CN110661014A - 一种高效低浓度瓦斯发电系统及其控制方法 - Google Patents

一种高效低浓度瓦斯发电系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高效低浓度瓦斯发电系统及其控制方法，包括质子交换膜燃料电池、冷凝器、脱硫器、固体氧化物燃料电池、换热器A、换热器B和燃烧器；将低浓度瓦斯气体通过质子交换膜燃料电池的空气极，在比较低的工作温度下，通过质子交换膜燃料电池技术既能发电，又能向空气极补充氢离子，通过调整空气极的气体利用率，能够消耗低浓度瓦斯气体中的氧气，进而消除爆炸隐患，再通过调节冷凝器的温度，对气体中的水蒸气进行冷凝，以提供燃料重整所需比例合适的水蒸气，最后经脱硫器除硫后，作为固体氧化物燃料电池的燃料气体发电，发电效率效率高，热电联供综合效率高，且能够有效地利用低浓度瓦斯，避免其排到大气中，有利于环境保护。

Description

一种高效低浓度瓦斯发电系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种发电系统，具体是一种高效低浓度瓦斯发电系统及其控制方法，属于发电设备技术领域。
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，中国工程院周院士认为：“低浓度瓦斯发电机组，适合我国煤矿点多量小的能耗，堪称破解我国煤矿瓦斯难题的金钥匙”。瓦斯发电既可以补偿瓦斯抽采的能耗，有效地解决煤矿瓦斯事故，改善煤矿安全生产条件，又有利于增加洁净能源供应、减少室温气体排放，达到保护生命、保护资源、保护环境的多重目标。
传统的发电技术由于受卡诺循环的限制，其发电效率比较低下，而SOFC(固体氧化物燃料电池)是一种新型的发电设备，可以将燃料中的化学能直接清洁高效地转化为电能，其发电效率可高达65％，如果再将其尾气余热以热水的方式进行回收，综合效率高达85％，是目前公认的效率最高的发电技术，且燃料适应性广，而低浓度瓦斯气体就可以用做这种发电装置的燃料。但是由于瓦斯气体的爆炸特性，以及SOFC高温运行的特点(工作温度700-1000℃)，所以不能直接将瓦斯气体通入该装置，需要除氧。例如，专利CN108232206A中提到利用气体分离装置，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，从能耗和成本上是不划算的。因此，如何更好调整低浓度瓦斯气体中燃料气体的成分，降低其氧气含量，避免低浓度瓦斯应用到SOFC发电系统中发生爆炸的现象，成为目前亟需解决的技术问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种高效低浓度瓦斯发电系统及其控制方法，能够较好地调整低浓度瓦斯气体中燃料气体的成分，降低其氧气含量，避免低浓度瓦斯气体应用到SOFC发电系统中发生爆炸现象，同时能够克服卡诺循环的限制。
为实现上述目的，本发明一种高效低浓度瓦斯发电系统，包括质子交换膜燃料电池、冷凝器、脱硫器、固体氧化物燃料电池、换热器A、换热器B和燃烧器；其中，质子交换膜燃料电池空气极依次经冷凝器、脱硫器与固体氧化物燃料电池阳极进口相连，固体氧化物燃料电池阳极出口与燃烧器进口相连，固体氧化物燃料电池阴极出口经换热器B与燃烧器进口相连，燃烧器出口与换热器A进口相连，换热器A出口经换热器B进口与固体氧化物燃料电池阴极进口相连。
进一步，还包括换热器C，换热器C进口与换热器A出口相连。
一种高效低浓度瓦斯发电系统控制方法，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，然后进入冷凝器进行冷凝，通过调整冷凝器的温度，对气体中的水蒸气含量进行控制，冷凝后的低浓度瓦斯气体作为燃料气体通入固体氧化物燃料电池的阳极；
同时，外界空气依次经换热器A、换热器B两次换热后，通入固体氧化物燃料电池阴极，当固体氧化物燃料电池达到发电的工作温度后，其阴阳极气体在其内部发生电化学反应，输出电能。
其中，换热方法如下：
1)固体氧化物燃料电池阳极未反应完全的燃料气体进入燃烧器进行催化燃烧，燃烧后的尾气进入换热器A，同时，固体氧化物燃料电池阴极空气尾气进入换热器B；
2)外界空气经换热器A与燃烧器尾气进行热交换，完成第一次换热，换热后的燃烧器尾气排到大气中；
第一次换热后的外界空气，再经换热器B与固体氧化物燃料电池阴极空气尾气进行热交换，完成第二次换热，换热后的外界空气通入固体氧化物燃料电池阴极，与燃料气体在固体氧化物燃料电池内发生电化学反应，输出电能；换热后的空气尾气则进入燃烧器，与未完全反应的燃料气体进行催化燃烧，执行步骤(1)。
进一步，经换热器A换热后的燃烧器尾气，再经换热器C与冷水换热，得到日常可用的热水。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明采用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)技术既能发电，又能向空气极补充氢离子，消耗低浓度瓦斯气体中的大部分氧气，调整了混合气体中氧气和甲烷的含量的比例，将甲烷降低到了爆炸极限之外，有效地消除了爆炸隐患，避免了低浓度瓦斯气体应用到固体氧化物燃料电池中发生爆炸的现象。
2)本发明通过调节冷凝器的温度，还可以提供燃料气体重整所需比例合适的水蒸气，无需额外向气体中输入水蒸气，处理后的低浓度瓦斯气体经脱硫器除硫后，作为固体氧化物燃料电池(SOFC)的燃料气体发电，固体氧化物燃料电池未完全反应的燃料气体以及空气尾气通过燃烧器，完全将化学能转变为热能，得到高温余热，并通过换热器进行能量回收再利用，发电效率超过45％，热电联供综合效率超过60％，回收的电力可以用于补充瓦斯抽采的能耗，有效地改善了煤矿安全生产条件，同时有效地对低浓度瓦斯进行了回收利用，有利于增加洁净能源供应、减少温室气体排放，达到了保护生命、保护资源、保护环境的多重目标。
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，本发明一种高效低浓度瓦斯发电系统，包括质子交换膜燃料电池，冷凝器，脱硫器，固体氧化物燃料电池，换热器A、B、C和燃烧器；其中，质子交换膜燃料电池的空气极依次经冷凝器、脱硫器与固体氧化物燃料电池阳极进口相连，固体氧化物燃料电池阳极出口依次与燃烧器、换热器A与换热器C相连，其阴极出口经换热器B与燃烧器相连，换热器A经换热器B与固体氧化物燃料电池的阴极进口相连。
上述发电系统的控制方法如下：
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的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，从而将低浓度瓦斯气体中氧气与甲烷含量的比例调整到0.3-1之间，将甲烷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)，然后进入冷凝器进行冷凝，由于冷凝器温度设定不同，水蒸气的饱和蒸气压是不一样的，即不同温度含水量不一样，因此，通过调整冷凝器的温度，控制气体中的水蒸气(根据质子交换膜燃料电池消耗氧气的量可以知道实际生成水的含量)与甲烷的含量比例在2-2.5之间，防止了固体氧化物燃料电池的阳极因为积碳而产生损坏，最后经脱硫器脱硫后，作为燃料气体通入固体氧化物燃料电池的阳极，之所以对低浓度瓦斯进行脱硫处理，是为了防止固体氧化物燃料电池阳极材料出现硫中毒的现象，延长了固体氧化物燃料电池的使用寿命。
同时，进入本系统内的外界空气依次经换热器A、换热器B两次换热后，通入固体氧化物燃料电池阴极，当固体氧化物燃料电池达到发电的工作温度后，其阴阳极气体在其内部发生电化学反应，输出电能；
换热方法如下：
1)固体氧化物燃料电池阳极未完全反应的燃料气体进入燃烧器进行催化燃烧，燃烧后的尾气进入换热器A，同时，固体氧化物燃料电池阴极空气尾气进入换热器B；
2)进入本系统内的外界空气，经换热器A与燃烧器尾气进行热交换，完成第一次换热，换热后的燃烧器尾气排到大气中；
第一次换热后的外界空气，再经换热器B与固体氧化物燃料电池阴极空气尾气进行热交换，完成第二次换热，换热后的外界空气通入固体氧化物燃料电池阴极，与燃料气体在固体氧化物燃料电池内发生电化学反应，输出电能；空气尾气则进入燃烧器，与未完全反应的燃料气体进行催化燃烧，执行步骤(1)；
为了进一步回收热能，节约能源，保护环境，燃烧器尾气经换热器A进入换热器C，与换热器C中的冷水进行热交换，得到日常可用的热水。
在发电系统启动的初始阶段，电堆尚未工作，因此，进入固体氧化物燃料电池内的燃料气体和外界空气在其内部不会发生电化学反应，因此，该燃料气体直接经固体氧化物燃料电池阳极进入燃烧器进行催化燃烧，燃烧后进入换热器A，通过换热器A对进入本系统的外界空气进行第一次换热，提高外界空气的温度，第一次换热后的外界空气再经换热器B通入固体氧化物燃料电池阴极(此时，外界空气在换热器B内部并没有发生热交换)，为固体氧化物燃料电池供热。未反应的的外界空气被固体氧化物燃料电池加热后，变为空气尾气，再经固体氧化物燃料电池阴极排出至换热器B，经换热器B进入燃烧器，在换热器B中，空气尾气与进入本系统的外界空气进行热交换，完成对外界空气的第二次换热，进一步提高外界空气的温度，第二次换热后的外界空气再次通入固体氧化物燃料电池阴极，为固体氧化物燃料电池供热，如此反复，直到固体氧化物燃料电池达到工作温度后，固体氧化物燃料电池阴阳极气体在其内部发生电化学反应，输出电能。
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；
低浓度瓦斯气体经过质子交换膜燃料电池空气极后，设定质子交换膜燃料电池的输出电流，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，以及微量的H2S，然后再通过冷凝器将气体中的水蒸气部分冷凝除去，使混合气体中水蒸气与甲烷的含量比例为2.5左右，以实现甲烷的重整，设定冷凝器冷凝温度为51℃，冷凝后的气体中组分如下：5.13％CH4、76.94％N2、5.13％02、12.8％水蒸气，以及微量的H2S，该混合气体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)，最后再通过脱硫器脱除气体中的H2S。脱硫后的低浓度瓦斯气体作为燃料气体通入固体氧化物燃料电池的阳极；
同时，进入本系统内的外界空气依次经换热器A、B两次换热后，通入固体氧化物燃料电池阴极，为固体氧化物燃料电池供热，当固体氧化物燃料电池达到发电的工作温度后，其阴阳极的气体在其内部发生电化学反应，输出电能，发电效率达到45％左右。
换热方法如下：
1)固体氧化物燃料电池阳极未完全反应的燃料气体进入燃烧器进行催化燃烧，燃烧后的尾气进入换热器A，同时，固体氧化物燃料电池阴极空气尾气进入换热器B；
2)进入本系统内的外界空气，经换热器A与燃烧器尾气(温度约为700℃)进行热交换，完成第一次换热，换热后的燃烧器尾气(温度约为300℃左右)，排到大气中；
第一次换热后的外界空气(温度约为400-600℃左右)，再经换热器B与固体氧化物燃料电池阴极空气尾气(温度约为760℃)进行热交换，完成第二次换热，换热后的外界空气(温度约为650℃左右)通入固体氧化物燃料电池阴极，与固体氧化物燃料电池内的燃料气体发生电化学反应，输出电能；换热后的空气尾气(温度约为500℃左右)进入燃烧器，与未完全反应的燃料气体在燃烧器中进行催化燃烧，执行步骤(1)；
而经过换热器A换热后的燃烧器尾气还有300℃左右，为进一步回收利用燃烧器尾气的热能，节约能源，保护环境，换热后的燃烧器尾气再与换热器C中的冷水换热，得到日常可用的热水，本实施例整个部分余热回收可达到15％左右，故固体氧化物燃料电池的综合效率可以达到60％左右。
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。
低浓度瓦斯气体经过质子交换膜燃料电池空气极后，设定质子交换膜燃料电池的输出电流，控制具体的消耗氧气的量，使氧气的利用率达到53％左右，出来的气体主要成分为9.1％CH4、64.6％N2、8.1％02、18.2％水蒸气，以及微量的H2S，此时混合气体中水蒸气与甲烷的含量比例为2，无需除水，设定冷凝器温度为58℃，使混合气体中水蒸气的含量不变，同时由于混合气体还含有部分氧气，因此也不需要外加水蒸气，可以直接作为重整气体。该混合气体中氧气与甲烷的体积含量比例为0.89，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)，极少量的H2S通过脱硫器脱除。脱硫后的低浓度瓦斯气体作为燃料气体通入固体氧化物燃料电池的阳极。相比于普通天然气而言，甲烷浓度较低，发电效率稍低，但也可达到50％左右。
同时，进入本系统中的外界空气，经换热器A、换热器B两次换热后，通入固体氧化物燃料电池阴极，当固体氧化物燃料电池达到发电的工作温度后，其阴阳极气体在其内部发生电化学反应，输出电能。
换热方法如下：
1)固体氧化物燃料电池阳极未完全反应的燃料气体进入燃烧器进行催化燃烧，燃烧后的尾气(温度约为700℃)进入换热器A，同时，固体氧化物燃料电池阴极空气尾气(温度约为780℃)进入换热器B；
2)进入本系统内的外界空气，经换热器A与燃烧器尾气进行热交换，完成第一次换热，换热后的燃烧器尾气(温度约为300℃左右)排到大气中；
第一次换热后的外界空气(温度约为400-600℃左右)，再经换热器B与固体氧化物燃料电池阴极空气尾气(温度约为780℃)进行热交换，完成第二次换热，换热后的外界空气(温度约为680℃左右)通入固体氧化物燃料电池阴极，与固体氧化物燃料电池内的燃料气体发生电化学反应，输出电能；换热后的空气尾气(温度约为500℃左右)进入燃烧器，与未完全反应的燃料气体在燃烧器中进行催化燃烧，执行步骤(1)；
为进一步回收利用燃烧器尾气热能，换热后的燃烧器尾气再与换热器C中的冷水换热，得到日常可用的热水，实现了剩余热能的回收，本实施例中整个部分余热回收可达到20％左右，故固体氧化物燃料电池的综合效率可以达到70％左右。

Claims (5)

1.一种高效低浓度瓦斯发电系统，其特征在于，包括质子交换膜燃料电池、冷凝器、脱硫器、固体氧化物燃料电池、换热器A、换热器B和燃烧器，其中，质子交换膜燃料电池空气极依次经冷凝器、脱硫器与固体氧化物燃料电池阳极进口相连，固体氧化物燃料电池阳极出口与燃烧器进口相连，固体氧化物燃料电池阴极出口经换热器B与燃烧器进口相连，燃烧器出口与换热器A进口相连，换热器A出口经换热器B进口与固体氧化物燃料电池阴极进口相连。
2.根据权利要求1所述的一种高效低浓度瓦斯发电系统，其特征在于，还包括换热器C，换热器C进口与换热器A出口相连。
3.一种高效低浓度瓦斯发电系统控制方法，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，然后进入冷凝器进行冷凝，通过调整冷凝器的温度，对气体中的水蒸气含量进行控制，冷凝后的低浓度瓦斯气体作为燃料气体通入固体氧化物燃料电池的阳极；
同时，外界空气依次经换热器A、换热器B两次换热后，通入固体氧化物燃料电池阴极，当固体氧化物燃料电池达到发电的工作温度后，其阴阳极气体在其内部发生电化学反应，输出电能。
4.根据权利要求3所述的一种高效低浓度瓦斯发电系统控制方法，其特征在于，其特征在于，换热方法如下：
1)固体氧化物燃料电池阳极未反应完全的燃料气体进入燃烧器进行催化燃烧，燃烧后的尾气进入换热器A，同时，固体氧化物燃料电池阴极空气尾气进入换热器B；
2)外界空气经换热器A与燃烧器尾气进行热交换，完成第一次换热，换热后的燃烧器尾气排到大气中；
第一次换热后的外界空气，再经换热器B与固体氧化物燃料电池阴极空气尾气进行热交换，完成第二次换热，换热后的外界空气通入固体氧化物燃料电池阴极，与燃料气体在固体氧化物燃料电池内发生电化学反应，输出电能；换热后的空气尾气则进入燃烧器，与未完全反应的燃料气体进行催化燃烧，执行步骤(1)。
5.根据权利要求3或4所述的一种高效低浓度瓦斯发电系统的控制方法，其特征在于，经换热器A换热后的燃烧器尾气，再经换热器C与冷水换热，得到日常可用的热水。
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