一种将低浓煤层气利用中高温燃料电池发电的方法与流程

本发明属于低浓度煤层气清洁高效利用技术领域，具体涉及一种利用高温燃料电池将低浓度煤层气发电的方法。

背景技术：

低浓度煤层气是甲烷与空气的混合物，甲烷浓度随抽采方式和开采环境不同而变化。甲烷浓度在5-16％属于易爆范围，加压输送易发生爆炸，存在严重的安全隐患，这类低浓度煤层气只能就地转化。目前我国煤矿低浓度煤层气主要用于燃烧发电。甲烷的燃烧温度高达1600℃，高温燃烧易产生大量的氮氧化物等，造成pm2.5的频发。另外，国家煤矿安全管理部门规定煤层气电站建设的条件是煤层气抽放量100万立方米/年，煤层气浓度在6-25％之间。这对于地理位置分散、气量小的矿井无法利用煤层气发电，大多无效燃烧排放。目前30％以下低浓度煤层气发电主要采用内燃机发电，燃料从化学能到热能、机械能再到电能的转化受卡诺循环限制，发电效率低，约为27-40％。此外，由于受甲烷浓度波动的影响，还需要利用高、低浓度煤层气掺混技术。提浓也是低浓度煤层气的利用方式之一，但是低浓度煤层气中甲烷含量低，并含有大量氧气，如果直接将其提纯浓缩，在加工过程中存在爆炸隐患。采用化学燃烧法脱氧，也是提纯低浓度煤层气的一种有效手段，但是这种方式是以牺牲一定量甲烷为代价的，并仅适用于有热能需求的场所，同时提升的浓度有限，不能完全契合我国倡导的“建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系”。

综上所述，虽然我国的低浓度煤层气资源丰富，但实际利用的数量和水平还非常有限，大量的无效燃烧排放造成严重的资源浪费和环境污染，迫切需要清洁高效的能源利用技术。

固体氧化物燃料电池(sofc)是一种新型的发电装置，燃料的化学能直接转化为电能，发电效率在45％以上，如果采用热电联产，能量利用效率可高达80％以上。由于燃料电池中没有燃烧过程，没有机械能和热能的中间媒介，系统运行噪音低、效率高、污染低，nox的排放量不足4mg/m³(6％o2的标准状态)，被认为是继火电、水电、核电之后的第四代能源。sofc积木化的组装方式使其可以根据气源大小和用户需求组装，特别适用于分布式能源供应。现有的基于镍基阳极的sofc直接用氢气作燃料时已有很好的发电性能，而碳氢化合物直接燃料电池(以下简称碳氢直燃电池)还处在初创阶段。如果碳氢化合物直接与电池阳极接触，会在阳极发生严重的积碳，导致电池系统被损坏。

技术实现要素：

针对现有低浓度煤层气利用率低的现状，本发明提供了一种将低浓煤层气利用中高温燃料电池发电的方法，实现低浓煤层气清洁高效利用。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种将低浓煤层气利用中高温燃料电池发电的方法，包括如下步骤：

步骤1，搭建固定床催化装置；

步骤2，取催化剂置于反应器中间位置，并将反应器置于催化炉中，催化剂位于催化炉中间位置；

步骤3，搭建中高温燃料电池发电装置；

步骤4，将固定床催化装置的气体出口和高温燃料电池发电装置的入口相连；

步骤5，将固定床反应装置中的催化剂原位还原；通过质量流量控制器控制反应气体的流量，设定低浓度煤层气的总流量，将原料气通入催化反应装置，将固定床催化装置的加热炉和高温燃料电池发电装置的加热炉升温，即可发电。

进一步，所述步骤1，搭建固定床催化装置包括加热炉、反应器、催化剂、热电偶和控温器。该步骤是搭建低浓度煤层气的催化氧化反应装置。经过此步骤，低浓度煤层气中的甲烷和空气被转化为一氧化碳和氢气。这两种气体可用于后续固体氧化物燃料电池的燃料气。

进一步，所述步骤2中的催化剂为ni-bao-ceo2-zro2。

进一步，所述步骤3中高温燃料电池发电装置包括固体氧化物燃料电池、加热炉、热电偶和控温器。该步骤是搭建发电装置。在此步骤中，经催化氧化反应装置流出的气体利用固体氧化物燃料电池直接发电，效率高。燃料气和空气在固体氧化物燃料电池装置中发生电化学反应，该过程不受卡诺循环效率的限制，发电效率高。

进一步，所述步骤5中原位还原的温度为800℃；原位还原的时间为2h。

进一步，所述步骤5中固定床催化装置的加热炉的升温方法是以10℃·min^-1的升温速率升至750℃。

进一步，所述步骤5中高温燃料电池发电装置的加热炉升温方法是以10℃·min^-1的升温速率升至燃料电池工作温度。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

本发明方法将低浓度煤层气利用固体氧化物燃料电池发电，发电效率高，利用过程中对环境无污染。而且固体氧化物燃料电池可以模块化操作，发电规模随气量大小可调。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的低浓度煤层气经过外重整器催化氧化-固体氧化物燃料电池的发电示意图；

图2为本发明实施例中催化剂nbcz对30％甲烷-70％空气的催化氧化性能测试曲线图；

图3为本发明实施例中催化剂nbcz对30％甲烷-70％空气的催化氧化稳定性测试曲线图；

图4为本发明实施例中30％的低浓度煤层气利用固体氧化物燃料电池发电的性能测试曲线图；

图5为本发明实施例中30％的低浓度煤层气利用固体氧化物燃料电池发电稳定性测试曲线图；

图6为本发明实施例中催化剂nbcz对25％甲烷-75％空气的催化氧化性能测试曲线图；

图7为本发明实施例中25％的低浓度煤层气利用固体氧化物燃料电池发电的性能测试曲线图。

具体实施方式

实施例1

以石英管为反应器，ni-bao-ceo2-zro2(nbcz)为低浓度煤层气催化氧化催化剂，固体氧化物燃料电池(电池结构为ni-ce0.8sm0.2o1.9(sdc)/sdc/ba0.5sr0.5co0.8fe0.2o3-ζ-sdc)为中高温燃料电池，以30％甲烷-70％空气模拟浓度为30％的低浓度煤层气。

第一步，搭建固定床反应装置；

第二步，称取40-60目的催化剂0.2g，石英砂0.4g，混合均匀后装载在反应器的中部；

第三步，搭建固体氧化物燃料电池装置；

第四步，将固定床催化装置的气体出口和高温燃料电池发电装置的入口相连；

第五步，将固定床反应装置中的催化剂在800℃下用h2原位还原2h。通过质量流量控制器控制反应气体的流量，30％甲烷低浓度煤层气的总流量设定为60ml·min^-1。将原料气通入催化反应装置，以10℃·min^-1的升温速率升至750℃，利用气相色谱测试不同温度下尾气中甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氢气的浓度，分析催化剂对低浓度煤层气的转化效率；

第六步，采用四电极法进行固体氧化物燃料电池的电化学性能测试。测试开始前，持续通入h2，气体流量为80ml·min^-1，以10℃·min^-1升温速率升到650℃，待气体流速和温度稳定后，用100ml·min^-1的ar吹扫10min，将经过催化反应装置中重整后30％的尾气低浓度煤层气通入电池中进行电化学性能测试。

实施例2

以石英管为反应器，ni-bao-ceo2-zro2(nbcz)为低浓度煤层气催化氧化催化剂，固体氧化物燃料电池(电池结构为ni-ce0.8sm0.2o1.9(sdc)/sdc/ba0.5sr0.5co0.8fe0.2o3-ζ-sdc)为中高温燃料电池，以25％甲烷-75％空气模拟浓度为25％的低浓度煤层气。

第一步，搭建固定床反应装置；

第二步，称取40-60目的催化剂0.2g，石英砂0.4g，混合均匀后装载在反应器的中部；

第三步，搭建固体氧化物燃料电池装置；

第四步，将固定床催化装置的气体出口和高温燃料电池发电装置的入口相连；

第五步，将固定床反应装置中的催化剂在800℃下用h2原位还原2h。通过质量流量控制器控制反应气体的流量，25％甲烷低浓度煤层气的总流量设定为60ml·min^-1。将原料气通入催化反应装置，以10℃·min^-1的升温速率升至750℃，利用气相色谱测试不同温度下尾气中甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氢气的浓度，分析催化剂对低浓度煤层气的转化效率。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。