申请日2018.04.10
公开(公告)日2018.08.07
IPC分类号C25B1/04; C25B1/00; C25B9/00; C25B9/04
摘要
本发明公开了一种尿素电解用于废水处理和煤液化供氢的系统及方法，利用废水中的高含量尿素，通过电解法同时氧化降解尿素和获得高纯氢气，并将氢气供给煤液化系统，发生加氢液化反应，促进煤炭资源的清洁利用;本发明能够降低电解制氢的能耗，且采用废水中的尿素作为原料，进一步降低了电解制氢的成本，有利于绿色无害的电解制氢方式的推广;通过电解法去除废水中的尿素，反应条件温和、处理效果好，可有效避免尿素分解释放NH3造成的环境污染;实现了尿素废水处理和高效电解制氢的耦合，并将电解制得的氢气用于煤液化过程，促进了煤炭资源的清洁高效利用，具有较高的环保意义和综合效益。
权利要求书
1.一种尿素电解用于废水处理和煤液化供氢的系统，其特征在于：包括尿素补充系统、电解制氢系统、储氢系统和煤液化系统;所述尿素补充系统的尿素废水出口连接电解制氢系统的阳极补充液入口，电解制氢系统的阴极氢气出口连接储氢系统的氢气入口，储氢系统的氢气出口连接煤液化系统的氢气入口;
所述尿素补充系统包括过滤装置(A1)、废水储罐(A2)及相应流量调节阀和连接管道;尿素废水管道连接过滤装置(A1)的废水入口，过滤装置(A1)的废水出口连接废水储罐(A2)的废水入口，废水储罐(A2)的废水出口管道连接尿素补充系统的尿素废水出口;废水储罐(A2)的废水出口与电解制氢系统的阳极补充液入口间设有流量调节阀;
所述电解制氢系统(B)包括电解池(B1)、第一气水分离器(B2)、第二气水分离器(B3)以及碱液储槽、水箱、控制柜、循环泵辅助设备;电解制氢系统(B)的阳极补充液入口连接电解池(B1)的阳极入口，电解池(B1)的阳极产物出口连接第一气水分离器(B2)的入口，第一气水分离器(B2)的气体出口连接N2收集装置;第一气水分离器(B2)的液体出口连接回用水收集装置;第一气水分离器(B2)的液体出口连接电解池(B1)的阳极入口;新鲜碱液经过碱液储槽补充到电解池(B1)的电解液入口，电解池(B1)的阳极区设有一个排污口，富含K2CO3的电解液从电解池(B1)的排污口排出;新鲜水经过水箱补充到电解池(B1)的阴极入口，电解池(B1)的阴极出口连接第二气水分离器(B3)的入口，第二气水分离器(B3)的液体出口连接水箱的入口，第二气水分离器(B3)的气体出口连接电解制氢系统(B)的阴极氢气出口;
所述储氢系统包括相连接的氢气压缩机和氢气存储装置;
所述煤液化系统(D)包括依次连接的煤浆制备装置、加氢反应装置、产物分离和收集装置。
2.权利要求1所述的一种尿素电解用于废水处理和煤液化供氢的系统进行废水处理和煤液化供氢的方法，其特征在于：通过尿素电解的方法同时实现废水中尿素的氧化降解和高纯氢气的生产，并将获得的高纯氢气用于煤液化系统，实现煤炭的清洁利用;
具体包括如下步骤：
步骤1：将高含尿素废水在尿素补充系统中进行过滤预处理;
步骤2：将过滤后的高含尿素废水与KOH一起配成电解液，在电解池(B1)中通电发生如下尿素电解反应：
阴极：
6H2O+6e-→3H2+6OH- E°=-0.83V vs SHE
阳极：
CO(NH2)2+6OH-→N2+5H2O+CO2+6e- E°=-0.46V vs SHE
总反应：
CO(NH2)2+H2O→N2+3H2+CO2 E=0.37V
在电解池(B1)的阴极通过连通的第二气水分离器(B3)获得高纯氢气;在电解池(B1)的阳极获得去除尿素的气水混合物，在第一气水分离器(B2)的液体出口获得电解处理后的水，在第一气水分离器(B2)的气体出口获得电解处理后的氮气;
步骤3：将步骤2获得的高纯氢气存储在储氢系统中;
步骤4：储氢系统出口的氢气与煤浆制备装置中制备的煤浆在加氢反应装置中进行加氢液化反应，产生石脑油、航油和柴油，再通过产物分离和收集装置分别将石脑油、航油和柴油分离和收集，进而利用。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤1中，高含尿素废水来源于人或牲畜尿液或工厂废水。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤2中，电解液为碱性电解液，包含质量浓度为20-30%的KOH以及质量浓度为1-10%的尿素，根据尿素质量浓度的需要调整尿素废水的加入量。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤2中，尿素电解的电解池(B1)为常规碱性电解池，阴极材料为Pt、Ru、Rh、Ir、Ni、Co、Fe、Zn和Ti金属的一种或多种的合金，阳极材料为镍基金属或合金氧化物。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤2中，电解池(B1)的电源是风电或光伏类可再生能源发电。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤2中，电解池(B1)的温度范围是25-40℃。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤2中，在电解池(B1)的阴极获得的高纯氢气纯度在99.9%以上;在电解池(B1)的阳极获得的CO2被碱性电解液吸收，产生碳酸盐，过程中没有CO2释放;富含K2CO3的电解液从电解池(B1)的排污口排出。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤2中，在电解池(B1)的阳极同时获得去除尿素的水，作为工业回用水。
10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤3中，储氢系统的氢气压缩比和容量根据电源功率波动特点和煤液化反应规模进行调节。
说明书
尿素电解用于废水处理和煤液化供氢的系统及方法
技术领域
本发明涉及制氢和环保技术领域，特别涉及一种尿素电解用于废水处理和煤液化供氢的系统及方法。
背景技术
尿素(CO(NH2)2)是人类和动物尿液中的主要成分，也是一种重要的化工产品。尿液或工业生产过程损失的尿素富集到水中，会对环境造成严重的污染。常见的尿素处理方法包括生物质降解，化学氧化或者高温热解等等，这些方法往往需要较高的设备投资、苛刻的处理环境、昂贵的处理药剂或较长的处理周期，影响了处理过程的经济性。另外，尿素作为一种储氢介质的重要性也在逐渐被人们所关注。尿素性质稳定，不易燃烧，无毒性，常温下为固态，便于储存和运输，这使其成为一种良好的潜在储氢材料。常规的从尿素中释放氢气的方法是：先通过尿素水解反应使尿素转化为氨气，再通过高温催化裂解从氨气中获得氢气。该方法需要较为复杂的反应步骤和高温高压环境，且获得的氢气纯度不高。
氢气是一种重要的二次能源和化工原料，在许多领域发挥着重要作用，例如，在煤炭清洁利用方面，通过加氢的方式将固体状态的煤炭直接转化成更清洁的液体燃料油品，实现煤液化过程，从而实现煤炭的清洁利用。煤炭是我国主要的能源，随着环保意识的增强，每年的煤炭清洁利用需要消耗大量的氢气。在目前的氢气生产方式中，只有电解水制氢在电能来自于可再生能源发电时能够实现全周期零排放生产氢气。然而，电解水制氢的能耗较高，生产每标方氢气大约需要5度电，限制了电解制氢方式的推广。
利用电解法处理尿素给这些问题提供了解决方案。电解法通过电化学反应在阳极氧化尿素，使其分解为N2、CO2和水，从而高效去除废水中的尿素;同时在阴极发生析氢反应，产生较高纯度的氢气。电解尿素的理论电压仅为0.37V(电解水为1.23V)，使其具有较高的能效，产生的绿色氢气可以用来进行煤液化反应，实现煤的清洁利用。据了解，目前尚未有关于这种耦合方法的报道。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种尿素电解用于废水处理和煤液化供氢的系统及方法，本发明所要解决的技术问题是：通过电解法同时实现废水中尿素的氧化降解和高纯氢气的生产，并将获得的高纯氢气用于煤液化系统，实现煤炭的清洁利用;本发明能够降低电解制氢的能耗，促进清洁氢气的生产及其对煤炭资源的清洁转化，同时达到降解废水中尿素，保护环境的目的。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种尿素电解用于废水处理和煤液化供氢的系统，包括尿素补充系统、电解制氢系统、储氢系统和煤液化系统;所述尿素补充系统的尿素废水出口连接电解制氢系统的阳极补充液入口，电解制氢系统的阴极氢气出口连接储氢系统的氢气入口，储氢系统的氢气出口连接煤液化系统的氢气入口;
所述尿素补充系统包括过滤装置A1、废水储罐A2及相应流量调节阀和连接管道;尿素废水管道连接过滤装置A1的废水入口，过滤装置A1的废水出口连接废水储罐A2的废水入口，废水储罐A2的废水出口管道连接尿素补充系统的尿素废水出口;废水储罐A2的废水出口与电解制氢系统的阳极补充液入口间设有流量调节阀;
所述电解制氢系统B包括电解池B1、第一气水分离器B2、第二气水分离器B3以及碱液储槽、水箱、控制柜、循环泵辅助设备;电解制氢系统B的阳极补充液入口连接电解池B1的阳极入口，电解池B1的阳极产物出口连接第一气水分离器B2的入口，第一气水分离器B2的气体出口连接N2收集装置;第一气水分离器B2的液体出口连接回用水收集装置;第一气水分离器B2的液体出口连接电解池B1的阳极入口;新鲜碱液经过碱液储槽补充到电解池B1的电解液入口，电解池B1的阳极区设有一个排污口，富含K2CO3的电解液从电解池B1的排污口排出;新鲜水经过水箱补充到电解池B1的阴极入口，电解池B1的阴极出口连接第二气水分离器B3的入口，第二气水分离器B3的液体出口连接水箱的入口，第二气水分离器B3的气体出口连接电解制氢系统B的阴极氢气出口;
所述储氢系统包括相连接的氢气压缩机和氢气存储装置;
所述煤液化系统D包括依次连接的煤浆制备装置、加氢反应装置、产物分离和收集装置。
一种高效尿素电解用于废水处理和煤液化供氢的方法，包括如下步骤：
步骤1：将高含尿素废水在尿素补充系统中进行过滤预处理;
步骤2：将过滤后的高含尿素废水与KOH一起配成电解液，在电解池B1中通电发生如下尿素电解反应：
阴极：
6H2O+6e-→3H2+6OH- E°=-0.83V vs SHE
阳极：
CO(NH2)2+6OH-→N2+5H2O+CO2+6e- E°=-0.46V vs SHE
总反应：
CO(NH2)2+H2O→N2+3H2+CO2 E=0.37V
在电解池B1的阴极通过连通的第二气水分离器B3获得高纯氢气;在电解池B1的阳极获得去除尿素的气水混合物，在第一气水分离器B2的液体出口获得电解处理后的水，在第一气水分离器B2的气体出口获得电解处理后的氮气;
步骤3：将步骤2获得的高纯氢气存储在储氢系统中;
步骤4：储氢系统出口的氢气与煤浆制备装置中制备的煤浆在加氢反应装置中进行加氢液化反应，产生石脑油、航油和柴油，再通过产物分离和收集装置分别将石脑油、航油和柴油分离和收集，进而利用。
所述步骤1中，高含尿素废水可来源于人或牲畜尿液、工厂废水等。
所述步骤2中，电解液为碱性电解液，包含质量浓度为20-30%的KOH以及质量浓度为1-10%的尿素，可根据尿素质量浓度的需要调整尿素废水的加入量。
所述步骤2中，尿素电解的电解池B1为常规碱性电解池，阴极材料为Pt、Ru、Rh、Ir、Ni、Co、Fe、Zn、Ti等金属的一种或数种的合金，阳极材料为镍基金属或合金氧化物。
所述步骤2中，电解池的电源可以是风电、光伏等可再生能源发电。
所述步骤2中，电解池的温度范围是25-40℃。
所述步骤2中，在电解池B1的阴极获得的高纯氢气纯度在99.9%以上;所述步骤2中，在电解池B1的阳极获得的CO2被碱性电解液吸收，产生碳酸盐，过程中没有CO2释放;富含K2CO3的电解液从电解池B1的排污口排出。在电解池B1的阳极同时获得去除尿素的水，可作为工业回用水。
所述步骤3中，储氢系统的氢气压缩比和容量可根据电源功率波动特点和煤液化反应规模进行调节。
所述步骤4中，煤液化反应包括煤浆制备反应、加氢液化反应、加氢稳定反应、改质反应等步骤。
和现有技术相比较，本发明具有如下特点：
(1)本发明实现了尿素废水处理和高效电解制氢的耦合，具有较高的环保意义和综合效益;
(2)尿素电解相比于常规的电解水制氢可节省30-50%的能耗，且采用废水中的尿素作为原料，进一步降低了电解制氢的成本，有利于绿色无害的电解制氢方式的推广;
(3)通过电解法去除废水中的尿素，反应条件温和、处理效果好，可有效避免尿素分解释放NH3造成的环境污染;
(4)将电解制得的氢气用于煤液化过程，促进了煤炭资源的清洁高效利用。