一种可再生能源直接电解含尿素废水制氢的系统及方法与流程

本发明涉及新能源和水处理技术领域，具体为一种可再生能源直接电解含尿素废水制氢的系统及方法。

背景技术：

随着全球可再生能源开发利用规模不断扩大，发展可再生能源已是我国推进能源转型和应对气候变化的重要途径。近年来，风电、光伏产业迎来了突飞猛进的发展。但是，受电源波动性的限制，弃风、弃光现象十分严重。清洁能源发展不平衡的矛盾日益凸显，特别是清洁能源消纳问题突出，已严重制约电力行业健康可持续发展。在当前的形势下，迫切需要开发可再生能源大规模消纳技术，以解决日益严重的弃电问题。

可再生能源具有显著的季节性长周期波动特征，储电等途径无法实现大规模、长周期的存储及释放。常规电解水制氢技术较为成熟，但发生分解反应所需电动势较高(1.23v)，意味着必须用较高的电压才能促使反应发生。尿素可通过电化学方式氧化，在阳极获得氮气，在阴极得到氢气，标准电动势为0.37v，远低于电解水的反应电动势。由于尿素稳定，无毒且不易燃烧已经被越来越多的专家学者认为可以作为理想的氢能载体。此外，在工业尿素合成过程中，废水中的尿素极为丰富，如果不加处理将会污染地下水，直接威胁人类健康。针对上述情况，所以我们设计一种可再生能源直接电解含尿素废水制氢的系统及方法是很有必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可再生能源直接电解含尿素废水制氢的系统及方法，促进可再生能源电力的就近及时消纳，降低制氢成本，提高制氢系统对电源波动性和间歇性的耐受度，将制氢技术和水处理技术进行耦合，降低了制氢能耗的同时避免了环境污染，系统适用性广泛，稳定性较强，制备的氢气纯度高，且工艺简单，易于工业化生产。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种可再生能源直接电解含尿素废水制氢的系统，包括再生能源发电模块、电力调节模块、含尿素废水预处理模块、碱性尿素电解制氢模块、气/液分离干燥提纯模块、碱液循环系统、储氢罐和阳极产物储存模块，所述再生能源发电模块输出端与电力调节模块的输入端连接，且所述电力调节模块的输出端与碱性尿素电解制氢模块连接，所述含尿素废水预处理模块的出口连接碱性尿素电解制氢模块的电解液入口，所述碱性尿素电解制氢模块的阴极气体出口连接气/液分离干燥提纯模块的气体入口；

其中，所述气/液分离干燥提纯模块将纯化后的氢气输入储氢罐，所述气/液分离干燥提纯模块中的尿素废水经碱液循环系统回到碱性尿素电解制氢模块，所述碱性尿素电解制氢模块的阳极出口连接阳极产物储存模块；

其中，所述再生能源发电模块为风力发电、太阳能发电和水力发电中的任何一种或多种，用于供能；所述电力调节模块包括变压器和ac-dc控制器，用于电力的调节；所述含尿素废水预处理模块用于废水的过滤、调节和加碱液处理，处理后的废水经过加药泵进入碱性尿素电解制氢模块；所述碱性尿素电解制氢模块包括电解槽，电解槽为常规碱性电解槽，阳极为镍基氧化物或镍基合金氧化物，阴极为镍基合金，用于电解制氢；所述阳极产物储存模块用于固废储备。

一种可再生能源直接电解含尿素废水制氢的方法，包括如下步骤：

s1：含尿素废水通过含尿素废水预处理模块，进行预处理；

s2：将处理好的废水经过加药泵进入碱性尿素电解制氢模块，经过碱液循环系统循环2-3次；

s3：再生能源发电模块通过电力调节模块向碱性尿素电解制氢模块供电；

s4：碱性尿素电解制氢模块的阴极产生的氢气进入气/液分离干燥提纯模块进行分离、干燥和提纯；

s5：气/液分离干燥提纯模块中的含尿素废水经过碱液循环系统回到碱性尿素电解制氢模块；

s6：纯化后的氢气进入储氢罐；

s7：阳极产物将排入阳极产物储存模块。

作为本发明进一步的方案：所述s1步骤中含尿素废水预处理模块中包括过滤装置、调节装置和加碱液装置；

其中，所述过滤装置用于去除废水中杂质；

所述调节装置用于调节尿素质量浓度，使其保持在5-15％；

所述加碱液装置中所加药剂为氢氧化钾溶液，质量分数在30-40％。

作为本发明进一步的方案：所述s6步骤中纯化后的氢气纯度在99.999％以上。

作为本发明进一步的方案：所述s7步骤中阳极产物储存模块中阳极产生的co2与电解液中的oh-反应产生碳酸盐。

本发明的有益效果：再生能源发电模块通过电力调节模块向碱性尿素电解制氢模块供电，利用可再生能源直接电解制氢，可以直接促进可再生能源电力的就近及时消纳，也可以降低制氢成本，同时，减缓了可再生能源的波动性和间歇性对电网的影响，提高制氢系统对电源波动性和间歇性的耐受度；含尿素废水通过含尿素废水预处理模块，进行预处理，将处理好的废水经过加药泵进入碱性尿素电解制氢模块，经过碱液循环系统循环2-3次，碱性尿素电解制氢模块的阴极产生的氢气进入气/液分离干燥提纯模块进行分离、干燥和提纯，气/液分离干燥提纯模块中的含尿素废水经过碱液循环系统回到碱性尿素电解制氢模块，纯化后的氢气进入储氢罐，阳极产物将排入阳极产物储存模块，选用含尿素废水作为电解质进行电解制氢，相比于常规的碱性电解水制氢，电解槽所需电压更低，大大降低了制氢能耗，同时又能有效进行废水处理，减少了环境污染；本系统中含尿素废水预处理模块中包括过滤装置、调节装置和加碱液装置，过滤装置用于去除废水中杂质，调节装置用于调节尿素质量浓度，使其保持在5-15％，加碱液装置中所加药剂为氢氧化钾溶液，质量分数在30-40％，含尿素废水预处理模块可以将电解槽中的尿素保持动态平衡，使系统高效稳定的运行，制备的氢气纯度较高，可作为化工厂原料或者直接用于氢燃料设备如氢燃料电池系统，本制氢工艺简单，以实现工业化。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明系统流程图；

图中：1、再生能源发电模块；2、电力调节模块；3、含尿素废水预处理模块；4、碱性尿素电解制氢模块；5、气/液分离干燥提纯模块；6、碱液循环系统；7、储氢罐；8、阳极产物储存模块。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种可再生能源直接电解含尿素废水制氢的系统，包括再生能源发电模块1、电力调节模块2、含尿素废水预处理模块3、碱性尿素电解制氢模块4、气/液分离干燥提纯模块5、碱液循环系统6、储氢罐7和阳极产物储存模块8，再生能源发电模块1输出端与电力调节模块2的输入端连接，且电力调节模块2的输出端与碱性尿素电解制氢模块4连接，含尿素废水预处理模块3的出口连接碱性尿素电解制氢模块4的电解液入口，碱性尿素电解制氢模块4的阴极气体出口连接气/液分离干燥提纯模块5的气体入口；

其中，气/液分离干燥提纯模块5将纯化后的氢气输入储氢罐7，气/液分离干燥提纯模块5中的尿素废水经碱液循环系统6回到碱性尿素电解制氢模块4，碱性尿素电解制氢模块4的阳极出口连接阳极产物储存模块8；

其中，再生能源发电模块1为风力发电、太阳能发电和水力发电中的任何一种或多种，用于供能；电力调节模块2包括变压器和ac-dc控制器，用于电力的调节；含尿素废水预处理模块3用于废水的过滤、调节和加碱液处理，处理后的废水经过加药泵进入碱性尿素电解制氢模块4；碱性尿素电解制氢模块4包括电解槽，电解槽为常规碱性电解槽，阳极为镍基氧化物或镍基合金氧化物，阴极为镍基合金，用于电解制氢；阳极产物储存模块8用于固废储备。

一种可再生能源直接电解含尿素废水制氢的方法，包括如下步骤：

s1：含尿素废水通过含尿素废水预处理模块3，进行预处理；

其中，含尿素废水预处理模块3中包括过滤装置、调节装置和加碱液装置；过滤装置用于去除废水中杂质；调节装置用于调节尿素质量浓度，使其保持在5-15％；加碱液装置中所加药剂为氢氧化钾溶液，质量分数在30-40％；

s2：将处理好的废水经过加药泵进入碱性尿素电解制氢模块4，经过碱液循环系统6循环2-3次；

s3：再生能源发电模块1通过电力调节模块2向碱性尿素电解制氢模块4供电；

s4：碱性尿素电解制氢模块4的阴极产生的氢气进入气/液分离干燥提纯模块5进行分离、干燥和提纯；

s5：气/液分离干燥提纯模块5中的含尿素废水经过碱液循环系统6回到碱性尿素电解制氢模块4；

s6：纯化后的氢气进入储氢罐7，可作为化工厂原料或者直接用于氢燃料设备如氢燃料电池系统；

其中，纯化后的氢气纯度在99.999％以上；

s7：阳极产物将排入阳极产物储存模块8；

其中，阳极产物储存模块8中阳极产生的co2与电解液中的oh^-反应产生碳酸盐，过程中无co2排放。

本发明的工作原理：再生能源发电模块1通过电力调节模块2向碱性尿素电解制氢模块4供电，利用可再生能源直接电解制氢，可以直接促进可再生能源电力的就近及时消纳，也可以降低制氢成本，同时，减缓了可再生能源的波动性和间歇性对电网的影响，提高制氢系统对电源波动性和间歇性的耐受度；含尿素废水通过含尿素废水预处理模块3，进行预处理，将处理好的废水经过加药泵进入碱性尿素电解制氢模块4，经过碱液循环系统6循环2-3次，碱性尿素电解制氢模块4的阴极产生的氢气进入气/液分离干燥提纯模块5进行分离、干燥和提纯，气/液分离干燥提纯模块5中的含尿素废水经过碱液循环系统6回到碱性尿素电解制氢模块4，纯化后的氢气进入储氢罐7，阳极产物将排入阳极产物储存模块8，选用含尿素废水作为电解质进行电解制氢，相比于常规的碱性电解水制氢，电解槽所需电压更低，大大降低了制氢能耗，同时又能有效进行废水处理，减少了环境污染；本系统中含尿素废水预处理模块3中包括过滤装置、调节装置和加碱液装置，过滤装置用于去除废水中杂质，调节装置用于调节尿素质量浓度，使其保持在5-15％，加碱液装置中所加药剂为氢氧化钾溶液，质量分数在30-40％，含尿素废水预处理模块3可以将电解槽中的尿素保持动态平衡，使系统高效稳定的运行，制备的氢气纯度较高，可作为化工厂原料或者直接用于氢燃料设备如氢燃料电池系统，本制氢工艺简单，以实现工业化。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。