[发明专利]一种基于固体氧化物电解池透氧膜的低浓度瓦斯透氧提纯系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于固体氧化物电解池透氧膜的低浓度瓦斯透氧提纯系统及方法，该系统包括固体氧化物电解池透氧膜反应器、立式管式炉和外加电源，透氧膜反应器包括陶瓷管和位于陶瓷管中的固体氧化物电解池，固体氧化物电解池包括空气极、燃料极、电解质和阻隔层，透氧膜反应器位于立式管式炉中，固体氧化物电解池的两端连接外加电源。煤层低浓度瓦斯气体直接输入到固体氧化物电解池的燃料极，通过外加电压，将低浓度瓦斯气中的氧离子通过电解质传输到空气极，进而实现低浓度瓦斯中甲烷提纯及透氧的双重目的。本发明解决了现有技术低浓度瓦斯气利用率低，利用成本高，直排污染严重的问题。

技术领域

本发明涉及低浓度瓦斯提纯技术领域，具体涉及一种基于固体氧化物电解池透氧膜的低浓度瓦斯透氧提纯系统及方法。

背景技术

减少温室气体排放，缓解全球气候变暖是目前国内外的关注热点。煤矿瓦斯的开发利用是瓦斯灾害治理的有效措施，既可以最大化利用瓦斯价值，又可以减少温室气体排放。但是，煤矿瓦斯中存在一些低浓度瓦斯气体即甲烷浓度偏低(C_CH430％)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。我国煤矿开采过程中伴生大量低浓度瓦斯，此种低浓度瓦斯因含有O₂，N₂，CO₂等杂质气体，不易压缩储存及利用，这些低浓度瓦斯不仅严重威胁煤矿安全，而且被直接排放的大量低浓度瓦斯会造成温室气体排放和环境污染。低浓度瓦斯的有效成分甲烷是制氢及发电的重要原料。将低浓度瓦斯提纯，可以使其成为具有更高价值的高浓度瓦斯气，一方面可减少低浓度瓦斯对环境的影响，另一方面可减少对煤炭及天然气等能源的依赖，真正实现变废为宝。目前常用的气体分离提浓技术包括：低温液化分离法、变压吸附法和膜分离法。低温液化分离法是将气体混合物冷凝压缩使其发生液化，并根据混合气中不同气体组分的沸点不同实现气体分离，可得到很高浓度的CH₄气体。然而该项技术需要对低浓度瓦斯进行高压压缩，低浓度瓦斯中含有O₂，对其进行压缩时具有较高的爆炸风险，并且该项技术能耗巨大，投资较高，因此并未大范围推广应用。类似的，吸附分离法是基于吸附剂对不同气体组分的吸附速度和吸附容量不同而进行气体分离，然而，目前根据平衡选择性原理对煤矿低浓度瓦斯进行变压吸附提纯的技术存在瓶颈，主要问题是所需的吸附压力较大，而对含氧低浓度瓦斯加压可能引起瓦斯爆炸，并且压缩环节大幅提高了能耗成本。膜分离法主要是利用不同气体组分通过膜的渗透率不同，从而将渗透率大的组分排出膜外，将渗透率低的组分留在膜内，实现气体分离。O₂和N₂的渗透率高于CH₄，从而可以实现对低浓度瓦斯内CH₄进行提纯。然而，由于目前膜材料主要集中在聚合物膜或碳膜，其耐久性达不到实际应用要求，且对于较大气量的气体分离，膜分离的成本过高，此膜分离技术在低浓度瓦斯提浓领域还需要深入研究。综上，这些技术路线存在着流程长，能耗大，系统效率低，成本高等问题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种基于固体氧化物电解池透氧膜的低浓度瓦斯透氧提纯系统，可以高效透氧，提纯甲烷，降低能耗。

本发明的目的之二是提供一种利用上述提纯系统的低浓度瓦斯透氧提纯方法，路线简单，成本低。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种基于固体氧化物电解池透氧膜的低浓度瓦斯透氧提纯系统，该系统包括固体氧化物电解池透氧膜反应器、立式管式炉和外加电源，所述透氧膜反应器包括陶瓷管和位于陶瓷管中的固体氧化物电解池，所述固体氧化物电解池包括空气极、燃料极、电解质和阻隔层，燃料极侧设置低浓度瓦斯气体进出口，空气极侧设置空气进出口，所述燃料极侧还设有水蒸气入口；所述透氧膜反应器位于所述立式管式炉中，所述固体氧化物电解池的两端连接所述外加电源，所述固体氧化物电解池在外加电压、高温下进行电解，用于高效透氧提浓。