一种利用高温气冷堆的硫碘循环制氢系统与方法
技术领域
本发明属于核能制氢综合利用
技术领域
，具体涉及一种利用高温气冷堆的硫碘循环制氢系统与方法。背景技术
传统化石能源的使用会释放大量的二氧化碳、硫化物、氮氧化物和粉尘颗粒等污染物质，造成全球温室效应加剧、环境污染等严重问题。氢气是一种清洁能源，利用后只有水生成。它可以气态、液态、固体氧化物等多种形式存储和运输，并能适用于多种应用条件，在清洁燃烧、氢燃料电池等方面的应用具有广阔的应用前景。
目前主要制氢方法为化石燃料制氢：48％来自于天然气，30％来自于石油，18％来自于煤；其余的4％来自于电解水制氢。化石燃料制氢过程会释放大量温室气体及污染物，电解水制氢消耗大量电能，转化效率低成本高，这与未来氢能发展高效化、清洁化、低成本化的理念不一致。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种利用高温气冷堆的硫碘循环制氢系统与方法，通过将高温气冷堆发电系统与热化学硫碘循环制氢系统进行耦合，利用高温气冷堆出口的高温氦气作为热源，使水在800℃至1000℃下催化热分解，从而制取氢气和氧气。高温气冷堆制氢原理为：高温气冷堆出口的高品位热能用于制氢过程，经过氦-氦换热器换热后的低品位热能用于发电，发电得到的电能供给制氢过程，剩余的电能输出至电网，从而实现高温气冷堆能量的梯级利用和零碳排放的氢电联产。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种利用高温气冷堆的硫碘循环制氢系统，包括发电部分和硫碘循环制氢部分；
所述发电部分采用氦气冷堆作为高温热源，包括反应堆6，所述反应堆6出口的高温高压氦气通过氦-氦换热器7后进入氦气透平8做功，氦气透平8带动发电机9发电同时也带动同轴的低压压气机2和高压压气机4对工质进行压缩；所述氦气透平8的排气经过回热器5低压侧后将热量传输给高压侧氦气，然后进入预冷器1降至低温，低温氦气进入带有中间冷却器3的压气机组，然后被压缩成高压氦气，高压氦气经过回热器5高压侧后被加热至接近氦气透平8的排气温度，然后再进入反应堆6堆芯重复被加热；
所述硫碘循环制氢部分包括Bunsen预混罐17，所述Bunsen预混罐17中投入初始物料SO2、I2和H2O，所述Bunsen预混罐17的液体出口端连接Bunsen反应罐18，所述Bunsen反应罐18液体出口端连接分离器19，所述分离器19下层通过HIX相控制阀29排出至HI罐30，上层通过H2SO4相控制阀20排出至H2SO4罐21，HI罐30输出端连接HIX纯化塔31，HIX纯化塔31生成的SO2被吹扫返回至Bunsen预混罐17，HIX纯化塔31的HIX相溶液输出端通过缓冲罐33后被抽出至EED34，EED34的阳极的I2浓缩液经由洗气回料罐28返回至Bunsen预混罐17，阴极的HIX浓缩液通过HI精馏塔35进一步浓缩，随后进入HI分解床37，在催化剂作用下分解产生H2和I2，分解后的产物经冷凝器38分离，除H2被引出至H2储罐外，其余的HI、I2和H2O全部回流至缓冲罐33，所述分离器19中上部排出的H2SO4相溶液进入H2SO4纯化塔22中，所述H2SO4纯化塔22的输出端分别连接Bunsen预混罐17和H2SO4浓缩塔24，所述H2SO4浓缩塔24的H2SO4输出端连接H2SO4分解床26，H2SO4浓缩塔24排出的H2O返回至Bunsen预混罐17，所述H2SO4分解床26的输出端分别连接Bunsen预混罐17和洗气回料罐28。
所述反应堆6出口的高温高压氦气通过氦-氦换热器7后，温度由1000℃左右降至600℃左右。
所述H2SO4浓缩塔24连接H2SO4分解床26的底部。
所述回热器5低压侧入口连接氦气透平8出口的低压排气，回热器5低压侧出口连接预冷器1，回热器5高压侧入口连接高压压气机4出口的高压排气，回热器5高压侧出口与核反应堆6入口相连。
所述预冷器1与低压压气机2之间连接的管线和回热器5与高压压气机4之间连接的管线之间设置有储气罐12。
所述储气罐12通过储气罐低压压气机侧阀门13和预冷器1与低压压气机2之间的管线相连，储气罐12通过储气罐高压压气机侧阀门11和回热器5与高压压气机4之间的管线相连。
所述高压压气机4出口和氦气透平8排气端之间连接旁路阀10。
所述预冷器1、中间冷却器3采用加热器给水泵41出口的给水进行冷却，同时将给水加热至200℃左右以供H2SO4纯化塔加热器23、H2SO4浓缩塔加热器25、HIX纯化塔加热器32和HI精馏塔加热器36使用，经过上述加热器的回水汇至缓冲水箱40，缓冲水箱40与加热器给水泵41通过供水管道相连，加热器供回水管路通过加热器供回水管路旁路阀42连接并调整压力。
所述氦-氦换热器7、H2SO4分解床26、HI分解床37和二回路主氦风机39串联形成二回路氦气循环，二回路氦气循环通过氦-氦换热器7与一回路高温气冷堆热力循环耦合，氦-氦换热器7出口的高温氦气依次经过H2SO4分解床26、HI分解床37对纯化后的H2SO4和HI在催化剂作用下进行加热分解。
一种利用高温气冷堆的硫碘循环制氢系统的运行方法，包括以下步骤；
在发电部分启动阶段，关闭旁路阀10，发电机9通过静态变频装置切换为电动机方式运行，与发电机9同轴布置的氦气透平8、高压压气机4和低压压气机2在静态变频装置带动下升速，升速过程中通过控制核反应堆6的控制棒逐步提升反应堆输出功率，当氦气透平发电机组达到自持转速后，静态变频装置退出运行，发电机9切换为发电机方式运行；
当氦气透平发电机组达到额定转速时，检查核反应堆6输出功率和出口氦气工质的温度、压力是否在正常范围内，检查氦气透平发电机组轴系、轴瓦、密封系统运行状态是否正常，如无异常，将发电机9并网；
氦气透平发电机组并网后，逐步提高核反应堆6的输出功率，此时预冷器1和中间冷却器3由外部冷却水来冷却，避免氦气工质超温，在氦气透平发电机组正常运行阶段，通过以下3种方式来调节系统输出功率：
1)反应性调节：通过控制核反应堆6的控制棒调节堆芯的反应性，直接结果是反应堆出口温度的上升或者下降，反应性调节在高负荷工况下可以保持较高的效率，但在低负荷工况下效率下降较大；
2)系统压力调节：通过调整储气罐低压压气机侧阀门13和储气罐高压压气机侧阀门11的开度，回路中的氦气工质流出或者流入储气罐，回路中的压力上升或者下降，来实现做功能力的增大或者减小，系统压力调节是运行功率调节的主要手段，通过与核反应堆6输出功率的同步调节，保证在部分负荷下系统仍然具有较高的循环效率；
3)旁路阀10调节：旁路阀10调节通常用于应急需要，旁路阀10打开，氦气透平8快速提高，做功能力急剧下降，同时压气机流量增大，耗功增加，氦气透平发电机组转速会快速下降；
当发电部分启动完成并且运行正常后，开始启动硫碘循环制氢部分，首先将SO2、I2和H2O按比例投入Bunsen预混罐17作为维持系统运行的初始物料，在Bunsen预混罐17混合均匀的反应溶液经严格的流量控制进入到Bunsen反应罐18，物料在Bunsen反应罐18中充分反应生成的H2SO4和HI排入分离器19，在分离器19中过量I2的氛围下分成上下两层，下层为高密度的HIX相，经分离器19下部通过HIX相控制阀29排出至HI罐30，上层为H2SO4相，经分离器19中上部通过H2SO4相控制阀20排出至H2SO4罐21。HIX相溶液在HIX纯化塔31中发生纯化反应，以使携带的H2SO4杂质转化为SO2和H2O，生成的SO2被吹扫返回至Bunsen预混罐17，在预混罐17中被I2吸收，避免S元素的损失，纯化后的HIX相溶液在进入缓冲罐33后被抽出至EED(电渗析装置)34，在电解作用下，EED34阴极实现HIX相溶液的浓缩，阳极形成I2溶液的浓缩，阳极的I2浓缩液经由洗气回料罐28返回至Bunsen预混罐17，阴极的HIX浓缩液通过HI精馏塔35进一步浓缩，随后进入HI分解床37，调整高温气冷堆出口气温使HI分解床床温在500℃左右，在催化剂作用下将HI分解产生H2和I2，分解后的产物经冷凝器38分离，除H2被引出至H2储罐外，其余的HI、I2和H2O全部回流至缓冲罐33，从分离器中上部排出的H2SO4相溶液进入H2SO4纯化塔22中，发生纯化反应脱除HIX等杂质。经过纯化的H2SO4相溶液一部分被送回至Bunsen预混罐17，其余溶液则进入到H2SO4浓缩塔24中，在浓缩塔24经过闪蒸浓缩后送至H2SO4分解床26，H2SO4浓缩塔24排出的H2O返回至Bunsen预混罐17，浓H2SO4由下而上进入H2SO4分解床26中，调整高温气冷堆出口气温使H2SO4分解床床温在800℃左右，在H2SO4分解床26低温段浓H2SO4被分解为SO3和H2O，在H2SO4分解床26高温段SO3在催化剂作用下分解为SO2和O2，H2SO4的分解产物经由冷凝器27冷却后返回至Bunsen预混罐17继续下一轮循环，O2则经过洗气回料罐28洗气后作为硫碘循环副产物进行收集储存。
本发明的有益效果：
本发明通过将高温气冷堆发电系统与热化学硫碘循环制氢系统进行耦合，利用高温气冷堆出口的高温氦气作为热源，使水在800℃至1000℃下催化热分解，从而高效率制取氢气和氧气。高温气冷堆出口的高品位热能用于制氢过程，经过氦-氦换热器换热后的低品位热能用于发电，发电得到的电能供给制氢过程，剩余的电能输出至电网，从而实现高温气冷堆能量的梯级利用和零碳排放的氢电联产。
在系统运行过程中可以分别或者综合利用调节核反应堆输出功率、氦气工质电导率、回路系统压力等方法来调节发电部分输出功率和反应堆出口气温，满足不同运行要求。
本发明提出的系统运行方式，可实现高温气冷堆能量的梯级利用和零碳排放的氢电联产。在电力和热力生产过程中实现零碳排放，有利于提升电力企业在未来能源市场竞争中占据有利位置，提高发电企业竞争能力。
本发明适用于使用高温气冷堆的硫碘循环制氢系统，具备推广的普适性条件。
附图说明
图1为本发明的热力系统示意图。
其中1-预冷器，2-低压压气机，3-中间冷却器，4-高压压气机，5-回热器，6-反应堆，7-氦-氦换热器，8-氦气透平，9-发电机，10-旁路阀，11-储气罐高压压气机侧阀门，12-储气罐，13-储气罐低压压气机侧阀门，14-预冷器循环冷却水回水侧阀门，15-预冷器循环冷却水旁路阀，16-预冷器循环冷却水供水侧阀门，17-Bunsen预混罐，18-Bunsen反应罐，19-分离器，20-H2SO4相控制阀，21-H2SO4罐，22-H2SO4纯化塔，23-H2SO4纯化塔加热器，24-H2SO4浓缩塔，25-H2SO4浓缩塔加热器，26-H2SO4分解床，27-冷凝器，28-洗气回料罐，29-HIX相控制阀，30-HIX罐，31-HIX纯化塔，32-HIX纯化塔加热器，33-缓冲罐，34-EED，35-HI精馏塔，36-HI精馏塔加热器，37-HI分解床，38-冷凝器，39-二回路主氦风机，40-缓冲水箱，41-加热器给水泵，42-加热器供回水管路旁路阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明为一种利用高温气冷堆的硫碘循环制氢系统，包括发电部分和硫碘循环制氢部分。
第一部分是发电部分，采用氦气冷堆作为高温热源，当反应堆6出口的高温高压氦气通过氦-氦换热器7后，温度由1000℃左右降至600℃左右，仍然具有较高的能量的氦气进入氦气透平8做功，氦气透平8带动发电机9发电同时也带动同轴的低压压气机2和高压压气机4对工质进行压缩。氦气透平8的排气仍然具有较高的温度，经过回热器5低压侧后将热量传输给高压侧氦气，然后进入预冷器1降至低温。低温氦气进入带有中间冷却器3的压气机组，然后被压缩成高压氦气。高压氦气经过回热器5高压侧后被加热至接近氦气透平8的排气温度，然后再进入反应堆6堆芯重复被加热过程。
第二部分是硫碘循环制氢部分，包括Bunsen反应、氢碘酸分解反应和硫酸分解反应。首先将SO2、I2和H2O按比例投入Bunsen预混罐17作为维持系统运行的初始物料，在Bunsen预混罐17混合均匀的反应溶液经严格的流量控制进入到Bunsen反应罐18，物料在Bunsen反应罐18中充分反应生成的H2SO4和HI排入分离器19。在分离器19中过量I2的氛围下分成上下两层，下层为高密度的HIX相，经分离器19下部通过HIX相控制阀29排出至HI罐30，上层为H2SO4相，经分离器19中上部通过H2SO4相控制阀20排出至H2SO4罐21。HIX相溶液在HIX纯化塔31中发生纯化反应，以使携带的H2SO4杂质转化为SO2和H2O，生成的SO2被吹扫返回至Bunsen预混罐17，在预混罐17中被I2吸收，避免S元素的损失。纯化后的HIX相溶液在进入缓冲罐33后被抽出至EED(电渗析装置)34，在电解作用下，EED34阴极实现HIX相溶液的浓缩，阳极形成I2溶液的浓缩。阳极的I2浓缩液经由洗气回料罐28返回至Bunsen预混罐17，阴极的HIX浓缩液通过HI精馏塔35进一步浓缩，随后进入HI分解床37，在催化剂作用下分解产生H2和I2，分解后的产物经冷凝器38分离，除H2被引出至H2储罐外，其余的HI、I2和H2O全部回流至缓冲罐33。从分离器中上部排出的H2SO4相溶液进入H2SO4纯化塔22中，发生纯化反应脱除HIX等杂质。经过纯化的H2SO4相溶液一部分被送回至Bunsen预混罐17，其余溶液则进入到H2SO4浓缩塔24中，在浓缩塔24经过闪蒸浓缩后送至H2SO4分解床26，H2SO4浓缩塔24排出的H2O返回至Bunsen预混罐17。浓H2SO4由下而上进入H2SO4分解床26中，在H2SO4分解床26低温段浓H2SO4被分解为SO3和H2O，在H2SO4分解床26高温段SO3在催化剂作用下分解为SO2和O2，H2SO4的分解产物经由冷凝器27冷却后返回至Bunsen预混罐17继续下一轮循环，O2则经过洗气回料罐28洗气后作为硫碘循环副产物进行收集储存。因此整个过程中H2O分解生成H2和O2，而I2和SO2等中间产物在整个系统内持续循环。
所述低压压气机2、高压压气机4、氦气透平8和发电机9为同轴布置。
所述回热器5低压侧入口连接氦气透平8出口的低压排气，回热器5低压侧出口连接预冷器1，回热器5高压侧入口连接高压压气机4出口的高压排气，回热器5高压侧出口与核反应堆6入口相连。
在预冷器1与低压压气机2之间连接的管线和回热器5与高压压气机4之间连接的管线之间设置有储气罐12。
所述储气罐12通过储气罐低压压气机侧阀门13和预冷器1与低压压气机2之间的管线相连，储气罐12通过储气罐高压压气机侧阀门11和回热器5与高压压气机4之间的管线相连。
所述高压压气机4出口和氦气透平8排气端之间连接旁路阀10。
所述预冷器1、中间冷却器3采用加热器给水泵41出口的给水进行冷却，同时将给水加热至200℃左右以供H2SO4纯化塔加热器23、H2SO4浓缩塔加热器25、HIX纯化塔加热器32和HI精馏塔加热器36使用，经过上述加热器的回水汇至缓冲水箱40，缓冲水箱40与加热器给水泵41通过供水管道相连，加热器供回水管路通过加热器供回水管路旁路阀42连接并调整压力。
所述二回路氦气循环由氦-氦换热器7、H2SO4分解床26、HI分解床37和二回路主氦风机39串联组成，二回路氦气循环通过氦-氦换热器7与一回路高温气冷堆热力循环耦合，氦-氦换热器7出口的高温氦气依次经过H2SO4分解床26、HI分解床37对纯化后的H2SO4和HI在催化剂作用下进行加热分解。
所述Bunsen反应装置由Bunsen预混罐17，Bunsen反应罐18，分离器19组成，将SO2、I2和H2O按比例投入Bunsen预混罐17中，作为维持系统运行的初始物料。充分混合后的物料进入Bunsen反应罐18，由于Bunsen反应在过量的I2和H2O存在情况下进行，SO2可认为被完全吸收。Bunsen反应生成的物料HI、I2、H2SO4和H2O进入分离器19，在分离器19中溶液将分成HIX相和H2SO4相。
所述HIX相在分离器19下部聚集，通过HIX相控制阀29进入到HIX罐30，稍作停留后进入到HIX纯化塔31，HIX纯化塔31由HIX纯化塔加热器32将温度维持在150℃左右，纯化反应使HIX相溶液中含有的H2SO4转化为SO2和H2O，生成的SO2通过吹扫管路排至Bunsen预混罐17由I2吸收，经过纯化反应后的HIX相溶液进入缓冲罐33，随后被抽出至EED34，在电解作用下，EED34阴极实现HIX相溶液的浓缩，阳极形成I2溶液的浓缩。阳极的I2浓缩液经由洗气回料罐28返回至Bunsen预混罐17，阴极的HIX浓缩液通过HI精馏塔35进一步浓缩，随后进入HI分解床37，在催化剂作用下分解产生H2和I2，分解后的产物经冷凝器38分离，除H2被引出至H2储罐外，其余的HI、I2和H2O全部回流至缓冲罐33。
所述H2SO4相在分离器19上部聚集，通过H2SO4相控制阀20进入到H2SO4罐，稍作停留后进入到H2SO4纯化塔22，其中的HI杂质与H2SO4发生Bunsen逆反应被脱除，经过纯化后硫酸相溶液中的一部分被送回Bunsen预混罐17，其余的溶液则被送至H2SO4浓缩塔24，H2SO4浓缩塔由H2SO4浓缩塔加热器25提供加热热源，H2SO4在H2SO4浓缩塔闪蒸浓缩后送入H2SO4分解床26，排出的水蒸汽则被送回至Bunsen预混罐17。H2SO4分解床26采用底部进料方式，分为H2SO4分解段和SO3分解段，H2SO4分解段在450℃左右将H2SO4分解为SO3和H2O，SO3分解段在800℃左右催化剂作用下将SO3分解为SO2和H2O，H2SO4分解产物SO2经由冷凝器27冷凝后送回至Bunsen预混罐17继续下一轮循环，O2则经过洗气回料罐28洗气后作为硫碘循环副产物进行收集储存。
所述HI分解床37由二回路高温氦气加热，从HI精馏塔35出来的HI在裂解器底部被加热气化，随后在催化床中分解生成H2和I2。
所述H2SO4分解床26由二回路高温氦气加热，从H2SO4浓缩塔24出来的H2SO4通过H2SO4分解段和SO3分解段被分解为SO2和H2O。
本发明的工作原理：
在发电部分启动阶段，关闭旁路阀10，发电机9通过静态变频装置切换为电动机方式运行，与发电机9同轴布置的氦气透平8、高压压气机4和低压压气机2在静态变频装置带动下升速，升速过程中通过控制核反应堆6的控制棒逐步提升反应堆输出功率，当氦气透平发电机组达到自持转速后，静态变频装置退出运行，发电机9切换为发电机方式运行；
当氦气透平发电机组达到额定转速时，检查核反应堆6输出功率和出口氦气工质的温度、压力是否在正常范围内，检查氦气透平发电机组轴系、轴瓦、密封系统运行状态是否正常，如无异常，将发电机9并网；
氦气透平发电机组并网后，逐步提高核反应堆6的输出功率，此时预冷器1和中间冷却器3由外部冷却水来冷却，避免氦气工质超温。在氦气透平发电机组正常运行阶段，可以通过以下3种方式来调节系统输出功率：
1)反应性调节：通过控制核反应堆6的控制棒调节堆芯的反应性，直接结果是反应堆出口温度的上升或者下降，反应性调节在高负荷工况下可以保持较高的效率，但在低负荷工况下效率下降较大；
2)系统压力调节：通过调整储气罐低压压气机侧阀门13和储气罐高压压气机侧阀门11的开度，回路中的氦气工质流出或者流入储气罐，回路中的压力上升或者下降，来实现做功能力的增大或者减小，系统压力调节是运行功率调节的主要手段，通过与核反应堆6输出功率的同步调节，保证在部分负荷下系统仍然具有较高的循环效率；
3)旁路阀10调节：旁路阀10调节通常用于应急需要，旁路阀10打开，氦气透平8快速提高，做功能力急剧下降，同时压气机流量增大，耗功增加，氦气透平发电机组转速会快速下降。
当发电部分启动完成并且运行正常后，可以开始启动硫碘循环制氢部分。首先将SO2、I2和H2O按比例投入Bunsen预混罐17作为维持系统运行的初始物料，在Bunsen预混罐17混合均匀的反应溶液经严格的流量控制进入到Bunsen反应罐18，物料在Bunsen反应罐18中充分反应生成的H2SO4和HI排入分离器19。在分离器19中过量I2的氛围下分成上下两层，下层为高密度的HIX相，经分离器19下部通过HIX相控制阀29排出至HI罐30，上层为H2SO4相，经分离器19中上部通过H2SO4相控制阀20排出至H2SO4罐21。HIX相溶液在HIX纯化塔31中发生纯化反应，以使携带的H2SO4杂质转化为SO2和H2O，生成的SO2被吹扫返回至Bunsen预混罐17，在预混罐17中被I2吸收，避免S元素的损失。纯化后的HIX相溶液在进入缓冲罐33后被抽出至EED(电渗析装置)34，在电解作用下，EED34阴极实现HIX相溶液的浓缩，阳极形成I2溶液的浓缩。阳极的I2浓缩液经由洗气回料罐28返回至Bunsen预混罐17，阴极的HIX浓缩液通过HI精馏塔35进一步浓缩，随后进入HI分解床37，调整高温气冷堆出口气温使HI分解床床温在500℃左右，在催化剂作用下将HI分解产生H2和I2，分解后的产物经冷凝器38分离，除H2被引出至H2储罐外，其余的HI、I2和H2O全部回流至缓冲罐33。从分离器中上部排出的H2SO4相溶液进入H2SO4纯化塔22中，发生纯化反应脱除HIX等杂质。经过纯化的H2SO4相溶液一部分被送回至Bunsen预混罐17，其余溶液则进入到H2SO4浓缩塔24中，在浓缩塔24经过闪蒸浓缩后送至H2SO4分解床26，H2SO4浓缩塔24排出的H2O返回至Bunsen预混罐17。浓H2SO4由下而上进入H2SO4分解床26中，调整高温气冷堆出口气温使H2SO4分解床床温在800℃左右，在H2SO4分解床26低温段浓H2SO4被分解为SO3和H2O，在H2SO4分解床26高温段SO3在催化剂作用下分解为SO2和O2，H2SO4的分解产物经由冷凝器27冷却后返回至Bunsen预混罐17继续下一轮循环，O2则经过洗气回料罐28洗气后作为硫碘循环副产物进行收集储存。
