基于固体氧化物燃料电池的煤矿低浓度瓦斯高效清洁利用研究
发布时间：2021-07-15 18:36
瓦斯抽采与利用是煤矿瓦斯灾害治理的根本性措施,同时可以将瓦斯变害为利,减少温室气体排放,增加清洁能源供应。然而,低浓度瓦斯的甲烷浓度偏低((8CH4<30%)且波动大,存在爆炸危险性,因此其利用难度很大,导致低浓度瓦斯利用率普遍偏低（<40%）,大量瓦斯被直接排放,造成严重的能源浪费和环境污染。现有主要的低浓度瓦斯利用技术为内燃机发电,但其存在效率低（25%）、噪声高和NOx排放量大等缺点,为此本文研究了基于固体氧化物燃料电池（SOFC）的低浓度瓦斯发电技术,该技术具有效率高、清洁无污染（无NOx和噪音）、全固态无液体渗漏等优点,为煤矿低浓度瓦斯的安全、高效和清洁利用提供了新的有效途径,从而促进煤矿的安全生产和节能减排。煤矿低浓度瓦斯成分复杂,是目前研究很少的SOFC非常规燃料。本文采用实验测试、理论分析、数值模拟和工程设计相结合的手段,针对低浓度瓦斯作为SOFC燃料时的反应机理和关键技术难题开展科学研究,取得的主要成果包括:（1）为控制低浓度瓦斯组分位于安全区间,避免其在SOFC高温环...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：218 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
彬长集团乏风瓦斯氧化装置
气的混合气体在催化层作用下的氧化放热作用，实现了无需外界供热的热自维持式的SC-SOFC。1.4.3数值模拟研究目前关于利用氧气和燃气预混气体的SOFC数值模拟研究总体上还较少，下面针对现有文献进行介绍。热动力学平衡模拟可用于研究温度和气体成分对SOFC开路电压的影响。Burergler等[88]假设电极反应达到热力学平衡状态，研究了平衡态下电池内气体成分随温度和原始气体甲烷-氧气浓度比的变化规律(图中Rmix表示甲烷-氧气浓度比，与前文含义不同)，并计算了不同温度和甲烷-氧气浓度比情况下的阳极氧分压和电池开路电压，如图1-19和1-20所示，阳极氧分压随甲烷-氧气浓度比增大而减小，开路电压随甲烷-氧气浓度比增大而增大。热动力学平衡模拟并未考虑反应速率影响，因此无法深入揭示燃料电池的反应机理及性能变化规律。为此，一些学者建立了以氧气和燃气混合气体为燃料的SOFC反应动力学模型。Hao等[89.90]建立二维反应动力学模型研究了电池构型和工况条件等因素对阳极支撑SC-SOFC性能的影响机理，模型考虑了电池周围气体流动、化学反应和热量传递等多场耦合过程，模型结果表明最优的甲烷-氧气比约为1.65，因为该比例下既可以避免阳极燃料的完全氧化导致H2和CO浓度减少，又可以避免阴极的氧分压过低。Akhtar等[91]建立了以空气和甲烷混合气体为燃料的微管式SC-SOFC二维数值模型，该模型综合考虑了CH4完全氧化、干/湿重整、水煤气变换等全局反应以及H2的电化学氧化反应，揭示了气流流速分布、各类气体浓度分布以及电流密度分布等规律。进一步地，Akhtar等[92]建立了以空气和H2混合气体为燃料的SC-SOFC三维数值模型，揭示了H2和O2沿气体流动方向的反应消耗规律。Hao等[93-94]建立数值模型研究了CH4和空气的混合图1-19不同CH4/O2下阳极氧?
艘钥掌?图淄榛旌掀??为燃料的微管式SC-SOFC二维数值模型，该模型综合考虑了CH4完全氧化、干/湿重整、水煤气变换等全局反应以及H2的电化学氧化反应，揭示了气流流速分布、各类气体浓度分布以及电流密度分布等规律。进一步地，Akhtar等[92]建立了以空气和H2混合气体为燃料的SC-SOFC三维数值模型，揭示了H2和O2沿气体流动方向的反应消耗规律。Hao等[93-94]建立数值模型研究了CH4和空气的混合图1-19不同CH4/O2下阳极氧分压随温度变化Figure1-19OxygenpartialpressurechangewithtemperatureunderdifferentCH4/O2图1-20700oC下开路电压随CH4/O2变化规律Figure1-20ThechangeofOCVwithCH4/O2under700oC
【参考文献】：
期刊论文
[1]氮氧化物对环境的危害及污染控制技术[J]. 李国亮. 山西化工. 2019(05)
[2]固体氧化物燃料电池电化学阻抗谱差异化研究方法和分解[J]. 施王影,贾川,张永亮,吕泽伟,韩敏芳. 物理化学学报. 2019(05)
[3]中温固体氧化物燃料电池La0.8Sr0.2MnO3-Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-σ阴极的制备研究[J]. 刘波,贾礼超,欧阳瑞丰,李箭. 陶瓷学报. 2019(01)
[4]辽宁中部地区煤矿瓦斯发电机组尾气污染特征分析[J]. 刘枢,张见昕,刘畅. 环境保护与循环经济. 2017(09)
[5]低浓度煤层气变压吸附浓缩试验研究[J]. 郭昊乾,李雪飞,车永芳,刘畅,张进华,王鹏. 洁净煤技术. 2016(04)
[6]三塔VSA富集低浓度煤层气实验研究[J]. 杨雄,刘应书,张二林,李子宜. 中国矿业大学学报. 2016(04)
[7]煤层气提纯用碳分子筛的研制及分离性能研究[J]. 张进华. 煤炭科学技术. 2015(06)
[8]成庄矿瓦斯提纯技术工艺选定及应用效益分析[J]. 李波,张鸿. 中国石油和化工标准与质量. 2014(07)
[9]低浓度瓦斯发电技术研究现状及展望[J]. 李磊. 矿业安全与环保. 2014(02)
[10]合成气甲烷化反应积炭过程的热力学分析[J]. 陈宏刚,王腾达,张锴,牛玉广,杨勇平. 燃料化学学报. 2013(08)
博士论文
[1]多孔介质内煤矿低浓度瓦斯燃烧波多参数耦合时空演化机理[D]. 代华明.中国矿业大学 2016
[2]低浓度瓦斯脉动燃烧的理论与实验研究[D]. 袁隆基.中国矿业大学 2013
[3]中温固体氧化物燃料电池的研制与电极过程的研究[D]. 阎景旺.中国科学院研究生院（大连化学物理研究所） 2002
硕士论文
[1]变压吸附分离煤层气中甲烷/氮混合气的实验研究[D]. 席芳.上海交通大学 2011
本文编号：3286247
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：218 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
彬长集团乏风瓦斯氧化装置
气的混合气体在催化层作用下的氧化放热作用，实现了无需外界供热的热自维持式的SC-SOFC。1.4.3数值模拟研究目前关于利用氧气和燃气预混气体的SOFC数值模拟研究总体上还较少，下面针对现有文献进行介绍。热动力学平衡模拟可用于研究温度和气体成分对SOFC开路电压的影响。Burergler等[88]假设电极反应达到热力学平衡状态，研究了平衡态下电池内气体成分随温度和原始气体甲烷-氧气浓度比的变化规律(图中Rmix表示甲烷-氧气浓度比，与前文含义不同)，并计算了不同温度和甲烷-氧气浓度比情况下的阳极氧分压和电池开路电压，如图1-19和1-20所示，阳极氧分压随甲烷-氧气浓度比增大而减小，开路电压随甲烷-氧气浓度比增大而增大。热动力学平衡模拟并未考虑反应速率影响，因此无法深入揭示燃料电池的反应机理及性能变化规律。为此，一些学者建立了以氧气和燃气混合气体为燃料的SOFC反应动力学模型。Hao等[89.90]建立二维反应动力学模型研究了电池构型和工况条件等因素对阳极支撑SC-SOFC性能的影响机理，模型考虑了电池周围气体流动、化学反应和热量传递等多场耦合过程，模型结果表明最优的甲烷-氧气比约为1.65，因为该比例下既可以避免阳极燃料的完全氧化导致H2和CO浓度减少，又可以避免阴极的氧分压过低。Akhtar等[91]建立了以空气和甲烷混合气体为燃料的微管式SC-SOFC二维数值模型，该模型综合考虑了CH4完全氧化、干/湿重整、水煤气变换等全局反应以及H2的电化学氧化反应，揭示了气流流速分布、各类气体浓度分布以及电流密度分布等规律。进一步地，Akhtar等[92]建立了以空气和H2混合气体为燃料的SC-SOFC三维数值模型，揭示了H2和O2沿气体流动方向的反应消耗规律。Hao等[93-94]建立数值模型研究了CH4和空气的混合图1-19不同CH4/O2下阳极氧?
艘钥掌?图淄榛旌掀??为燃料的微管式SC-SOFC二维数值模型，该模型综合考虑了CH4完全氧化、干/湿重整、水煤气变换等全局反应以及H2的电化学氧化反应，揭示了气流流速分布、各类气体浓度分布以及电流密度分布等规律。进一步地，Akhtar等[92]建立了以空气和H2混合气体为燃料的SC-SOFC三维数值模型，揭示了H2和O2沿气体流动方向的反应消耗规律。Hao等[93-94]建立数值模型研究了CH4和空气的混合图1-19不同CH4/O2下阳极氧分压随温度变化Figure1-19OxygenpartialpressurechangewithtemperatureunderdifferentCH4/O2图1-20700oC下开路电压随CH4/O2变化规律Figure1-20ThechangeofOCVwithCH4/O2under700oC
【参考文献】：
期刊论文
[1]氮氧化物对环境的危害及污染控制技术[J]. 李国亮. 山西化工. 2019(05)
[2]固体氧化物燃料电池电化学阻抗谱差异化研究方法和分解[J]. 施王影,贾川,张永亮,吕泽伟,韩敏芳. 物理化学学报. 2019(05)
[3]中温固体氧化物燃料电池La0.8Sr0.2MnO3-Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-σ阴极的制备研究[J]. 刘波,贾礼超,欧阳瑞丰,李箭. 陶瓷学报. 2019(01)
[4]辽宁中部地区煤矿瓦斯发电机组尾气污染特征分析[J]. 刘枢,张见昕,刘畅. 环境保护与循环经济. 2017(09)
[5]低浓度煤层气变压吸附浓缩试验研究[J]. 郭昊乾,李雪飞,车永芳,刘畅,张进华,王鹏. 洁净煤技术. 2016(04)
[6]三塔VSA富集低浓度煤层气实验研究[J]. 杨雄,刘应书,张二林,李子宜. 中国矿业大学学报. 2016(04)
[7]煤层气提纯用碳分子筛的研制及分离性能研究[J]. 张进华. 煤炭科学技术. 2015(06)
[8]成庄矿瓦斯提纯技术工艺选定及应用效益分析[J]. 李波,张鸿. 中国石油和化工标准与质量. 2014(07)
[9]低浓度瓦斯发电技术研究现状及展望[J]. 李磊. 矿业安全与环保. 2014(02)
[10]合成气甲烷化反应积炭过程的热力学分析[J]. 陈宏刚,王腾达,张锴,牛玉广,杨勇平. 燃料化学学报. 2013(08)
博士论文
[1]多孔介质内煤矿低浓度瓦斯燃烧波多参数耦合时空演化机理[D]. 代华明.中国矿业大学 2016
[2]低浓度瓦斯脉动燃烧的理论与实验研究[D]. 袁隆基.中国矿业大学 2013
[3]中温固体氧化物燃料电池的研制与电极过程的研究[D]. 阎景旺.中国科学院研究生院（大连化学物理研究所） 2002
硕士论文
[1]变压吸附分离煤层气中甲烷/氮混合气的实验研究[D]. 席芳.上海交通大学 2011
本文编号：3286247
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