液态金属堆核能耦合铜氯循环制氢系统及制氢方法技术方案

本申请提供一种液态金属堆核能耦合铜氯循环制氢系统及制氢方法，包括：热解装置，用于发生Cu2OCl2的热解化学反应，其蒸汽入口与蒸汽发生器的二次侧出口连接；水解装置，用于发生CuCl2的水解反应，其蒸汽出口与蒸汽发生器的二次侧入口连接；氢气发生装置，水解装置的反应出料口与其反应进料口连接，用于将水解装置中反应产生的HCl输送到氢气发生装置，氢气发生装置用于将热解装置中反应产生的CuCl和水解装置中产生的HCl发生置换反应，产生氢气，其置换反应的电解过程由发电装置供电；热解装置与水解装置及氢气发生装置之间均设有换热装置。本申请的制氢系统和方法将核能中温制氢方案和铜氯三步法闭式热化学循环方案相结合，利用核电站余热、制氢转化效率高。利用核电站余热、制氢转化效率高。利用核电站余热、制氢转化效率高。

【技术实现步骤摘要】
液态金属堆核能耦合铜氯循环制氢系统及制氢方法


[0001]本申请涉及核能利用
，尤其涉及一种液态金属堆核能耦合铜氯循环制氢系统及制氢方法。

技术介绍

[0002]能源是经济增长和人类发展的最重要动力之一，未来的能源经济将需要逐步替代化石能源并减少温室气体排放，逐步形成低碳的能源结构，风、光、水、核、氢等清洁能源迎来了机遇发展期。
[0003]氢能是一种理想的二次能源，主要特点是氢元素资源丰富、氢气热值高和无污染，同时具备清洁和储能的两种属性，其产业链主要分为上游制氢、中游储运和下游应用等领域，其中以清洁可持续的方式利用一次能源来实现氢的大规模生产成为了氢能产业发展前提的重要一环。氢气的生成方法大致有以下三种：1.化石燃料加工，2.电解水，3.热化学循环。其中化石燃料加工方法不仅受到资源储量的限制，还将排放大量CO2等温室气体；而电解水制氢效率一般在80％左右，高温电解法(1000℃下)的制氢效率只有50％左右。由于电费占整个水电解制氢生产费用的80％左右，导致其竞争力并不高，因此水电解制氢成本的关键在于耗能问题，由此引出两条降成本的途径：一是降低电解过程中的能耗，二是采用低成本电力制氢；通常的热化学循环方法不能用于大规模制氢，由于需要3000℃以上的高温，并且还要求发展能在高温下分离产物氢气和氧气的技术，以避免气体混合物发生爆炸。

技术实现思路

[0004]本申请是基于上述技术问题提出的。本申请提供一种液态金属堆核能耦合铜氯循环制氢系统及制氢方法，将核能中温制氢方案和铜氯三步法闭式热化学循环方案相结合，具有充分利用核电站余热、制氢转化效率高且环境友好的优势。
[0005]本申请第一方面提供一种液态金属堆核能耦合铜氯循环制氢系统，包括蒸汽发生器和发电装置，蒸汽发生器用于将液态金属堆产生的热量转化为蒸汽驱动发电装置发电，还包括：热解装置，热解装置用于发生Cu2OCl2的热解化学反应，其蒸汽入口与蒸汽发生器的二次侧出口连接；水解装置，水解装置用于发生CuCl2的水解反应，其蒸汽出口与蒸汽发生器的二次侧入口连接；氢气发生装置，水解装置的反应出料口与氢气发生装置的反应进料口连接，用于将水解装置中反应产生的HCl输送到氢气发生装置中，氢气发生装置用于将热解装置中反应产生的CuCl和水解装置中反应产生的HCl发生置换反应，产生氢气，其置换反应的电解过程由发电装置供电；热解装置和水解装置之间设置有第一换热装置，用于对热解装置排出的蒸汽进行换热，使换热后的蒸汽用于保持水解装置的温度；热解装置和氢气发生装置之间设置有第二换热装置，用于对热解装置排出的蒸汽进行换热，使换热后的蒸汽用于保持氢气发生装置的温度。
[0006]在一种可能的设计中，还包括：氧气存储装置，氧气存储装置与热解装置的反应出料口连接，用于收集、干燥和存储热解装置中反应获得的氧气；水存储装置，水存储装置与
水解装置的反应进料口连接，为水解装置的反应供水；氢气存储装置，氢气存储装置与氢气发生装置的反应出料口连接，用于收集、干燥和存储氢气发生装置中反应获得的氢气。
[0007]在一种可能的设计中，发电装置的低压缸排气管道与第一换热装置和/或第二换热装置的入口相连接；氢气发生装置的蒸汽出口与第一换热装置和/或第二换热装置的入口连接；从发电装置或氢气发生装置排出的低品质热返回到换热器进一步利用。
[0008]在一种可能的设计中，液态金属堆出口温度为500℃
‑
900℃
[0009]在一种可能的设计中，蒸汽发生器的二次侧出口温度为500
‑
650℃，为后续热解装置的热解反应提供适宜温度。高温热解装置的水蒸汽管道出口温度为400
‑
500℃，第一换热装置的出口温度为400
‑
450℃，为后续水解装置中的水解反应提供适宜温度。第二换热装置的出口温度为90
‑
130℃，为后续氢气发生装置中的置换反应提供适宜温度。
[0010]在一种可能的设计中，热解装置中发生反应的方程式如下 Cu2OCl2(s)
→
2CuCl(1)+1/2O2(g)，条件在500
‑
550℃之间；水解装置中发生反应方程式如下2CuCl2(s)+H2O(g)
→
Cu2OCl2(s)+2HCl(g)；氢气发生装置中发生反应的方程式如下2CuCl(aq)+2HCl
→
H2(g)+2CuCl2(aq)。
[0011]在一种可能的设计中，还包括固液物质转运系统，通过固液物质转运系统将水解装置中反应产生的固态Cu2OCl2运送进入热解装置中，将热解装置中反应产生的液态CuCl运送进入氢气发生装置中，将氢气发生装置中反应产生的水溶液态的CuCl2运送进入水解装置中。使整个制氢系统中的固液物质循环利用，提高使用效率，节约成本的同时也减少环境污染。
[0012]本申请第二方面提供一种利用液态金属堆核能耦合铜氯循环制氢系统制备氢气的方法，包括液态金属堆出口排出的热量通过蒸汽发生器转化为蒸汽驱动发电装置发电的步骤，还包括如下步骤：蒸汽发生器产生的蒸汽进入热解装置的蒸汽管道后为热解化学反应提供热量；经过热解装置后的温度为 400
‑
500℃的蒸汽分别进入第一换热装置和第二换热装置，通过第一换热装置将400
‑
500℃的蒸汽转换为400
‑
450℃的蒸汽，直接通入水解装置的蒸汽管道，通过第二换热装置将400
‑
500℃的蒸汽转换为90
‑
130℃的蒸汽，进入氢气发生装置的蒸汽管道，蒸汽经过水解装置放热后再次回到蒸汽发生器；进入发电装置后的蒸汽为发电装置发电提供能量，经过发电装置后产生的电能提供给氢气发生装置用于电解制氢气。
[0013]在一种可能的设计中，还包括如下步骤：蒸汽经过氢气发生装置的蒸汽管道放热后的低品质热回到第一换热装置和/或第二换热装置；从发电装置的低压缸排出的蒸汽进入第一换热装置和/或第二换热装置。
[0014]在一种可能的设计中，液态金属堆出口温度为500℃
‑
900℃。
[0015]本申请的液态金属堆核能耦合铜氯循环制氢系统及方法为核能耦合中温制氢的方案，将核能与制氢有机的结合起来，耦合核能与铜氯化学循环，充分利用核能稳定的多能利用，适用于核能堆芯出口温度位于450℃
‑
600℃之间的反应堆，相比目前热化学循环制氢大部分方式所需的1000℃以上的温度，降低了核能制氢的要求门槛，扩展了核能制氢的范围和应用堆型，为核能大规模制氢奠定基础。本申请中反应产物的O2和H2分别在不同的反应阶段产生，因此便于分离，可避免混合发生爆炸危险。此外，本申请对环境影响极小，相比于通常核能
‑
电
‑
制氢模式的25％—30％的制氢转化效率，本申请的制氢的转化效率也达到将
近50％，并且和核电站发电互补应用，既作补充，也可以根据实际的市本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液态金属堆核能耦合铜氯循环制氢系统，包括蒸汽发生器和发电装置，所述蒸汽发生器用于将液态金属堆产生的热量转化为蒸汽驱动所述发电装置发电，其特征在于，还包括：热解装置，所述热解装置用于发生Cu2OCl2的热解化学反应，其蒸汽入口与所述蒸汽发生器的二次侧出口连接；水解装置，所述水解装置用于发生CuCl2的水解反应，其蒸汽出口与所述蒸汽发生器的二次侧入口连接；氢气发生装置，所述水解装置的反应出料口与所述氢气发生装置的反应进料口连接，用于将所述水解装置中反应产生的HCl输送到所述氢气发生装置中，所述氢气发生装置用于将所述热解装置中反应产生的CuCl和所述水解装置中反应产生的HCl发生置换反应，产生氢气，其置换反应的电解过程由所述发电装置供电；所述热解装置和所述水解装置之间设置有第一换热装置，用于对所述热解装置排出的蒸汽进行换热，使换热后的蒸汽用于保持所述水解装置的温度；所述热解装置和所述氢气发生装置之间设置有第二换热装置，用于对所述热解装置排出的蒸汽进行换热，使换热后的蒸汽用于保持所述氢气发生装置的温度。2.如权利要求1所述液态金属堆核能耦合铜氯循环制氢系统，其特征在于，还包括：氧气存储装置，所述氧气存储装置与所述热解装置的反应出料口连接；水存储装置，所述水存储装置与所述水解装置的反应进料口连接；氢气存储装置，所述氢气存储装置与所述氢气发生装置的反应出料口连接。3.如权利要求1所述液态金属堆核能耦合铜氯循环制氢系统，其特征在于，所述发电装置的低压缸排气管道与所述第一换热装置和/或所述第二换热装置的入口相连接；所述氢气发生装置的蒸汽出口与所述第一换热装置和/或所述第二换热装置的入口连接。4.如权利要求1所述液态金属堆核能耦合铜氯循环制氢系统，其特征在于，所述液态金属堆出口温度为500℃
‑
900℃。5.如权利要求1所述液态金属堆核能耦合铜氯循环制氢系统，其特征在于，所述蒸汽发生器的二次侧出口温度为500
‑
650℃，所述热解装置的水蒸汽管道出口温度为400
‑
500℃，所述第一换热装置的出口温度为400
‑
450℃，所述第二换热装置的出口温度为90
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130℃。6.如权利要求1所述液态金属堆核能耦合铜氯循环制氢系统，其特征在于，所述热解装置中发生反应的方程式如...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙培栋，柳春源，邢勉，陈笑松，吴曼霞，王立广，张曙明，郑罡，余慧，沈峰，
申请(专利权)人：国家电投集团科学技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：