本技術涉及一種集能源轉換、廢水治理及二氧化碳消減的建筑級生態(tài)系統(tǒng)。

背景技術：

1、生態(tài)城市建設主要涉及到可再生能源體系建設和環(huán)境治理兩大板塊。針對可再生能源體系建設，綠電和氫能是目前主要的兩種可再生能源。綠電主要是利用太陽能、風力、生物質能、地熱等經過二氧化碳排放量為零或趨近于零的生產過程所生產的電力。氫能被譽為“21世紀終極能源”，電解水制氫是目前氫能的主要生產手段之一。針對環(huán)境治理，廢水和煙氣是主要治理對象。

2、煙氣中往往含有大量燃燒產生的二氧化碳，對煙氣中的二氧化碳進行捕集和利用是碳減排的重要方面。碳捕集利用與封存(ccus)技術是碳減排最有效、最直接的手段，近年來，ccus技術雖取得長足進步。用電解水制氫產生的氫氣與ccus技術捕集的二氧化碳合成甲醛/甲醇的技術已經成熟。

3、廢水的治理方法主要包括生物法、電化學反應(電解)法、膜處理法，離子交換法、蒸發(fā)結晶法。生物法是通過微生物的代謝作用對廢水中的鹽分和有機物進行氧化、分解、吸附從而去除污染物。電解法是通過電解來去除水中鹽分。膜處理法則利用膜對廢水中各組分的選擇透過性能差異來分離、提純和濃縮目標物質。離子交換法是通過含鹽廢水中的陰陽離子與離子交換樹脂所固定的陰陽離子發(fā)生交換反應，從而達到脫除原水中鹽類的方法。蒸發(fā)結晶法是利用蒸發(fā)原理，將水分蒸發(fā)，提高廢水鹽濃度從而使鹽分析出的方法。

4、目前可用于上述電解法的電化學反應器主要有電催化氧化(electro-catalyticoxidation，eo)反應器和電絮凝(electro-coagulation,ec)反應器。它們的基本結構是類似的，即都包含電解裝置和直流電源，電解裝置的陽極和陰極分別與直流電源的正負極相連。兩者主要區(qū)別為電極材料的差異。

5、電催化氧化(electro-catalytic?oxidation，eo)是利用陽極(通常采用鈦基金屬氧化物涂層電極)的氧化作用，和/或利用電場作用產生自由基，促使污染物氧化分解，由此實現(xiàn)廢水處理?？杉毞譃橹苯友趸ê烷g接氧化法。直接氧化法是將陽極表面污染物直接氧化達到去除污染的目的。間接氧化法是通過電場對分水子進行分解使之產生羥基自由基等氧化劑，氧化與廢水中的污染物進行反應以去除污染。

6、電絮凝(electro-coagulation,ec)是通過將陽極(通常采用鋁電極或鐵電極)中的金屬離子溶于廢水中，經水解反應生成金屬氫氧化物，金屬氫氧化物作為絮凝劑對廢水中的懸浮物及膠體起凝聚作用，從而實現(xiàn)去除污染的目的。同時，陰極的氫離子得到電子后被還原為氫氣，以微細氣泡方式溢出，通過氣浮作用使廢水中的絮狀物及油類物質浮至水面。

7、目前，電催化氧化技術和電絮凝技術功能都較為單一，未實現(xiàn)對氫氣的回收利用。而隨著氫源產業(yè)的發(fā)展，對于氫氣的需求卻在不斷擴大。

技術實現(xiàn)思路

1、本實用新型目的在于提供一種生態(tài)城市能源轉換、廢水治理及二氧化碳消減體系的制氫裝備，以便在將廢水治理與電解水制氫結合的基礎上構建新型生態(tài)城市能源轉換、廢水治理及二氧化碳消減體系。

2、為此，本實用新型第一個方面提供了一種生態(tài)城市能源轉換、廢水治理及二氧化碳消減體系的制氫裝備，所述生態(tài)城市能源轉換、廢水治理及二氧化碳消減體系構建有：

3、綠電生產體系，所述綠電生產體系建立有綠電生產運行大數據系統(tǒng)以及由所述綠電生產運行大數據系統(tǒng)涵蓋的綠電生產工廠；

4、廢水凈化體系，所述廢水凈化體系建立有廢水處理工廠，所述廢水處理工廠用于對廢水進行廢水凈化處理；

5、電解水制氫體系，所述電解水制氫體系建立有電解水制氫運行大數據系統(tǒng)以及由所述電解水制氫運行大數據系統(tǒng)涵蓋的電解制氫工廠；

6、二氧化碳捕集體系，所述二氧化碳捕集體系建立有二氧化碳捕集運行大數據系統(tǒng)以及由所述二氧化碳捕集運行大數據系統(tǒng)涵蓋的二氧化碳碳捕集工廠；

7、碳氫合成燃料生產體系，所述碳氫合成燃料生產體系建立有碳氫合成燃料運行大數據系統(tǒng)以及由所述碳氫合成燃料運行大數據系統(tǒng)涵蓋的碳氫合成燃料生產工廠；

8、所述綠電生產體系與所述電解水制氫體系之間建立有綠電輸送網絡，所述電解水制氫體系與所述碳氫合成燃料生產體系之間建立有氫氣輸送網絡，所述二氧化碳捕集體系與所述碳氫合成燃料生產體系之間建立有碳源輸送網絡；

9、其采用了一種廢水凈化耦合電解制氫系統(tǒng)，所述廢水凈化耦合電解制氫系統(tǒng)使用所述綠電輸送網絡提供的綠電對廢水進行電催化氧化及電解水制氫，所述廢水凈化耦合電解制氫系統(tǒng)包括：

10、第一待電解水制備裝置，所述第一待電解水制備裝置的輸入端與對應廢水處理工廠中的引水點相連且輸出端與第一電解制氫裝置相連，用于將該廢水處理工廠中經過預凈化處理后的廢水調整為第一待電解水；

11、第一電解制氫裝置，所述第一電解制氫裝置用于對所述第一待電解水進行電催化氧化耦合制氫，并輸出已電催化氧化凈化廢水；

12、第二待電解水制備裝置，所述第二待電解水制備裝置的輸入端與所述第一電解制氫裝置相連且輸出端與第二電解制氫裝置相連，用于將所述已電催化氧化凈化廢水調整為第二待電解水；

13、第二電解制氫裝置，所述第二電解制氫裝置用于對所述第二待電解水進行堿性電解水制氫或pem電解水制氫。

14、根據本實用新型實施例，所述第一電解制氫裝置可以包含：第一電催化氧化耦合制氫裝置，所述第一電催化氧化耦合制氫裝置用于對所述第一待電解水進行第一電催化氧化耦合制氫并輸出第一已電催化氧化凈化廢水，所述第一電催化氧化耦合制氫的陽極電化學反應主要用于去除水中有機物和氨氮；第二電催化氧化耦合制氫裝置，所述第二電催化氧化耦合制氫裝置用于對所述第一已電催化氧化凈化廢水進行第二電催化氧化耦合制氫并輸出第二已電催化氧化凈化廢水，所述第二電催化氧化耦合制氫的陽極電化學反應主要用于除鹽；其中，所述第二已電催化氧化凈化廢水作為所述第一電解制氫裝置輸出的已電催化氧化凈化廢水。

15、根據本實用新型實施例，所述第一電解制氫裝置可以包含：第一已電催化氧化凈化廢水調整裝置，所述第一已電催化氧化凈化廢水調整裝置的輸入端與所述第一電催化氧化耦合制氫裝置相連且輸出端與所述第二電催化氧化耦合制氫裝置相連，用于將所述第一電催化氧化耦合制氫裝置輸出的第一已電催化氧化凈化廢水調整為符合所述第二電催化氧化耦合制氫裝置進水要求的第一已電催化氧化凈化廢水。

16、根據本實用新型實施例，所述第一電解制氫裝置或所述第一電催化氧化耦合制氫裝置的進水要求為：ph值為5-9，化學需氧量(codcr)≤3500mg/l，五日生化需氧量(bod5)≤200mg/l，氨氮≤1000mg/l，懸浮物≤10mg/l。

17、根據本實用新型實施例，所述第二電解制氫裝置可以包含：獨立的多個第二電解制氫模塊，所述第二待電解水制備裝置包含能夠分別對多個第二電解制氫模塊中各第二電解制氫模塊提供第二待電解水的水儲存裝置；當所述綠電生產體系通過所述綠電輸送網絡提供給所述廢水凈化耦合電解制氫系統(tǒng)的綠電電力處于波峰階段時，所述第一電解制氫裝置以及所述多個第二電解制氫模塊中各第二電解制氫模塊全部運行；當所述綠電生產體系通過所述綠電輸送網絡提供給所述廢水凈化耦合電解制氫系統(tǒng)的綠電電力處于波谷階段時，所第一電解制氫裝置停止運行，所述多個第二電解制氫模塊中根據綠電電力供應情況全部或部分運行。

18、根據本實用新型實施例，所述第一電解制氫裝置為100kw級電解制氫裝置或mw級電解制氫裝置，所述多個第二電解制氫模塊中各第二電解制氫模塊的功率比所述第一電解制氫裝置低一個數量級且分別采用10kw級電解槽或100kw級電解槽。

19、根據本實用新型實施例，所述第一待電解水制備裝置和/或所述第二待電解水制備裝置分別構成可移動撬裝結構；所述可移動撬裝結構中設置有水處理模塊配置區(qū)、水儲存模塊配置區(qū)和水泵送模塊配置區(qū)，所述水處理模塊配置區(qū)中配置安裝有選自多種不同的水處理模塊中的全部或部分水處理模塊，水儲存模塊配置區(qū)配置安裝有與安裝在所述水處理模塊配置區(qū)中的各水處理模塊一一對應相連的輸入側水儲存裝置和輸出側水儲存裝置，所述水泵送模塊配置區(qū)配置安裝有與安裝在所述水處理模塊配置區(qū)中的各水處理模塊一一對應的水泵送模塊，各水泵送模塊用于驅動與對應水處理模塊相連的輸入側水儲存裝置中的水通過該對應水處理模塊后進入與該對應水處理模塊相連的輸出側水儲存裝置。

20、根據本實用新型實施例，所述第二待電解水制備裝置包含前后依次設置的梯級反滲透膜過濾裝置、連續(xù)電解除鹽裝置以及采用拋光樹脂的離子交換除鹽設備。

21、根據本實用新型實施例，所述梯級反滲透膜過濾裝置包含前后依次設置的高壓反滲透式膜過濾裝置和低壓反滲透式膜過濾裝置，所述高壓反滲透式膜過濾裝置的清水出口與所述低壓反滲透式膜過濾裝置的進水口相連，所述低壓反滲透式膜過濾裝置的清水出口與所述連續(xù)電解除鹽裝置的進水口相連，所述低壓反滲透式膜過濾裝置的濃水出口與所述第二待電解水制備裝置的進水口相連。

22、根據本實用新型實施例，所述低壓反滲透膜過濾裝置采用卷式反滲透膜過濾裝置，所述高壓反滲透式膜過濾裝置采用碟管式反滲透式膜過濾裝置。

23、上述第一個方面的生態(tài)城市能源轉換、廢水治理及二氧化碳消減體系的制氫裝備，采用了一種廢水凈化耦合電解制氫系統(tǒng)，所述廢水凈化耦合電解制氫系統(tǒng)使用所述綠電輸送網絡提供的綠電對廢水進行電催化氧化及電解水制氫，所述廢水凈化耦合電解制氫系統(tǒng)包括：第一待電解水制備裝置、第一電解制氫裝置、第二待電解水制備裝置和第二電解制氫裝置。

24、其中，第一待電解水制備裝置可將對應廢水處理工廠中經過預凈化處理后的廢水調整為第一待電解水后輸入第一電解制氫裝置，所述第一電解制氫裝置可對所述第一待電解水進行電催化氧化耦合制氫(即既能夠對第一待電解水進行電催化氧化處理，同時又能夠產生氫氣)，所述第二待電解水制備裝置可將所述已電催化氧化凈化廢水調整為第二待電解水，所述第二電解制氫裝置用于對所述第二待電解水進行堿性電解水制氫或pem電解水制氫。

25、由于進入第一待電解水制備裝置的原料為對應廢水處理工廠中經過預凈化處理后的廢水，因此，第一待電解水制備裝置不再需要進行復雜、龐大的廢水預處理。

26、由于第一電解制氫裝置能夠對第一待電解水進行電催化氧化處理，電催化氧化處理能夠有效去除水中的污染物(如有機物、鹽分)，因此，有助于在簡化第二待電解水制備裝置的結構和功能的情況下使第二待電解水達到堿性電解水制氫、pem電解水制氫或鹽水電解制氫的水質要求。

27、此外，通過第一電解制氫裝置和第二電解制氫裝置共同制氫，提高了制氫產量。

28、上述生態(tài)城市能源轉換、廢水治理及二氧化碳消減體系的制氫裝備，具體應用于一種新型的生態(tài)城市能源轉換、廢水治理及二氧化碳消減體系，實現(xiàn)了能源轉換(綠電最終轉換為燃料)、廢水治理及二氧化碳消減有機結合。

29、本實用新型的另一目的在于提供集能源轉換、廢水治理及二氧化碳消減的建筑級生態(tài)系統(tǒng)，能夠將上述生態(tài)城市能源轉換、廢水治理及二氧化碳消減體系的構建思路應用于建筑物場景中，從而使該建筑物成為一種小型生態(tài)系統(tǒng)。

30、為此，本實用新型第二個方面，提供了一種集能源轉換、廢水治理及二氧化碳消減的建筑級生態(tài)系統(tǒng)，包括：

31、廢水凈化耦合電解制氫系統(tǒng)，所述廢水凈化耦合電解制氫系統(tǒng)使用綠電對建筑物內部生產生活廢水進行電催化氧化及電解水制氫；

32、碳氫合成燃料生產系統(tǒng)，所述碳氫合成燃料生產系統(tǒng)用于將所述廢水凈化耦合電解制氫系統(tǒng)產生的氫氣與二氧化碳反應合成燃料；

33、所述廢水凈化耦合電解制氫系統(tǒng)具體包括：

34、第一待電解水制備裝置，所述第一待電解水制備裝置的輸入端與對應廢水引水點相連且輸出端與第一電解制氫裝置相連，用于將所述生產生活廢水調整為第一待電解水；

35、第一電解制氫裝置，所述第一電解制氫裝置用于對所述第一待電解水進行電催化氧化耦合制氫，并輸出已電催化氧化凈化廢水；

36、第二待電解水制備裝置，所述第二待電解水制備裝置的輸入端與所述第一電解制氫裝置相連且輸出端與第二電解制氫裝置相連，用于將所述已電催化氧化凈化廢水調整為第二待電解水；

37、第二電解制氫裝置，所述第二電解制氫裝置用于對所述第二待電解水進行堿性電解水制氫或pem電解水制氫。

38、根據本實用新型實施例，還包括綠電生產系統(tǒng)，所述綠電生產系統(tǒng)用于向所述廢水凈化耦合電解制氫系統(tǒng)提供用于電催化氧化及電解水制氫的綠電。

39、根據本實用新型實施例，所述綠電生產系統(tǒng)包含光伏發(fā)電裝置。所述光伏發(fā)電裝置包含屋頂光伏組件和/或薄膜光伏組件。

40、根據本實用新型實施例，所述第二電解制氫裝置包含獨立的多個第二電解制氫模塊，所述第二待電解水制備裝置包含能夠分別對多個第二電解制氫模塊中各第二電解制氫模塊提供第二待電解水的水儲存裝置；并且，所述第一電解制氫裝置和所述多個第二電解制氫模塊中各第二電解制氫模塊能夠獨立地控制，從而使得：當所述綠電生產系統(tǒng)提供給所述廢水凈化耦合電解制氫系統(tǒng)的綠電電力處于波峰階段時，所述第一待電解水制備裝置以及所述多個第二電解制氫模塊中各第二電解制氫模塊全部運行；當所述綠電生產系統(tǒng)提供給所述廢水凈化耦合電解制氫系統(tǒng)的綠電電力處于波谷階段時，所述第一待電解水制備裝置停止運行，所述多個第二電解制氫模塊中根據綠電電力供應情況全部或部分運行。

41、根據本實用新型實施例，還包括供氧系統(tǒng)，所述供氧系統(tǒng)用于將所述廢水凈化耦合電解制氫系統(tǒng)產生的氧氣進行回收儲存并提供給建筑物內部使用。

42、根據本實用新型實施例，所述建筑物為游泳館建筑，所述生產生活廢水為游泳池水。

43、根據本實用新型實施例，還包括供熱系統(tǒng)，所述供熱系統(tǒng)包含鍋爐和與該鍋爐連接的室內供熱設施，所述鍋爐使用所述燃料燃燒產生熱量并提供給所述室內供熱設施。

44、根據本實用新型實施例，所述碳氫合成燃料生產系統(tǒng)采用甲烷/甲醇合成裝置。

45、根據本實用新型實施例，所述第二待電解水制備裝置包含前后依次設置的梯級反滲透膜過濾裝置、連續(xù)電解除鹽裝置以及采用拋光樹脂的離子交換除鹽設備；所述梯級反滲透膜過濾裝置包含前后依次設置的高壓反滲透式膜過濾裝置和低壓反滲透式膜過濾裝置，所述高壓反滲透式膜過濾裝置的清水出口與所述低壓反滲透式膜過濾裝置的進水口相連，所述低壓反滲透式膜過濾裝置的清水出口與所述連續(xù)電解除鹽裝置的進水口相連，所述低壓反滲透式膜過濾裝置的濃水出口與所述第二待電解水制備裝置的進水口相連。

46、根據本實用新型實施例，所述第一待電解水制備裝置和/或所述第二待電解水制備裝置分別構成可移動撬裝結構；所述可移動撬裝結構中設置有水處理模塊配置區(qū)、水儲存模塊配置區(qū)和水泵送模塊配置區(qū)，所述水處理模塊配置區(qū)中配置安裝有選自多種不同的水處理模塊中的全部或部分水處理模塊，水儲存模塊配置區(qū)配置安裝有與安裝在所述水處理模塊配置區(qū)中的各水處理模塊一一對應相連的輸入側水儲存裝置和輸出側水儲存裝置，所述水泵送模塊配置區(qū)配置安裝有與安裝在所述水處理模塊配置區(qū)中的各水處理模塊一一對應的水泵送模塊，各水泵送模塊用于驅動與對應水處理模塊相連的輸入側水儲存裝置中的水通過該對應水處理模塊后進入與該對應水處理模塊相連的輸出側水儲存裝置。

47、上述第二個方面的集能源轉換、廢水治理及二氧化碳消減的建筑級生態(tài)系統(tǒng)，可發(fā)掘商場、醫(yī)院、超市、辦公樓宇、游泳館等中大型建筑物內部生產生活廢水的制氫潛力，生產的燃料可以用于建筑物內部使用。

48、本實用新型又一目的在于，提供了一種應用于上述生態(tài)城市能源轉換、廢水治理及二氧化碳消減體系的制氫裝備以及集能源轉換、廢水治理及二氧化碳消減的建筑級生態(tài)系統(tǒng)中的水凈化耦合電解制氫系統(tǒng)。

49、為此，本實用新型第三個方面，提供了一種廢水凈化耦合電解制氫系統(tǒng)，包括：

50、第一待電解水制備裝置，所述第一待電解水制備裝置的輸入端與廢水取水點相連且輸出端與第一電解制氫裝置相連，用于將廢水取水點取得的廢水調整為第一待電解水；

51、第一電解制氫裝置，所述第一電解制氫裝置用于對所述第一待電解水進行電催化氧化耦合制氫，并輸出已電催化氧化凈化廢水；

52、第二待電解水制備裝置，所述第二待電解水制備裝置的輸入端與所述第一電解制氫裝置相連且輸出端與第二電解制氫裝置相連，用于將所述已電催化氧化凈化廢水調整為第二待電解水；

53、第二電解制氫裝置，所述第二電解制氫裝置用于對所述第二待電解水進行堿性電解水制氫、pem電解水制氫或鹽水電解制氫。

54、根據本實用新型實施例，所述第一電解制氫裝置包含：第一電催化氧化耦合制氫裝置，所述第一電催化氧化耦合制氫裝置用于對所述第一待電解水進行第一電催化氧化耦合制氫并輸出第一已電催化氧化凈化廢水，所述第一電催化氧化耦合制氫的陽極電化學反應主要用于去除水中有機物和氨氮；第二電催化氧化耦合制氫裝置，所述第二電催化氧化耦合制氫裝置用于對所述第一已電催化氧化凈化廢水進行第二電催化氧化耦合制氫并輸出第二已電催化氧化凈化廢水，所述第二電催化氧化耦合制氫的陽極電化學反應主要用于除鹽；其中，所述第二已電催化氧化凈化廢水作為所述第一電解制氫裝置輸出的已電催化氧化凈化廢水。

55、根據本實用新型實施例，所述第一電解制氫裝置還包含：第一已電催化氧化凈化水調整裝置，所述第一已電催化氧化凈化水調整裝置的輸入端與所述第一電催化氧化耦合制氫裝置相連且輸出端與所述第二電催化氧化耦合制氫裝置相連，用于將所述第一電催化氧化耦合制氫裝置輸出的第一已電催化氧化凈化廢水調整為符合所述第二電催化氧化耦合制氫裝置進水要求的第一已電催化氧化凈化廢水。

56、根據本實用新型實施例，所述第一電解制氫裝置或所述第一電催化氧化耦合制氫裝置的進水要求為：ph值為5-9，化學需氧量(codcr)≤3500mg/l，五日生化需氧量(bod5)≤200mg/l，氨氮≤1000mg/l，懸浮物≤10mg/l。

57、根據本實用新型實施例，所述第二電解制氫裝置包含獨立的多個第二電解制氫模塊，所述第二待電解水制備裝置包含能夠分別對多個第二電解制氫模塊中各第二電解制氫模塊提供第二待電解水的水儲存裝置。

58、根據本實用新型實施例，所述第一電解制氫裝置為100kw級電解制氫裝置或mw級電解制氫裝置，所述多個第二電解制氫模塊中各第二電解制氫模塊的功率比所述第一電解制氫裝置低一個數量級且分別采用10kw級電解槽或100kw級電解槽。

59、根據本實用新型實施例，所述第一待電解水制備裝置和/或所述第二待電解水制備裝置分別構成可移動撬裝結構；所述可移動撬裝結構中設置有水處理模塊配置區(qū)、水儲存模塊配置區(qū)和水泵送模塊配置區(qū)，所述水處理模塊配置區(qū)中配置安裝有選自多種不同的水處理模塊中的全部或部分水處理模塊，水儲存模塊配置區(qū)配置安裝有與安裝在所述水處理模塊配置區(qū)中的各水處理模塊一一對應相連的輸入側水儲存裝置和輸出側水儲存裝置，所述水泵送模塊配置區(qū)配置安裝有與安裝在所述水處理模塊配置區(qū)中的各水處理模塊一一對應的水泵送模塊，各水泵送模塊用于驅動與對應水處理模塊相連的輸入側水儲存裝置中的水通過該對應水處理模塊后進入與該對應水處理模塊相連的輸出側水儲存裝置。

60、根據本實用新型實施例，所述第二待電解水制備裝置包含前后依次設置的梯級反滲透膜過濾裝置、連續(xù)電解除鹽裝置以及采用拋光樹脂的離子交換除鹽設備。

61、根據本實用新型實施例，所述第二待電解水制備裝置包含前后依次設置的梯級反滲透膜過濾裝置、連續(xù)電解除鹽裝置以及采用拋光樹脂的離子交換除鹽設備；所述梯級反滲透膜過濾裝置包含前后依次設置的高壓反滲透式膜過濾裝置和低壓反滲透式膜過濾裝置，所述高壓反滲透式膜過濾裝置與所述低壓反滲透式膜過濾裝置的進水口相連，所述低壓反滲透式膜過濾裝置的清水出口與所述連續(xù)電解除鹽裝置的進水口相連，所述低壓反滲透式膜過濾裝置的濃水出口與所述第二待電解水制備裝置的進水口相連。

62、根據本實用新型實施例，所述低壓反滲透膜過濾裝置采用卷式反滲透膜過濾裝置，所述高壓反滲透式膜過濾裝置采用碟管式反滲透式膜過濾裝置。

63、下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型做進一步的說明。本實用新型的附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過實踐了解到。