一种利用乏风或低浓度瓦斯的直接发电方法及系统技术方案

一种利用乏风或低浓度瓦斯的直接发电方法及系统，一方面将乏风或抽采的低浓度瓦斯进行脱硫除尘处理后，经过气体分离装置去除瓦斯中的部分氧气，随后进入固体氧化物燃料电池的阳极气道参与电化学反应；另一方面，外界空气进入固体氧化物燃料电池阴极气道参与电化学反应，同时固体氧化物燃料电池向外界输出直流电。本发明专利技术直接将乏风或低浓度瓦斯的化学能转化为电能，显著提高发电效率，不产生噪声和氮氧化物等污染；无需增加外部重整器，降低了系统复杂性和成本；同时避免了固体氧化物燃料电池以低浓度瓦斯为燃料时的爆炸风险，可有效防止电池阳极发生氧化破坏、积碳及中毒等损害，是一种安全、可靠、高效的乏风或低浓度瓦斯发电技术。

【技术实现步骤摘要】
一种利用乏风或低浓度瓦斯的直接发电方法及系统
本专利技术涉及一种瓦斯利用
，具体涉及一种利用乏风或低浓度瓦斯的直接发电方法及系统。
技术介绍
我国煤矿乏风(又称"煤矿风排瓦斯"，CCH4<1％)和抽采的低浓度瓦斯(CCH4<30％)所含的甲烷总量特别巨大，每年达到250亿立方米以上，但是由于其中的甲烷浓度低、利用难度大，这些瓦斯气体通常被直接排放到大气中，造成严重的能源浪费和温室气体污染。因此，高效利用乏风和抽采的低浓度瓦斯对于缓解能源危机和改善生态环境都具有重要意义。目前，乏风和抽采的低浓度瓦斯利用技术主要包括分离提纯技术、燃烧发电技术和逆流氧化技术。分离提纯技术工艺复杂、成本高，且对乏风和低浓度瓦斯的提纯效率低；燃烧发电技术主要包括内燃机和燃气轮机发电技术，该技术需要经过热能、机械能等多级能量转换过程才能将瓦斯中的化学能转化为电能，其中涉及到的机械运转部件复杂，该技术存在发电效率低(<30％)、可靠性差、噪声大等缺点，且在发电过程中排放氮氧化物等大气污染物；逆流氧化技术主要应用于矿井乏风，该技术使超低浓度瓦斯气体在反应器中发生缓慢氧化并放出热量，但能量转化率低，目前该技术主要用于矿井供热，经济效益较差。固体氧化物燃料电池是一种全固态清洁高效的能量转化装置，可将燃料中的化学能直接转化为电能，发电效率高(>50％)，不产生氮氧化物等气体污染物和噪音污染。现有的固体氧化物燃料电池发电技术主要以纯氢气或纯甲烷为燃料，尚未有以混有大量空气的乏风或抽采的低浓度瓦斯为燃料的固体氧化物燃料电池发电技术。然而，若固体氧化物燃料电池以乏风或抽采的低浓度瓦斯为燃料，存在引发瓦斯爆炸的风险，并且可能出现阳极发生氧化破坏、积碳、中毒等问题。因此，目前亟需一种利用乏风或低浓度瓦斯的安全、可靠、高效的固体氧化物燃料电池直接发电技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用乏风或低浓度瓦斯的直接发电方法及系统，该方法和系统可将乏风或低浓度瓦斯中化学能直接转化为电能，可提高发电效率和能源利用率，减少乏风和抽采的低浓度瓦斯的排放量，降低环境污染；同时，可避免乏风或低浓度瓦斯在燃料电池堆内部高温环境下发生爆炸，避免燃料电池阳极发生氧化破坏、积碳、中毒等问题。为实现上述目的，一种利用乏风或低浓度瓦斯的直接发电方法及系统，首先经矿井通风机排出的乏风或瓦斯抽采真空泵抽采的低浓度瓦斯进入除尘脱硫装置进行脱硫除尘预处理，预处理后的乏风或低浓度瓦斯接着被输送至气体分离装置除去部分氧气，除去部分氧气后的乏风或低浓度瓦斯接着进入固体氧化物燃料电池的阳极气道参与电化学反应，同时向固体氧化物燃料电池的阴极气道输送外界空气参与电化学反应，固体氧化物燃料电池向外界输出直流电实现将乏风或低浓度瓦斯的化学能直接转化为电能。进一步的，所述除尘脱硫装置将乏风或低浓度瓦斯中的硫化氢气体含量降低至10ppm以下，将乏风或低浓度瓦斯中的粉尘含量降低至5mg/m3以下。进一步的，所述气体分离装置通过膜分离或变压吸附将氧气从乏风或低浓度瓦斯中分离出，使分离后的乏风或低浓度瓦斯中的氧气与甲烷之间的体积比为0.3～1，且分离后的乏风或低浓度瓦斯中氧气体积含量不高于12％。优选的，所述固体氧化物燃料电池的运行温度为650℃～800℃。优选的，所述固体氧化物燃料电池采用Ni基阳极。一种利用乏风或低浓度瓦斯的直接发电方法及系统，包括矿井通风机或瓦斯抽采真空泵、脱硫除尘装置、气体分离装置和固体氧化物燃料电池，所述矿井通风机或瓦斯抽采真空泵与脱硫除尘装置连接，脱硫除尘装置与气体分离装置连接，气体分离装置与固体氧化物燃料电池连接。本专利技术一方面将矿井通风机排出的乏风或瓦斯抽采真空泵抽采的低浓度瓦斯进行脱硫除尘处理后，经过气体分离装置去除瓦斯中的部分氧气，随后进入固体氧化物燃料电池的阳极气道参与电化学反应，经气体分离装置分离出的纯氧气收集起来储备待用(如煤矿应急救援系统供氧等)；另一方面，外界空气进入固体氧化物燃料电池的阴极气道参与电化学反应，同时固体氧化物燃料电池向外界输出直流电实现将乏风或低浓度瓦斯的化学能直接转化为电能。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术中固体氧化物燃料电池将乏风或低浓度瓦斯中的化学能直接转化为电能，不受卡诺循环效率限制，避免了内燃机或燃气轮机发电的多级能量转化过程，发电效率高，并且发电过程无噪音，不产生氮氧化物等空气污染物；(2)本专利技术中脱硫除尘装置对乏风或低浓度瓦斯进行适当的除尘脱硫预处理，从而避免乏风或低浓度瓦斯中的粉尘、硫化氢气体对燃料电池阳极造成损害；(3)本专利技术中气体分离装置将乏风或低浓度瓦斯中的部分氧气分离，从而避免乏风或低浓度瓦斯在燃料电池堆内部高温环境下发生爆炸，适当浓度的氧气既可防止高氧气浓度对电池阳极的损害，也可避免燃料电池阳极发生积碳；(4)本专利技术中气体分离装置只需分离部分氧气，不需分离氮气，对分离技术的要求较低，分离成本较低；(5)本专利技术中固体氧化物燃料电池的运行温度保证了固体氧化物燃料电池具有较高的发电功率，不影响电池运行的长期稳定性，同时降低了对燃料电池材料的性能要求；(6)本专利技术中固体氧化物燃料电池采用Ni基阳极支撑燃料电池，可促进低浓度瓦斯在电池内部的阳极区发生内重整反应，生成氢气、一氧化碳等易参与电化学反应的气体，避免使用外部重整器，降低了系统复杂性和成本。附图说明图1是本专利技术的系统装置图；图中：1、脱硫除尘装置，2、气体分离装置，3、固体氧化物燃料电池。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术作进一步详细说明。如图1所示，一种利用乏风或低浓度瓦斯的直接发电方法，首先经矿井通风机排出的乏风或瓦斯抽采真空泵抽采的低浓度瓦斯进入除尘脱硫装置1进行脱硫除尘预处理，预处理后的乏风或低浓度瓦斯接着被输送至气体分离装置2除去部分氧气，除去部分氧气后的乏风或低浓度瓦斯接着进入固体氧化物燃料电池3的阳极气道参与电化学反应，同时，向固体氧化物燃料电池3的阴极气道输送外界空气参与电化学反应，固体氧化物燃料电池4向外界输出直流电实现将乏风或低浓度瓦斯中的化学能直接转化为电能。为了进一步避免乏风或低浓度瓦斯中的粉尘、硫化氢气体对电池阳极造成损害，所述除尘脱硫装置1将乏风或低浓度瓦斯中的硫化氢气体含量降低至10ppm以下，将乏风或低浓度瓦斯中的粉尘含量降低至5mg/m3以下。为了进一步避免乏风或低浓度瓦斯在燃料电池堆内部高温环境下发生爆炸，同时进一步防止电池阳极发生氧化破坏或积碳，所述气体分离装置2通过膜分离或变压吸附分离将部分氧气从乏风或低浓度瓦斯中分离出去，使分离后的乏风或瓦斯中的氧气与甲烷之间的体积比为0.3～1，且分离后的乏风或低浓度瓦斯中氧气体积含量不高于12％。为了提高固体氧化物燃料电池3的发电功率，不影响电池运行的长期稳定性，同时降低燃料电池堆材料性能要求，所述固体氧化物燃料电池3的运行温度为650℃～800℃。为了进一步促进低浓度瓦斯在电池内部的阳极区发生内重整反应，生成氢气、一氧化碳等易参与电化学反应的气体，避免使用外部重整器，减少系统复杂性，降低成本，所述固体氧化物燃料电池3采用Ni基阳极支撑燃料电池。如图1所示，一种利用乏风或低浓度瓦斯的直接发电系统，包括矿井通风本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用乏风或低浓度瓦斯的直接发电方法，其特征在于，首先经矿井通风机排出的乏风或瓦斯抽采真空泵抽采的低浓度瓦斯进入除尘脱硫装置(1)进行脱硫除尘预处理，预处理后的乏风或低浓度瓦斯接着被输送至气体分离装置(2)除去部分氧气，除去部分氧气后的乏风或低浓度瓦斯接着进入固体氧化物燃料电池(3)的阳极气道参与电化学反应，同时向固体氧化物燃料电池(3)的阴极气道输送外界空气参与电化学反应，固体氧化物燃料电池(3)向外界输出直流电实现将乏风或低浓度瓦斯的化学能直接转化为电能。

【技术特征摘要】
1.一种利用乏风或低浓度瓦斯的直接发电方法，其特征在于，首先经矿井通风机排出的乏风或瓦斯抽采真空泵抽采的低浓度瓦斯进入除尘脱硫装置(1)进行脱硫除尘预处理，预处理后的乏风或低浓度瓦斯接着被输送至气体分离装置(2)除去部分氧气，除去部分氧气后的乏风或低浓度瓦斯接着进入固体氧化物燃料电池(3)的阳极气道参与电化学反应，同时向固体氧化物燃料电池(3)的阴极气道输送外界空气参与电化学反应，固体氧化物燃料电池(3)向外界输出直流电实现将乏风或低浓度瓦斯的化学能直接转化为电能。2.根据权利要求1所述的一种利用乏风或低浓度瓦斯的直接发电方法，其特征在于，所述除尘脱硫装置(1)将乏风或低浓度瓦斯中的硫化氢气体含量降低至10ppm以下，将乏风或低浓度瓦斯中的粉尘含量降低至5mg/m3以下。3.根据权利要求1或2所述的一种利用乏风或低浓度瓦斯的直接发电方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：周福宝，凌意瀚，王鑫鑫，魏康伟，田绪沛，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32