CN115142068A - 一种可再生能源电解尿素废水合成化工产品的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可再生能源电解尿素废水合成化工产品的系统及方法。本发明的系统包括碱性尿素电解系统、电化学还原系统、可再生能源发电系统和哈伯制氨工艺系统，可再生能源发电系统为碱性尿素电解系统和电化学还原系统提供电能；碱性尿素电解系统产生的N2和H2以及电化学还原系统产生的H2作为哈伯制氨工艺系统的原料。本发明将可再生能源发电系统、碱性尿素电解系统、电化学还原系统和哈伯制氨工艺系统联合使用，既有效处理了尿素废水，又制备得到了高价值的化工产品，同时又不消耗不可再生能源，降低了整体能耗，避免了尿素造成的污染。本发明利用可再生能源进行发电供碱性尿素电解系统和电化学还原系统使用，拓宽了可再生能源的应用。

Description

一种可再生能源电解尿素废水合成化工产品的系统及方法
技术领域
本发明涉及新能源和水处理技术领域，尤其涉及一种可再生能源电解尿素废水合成化工产品的系统及方法。
背景技术
发展可再生能源是我国推进能源转型和应对气候变化的重要途径。受电源波动性的限制，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。
氢气作为一种清洁能源，由于其零碳排放和较高的能量密度，有望成为传统化石燃料的理想替代品。由于目前的工业制氢技术，如水蒸气重整和煤气化，需要大量消耗化石燃料和释放包括二氧化碳在内的有害气体，电化学电解水被认为是一种更环保、更可持续的制氢方法。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)，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。
此外，在工业尿素制备过程中，废水中含有大量尿素，若不进行处理直接将废水排放会污染地下水，造成实质污染。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明提出了一种可再生能源电解尿素废水合成化工产品的系统及方法。
本发明提出了一种可再生能源电解尿素废水合成化工产品的系统，包括：
碱性尿素电解系统，所述碱性尿素电解系统的阳极产生CO2和N2，所述碱性尿素电解系统的阴极产生H2；
电化学还原系统，所述电化学还原系统对所述CO2进行电化学还原过程以制备化工产品；
可再生能源发电系统，所述可再生能源发电系统为所述碱性尿素电解系统和所述电化学还原系统提供电能，所述可再生能源发电系统与所述碱性尿素电解系统之间以及所述可再生能源发电系统与所述电化学还原系统之间均设置电能调节模块；
哈伯制氨工艺系统。
在一些实施例中，所述碱性尿素电解系统产生的N2和H2以及所述电化学还原系统产生的H2作为所述哈伯制氨工艺系统的原料。
在一些实施例中，所述碱性尿素电解系统包括分离系统，所述分离系统用于分离所述碱性尿素电解系统的阳极产生的CO2和N2。
在一些实施例中，通过向尿素废水中加入碱性溶液使得所述碱性尿素电解系统在碱性条件下电解尿素，所述碱性溶液的溶质为碱金属的氢氧化物、碱土金属的氢氧化物、碱金属的碳酸盐、碱土金属的碳酸盐、碱金属的碳酸氢盐或碱土金属的碳酸氢盐中的一种或多种。
在一些实施例中，所述碱性尿素电解系统的电极为贵金属基催化剂或非贵金属基催化剂。
在一些实施例中，所述电化学还原系统的电极为铋基材料催化剂或铜基材料催化剂。
在一些实施例中，所述哈伯制氨工艺系统以铁作为催化剂在20～50MPa、500-600℃下合成氨。
在一些实施例中，所述可再生能源发电系统为风能发电系统、太阳能发电系统、水能发电系统或地热能发电系统中的一种。
本发明还提出了一种可再生能源电解尿素废水合成化工产品的方法，包括以下步骤：
(1)向尿素废水中加入碱性溶液使得尿素废水呈碱性；
(2)将碱性尿素废水加入碱性尿素电解系统进行电解；
(3)所述碱性尿素电解系统产生的CO2通入电化学还原系统以制备化工产品；
(4)所述碱性尿素电解系统产生的N2和H2以及所述电化学还原系统产生的H2作为原料通入哈伯制氨工艺系统合成氨；
(5)可再生能源系统产生的电能经电能调节模块调节后供所述碱性尿素电解系统和所述电化学还原系统使用。
在一些实施例中，所述电化学还原系统采用H型电解池。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明将可再生能源发电系统、碱性尿素电解系统、电化学还原系统和哈伯制氨工艺系统联合使用，既有效处理了尿素废水，又制备得到了高价值的化工产品，同时又不消耗不可再生能源，降低了整体能耗，避免了尿素造成的污染。
本发明的利用可再生能源进行发电供碱性尿素电解系统和电化学还原系统使用，拓宽了可再生能源的应用。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明各系统联合作用示意图；
图2为本发明可再生能源电解尿素废水合成化工产品的系统示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的可再生能源电解尿素废水合成化工产品的系统及方法。
如图1-2所示，本发明的可再生能源电解尿素废水合成化工产品的系统，包括碱性尿素电解系统、电化学还原系统、可再生能源发电系统和哈伯制氨工艺系统。
尿素可以自发水解成氨，污染水和空气；此外，由该污染还可引发氮氧化物空气污染、氮氧化物导致的酸雨土壤污染，以及亚硝酸盐/硝酸盐导致的饮用水污染。碱性尿素电解系统通过电解尿素的碱性溶液实现尿素废水的处理和氢气的制备，是一种处理尿素废水的有效途径，同时也是一种低成本制氢的方式，能够实现废物资源化利用，进而实现清洁能源获取的同时净化环境。
碱性尿素电解系统将HER和UOR反应进行耦合以电解尿素碱性水溶液，其中，阳极的电极反应为：CO(NH2)2+6OH--6e_→N2+CO2+5H2O；阴极的电极反应为：4H2O+4e_→2H2+4OH-。由阴极电极反应和阳极电极反应可知，碱性尿素电解系统的阳极产生CO2和N2，碱性尿素电解系统的阴极产生H2。碱性尿素电解系统产生的CO2用于电化学还原系统以制备化工产品，碱性尿素电解系统产生的N2和H2用于哈伯制氨工艺系统以合成氨。
CO2和N2均在碱性尿素电解系统的阳极产生，即CO2和N2是混合在一起的，在利用CO2和N2制备化工产品之前需要将CO2和N2进行分离。碱性尿素电解系统的分离系统用来分离碱性尿素电解系统的阳极产生CO2和N2。可以理解的是，分离系统可以采用物理方法或化学方法分离碱性尿素电解系统的阳极产生CO2和N2。
碱性尿素电解系统是对尿素的碱性水溶液进行电解，因此需要对尿素废水进行处理使其呈碱性。通过向尿素废水中加入碱性溶液使得碱性尿素电解系统在碱性条件下电解尿素，碱性溶液的溶质为碱金属的氢氧化物、碱土金属的氢氧化物、碱金属的碳酸盐、碱土金属的碳酸盐、碱金属的碳酸氢盐或碱土金属的碳酸氢盐中的一种或多种。具体为，碱性溶液可以为氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液、碳酸氢钠溶液、碳酸氢钾溶液、碳酸钠溶液、碳酸钾溶液或氢氧化钙溶液中的一种或多种。可以理解的是，碱性溶液不限于上述溶液。
另外，碱性尿素电解系统的电极为贵金属基催化剂或非贵金属基催化剂。其中，贵金属催化剂可以为铂、钌、铱、钯，但不限于上述贵金属催化剂；非贵金属催化剂包括过渡金属基等来源广泛、价格低的金属基材料和无金属基催化剂，过渡金属基材料包括镍、铁、钴、钼等及其合金，无金属基催化剂包括磷化物、硫族化物、氢氧化物、氧化物及其衍生物。可以理解的是，在实际生产中根据实际情况选择合适的电极材料。
电化学还原系统设置在碱性尿素电解系统的下游，电化学还原系统对CO2进行电化学还原过程以制备化工产品，电化学还原系统采用H型电解池，在常温常压的条件下进行。电化学还原系统的电极为铋基材料催化剂或铜基材料催化剂。其中，对CO2进行电化学还原过程制备的化工产品包括甲醇、甲醛、甲酸、草酸等。电化学还原系统的气相产生H2，液相产生化工产品。电化学还原系统产生的H2可以作为哈伯制氨工艺系统的原料。
可再生能源发电系统为CO2的电化学还原过程提供电能，电化学还原过程对可再生的能源进行转化，并将其储存在化学原料中。尿素通过可再生能源提供电力的电化学方法最终可以合成氨和甲醇、甲醛、甲酸、草酸等化工产品，既处理了尿素废水，在整个过程降低了碳排放，还得到了高附加值的产品。
可再生能源发电系统即为利用可再生能源进行发电的系统。可再生能源包括太阳能、水能、风能、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能、地热能等。可再生能源在自然界可以循环再生。在一些实施例中，可再生能源发电系统可以为风能发电系统、太阳能发电系统、水能发电系统或地热能发电系统中的一种。可以理解的是，可再生能源发电系统还可以为其他种类的可再生能源发电系统。
在本发明中，可再生能源发电系统为碱性尿素电解系统和电化学还原系统提供电能。可以理解的是，若可再生能源发电系统产生的电能有结余，则可以将结余的电能上传电网。
可再生能源发电系统与碱性尿素电解系统之间以及可再生能源发电系统与电化学还原系统之间均设置电能调节模块。
具体为，可再生能源发电系统与碱性尿素电解系统之间设置电能调节模块，可再生能源发电系统输出端与电能调节模块的输入端连接，电能调节模块的输出端与碱性尿素电解系统连接，电能调节模块包括变压器和控制器，用于电压的调节控制，可再生能源发电系统产生的电能经电能调节模块调节后用于碱性尿素电解系统；可再生能源发电系统与电化学还原系统系统之间同样设置电能调节模块，可再生能源发电系统输出端与电能调节模块的输入端连接，电能调节模块的输出端与电化学还原系统连接，电能调节模块包括变压器和控制器，用于电压的调节控制，可再生能源发电系统产生的电能经电能调节模块调节后用于电化学还原系统。
哈伯制氨工艺系统为以N2和H2为原料合成氨的系统，哈伯制氨工艺系统以铁作为催化剂在20～50MPa、500-600℃下合成氨。在本发明中，碱性尿素电解系统产生的N2和H2以及电化学还原系统产生的H2作为哈伯制氨工艺系统的原料。
由上述可知本发明的系统既有效处理了尿素废水，又将碱性尿素电解系统和电化学还原系统产生的气体进行了合理利用，得到了化工产品。
本发明还提出了一种可再生能源电解尿素废水合成化工产品的方法，该方法利用本发明的可再生能源电解尿素废水合成化工产品的系统，包括以下步骤：
(1)向尿素废水中加入碱性溶液使得尿素废水呈碱性；
(2)将碱性尿素废水加入碱性尿素电解系统进行电解；
(3)碱性尿素电解系统产生的CO2通入电化学还原系统以制备化工产品；
(4)碱性尿素电解系统产生的N2和H2以及电化学还原系统产生的H2作为原料通入哈伯制氨工艺系统合成氨；
(5)可再生能源系统产生的电能经电能调节模块调节后供碱性尿素电解系统和电化学还原系统使用。
在本发明的可再生能源电解尿素废水合成化工产品的方法中，可再生能源发电系统为碱性尿素电解系统和电化学还原系统提供电能。碱性尿素电解系统对碱性尿素溶液进行电解，碱性尿素电解系统的阳极产生N2和CO2，N2和CO2分离后，CO2用于电化学还原系统制备化工产品，N2用于哈伯制氨工艺系统合成氨；碱性尿素电解系统的阴极产生H2，H2用于哈伯制氨工艺系统合成氨。电化学还原系统的气相产生H2，液相产生甲醇、甲酸、甲醛、草酸等化工产品，气相产生的H2与碱性尿素电解系统阴极产生的H2一起通入哈伯制氨工艺系统作为哈伯制氨工艺系统合成氨的原料使用。
本发明的可再生能源电解尿素废水合成化工产品的方法将可再生能源发电系统、碱性尿素电解系统、电化学还原系统和哈伯制氨工艺系统联合使用，既有效处理了尿素废水，又制备得到了高价值的化工产品，同时又不消耗不可再生能源，降低了整体能耗，避免了尿素造成的污染。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述可以针对不同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种可再生能源电解尿素废水合成化工产品的系统，其特征在于，包括：
碱性尿素电解系统，所述碱性尿素电解系统的阳极产生CO2和N2，所述碱性尿素电解系统的阴极产生H2；
电化学还原系统，所述电化学还原系统对所述CO2进行电化学还原过程以制备化工产品；
可再生能源发电系统，所述可再生能源发电系统为所述碱性尿素电解系统和所述电化学还原系统提供电能，所述可再生能源发电系统与所述碱性尿素电解系统之间以及所述可再生能源发电系统与所述电化学还原系统之间均设置电能调节模块；
哈伯制氨工艺系统。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述碱性尿素电解系统产生的N2和H2以及所述电化学还原系统产生的H2作为所述哈伯制氨工艺系统的原料。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述碱性尿素电解系统包括分离系统，所述分离系统用于分离所述碱性尿素电解系统的阳极产生的CO2和N2。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，通过向尿素废水中加入碱性溶液使得所述碱性尿素电解系统在碱性条件下电解尿素，所述碱性溶液的溶质为碱金属的氢氧化物、碱土金属的氢氧化物、碱金属的碳酸盐、碱土金属的碳酸盐、碱金属的碳酸氢盐或碱土金属的碳酸氢盐中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述碱性尿素电解系统的电极为贵金属基催化剂或非贵金属基催化剂。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电化学还原系统的电极为铋基材料催化剂或铜基材料催化剂。
7.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述哈伯制氨工艺系统以铁作为催化剂在20～50MPa、500-600℃下合成氨。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可再生能源发电系统为风能发电系统、太阳能发电系统、水能发电系统或地热能发电系统中的一种。
9.一种可再生能源电解尿素废水合成化工产品的方法，其特征在于，利用如权利要求1-8任一所述的系统，包括以下步骤：
(1)向尿素废水中加入碱性溶液使得尿素废水呈碱性；
(2)将碱性尿素废水加入碱性尿素电解系统进行电解；
(3)所述碱性尿素电解系统产生的CO2通入电化学还原系统以制备化工产品；
(4)所述碱性尿素电解系统产生的N2和H2以及所述电化学还原系统产生的H2作为原料通入哈伯制氨工艺系统合成氨；
(5)可再生能源系统产生的电能经电能调节模块调节后供所述碱性尿素电解系统和所述电化学还原系统使用。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述电化学还原系统采用H型电解池。
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