一种远程供电方法及供电系统与流程

本发明涉及一种远程供电方法及供电系统，属于电力技术领域。

背景技术：

对于偏远地区来说，公网系统很难延伸或者是公网电力的稳定性差，很难保证家庭的日常用电需求。

农村新能源发电，利用农村当地的太阳能、风能、生物质能、地热能、潮汐能等新能源资源发电，用以满足农村当地农牧渔民基本生活的用电需求，以及农牧渔业生产的部分用电需求，称为农村新能源发电，把农作物秸秆、人畜禽粪便、薪柴、沼气等生物质能以及小水电、小煤炭、太阳能、风能、潮汐能、地热能等称之为农村能源。

现有技术中主要是采用了太阳能光伏发电的方式在偏远地区推广使用，通过光伏发电系统或建设小型光伏电站，解决无电人口的供电问题。但是，光伏发电存在的问题是设备占地面积非常大、设备安装和移动不方便，限制了其应用。

技术实现要素：

本发明针对农村、偏远等地区存在着供电不足的问题，设计了一种适合于远程地区的发电方法，这种方法利用了农村、偏远地区的沼气资源，通过甲烷燃料电池技术，将其转变为电能，并且这种供电装置结构设计上考虑了其易于拆卸，可以将发电设备快速搬迁至其它需要使用的地点。

为了实现上述目的，本发明通过如下方案实现：

一种远程供电方法，包括如下步骤：将发酵产生的沼气依次经过脱硫、脱水、脱co2处理之后，将得到的净化后的ch4送入中温固体氧化物燃料电池系统中进行发电，得到电能。

优选地，所述的脱硫方法是干法脱硫方法。

优选地，所述的干法脱硫是以氧化铁为吸收剂。

优选地，所述的脱水采用吸附剂脱水方法；所述的吸附剂选自硅胶、氧化镁、活性氧化铝或者分子筛。

优选地，所述的脱co2处理是指采用分离膜的方法进行co2和ch4的分离。

优选地，中温固体氧化物燃料电池系统的电极运行温度是400～500℃。

一种远程发电装置，沼气发酵池的产气口依次通过脱硫装置、脱水装置与分离膜连接，分离膜的截留侧通过加压泵连接于甲烷储罐，甲烷储罐上部的出口通过阀门连接于缓冲罐，缓冲罐的上部连接有甲烷燃料电池，甲烷燃料电池中安装有甲烷燃料电池电极组，甲烷燃料电池电极组中的阳极和阴极上分别连接有导线，将电流引出。

优选地，所述的脱硫装置是指装有氧化铁吸收剂的装置。

优选地，所述的脱水装置是指装有水吸附剂的装置。

优选地，所述的水吸附剂是指硅胶、氧化镁、活性氧化铝或者分子筛。

优选地，所述的分离膜的材质是醋酸纤维素、聚酰亚胺类聚合物或者聚乙炔聚合物。

优选地，甲烷燃料电池的内部两侧设有隔板，隔板将甲烷燃料电池内部分成内部的甲烷腔室和外侧的空气腔室，甲烷腔室与缓冲罐连通，空气腔室上设有空气进口和空气出口；在隔板上还设有丝网，丝网朝向空气腔室的一侧设有甲烷燃料电池电极组，甲烷燃料电池电极组的阴极侧朝向空气腔室，甲烷燃料电池电极组的阳极侧朝向甲烷腔室，并且阳极侧通过丝网能够与甲烷腔室连通；在空气腔室中设有加热电阻丝，用于对甲烷燃料电池电极组进行加热。

优选地，在甲烷腔室内部设有水平的柔性石墨盘根，柔性石墨盘根的边缘贴紧于甲烷腔室，并且柔性石墨盘根的下部通过弹簧连接于缓冲罐；当弹簧收紧时，柔性石墨盘根能够贴合于缓冲罐上部边缘的卡槽，将缓冲罐封闭。

有益效果

本发明提供的远程供电方法，适合于农村、偏远地区，可以利用沼气经过净化之后，通过燃料电池系统进行供电，并且设备易于安装拆卸。

附图说明

图1是本发明提供的供电系统的结构示意图。

图2是甲烷燃料电池的结构图。

1-沼气发酵池，2-脱硫装置，3-脱水装置，4-分离膜，5-加压泵，6-甲烷储罐，7-缓冲罐，8-甲烷燃料电池，9-隔板，10-空气腔室，11-甲烷腔室，12-丝网，13-甲烷燃料电池电极组，14-加热电阻丝，15-卡槽，16-柔性石墨盘根，17-弹簧，18-阀门，19-空气进口，20-空气出口。

具体实施方式

本发明提供的远程供电方法，主要是针对具有甲烷发酵设备的农村、偏远地区，可以将甲烷通过设备中的燃料电池转化为电能。方法的步骤中，首先对发酵产生的沼气依次经过脱硫、脱水、脱co2处理之后，将得到的净化后的ch4送入中温固体氧化物燃料电池系统中进行发电，得到电能。

h2s存在于沼气中，尽管其含量因为发酵原料的不同有所变化，但是必须予以去除，以免腐蚀压缩机、气体储存罐和发动机。本发明中所述的方法中，对沼气脱硫的方法可以采用干法脱硫设备，可以采用氧化铁吸收法，氧化铁吸收法是将fe2o3屑（或粉）和木屑混合制成脱硫剂，以湿态（含水40%左右）填充于脱硫装置内。fe2o3脱硫剂为条状多孔结构固体，对h2s能进行快速的不可逆化学吸附，数秒内可将h2s脱除到1ppm以下。采用氧化铁法脱硫时，沼气中的硫化氢在固体氧化铁的表面进行化学反应，沼气在脱硫器内的流速越小，接触时间越长，反应进行得越充分，脱硫效果也就越好。脱硫剂工作一定时间后，其活性会逐渐下降，脱硫效果逐渐变差。一般情况下，当脱硫装置出口沼气中h2s的含量超过20mg·m^-3时，就需要对脱硫剂进行处理；当脱硫剂中硫未达到30%时，脱硫剂可进行再生，将失去活性的脱硫剂与空气接触，把硫化铁氧化析出硫磺，即可使失效的脱硫剂再生；当脱硫剂中的硫化铁质量分数达到30%以上时，脱硫效果明显变差，脱硫剂不能继续使用，就要更换新脱硫剂。氧化铁法的优点是fe³⁺具有相当高的氧化还原电位，能够将s^2-转化为单质硫，又不能将单质硫进一步氧化为硫酸盐；在硫化氢的吸收过程中所生成的单质硫颗粒对整个吸收过程具有催化作用；此外氧化铁资源丰富，价廉易得，是目前使用最多的沼气脱硫方法。

在脱除了硫化氢之后，需要对沼气中的水汽进行脱除。本发明主要采用的是物理吸附法，其中能用于沼气脱水的有硅胶、氧化镁、活性氧化铝、分子筛以及复式固定干燥剂，后者综合了多种干燥剂的优点。与溶液脱水比较，固体吸附脱水性能远远超过前者，能获得露点极低的燃气；对燃气温度、压力、流量变化不敏感；设备简单，便于操作；较少出现腐蚀及起泡等现象。通常使用两套装置，当一个工作的时候，另外一个可以再生。干燥剂的再生可以通过两种途，一种是可以用一部分（3～8%）的高压干燥气体再生干燥剂，这部分气体可以重新回流至压缩机入口。另外一种是在常压下，用空气和真空泵来再生干燥剂，此法会把空气混入沼气中，一般不会用。物理吸附法中的干燥剂的吸附和再生要交替进行，影响了其连续性操作。

脱水之后，需要进一步地将剩下的co2和ch4分离，本发明采用了膜分离的方法进行处理，这里一般可以采用醋酸纤维素、聚酰亚胺类聚合物和聚乙炔聚合物等，本发明中采用了聚酰亚胺类中空纤维膜对co2和ch4分离（葛昕,李晖,李布青,等.聚酰亚胺中空纤维膜分离ch4/co2的影响因素分析[j].中国沼气,2017,35(1):13-16.），co2被从膜的渗透侧移除。这里使用的分离膜，可以采用多级分离的方式，以提高对co2的去除率，经过3级分离后，ch4纯度可以达到95%以上。

在得到甲烷之后，可以通过甲烷燃料电池将化学能转化为电能（谢吉虹,郑颖平,查燕,等.甲烷为燃料的中温固体氧化物燃料电池阳极材料研究进展[j].江苏化工,2007,35(4):1-5.），甲烷燃料电池的反应过程是：

ch4+4o^2-→2h2o+co2+8e^-

基于上述的方法，本发明提供的装置如图1和图2所示：

沼气发酵池1的产气口依次通过脱硫装置2、脱水装置3与分离膜4连接，分离膜4的截留侧通过加压泵5连接于甲烷储罐6，甲烷储罐6上部的出口通过阀门18连接于缓冲罐7，缓冲罐7的上部连接有甲烷燃料电池8。其中，采用的脱硫装置2是指装填有化铁吸收剂的装置，脱水装置3是指装有水吸附剂的装置，其中采用的分离膜4是聚酰亚胺中空纤维膜。

如图2所示，甲烷燃料电池8的内部两侧设有隔板9，隔板9将甲烷燃料电池8内部分成内部的甲烷腔室11和外侧的空气腔室10，甲烷腔室11与缓冲罐7连通，空气腔室10上设有空气进口19和空气出口20；在隔板9上还设有丝网12，丝网12朝向空气腔室10的一侧设有甲烷燃料电池电极组13，甲烷燃料电池电极组13的阴极侧朝向空气腔室10，甲烷燃料电池电极组13的阳极侧朝向甲烷腔室11，并且阳极侧通过丝网12能够与甲烷腔室11连通；在空气腔室10中设有加热电阻丝14，用于对甲烷燃料电池电极组13进行加热。在发电时，首先利用加热电阻丝14对甲烷燃料电池电极组13进行加热，使其温度升温至400～500℃左右，当经过净化后的甲烷进入通过缓冲罐7进入至甲烷腔室11后，会通过丝网12与甲烷燃料电池的阳极一侧进行接触，同时空气中的氧气在阴极侧反应后，氧离子会透过电极与甲烷在阳极一侧发生氧化还原反应，而电子移动至阴极产生电能，在甲烷燃料电池电极组13的阳极和阴极上分别连接有导线，将电流引出。这里所使用的甲烷燃料电池电极组13中的阳极和阴极材料，可以根据现有技术中公开的材料进行选择，例如参照：李茂华,张玲,张涛,等.复合阳极在甲烷燃料电池中的应用和研究[j].分析试验室,2009,28(b05):45-48.采用以nio-la0.75sr0.25cr0.5mn0.5o3-δ-ce0.8sm0.2o2-δ为复合阳极，以ce0.8gd0.2o2-δ(gdc)为电解质，以la0.8sr0.2co0.8fe0.2o3-δ(lscf)-ce0.8gd0.2o2-δ(gdc)为复合阴极。上述的甲烷燃料电池8也可以再安装于任何的甲烷气源上，只需要将甲烷燃料电池8安装于缓冲罐7上，并将缓冲罐7连接于任何的带有阀门的甲烷气源设备即可。另外，在甲烷燃料电池8上也可以按照现有技术采用相应的保温、隔热、蓄热等方式，减少加热电阻丝14产生的热量散发，本发明并无特别限制。

另外，当设备停止使用、需要将燃料电池拆除时，容易导致在甲烷腔室11内的甲烷直接会与外部的空气接触，而会存在安全风险。如图2所示，在甲烷腔室11内部设有水平的柔性石墨盘根16，柔性石墨盘根16的边缘贴紧于甲烷腔室11，并且柔性石墨盘根16的下部通过弹簧17连接于缓冲罐7；当弹簧17收紧时，柔性石墨盘根16能够贴合于缓冲罐7上部边缘的卡槽15，将缓冲罐7封闭。在进行发电时，缓冲罐7内部的甲烷会由于加压泵5的作用具有一定的压力，将弹簧17顶开，使柔性石墨盘根16向上运动，将丝网12能够与缓冲罐7连通，使得甲烷能够通过丝网12参与电极上的反应；而当需要停止设备时，首先将阀门18关闭，此时，在缓冲罐7内部剩余的甲烷会继续在甲烷燃料电池电极组13进行反应，会使缓冲罐7内部的甲烷压力逐渐下降，当下降至一定阶段后，缓冲罐7的压力不足以支撑弹簧17的弹性伸张时，弹簧17会向下运动，并带动柔性石墨盘根16向下运动，卡合于卡槽15上，将缓冲罐7内部与甲烷腔室11隔离，此时再拆除燃料电池时，即可以实现甲烷与空气的不再接触；另外在甲烷腔室11的顶部也可以开设排空口，使得柔性石墨盘根16向下运动后，上部的空气可以通过排空口进入甲烷腔室11上部被柔性石墨盘根16隔开的空间中。