CN103545884A - 一种湿式化学燃烧瓦斯发电工艺 - Google Patents

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狄小伟
王金生
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Abstract

本发明涉及一种湿式化学燃烧瓦斯发电的方法，包括以下步骤：将瓦斯气先后经过净化和流速调节后通入到甲烷燃料电池的电极，同时将空气也通入到甲烷燃料电池的电极；所述瓦斯气和空气在电极处混合并与电解质溶液发生反应，产生直流电，用蓄电池组将产生的直流电储存下来；将所述蓄电池组储存下来的直流电通向逆变装置，得到交流电，再通过变压器和并网装置后，输送至电网。采用本发明以燃料电池为核心的湿式燃烧瓦斯发电方法，可以将瓦斯气以化学反应的方式，直接将化学能转化为电能，发电效率高，基本无噪音污染，运行稳定，对瓦斯气体浓度适应范围广。

Description

一种湿式化学燃烧瓦斯发电工艺
技术领域
本发明涉及一种瓦斯发电工艺，尤其涉及一种湿式化学燃烧瓦斯发电工艺，属于燃气发电领域。
背景技术
传统瓦斯发电工艺主要是将瓦斯气作为燃料通过在内燃机组发动气缸内燃烧做功，推动活塞带动曲轴。从而拖动发电机发电，表现为由热机的形式进行能量转化，一般发电效率只能达到30%～40%，存在有噪音大、效率低、有二次污染等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型瓦斯发电工艺，利用以甲烷燃料电池产生电能并消耗瓦斯气体为核心，解决现有技术中发电效率低下的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种湿式化学燃烧瓦斯发电的方法，包括以下步骤：
（1）将瓦斯气先后经过净化和流速调节后通入到甲烷燃料电池的电极，同时将空气也通入到甲烷燃料电池的电极；
（2）所述瓦斯气和空气在电极处混合并与电解质溶液发生反应，产生直流电，用蓄电池组将产生的直流电储存下来；
（3）将所述蓄电池组储存下来的直流电通向逆变装置，得到交流电，再通过变压器和并网装置后，输送至电网。
本发明的有益效果是：采用本发明以燃料电池为核心的湿式燃烧瓦斯发电方法，可以将瓦斯气以化学反应的方式，直接将化学能转化为电能，发电效率高（最高可达到70%以上），基本无噪音污染，运行稳定，对瓦斯气体浓度适应范围广。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述步骤（1）中甲烷燃料电池为酸性介质下的甲烷燃料电池或碱性介质下的甲烷燃料电池。
甲烷燃料电池是本发明中主要电能转化装置，主要原理是一种通过燃料和氧化剂(一般是氧气)在电极附近参与原电池反应的化学电源。由于煤层气瓦斯气体中主要成分是甲烷（CH4），所采用燃料电池就是主要是利用甲烷作为燃料的电池。
目前主要采用两种形式的燃料电池：
碱性介质下的甲烷燃料电池：
负极：CH4+10OH--8e-——CO3 2-+7H2O；
正极：2O2+8e-+4H2O——8OH-；
离子方程式为：CH4+2O2+2OH-——CO3 2-+3H2O；
总反应方程式为：CH4+2O2+2KOH——K2CO3+3H2O；
酸性介质下的甲烷燃料电池：
负极：CH4-8e-+2H2O——CO2+8H+；
正极：2O2+8e-+8H+——4H2O；
总反应方程式为：2O2+CH4——2H2O+CO2；
甲烷燃料电池化学方程式：
CH4+2O2+2OH-——CO3 2-+3H20。
进一步，所述步骤（2）中电解质溶液发生反应后，通过电解质溶液处理剂补充系统进行补充和再生处理，得到再生的电解质溶液和废液，所述再生的电解质溶液回到甲烷燃料电池继续反应，所述废液经处理达标后排放。
采用上述进一步方案的有益效果是随着电池不断放电，电解质溶液的碱性减小，电解质溶液处理及补充系统主要就是通过对燃料电池系统中电解质溶液进行补充和在生处理，以保证电解质溶液的活性，其产生的废液处理达标后排放，降低对环境的污染。
瓦斯气的净化通过瓦斯气体净化装置实现，瓦斯气体净化装置可以去除瓦斯气中的杂质，提高瓦斯气中甲烷的含量。瓦斯气的流速调节通过调节装置实现，调节装置可调整瓦斯气进入甲烷燃料电池的速率，空气进气系统有可调整空气进入甲烷燃料电池的速率。通入空气由空气进气装置实现。逆变装置包括了逆变器，逆变器按激励方式，可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变，主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电，通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压等，达到并网条件并入当地电网运行。
本发明还包括了控制系统，控制系统主要控制调节装置、空气进气系统、逆变系统和并网系统。控制系统主要实现三大功能：瓦斯气与空气自动供给、充电与放点控制和并网以及功率调节控制。
控制系统通过对燃料电池组各项参数测定自动调整进入燃料电池的瓦斯气和空气的比例和流量已达到燃料的充分供给和合理调节，使进入燃料电池的瓦斯气能够充分反应，燃料电池组始终处于发电的最大功率点附近，以获得最高效率。而充电控制通常采用脉冲宽度调制技术即PWM控制方式，使整个系统始终运行于最大功率点Pm附近区域。放电控制主要是指当电池缺电、系统故障等情况时切断开关，以实现对系统的保护。
电解质溶液处理剂补充系统和废液处理，这些工艺均采用传统甲烷燃料电池中的处理方式，使电解质溶液循环利用，废液处理达标后排放。
附图说明
图1为本发明的方法工艺的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种湿式化学燃烧瓦斯发电的方法，包括以下步骤：
（1）将瓦斯气先后经过净化和流速调节后通入到甲烷燃料电池的电极，同时将空气也通入到甲烷燃料电池的电极；
（2）所述瓦斯气和空气在电极处混合并与电解质溶液发生反应，产生直流电，用蓄电池组将产生的直流电储存下来；
（3）将所述蓄电池组储存下来的直流电通向逆变装置，得到交流电，再通过变压器和并网装置后，输送至电网。
所述步骤（1）中甲烷燃料电池为酸性介质下的甲烷燃料电池或碱性介质下的甲烷燃料电池。
所述步骤（2）中电解质溶液发生反应后，通过电解质溶液处理剂补充系统进行补充和再生处理，得到再生的电解质溶液和废液，所述再生的电解质溶液回到甲烷燃料电池继续反应，所述废液经处理达标后排放。
瓦斯气的净化通过瓦斯气体净化装置实现，净化可除去灰尘、水分等杂质；瓦斯气的流速调节通过调节装置实现，一般控制其流速在140～380L/min；通入空气由空气进气装置实现，一般控制其流速在1400～2850L/min。
本发明还包括了控制系统，控制系统主要控制调节装置、空气进气系统、逆变系统和并网系统。
实施例1
将流量为8.5m3/h瓦斯气通入瓦斯气净化装置，除去了杂质（灰尘、水分等），得到较纯净的瓦斯气，其中甲烷含量为65%，经过调节装置控制其流速为140L/min通入到甲烷燃料电池的电极附近；同时空气进气系统将空气按其流速为1400L/min也通入到甲烷燃料电池的电极附近；
所述上述瓦斯气和空气分别在电极附近与电解质溶液混合发生反应，产生直流电（DC110V，320A，35KW），用蓄电池组将产生的直流电储存下来；
将所述蓄电池组储存下来的直流电（DC110V）通向逆变装置，得到交流电（AC400V），再通过变压器和并网装置后，输送至电网。发电效率为58%。
实施例2
将流量为18m3/h瓦斯气通入瓦斯气净化装置，除去了杂质（灰尘、水分等），得到较纯净的瓦斯气，其中甲烷含量为38%，经过调节装置控制其流速为300L/min通入到甲烷燃料电池的电极附近；同时空气进气系统将空气按其流速为1600L/min也通入到甲烷燃料电池的电极附近；
所述上述瓦斯气和空气分别在电极附近与电解质溶液混合发生反应，产生直流电（DC130V，308A，40KW），用蓄电池组将产生的直流电储存下来；
将所述蓄电池组储存下来的直流电（DC130V）通向逆变装置，得到交流电（AC400V），再通过变压器和并网装置后，输送至电网。发电效率为52%。
实施例3
将流量为23m3/h瓦斯气通入瓦斯气净化装置，除去了杂质（灰尘、水分等），得到较纯净的瓦斯气，其中甲烷含量为52%，经过调节装置控制其流速为380L/min通入到甲烷燃料电池的电极附近；同时空气进气系统将空气按其流速为2850L/min也通入到甲烷燃料电池的电极附近；
所述上述瓦斯气和空气分别在电极附近与电解质溶液混合发生反应，产生直流电（DC220V，380A，85KW），用蓄电池组将产生的直流电储存下来；
将所述蓄电池组储存下来的直流电（DC220V）通向逆变装置，得到交流电（AC400V），再通过变压器和并网装置后，输送至电网。发电效率为66%。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种湿式化学燃烧瓦斯发电的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将瓦斯气先后经过净化和流速调节后通入到甲烷燃料电池的电极，同时将空气也通入到甲烷燃料电池的电极；
（2）所述瓦斯气和空气在电极处混合并与电解质溶液发生反应，产生直流电，用蓄电池组将产生的直流电储存下来；
（3）将所述蓄电池组储存下来的直流电通向逆变装置，得到交流电，再通过变压器和并网装置后，输送至电网。
2.根据权利要求1所述湿式化学燃烧瓦斯发电的方法，其特征在于，所述步骤（1）中甲烷燃料电池为酸性介质下的甲烷燃料电池或碱性介质下的甲烷燃料电池。
3.根据权利要求1所述湿式化学燃烧瓦斯发电的方法，其特征在于，所述步骤（2）中电解质溶液发生反应后，通过电解质溶液处理剂补充系统进行补充和再生处理，得到再生的电解质溶液和废液，所述再生的电解质溶液回到甲烷燃料电池继续反应，所述废液经处理达标后排放。
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