[发明专利]一种高效低浓度瓦斯发电系统及其控制方法

说明书

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。

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，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；