CN116799266A - 一种低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池发电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池发电系统及方法，低浓度瓦斯经过变压吸附气体分离装置去除部分氧气，变压吸附吸附阶段排出含少量氧气的瓦斯与水蒸气进入自热重整反应器转化为富氢气体，该富氢气体进入固体氧化物燃料电池阳极流道；变压吸附解吸阶段排出富氧气体与鼓风机排出的空气混合后进入固体氧化物燃料电池阴极流道；阴极和阳极排出的尾气混合后在燃烧器中充分燃烧，产生热量用于前端气体预热。本发明利用变压吸附气体分离装置将低浓度瓦斯转化为不具有爆炸危险的高浓度甲烷和富氧空气，分别用于固体氧化物燃料电池的阳极和阴极反应，可避免爆炸风险，提高发电效率；利用甲烷和氧气的自热重整，提高了能量利用效率，简化了系统组成。

Description

一种低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池发电系统及方法
技术领域
本发明涉及瓦斯利用技术领域，具体涉及一种低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池发电系统及方法。
背景技术
我国瓦斯抽采以井下抽采为主，井下抽采的瓦斯浓度一般低于30％，利用难度大，利用率仅40％左右，每年排放的低浓度瓦斯量超200亿m3。大量低浓度瓦斯排空造成严重的清洁能源浪费和大气温室效应。因此，低浓度瓦斯清洁高效利用非常必要。
目前，低浓度瓦斯利用主要包括分离提纯技术、燃烧发电技术和热逆流氧化技术。分离提纯技术是借助变压吸附、深冷分离和膜分离等技术去除低浓度瓦斯中的氧气和氮气以提高瓦斯中的甲烷浓度，将低浓度瓦斯变为高浓度瓦斯后供给其他行业使用，但其成本高、工艺复杂且含氧瓦斯在压缩过程中存在爆炸风险。燃烧发电技术主要通过燃气轮机和内燃机将低浓度瓦斯中的化学能经多级热力过程和电磁感应转化成电能，但难以摆脱发电效率低(<30％)、污染严重和经济效益差的困局。热逆流氧化技术通过蓄热氧化装置缓慢释放低浓度瓦斯的内能，当前此技术主要用于部分煤矿的矿井供热、煤泥烘干等领域，能量利用率低。
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，可将煤矿瓦斯中的化学能直接转化为电能，发电效率高(>50％)，不产生NOx等气体污染物和噪音污染，不需要使用贵金属催化剂，因此有望通过固体氧化物燃料电池技术实现煤矿低浓度瓦斯的清洁高效利用。CN110661014A公开了一种高效低浓度瓦斯发电系统及其控制方法，利用质子交换膜燃料电池消耗低浓度瓦斯中的氧气，消除爆炸危险，再进入固体氧化物燃料电池中发电，但质子交换膜燃料电池运行需要高纯氢气，高纯氢气难以获取，且该系统结构复杂，运行难度大。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池发电系统，结构简单。
本发明的目的之二是提供基于上述低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池发电系统的发电方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池发电系统，包括瓦斯抽采泵、水环增压泵、变压吸附气体分离装置、鼓风机、混气罐I、混气罐II、换热器I、换热器II、换热器III、水泵、自热重整反应器、固体氧化物燃料电池堆和尾气燃烧器；
所述瓦斯抽采泵依次与水环增压泵、变压吸附气体分离装置相连，变压吸附气体分离装置吸附阶段排气口与换热器I相连，解吸阶段排气口与混气罐I进气口相连，换热器I的被加热气体出口依次与混气罐II、自热重整反应器、固体氧化物燃料电池堆阳极气道连接；所述鼓风机依次与混气罐I、换热器II、固体氧化物燃料电池堆阴极气道连接；所述水泵与换热器III的冷水入口相连，换热器III的被加热气体出口与混气罐II入口相连；固体氧化物燃料电池堆阴极气道出口和阳极气道出口分别与尾气燃烧器相连，尾气燃烧器的高温烟气出口分别与换热器I和换热器III相连，换热器I与换热器II相连。
本发明还提供基于上述低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池发电系统的发电方法，瓦斯抽采泵抽采的低浓度瓦斯经水环增压泵加压后进入变压吸附气体分离装置，变压吸附气体分离装置吸附阶段产出不具有爆炸危险性的含少量氧气的高浓度甲烷气，高浓度甲烷气经换热器I预热后，与经换热器III预热后的水蒸气在混气罐II内混合，混合后的甲烷水蒸气进入自热重整反应器发生自热重整反应，产出的富氢气体进入固体氧化物燃料电池堆的阳极进气口，在阳极发生电化学氧化反应；变压吸附气体分离装置解吸阶段产出富氧空气与鼓风机排出的空气在混气罐I混合后，经换热器III预热后，进入固体氧化物燃料电池堆的阴极进气口，在阴极发生电化学还原反应；固体氧化物燃料电池堆的阴极和阳极连接外电路，对外输出直流电；阴极和阳极排出的尾气在尾气燃烧器中充分燃烧，产生的高温烟气分成两路，一路依次进入换热器I和换热器II，用于预热高浓度甲烷和富氧空气，一路进入换热器III，用于产生和加热水蒸气。
作为本发明的优选实施方式，所述水环增压泵输出压力为10kPa～100kPa。
作为本发明的优选实施方式，所述变压吸附气体分离装置吸附阶段产出气体的甲烷和氧气体积浓度比为3.5～10，氧气体积含量小于5％；变压吸附气体分离装置解吸阶段产出气体的氧气体积含量大于25％，甲烷体积含量小于1％。
作为本发明的优选实施方式，所述变压吸附气体分离装置吸附阶段产出气体与水蒸气混合后的水碳比为0.4～1.5。
作为本发明的优选实施方式，所述重整反应器内装填催化剂类型包括铂、钌、铑贵金属催化剂，镍基、铁基、钴基、铜基非贵金属催化剂和钙钛矿氧化物催化剂中的任一种，所述自热重整反应器的运行温度为600℃～850℃。
作为本发明的优选实施方式，所述固体氧化物燃料电池堆的运行温度为750℃～800℃。
作为本发明的优选实施方式，所述变压吸附气体分离装置解吸阶段产出富氧空气与鼓风机排出空气混合时的体积比为0.5～1。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明利用变压吸附技术将低浓度瓦斯高效分离，形成不具有爆炸危险的高浓度甲烷和富氧空气，分别用于固体氧化物燃料电池的阳极和阴极反应，可避免爆炸风险，大幅提高发电效率(高于内燃机发电效率)，实现低浓度瓦斯安全高效发电。
2、利用甲烷和氧气重整反应的放热特性实现自热重整，提高了能量利用效率，简化了系统组成。
附图说明
图1为本发明的低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池发电系统的结构示意图。
图中1瓦斯抽采泵；2水环增压泵；3变压吸附气体分离装置；4换热器I；5换热器III；6水泵；7鼓风机；8混气罐I；9换热器II；10混气罐II；11自热重整反应器；12固体氧化物燃料电池堆；13阴极进气口；14阴极出气口；15阳极进气口；16阳极出气口；17尾气燃烧器。
具体实施方式
本发明公开一种安全高效的低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池发电方法，主要分为三个步骤：
其一，抽采的低浓度瓦斯经过变压吸附气体分离装置去除瓦斯中的部分氧气，变压吸附的吸附阶段排出不具有爆炸危险性的含少量氧气的瓦斯与水蒸气进入自热重整反应器转化为富氢气体，该富氢气体进入固体氧化物燃料电池阳极流道，发生电化学反应；
其二，变压吸附的解吸阶段排出富氧气体与鼓风机排出的空气混合后进入固体氧化物燃料电池阴极流道，发生电化学反应；
其三，阴极和阳极排出的尾气混合后在燃烧器中充分燃烧，产生热量用于前端气体预热。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本实施例提供一种低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池发电系统，包括瓦斯抽采泵1、水环增压泵2、变压吸附气体分离装置3、鼓风机7、混气罐I8、混气罐II10、换热器I4、换热器II9、换热器III5、水泵6、自热重整反应器11、固体氧化物燃料电池电堆12和尾气燃烧器17；
所述瓦斯抽采泵1依次与水环增压泵2、变压吸附气体分离装置3相连，变压吸附气体分离装置3吸附阶段排气口与换热器I4相连，解吸阶段排气口与混气罐I8进气口相连，换热器I4的被加热气体出口依次与混气罐II10、自热重整反应器11、固体氧化物燃料电池堆12的阳极气道连接；
所述鼓风机7依次与混气罐I8、换热器II9、固体氧化物燃料电池堆12的阴极气道连接；
所述水泵6与换热器III5的冷水入口相连，换热器III5的被加热气体出口与混气罐II10入口相连；固体氧化物燃料电池堆12阴极气道出口和阳极气道出口分别与尾气燃烧器17相连，尾气燃烧器17的高温烟气出口分别与换热器I4和换热器III5相连，换热器I4与换热器II9相连。
基于上述低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池发电系统的发电方法，瓦斯抽采泵1抽采的低浓度瓦斯经水环增压泵2加压后进入变压吸附气体分离装置3，水环增压泵2输出压力为10kPa～100kPa。变压吸附气体分离装置3吸附阶段产出不具有爆炸危险性的含少量氧气的高浓度甲烷气，其中甲烷和氧气体积浓度比为3.5～10，氧气体积含量小于5％；高浓度甲烷气经换热器I4预热后，与经换热器III5预热后的水蒸气在混气罐II10内混合，水碳比为0.4～1.5；混合后的甲烷水蒸气进入自热重整反应器11发生自热重整反应，自热重整反应器运行温度为600℃～850℃，产出的富氢气体进入固体氧化物燃料电池堆12的阳极进气口15，在阳极发生电化学氧化反应；变压吸附气体分离装置3解吸阶段产出富氧空气，其中氧气体积含量大于25％，甲烷体积含量小于1％，富氧空气与鼓风机7排出的空气按体积比为0.5～1在混气罐I8混合，经换热器III9预热后，进入固体氧化物燃料电池堆12的阴极进气口13，在阴极发生电化学还原反应；固体氧化物燃料电池堆12的阴极和阳极连接外电路，对外输出直流电；
阴极和阳极排出的尾气在尾气燃烧器17中充分燃烧，产生的高温烟气分成两路，一路依次进入换热器I4和换热器II9，用于预热高浓度甲烷和富氧空气，一路进入换热器III5，用于产生和加热水蒸气，实现热量的循环利用。
水环增压泵2给瓦斯气体增压，气体进入变压吸附装置和燃料电池系统要克服阻力，因此需要一定压力，但低浓度瓦斯增压具有安全风险，压力不能太高，所以优选10～100kPa的范围。
高浓度甲烷气和水蒸气混合，加入适量水可以避免甲烷在燃料电池系统内部发生裂解积碳，另外甲烷水蒸气重整可以吸收系统余热，转化为更多的H2。由于低浓度瓦斯中含有氧气，氧气也可消除积碳，因此需要的水量较少，水碳比优选设置为0.4～1.5，低于常规固体氧化物燃料电池系统的水碳比3～5。
为了提高甲烷水蒸气的自热重整效率，所述自热重整反应器11内装填催化剂类型包括铂、钌、铑贵金属催化剂，镍基、铁基、钴基、铜基非贵金属催化剂和钙钛矿氧化物催化剂，任意择一均可。
为了提高固体氧化物燃料电池堆12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堆12的运行温度为750℃～800℃。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于，包括瓦斯抽采泵、水环增压泵、变压吸附气体分离装置、鼓风机、混气罐I、混气罐II、换热器I、换热器II、换热器III、水泵、自热重整反应器、固体氧化物燃料电池电堆和尾气燃烧器；
所述瓦斯抽采泵依次与水环增压泵、变压吸附气体分离装置相连，变压吸附气体分离装置吸附阶段排气口与换热器I相连，解吸阶段排气口与混气罐I进气口相连，换热器I的被加热气体出口依次与混气罐II、自热重整反应器、固体氧化物燃料电池电堆阳极气道连接；所述鼓风机依次与混气罐I、换热器II、固体氧化物燃料电池电堆阴极气道连接；所述水泵与换热器III的冷水入口相连，换热器III的被加热气体出口与混气罐II入口相连；固体氧化物燃料电池电堆阴极气道出口和阳极气道出口分别与尾气燃烧器相连，尾气燃烧器的高温烟气出口分别与换热器I和换热器III相连，换热器I与换热器II相连。
2.基于权利要求1所述的低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池发电系统的发电方法，其特征在于，瓦斯抽采泵抽采的低浓度瓦斯经水环增压泵加压后进入变压吸附气体分离装置，变压吸附气体分离装置吸附阶段产出不具有爆炸危险性的含少量氧气的高浓度甲烷气，高浓度甲烷气经换热器I预热后，与经换热器III预热后的水蒸气在混气罐II内混合，混合后的甲烷水蒸气进入自热重整反应器发生自热重整反应，产出的富氢气体进入固体氧化物燃料电池堆的阳极进气口，在阳极发生电化学氧化反应；变压吸附气体分离装置解吸阶段产出富氧空气与鼓风机排出的空气在混气罐I混合后，经换热器III预热后，进入固体氧化物燃料电池堆的阴极进气口，在阴极发生电化学还原反应；固体氧化物燃料电池堆的阴极和阳极连接外电路，对外输出直流电；阴极和阳极排出的尾气在尾气燃烧器中充分燃烧，产生的高温烟气分成两路，一路依次进入换热器I和换热器II，用于预热高浓度甲烷和富氧空气，一路进入换热器III，用于产生和加热水蒸气。
3.根据权利要求2所述的发电方法，其特征在于，所述水环增压泵输出压力为10kPa～100kPa。
4.根据权利要求2所述的发电方法，其特征在于，所述变压吸附气体分离装置吸附阶段产出气体的甲烷和氧气体积浓度比为3.5～10，氧气体积含量小于5％；所述变压吸附气体分离装置解吸阶段产出气体的氧气体积含量大于25％，甲烷体积含量小于1％。
5.根据权利要求2所述的发电方法，其特征在于，所述变压吸附气体分离装置吸附阶段产出气体与水蒸气混合后的水碳比为0.4～1.5。
6.根据权利要求2所述的发电方法，其特征在于，所述自热重整反应器内装填催化剂类型选自铂、钌、铑贵金属催化剂，镍基、铁基、钴基、铜基非贵金属催化剂和钙钛矿氧化物催化剂中的任一种，所述自热重整反应器的运行温度为600℃～850℃。
7.根据权利要求2所述的发电方法，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池堆的运行温度为750℃～800℃。
8.根据权利要求2所述的发电方法，其特征在于，所述变压吸附气体分离装置解吸阶段产出富氧空气与鼓风机排出空气混合时的体积比为0.5～1。
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