[發明專利]一種可再生能源儲能和零碳排污水處理耦合系統

在審

• 申請號: 202310199228.7
• 申請日: 2023-02-28
• 公開（公告）號: CN116514302A
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 蔡偉偉;韓翔宇;姚宏;張靜靜;梅寧;韓寶紅;李冬梅;王麗
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: C02F9/00
• 分類號: C02F9/00;F23G7/07;H02J3/28;H02J3/32;H02J15/00;H02J7/35;H01M8/04029;H01M8/16;H01M8/04007;H01M8/0662;H01M8/04082;H01M8/04089;H01M8/04701;H01
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 霍苗

本發明涉及零碳排污水技術領域，尤其涉及一種可再生能源儲能和零碳排污水處理耦合系統。本發明提供的可再生能源儲能和零碳排污水處理耦合系統利用MEC工藝深度提取傳統污水工藝中未利用的化學能，使系統的再生能源請儲能的能量效率130％(而現有高壓電解法制氫能量效率僅為65～95％)，以氫能和熱能形式穩定儲存與可再生能源輸入能量的同時，利用富余能量為污水處理廠的耗電設備供能，是一套可實現可再生能源低成本、高效率氫儲能，同時零碳排處理污水達標的系統subgt;。/subgt;

技術領域

本發明涉及零碳排污水技術領域，尤其涉及一種可再生能源儲能和零碳排污水處理耦合系統。

背景技術

在2030年前風電、太陽能發電總裝機容量需達到12億千瓦以上，而此類具有較大波動性和不可預測性的可再生資源需要儲能系統來滿足穩定的供電。雖然現有諸如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、電化學儲能、飛輪儲能、超級電容器、氫儲能等儲能方式，這一儲能缺口在目前仍然很大。在上述儲能技術中，氫儲能技術由于其儲能量、放電時間、儲能成本和應用的靈活性的方面占據優勢而被廣泛研究。然而，現有的氫儲能核心技術也大多限于高電壓電解，由于材料成本高、運行條件苛刻、能量損耗高從而限制了大范圍應用。2020年我國由于儲能設施難以利用而造成的棄水、棄風和棄光總電量理論上可制取綠氫9.28×10⁵t。該專利將目前僅限于實驗室研究階段的MEC工藝用于可再生能源儲能，大大降低了材料成本及運行條件的限制，且由于電解質較為溫和，因此，不會造成二次污染。

此外，我國污水處理行業由能耗產生的溫室氣體超過1億噸二氧化碳當量，而處理過程中的電能消耗是碳排放的主要來源。然而，污水中所含能量可達污水處理耗能的5～10倍，說明如果改善污水中的資源回收現狀，實現污水廠的能量中性甚至是能量輸出是完全可行的。并且，在現階段的污水處理工藝中，對于低有機負荷(COD3000mg/L)的廢水即采用曝氣的方式進行去除，僅對有機負荷高的廢水進行產甲烷回收能源。然而，產甲烷工藝的出水COD依然較高，同樣需要曝氣的方式進行進一步的去除。

同時，目前儲能技術主要分為抽水蓄能、壓縮空氣儲能、電化學儲能、飛輪儲能、超級電容器、氫儲能等儲能方式，而其中，氫儲能核心技術大多限于高電壓電解，由于材料成本高、運行條件苛刻、能量損耗高從而難以大范圍應用。污水處理行業由于其利用高能耗來處理污染物，因此處于亟待轉型的尷尬地位。而現階段缺乏可再生能源氫熱聯產儲能協同零碳排污水處理系統的開發，。

現階段廣泛研究的氫儲能技術主要為堿性水解槽、PEM水電解槽、固體氧化物電解槽等技術，在運行過程中需要30％的氫氧化鉀、純水、固體氧化物及熔融鹽等容易造成二次污染的物質作為電解質，而且運行溫度通常較高(50～80℃，固體氧化物需要700～1000℃)，在增加了運行難度的同時增加了供熱造成的能量損耗。在同類型的可再生能源氫儲能專利中，均僅在系統流程構建中進行創新而忽略了上述問題，如《一種光熱發電及熔融鹽結合制氫的熱電綜合儲能系統》(CN114076416A)中利用油-汽蒸發器改進了光能獲取的方式，然而在產氫階段依然為高壓電解水；同樣在《一種集裝箱式可再生能源電熱氫聯產儲能系統及工作方法》(CN115021418A)和《利用混合儲能裝置的大規模光伏電解水制氫系統及方法》(CN114447968A)中，分別提供了基于小規模集裝箱式氫儲能系統和大規模混合儲能系統，而其中的核心工藝均離不開高壓電解水。

同樣的，與污水處理領域相耦合的可再生能源相關專利中，多數均以可再生能源在污水處理領域的供能為基礎，而非通過污水化學能抽提來強化可再生能源儲能。如公開號為CN114835246A的中國專利和公開號為CN111762826A的中國專利等，均通過太陽能等多種可再生能源為傳統污水處理系統中的耗電設備供電，從而降低系統能耗；在公開號為CN104909514A的中國專利中，已經利用可再生能源驅動MEC系統來進行污水處理，然而其陰極僅起到了加快反應的作用，并沒有利用MEC系統的產氫功能；而在公開號為CN106630177A的中國專利中，雖然已經提出了利用微生物電解池系統處理有機廢水的同時產氫，驗證了本專利的可行性，但是該系統中仍然依靠直流電源的外部供電，沒有與可再生能源利用與儲能相掛鉤。