超高温气冷堆耦合混合硫循环的电氢联产系统及方法

本申请涉及核反应堆工程以及工艺热利用，尤其涉及超高温气冷堆耦合混合硫循环的电氢联产系统及方法。

背景技术：

1、氢能作为一种清洁能源是未来能源体系的重要组成部分，利用化石能源制氢会产生大量的碳排放，常规电解水制氢效率较低且成本高，因此亟需发展更加高效清洁的制氢工艺以促进氢能未来的长远发展。混合硫循环是一种先进的热化学分解水制氢循环，循环只由硫酸分解和so2去极化电解两步反应组成，且制氢效率显著高于常规电解水，但是混合硫循环需要高温热和电，因此混合硫循环需要和合适的高温热源和电源相配合才能促进其未来发展和工程应用。

技术实现思路

1、本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本申请的目的在于提出超高温气冷堆耦合混合硫循环的电氢联产系统及方法，将超高温气冷堆核能单元与混合硫循环单元耦合，可以同时生产氢气和电能，实现电氢多联产的综合有效利用，满足多样化的能源需求，提高系统整体的能源利用率，为超高温气冷堆耦合混合硫循环的工程应用奠定基础。

2、为达到上述目的，根据本申请的第一方面提出了超高温气冷堆耦合混合硫循环的电氢联产系统，包括

3、超高温气冷堆发电单元；其包括超高温气冷堆和发电组件组成的循环惰性气体的主回路；惰性气体吸收所述超高温气冷堆中的热量后作为热源，并进入所述发电组件膨胀做功发电，所述发电组件的尾气回流至所述超高温气冷堆；

4、混合硫循环单元；其与所述超高温气冷堆发电单元换热连接，包括硫酸分解器、so2去极化电解池、硫酸精馏塔组成的硫酸循环制氢回路；以所述超高温气冷堆发电单元中吸热后的惰性气体作为热源，分别向所述硫酸分解器和所述硫酸精馏塔中提供热量以分解硫酸和浓缩硫酸；所述发电组件与所述so2去极化电解池电连接，用于向所述so2去极化电解池供电，驱动其电解产氢。

5、在一些实施例中，还包括换热单元，其与所述超高温气冷堆发电单元换热连接，并与所述硫酸分解器连接；所述换热单元还与蒸汽发生器换热连接，用于向所述蒸汽发生器提供热量产生蒸汽，蒸汽进入所述硫酸精馏塔中为硫酸浓缩提供热量。

6、在一些实施例中，所述超高温气冷堆发电单元还包括流量控制阀和第一风机组成的循环所述惰性气体的换热回路；所述换热回路的输入端设置在所述超高温气冷堆的气体出口，其输出端设置在所述超高温气冷堆的气体入口。

7、在一些实施例中，所述超高温气冷堆发电单元还包括压气组件，其中所述压气组件与所述发电组件连接；在所述发电组件运行时带动所述压气组件同时运行；所述压气组件用于回收所述发电组件输出的尾气热量，并压缩尾气；所述压气组件输出的压缩尾气通入所述超高温气冷堆。

8、在一些实施例中，所述压气组件包括低压压气机、高压压气机和调温组件；所述发电组件输出的尾气通入所述低压压气机进行压缩后，再进入所述高压压气机进一步压缩，所述高压压气机的输出端连接所述超高温气冷堆；所述调温组件分别与所述低压压气机和所述高压压气机连接，用于回收所述发电组件输出的尾气热量，并在惰性气体压缩前冷却其温度。

9、在一些实施例中，所述压气组件还包括设置在所述低压压气机和所述高压压气机之间的第一储气罐；所述第一储气罐的两端分别连接所述高压压气机的输出端和所述低压压气机的输入端。

10、在一些实施例中，所述调温组件包括回热器、预冷器和间冷器；所述回热器的热侧两端分别连接所述发电组件的气体输出端和所述预冷器；所述预冷器设置在所述低压压气机的气体输入端；所述间冷器设置在所述高压压气机的气体输入端；所述回热器的冷侧两端分别连接所述高压压气机的气体输出端和所述超高温气冷堆。

11、在一些实施例中，所述超高温气冷堆发电单元还包括混合箱；所述混合箱的输入端分别连接所述回热器的冷侧输出端和所述第一风机的输出端，其输出端连接所述超高温气冷堆。

12、在一些实施例中，所述换热单元包括由中间换热器、所述蒸汽发生器和第二风机组成的用于循环换热气体的换热次回路；所述中间换热器与所述超高温气冷堆发电单元换热连接；所述蒸汽发生器与所述混合硫循环单元换热连接。

13、在一些实施例中，所述换热单元还包括热供应单元，通过换热气体作为热源通入所述热供应单元，对给水进行加热产生高温蒸汽提供给热用户。

14、在一些实施例中，所述第二风机的进出口两端之间并联有第二储气罐；所述第二储气罐与所述第二风机的入口之间设置有第一压气机。

15、在一些实施例中，混合硫循环单元还包括分离器、阳极液存储罐和硫酸存储罐；所述分离器与所述硫酸分解器的分解产物出口连接；所述阳极液存储罐连接所述分离器，用于接收并暂存所述硫酸分解器输出的so2和h2o；所述阳极液存储罐的出口连接所述so2去极化电解池的阳极入口；所述so2去极化电解池的阳极出口连接所述硫酸存储罐的进口；所述硫酸存储罐的出口连接所述硫酸精馏塔。

16、根据本申请的第二个方面提出了超高温气冷堆耦合混合硫循环的电氢联产方法，利用上述任一实施例中的超高温气冷堆耦合混合硫循环的电氢联产系统进行电氢联产，包括：

17、向主回路中充入设定密度的惰性气体，并启动发电组件使其在电动机模式下运行直至达到设定转速后，所述发电组件以发电模式运行；

18、启动超高温气冷堆，当所述超高温气冷堆的出口气体温度升高至额定值时，调整所述主回路内惰性气体的总量至额定值；再调整所述主回路中用于与所述混合硫循环单元换热的惰性气体的质量流量比至额定值；

19、启动混合硫循环单元，硫酸分解器以所述超高温气冷堆发电单元中吸热后的惰性气体作为热源将设定摩尔流率的浓硫酸进行分解，并将分解产物so2和h2o输入在so2去极化电解池中，升高所述so2去极化电解池的温度至80℃-120℃以发生so2去极化电解反应，所述so2去极化电解池中的阴极电解产物h2作为产品收集，其阳极电解产物h2so4输送至硫酸精馏塔中进行浓缩，循环往复。

20、在一些实施例中，换热单元在所述超高温气冷堆启动后开启，调整所述主回路中用于换热的惰性气体的质量流量比，同时向换热次回路中充入换热气体，直至换热气体的充装量达到额定值。

21、在一些实施例中，当要降低所述超高温气冷堆的热功率时，将高压压气机输出的惰性气体抽取设定量至第一储气罐中；同时将换热次回路中的换热气体抽取设定量至第二储气罐中，以使得所述主回路和换热次回路中各点气压和密度均与所述超高温气冷堆的热功率同步调节。

22、在一些实施例中，当要升高所述超高温气冷堆的热功率时，将惰性气体从第一储气罐补充至所述主回路中，同时将第二储气罐中的换热气体补充至换热次回路中，以使得所述主回路和换热次回路中各点气压和密度均与所述超高温气冷堆的热功率同步调节。

23、本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

技术特征：

1.超高温气冷堆耦合混合硫循环的电氢联产系统，其特征在于，包括

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括换热单元，其与所述超高温气冷堆发电单元换热连接，并与所述硫酸分解器连接；所述换热单元还与蒸汽发生器换热连接，用于向所述蒸汽发生器提供热量产生蒸汽，蒸汽进入所述硫酸精馏塔中为硫酸浓缩提供热量。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述超高温气冷堆发电单元还包括流量控制阀和第一风机组成的循环惰性气体的换热回路；所述换热回路的输入端设置在所述超高温气冷堆的气体出口，其输出端设置在所述超高温气冷堆的气体入口。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述超高温气冷堆发电单元还包括压气组件，其中所述压气组件与所述发电组件连接；在所述发电组件运行时带动所述压气组件同时运行；所述压气组件用于回收所述发电组件输出的尾气热量，并压缩尾气；所述压气组件输出的压缩尾气通入所述超高温气冷堆。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述压气组件包括低压压气机、高压压气机和调温组件；所述发电组件输出的尾气通入所述低压压气机进行压缩后，再进入所述高压压气机进一步压缩，所述高压压气机的输出端连接所述超高温气冷堆；所述调温组件分别与所述低压压气机和所述高压压气机连接，用于回收所述发电组件输出的尾气热量，并在惰性气体压缩前冷却其温度。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述压气组件还包括设置在所述低压压气机和所述高压压气机之间的第一储气罐；所述第一储气罐的两端分别连接所述高压压气机的输出端和所述低压压气机的输入端。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述调温组件包括回热器、预冷器和间冷器；所述回热器的热侧两端分别连接所述发电组件的气体输出端和所述预冷器；所述预冷器设置在所述低压压气机的气体输入端；所述间冷器设置在所述高压压气机的气体输入端；所述回热器的冷侧两端分别连接所述高压压气机的气体输出端和所述超高温气冷堆。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述超高温气冷堆发电单元还包括混合箱；所述混合箱的输入端分别连接所述回热器的冷侧输出端和所述第一风机的输出端，其输出端连接所述超高温气冷堆。

9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述换热单元包括由中间换热器、所述蒸汽发生器和第二风机组成的用于循环换热气体的换热次回路；所述中间换热器与所述超高温气冷堆发电单元换热连接；所述蒸汽发生器与所述混合硫循环单元换热连接。

10.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述换热单元还包括热供应单元，通过换热气体作为热源通入所述热供应单元，对给水进行加热产生高温蒸汽提供给热用户。

11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述第二风机的进出口两端之间并联有第二储气罐；所述第二储气罐与所述第二风机的入口之间设置有第一压气机。

12.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，混合硫循环单元还包括分离器、阳极液存储罐和硫酸存储罐；所述分离器与所述硫酸分解器的分解产物出口连接；所述阳极液存储罐连接所述分离器，用于接收并暂存所述硫酸分解器输出的so2和h2o；所述阳极液存储罐的出口连接所述so2去极化电解池的阳极入口；所述so2去极化电解池的阳极出口连接所述硫酸存储罐的进口；所述硫酸存储罐的出口连接所述硫酸精馏塔。

13.超高温气冷堆耦合混合硫循环的电氢联产方法，其特征在于，利用权利要求1-12中任一所述的系统进行电氢联产，包括：

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，换热单元在所述超高温气冷堆启动后开启，调整所述主回路中用于换热的惰性气体的质量流量比，同时向换热次回路中充入换热气体，直至换热气体的充装量达到额定值。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，当要降低所述超高温气冷堆的热功率时，将高压压气机输出的惰性气体抽取设定量至第一储气罐中；同时将换热次回路中的换热气体抽取设定量至第二储气罐中，以使得所述主回路和换热次回路中各点气压和密度均与所述超高温气冷堆的热功率同步调节。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，当要升高超高温气冷堆热功率时，将惰性气体从第一储气罐补充至所述主回路中，同时将第二储气罐中的换热气体补充至换热次回路中，以使得所述主回路和换热次回路中各点气压和密度均与所述超高温气冷堆的热功率同步调节。

技术总结本申请提出超高温气冷堆耦合混合硫循环的电氢联产系统及方法，系统包括超高温气冷堆发电单元；其包括超高温气冷堆和发电组件组成的循环惰性气体的主回路；惰性气体吸收超高温气冷堆中的热量后作为热源，并进入发电组件膨胀做功发电，发电组件的尾气回流至超高温气冷堆；混合硫循环单元与超高温气冷堆发电单元换热连接，包括硫酸分解器、SO<subgt;2</subgt;去极化电解池、硫酸精馏塔组成硫酸循环的制氢回路；发电组件与SO<subgt;2</subgt;去极化电解池电连接，驱动其电解产氢。本申请可以同时生产氢气、电能以及高温蒸汽，实现热电氢多联产和能量的综合有效利用，满足多样化的能源需求，提高系统整体的能源利用率。技术研发人员：彭威,倪航,张平,赵钢,杨小勇受保护的技术使用者：清华大学技术研发日：技术公布日：2024/7/4