CN108485952A - 一种基于光伏光热集热器的有机废水制氢系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光伏光热集热器的有机废水制氢系统，包括总供水管、光伏光热集热器、顶水式水箱、电渗析反应器、气体收集装置以及有机挥发性酸收集装置；所述光伏光热集热器内设有蛇形管道；所述顶水式水箱与蛇形管道的进水口和出水口相连；所述总供水管与一分流器相连，该分流器与顶水式水箱与恒温电磁混水阀相连；顶水式水箱也与恒温电磁混水阀相连，该恒温电磁混水阀与电渗析反应器相连；所述太阳能电池板同时为辅助加热装置和电渗析反应器供电，所述气体收集装置与电渗析反应器的气体出口相连，所述有机挥发性酸收集装置与电渗析反应器的有机挥发性酸出口相连。本发明能够有效提高制氢效率，降低制氢能耗，从而提高制氢经济性。

Description

一种基于光伏光热集热器的有机废水制氢系统

技术领域

本发明涉及利用有机废水制氢技术领域，尤其涉及一种基于光伏光热集热器的有机废水制氢系统。

背景技术

随着人类社会对能源的需求量日益增加，环境污染、能源短缺等问题也日益严峻，因此需要更多的清洁能源来代替传统的化石能源。氢气是一种不依赖化石燃料的清洁能源，用氢能代替旧式的化石能源，能够解决能源利用带来的环境问题，改善环境，促进生态；减轻全球能源危机，缓解能源危机带来的经济不平衡及战争问题并且实现再生能源的循环利用。传统的电解水、水煤气转化法制氢会消耗巨大的能量，导致氢气成本昂贵，降低氢气的利用价值，因此寻找高效率低成本的制氢技术成为当务之急。

生物制氢是一种以有机废水为底物反应条件温和、底物来源广泛的清洁制氢技术，能妥善处理能源利用与环境的矛盾，促进经济与环境的协调发展，使氢气成为真正可利用的绿色能源。生物制氢过程又可分为暗发酵制氢、光发酵制氢以及光暗发酵耦合制氢，其中暗发酵制氢过程是利用厌氧发酵产氢细菌将有机物分解产生氢气，不需要光能供应，温度和pH值是影响暗发酵产氢过程的重要因素。由于温度对产氢菌的生长和繁殖等生理代谢过程有重要影响，而细菌的生长和繁殖是通过一系列的生物化学反应完成的，根据生物化学反应的酶促反应特性，存在一个最适宜温度，使这些反应进行的速率越快。根据已有研究表明，暗发酵过程存在最适宜的温度条件约为37℃，因此要获得高效率的暗发酵产氢，应维持反应温度在37℃左右。另外，在暗发酵反应过程中，会产生副产物挥发性酸（如乙酸），挥发性酸会降低反应的pH值，抑制产氢反应的进行，因此需及时移除挥发性酸，解除其对产氢过程的抑制，提高产氢效率。

为解除反应过程中副产物挥发性酸对产氢的抑制，已有研究发明出一种电渗析反应器，能够及时移除挥发性酸。电渗析反应器通过阳离子膜、阴离子膜分为阳极极室、反应腔室和阴极极室。在两个极室中外加电极提供电场；在反应腔室中，底物与暗发酵产氢菌发生反应，产生H2、CO2以及副产物挥发性酸，挥发性酸在腔室中以酸根离子和阳离子的形式存在。在电场作用下，产生的酸根离子通过阴离子膜离开反应腔室，阳离子通过阳离子膜离开反应腔室进入阳极极室，副产物挥发性酸得以移除，产氢量和产氢速率提高。同时，电渗析反应器还可以进一步提高产生氢气的纯度，产生的H2中混有CO2气体，CO2气体溶于水后点解成碳酸根离子和氢离子，在电渗析的作用下碳酸根离子进入收集室，氢离子进入阳极极室，使产物中的CO2减少，H2纯度提高。采用该电渗析反应器暗发酵生物制氢能够提高产氢量、产氢速率和产氢纯度，但是提供电极、对反应器加热保温也会消耗电能，运用到实际工业产氢中，这将增加氢气的制造成本，不利于暗发酵制氢的大规模应用。

除了氢气，太阳能也是一种清洁的可再生能源。一种集光伏发电与太阳能低温热利用为一体的新型太阳集热器，称为光伏光热（PVT）集热器的概念于20世纪70年代被提出。PVT集热器利用层压或胶粘技术将太阳电池或组件与太阳集热器有机结合在一起，集热器的主要部件为太阳电池和集热板，为了降低集热器的热损失，通常在电池上方安装一层或二层玻璃盖板，在背部和边缘包上一定厚度的保温层，所有部件最后用金属框架封装为一体。当太阳能电池发电时，由于入射太阳能转换为电能的比例约为15％，其余大部分能量都转换为热量，这些热量可通过水或空气回收，产生热水或热空气，PVT集热器产生的热量温度能够达到40～60℃。

因此，如何用太阳能为暗发酵制氢反应器供能以减少暗发酵制氢过程中保温和电渗析所带来的能源消耗，提高暗发酵生物制氢技术经济性，以成为本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决因暗发酵制氢装置在制氢过程中保温和电渗析能耗高，制氢效率低，制氢成本高的问题，提供一种基于光伏光热集热器的有机废水制氢系统，能够有效提高制氢效率，降低制氢能耗，从而提高制氢经济性。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于光伏光热集热器的有机废水制氢系统，其特征在于：包括总供水管、光伏光热集热器、顶水式水箱、电渗析反应器、气体收集装置以及有机挥发性酸收集装置；

所述光伏光热集热器包括粘贴在一起的太阳能电池板和集热板，且太阳能电池板位于集热板正面，在太阳能电池板的正面覆盖有玻璃盖板，在集热板的背面覆盖有保温层，在保温层内设有蛇形管道，且该蛇形管道与集热板紧贴；所述顶水式水箱具有两进口和两出水口，其中一出水口与蛇形管道的进水口相连，且在该出水口与蛇形管道之间设有一循环泵，蛇形管道的出水口与顶水式水箱的其中一进水口相连；在顶水式水箱内还设有一温度传感器Ⅰ和一辅助加热装置；

所述总供水管与一分流器的进水口相连，该分流器的其中一出水口与顶水式水箱的另一进水口相连，另一出水口与一恒温电磁混水阀的其中一进水口相连；顶水式水箱的另一出水口与恒温电磁混水阀的另一进水口相连，该恒温电磁混水阀的出水口与电渗析反应器的进水口相连；

所述太阳能电池板同时为辅助加热装置和电渗析反应器供电，所述气体收集装置与电渗析反应器的气体出口相连，所述有机挥发性酸收集装置与电渗析反应器的有机挥发性酸出口相连；

还包括温控系统，在顶水式水箱与蛇形管道相连的出水口处设有温度传感器Ⅱ，在蛇形管道出水口设有温度传感器Ⅲ，所述温度传感器Ⅰ、温度传感器Ⅱ和温度传感器Ⅲ均与温控系统相连，该温控系统还同时与循环泵和辅助加热装置相连。

进一步地，所述电渗析反应器包括双极室反应器、第一阳离子交换膜、第二阳离子交换膜以及阴离子交换膜，所述双极室反应器内设置有阳极腔室、收集室、发酵腔室和阴极腔室，阳极腔室与收集室由第一阳离子交换膜进行分隔；收集室与发酵腔室由阴离子交换膜进行分隔；发酵腔室与阴极腔室由第二阳离子交换膜进行分隔；所述阳极腔室和阴极腔室内分别设置有阳极电极和阴极电极；所述收集室底部通过第一蠕动泵与有机挥发性酸收集装置连接，收集室上部通过上部管路也与有机挥发性酸收集装置连接；所述阳极腔室与阴极腔室通过第二蠕动泵连接；所述发酵腔室与气体收集装置连接。

进一步地，所述温控系统的控制过程如下：

1）通过温度传感器Ⅱ和温度传感器Ⅲ分别检测蛇形管道的出水口和顶水式水箱的出水口的温度；

2）当温度传感器Ⅲ检测到的温度大于温度传感器Ⅱ检测到的温度10℃时，控制循环泵开启，直至温度传感器Ⅱ和传感器Ⅲ检测到的温度一致；

3）当温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅲ检测到的温度长时间低于暗发酵反应最佳温度时，启动辅助加热装置，使顶水式水箱内的温度保持在暗发酵反应最佳温度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、暗发酵的副产物挥发性酸可以在电渗析作用下及时移除，解除挥发性酸对暗发酵产氢过程的抑制，提高产氢量和产氢速率。

2、进一步提高产生氢气的纯度，产生的H2中混有CO2气体，CO2气体溶于水后点解成碳酸根离子和氢离子，在电渗析的作用下碳酸根离子进入收集室，氢离子进入阳极极室，使产物中的CO2减少，H2纯度提高。

3、通过PVT集热器与电渗析反应器耦合，利用太阳能对作为制氢反应底物的废水加热，使其达到暗发酵制氢反应适宜的温度，同时利用太阳能为电渗析反应器、辅助电加热装置供能，降低了制氢过程的能耗与整个制氢过程的复杂性，提高了暗发酵生物制氢技术的经济性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为电渗析反应器的结构示意图。

图1中：1—总供水管，2—太阳能电池板，3—集热板，4—蛇形管道，5—顶水式水箱，6—循环泵，7—分流器，8—恒温电磁混水阀，9—电渗析反应器，91—双极室反应器，92—第一阳离子交换膜，93—第二阳离子交换膜，94—阴离子交换膜，95—阳极电极，96—阴极电极，97—第二蠕动泵，10—气体收集装置，11—有机挥发性酸收集装置，12—第一蠕动泵。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1、图2，一种基于光伏光热集热器的有机废水制氢系统，包括总供水管1、光伏光热集热器、顶水式水箱5、电渗析反应器9、气体收集装置10以及有机挥发性酸收集装置11。

所述光伏光热集热器包括粘贴在一起的太阳能电池板2和集热板3，且太阳能电池板2位于集热板3正面，在太阳能电池板2的正面覆盖有玻璃盖板。在集热板3的背面覆盖有保温层，在保温层内设有蛇形管道4，且该蛇形管道4与集热板3紧贴。所述顶水式水箱5具有两进口和两出水口，其中一出水口与蛇形管道4的进水口相连，且在该出水口与蛇形管道4之间设有一循环泵6，蛇形管道4的出水口与顶水式水箱5的其中一进水口相连。在顶水式水箱5内还设有一温度传感器Ⅰ和一辅助加热装置；具体实施时，该温度传感器Ⅰ位于顶水式水箱5的中上部，辅助加热装置位于顶水式水箱5的中部，这样，能够更加准确地检测水温，以及更快地对水进行加热。

所述总供水管1与一分流器7的进水口相连，该分流器7的其中一出水口与顶水式水箱5的另一进水口相连，另一出水口与一恒温电磁混水阀8的其中一进水口相连。顶水式水箱5的另一出水口与恒温电磁混水阀8的另一进水口相连，该恒温电磁混水阀8的出水口与电渗析反应器9的进水口相连。还包括一供水控制系统，该供水控制系统同时与分流器7、恒温电磁混水阀8以及电渗析反应器9内的测温点相连，以根据电渗析反应器9内的测温点的温度实时调节分流器7和恒温电磁混水阀8，从而保证反应器内的温度维持在暗发酵制氢的最佳温度。

所述太阳能电池板2同时为辅助加热装置和电渗析反应器9供电。所述气体收集装置10与电渗析反应器9的气体出口相连，所述有机挥发性酸收集装置11与电渗析反应器9的有机挥发性酸出口相连。其中，所述电渗析反应器9包括双极室反应器91、第一阳离子交换膜92、第二阳离子交换膜93以及阴离子交换膜94。所述双极室反应器91内设置有阳极腔室、收集室、发酵腔室和阴极腔室，该发酵腔室内具有测温点，以测量发酵腔室内的反应温度。阳极腔室与收集室由第一阳离子交换膜92进行分隔；收集室与发酵腔室由阴离子交换膜94进行分隔；发酵腔室与阴极腔室由第二阳离子交换膜93进行分隔；所述阳极腔室和阴极腔室内分别设置有阳极电极95和阴极电极96。所述收集室底部通过第一蠕动泵12与有机挥发性酸收集装置11连接，收集室上部通过上部管路也与有机挥发性酸收集装置11连接。所述阳极腔室与阴极腔室通过第二蠕动泵97连接；所述发酵腔室与气体收集装置10连接。

所述温控系统的控制过程如下：

1）通过温度传感器Ⅱ和温度传感器Ⅲ分别检测蛇形管道4的出水口和顶水式水箱5的出水口的温度；

2）当温度传感器Ⅲ检测到的温度大于温度传感器Ⅱ检测到的温度10℃时，控制循环泵6开启，直至温度传感器Ⅱ和传感器Ⅲ检测到的温度一致；

3）当温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅲ检测到的温度长时间低于暗发酵反应最佳温度时，启动辅助加热装置，使顶水式水箱5内的温度保持在暗发酵反应最佳温度。

制氢过中，首先向电渗析反应腔室中加入培养基，接种混合制氢菌，并使用氮气向发酵腔室内曝气，排除发酵腔室内空气，再加塞子密封保持厌氧环境。然后将PVT集热器供能暗发酵电渗析反应器9制氢装置连接成一个整体。通过总供水管1向分流器7的进水口通入一定量的有机废水，经过分流器7进行流量分配，一部分废水进入顶水式水箱5，另一部分废水通过恒温电磁混水阀8与从水箱流出的加热后的有机废水混合。顶水式水箱5中的废水通过管道在循环泵6的作用下经过PVT集热器中的蛇形换热管，PVT集热器将由辐射能转化而来的热能用来加热废水。当PVT集热器蛇形换热管出水口的有机废水温度与顶水式水箱5废水温度差大于10℃时，控温系统打开循环泵6使被加热的有机废水流入顶水式水箱5；否则，PVT集热器继续对有机废水继续加热。当转化的热能不足以使废水加热到一定温度时，水箱中的辅助加热装置开始直接加热有机废水。顶水式水箱5出水口的加热后的有机废水与恒温电磁混水阀8所分配的未进入水箱的有机废水混合，使有机废水最终温度达到反应器需要的温度（约37℃），再作为底物与电渗析反应器9反应腔室中的混合菌种发生暗发酵产生氢气。最终，电渗析反应器9反应腔室产生的氢气进入气体收集装置10被收集利用。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于光伏光热集热器的有机废水制氢系统，其特征在于：包括总供水管、光伏光热集热器、顶水式水箱、电渗析反应器、气体收集装置以及有机挥发性酸收集装置；

所述光伏光热集热器包括粘贴在一起的太阳能电池板和集热板，且太阳能电池板位于集热板正面，在太阳能电池板的正面覆盖有玻璃盖板，在集热板的背面覆盖有保温层，在保温层内设有蛇形管道，且该蛇形管道与集热板紧贴；所述顶水式水箱具有两进口和两出水口，其中一出水口与蛇形管道的进水口相连，且在该出水口与蛇形管道之间设有一循环泵，蛇形管道的出水口与顶水式水箱的其中一进水口相连；在顶水式水箱内还设有一温度传感器Ⅰ和一辅助加热装置；

所述总供水管与一分流器的进水口相连，该分流器的其中一出水口与顶水式水箱的另一进水口相连，另一出水口与一恒温电磁混水阀的其中一进水口相连；顶水式水箱的另一出水口与恒温电磁混水阀的另一进水口相连，该恒温电磁混水阀的出水口与电渗析反应器的进水口相连；

所述太阳能电池板同时为辅助加热装置和电渗析反应器供电，所述气体收集装置与电渗析反应器的气体出口相连，所述有机挥发性酸收集装置与电渗析反应器的有机挥发性酸出口相连；

还包括温控系统，在顶水式水箱与蛇形管道相连的出水口处设有温度传感器Ⅱ，在蛇形管道出水口设有温度传感器Ⅲ，所述温度传感器Ⅰ、温度传感器Ⅱ和温度传感器Ⅲ均与温控系统相连，该温控系统还同时与循环泵和辅助加热装置相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于光伏光热集热器的有机废水制氢系统，其特征在于：所述电渗析反应器包括双极室反应器、第一阳离子交换膜、第二阳离子交换膜以及阴离子交换膜，所述双极室反应器内设置有阳极腔室、收集室、发酵腔室和阴极腔室，阳极腔室与收集室由第一阳离子交换膜进行分隔；收集室与发酵腔室由阴离子交换膜进行分隔；发酵腔室与阴极腔室由第二阳离子交换膜进行分隔；所述阳极腔室和阴极腔室内分别设置有阳极电极和阴极电极；所述收集室底部通过第一蠕动泵与有机挥发性酸收集装置连接，收集室上部通过上部管路也与有机挥发性酸收集装置连接；所述阳极腔室与阴极腔室通过第二蠕动泵连接；所述发酵腔室与气体收集装置连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于光伏光热集热器的有机废水制氢系统，其特征在于：所述温控系统的控制过程如下：

1）通过温度传感器Ⅱ和温度传感器Ⅲ分别检测蛇形管道的出水口和顶水式水箱的出水口的温度；

2）当温度传感器Ⅲ检测到的温度大于温度传感器Ⅱ检测到的温度10℃时，控制循环泵开启，直至温度传感器Ⅱ和传感器Ⅲ检测到的温度一致；

3）当温度传感器Ⅰ和温度传感器Ⅲ检测到的温度长时间低于暗发酵反应最佳温度时，启动辅助加热装置，使顶水式水箱内的温度保持在暗发酵反应最佳温度。