核能制氢学习.pptx

《核能制氢学习.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《核能制氢学习.pptx（24页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、目录页CONTENTS PAGEPart 4核能制氢的背景与发展现状核能制氢的方法与原理适合制氢的反应堆总结Part 31Part 1Part 2第1页/共24页Part1核能制氢的背景与发展现状第2页/共24页Part 1Part 2Part 3Part 43 氢最清洁的能源 氢是自然界中蕴藏量最丰富的元素,在作为能源利用时只形成水,是最清洁的能源。资源丰富热值高无污染氢能优点第3页/共24页Part 1Part 2Part 3Part 44 氢的化学性质非常活泼,在自然界没有纯氢存在,必须利用其他能源来生产,是一种二次能源。电解水和热化学制氢分别需要消耗大量电能和热能。传统制氢化石燃料（9

2、6%）常规水电解(碱性电解)（4%）可再生能源制氢 生物质热解制氢 光电化学法制氢核能制氢甲烷蒸汽重整高温电解热化学循环已开展核氢研究的国家n 美国 （Idaho 实验室）n 法国 （法国原子能委员会）n 加拿大（加拿大原子能公司）n 中国 （清华大学）n 日本 制氢方式第4页/共24页Part 1Part 2Part 3Part 45 清华大学核能制氢项目碘硫循环工艺验证试验台架固体氧化物蒸汽高温电解制氢系统第5页/共24页Part2核能制氢的方法与原理第6页/共24页Part 1Part 2Part 3Part 47核能制氢 将核反应堆与采用先进制氢工艺的制氢厂耦合,能够高效、大规模地制氢

3、；同时减少甚至消除温室气体的排放。核能制氢的方法与原理甲烷蒸汽重整高温电解热化学循环核电制氢工艺第7页/共24页Part 1Part 2Part 3Part 48甲烷蒸汽重整目前工业上主要的制氢方法。甲烷蒸汽重整n 传统的SMR法中，甲烷气既作为反应物,又燃烧作为反应的热源。需要大量的天然气并产生大量的二氧化碳气体。n 当用核反应堆作为蒸汽重整的热源时,该过程所需要的甲烷气量可以显著减少。大致过程是高温堆产生950的高温热,经一次换热器后温度降为905,再经过高温隔离阀,使核系统与制氢系统隔离,并将880的热传递到甲烷重整制氢系统。n 在催化剂存在下天然气与水蒸气反应转化制得氢气。500900

4、 进行,部分氢气来自水蒸气。产物中氢气体积分数可达74%。第8页/共24页Part 1Part 2Part 3Part 49高温电解高温电解电解技术适用于可以得到廉价电能或者需要高纯氢气的场合。电池反应为：n 典型的电解池电压为1.852.02V,效率为72%80%。一在标准条件下电解制氢的电能消耗约为4.5kWhm-3。n 随着金属氧化物隔膜固体和氧离子传导电极的发展,高温水蒸气电解过程有可能实现。典型操作温度为900,产氢耗电量为3kWhm-3。n例如选择的金属氧化物隔膜为锆基陶瓷膜,在操作温度下氧离子传导率很高；在1000下操作时耗电减少30%。蒸汽高温电解的过程为固体氧化物燃料电池的逆

5、过程。第9页/共24页Part 1Part 2Part 3Part 410高温电解高温电解如果用HTGR或者太阳能技术给系统提供高温热或低温热或蒸汽,实现高温（8001000）电解,电能消耗可以大幅降低。主要优点：n热力学上需要的电能减少；n电极表面反应的活化能能垒易于克服,可以提高效率；n电解池中的动力学可以得到改善。n其核心部件高温氧化物电解池处于苛刻的环境中。主要缺点：第10页/共24页Part 1Part 2Part 3Part 411热化学制氢碘-硫热化学循环溴-钙-铁循环混合铜-氯循环 热化学制氢n 由于水的直接分解需要2500以上的高温,在正常环境下不可行,所以考虑将热解过程分为

6、几个不同的反应,每一个都可以在较低的温度下进行所需热源温度在800900。n热化学循环制氢是两个或多个热驱动的化学反应相耦合,组成一个闭路循环,所有的试剂都在过程中循环使用。n热化学循环过程的热效率与卡诺循环相似,即高温可以提高转换效率。研究目标包括提高总体热转化效率,研发可在苛刻环境下使用的材料。第11页/共24页Part 1Part 2Part 3Part 412热化学循环碘-硫热化学循环循环过程由3步反应组成:n 其中硫酸分解反应在750以上进行,IS循环可用750900的高温热将水分解产生氢气;过程为闭路循环,只需要加人水,其他物料循环,可连续操作。第12页/共24页Part 1Par

7、t 2Part 3Part 413热化学循环碘-硫热化学循环从目前的研究结果来看,碘硫循环实现的关键问题包括:n氢碘酸的分解。在400的分解为可逆反应,要使分解反应高效进行,需要将 H2和I2蒸气从气体中分离出来;n H2SO4蒸发生成的SO3的分解为可逆反应,需要将产物SO2和O2分离出来;n氢碘酸的浓缩。在过量I2的存在下,反应生成的硫酸和氢碘酸可以分为两相:重相为HI+I2+H2O的混合物。由于HI与H2O形成恒沸化合物,分离需要大量能量；n硫酸在450的蒸发过程为强腐蚀过程,对材料有很高的要求；n要实现循环过程,需要对反应和分离过程进行优化与严格控制。第13页/共24页Part3适合制

8、氢的反应堆第14页/共24页Part 1Part 2Part 3Part 415制氢工艺对反应堆的要求除了核能本身的安全性、经济性要求外,利用核能制氢对反应堆还有以下几个方面的要求:n最高出口温度。要提高制氢效率,温度尽可能高。因此,需要反应堆的最高输出温度能够和制氢过程的最高温度相匹配。n输出热的温度范围。在制氢过程中的高温化学反应都是分解反应,因此要求温度波动范围很小，使反应波动小。n反应堆功率。典型的核能应用的反应堆功率为1001000MW,可以很好适应制氢过程和设施的规模。n压力。高压不利于制氢化学反应，与核能输送的接口应该保证低压氛围。n隔离。核设施与化学设施应该分离开,并使氚产生量

9、尽可能小。第15页/共24页Part 1Part 2Part 3Part 416VHTRLMFBRNuclear Heat850-1500HWR，LWR850550320注：IS循环制氢所需温度约为750900 高温电解 700900甲烷重整为550900 HTGR第16页/共24页Part 1Part 2Part 3Part 417 在目前研究的堆型中,只有氦气冷却的高温气冷堆可以提供足够高的温度,来驱动制氢体系。其主要优点：高温气冷堆及其用于核能制氢的优势n高温陶瓷包覆燃料具有很高的安全性；n可允许的冷却剂温度高,可达850950,最高出口温度可以达到950,可以很好地与热化学循环过程的最

10、高温度相匹配；n可以与气体透平耦合发电,效率达48%；n与热化学水分解循环过程祸合,制氢效率可以达50%以上。第17页/共24页Part 1Part 2Part 3Part 418超高温气冷堆核氢设施第18页/共24页Part4总结第19页/共24页Part 1Part 2Part 3Part 420与传统制氢方法相比,利用核能制氢的优点包括：n 可以显著提高效率,降低环境污染；n 具有可扩展性和可持续性,可以满足不断增长的能源需求；n 在经济上具有竞争性；核能制氢的优点第20页/共24页Part 1Part 2Part 3Part 421美国核氢启动计划(NHI)评估系统对三种制氢工艺效率评估 第21页/共24页Part 1Part 2Part 3Part 422在核能制氢的几种工艺中,热化学循环分解水是最有前景方法。n 核能可以不经其他能源形式的转换而直接转化为氢能；n 彻底消除温室气体排放；n在目前技术条件下，生产效率较高；随着反应堆技术的发展,提供更高温度的热源成为可能，核能制氢的效率将会提高而成本得以降低，同时也为核能的利用开方向。第22页/共24页第23页/共24页感谢您的观看。感谢您的观看。第24页/共24页