CN109928514A - 工业废弃资源热/质耦合梯级利用与能源回收集成系统 - Google Patents

工业废弃资源热/质耦合梯级利用与能源回收集成系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工业废弃资源热/质耦合梯级利用与能源回收集成系统，其特征在于：包括低品位废热利用产能模块，微生物初级处理池，微生物二次处理池和稳定塘，所述低品位废热利用产能模块包括换热器和废热可再生氨电池堆，所述换热器的冷流体入口和废热可再生氨电池堆的阳极腔通过第一出输液管相连，所述换热器的冷流体出口分别通过第二入输液管和入输气管与废热可再生氨电池堆的阴极腔和阳极腔相连，阳极腔和阴极腔通过换液管相连，所述换热器的热流体入口分别与第一废液管和第一废气管相连，所述换热器的热流体出口通过第二废液管与微生物初级处理池相连，且通过第二废气管与微生物二次处理池相连；本发明可广泛应用在环保、化工、能源等领域。

Description

工业废弃资源热/质耦合梯级利用与能源回收集成系统
技术领域
本发明涉及能源回收集成系统，具体涉及一种工业废弃资源热/质耦合梯级利用与能源回收集成系统。
背景技术
进入21世纪以来，科学技术已经成为我国经济发展的第一生产力，而多样化的工业部门发展也带动了我国国民经济的快速增长。但是工业大力发展所带来的废水废气的产生也日益影响着社会的稳定发展。由于工业污染产生的化学成分较复杂，而相应的处理装置中的治理技术相对落后，导致工业污染产生的废水废气问题治理难度进一步提升。加之人们对资源利用的程度不断提高，工业低品位余热的利用得到了密切关注，如何做好工业废水废气的治理和低品位余热的高效利用，已经逐渐成为行业中迫切需要解决的问题，对于实现社会可持续健康的发展有着一定的现实意义。
工业废水绝大部分是在工业生产中产生的废水和废液，其中掺杂了大量的生产用料、化学元素、中间产物以及污染物。现阶段常用的治理方法有以下四种形式：物理处理法、化学处理法、物理化学法、生物法。生物法由于其运行费用低、更加环保的特点被广泛应用于有机废水的处理。主要是通过微生物的代谢作用，使废水中呈溶解和胶体状态的有机污染物转化为稳定、无害的物质，如：二氧化碳、水等；同时可以得到甲烷、氢气等清洁能源。
工业废气是指工厂在生产和燃料燃烧过程中向大气中排放的各类污染物质或有毒物质的气体总称，常见的废气主要包括氮氧化物、硫化物、生产性粉尘等，主要来自于工业生产过程及燃料燃烧过程。针对工业中的有机废气，现阶段常用的处理方法有：破坏性方法，如燃烧法；非破坏性方法，即将有机废气净化并回收。在当今能源紧张的背景下，对有机废气进行净化、回收是十分必要的。
工业余热及废热主要由尾气余热、化学反应热、生产废气废水余热、冷却余热等组成。利用余热及废热时必须从经济性、技术性出发，与工艺生产的特点紧密结合，以便于能量的综合利用，提高综合利用效率。余热和废热所产生的工艺气体从温度条件划分，可分为高温(1000～1450℃),中温(600～1000℃)和低温(100～600℃)三种。高温和中温余热及废热主要利用废热锅炉回收利用,但经过废热锅炉回收利用以后的工艺流体的温度有很大一部分高于250℃，而对于这种温度范围乃至更低温度的热源的利用，可以节省大量能量，达到节能减排的目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种工业废弃资源热/质耦合梯级利用与能源回收集成系统。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种工业废弃资源热/质耦合梯级利用与能源回收集成系统，其特征在于：该系统包括低品位废热利用产能模块，微生物初级处理池，微生物二次处理池和稳定塘，所述低品位废热利用产能模块包括换热器和废热可再生氨电池堆；废热可再生氨电池堆包括阴极腔和阳极腔，阳极腔和阴极腔通过换液管相连；所述换热器的冷流体入口通过第一出输液管与废热可再生氨电池堆的阳极腔相连，所述换热器的冷流体出口分别通过第二入输液管和入输气管与废热可再生氨电池堆的阴极腔和阳极腔相连，所述换热器的热流体入口分别与第一废液管和第一废气管相连，所述换热器的热流体出口分别通过第二废液管和第二废气管与微生物初级处理池和微生物二次处理池相连，所述微生物初级处理池通过第三废液管与微生物二次处理池相连，所述微生物二次处理池通过第四废液管与稳定塘相连，所述稳定塘内的废水通过溢流管排出。
根据本发明所述的工业废弃资源热/质耦合梯级利用与能源回收集成系统的优选方案，所述微生物初级处理池内设置有微生物厌氧发酵装置和第一COD检测仪，用于将有机废水中的有机物经过微生物厌氧发酵，获得气体能源，该气体能源通过气体管路输出；第一COD检测仪用于检测微生物初级处理池内有机废水的COD浓度。COD即化学需氧量。
根据本发明所述的工业废弃资源热/质耦合梯级利用与能源回收集成系统的优选方案，所述微生物二次处理池内设置有微生物燃料电池堆和第二COD检测仪，利用微生物燃料电池堆对有机废液和有机废气进行处理，并获得电能，处理后的气体通过排气管排出；第二COD检测仪用于检测微生物二次处理池内有机废水的COD浓度。
根据本发明所述的工业废弃资源热/质耦合梯级利用与能源回收集成系统的优选方案，所述稳定塘是含有微生物和植物的人工池塘，利用微生物和植物共同作用对废水中的有机污染物进一步处理，使废水达到排放标准。
根据本发明所述的工业废弃资源热/质耦合梯级利用与能源回收集成系统的优选方案，所述废热可再生氨电池堆的阳极腔和阴极腔内均设有离子传感器，所述第一出输液管、第二入输液管和换液管上分别设置有第一出液阀、第二入液阀和换液阀，当离子传感器检测到离子浓度低于设定值时，第一出液阀打开，阳极电解液通过第一出输液管流入换热器，第一出液阀关闭，然后打开换液阀，将阴极腔内的电解液通过换液管泵入阳极腔，然后换液阀关闭，再打开第二入液阀，换热器中的阴极电解液通过第二入输液管流入阴极腔，第二入液阀关闭，实现自动循环。
根据本发明所述的工业废弃资源热/质耦合梯级利用与能源回收集成系统的优选方案，所述第三废液管和第四废液管分设有第三废液阀和第四废液阀，当微生物初级处理池内的第一COD检测仪检测到COD浓度低于设定值时，第三废液阀打开，低COD浓度废液流入微生物二次处理池，当微生物二次处理池内的第二COD检测仪检测到COD浓度低于设定值时，第四废液阀打开，废液流入稳定塘。
本发明所述的工业废弃资源热/质耦合梯级利用与能源回收集成系统的有益效果是：本发明实现了对工业低品位废热的利用；同时梯级处理了有机废水，使其达到排放标准，并获得了氢气、甲烷电能等高品位能源；整个系统自动化程度高，操作简单方便；本发明可广泛应用在环保、化工、能源等领域。
附图说明
图1是本发明较佳实施例的结构示意图；
图2是实施例中的低品位废热利用产能模块的结构示意图；
图3是本发明的处理工艺流程图。
附图标记：1—低品位废热利用产能模块；2—微生物初级处理池；3—微生物二次处理池；4—稳定塘；5—换热器；6—废热可再生氨电池堆；7—第一出输液管；8—第二入输液管；9—入输气管；10—第一废液管；11—第一废气管；12—第二废液管；13—第二废气管；14—第三废液管；15—第四废液管；16—溢流管；17—换液管；18—第一出液阀；19—第二入液阀；20—换液阀；21—第三废液阀；22—第四废液阀；23—排气管；24—气体管路。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
参见图1和图2，一种工业废弃资源热/质耦合梯级利用与能源回收集成系统，包括低品位废热利用产能模块1，微生物初级处理池2，微生物二次处理池3和稳定塘4，所述低品位废热利用产能模块1包括换热器5和废热可再生氨电池堆6；废热可再生氨电池堆6包括阴极腔和阳极腔，阳极腔和阴极腔通过换液管17相连；所述换热器5的冷流体入口通过第一出输液管7与废热可再生氨电池堆6的阳极腔相连，所述换热器5的冷流体出口分别通过第二入输液管8和入输气管9与废热可再生氨电池堆6的阴极腔和阳极腔相连，所述换热器5的热流体入口分别与第一废液管10和第一废气管11相连，所述换热器5的热流体出口分别通过第二废液管12和第二废气管13与微生物初级处理池2和微生物二次处理池3相连，所述微生物初级处理池2通过第三废液管14与微生物二次处理池3相连，所述微生物二次处理池3通过第四废液管15与稳定塘4相连，所述稳定塘4内的废水通过溢流管16排出。
所述微生物初级处理池2内设置有微生物厌氧发酵装置和第一COD检测仪，用于将有机废水中的有机物经过微生物厌氧发酵，获得气体能源，该气体能源通过气体管路24输出；第一COD检测仪用于检测微生物初级处理池2内有机废水的COD浓度。所述微生物初级处理池2的工作原理为在一定温度、水分和厌氧条件下，将有机废水中的有机物经过微生物新陈代谢作用，获得氢气、甲烷等高品位能源。
所述微生物二次处理池3内设置有微生物燃料电池堆和第二COD检测仪，利用微生物燃料电池堆对有机废液和有机废气进行处理，并获得电能，为外部电路供电；处理后的气体通过排气管23排出；第二COD检测仪用于检测微生物二次处理池3内有机废水的COD浓度。微生物燃料电池堆由若干个微生物燃料电池串联组成，微生物燃料电池的基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂一般为氧气在阴极得到电子被还原与质子结合成水，利用微生物燃料电池可获得电能。处理有机废气的微生物燃料电池阳极流场采用蛇形流场或交指型流场，且阳极表面处理为可作为气液分隔界面且适宜微生物附着、生长的基体，并利用其形成气液两相界面，使有机废气透过碳纸到达液相生长的生物膜内，被生物所降解并产生电能。
所述稳定塘4是含有微生物和植物的人工池塘，依靠塘内生长的微生物、植物来处理废水，利用微生物和植物共同作用对废水中的有机污染物进一步处理，使废水达到排放标准。
所述换热器5是利用有机废气、废水中的低品位废热的装置，其基本工作原理是将在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，其可对废热可再生氨电池堆6的反应后的阳极电解液进行热再生，发生热分解反应：Cu(NH3)4 2+(aq)—Cu2+(aq)+NH3(g)，并在换热器5里面实现气液分离。
所述废热可再生氨电池堆6的阳极腔和阴极腔内均设有离子传感器，所述第一出输液管7、第二入输液管8和换液管17上分别设置有第一出液阀18、第二入液阀19和换液阀20，当离子传感器检测到离子浓度低于设定值时，第一出液阀18打开，阳极电解液通过第一出输液管7流入换热器5，第一出液阀18关闭，然后打开换液阀20，将阴极腔内的电解液通过换液管17泵入阳极腔，然后换液阀20关闭，再打开第二入液阀19，换热器5中的阴极电解液通过第二入输液管8流入阴极腔，第二入液阀19关闭，实现自动循环。
所述废热可再生氨电池堆6由废热可再生氨电池串联组成，废热可再生氨电池主要由阳极和阴极组成，中间以阴离子交换膜分隔。阴、阳极电极均为金属铜电极，电解质均为Cu(NO3)2和NH4NO3的混合溶液。其工作原理为当往阳极中添加氨水或者鼓入氨气，阳极金属铜被氨水侵蚀发生络合反应，产生电子和四氨合铜离子。产生的电子通过外电路传递到阴极与阴极电解液中的Cu2+相结合，沉积在阴极电极表面。阴、阳极电解液中的阴离子通过阴离子交换膜迁移形成离子电流，保证了电路的完整性，同时电池内部溶液保持电中性。其阴阳极反应：
阳极反应：Cu(s)+4NH3(aq)—Cu(NH3)4 2+(aq)+2e-
E0＝-0.040V
阴极反应：Cu2+(aq)+2e-—Cu(s)
E0＝+0.340V
所述第三废液管14和第四废液管15分设有第三废液阀21和第四废液阀22，当微生物初级处理池2内的第一COD检测仪检测到COD浓度低于设定值时，第三废液阀21打开，低COD浓度废液流入微生物二次处理池3，当微生物二次处理池3内的第二COD检测仪检测到COD浓度低于设定值时，第四废液阀22打开，废液流入稳定塘4。
参见图1、图2和图3，本发明的工作流程是：耦合有低品位废热的高浓度有机废水、废气分别通过第一废液管10和第一废气管11进入换热器5将Cu(NH3)4 2+(aq)热分解为氨气和Cu2+(aq)，氨气通过入输气管9进入废热可再生氨电池堆6阳极腔在阳极表面反应，Cu2+(aq)通过第二入输液管8进入可再生氨电池堆6阴极腔在阴极表面反应，使得可再生氨电池堆6产生电能，从换热器5流出的有机废水通过第二废液管12进入微生物初级处理池2进行厌氧发酵，将大分子有机物分解成小分子，并获得甲烷、氢气等高品位能源，当第一COD检测仪检测到COD浓度低于设定值时，第三废液阀21打开，有机废液通过第三废液管14进入微生物二次处理池3，通过微生物燃料电池技术处理有机小分子，并得到电能，当第二COD检测仪检测到COD浓度低于设定值时，第四废液阀22打开，有机废液流入稳定塘4，在稳定塘4经微生物和植物共同作用进一步处理，达到排放标准，稳定塘4多余液体通过溢流管16流出，从换热器5流出的有机废气通过第二废气管13进入微生物二次处理池3，利用微生物燃料电池堆对有机废气进行初步处理，再通过排气管排出，进行后续处理。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种工业废弃资源热/质耦合梯级利用与能源回收集成系统，其特征在于：该系统包括低品位废热利用产能模块(1)，微生物初级处理池(2)，微生物二次处理池(3)和稳定塘(4)，所述低品位废热利用产能模块(1)包括换热器(5)和废热可再生氨电池堆(6)；废热可再生氨电池堆(6)包括阴极腔和阳极腔，阳极腔和阴极腔通过换液管(17)相连；所述换热器(5)的冷流体入口通过第一出输液管(7)与废热可再生氨电池堆(6)的阳极腔相连，所述换热器(5)的冷流体出口分别通过第二入输液管(8)和入输气管(9)与废热可再生氨电池堆(6)的阴极腔和阳极腔相连，所述换热器(5)的热流体入口分别与第一废液管(10)和第一废气管(11)相连，所述换热器(5)的热流体出口分别通过第二废液管(12)和第二废气管(13)与微生物初级处理池(2)和微生物二次处理池(3)相连，所述微生物初级处理池(2)通过第三废液管(14)与微生物二次处理池(3)相连，所述微生物二次处理池(3)通过第四废液管(15)与稳定塘(4)相连，所述稳定塘(4)内的废水通过溢流管(16)排出。
2.根据权利要求1所述的工业废弃资源热/质耦合梯级利用与能源回收集成系统，其特征在于：所述微生物初级处理池(2)内设置有微生物厌氧发酵装置和第一COD检测仪，用于将有机废水中的有机物经过微生物厌氧发酵，获得气体能源，该气体能源通过气体管路(24)输出；第一COD检测仪用于检测微生物初级处理池(2)内有机废水的COD浓度。
3.根据权利要求1所述的工业废弃资源热/质耦合梯级利用与能源回收集成系统，其特征在于：所述微生物二次处理池(3)内设置有微生物燃料电池堆和第二COD检测仪，利用微生物燃料电池堆对有机废液和有机废气进行处理，并获得电能，处理后的气体通过排气管(23)排出；第二COD检测仪用于检测微生物二次处理池(3)内有机废水的COD浓度。
4.根据权利要求1所述的工业废弃资源热/质耦合梯级利用与能源回收集成系统，其特征在于：所述稳定塘(4)是含有微生物和植物的人工池塘，利用微生物和植物共同作用对废水中的有机污染物进一步处理。
5.根据权利要求1所述的工业废弃资源热/质耦合梯级利用与能源回收集成系统，其特征在于：所述废热可再生氨电池堆(6)的阳极腔和阴极腔内均设有离子传感器，所述第一出输液管(7)、第二入输液管(8)和换液管(17)上分别设置有第一出液阀(18)、第二入液阀(19)和换液阀(20)，当离子传感器检测到离子浓度低于设定值时，第一出液阀(18)打开，阳极电解液通过第一出输液管(7)流入换热器(5)，第一出液阀(18)关闭，然后打开换液阀(20)，将阴极腔内的电解液通过换液管(17)泵入阳极腔，然后换液阀(20)关闭，再打开第二入液阀(19)，换热器(5)中的阴极电解液通过第二入输液管(8)流入阴极腔，第二入液阀(19)关闭。
6.根据权利要求1所述的工业废弃资源热/质耦合梯级利用与能源回收集成系统，其特征在于：所述第三废液管(14)和第四废液管(15)分设有第三废液阀(21)和第四废液阀(22)，当微生物初级处理池(2)内的第一COD检测仪检测到COD浓度低于设定值时，第三废液阀(21)打开，低COD浓度废液流入微生物二次处理池(3)，当微生物二次处理池(3)内的第二COD检测仪检测到COD浓度低于设定值时，第四废液阀(22)打开，废液流入稳定塘(4)。
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