小型氟盐冷却高温堆和高温工艺热耦合利用系统及方法
阅读说明：本技术 小型氟盐冷却高温堆和高温工艺热耦合利用系统及方法 (Thermal coupling utilization system and method for small-sized villiaumite cooling high-temperature reactor and high-temperature process ) 是由 张大林 姜殿强 王式保 李新宇 王成龙 田文喜 秋穗正 苏光辉 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种小型氟盐冷却高温堆和高温工艺热耦合利用系统及方法,涉及新能源与可再生能源应用领域,小型氟盐冷却高温堆和高温工艺热耦合利用系统包括核反应堆发电系统、电解水制氢系统、热化学制氢系统和高温工艺热利用系统；核反应堆发电系统中的熔盐池储存来自模块化反应堆的高温热量,多级温度的热量用于发电、高温热化学循环制氢和高温工艺热应用场所；核反应堆发电系统的过剩电量可以用于电解水制氢,解决电力消纳问题；本发明既能实现能量的高效利用,也能实现低碳高效制氢,进一步提高了小型氟盐冷却高温堆的经济性,助力碳达峰和碳中和。(The invention discloses a small-sized villaumite-cooled high-temperature reactor and high-temperature process thermal coupling utilization system and a method, and relates to the field of application of new energy and renewable energy; a molten salt pool in a nuclear reactor power generation system stores high-temperature heat from a modular reactor, and the heat with multi-stage temperature is used in power generation, high-temperature thermochemical cycle hydrogen production and high-temperature process heat application places; the surplus electric quantity of the nuclear reactor power generation system can be used for producing hydrogen by electrolyzing water, so that the problem of electric power consumption is solved; the invention can realize the high-efficiency utilization of energy, can also realize the low-carbon high-efficiency hydrogen production, further improves the economy of the small-sized villiaumite cooling high-temperature reactor, and assists the carbon peak reaching and carbon neutralization.)
技术领域
本发明涉及新能源与可再生能源应用领域，具体涉及一种小型氟盐冷却高温堆和高温工艺热耦合利用系统及方法。
背景技术
氢能是一种二次能源，它通过一定的制备方法利用其他能源生成，比如电解水、甲烷和其他烃类蒸汽重整以及高温热化学循环制氢等。电解水制氢操作简单，但成本昂贵，效率低；利用甲烷和其他烃类蒸汽重整制氢是工业上常用的制氢方法，但是该方法会排放大量的温室气体，不符合低碳循环经济；利用高温热化学循环制氢效率高，通过分解水产生H2而不产生温室气体，但主流的热化学循环(碘硫循环和混合循环)所需温度高于750℃，而其他低温热化学循环(700℃以下的铜氯循环)正在研究发展中。
氟盐冷却高温堆(Fluoride-salt-cooled High-temperature Reactor，FHR) 是第四代核能系统。FHR有机结合了高温气冷堆、熔盐堆和液态金属冷却快堆的先进技术，进一步提高了FHR的安全性和经济性。小型氟盐冷却高温堆采用模块化设计，建设周期短，应用灵活，其堆芯出口温度接近700℃，可以匹配高效发电系统，为了充分发挥小型氟盐冷却高温堆的优势，需要将其产生的高温热量进行合理利用；此外，核电存在一定的弃电现象，过剩的电量需要消纳、储存或者应用于特殊场景中；因此，提高小型氟盐冷却高温堆的经济性和竞争优势是其发展的主要目标。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供小型氟盐冷却高温堆和高温工艺热耦合利用系统及方法，利用小型氟盐冷却高温堆产生的高温热量(温度范围690–700℃)进行高温热化学循环制氢或者用于高温工艺热应用场所，另外在小型氟盐冷却高温堆发电量过剩时，利用一部分电能电解水制氢，从而实现小型氟盐冷却高温堆能量的高效利用，解决电力消纳问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种小型氟盐冷却高温堆和高温工艺热耦合利用系统，包括核反应堆发电系统、电解水制氢系统、热化学制氢系统和其他高温工艺热利用系统；
所述核应堆发电系统包括模块化反应堆1、二回路熔盐泵2、熔盐池3、熔盐池温度监测系统4、熔盐池温度测量系统5、FLiNaK-CO2换热器6和超临界二氧化碳布雷顿循环系统9；模块化反应堆1出口与熔盐池3入口相连，熔盐池3出口与二回路熔盐泵2入口相连，二回路熔盐泵2出口与模块化反应堆1入口相连；熔盐池温度测量系统5和FLiNaK-CO2换热器6位于熔盐池3中，熔盐池温度监测系统4位于熔盐池3外并与熔盐池温度测量系统5相连，FLiNaK-CO2换热器6 冷侧与超临界二氧化碳布雷顿循环系统9相连，超临界二氧化碳布雷顿循环系统 9中发电装设备与电网10相连；
所述电解水制氢系统与核反应堆发电系统共用超临界二氧化碳布雷顿循环系统9，还包括给水系统11、电解水制氢装置12、电力调度系统13、H2收集装置14和O2收集装置15，超临界二氧化碳布雷顿循环系统9与电力调度系统13 相连，电力调度系统13与电解水制氢装置12相连，给水系统11与电解水制氢装置12给水入口相连，电解水制氢装置12H2出口与H2收集装置14入口相连，电解水制氢装置12O2出口与O2收集装置15相连；
所述热化学制氢系统与电解水制氢系统共用给水系统11、H2收集装置14和 O2收集装置15，还包括FLiNaK-FLiNaK换热器7和热化学制氢装置16， FLiNaK-FLiNaK换热器7位于熔盐池3中，FLiNaK-FLiNaK换热器7冷侧出口与热化学制氢装置16熔盐入口相连，热化学制氢装置16熔盐出口与FLiNaK-FLiNaK 换热器7冷侧入口相连，给水系统11与热化学制氢装置16给水入口相连，热化学制氢装置16H2出口与H2收集装置14入口相连，热化学制氢装置16O2出口与O2收集装置15相连；
所述高温工艺热利用系统包括低温FLiNaK换热器8和高温工艺热应用场合 17，低温FLiNaK换热器8位于熔盐池3中，低温FLiNaK换热器8的冷侧与高温工艺热应用场所17相连。
所述FLiNaK-CO2换热器6位于FLiNaK-FLiNaK换热器7上部，低温FLiNaK 换热器8位于FLiNaK-FLiNaK换热器7下部。
所述核反应堆发电系统中模块化反应堆1出口温度为690～700℃，模块化反应堆1采用FLiBe盐作为主冷却剂，LiF和BeF2的摩尔数分别为67％和33％；二回路熔盐泵2所在的二回路中和热化学制氢系统采用FLiNaK盐作为循环工质， LiF，NaF和KF的摩尔分数分别为46.5％，11.5％和42％。
所述核反应堆发电系统发电过剩时，通过电力调度系统13将部分电力输送至电解水制氢系统制氢。
所述热化学制氢系统采用铜氯循环制氢。
熔盐池温度测量系统5测量熔盐池3中不同深度的温度，熔盐池温度监测系统4监测来自熔盐池温度测量系统5测得的温度，熔盐池温度监测系统4将温度结果反馈给超临界二氧化碳布雷顿循环系统9、热化学制氢系统和高温工艺热利用系统，从而保证这些系统获得足够温度的热量。
高温工艺热应用场所17包括石油精炼、海水淡化、煤液化、天然气生产、乙醇生产等场所。
所述核反应堆发电系统中的超临界二氧化碳布雷顿循环系统7采用CO2作为循环工质，并且冷端冷却工质为空气。
所述小型氟盐冷却高温堆和高温工艺热耦合利用系统的工作方法，包含以下内容：模块化反应堆1作为核应堆发电系统的热源，熔盐池3中的低温熔盐经二回路熔盐泵2增压，进入模块化反应堆1加热升温后，流入熔盐池3储存热量并加热FLiNaK-CO2换热器6冷侧的CO2、FLiNaK-FLiNaK换热器7冷侧的FLiNaK盐以及低温FLiNaK换热器8冷侧的循环工质，FLiNaK-CO2换热器6中被加热的CO2在超临界二氧化碳布雷顿循环系统9中完成循环，并且向电网10输送电能；
在核反应堆发电系统发电过剩时，利用电力调度系统13，一部分来自超临界二氧化碳布雷顿循环系统9的电力被分配至电解水制氢系统，电力输入至电解水制氢装置12，电解来自给水系统11的纯水，析出H2和O2，分别储存在H2收集装置14与O2收集装置15中；
熔盐池3中的高温FLiNaK盐加热FLiNaK-FLiNaK换热器7冷侧的FLiNaK盐，高温FLiNaK盐进入热化学制氢装置16，热化学制氢装置16利用铜氯循环将来自给水系统11的纯水分解为H2和O2，分别储存在H2收集装置14与O2收集装置15 中，放热后的FLiNaK盐增压后进入FLiNaK-FLiNaK换热器7的冷侧重新被加热；
熔盐池3中的高温FLiNaK盐加热低温FLiNaK换热器8冷侧的循环工质，循环工质吸收热量后流经高温工艺热应用场所17，实现石油精炼、海水淡化、煤液化、天然气生产、乙醇生产等场所的工艺流程，放热后的循环工质流回低温FLiNaK 换热器8的冷侧重新被加热。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、本发明利用小型氟盐冷却高温堆过剩的发电量电解水制氢，可以解决电力消纳问题。
2、本发明的小型氟盐冷却高温堆利用熔盐池储能，通过监测熔盐池不同深度的温度级别向外界提供多级温度的热量；多级温度的热量可以用于高效发电、高温制氢和其他高温工艺热应用场所，大大提高了小型氟盐冷却高温堆的经济性。
3、本发明的小型氟盐冷却高温堆输出的热量可以满足铜氯循环高温分解水制氢，清洁高效，经济低碳。
附图说明
附图1是本发明的结构示意图；
图中：1-模块化反应堆；2-二回路熔盐泵；3-熔盐池；4-熔盐池温度监测系统；5-熔盐池温度测量系统；6-FLiNaK-CO2换热器；7-FLiNaK-FLiNaK换热器；8-低温FLiNaK换热器；9-超临界二氧化碳布雷顿循环系统；10-电网；11-给水系统；12-电解水制氢装置；13-电力调度系统；14-H2收集装置；15-O2收集装置 16-热化学制氢装置；17-高温工艺热应用场合。
具体实施方式
本发明提供了一种小型氟盐冷却高温堆和高温工艺热耦合利用系统及方法，现结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种小型氟盐冷却高温堆和高温工艺热耦合利用系统，包括核反应堆发电系统、电解水制氢系统、热化学制氢系统和高温工艺热利用系统；
核应堆发电系统包括模块化反应堆1、二回路熔盐泵2、熔盐池3、熔盐池温度监测系统4、熔盐池温度测量系统5、FLiNaK-CO2换热器6和超临界二氧化碳布雷顿循环系统9；模块化反应堆1出口与熔盐池3入口相连，熔盐池3出口与二回路熔盐泵2入口相连，二回路熔盐泵2出口与模块化反应堆1入口相连；熔盐池温度测量系统5和FLiNaK-CO2换热器6位于熔盐池3中，熔盐池温度监测系统4位于熔盐池3外并与熔盐池温度测量系统5相连，FLiNaK-CO2换热器6冷侧与超临界二氧化碳布雷顿循环系统9相连，超临界二氧化碳布雷顿循环系统9 中发电装设备与电网10相连；
电解水制氢系统与核反应堆发电系统共用超临界二氧化碳布雷顿循环系统9，还包括给水系统11、电解水制氢装置12、电力调度系统13、H2收集装置14和 O2收集装置15，超临界二氧化碳布雷顿循环系统9与电力调度系统13相连，电力调度系统13与电解水制氢装置12相连，给水系统11与电解水制氢装置12给水入口相连，电解水制氢装置12H2出口与H2收集装置14入口相连，电解水制氢装置12O2出口与O2收集装置15相连；
热化学制氢系统与电解水制氢系统共用给水系统11、H2收集装置14和O2收集装置15，还包括FLiNaK-FLiNaK换热器7和热化学制氢装置16，FLiNaK-FLiNaK 换热器7位于熔盐池3中，FLiNaK-FLiNaK换热器7冷侧出口与热化学制氢装置 16熔盐入口相连，热化学制氢装置16熔盐出口与FLiNaK-FLiNaK换热器7冷侧入口相连，给水系统11与热化学制氢装置16给水入口相连，热化学制氢装置16H2出口与H2收集装置14入口相连，热化学制氢装置16O2出口与O2收集装置15相连；
高温工艺热利用系统包括低温FLiNaK换热器8和高温工艺热应用场合17，低温FLiNaK换热器8位于熔盐池3中，低温FLiNaK换热器8的冷侧与高温工艺热应用场所17相连。
作为本发明的优选实施方式，所述FLiNaK-CO2换热器6位于FLiNaK-FLiNaK 换热器7上部，低温FLiNaK换热器8位于FLiNaK-FLiNaK换热器7下部。
作为本发明的优选实施方式，FLiNaK-CO2换热器6为印刷电路板式换热器，FLiNaK-FLiNaK换热器7和低温FLiNaK换热器8为管壳式换热器；
作为本发明的优选实施方式，核反应堆发电系统中模块化反应堆1出口温度为690～700℃，采用FLiBe盐作为模块化反应堆1的主冷却剂，LiF和BeF2的摩尔数分别为67％和33％；二回路熔盐泵2所在的二回路中和热化学制氢系统采用 FLiNaK盐作为循环工质，LiF，NaF和KF的摩尔分数分别为46.5％，11.5％和42％。
作为本发明的优选实施方式，模块化反应堆1采用模块化设计，主换热器位于反应堆容器内，从而消除了大破口事故；模块化反应堆1热功率为125MW，在核反应堆发电系统、电解水制氢系统和高温工艺热利用系统的热能需求量超过单个模块化反应堆1产热量时，可以增加模块化反应堆1的配置数量。
作为本发明的优选实施方式，核反应堆发电系统发电过剩时，通过电力调度系统13将部分电力输送至电解水制氢系统制氢。
作为本发明的优选实施方式，电解水制氢系统制氢的电解效率为90％。
作为本发明的优选实施方式，热化学制氢系统采用铜氯循环制氢，该循环所需温度低于700℃，利用铜和氯化物将水分解为H2和O2，中间的化学反应形成了一个封闭的内部循环，并且不排放任何温室气体。
作为本发明的优选实施方式，熔盐池温度测量系统5测量熔盐池3中不同深度的温度，熔盐池温度监测系统4监测来自熔盐池温度测量系统5测得的温度，熔盐池温度监测系统4将温度结果反馈给超临界二氧化碳布雷顿循环系统9、热化学制氢系统和高温工艺热利用系统，从而保证这些系统获得足够温度的热量。
作为本发明的优选实施方式，高温工艺热应用场所17包括石油精炼、海水淡化、煤液化、天然气生产、乙醇生产等场所。
作为本发明的优选实施方式，给水系统11的纯水可以来自高温工艺热应用场所17中海水淡化得到的纯水；
作为本发明的优选实施方式，核反应堆发电系统中的超临界二氧化碳布雷顿循环系统7采用CO2作为循环工质，并且冷端冷却工质为空气。
作为本发明的优选实施方式，核反应堆发电系统中的超临界二氧化碳布雷顿循环系统7的热效率大于45％。
小型氟盐冷却高温堆和高温工艺热耦合利用系统的工作方法，包含以下内容：模块化反应堆1作为核应堆发电系统的热源，熔盐池3中温度较低的熔盐经二回路熔盐泵2增压，进入模块化反应堆1加热升温后，流入熔盐池3储存热量并加热FLiNaK-CO2换热器6冷侧的CO2、FLiNaK-FLiNaK换热器7冷侧的FLiNaK盐以及低温FLiNaK换热器8冷侧的循环工质，FLiNaK-CO2换热器6中被加热的CO2在超临界二氧化碳布雷顿循环系统9中完成循环，并且向电网10输送电能；
在核反应堆发电系统发电过剩时，利用电力调度系统13，一部分来自超临界二氧化碳布雷顿循环系统9的电力被分配至电解水制氢系统，电力输入至电解水制氢装置12，电解来自给水系统11的纯水，析出H2和O2，分别储存在H2收集装置14与O2收集装置15中；
熔盐池3中的高温FLiNaK盐加热FLiNaK-FLiNaK换热器7冷侧的FLiNaK盐，高温FLiNaK盐进入热化学制氢装置16，热化学制氢装置16利用铜氯循环将来自给水系统11的纯水分解为H2和O2，分别储存在H2收集装置14与O2收集装置15 中，放热后的FLiNaK盐增压后进入FLiNaK-FLiNaK换热器8的冷侧重新被加热；
熔盐池3中的高温FLiNaK盐加热低温FLiNaK换热器8冷侧的循环工质，循环工质吸收热量后流经高温工艺热应用场所17，实现石油精炼、海水淡化、煤液化、天然气生产、乙醇生产等场所的工艺流程，放热后的循环工质流回低温FLiNaK 换热器8的冷侧重新被加热。
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