中国高温气冷堆制氢发展战略研究

张平 ,  徐景明 ,  石磊 ,  张作义

中国工程科学 ›› 2019, Vol. 21 ›› Issue (1) : 20 -28.

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中国工程科学 ›› 2019, Vol. 21 ›› Issue (1) : 20 -28. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2019.01.004
新一代核能用材发展战略研究

中国高温气冷堆制氢发展战略研究

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Nuclear Hydrogen Production Based on High Temperature Gas Cooled Reactor in China

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摘要

核能制氢是一种有应用前景的高效、大规模、无排放的制氢技术,有望在氢气大规模集中供应的场景中起到重要作用。高温气冷堆是最适于核能制氢的堆型,在我国已有几十年的研发基础,目前正在国家科技重大专项支持下建造高温气冷堆示范电站。本文介绍了核能制氢技术的特点和主流的核能制氢工艺包括热化学碘硫循环、混合硫循环和高温蒸汽电解的原理,对国际上核能制氢技术发展现状进行了简要综述,并概述了清华大学在该领域的研发现状。此外对核能制氢的安全性、技术经济评价等问题进行了讨论,在此基础上对与高温气冷堆耦合的制氢技术进行了评价,并以氢气直接还原炼铁为例探讨了高温气冷堆制氢在工业领域的应用前景。最后对我国高温气冷堆制氢技术的发展路线进行了探讨。

Abstract

Nuclear hydrogen production is one of the most prospective approaches for efficient, massive and CO2-free hydrogen production, while the high temperature gas cooled reactor (HTGR) which has been intensively developed in China is considered as the most suitable reactor type for nuclear hydrogen production. Currently, the HTGR demonstration plant, HTR-PM, is under construction under the framework of the National Science and Technology Major Project. The principles and main routes for nuclear hydrogen production, including the iodine-sulfur thermochemical water-splitting process, the hybrid sulfur process, as well as the high temperature steam electrolysis, are introduced. The progress of the nuclear hydrogen production technologies both in the world and China are shortly presented and reviewed, and its safety analysis and techno-economic assessment are discussed. In addition, the potential technologies for coupling to the reactor are discussed, and the industrial application of the nuclear hydrogen production based on HTGR is prospected, taking steelmaking by hydrogen as an example. Finally, the development strategy and prospects of nuclear hydrogen production technology in China are proposed.

关键词

高温气冷堆 / 能制氢 / 热化学循环 / 高温电解 / 技术路线

Key words

高温气冷堆 / 能制氢 / 热化学循环 / 高温电解 / 技术路线 / high temperature gas cooled reactor / nuclear hydrogen production / thermochemical cycle / high temperature steam electrolysis / technology route

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张平,徐景明,石磊,张作义. 中国高温气冷堆制氢发展战略研究[J]. 中国工程科学, 2019, 21(1): 20-28 DOI:10.15302/J-SSCAE-2019.01.004

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一、前言

氢是重要的工业原料,也是未来理想的二次能源或能源载体;氢作为二次能源便于储存和运输,且可以直接作为燃料使用。除传统的合成氨、合成甲醇、石油精炼外,氢气在氢冶金、煤液化以及燃料电池汽车等领域都能够得到大规模利用。利用核能制氢,可以实现氢气的高效、大规模、无碳排放制备。

在国家“863 计划”支持下,我国 10 MWt 高温气冷试验堆已在清华大学核能与新能源技术研究院建成并实现满功率运行。在国家科技重大专项支持下,200 MWe 高温气冷堆核电站示范工程的建设正在进行 [1];核能制氢和氦气透平等前瞻性技术的研发已开展。在可用于核能制氢的反应堆堆型中,高温气冷堆因其高出口温度和固有安全性等优势,被认为是最适合用于制氢的堆型 [2]。核能制氢是高温气冷堆发电外最重要的用途,将为未来高温堆的应用拓展新的领域。核能制氢技术研发既有利于保持我国高温气冷堆技术的国际领先优势,也为未来氢气的大规模供应提供了一种有效的解决方案,同时可为高温堆工艺热应用开辟新的用途,对实现我国未来的能源战略转变具有重大意义。

二、核能制氢技术简述

核能制氢就是利用核反应堆产生的热作为一次能源,从含氢元素的物质水或化石燃料制备氢气。

(一)制氢用反应堆

目前广泛用于发电的压水堆等堆型利用高温蒸汽作为热载体,由于出口温度相对较低,主要用于发电。第四代核能系统论坛(GIF)筛选了 6 种堆型(包括钠冷快堆、气冷快堆、铅冷快堆、熔盐堆、超临界水堆、超 / 高温气冷堆)作为未来发展的方向,除在经济性、安全性、可持续性等方面的目标外,希望能有效拓展核能在非发电领域的应用。在这 6 种堆型中,超 / 高温气冷堆由于具有固有安全性、高出口温度、功率适宜等特点,被认为是非常适合用于制氢的堆型 [3]。在 GIF 中专门设置了高温堆制氢项目管理部,协调国际上核能制氢相关的国家交流与合作。

(二)核能制氢技术

作为一种二次能源或能源载体,氢气需要利用一次能源从含氢物质来制取。图 1 为利用核能制取氢气的技术路线。

图 1 核能制氢技术路线

在图 1 所示的技术路线中,核热辅助的烃类重整利用高温气冷堆的工艺热代替常规技术中的热源,可部分减少化石燃料的使用,也相应减少部分CO2 排放。利用核能发电再经常规电解制氢,是已成熟技术的结合,但从一次能源转化为氢能的效率较低。在一些压水堆发电能力过剩、需要消纳或者特殊应用的场景中,可利用电解制氢实现储能或者供给需要氢气的场合。要实现核能到氢能的高效转化,必须部分或全部利用以反应堆提供的工艺热,减少热 – 电转换过程中的效率损失。目前研发的主流核能制氢技术包括热化学循环(碘硫循环和混合硫循环)和高温蒸汽电解。

1. 碘硫循环

碘硫循环(IS cycle)由美国通用原子公司(GA)最早提出 [4],被认为是最有应用前景的核能制氢技术。碘硫循环由如式(1)~ 式(3)所示的三步反应相耦合,组成一个闭合过程,净结果为水分解产生氢气和氧气。这样可将原本需要在 2500 ℃以上高温下才能进行的水分解反应在 800~900 ℃下得以实现:

Bunsen 反应(产生硫酸和氢碘酸):

SO2 +I2 +2H2O = H2SO4 +2HI(20~120 ℃) (1)

硫酸分解反应(产生氧):

H2SO4 = SO2 + 1/2O2 + H2O(830~900 ℃) (2)

氢碘酸分解反应(产生氢):

2HI = H2+I2 (400~500 ℃)  (3)

以高温气冷堆为热源经碘硫循环制氢过程原理如图 2 所示。

图 5 核能制氢直接还原炼铁原理路线示意图

(三)高温气冷堆制氢发展路线初探

高温气冷堆制氢项目的总体目标为实现核能制氢示范并在有关行业内应用,为部分行业热、电、氢、氧的大规模供应提供总体解决方案,为实现我国节能减排、产品升级换代提供重要技术基础。

根据高温气冷堆制氢技术的发展规律并参考国际上相关国家的研发规划,提出“原理验证与单元集成—工程材料与设备开发—工程验证—商业化示范”的发展路线,目前已完成原理验证与单元集成阶段研究,后续研发路线规划如下。

到 2020 年:完成高温气冷堆制氢关键设备技术研究。重点开展可用于碘硫循环技术的工程材料的研发,开发用于工程材料制作的关键分解器,建立模拟高温气冷堆供给高温工艺热的氦气加热的实验回路并进行实验验证;为实现利用高温气冷堆进行核能制氢中试奠定基础。目前相关研发工作正在国家科技重大专项支持下开展。

到 2025 年:高温气冷堆制氢中试工程验证。开展关键设备放大制造技术研发及制氢中试厂设计,建立产氢能力 1×103 m3 /h 的高温堆制氢中试厂,利用高温氦气回路完成中试工程验证,并完成利用商业规模超高温气冷堆进行核能制氢的概念设计。

到 2030 年:开展超高温堆—核能制氢—氢冶金的工程示范。

七、结语

核能制氢是一种高效、清洁的大规模制氢方法,可在未来氢气大规模供应方面扮演重要角色。以核能制氢为核心的高温堆工艺热综合利用(氢、电、热联合供应)将对我国多个工业行业的技术革命提供重要支撑,在产品升级换代、降低污染、减少碳排放等方面发挥重要作用。

在国家科技重大专项“大型先进压水堆及高温气冷堆核电站”支持下,高温堆制氢关键技术研究已取得良好进展,目前正在开展关键设备样机研究;计划“十四五”期间进行中试验证,“十五五”期间进行高温堆核能制氢—氢冶金的工程示范。

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基金资助

中国工程院咨询项目“新一代核能用材发展战略研究”(2016-ZD-06)()

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