[發明專利]一種利用乏風或低濃度瓦斯的直接發電方法及系統

有效

• 申請號: 201711261254.9
• 申請日: 2017-12-04
• 公開（公告）號: CN108232206B
• 公開（公告）日: 2020-09-04
• 發明（設計）人: 周福寶;凌意瀚;王鑫鑫;魏康偉;田緒沛
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M8/0612;H01M8/0662;H01M8/22
• 代理公司: 北京淮海知識產權代理事務所(普通合伙) 32205
• 代理人: 李妮

一種利用乏風或低濃度瓦斯的直接發電方法及系統，一方面將乏風或抽采的低濃度瓦斯進行脫硫除塵處理后，經過氣體分離裝置去除瓦斯中的部分氧氣，隨后進入固體氧化物燃料電池的陽極氣道參與電化學反應；另一方面，外界空氣進入固體氧化物燃料電池陰極氣道參與電化學反應，同時固體氧化物燃料電池向外界輸出直流電。本發明直接將乏風或低濃度瓦斯的化學能轉化為電能，顯著提高發電效率，不產生噪聲和氮氧化物等污染；無需增加外部重整器，降低了系統復雜性和成本；同時避免了固體氧化物燃料電池以低濃度瓦斯為燃料時的爆炸風險，可有效防止電池陽極發生氧化破壞、積碳及中毒等損害，是一種安全、可靠、高效的乏風或低濃度瓦斯發電技術。

技術領域

本發明涉及一種瓦斯利用技術領域，具體涉及一種利用乏風或低濃度瓦斯的直接發電方法及系統。

背景技術

我國煤礦乏風(又稱煤礦風排瓦斯，C_CH41％)和抽采的低濃度瓦斯(C_CH430％)所含的甲烷總量特別巨大，每年達到250億立方米以上，但是由于其中的甲烷濃度低、利用難度大，這些瓦斯氣體通常被直接排放到大氣中，造成嚴重的能源浪費和溫室氣體污染。因此，高效利用乏風和抽采的低濃度瓦斯對于緩解能源危機和改善生態環境都具有重要意義。

目前，乏風和抽采的低濃度瓦斯利用技術主要包括分離提純技術、燃燒發電技術和逆流氧化技術。分離提純技術工藝復雜、成本高，且對乏風和低濃度瓦斯的提純效率低；燃燒發電技術主要包括內燃機和燃氣輪機發電技術，該技術需要經過熱能、機械能等多級能量轉換過程才能將瓦斯中的化學能轉化為電能，其中涉及到的機械運轉部件復雜，該技術存在發電效率低(30％)、可靠性差、噪聲大等缺點，且在發電過程中排放氮氧化物等大氣污染物；逆流氧化技術主要應用于礦井乏風，該技術使超低濃度瓦斯氣體在反應器中發生緩慢氧化并放出熱量，但能量轉化率低，目前該技術主要用于礦井供熱，經濟效益較差。

固體氧化物燃料電池是一種全固態清潔高效的能量轉化裝置，可將燃料中的化學能直接轉化為電能，發電效率高(50％)，不產生氮氧化物等氣體污染物和噪音污染?，F有的固體氧化物燃料電池發電技術主要以純氫氣或純甲烷為燃料，尚未有以混有大量空氣的乏風或抽采的低濃度瓦斯為燃料的固體氧化物燃料電池發電技術。然而，若固體氧化物燃料電池以乏風或抽采的低濃度瓦斯為燃料，存在引發瓦斯爆炸的風險，并且可能出現陽極發生氧化破壞、積碳、中毒等問題。因此，目前亟需一種利用乏風或低濃度瓦斯的安全、可靠、高效的固體氧化物燃料電池直接發電技術。

發明內容

本發明的目的在于提供一種利用乏風或低濃度瓦斯的直接發電方法及系統，該方法和系統可將乏風或低濃度瓦斯中化學能直接轉化為電能，可提高發電效率和能源利用率，減少乏風和抽采的低濃度瓦斯的排放量，降低環境污染；同時，可避免乏風或低濃度瓦斯在燃料電池堆內部高溫環境下發生爆炸，避免燃料電池陽極發生氧化破壞、積碳、中毒等問題。

為實現上述目的，一種利用乏風或低濃度瓦斯的直接發電方法及系統，首先經礦井通風機排出的乏風或瓦斯抽采真空泵抽采的低濃度瓦斯進入除塵脫硫裝置進行脫硫除塵預處理，預處理后的乏風或低濃度瓦斯接著被輸送至氣體分離裝置除去部分氧氣，除去部分氧氣后的乏風或低濃度瓦斯接著進入固體氧化物燃料電池的陽極氣道參與電化學反應，同時向固體氧化物燃料電池的陰極氣道輸送外界空氣參與電化學反應，固體氧化物燃料電池向外界輸出直流電實現將乏風或低濃度瓦斯的化學能直接轉化為電能。

進一步的，所述除塵脫硫裝置將乏風或低濃度瓦斯中的硫化氫氣體含量降低至10ppm以下，將乏風或低濃度瓦斯中的粉塵含量降低至5mg/m³以下。

進一步的，所述氣體分離裝置通過膜分離或變壓吸附將氧氣從乏風或低濃度瓦斯中分離出，使分離后的乏風或低濃度瓦斯中的氧氣與甲烷之間的體積比為0.3～1，且分離后的乏風或低濃度瓦斯中氧氣體積含量不高于12％。

優選的，所述固體氧化物燃料電池的運行溫度為650℃～800℃。