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核電如何與石化行業(yè)耦合?

2023-03-21 10:39  來(lái)源:嘿嘿能源heypower  瀏覽:  

1.發(fā)電與工藝蒸汽

核能是清潔、低碳、安全高效的基荷能源。一臺(tái) 60 萬(wàn)千瓦級(jí)別的高溫氣冷堆年發(fā)電量可達(dá)40億千瓦時(shí)以上。核電相較于風(fēng)光等新能源,電力供應(yīng)更加穩(wěn)定,能夠滿足石化行業(yè)、石化產(chǎn)業(yè)園區(qū)對(duì)能源供應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。

核能供熱在三代核電就已經(jīng)開始推廣。根據(jù)澎湃新聞報(bào)道,當(dāng)前我國(guó)壓水堆核電站的熱電轉(zhuǎn)化效率只有35%左右,其余熱量以大量海水作冷卻后排入大海,而這部分熱量完全可以通過回收作供熱使用。因此核能供熱項(xiàng)目在三代核電領(lǐng)域就已經(jīng)開始推廣示范。例如2021年11、12月,山東海陽(yáng)、浙江海鹽兩個(gè)核能供熱項(xiàng)目相繼投運(yùn),海南昌江多用途小堆示范項(xiàng)目也已開工建設(shè)。

高溫氣冷堆供熱更具突出優(yōu)勢(shì)。相較于壓水堆主蒸汽溫度 284℃、壓力 6.8MPa,高溫氣冷堆主蒸汽品質(zhì)更高,主蒸汽溫度為571℃,壓力為14.1MPa(高溫氣冷堆一回路冷卻劑氦氣出口溫度高達(dá)750℃,輸送過程中有一定的熱損失)。經(jīng)過蒸汽轉(zhuǎn)換設(shè)備可以提供該溫度壓力以下各種參數(shù)的工藝蒸汽。20萬(wàn)千瓦機(jī)組蒸汽產(chǎn)量可達(dá)600T/h,與目前石化園區(qū)煤鍋爐產(chǎn)量參數(shù)、溫度和壓力基本一致,模塊式高溫氣冷堆將是替代石化園區(qū)煤鍋爐的一項(xiàng)重要技術(shù)方案。此外,根據(jù)中核集團(tuán)數(shù)據(jù),高溫氣冷堆的限制區(qū)半徑僅為1km,因此,可以貼近核電廠區(qū)建設(shè)石化產(chǎn)業(yè),以減少蒸汽輸送過程中的熱損失。

核能蒸汽還可以用于稠油熱采。稠油也被稱作高粘度原油,是我國(guó)油氣資源的重要組成部分,根據(jù)中國(guó)石油石化數(shù)據(jù),其在全球原油儲(chǔ)量中占比70%,但開采難度極大。稠油開發(fā)主要通過熱力采油法,其中蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)是使用范圍最廣、采出油量最多的方式。

1)蒸汽吞吐是先將高溫高壓的蒸汽注入油層,對(duì)油井周圍油層加熱降黏,燜井換熱后再開井采油;2)蒸汽驅(qū)是向井中持續(xù)注入高溫高壓蒸汽,通過蒸汽將地下原油加熱,然后將鄰近變稀的原油驅(qū)向采油井采出。

高溫氣冷堆的主蒸汽可滿足稠油熱采蒸汽不同壓力和溫度的要求,并根據(jù)用戶需要進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。隨著原油供應(yīng)日漸短缺和國(guó)際油價(jià)的上漲,連續(xù)穩(wěn)定開采稠油將日趨緊迫,這將為高溫氣冷堆助力稠油熱采提供廣闊市場(chǎng)機(jī)遇。除了常規(guī)發(fā)電,以及用于石油精煉、稠油熱采外,高溫氣冷堆還可用于頁(yè)巖油提煉、合成氨及化肥生產(chǎn)、乙烯和甲醇合成、海水淡化、煤化工等領(lǐng)域。

2.核能制氫

核能制氫并不是通過核能發(fā)電,再利用電解水制氫,因?yàn)楹穗姷陌l(fā)電成本并非是最低的,而是采用熱化學(xué)制氫的新模式,在為制氫工藝提供電能和熱能而不釋放溫室氣體。目前,主要可以通過高溫氣冷堆與三種工藝耦合制氫,即高溫蒸汽電解(HTSE)、蒸汽甲烷重整(SMR)、硫碘(SI)循環(huán)。其中,國(guó)際上公認(rèn)最具應(yīng)用前景的催化熱分解方式是由美國(guó)開發(fā)的硫碘(SI)循環(huán)。其原理是將核反應(yīng)堆與熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置耦合,硫循環(huán)從水中分離出O2,碘循環(huán)分離出H2。目前以SI循環(huán)為代表的熱化學(xué)循環(huán)研究已經(jīng)從小試走向了中試,高溫氣冷堆耦合SI循環(huán)制氫具有光明的前景,即使當(dāng)前的反應(yīng)堆出口溫度略低于制氫工藝所需,也可以考慮通過分兩階段、補(bǔ)充額外的熱量來(lái)完成整個(gè)重整過程。

從各國(guó)發(fā)展進(jìn)程看,早在 2004 年,美國(guó)能源部(DOE)啟動(dòng)了核能制氫研究工作,但其工業(yè)規(guī)模示范仍受制于高溫反應(yīng)堆研發(fā)和商業(yè)化。其投入的3個(gè)現(xiàn)役核電機(jī)組低溫電解制氫最早于2023年投入商運(yùn)。法國(guó)、英國(guó)均將核能作為制綠氫的關(guān)鍵能源,但并未提出具體實(shí)現(xiàn)路徑。我國(guó)從2004年開始論證核能制氫的可行性,計(jì)劃在2022-2023年形成工業(yè)示范工程建設(shè)方案,啟動(dòng)工程項(xiàng)目相關(guān)工作。根據(jù)國(guó)際能源網(wǎng)報(bào)道,中核集團(tuán)遠(yuǎn)期的目標(biāo)是在 2030 年后,利用已成熟的核能制氫和棄電制氫為產(chǎn)業(yè)源頭,開拓儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、氫燃料電池等中下游產(chǎn)業(yè)。

核能制氫的清潔性優(yōu)勢(shì)顯而易見。然而,當(dāng)前高溫氣冷堆的經(jīng)濟(jì)性、以及如何保證易燃的氫氣在制氫過程中的安全運(yùn)輸和儲(chǔ)存仍然是需要考慮的問題。挑戰(zhàn)未來(lái)核能制氫的發(fā)展,除技術(shù)難題外,高溫氣冷堆的大規(guī)模應(yīng)用也將是關(guān)鍵。

3.火電原址復(fù)用

高溫氣冷堆在替代火電方面也具有突出優(yōu)勢(shì)。蒸汽參數(shù)方面,高溫堆與常規(guī)火電超高壓機(jī)組參數(shù)基本相當(dāng),其汽輪發(fā)電機(jī)組的規(guī)格和系列也與火電廠非常接近,可以很好地利用現(xiàn)有火電廠汽輪機(jī)組。據(jù)中核集團(tuán)數(shù)據(jù),按年利用7000小時(shí)計(jì)算,2臺(tái)60萬(wàn)千瓦高溫氣冷堆機(jī)組替代超潔凈排放煤電機(jī)組,每年可減少燃煤使用(標(biāo)煤)約280萬(wàn)噸,減少煙塵約132噸,二氧化硫約960噸,氮氧化物約1320噸,可明顯改善環(huán)境質(zhì)量。

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