一种金刚石生长和废热养殖的协同方法及系统与流程

本技术涉及废热回收利用的，尤其是涉及一种金刚石生长和废热养殖的协同方法及系统。

背景技术：

1、目前，微波等离子体化学气相沉积（mpcvd）是制备高品质金刚石单晶和多晶的主流工艺路线。mpcvd金刚石生产工艺采用市政工业电网供电，以氢气和甲烷的混合气体作为反应气源，在密闭反应腔体内通过微波激发等离子体，实现金刚石的沉积生长。mpcvd设备需长时间连续运行，由于磁控管微波转换效率仅约60%-70%，剩余能量以及等离子体辐射热通过冷却水带走，腔体壁面、微波源和磁控管持续产生大量余热。以微波功率75kw的mpcvd设备为例，冷却水带走的余热功率约为30-50kw，冷却水出口温度通常为40-60℃，属于低品位余热。为保障设备安全运行，mpcvd设备通常配置闭式冷却水循环系统，冷却水吸收上述余热后温度升高，再经冷却塔或风冷散热装置强制降温后重新进入设备冷却回路，如此循环往复。在上述冷却过程中，冷却水所携带的热量通过冷却塔或风冷装置直接向大气环境排放。

2、针对上述中的相关技术：mpcvd金刚石生产过程中冷却水所携带的大量低品位余热被直接排放至环境，既造成能源浪费，又加剧了厂区周边的热污染。

技术实现思路

1、为了解决mpcvd金刚石生产过程中冷却水所携带的大量低品位余热被直接排放至环境所造成的能源浪费和热污染问题，本技术提供一种金刚石生长和废热养殖的协同方法及系统。

2、第一方面，本技术提供的一种金刚石生长和废热养殖的协同方法，采用如下的技术方案：

3、一种金刚石生长和废热养殖的协同方法，包括以下步骤：

4、在mpcvd设备进行金刚石沉积生长过程中，利用冷却水持续吸收所述mpcvd设备运行产生的余热，使所述冷却水升温，形成温升后的冷却水；

5、通过换热设备将所述温升后的冷却水与养殖循环水进行间接换热，所述冷却水在所述换热设备内释放热量后降温，所述养殖循环水吸收热量后被加热至目标温度范围；

6、降温后的所述冷却水重新返回所述mpcvd设备继续吸收余热，形成闭式循环散热回路；

7、被加热后的所述养殖循环水输送至养殖池供养殖使用，从所述养殖池流出的水经水质处理后再次进入所述换热设备被加热，形成养殖水循环回路。

8、进一步地，所述温升后的冷却水温度为40-60℃，所述目标温度范围为22-30℃，所述mpcvd设备进行金刚石沉积生长的工艺参数为：微波功率10-75kw，反应腔体内压力100-200torr，基底沉积温度900-1200℃，氢气与甲烷的体积比为95:5至99:1。

9、进一步地，所述冷却水与所述养殖循环水通过所述换热设备的传热壁面物理隔离后进行间接换热；

10、所述水质处理包括沿水流方向依次进行的过滤处理、生物处理和杀菌处理，养殖循环水从所述养殖池回流后依次经过上述各处理后，再进入所述换热设备进行间接换热。

11、进一步地，还包括双工况切换控制步骤：

12、正常工况下，当所述养殖池内水温超过所述目标温度范围的上限时，减小进入所述换热设备的冷却水流量以减少热量传递，并通过切换阀组将备用散热模块切入所述养殖水循环回路，使部分养殖循环水经所述备用散热模块散热后再汇入所述养殖水循环回路，进行辅助散热冷却；

13、当所述mpcvd设备停机时，切换至备用工况，通过所述切换阀组将所述备用散热模块退出所述养殖水循环回路，并启动串联在所述养殖水循环回路上的辅助电加热装置对所述养殖循环水加热，以维持所述养殖池内水温恒定。

14、进一步地，提供光伏发电单元及风力发电单元，所述光伏发电单元和所述风力发电单元通过供电母线为所述mpcvd设备供电；

15、当可再生能源发电量超过所述mpcvd设备的用电需求时，多余电能驱动电解水制氢单元产氢并存储于储氢罐中；

16、当可再生能源发电量不足时，所述储氢罐释放氢气至燃料电池发电，以维持所述mpcvd设备的连续稳定运行。

17、进一步地，将所述储氢罐中存储的氢气经氢气纯化模块纯化后，与甲烷储罐中的甲烷在混气模块内按体积比95:5至99:1混合后通入所述mpcvd设备的反应腔体，作为金刚石沉积的工艺气源；

18、收集所述mpcvd设备排出的含氢气和碳氢化合物的废气，经气体净化单元净化处理后，将净化后的气体输送至所述燃料电池作为燃料进行发电；

19、将所述养殖池排出的尾水经尾水净化模块净化后，分为两路：第一路用于所述冷却水的补水，第二路用于绿化灌溉。

20、第二方面，本技术提供一种金刚石生长和废热养殖的协同系统，采用如下的技术方案：

21、一种金刚石生长和废热养殖的协同系统，包括：

22、mpcvd设备，用于进行金刚石沉积生长；

23、冷却水回路，与所述mpcvd设备连接，冷却水在所述冷却水回路中循环流动，持续吸收所述mpcvd设备运行产生的余热，形成温升后的冷却水；

24、养殖池，所述养殖池内存储有养殖循环水，所述养殖池上连通有养殖水循环回路；

25、换热设备，所述换热设备上设置有相互隔离的热侧通道和冷侧通道，所述热侧通道与所述冷却水回路连通，所述冷侧通道与所述养殖水循环回路连通，所述冷却水通过所述冷却水回路在所述mpcvd设备和所述换热设备之间循环流动，所述养殖循环水通过所述养殖水循环回路在所述换热设备与养殖池之间循环流动。

26、通过采用上述技术方案，冷却水回路与养殖水循环回路在换热设备的热侧通道与冷侧通道内实现物理隔离的间接换热，冷却水将mpcvd设备余热持续输送至换热设备，养殖循环水在换热设备中吸收余热后被加热至水产养殖所需的温度区间，避免了mpcvd设备采用冷却塔耗电散热造成的能源浪费，同时替代了水产养殖传统电加热或锅炉加热的能耗消耗，实现了金刚石生产余热向水产养殖热需求的跨界传递。

27、可选的，所述换热设备为板式换热器，所述热侧通道和所述冷侧通道在所述板式换热器内物理隔离且互不接触；所述养殖水循环回路上设置有水质处理单元，所述养殖循环水从所述养殖池回流后经所述水质处理单元净化，再进入所述换热设备。

28、通过采用上述技术方案，板式换热器的热侧通道与冷侧通道通过金属板片物理隔离，杜绝冷却水中杂质进入养殖水体，保障水产养殖生物安全；养殖循环水回水经水质处理单元净化后再进入换热设备，避免污染物在板片表面附着形成生物膜或水垢，维持换热设备换热系数长期稳定。

29、可选的，还包括备用散热模块、切换阀组和辅助电加热装置，所述备用散热模块通过所述切换阀组连接于所述养殖水循环回路上并与所述换热设备并联设置，所述辅助电加热装置串联设置于所述养殖水循环回路上且位于所述换热设备的出水侧与所述养殖池之间，所述冷却水回路上设置有流量调节阀。

30、通过采用上述技术方案，通过切换阀组与辅助电加热装置的协同配合，使系统能够在mpcvd设备产能波动导致余热过剩或mpcvd设备停机等多种异常工况下保持养殖水温的稳定控制，养殖水温波动≤±1℃，提高了水产养殖的安全性和系统对mpcvd设备启停工况的适应性。

31、可选的，还包括发电模块、氢气纯化模块、甲烷储罐、混气模块、废气收集模块、气体净化单元、尾水净化模块和绿化模块；

32、所述发电模块包括光伏发电单元、风力发电单元、电解水制氢单元、储氢罐和燃料电池，所述光伏发电单元和所述风力发电单元均通过供电母线与所述mpcvd设备电性连接，所述供电母线与所述电解水制氢单元电性连接，所述电解水制氢单元通过管路与所述储氢罐的进气口连通，所述储氢罐的出气口通过管路与所述燃料电池连通，所述燃料电池与所述供电母线电性连接；

33、所述储氢罐的出气口连通有第一支路管道，所述第一支路管道与所述氢气纯化模块连通，所述氢气纯化模块与所述混气模块连通，所述甲烷储罐与所述混气模块连通，所述混气模块的出气口与所述mpcvd设备的反应腔体连通；

34、所述废气收集模块与所述mpcvd设备的排气口连通，所述废气收集模块与所述气体净化单元连通，所述燃料电池的燃料入口与所述气体净化单元连通；

35、所述尾水净化模块的进水口与所述养殖水循环回路连通，所述尾水净化模块的出水口分为两路，第一路与所述冷却水回路连通，第二路与所述绿化模块连通。

36、通过采用上述技术方案，构建了完整的零碳协同闭环：可再生能源发电系统提供绿电，富余电力通过电解水制氢储能，供电不足时由燃料电池补能，解决了可再生能源间歇性问题；绿氢纯化后回用为mpcvd工艺气源，从气源环节消除碳排放；mpcvd工艺废气经净化后送入燃料电池发电，实现残余化学能回收；养殖尾水经净化后分别补充冷却水和灌溉绿化系统，实现废水资源化利用；该系统将金刚石生产与水产养殖的物质流、能量流和水流进行了深度耦合，实现了整个协同系统的零碳排放。

37、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

38、1.将mpcvd设备冷却水中40-60℃的低品位余热定向传递给水产养殖系统，替代了冷却塔向大气散热和养殖端独立加温设备，一份热量同时满足工业散热和农业加温两项需求，消除了余热的无效排放和热污染；

39、2.通过间接换热的物理隔离结构和水质处理单元，保障了工业冷却水与养殖水体之间的水质安全隔离，避免了跨行业能量耦合中的生物安全风险；

40、3.通过光伏和风力发电、电解水制氢储氢、燃料电池补能的可再生能源协同供能体系，解决了可再生能源间歇性问题，实现了mpcvd设备的连续稳定运行和能源低碳化。