一种超高温气冷堆耦合碘硫循环的热电氢联产系统

1.本发明涉及核反应堆工程以及工艺热利用技术领域，尤其涉及一种超高温气冷堆耦合碘硫循环的热电氢联产系统。


背景技术：

2.氢气是一种具有高热值的清洁能源载体，有望在未来的能源供应中发挥日益重要的作用。氢气的广泛应用不仅能够助推我国实现碳达峰、碳中和的目标，而且有助于缓解全球的温室效应和能源危机。要实现氢气的广泛应用，需要寻求清洁、高效的大规模制氢方法。化石燃料制氢不仅会消耗化石能源，而且还会排放大量温室气体和污染物质，电解水制氢效率较低且成本高。相比之下，利用核能可以实现清洁、高效、大规模制氢，因此核能制氢有着广阔的应用前景。
3.超高温气冷堆是具有固有安全性的第四代先进核反应堆型，极高的反应堆出口温度可以为制氢工艺提供持续可靠的高温工艺热。碘硫循环是一种热化学制氢循环，制氢效率高且适合与超高温气冷堆耦合。目前，超高温气冷堆与碘硫循环的耦合尚处于概念设计阶段，针对耦合总体方案的研究较少，因此，有必要提出一种超高温气冷堆耦合碘硫循环的系统设计方案，以更好地实现超高温气冷堆的工艺热利用以及核能制氢。


技术实现要素：

4.针对上述技术存在的化石燃料制氢不仅会消耗化石能源，而且还会排放大量温室气体和污染物质，电解水制氢效率较低且成本高的技术问题，本发明提出了一种超高温气冷堆耦合碘硫循环的热电氢联产系统。
5.本发明提出了一种超高温气冷堆耦合碘硫循环的热电氢联产系统，包括：
6.碘硫循环制氢模块，所述碘硫循环制氢模块包括bunsen反应器，所述bunsen反应器的输出端分别连接硫酸纯化塔和氢碘酸纯化塔，所述硫酸纯化塔下游依次设置硫酸浓缩塔和硫酸分解器，所述氢碘酸纯化塔下游依次设置电渗析装置、氢碘酸精馏塔、氢碘酸分解预热器和氢碘酸分解器；
7.过程热提取模块，所述过程热提取模块包括汽汽锅炉、设置在所述汽汽锅炉下游的换热器以及设置在所述换热器下游的输送泵；
8.发电回路，所述发电回路包括蒸汽发生器、高压缸、中压缸和低压缸，所述蒸汽发生器产生的主蒸汽用于所述过程热提取模块和所述发电回路，所述高压缸的排汽为所述氢碘酸分解预热器供热；
9.超高温气冷堆和中间换热器，所述超高温气冷堆出口的高温氦气通过所述的中间换热器将热量传递给二次侧氦气，所述中间换热器的所述二次侧氦气为所述硫酸分解器、所述氢碘酸分解器和所述蒸汽发生器供热。
10.在一些实施例中，用于所述发电回路的所述主蒸汽先进入所述高压缸膨胀做功，然后进入所述蒸汽发生器再热形成再热蒸汽，所述再热蒸汽进入所述中压缸膨胀做功，所
述中压缸的排汽进入所述低压缸膨胀做功；用于所述过程热提取模块的所述主蒸汽进入所述汽汽锅炉中加热给水产生用于过程热用户的高品质蒸汽，所述汽汽锅炉的乏汽经所述换热器换热和所述输送泵加压后成为给水进入所述蒸汽发生器循环。
11.在一些实施例中，所述主蒸汽的压强为24-24.5mpa，所述主蒸汽和所述再热蒸汽的温度为550℃-600℃。
12.在一些实施例中，所述发电回路还包括除氧器、给水泵和高压给水加热器，流经所述除氧器的水经所述给水泵加压和所述高压给水加热器加热后重新进入所述蒸汽发生器进行循环。
13.在一些实施例中，所述低压缸的排汽经冷凝器冷凝和冷凝泵加压后依次流经第一给水加热器、第二给水加热器、第三给水加热器后进入所述除氧器。
14.在一些实施例中，所述高压给水加热器、所述氢碘酸分解预热器、所述硫酸纯化塔、所述硫酸浓缩塔、所述氢碘酸纯化塔和所述氢碘酸精馏塔的疏水在所述除氧器中混合。
15.在一些实施例中，所述低压缸抽汽为所述氢碘酸纯化塔、所述氢碘酸精馏塔、所述硫酸纯化塔、所述硫酸浓缩塔、所述第一给水加热器、所述第二给水加热器和所述第三给水加热器供热，所述中压缸排汽和抽汽分别为所述除氧器和所述高压给水加热器供热。
16.在一些实施例中，所述超高温气冷堆、所述中间换热器和第一风机形成一回路氦气循环，所述中间换热器、所述硫酸分解器、所述氢碘酸分解器、所述蒸汽发生器和第二风机串联形成二回路氦气循环，所述一回路氦气循环和所述二回路氦气循环通过所述中间换热器耦合。
17.在一些实施例中，所述中间换热器出口的二次侧氦气依次流经所述硫酸分解器、所述氢碘酸分解器对纯化提浓后的硫酸和氢碘酸进行加热分解；所述氢碘酸分解器出口的氦气再流经所述蒸汽发生器加热给水产生所述主蒸汽。
18.在一些实施例中，从所述中间换热器换热后的一次侧低温氦气经所述第一风机进入所述超高温气冷堆入口，从所述蒸汽发生器流出的氦气经所述第二风机回到所述中间换热器二次侧入口。
19.相对于现有技术，本发明的有益效果为：
20.本发明提供的热电氢联产系统在超高温气冷堆与碘硫循环耦合的基础上，可以同时生产提供热、电、氢，实现了热电氢多联产，满足多层次能源需求，提高了系统整体的能源利用率，为超高温气冷堆的工艺热利用系统设计提供基础。
21.本发明提供的热电氢联产系统中高品位的热量用于碘硫循环制氢的高温过程，低品位的热量用于碘硫循环制氢的低温过程、发电和工业热供应，实现了超高温气冷堆能量的梯级利用。
22.本发明提供的热电氢联产系统中一回路氦气循环与二回路氦气循环通过中间换热器耦合，蒸汽发生器位于二回路，蒸汽发生器产生的主蒸汽采用超临界参数，发电回路设计为超临界再热循环，从而提升发电效率。
23.本发明提供的热电氢联产系统中蒸汽发生器产生的超临界高温主蒸汽可被抽取用于过程热提取模块，在汽汽锅炉中加热给水产生高温的高品质蒸汽提供给过程热用户，提高系统的经济性。
附图说明
24.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
25.图1为本发明的超高温气冷堆耦合碘硫循环的热电氢联产系统示意图。
具体实施方式
26.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
27.下面参照附图描述根据本发明实施例提出的超高温气冷堆耦合碘硫循环的热电氢联产系统。
28.如图1所示，本发明的超高温气冷堆耦合碘硫循环的热电氢联产系统，包括碘硫循环制氢模块、过程热提取模块、发电回路、超高温气冷堆和中间换热器。
29.碘硫循环制氢模块包括bunsen反应器，bunsen反应器的输出端分别连接硫酸纯化塔和氢碘酸纯化塔，硫酸纯化塔下游依次设置硫酸浓缩塔和硫酸分解器，氢碘酸纯化塔下游依次设置电渗析装置、氢碘酸精馏塔、氢碘酸分解预热器和氢碘酸分解器。
30.在碘硫循环制氢过程中，首先在bunsen反应器中发生bunsen反应，bunsen反应产物具有液液相分离的特性，形成含有大量硫酸和少量氢碘酸、少量碘的硫酸相和含有大量氢碘酸、碘和少量硫酸的氢碘酸相，两相分离后进入各自的后续流程。具体为，物料在bunsen反应器中充分反应，形成的低密度的硫酸相位于上层，高密度的氢碘酸相位于下层，硫酸相和氢碘酸相分离后，硫酸相进入硫酸纯化塔，氢碘酸相进入氢碘酸纯化塔。
31.进入硫酸纯化塔的硫酸相首先利用bunsen反应的逆反应进行纯化，纯化后的硫酸相经过硫酸浓缩塔浓缩后进入硫酸分解器，在硫酸分解器的高温下，硫酸成为气态，在催化剂的作用下先分解为so3和h2o，然后so3再分解为so2和o2。其中，o2可以作为产物储存，so2可以在bunsen反应中循环利用。
32.进入氢碘酸纯化塔的氢碘酸相首先利用bunsen反应的逆反应进行纯化，纯化后的氢碘酸相经过电渗析装置(eed)和氢碘酸精馏塔提浓后，进入氢碘酸分解预热器预热，然后进入氢碘酸分解器，在催化剂的作用下，氢碘酸在氢碘酸分解器中分解为h2和i2，h2作为产物储存，i2可以在bunsen反应中循环利用。
33.超高温气冷堆、中间换热器和第一风机形成一回路氦气循环，中间换热器、硫酸分解器、氢碘酸分解器、蒸汽发生器和第二风机串联形成二回路氦气循环，一回路氦气循环和二回路氦气循环通过中间换热器耦合。中间换热器和蒸汽发生器是不同回路之间热量传递的枢纽。中间换热器将一回路高温氦气的热量传递给二回路的氦气。蒸汽发生器利用二回路氦气的热量加热给水产生蒸汽，用于发电回路推动汽轮机做功和工业热供应。一回路氦气循环与二回路氦气循环的具体过程为，低温氦气在超高温气冷堆堆芯吸收热量成为高温氦气，高温氦气流经中间换热器将热量传递给二回路氦气循环，换热后的低温氦气经第一风机进入超高温气冷堆入口循环使用；中间换热器出口的二次侧氦气为硫酸分解器、氢碘酸分解器、蒸汽发生器提供热量，从蒸汽发生器流出的氦气经第二风机回到中间换热器二次侧入口循环使用。
34.由于硫酸分解器、氢碘酸分解器以及蒸汽发生器为高温过程，需要温度较高的热源，因此将经过中间换热器换热后的二次侧高温氦气用于硫酸分解器、氢碘酸分解器以及蒸汽发生器。具体为，中间换热器出口的二次侧氦气依次流经硫酸分解器、氢碘酸分解器对纯化提浓后的硫酸和氢碘酸进行加热分解；氢碘酸分解器出口的氦气再流经蒸汽发生器加热给水产生主蒸汽。可以理解的是，可以在二回路氦气循环管线上设置阀门，使得换热后的氦气不流经硫酸分解器和氢碘酸分解器，而是直接流向蒸汽发生器，这样可以实现将热源不用于制氢，而是用来发电。
35.蒸汽发生器产生的主蒸汽用于过程热提取模块和发电回路。发电回路包括蒸汽发生器、高压缸、中压缸、低压缸、除氧器、给水泵和高压给水加热器。用于发电回路的主蒸汽先进入高压缸膨胀做功，然后进入蒸汽发生器再热形成再热蒸汽，再热蒸汽进入中压缸膨胀做功，中压缸的排汽进入低压缸膨胀做功。低压缸的排汽经冷凝器冷凝和冷凝泵加压后依次流经第一给水加热器、第二给水加热器、第三给水加热器后进入除氧器。主蒸汽的压强为24-24.5mpa，主蒸汽和再热蒸汽的温度为550℃-600℃。本发明中蒸汽发生器产生的主蒸汽采用超临界参数，发电回路设计为超临界再热循环，从而提高发电效率。
36.高压给水加热器、氢碘酸分解预热器、硫酸纯化塔、硫酸浓缩塔、氢碘酸纯化塔和氢碘酸精馏塔的疏水在除氧器中混合，除氧器中的水经给水泵加压和高压给水加热器加热后重新进入蒸汽发生器循环。
37.在工作过程中，氢碘酸纯化塔、氢碘酸精馏塔、硫酸纯化塔、硫酸浓缩塔、第一给水加热器、第二给水加热器、第三给水加热器、除氧器、高压给水加热器、氢碘酸分解预热器均需要供热，这部分热不需要较高的品位，采用低品位的热量即可，该部分热由发电回路提供。具体为，高压缸排汽为氢碘酸分解预热器供热，中压缸排汽和抽汽分别为除氧器和高压给水加热器供热，低压缸抽汽为氢碘酸纯化塔、氢碘酸精馏塔、硫酸纯化塔、硫酸浓缩塔、第一给水加热器、第二给水加热器和第三给水加热器供热。其中，中压缸的排汽一部分提供给除氧器供热，另一部分进入低压缸膨胀做功。可以理解的是，在高压缸和氢碘酸分解预热器之间、低压缸与氢碘酸纯化塔之间、低压缸与氢碘酸精馏塔之间以及低压缸与硫酸纯化塔、硫酸浓缩塔之间设置阀门以实现对相应供热过程的开闭。
38.在工作过程中，电渗析装置需要消耗电能，该部分电能由发电机发电提供，也就是说发电回路产生的电能一部分用于电渗析装置，其余部分可以输送给电网。
39.过程热提取模块，过程热提取模块包括汽汽锅炉、设置在汽汽锅炉下游的换热器以及设置在换热器下游的输送泵。从蒸汽发生器出来的部分高温的超临界主蒸汽被抽取用于过程热提取模块。用于过程热提取模块的主蒸汽进入汽汽锅炉中加热给水产生高温的高品质蒸汽，这部分蒸汽被过程热用户利用，另外，汽汽锅炉的乏汽经换热器换热和输送泵加压后成为给水进入蒸汽发生器循环。可以理解的是，在蒸汽发生器和过程热提取模块之间可以设置阀门，以控制过程热提取模块的开闭。
40.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述可以针对不同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员
可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
41.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
42.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。