俄罗斯核能制氢现状与展望

2021-02-18 14:50  来源: 嘿嘿能源heypower   浏览:  
目前,规模化生产氢气的最理想方法是天然气+水蒸气进行转化。现在,全球48%的氢气产量是通过这种方式生产的。在1mol甲烷与2mol水能释放出4mol的氢气。因此,蒸汽转化是从天然气中生产氢气的最有利的方法,尽管它需要相对较高的能源成本,即每将1mol甲烷转化为4mol氢气需要200kJ能量。

在核电设施中,天然气转化为氢气需要820-850℃左右的高温,只有具备气体冷却剂的高温核反应堆才能满足该条件。一些国家正在研制这种反应堆,但至今尚未达到工业化水平。采用钠冷却剂的BN-600和BN-800的商用快中子反应堆已在俄罗斯成功运行 。这两台机组运行时,堆芯一次冷却回路输出的液态钠温度不超过550℃。目前,BN系列仅用于发电。一旦解决了其他技术和商业问题,在不久的将来,似乎有可能将其用于工业制氢。然而,由于现有技术下钠反应器中冷却剂温度范围的限制,该技术尚不能用于天然气+水蒸气制氢。

本文提出基于BN系列反应器,用一台蒸汽发生器输出的中温水蒸气,送至邻近的化学反应器,将蒸汽与外部提供的天然气混合,随后利用电能将汽-气混合物加热至反应温度。BN-600动力装置每年运行280天,如果在这段时间内,BN-600反应器中的水蒸气和天然气以每秒10立方米左右的流量供应给化工转炉反应器,考虑到损耗,每年可生产多达5亿立方米的氢气。同时,在现有工业甲烷转化技术框架下,天然气燃烧产生蒸汽和加热气-汽混合物过程中向大气中排放的二氧化碳量也将减少。计算结果表明,这样可以减少13万吨二氧化碳排放,相当于俄罗斯每年向大气中排放二氧化碳的约0.01%。

然而,拟议的氢气生产方案设想对BN-600和BN-800发电机组的设计进行改造,包括将其中一个蒸汽发生器中的水蒸气引至化学转化器。但是,未来10年BN系列主要仍以发电为主,制氢与这一目的相矛盾。

因此,还考虑了另一个实用的、更有吸引力的替代方案:只消耗BN-600、BN-800动力装置和Beloyarskaya核电站夜间或夏季低负荷时段的电力,在化学转炉反应器中生产氢气。

目前,BN-600和BN-800发电机组仅用于基础负荷,还不能满足区域电网的要求。因此,在变负荷调度的条件下,应考虑在现场装置中使用“额外”的电能,以保证核电动力装置的可操纵性,更好地满足区域电网的条件和要求。在这种情况下,在现场装置中,当向其提供天然气时,可以生产出氢气,满足工业和运输的需要,也可以满足核电站对燃料的需要。

20世纪80-90年代,德国在EVA II装置开展了使用电力将甲烷转化为合成气的实践。EVA Ⅱ装置由30个相同的模块组成,每个模块都是一个高11.4米、直径12厘米的转化塔。甲烷和水蒸气的混合物注入塔的上部,沿塔体从上向下,经过600-820℃的塔体,经催化剂转化为合成气后排出。对转化塔的加热是通过950℃、40atm、质量流量4kg/s的氦气流吹气。氦气在一个封闭的回路中循环,将10兆瓦的电加热器中产生的热量传递给转化塔的金属外壳。系统中甲烷的消耗量为0.6kg/s,合成气产量为1.234kg/s。

基于上述数据,要满足BN-600动力装置在夜间制取合成气所需的“额外”功率(即基本功率(120MW)的20%左右)最多需要360个类似于EVA II的转化塔。为了加热7.2kg/s的甲烷-水蒸气混合物,需要48kg/s的热氦气流。同时,合成气的产量可达14.8kg/s,氢气的产量可达1.7kg/s。

在BN-600和BN-800动力装置的基础上,通过甲烷和蒸汽转化生产氢气,成为俄罗斯制氢的主要技术路线之一。据估计,现在全世界每年生产的氢气高达5000亿立方米。Beloyarskaya核电站年产氢量可达到约1亿立方米,约占全球年产氢量的0.02%。由此产生的氢气可用于工业和运输的需要,也可用于核电站的需要。同时,生产1立方米氢气所需的天然气和电力的单位成本将不超过2美元。

在俄罗斯,大规模氢气需求来自化工和冶金工业。在欧洲、美国和日本,自本世纪初以来,部分公路运输已呈现出氢能驱动的趋势。在这方面,氢气呈现出广阔的出口前景。使用煤炭和烃类燃料产生的二氧化碳等温室气体(GHG)排放量最大。逐步减少含碳燃料使用,用氢燃料深度替代碳燃料,是氢能生态概念的基础。

根据国际能源署(IEA)的数据,自1971年以来,全球核电站排放了560亿吨二氧化碳。氢气被认为是理想的清洁能源载体。其在释放和储存能量时,不会产生温室气体。但是,其热值很小,约为烃燃料热值的一半。

在自然界中,游离状态的氢几乎不存在。氢气的生产需要使用一次能源。这些生产方法大多是利用热能或电能分解水分子。水的分解需要123兆焦才能产生1千克氢气,同时需要2500℃以上的极端温度。为了降低水热解温度,科学家正在研究高温电解和其他可行技术。

热化学循环通过化学反应产生氢气,生成氢气和其他一些副产物。著名的蒸汽甲烷重整是热化学循环的典型例子。分裂水和甲烷所需要输入的能量要少得多,约206kJ能产生6g氢气。能量以热的形式提供,一般为820-850℃。核氢的生产将集中在非化石制氢上。

在俄罗斯,每年生产的氢气多达2万吨,主要满足石油(每天不超过20吨)、机械制造和金属加工(每天不超过20吨)和其他需要(每天不超过10吨)。作为主要技术,采用在水生环境中把甲烷转化为氢气。在这种情况下,生产1公斤氢气的同时,会向大气中释放2.27公斤二氧化碳。因此,与氢气生产有关的年度温室气体排放总量将超过40,000吨。

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