CN114477612A - 一种污水厂污水和污泥制氢、加氢的闭合系统及工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种污水厂污水和污泥制氢、加氢的闭合系统及工艺方法，其特征在于：包括光伏电池阵列板、污水预处理单元、污水电解制氢单元、污泥厌氧发酵制氢单元及氢气储罐。本发明还涉及一种污水厂污水和污泥制氢、加氢的工艺方法，包括制氢储能、污水预处理及电解制氢、污泥厌氧发酵制氢、氢气提纯及储存及余热循环利用。本发明设计科学合理，利用城乡污水处理厂能够实现从太阳能光伏可再生能源、错峰用电制氢、储能，实现制氢生产到最小距离加氢站建设和氢气商业利用，解决氢能源普及应用过程中最关键的氢气生产到加氢站应用，高昂的储运成本问题。同时兼顾制氢、储能过程中实现水资源循环利用、污泥处理及循环利用、气体循环利用、余热循环利用，实现污水资源化和能源化的闭合处理。

Description

一种污水厂污水和污泥制氢、加氢的闭合系统及工艺方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，涉及污水制氢装置，特别涉及一种污水厂污水和污泥制氢、加氢的闭合系统及工艺方法。

背景技术

氢能是理想的清洁二次能源，用可再生能源制氢，用储氢材料储氢，用氢燃料电池发电，将构成“净零排放”可持续利用的氢能系统，成为可再生能源之外实现“深 度脱碳”的重要路径。当前，越来越多的国家和机构投入到大型可再生能源制氢的研 究与项目开发中。全球正在推进中的可再生能源制氢项目规模迅速扩大，从2019年 10月份的320万千瓦提高到2020年3月底的820万千瓦，近期新增在建项目的单个 容量都在10万千瓦及以上。

近年来，氢能作为新兴能源，逐步进入我国中央和地方政府中长期规划视野。尽管我国氢能产业发展已经具备一定基础，但是要破解我国能源发展难题，发挥氢能在 我国能源转型中的巨大潜力，还有不少现实问题和挑战亟待解决。

氢能基础设施尤其是加氢站的建设布局，在很大程度上限制了氢能经济的规模化，制约了氢能汽车的市场发展。加氢站及相关基础设施的布局能否快速实施，其实 又取决于氢成本以及运输存储、加氢站运营过程中规模化。氢气需要二次制取；氢气 的运氢、储氢各环节成本较高；氢气质量轻；因此受制于基于运输成本的运输半径限 制。氢气运输成本高昂，造成加氢站等基础设施投资大、收益低。政府不得不通过补 贴推动氢能产业的规模化。城乡污水处理设施长期以来效益低下，大量经过高标准处 理后的产水未经充分利用，造成巨大的水资源浪费。污水处理过程中的污泥含水率高， 脱水处理成本高，不便于填埋和焚烧处理。空气曝气的能耗成本高，曝气精度控制困 难。溶氧量低造成好氧工艺抗冲击性差。

基于以上可再生能源氢气生产、加氢站气源成本、燃料电池储能发电、污水、污 泥处理过程存在的问题，发明一种闭合利用的一站式氢气生产、燃料电池储能发电、 污水、污泥处理系统及工艺方法，通过在污水处理厂设置光伏发电获取能源，经过水 电解处理的污水可以实现使用端最近距离的绿氢生产和加氢站建设。利用城乡污水处 理厂通过光伏发电进行污水电解制取氢气，就近建设加氢站是最佳选择，在生产绿氢 的同时，又可以利用氢氧燃料电池发电余热，作为污水厂活性污泥厌氧反应器和低温 干化的热源，电解制氢产生的氧气副产品可以作为好氧生化反应的曝气气体，降低空 气曝气能耗高且提高了好氧生化反应效果和速率。将绿氢生产、加氢站和燃料电池储 能发电与污水处理厂的地理位置、用能和余热利用综合考虑，实现一种整体解决的系 统和工艺，将很好地实现清洁能源的普及应用和污水处理过程中的效益提升。发明一 种不仅有利于迅速普及清洁能源基础设施的建设和应用，更是兼顾污水处理设施的效 益提升的系统和工艺方法。减轻新能源基础设施政府补贴的负担和减少碳排放而保护 环境。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种污水厂污水和污泥制氢、加氢的闭合系统及工艺方法，打破现有氢气生产和储运、加氢技术的不足，不仅有利于迅 速普及清洁能源基础设施的建设和应用，更是兼顾污水处理设施的效益提升，减轻新 能源基础设施政府补贴的负担和减少碳排放而保护环境。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种污水厂污水和污泥制氢、加氢的闭合系统及工艺方法，其特征在于：包括光伏电池阵列板、污水预处理单元、污水电解制氢单元、污泥厌氧发酵制氢单元及氢气 储罐，所述污水预处理单元分别连接至所述污水电解制氢单元及污泥厌氧发酵制氢单 元，所述污水电解制氢单元及污泥厌氧发酵制氢单元均连接至氢气储罐，所述光伏电 池阵列板连接至所述污水电解制氢单元；所述污水预处理单元包括依次连接的污水 池、清水池及预处理池；污泥厌氧发酵制氢单元包括依次连接的污泥池、高温厌氧消 化罐及甲烷蒸汽重整反应炉。

而且，还包括余热回收单元，所述污水电解制氢单元及甲烷蒸汽重整反应炉均连接至所述余热回收单元，所述余热回收单元连接至所述高温厌氧消化罐。

而且，还包括储能电池组及燃料电池，所述燃料电池及光伏电池阵列板均连接至所述储能电池组，所述储能电池组连接至所述污水电解制氢单元，所述燃料电池连接 至所述氢气储罐及余热回收单元。

而且，还包括污泥低温干化单元，所述高温厌氧消化罐连接至污泥低温干化单元，所述污泥低温干化单元连接至所述余热回收单元。

而且，所述污水电解制氢单元通过好氧曝气池连接至所述污水池。

而且，所述高温厌氧消化罐连接至所述污水池。

而且，还包括出水回收单元，所述污水预处理单元及污水电解制氢单元均连接至出水回收单元。

一种污水厂污水和污泥制氢、加氢的工艺方法，其特征在于：所述工艺步骤为：

1)制氢储能：光伏电池阵列板利用太阳能发电，燃料电池将氢能转换得到电能，并将这两部分电能存储到储能电池组中作为污水电解制氢单元的电能源；

2)污水预处理及电解制氢：污水池中的污水从排水口接入清水池，在清水池进 行絮凝处理后的清水进入预处理池，经过预处理池的低压反渗透膜过滤产生纯水，输 送到污水电解制氢单元作为电解制氢的水源，电解反应得到氢气、氧气和水，氢气输 送至氢气储罐，氧气连接至好氧曝气池，再输送至污水池进行富氧气体回收利用，污 水预处理单元、污水电解制氢单元产生的纯水被出水回收单元回收再利用或排放；

3)污泥厌氧发酵制氢：工业污水处理过程中产生的污泥经过破壁处理后输送到高温厌氧消化罐，经过高温厌氧反应得到氢气、甲烷、浓水及残渣，甲烷输送到甲烷 蒸汽重整反应炉，经过蒸汽重整反应炉把得到的氢气输送至氢气储罐，浓水回流至污 水池中利用，残渣经过压滤后进入污泥低温干化单元，进一步脱水干化后再利用或者 焚烧处理；

4)氢气提纯及储存：将污水电解制氢单元及污泥厌氧发酵制氢单元产生的氢气收集储存到氢气储罐中，并输送至加氢站及燃料电池备用；

5)余热循环利用：污水电解制氢单元、燃料电池及甲烷蒸汽重整反应炉产生的 余热均回收至余热回收单元实现循环利用，作为高温厌氧消化罐及污泥低温干化单元 的热源。

本发明的优点和有益效果为：

本发明利用城乡污水处理厂能够实现从太阳能光伏可再生能源、错峰用电制氢、储能，实现最小距离加氢站氢气商业利用，解决氢能源普及应用过程中最关键的氢气 储运半径的高昂运输成本问题。更加兼顾和在制氢、储能过程中实现水资源循环利用、 污泥处理及循环利用、气体循环利用、余热循环利用实现资源化和能源化的闭合系统 及工艺，不仅实现了氢能源的绿色制氢和就近生产及普及应用掉的关键问题，更是实 现了新能源基础设施和传统市政基础实施的交叉互补，实现了污水处理技术和新能源 领域的融合突破。突破性的利用市政污水处理基础实施实现可再生能源和错峰用电制 氢；就近设置加氢站的氢能源普及推广应用领域的关键问题。更是实现了以氢能源替 代传统能源，实现碳中和目标的新途径。减少环境污染和实现了过程产物的循环利用。

附图说明

图1为本发明的系统流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种污水厂污水和污泥制氢、加氢的闭合系统及工艺方法，其创新之处在于：包括光伏电池阵列板、污水预处理单元、污水电解制氢单元、污泥厌氧发酵制氢单元及 氢气储罐，所述污水预处理单元分别连接至所述污水电解制氢单元及污泥厌氧发酵制 氢单元，所述污水电解制氢单元及污泥厌氧发酵制氢单元均连接至氢气储罐，所述光 伏电池阵列板连接至所述污水电解制氢单元；所述污水预处理单元包括依次连接的污 水池、清水池及预处理池；污泥厌氧发酵制氢单元包括依次连接的污泥池、高温厌氧 消化罐及甲烷蒸汽重整反应炉。

还包括余热回收单元，所述污水电解制氢单元及甲烷蒸汽重整反应炉均连接至所述余热回收单元，所述余热回收单元连接至所述高温厌氧消化罐。

还包括储能电池组及燃料电池，所述燃料电池及光伏电池阵列板均连接至所述储能电池组，所述储能电池组连接至所述污水电解制氢单元，所述燃料电池连接至所述 氢气储罐及余热回收单元。

还包括污泥低温干化单元，所述高温厌氧消化罐连接至污泥低温干化单元，所述污泥低温干化单元连接至所述余热回收单元。

污水电解制氢单元通过好氧曝气池连接至所述污水池。

高温厌氧消化罐连接至所述污水池。

还包括出水回收单元，所述污水预处理单元及污水电解制氢单元均连接至出水回收单元。

一种污水厂污水和污泥制氢、加氢的工艺方法，其特征在于：所述工艺步骤为：

1)制氢储能：光伏电池阵列板利用太阳能发电，燃料电池将氢能转换得到电能，并将这两部分电能存储到储能电池组中作为污水电解制氢单元的电能源；

2)污水预处理及电解制氢：污水池中的污水从排水口接入清水池，在清水池进 行絮凝处理后的清水进入预处理池，经过预处理池的低压反渗透膜过滤产生纯水，输 送到污水电解制氢单元作为电解制氢的水源，电解反应得到氢气、氧气和水，氢气输 送至氢气储罐，氧气连接至好氧曝气池，再输送至污水池进行富氧气体回收利用，污 水预处理单元、污水电解制氢单元产生的纯水被出水回收单元回收再利用或排放；

3)污泥厌氧发酵制氢：工业污水处理过程中产生的污泥经过破壁处理后输送到高温厌氧消化罐，经过高温厌氧反应得到氢气、甲烷、浓水及残渣，甲烷输送到甲烷 蒸汽重整反应炉，经过蒸汽重整反应炉把得到的氢气输送至氢气储罐，浓水回流至污 水池中利用，残渣经过压滤后进入污泥低温干化单元，进一步脱水干化后再利用或者 焚烧处理；

4)氢气提纯及储存：将污水电解制氢单元及污泥厌氧发酵制氢单元产生的氢气收集储存到氢气储罐中，并输送至加氢站及燃料电池备用；

5)余热循环利用：污水电解制氢单元、燃料电池及甲烷蒸汽重整反应炉产生的 余热均回收至余热回收单元实现循环利用，作为高温厌氧消化罐及污泥低温干化单元 的热源。

上述工艺利用城乡污水处理厂架设光伏发电系统，得到清洁能源作为水电解制氢能源；经过水电解处理的污水得到氢气，生化污泥通过厌氧消化和甲烷重整得到氢气， 氢气通过提纯和输送作为就近设立的加氢站和燃料电池发电氢气源；这一过程中产生 的气体、电能、热能、水、残渣都得到循环利用，形成一种实现资源化、能源化循环 利用的闭合处理工艺。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可 能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (8)

1.一种污水厂污水和污泥制氢、加氢的闭合系统及工艺方法，其特征在于：包括光伏电池阵列板、污水预处理单元、污水电解制氢单元、污泥厌氧发酵制氢单元及氢气储罐，所述污水预处理单元分别连接至所述污水电解制氢单元及污泥厌氧发酵制氢单元，所述污水电解制氢单元及污泥厌氧发酵制氢单元均连接至氢气储罐，所述光伏电池阵列板连接至所述污水电解制氢单元；所述污水预处理单元包括依次连接的污水池、清水池及预处理池；污泥厌氧发酵制氢单元包括依次连接的污泥池、高温厌氧消化罐及甲烷蒸汽重整反应炉。

2.根据权利要求1所述的污水厂污水和污泥制氢、加氢的闭合系统及工艺方法，其特征在于：还包括余热回收单元，所述污水电解制氢单元及甲烷蒸汽重整反应炉均连接至所述余热回收单元，所述余热回收单元连接至所述高温厌氧消化罐。

3.根据权利要求1或2所述的污水厂污水和污泥制氢、加氢的闭合系统及工艺方法，其特征在于：还包括储能电池组及燃料电池，所述燃料电池及光伏电池阵列板均连接至所述储能电池组，所述储能电池组连接至所述污水电解制氢单元，所述燃料电池连接至所述氢气储罐及余热回收单元。

4.根据权利要求2所述的污水厂污水和污泥制氢、加氢的闭合系统及工艺方法，其特征在于：还包括污泥低温干化单元，所述高温厌氧消化罐连接至污泥低温干化单元，所述污泥低温干化单元连接至所述余热回收单元。

5.根据权利要求1所述的污水厂污水和污泥制氢、加氢的闭合系统及工艺方法，其特征在于：所述污水电解制氢单元通过好氧曝气池连接至所述污水池。

6.根据权利要求1所述的污水厂污水和污泥制氢、加氢的闭合系统及工艺方法，其特征在于：所述高温厌氧消化罐连接至所述污水池。

7.根据权利要求1所述的污水厂污水和污泥制氢、加氢的闭合系统及工艺方法，其特征在于：还包括出水回收单元，所述污水预处理单元及污水电解制氢单元均连接至出水回收单元。

8.一种污水厂污水和污泥制氢、加氢的工艺方法，其特征在于：所述工艺步骤为：

1)制氢储能：光伏电池阵列板利用太阳能发电，燃料电池将氢能转换得到电能，并将这两部分电能存储到储能电池组中作为污水电解制氢单元的电能源；

2)污水预处理及电解制氢：污水池中的污水从排水口接入清水池，在清水池进行絮凝处理后的清水进入预处理池，经过预处理池的低压反渗透膜过滤产生纯水，输送到污水电解制氢单元作为电解制氢的水源，电解反应得到氢气、氧气和水，氢气输送至氢气储罐，氧气连接至好氧曝气池，再输送至污水池进行富氧气体回收利用，污水预处理单元、污水电解制氢单元产生的纯水被出水回收单元回收再利用或排放；

3)污泥厌氧发酵制氢：工业污水处理过程中产生的污泥经过破壁处理后输送到高温厌氧消化罐，经过高温厌氧反应得到氢气、甲烷、浓水及残渣，甲烷输送到甲烷蒸汽重整反应炉，经过蒸汽重整反应炉把得到的氢气输送至氢气储罐，浓水回流至污水池中利用，残渣经过压滤后进入污泥低温干化单元，进一步脱水干化后再利用或者焚烧处理；

4)氢气提纯及储存：将污水电解制氢单元及污泥厌氧发酵制氢单元产生的氢气收集储存到氢气储罐中，并输送至加氢站及燃料电池备用；

5)余热循环利用：污水电解制氢单元、燃料电池及甲烷蒸汽重整反应炉产生的余热均回收至余热回收单元实现循环利用，作为高温厌氧消化罐及污泥低温干化单元的热源。

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