉与汽轮发电机和/或海岸风光发电系统，所述电极制备系统产生二氧化碳，所述电解水装置产生氢气，所述二氧化碳和氢气在所述合成反应器中合成甲醇。

3、优选的，所述电极制备系统包括曝气单元、厌氧发酵单元、高温处理单元、后处理单元，植物性海岸垃圾依次进入曝气单元、厌氧发酵单元、高温处理单元，高温处理单元产生的固态产物进入后处理单元以形成成品电极，所述成品电极可用于电解水装置。

4、优选的，所述电极制备系统中产生的发酵气体和热解气体进入燃烧炉，进行纯氧燃烧，产生的高温烟气进入高温处理单元供热并活化固态产物，换热后所得中温烟气送往所述余热锅炉与汽轮发电机进行余热发电，余热发电后得到的低温烟气送往所述烟气冷凝器。

5、优选的，烟气中二氧化碳通过所述烟气冷凝器与水分离后进入所述合成反应器。

6、优选的，所述电解水装置可以输入海水进行电解水。

7、优选的，所述电解水装置产生的氢气进入所述高温处理单元及所述合成反应器，在高温处理单元中作为保护气氛，高温处理单元产生的热解气体输送至燃烧炉时夹带的保护气氛亦可作为燃料。

8、本发明还提供一种制备电解水电极及合成甲醇的方法，其包括以下步骤为，

9、s1、曝气单元将植物性海岸垃圾进行曝气好氧预处理，生成第一固体残渣送至厌氧发酵单元；

10、s2、厌氧发酵单元对第一固体残渣进行厌氧发酵，按照干重比例1∶2～1∶2.5接种第一固体残渣和菌群总生物质，水力停留时间设置为10～14d；产生以甲烷和二氧化碳为主的发酵气体，作为燃料送至燃烧炉，产生的第二固体残渣送至高温处理单元；

11、s3、高温处理单元对步骤s2的第二固体残渣进行高温煅烧活化，形成固态产物，产生的热解气体作为燃料送至燃烧炉，产生的固态产物送往后处理单元；

12、s4、后处理单元对固态产物进行加工处理，使用0.5m硫酸和0.5m乙酸的混合溶液对电极表面进行浸泡清洁10～15min，并使用去离子水漂洗2～3次，之后置于60～80℃烘干装置中干燥，形成成品电极，用于本系统中的电解水装置；

13、s5、燃烧炉以发酵气体及热解气体为燃料进行纯氧燃烧，产生的高温烟气送至高温处理单元供热，换热后的中温烟气送至余热锅炉与汽轮发电机进行余热发电，所得电力供给电解水装置使用，余热锅炉排出的低温烟气送往烟气冷凝器，用于加热余热锅炉给水同时使烟气中的水蒸气冷凝，分离的冷凝水送往电解水装置作为电解水原料，分离的二氧化碳送往合成反应器作为合成原料；

14、s6、海岸风光发电系统利用风能与光能发电，所得电力供给电解水装置使用，电解水装置产生的氧气供给曝气单元及燃烧炉纯氧燃烧的用氧需求，氢气优先供给高温处理单元作为保护气，其余供给合成反应器作为合成原料；

15、s7、合成反应器采用热化学合成的方式将二氧化碳及氢气合成甲醇。

16、本发明的有益效果是：

17、(1)本发明自海岸垃圾中制备电解水电极并提供高纯度高含量的二氧化碳气体，可作为活化剂以及用于甲醇合成，同步实现了对海岸垃圾的处置及高附加值产品的生产，海岸垃圾既作为生产原料，亦作为一次能源用以供热供电，实现了对资源的梯级利用，具有经济和环境双重效益；

18、(2)本发明就地利用生物质能、风能及光能作为系统能量输入，使系统主体摆脱了对化石能源的依赖，降低了生产碳排放；

19、(3)本发明采用氢气作为电极高温煅烧活化环节的保护气，在实现材料改性的同时避免了氮气的使用，提高了后续纯氧燃烧环节的热效率，减少了氮氧化物的产生；采用纯二氧化碳烟气为活化剂，减少了高温煅烧活化环节对外源活化剂及能源的需求；

20、(4)本发明实现了对各环节热能、电能的合理调配及氧气、二氧化碳等副产品的“物尽其用”，提高了能量利用率及原料的原子利用率。

技术特征：

1.一种利用植物性海岸垃圾生产电解水电极并合成甲醇的系统，其特征在于：由电解水装置和合成反应器、电极制备系统、烟气冷凝器、余热锅炉与汽轮发电机和/或海岸风光发电系统组成，

2.根据权利要求1所述的利用植物性海岸垃圾生产电解水电极并合成甲醇的系统，其特征在于：所述电极制备系统包括曝气单元、厌氧发酵单元、高温处理单元、后处理单元，植物性海岸垃圾依次进入曝气单元、厌氧发酵单元、高温处理单元，高温处理单元产生的固态产物进入后处理单元以形成成品电极，所述成品电极可用于电解水装置。

3.根据权利要求2所述的利用植物性海岸垃圾生产电解水电极并合成甲醇的系统，其特征在于：所述电极制备系统中产生的发酵气体和热解气体进入燃烧炉，进行纯氧燃烧，产生的高温烟气进入高温处理单元供热并活化固态产物，换热后所得中温烟气送往所述余热锅炉与汽轮发电机进行余热发电，余热发电后得到的低温烟气送往所述烟气冷凝器。

4.根据权利要求3所述的利用植物性海岸垃圾生产电解水电极并合成甲醇的系统，其特征在于：烟气中二氧化碳通过所述烟气冷凝器与水分离后进入所述合成反应器。

5.根据权利要求3所述的利用植物性海岸垃圾生产电解水电极并合成甲醇的系统，其特征在于：所述电解水装置可以输入海水进行电解水。

6.根据权利要求5所述的利用植物性海岸垃圾生产电解水电极并合成甲醇的系统，其特征在于：所述电解水装置产生的氢气进入所述高温处理单元及所述合成反应器，在高温处理单元中作为保护气氛，高温处理单元产生的热解气体输送至燃烧炉时夹带的保护气氛亦可作为燃料。

7.基于权利要求2-6任一项所述的系统制备电解水电极及合成甲醇的方法，其特征在于：包括以下步骤为，

技术总结本发明提供一种利用海岸垃圾生产电解水电极并副产甲醇的系统及方法，由电解水装置和合成反应器、电极制备系统、烟气冷凝器、余热锅炉与汽轮发电机和/或海岸风光发电系统组成，所述电解水装置的电极由植物性海岸垃圾经所述电极制备系统处理所得。本发明就地利用生物质能、风能及光能作为系统能量输入，自海岸垃圾中制备电解水电极并提供高纯度高含量的二氧化碳气体，可作为活化剂以及用于甲醇合成，同步实现了对海岸垃圾的处置及高附加值产品甲醇的生产，系统各环节热能、电能的合理调配及氧气、二氧化碳等副产品的“物尽其用”，提高了能量利用率及原料的原子利用率。技术研发人员：孙锴,岳良辰,徐燕洁,李晴,沈金金受保护的技术使用者：西子清洁能源装备制造股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/4/29