[发明专利]一种利用乏风或低浓度瓦斯的直接发电方法及系统

说明书

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。

技术领域

本发明涉及一种瓦斯利用技术领域，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。

背景技术

我国煤矿乏风(又称煤矿风排瓦斯，C_CH41％)和抽采的低浓度瓦斯(C_CH430％)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。

发明内容

本发明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℃。