CN110551542A - 利用低浓度瓦斯制备高浓度甲烷气体的控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用低浓度瓦斯制备高浓度甲烷气体的控制系统及方法，包括质子交换膜燃料电池(PEMFC)、冷冻干燥器、加压装置和变压吸附装置；将低浓度瓦斯气体通过质子交换膜燃料电池的空气极后，通过调整质子交换膜燃料电池空气极的氧气利用率，能够消耗低浓度瓦斯气体中的氧气，进而消除爆炸隐患，利用冷冻干燥器除去气体中的水蒸气，然后进入加压装置加压运行，再经变压吸附装置高效分离氮气得到副产物，而低浓度的瓦斯气体将变成高浓度甲烷燃料气体，能够有效地提高利用低浓度瓦斯利用率，避免其排到大气中，有利于环境保护。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电系统，具体是一种利用低浓度瓦斯制备高浓度甲烷气体的控制系统及方法，属于甲烷制备技术领域。
背景技术
瓦斯的主要成分是甲烷，混合气体中氧气与甲烷的体积含量比例为1.1025-3.99时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。瓦斯如果不加以利用，直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍。新版《煤矿安全规程》第148条第五项规定：抽采瓦斯的浓度低于30％时(低于浓度瓦斯)，不得作为燃气直接燃烧；可用于内燃机发电或作其他用途。而我国陆上瓦斯资源量有36.8万亿平方米，60％以上的瓦斯都是低浓度瓦斯，而低浓度瓦斯利用的关键是甲烷的浓缩以及除氧解决瓦斯爆炸问题。
为解决上述问题，现有技术中利用气体分离装置来去除瓦斯中的氧含量，如膜分离或变压吸附技术来去除瓦斯中的氧气，一般膜分离和变压吸附技术主要用来提纯和制备纯净的气体，意味着如果原料气体中该气体的含量高的话，使用该分离系统还可以得到产品，用以抵消该系统的能耗和设备投入，由于低浓度瓦斯气体中的氧气含量远少于氮气，使用该方法除掉氧气的能耗将远大于制氮的能耗，所以将该技术直接用于瓦斯气体中少量的氧的分离，从能耗和成本上来讲是不划算的。所以如何更好地除氧，以消除低浓度瓦斯气体爆炸隐患和调整其中燃料气体的成分将直接影响利用低浓度瓦斯气体制备高浓度甲烷的成本。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种利用低浓度瓦斯制备高浓度甲烷气体的控制系统及方法，能够更好地去除低浓度瓦斯中的部分氧气来消除爆炸隐患，能够调整低浓度瓦斯气体中燃料气体的成分以制备高浓度的甲烷气体。
为实现上述目的，本发明一种利用低浓度瓦斯制备高浓度甲烷气体的控制系统，包括质子交换膜燃料电池、冷冻干燥器、加压装置和变压吸附装置，其中，质子交换膜燃料电池空气极依次经冷冻干燥器、加压装置与变压吸附装置相连。
一种利用低浓度瓦斯制备高浓度甲烷气体的控制方法，将低浓度瓦斯气体通入质子交换膜燃料电池的空气极后，调整质子交换膜燃料电池空气极的氧气利用率，然后进入冷冻干燥器除去气体中的水蒸气，再经加压装置对气体进行加压，最后经变压吸附装置将气体中的氮气分离出来，制得高浓度甲烷气体。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)质子交换膜燃料电池(PEMFC)，相较于其他燃料电池，其工作温度比较低(室温-80℃)，一般阳极通氢气，阴极(空气极)通空气。工作时，阳极产生氢离子和电子，其中，氢离子穿过质子交换膜到达阴极，和阴极中的氧反应，而电子通过外电路到达阴极，当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高；发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。通过质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术来处理低浓度瓦斯气体，既能发电，又能向空气极补充氢离子，从而消耗低浓度瓦斯气体中的大部分氧气。该方法调整了混合气体中氧气和甲烷的含量比例，有效地将混合气体中的甲烷含量降低到了甲烷的爆炸极限之外，有效地消除了爆炸隐患。
2)本发明对消除了爆炸隐患后的气体进行加压运行，节约了设备体积，还以较高效率从低浓度瓦斯气体中分离出氮气，将低浓度瓦斯气体变成甲烷含量超过50％的高甲烷燃料气体，而分离出的氮气为副产物，可以应用到其他地方。本发明有效地对低浓度瓦斯进行了回收利用，提高了能源利用率，增加了洁净能源供应、减少了温室气体排放，达到了保护生命、保护资源、保护环境等多重目标。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
对于一定流量和组分含量的低浓度瓦斯气体，知道其中氧气与甲烷含量的实际比例，从安全和经济成本考虑，在保证质子交换膜燃料电池正常工作的情况下，选配合适功率的质子交换膜燃料电池。
如图所示，本发明一种利用低浓度瓦斯制备高浓度甲烷气体的控制系统，包括质子交换膜燃料电池、冷冻干燥器、加压装置和变压吸附装置，其中，质子交换膜燃料电池空气极出口依次与冷冻干燥器、加压装置与变压吸附装置相连。
具体控制方法如下：
将低浓度瓦斯气体通入质子交换膜燃料电池空气极后，通过控制调整质子交换膜燃料电池输出电流的大小来调整其空气极的氧气利用率，具体如下：利用质子交换膜燃料电池的空气极安全地消耗掉部分低浓度瓦斯气体中的氧气，通过设定质子交换膜燃料电池输出电流的大小，来实现控制具体的消耗氧气的量，从而将气体中的氧气含量降低到甲烷的爆炸极限之外(混合气体中氧气与甲烷的体积含量比例为1.1025-3.99)，然后进入冷冻干燥器除去气体中的水蒸气，再经加压装置对气体进行加压，最后经变压吸附装置对气体中的氮气进行分离，制得高浓度甲烷气体。
实施例1：在本实施例中，低浓度瓦斯气体中甲烷浓度为5％左右
将低浓度瓦斯气体通入质子交换膜燃料电池空气极后，设定合适的质子交换膜燃料电池的输出电流，以控制具体的消耗氧气的量，使氧气的利用率达到75％左右，出来的气体主要成分为4.35％CH4、65.3％N2、4.35％02、26％水蒸气，然后再通过冷冻干燥器将气体中的水蒸气除去，气体主要成分如下：5.88％CH4、88.24％N2、5.88％02，该混合气体中氧气与甲烷的体积含量比例为1，低于甲烷的爆炸极限(该极限为:氧气与甲烷的体积含量比例为1.1025-3.99)，随后进入加压装置对该气体进行加压，再经变压吸附装置将气体中的氮气分离出来，制得甲烷含量约50％的高浓度甲烷燃料气体，可以直接用于多个领域。另外，分离出的氮气为高品质氮气，可以进行回收利用，进一步提高了能源利用率，且产量和效率均超过了从空气中制得的氮气。
实施例2：在本实施例中，低浓度瓦斯气体中甲烷浓度为10％左右
将低浓度瓦斯气体通入质子交换膜燃料电池空气极后，设定合适的质子交换膜燃料电池的输出电流，以控制具体的消耗氧气的量，使氧气的利用率达到70％左右，出来的气体主要成分为8.83％CH4、62.79％N2、5.01％02、23.37％水蒸气，然后再通过冷冻干燥器将气体中的水蒸气除去，气体主要成分如下：11.52％CH4、81.94％N2、6.54％02，该混合气体中氧气与甲烷的体积含量比例为0.57，低于甲烷的爆炸极限(该极限为:氧气与甲烷的体积含量比例为1.1025-3.99)，随后进入加压装置对该气体进行加压，再经变压吸附装置将气体中的氮气分离出来，得到甲烷含量约63.79％的高浓度甲烷燃料气体，可以直接用于多个领域。另外，分离出的氮气为高品质氮气，可以进行回收利用，进一步提高了能源利用率，且产量和效率均超过了从空气中制得的氮气。
实施例3：在本实施例中，瓦斯气体中甲烷浓度为30％左右，
将低浓度瓦斯气体通入质子交换膜燃料电池，经质子交换膜燃料电池空气极后，设定合适的质子交换膜燃料电池的输出电流，以控制具体的消耗氧气的量，使氧气的利用率达到65％左右，出来的气体主要成分为27.38％CH4、50.48％N2、4.7％02、17.44％水蒸气，然后再通过冷冻干燥器将气体中的水蒸气除去，气体主要成分如下：33.16％CH4、61.14％N2、5.7％02，该混合气体中氧气与甲烷的体积含量比例为0.17，低于甲烷的爆炸极限(该极限为:氧气与甲烷的体积含量比例为1.1025-3.99)，随后进入加压装置对该气体进行加压，再经变压吸附装置将气体中的氮气分离出来，制得甲烷含量约85.33％的高浓度甲烷燃料气体，可以直接用于多个领域。另外，分离出的氮气为高品质氮气，可以进行回收利用，进一步提高了能源利用率，且产量和效率均超过了从空气中制得的氮气。
Claims (2)
1.一种利用低浓度瓦斯制备高浓度甲烷气体的控制系统，其特征在于，包括质子交换膜燃料电池、冷冻干燥器、加压装置和变压吸附装置，其中，质子交换膜燃料电池空气极依次经冷冻干燥器、加压装置与变压吸附装置相连。
2.一种利用低浓度瓦斯制备高浓度甲烷气体的控制方法，其特征在于，将低浓度瓦斯气体通入质子交换膜燃料电池的空气极后，调整质子交换膜燃料电池空气极的氧气利用率，然后进入冷冻干燥器除去气体中的水蒸气，再经加压装置对气体进行加压，最后经变压吸附装置将气体中的氮气分离出来，制得高浓度甲烷气体。
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