生态城市能源转换、废水治理及碳中和体系的制氢装备的制作方法

本发明涉及一种生态城市能源转换、废水治理及碳中和体系的制氢装备、一种集能源转换、废水治理及碳中和的建筑级生态系统以及一种废水净化耦合电解制氢系统。

背景技术：

1、生态城市建设主要涉及到可再生能源体系建设和环境治理两大板块。针对可再生能源体系建设，绿电和氢能是目前主要的两种可再生能源。绿电主要是利用太阳能、风力、生物质能、地热等经过二氧化碳排放量为零或趋近于零的生产过程所生产的电力。氢能被誉为“21世纪终极能源”，电解水制氢是目前氢能的主要生产手段之一。针对环境治理，废水和烟气是主要治理对象。

2、烟气中往往含有大量燃烧产生的二氧化碳，对烟气中的二氧化碳进行捕集和利用是碳减排的重要方面。碳捕集利用与封存(ccus)技术是碳减排最有效、最直接的手段，近年来，ccus技术虽取得长足进步。用电解水制氢产生的氢气与ccus技术捕集的二氧化碳合成甲醛/甲醇的技术已经成熟。

3、废水的治理方法主要包括生物法、电化学反应(电解)法、膜处理法，离子交换法、蒸发结晶法。生物法是通过微生物的代谢作用对废水中的盐分和有机物进行氧化、分解、吸附从而去除污染物。电解法是通过电解来去除水中盐分。膜处理法则利用膜对废水中各组分的选择透过性能差异来分离、提纯和浓缩目标物质。离子交换法是通过含盐废水中的阴阳离子与离子交换树脂所固定的阴阳离子发生交换反应，从而达到脱除原水中盐类的方法。蒸发结晶法是利用蒸发原理，将水分蒸发，提高废水盐浓度从而使盐分析出的方法。

4、目前可用于上述电解法的电化学反应器主要有电催化氧化(electro-catalyticoxidation，eo)反应器和电絮凝(electro-coagulation,ec)反应器。它们的基本结构是类似的，即都包含电解装置和直流电源，电解装置的阳极和阴极分别与直流电源的正负极相连。两者主要区别为电极材料的差异。

5、电催化氧化(electro-catalytic oxidation，eo)是利用阳极(通常采用钛基金属氧化物涂层电极)的氧化作用，和/或利用电场作用产生自由基，促使污染物氧化分解，由此实现废水处理。可细分为直接氧化法和间接氧化法。直接氧化法是将阳极表面污染物直接氧化达到去除污染的目的。间接氧化法是通过电场对分水子进行分解使之产生羟基自由基等氧化剂，氧化与废水中的污染物进行反应以去除污染。

6、电絮凝(electro-coagulation,ec)是通过将阳极(通常采用铝电极或铁电极)中的金属离子溶于废水中，经水解反应生成金属氢氧化物，金属氢氧化物作为絮凝剂对废水中的悬浮物及胶体起凝聚作用，从而实现去除污染的目的。同时，阴极的氢离子得到电子后被还原为氢气，以微细气泡方式溢出，通过气浮作用使废水中的絮状物及油类物质浮至水面。

7、目前，电催化氧化技术和电絮凝技术功能都较为单一，未实现对氢气的回收利用。而随着氢源产业的发展，对于氢气的需求却在不断扩大。

技术实现思路

1、本发明目的在于在于提供一种生态城市能源转换、废水治理及碳中和体系的制氢装备，以便在将废水治理与电解水制氢结合的基础上构建新型生态城市能源转换、废水治理及碳中和体系。

2、为此，本发明第一个方面提供了一种生态城市能源转换、废水治理及碳中和体系的制氢装备，所述生态城市能源转换、废水治理及碳中和体系构建有：

3、绿电生产体系，所述绿电生产体系建立有绿电生产运行大数据系统以及由所述绿电生产运行大数据系统涵盖的绿电生产工厂；

4、废水净化体系，所述废水净化体系建立有废水处理工厂，所述废水处理工厂用于对废水进行废水净化处理；

5、电解水制氢体系，所述电解水制氢体系建立有电解水制氢运行大数据系统以及由所述电解水制氢运行大数据系统涵盖的电解制氢工厂；

6、二氧化碳捕集体系，所述二氧化碳捕集体系建立有二氧化碳捕集运行大数据系统以及由所述二氧化碳捕集运行大数据系统涵盖的二氧化碳碳捕集工厂；

7、碳氢合成燃料生产体系，所述碳氢合成燃料生产体系建立有碳氢合成燃料运行大数据系统以及由所述碳氢合成燃料运行大数据系统涵盖的碳氢合成燃料生产工厂；

8、所述绿电生产体系与所述电解水制氢体系之间建立有绿电输送网络，所述电解水制氢体系与所述碳氢合成燃料生产体系之间建立有氢气输送网络，所述二氧化碳捕集体系与所述碳氢合成燃料生产体系之间建立有碳源输送网络；

9、其采用了一种废水净化耦合电解制氢系统，所述废水净化耦合电解制氢系统使用所述绿电输送网络提供的绿电对废水进行电催化氧化及电解水制氢，所述废水净化耦合电解制氢系统包括：

10、第一待电解水制备装置，所述第一待电解水制备装置的输入端与对应废水处理工厂中的引水点相连且输出端与第一电解制氢装置相连，用于将该废水处理工厂中经过预净化处理后的废水调整为第一待电解水；

11、第一电解制氢装置，所述第一电解制氢装置用于对所述第一待电解水进行电催化氧化耦合制氢，并输出已电催化氧化净化废水；

12、第二待电解水制备装置，所述第二待电解水制备装置的输入端与所述第一电解制氢装置相连且输出端与第二电解制氢装置相连，用于将所述已电催化氧化净化废水调整为第二待电解水；

13、第二电解制氢装置，所述第二电解制氢装置用于对所述第二待电解水进行碱性电解水制氢或pem电解水制氢。

14、根据本发明实施例，所述第一电解制氢装置可以包含：第一电催化氧化耦合制氢装置，所述第一电催化氧化耦合制氢装置用于对所述第一待电解水进行第一电催化氧化耦合制氢并输出第一已电催化氧化净化废水，所述第一电催化氧化耦合制氢的阳极电化学反应主要用于去除水中有机物和氨氮；第二电催化氧化耦合制氢装置，所述第二电催化氧化耦合制氢装置用于对所述第一已电催化氧化净化废水进行第二电催化氧化耦合制氢并输出第二已电催化氧化净化废水，所述第二电催化氧化耦合制氢的阳极电化学反应主要用于除盐；其中，所述第二已电催化氧化净化废水作为所述第一电解制氢装置输出的已电催化氧化净化废水。

15、根据本发明实施例，所述第一电解制氢装置可以包含：第一已电催化氧化净化废水调整装置，所述第一已电催化氧化净化废水调整装置的输入端与所述第一电催化氧化耦合制氢装置相连且输出端与所述第二电催化氧化耦合制氢装置相连，用于将所述第一电催化氧化耦合制氢装置输出的第一已电催化氧化净化废水调整为符合所述第二电催化氧化耦合制氢装置进水要求的第一已电催化氧化净化废水。

16、根据本发明实施例，所述第一电解制氢装置或所述第一电催化氧化耦合制氢装置的进水要求为：ph值为5-9，化学需氧量(codcr)≤3500mg/l，五日生化需氧量(bod5)≤200mg/l，氨氮≤1000mg/l，悬浮物≤10mg/l。

17、根据本发明实施例，所述第二电解制氢装置可以包含：独立的多个第二电解制氢模块，所述第二待电解水制备装置包含能够分别对多个第二电解制氢模块中各第二电解制氢模块提供第二待电解水的水储存装置；当所述绿电生产体系通过所述绿电输送网络提供给所述废水净化耦合电解制氢系统的绿电电力处于波峰阶段时，所述第一电解制氢装置以及所述多个第二电解制氢模块中各第二电解制氢模块全部运行；当所述绿电生产体系通过所述绿电输送网络提供给所述废水净化耦合电解制氢系统的绿电电力处于波谷阶段时，所第一电解制氢装置停止运行，所述多个第二电解制氢模块中根据绿电电力供应情况全部或部分运行。

18、根据本发明实施例，所述第一电解制氢装置为100kw级电解制氢装置或mw级电解制氢装置，所述多个第二电解制氢模块中各第二电解制氢模块的功率比所述第一电解制氢装置低一个数量级且分别采用10kw级电解槽或100kw级电解槽。

19、根据本发明实施例，所述第一待电解水制备装置和/或所述第二待电解水制备装置分别构成可移动撬装结构；所述可移动撬装结构中设置有水处理模块配置区、水储存模块配置区和水泵送模块配置区，所述水处理模块配置区中配置安装有选自多种不同的水处理模块中的全部或部分水处理模块，水储存模块配置区配置安装有与安装在所述水处理模块配置区中的各水处理模块一一对应相连的输入侧水储存装置和输出侧水储存装置，所述水泵送模块配置区配置安装有与安装在所述水处理模块配置区中的各水处理模块一一对应的水泵送模块，各水泵送模块用于驱动与对应水处理模块相连的输入侧水储存装置中的水通过该对应水处理模块后进入与该对应水处理模块相连的输出侧水储存装置。

20、根据本发明实施例，所述第二待电解水制备装置包含前后依次设置的梯级反渗透膜过滤装置、连续电解除盐装置以及采用抛光树脂的离子交换除盐设备。

21、根据本发明实施例，所述梯级反渗透膜过滤装置包含前后依次设置的高压反渗透式膜过滤装置和低压反渗透式膜过滤装置，所述高压反渗透膜过滤装置的清水出口与所述低压反渗透式膜过滤装置的进水口相连，所述低压反渗透式膜过滤装置的清水出口与所述连续电解除盐装置的进水口相连，所述低压反渗透式膜过滤装置的浓水出口与所述第二待电解水制备装置的进水口相连。

22、根据本发明实施例，所述低压反渗透膜过滤装置采用卷式反渗透膜过滤装置，所述高压反渗透式膜过滤装置采用碟管式反渗透式膜过滤装置。

23、上述第一个方面的生态城市能源转换、废水治理及碳中和体系的制氢装备，采用了一种废水净化耦合电解制氢系统，所述废水净化耦合电解制氢系统使用所述绿电输送网络提供的绿电对废水进行电催化氧化及电解水制氢，所述废水净化耦合电解制氢系统包括：第一待电解水制备装置、第一电解制氢装置、第二待电解水制备装置和第二电解制氢装置。

24、其中，第一待电解水制备装置可将对应废水处理工厂中经过预净化处理后的废水调整为第一待电解水后输入第一电解制氢装置，所述第一电解制氢装置可对所述第一待电解水进行电催化氧化耦合制氢(即既能够对第一待电解水进行电催化氧化处理，同时又能够产生氢气)，所述第二待电解水制备装置可将所述已电催化氧化净化废水调整为第二待电解水，所述第二电解制氢装置用于对所述第二待电解水进行碱性电解水制氢或pem电解水制氢。

25、由于进入第一待电解水制备装置的原料为对应废水处理工厂中经过预净化处理后的废水，因此，第一待电解水制备装置不再需要进行复杂、庞大的废水预处理。

26、由于第一电解制氢装置能够对第一待电解水进行电催化氧化处理，电催化氧化处理能够有效去除水中的污染物(如有机物、盐分)，因此，有助于在简化第二待电解水制备装置的结构和功能的情况下使第二待电解水达到碱性电解水制氢、pem电解水制氢或盐水电解制氢的水质要求。

27、此外，通过第一电解制氢装置和第二电解制氢装置共同制氢，提高了制氢产量。

28、上述生态城市能源转换、废水治理及碳中和体系的制氢装备，具体应用于一种新型的生态城市能源转换、废水治理及碳中和体系，实现了能源转换(绿电最终转换为燃料)、废水治理及碳中和有机结合。

29、本发明的另一目的在于提供集能源转换、废水治理及碳中和的建筑级生态系统，能够将上述生态城市能源转换、废水治理及碳中和体系的构建思路应用于建筑物场景中，从而使该建筑物成为一种小型生态系统。

30、为此，本发明第二个方面，提供了一种集能源转换、废水治理及碳中和的建筑级生态系统，包括：

31、废水净化耦合电解制氢系统，所述废水净化耦合电解制氢系统使用绿电对建筑物内部生产生活废水进行电催化氧化及电解水制氢；

32、碳氢合成燃料生产系统，所述碳氢合成燃料生产系统用于将所述废水净化耦合电解制氢系统产生的氢气与二氧化碳反应合成燃料；

33、所述废水净化耦合电解制氢系统具体包括：

34、第一待电解水制备装置，所述第一待电解水制备装置的输入端与对应废水引水点相连且输出端与第一电解制氢装置相连，用于将所述生产生活废水调整为第一待电解水；

35、第一电解制氢装置，所述第一电解制氢装置用于对所述第一待电解水进行电催化氧化耦合制氢，并输出已电催化氧化净化废水；

36、第二待电解水制备装置，所述第二待电解水制备装置的输入端与所述第一电解制氢装置相连且输出端与第二电解制氢装置相连，用于将所述已电催化氧化净化废水调整为第二待电解水；

37、第二电解制氢装置，所述第二电解制氢装置用于对所述第二待电解水进行碱性电解水制氢或pem电解水制氢。

38、根据本发明实施例，还包括绿电生产系统，所述绿电生产系统用于向所述废水净化耦合电解制氢系统提供用于电催化氧化及电解水制氢的绿电。

39、根据本发明实施例，所述绿电生产系统包含光伏发电装置。所述光伏发电装置包含屋顶光伏组件和/或薄膜光伏组件。

40、根据本发明实施例，所述第二电解制氢装置包含独立的多个第二电解制氢模块，所述第二待电解水制备装置包含能够分别对多个第二电解制氢模块中各第二电解制氢模块提供第二待电解水的水储存装置；并且，所述第一电解制氢装置和所述多个第二电解制氢模块中各第二电解制氢模块能够独立地控制，从而使得：当所述绿电生产系统提供给所述废水净化耦合电解制氢系统的绿电电力处于波峰阶段时，所述第一待电解水制备装置以及所述多个第二电解制氢模块中各第二电解制氢模块全部运行；当所述绿电生产系统提供给所述废水净化耦合电解制氢系统的绿电电力处于波谷阶段时，所述第一待电解水制备装置停止运行，所述多个第二电解制氢模块中根据绿电电力供应情况全部或部分运行。

41、根据本发明实施例，还包括供氧系统，所述供氧系统用于将所述废水净化耦合电解制氢系统产生的氧气进行回收储存并提供给建筑物内部使用。

42、根据本发明实施例，所述建筑物为游泳馆建筑，所述生产生活废水为游泳池水。

43、根据本发明实施例，还包括供热系统，所述供热系统包含锅炉和与该锅炉连接的室内供热设施，所述锅炉使用所述燃料燃烧产生热量并提供给所述室内供热设施。

44、根据本发明实施例，所述碳氢合成燃料生产系统采用甲烷/甲醇合成装置。

45、根据本发明实施例，所述第二待电解水制备装置包含前后依次设置的梯级反渗透膜过滤装置、连续电解除盐装置以及采用抛光树脂的离子交换除盐设备；所述梯级反渗透膜过滤装置包含前后依次设置的高压反渗透式膜过滤装置和低压反渗透式膜过滤装置，所述高压反渗透膜过滤装置的清水出口与所述低压反渗透式膜过滤装置的进水口相连，所述低压反渗透式膜过滤装置的清水出口与所述连续电解除盐装置的进水口相连，所述低压反渗透式膜过滤装置的浓水出口与所述第二待电解水制备装置的进水口相连。

46、根据本发明实施例，所述第一待电解水制备装置和/或所述第二待电解水制备装置分别构成可移动撬装结构；所述可移动撬装结构中设置有水处理模块配置区、水储存模块配置区和水泵送模块配置区，所述水处理模块配置区中配置安装有选自多种不同的水处理模块中的全部或部分水处理模块，水储存模块配置区配置安装有与安装在所述水处理模块配置区中的各水处理模块一一对应相连的输入侧水储存装置和输出侧水储存装置，所述水泵送模块配置区配置安装有与安装在所述水处理模块配置区中的各水处理模块一一对应的水泵送模块，各水泵送模块用于驱动与对应水处理模块相连的输入侧水储存装置中的水通过该对应水处理模块后进入与该对应水处理模块相连的输出侧水储存装置。

47、上述第二个方面的集能源转换、废水治理及碳中和的建筑级生态系统，可发掘商场、医院、超市、办公楼宇、游泳馆等中大型建筑物内部生产生活废水的制氢潜力，生产的燃料可以用于建筑物内部使用。

48、本发明又一目的在于，提供了一种应用于上述生态城市能源转换、废水治理及碳中和体系的制氢装备以及集能源转换、废水治理及碳中和的建筑级生态系统中的水净化耦合电解制氢系统。

49、为此，本发明第三个方面，提供了一种废水净化耦合电解制氢系统，包括：

50、第一待电解水制备装置，所述第一待电解水制备装置的输入端与废水取水点相连且输出端与第一电解制氢装置相连，用于将废水取水点取得的废水调整为第一待电解水；

51、第一电解制氢装置，所述第一电解制氢装置用于对所述第一待电解水进行电催化氧化耦合制氢，并输出已电催化氧化净化废水；

52、第二待电解水制备装置，所述第二待电解水制备装置的输入端与所述第一电解制氢装置相连且输出端与第二电解制氢装置相连，用于将所述已电催化氧化净化废水调整为第二待电解水；

53、第二电解制氢装置，所述第二电解制氢装置用于对所述第二待电解水进行碱性电解水制氢、pem电解水制氢或盐水电解制氢。

54、根据本发明实施例，所述第一电解制氢装置包含：第一电催化氧化耦合制氢装置，所述第一电催化氧化耦合制氢装置用于对所述第一待电解水进行第一电催化氧化耦合制氢并输出第一已电催化氧化净化废水，所述第一电催化氧化耦合制氢的阳极电化学反应主要用于去除水中有机物和氨氮；第二电催化氧化耦合制氢装置，所述第二电催化氧化耦合制氢装置用于对所述第一已电催化氧化净化废水进行第二电催化氧化耦合制氢并输出第二已电催化氧化净化废水，所述第二电催化氧化耦合制氢的阳极电化学反应主要用于除盐；其中，所述第二已电催化氧化净化废水作为所述第一电解制氢装置输出的已电催化氧化净化废水。

55、根据本发明实施例，所述第一电解制氢装置还包含：第一已电催化氧化净化水调整装置，所述第一已电催化氧化净化水调整装置的输入端与所述第一电催化氧化耦合制氢装置相连且输出端与所述第二电催化氧化耦合制氢装置相连，用于将所述第一电催化氧化耦合制氢装置输出的第一已电催化氧化净化废水调整为符合所述第二电催化氧化耦合制氢装置进水要求的第一已电催化氧化净化废水。

56、根据本发明实施例，所述第一电解制氢装置或所述第一电催化氧化耦合制氢装置的进水要求为：ph值为5-9，化学需氧量(codcr)≤3500mg/l，五日生化需氧量(bod5)≤200mg/l，氨氮≤1000mg/l，悬浮物≤10mg/l。

57、根据本发明实施例，所述第二电解制氢装置包含独立的多个第二电解制氢模块，所述第二待电解水制备装置包含能够分别对多个第二电解制氢模块中各第二电解制氢模块提供第二待电解水的水储存装置。

58、根据本发明实施例，所述第一电解制氢装置为100kw级电解制氢装置或mw级电解制氢装置，所述多个第二电解制氢模块中各第二电解制氢模块的功率比所述第一电解制氢装置低一个数量级且分别采用10kw级电解槽或100kw级电解槽。

59、根据本发明实施例，所述第一待电解水制备装置和/或所述第二待电解水制备装置分别构成可移动撬装结构；所述可移动撬装结构中设置有水处理模块配置区、水储存模块配置区和水泵送模块配置区，所述水处理模块配置区中配置安装有选自多种不同的水处理模块中的全部或部分水处理模块，水储存模块配置区配置安装有与安装在所述水处理模块配置区中的各水处理模块一一对应相连的输入侧水储存装置和输出侧水储存装置，所述水泵送模块配置区配置安装有与安装在所述水处理模块配置区中的各水处理模块一一对应的水泵送模块，各水泵送模块用于驱动与对应水处理模块相连的输入侧水储存装置中的水通过该对应水处理模块后进入与该对应水处理模块相连的输出侧水储存装置。

60、根据本发明实施例，所述第二待电解水制备装置包含前后依次设置的梯级反渗透膜过滤装置、连续电解除盐装置以及采用抛光树脂的离子交换除盐设备。

61、根据本发明实施例，所述第二待电解水制备装置包含前后依次设置的梯级反渗透膜过滤装置、连续电解除盐装置以及采用抛光树脂的离子交换除盐设备；所述梯级反渗透膜过滤装置包含前后依次设置的高压反渗透式膜过滤装置和低压反渗透式膜过滤装置，所述高压反渗透膜过滤装置与所述低压反渗透式膜过滤装置的进水口相连，所述低压反渗透式膜过滤装置的清水出口与所述连续电解除盐装置的进水口相连，所述低压反渗透式膜过滤装置的浓水出口与所述第二待电解水制备装置的进水口相连。

62、根据本发明实施例，所述低压反渗透膜过滤装置采用卷式反渗透膜过滤装置，所述高压反渗透式膜过滤装置采用碟管式反渗透式膜过滤装置。

63、下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明的附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过实践了解到。