發(fā)布時(shí)間：2021-07-15 18:36

　　瓦斯抽采與利用是煤礦瓦斯災(zāi)害治理的根本性措施,同時(shí)可以將瓦斯變害為利,減少溫室氣體排放,增加清潔能源供應(yīng)。然而,低濃度瓦斯的甲烷濃度偏低((8_CH4<30%)且波動(dòng)大,存在爆炸危險(xiǎn)性,因此其利用難度很大,導(dǎo)致低濃度瓦斯利用率普遍偏低（<40%）,大量瓦斯被直接排放,造成嚴(yán)重的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染�，F(xiàn)有主要的低濃度瓦斯利用技術(shù)為內(nèi)燃機(jī)發(fā)電,但其存在效率低（²5%）、噪聲高和NO_x排放量大等缺點(diǎn),為此本文研究了基于固體氧化物燃料電池（SOFC）的低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù),該技術(shù)具有效率高、清潔無(wú)污染（無(wú)NO_x和噪音）、全固態(tài)無(wú)液體滲漏等優(yōu)點(diǎn),為煤礦低濃度瓦斯的安全、高效和清潔利用提供了新的有效途徑,從而促進(jìn)煤礦的安全生產(chǎn)和節(jié)能減排。煤礦低濃度瓦斯成分復(fù)雜,是目前研究很少的SOFC非常規(guī)燃料。本文采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試、理論分析、數(shù)值模擬和工程設(shè)計(jì)相結(jié)合的手段,針對(duì)低濃度瓦斯作為SOFC燃料時(shí)的反應(yīng)機(jī)理和關(guān)鍵技術(shù)難題開(kāi)展科學(xué)研究,取得的主要成果包括:（1）為控制低濃度瓦斯組分位于安全區(qū)間,避免其在SOFC高溫環(huán)... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：218 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

彬長(zhǎng)集團(tuán)乏風(fēng)瓦斯氧化裝置

氣的混合氣體在催化層作用下的氧化放熱作用，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需外界供熱的熱自維持式的SC-SOFC。1.4.3數(shù)值模擬研究目前關(guān)于利用氧氣和燃?xì)忸A(yù)混氣體的SOFC數(shù)值模擬研究總體上還較少，下面針對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行介紹。熱動(dòng)力學(xué)平衡模擬可用于研究溫度和氣體成分對(duì)SOFC開(kāi)路電壓的影響。Burergler等[88]假設(shè)電極反應(yīng)達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)，研究了平衡態(tài)下電池內(nèi)氣體成分隨溫度和原始?xì)怏w甲烷-氧氣濃度比的變化規(guī)律(圖中Rmix表示甲烷-氧氣濃度比，與前文含義不同)，并計(jì)算了不同溫度和甲烷-氧氣濃度比情況下的陽(yáng)極氧分壓和電池開(kāi)路電壓，如圖1-19和1-20所示，陽(yáng)極氧分壓隨甲烷-氧氣濃度比增大而減小，開(kāi)路電壓隨甲烷-氧氣濃度比增大而增大。熱動(dòng)力學(xué)平衡模擬并未考慮反應(yīng)速率影響，因此無(wú)法深入揭示燃料電池的反應(yīng)機(jī)理及性能變化規(guī)律。為此，一些學(xué)者建立了以氧氣和燃?xì)饣旌蠚怏w為燃料的SOFC反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。Hao等[89.90]建立二維反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型研究了電池構(gòu)型和工況條件等因素對(duì)陽(yáng)極支撐SC-SOFC性能的影響機(jī)理，模型考慮了電池周?chē)鷼怏w流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)和熱量傳遞等多場(chǎng)耦合過(guò)程，模型結(jié)果表明最優(yōu)的甲烷-氧氣比約為1.65，因?yàn)樵摫壤录瓤梢员苊怅?yáng)極燃料的完全氧化導(dǎo)致H2和CO濃度減少，又可以避免陰極的氧分壓過(guò)低。Akhtar等[91]建立了以空氣和甲烷混合氣體為燃料的微管式SC-SOFC二維數(shù)值模型，該模型綜合考慮了CH4完全氧化、干/濕重整、水煤氣變換等全局反應(yīng)以及H2的電化學(xué)氧化反應(yīng)，揭示了氣流流速分布、各類氣體濃度分布以及電流密度分布等規(guī)律。進(jìn)一步地，Akhtar等[92]建立了以空氣和H2混合氣體為燃料的SC-SOFC三維數(shù)值模型，揭示了H2和O2沿氣體流動(dòng)方向的反應(yīng)消耗規(guī)律。Hao等[93-94]建立數(shù)值模型研究了CH4和空氣的混合圖1-19不同CH4/O2下陽(yáng)極氧?

艘鑰掌?圖淄榛旌掀??為燃料的微管式SC-SOFC二維數(shù)值模型，該模型綜合考慮了CH4完全氧化、干/濕重整、水煤氣變換等全局反應(yīng)以及H2的電化學(xué)氧化反應(yīng)，揭示了氣流流速分布、各類氣體濃度分布以及電流密度分布等規(guī)律。進(jìn)一步地，Akhtar等[92]建立了以空氣和H2混合氣體為燃料的SC-SOFC三維數(shù)值模型，揭示了H2和O2沿氣體流動(dòng)方向的反應(yīng)消耗規(guī)律。Hao等[93-94]建立數(shù)值模型研究了CH4和空氣的混合圖1-19不同CH4/O2下陽(yáng)極氧分壓隨溫度變化Figure1-19OxygenpartialpressurechangewithtemperatureunderdifferentCH4/O2圖1-20700oC下開(kāi)路電壓隨CH4/O2變化規(guī)律Figure1-20ThechangeofOCVwithCH4/O2under700oC

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]氮氧化物對(duì)環(huán)境的危害及污染控制技術(shù)[J]. 李國(guó)亮.  山西化工. 2019(05)
[2]固體氧化物燃料電池電化學(xué)阻抗譜差異化研究方法和分解[J]. 施王影,賈川,張永亮,呂澤偉,韓敏芳.  物理化學(xué)學(xué)報(bào). 2019(05)
[3]中溫固體氧化物燃料電池La0.8Sr0.2MnO3-Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-σ陰極的制備研究[J]. 劉波,賈禮超,歐陽(yáng)瑞豐,李箭.  陶瓷學(xué)報(bào). 2019(01)
[4]遼寧中部地區(qū)煤礦瓦斯發(fā)電機(jī)組尾氣污染特征分析[J]. 劉樞,張見(jiàn)昕,劉暢.  環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì). 2017(09)
[5]低濃度煤層氣變壓吸附濃縮試驗(yàn)研究[J]. 郭昊乾,李雪飛,車(chē)永芳,劉暢,張進(jìn)華,王鵬.  潔凈煤技術(shù). 2016(04)
[6]三塔VSA富集低濃度煤層氣實(shí)驗(yàn)研究[J]. 楊雄,劉應(yīng)書(shū),張二林,李子宜.  中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 2016(04)
[7]煤層氣提純用碳分子篩的研制及分離性能研究[J]. 張進(jìn)華.  煤炭科學(xué)技術(shù). 2015(06)
[8]成莊礦瓦斯提純技術(shù)工藝選定及應(yīng)用效益分析[J]. 李波,張鴻.  中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量. 2014(07)
[9]低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J]. 李磊.  礦業(yè)安全與環(huán)保. 2014(02)
[10]合成氣甲烷化反應(yīng)積炭過(guò)程的熱力學(xué)分析[J]. 陳宏剛,王騰達(dá),張鍇,牛玉廣,楊勇平.  燃料化學(xué)學(xué)報(bào). 2013(08)

博士論文
[1]多孔介質(zhì)內(nèi)煤礦低濃度瓦斯燃燒波多參數(shù)耦合時(shí)空演化機(jī)理[D]. 代華明.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2016
[2]低濃度瓦斯脈動(dòng)燃燒的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 袁隆基.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2013
[3]中溫固體氧化物燃料電池的研制與電極過(guò)程的研究[D]. 閻景旺.中國(guó)科學(xué)院研究生院（大連化學(xué)物理研究所） 2002

碩士論文
[1]變壓吸附分離煤層氣中甲烷/氮混合氣的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 席芳.上海交通大學(xué) 2011



本文編號(hào)：3286247