一种与快堆联合的熔盐电解制氢方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种与快堆联合的熔盐电解制氢方法及系统。所述熔盐电解制氢系统的结构如下：熔盐电解池上设有甲烷进气口和氢气出气口，熔盐电解池的电能来自快堆，热能来自于热交换器；热交换器的热能来自于热堆；甲烷通过热交换器后进入熔盐电解池中进行电解；熔盐电解池与干法后处理模块连接，以输送熔盐电解池内的熔盐至干法后处理模块中；干法后处理模块还与快堆连接，以输送快堆中的乏燃料至干法后处理模块中；干法后处理模块与熔盐净化模块连接，熔盐净化模块与熔盐电解池连接。本发明专利技术将核能所产生的电能与热能与化石能源相结合，通过电解池中的化学反应将其转化为易于储备和输送的化学能，对于核工业以及氢能的发展都具有重大意义。有重大意义。有重大意义。

【技术实现步骤摘要】
一种与快堆联合的熔盐电解制氢方法及系统


[0001]本专利技术涉及一种与快堆联合的熔盐电解制氢方法及系统，属于能源技术利用领域。

技术介绍

[0002]人类能源体系的结构正在发生转变，从以前以干燥植物、煤等固体燃料为主，到以石油、长链烷烃等液体燃料为主，未来将转变为以天然气、氢气等气体为燃料主体的能源结构模式。氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，不仅能够帮助可再生能源大规模消纳，还能够实现电网大规模跨地域储能，加速推进工业、建筑、交通等领域的低碳化。而随着燃料电池为代表的各种氢能利用技术的快速发展，未来人类对于氢能的需求量将有大幅提升，全球将逐步迈入氢能时代。
[0003]甲烷(CH4)是天然气的主要成分。天然气在全球范围内储量丰富，2005年全球已探明的天然气总储量为179.53兆立方米，人类对于煤和石油的不断开采导利用致资源短缺，因此对于如何高效利用天然气以促进人类能源结构转型是目前的主流研究方向。其中，将甲烷转化为易于运输储存的液体燃料或高附加值的化工产品去氢气等，是目前全球范围内的研究热点之一。
[0004]目前主要使用的氢气制备方法有以下几种：电解水制氢、光催化制氢、产氢微生物发酵制氢、化石燃料制氢等，由于成本和规模化等原因，目前工业上产出和使用的氢气主要来源于含碳化石燃料转化制氢，即通过甲烷的水汽重整获得氢气合成气，这一反应在工业上条件苛刻，需要高温高压的反应条件，不仅效率低而且能耗高，且所得合成气中V
(H2)
/V
(CO)
＝3，不适合合成甲醛以及Fischer
‑
Tropsch(F
‑
T)合成等重要工业过程。与传统的水汽重整反应相比，熔盐电解制氢的电解池体积小、效率高，且无碳排放，可以显著降低设备投资和生产成本，是目前制氢技术的研究热点之一。
[0005]核能作为重要的战略资源和清洁能源，与氢能具有同样重要的价值和地位。在核燃料循环发展的将来，快堆将成为核电站的主要发电力量，而与其配套的干法后处理流程也将成为主要的乏燃料处理手段。现阶段核能制氢的主要方式依旧是核电站发电并用电解水制氢，在快堆的干法后处理流程中，所使用的是熔融盐体系作为高放乏燃料的溶剂盐。
[0006]熔融碱金属碳酸盐具有化学稳定及热稳定性能、无毒、不易燃、操作压力低、安全以及具有超越的储热和热传输能力、粘度较低、流动性较好、可通过管道循环起到传热传质的作用等优点，在能源转化技术中已有广泛研究和应用。在熔融盐电解过程中，由于其具有超高的电子传递效率，并且熔盐体系中O2‑
离子的存在也使得电解甲烷无碳化制氢成为现实。而将熔盐电解与快堆核电站相耦合，不仅能利用起快堆的热源，还能利用快堆所发出的电能制备氢气，不仅减少了放射性废物的排放，同时降低了能源消耗，减少了对环境的污染。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种与快堆联合的熔盐电解制氢方法及系统，以快堆核电站所释放出的大量热作为热源，以熔融盐为介质，通过电解CH4的方式无碳化制取氢气，电解后的熔盐将被用于快堆乏燃料后处理，净熔盐净化过程后返回电解池中循环使用，即核电熔盐化学制氢，充分利用了快堆核电站的热能和电能，减少了化石燃料的消耗，减少了污染物的排放，增加了熔盐的循环利用，增加了制氢效率，降低了生产成本。
[0008]本专利技术首先提供一种与快堆联合的熔盐电解制氢系统，包括熔盐电解池、热交换器、干法后处理模块和熔盐净化模块；
[0009]所述熔盐电解池上设有甲烷进气口和氢气出气扣，所述熔盐电解池的电能来自快堆，热能来自于所述热交换器；
[0010]所述热交换器的热能来自于所述热堆；
[0011]甲烷通过所述热交换器后进入所述熔盐电解池中进行电解；
[0012]所述熔盐电解池与所述干法后处理模块连接，以输送所述熔盐电解池内的熔盐至所述干法后处理模块中；
[0013]所述干法后处理模块还与所述快堆连接，以输送所述快堆中的乏燃料至所述干法后处理模块中；
[0014]所述干法后处理模块与所述熔盐净化模块连接，所述熔盐净化模块与所述熔盐电解池连接。
[0015]上述的熔盐电解制氢系统中，所述熔盐电解池内的熔盐体系为Li2CO
‑
Na2CO3‑
K2CO3‑
3％Li2O的混合体系，其中，碱金属碳酸盐的质量比为：Li2CO3：Na2CO3：K2CO3＝1：1：1。
[0016]上述的熔盐电解制氢系统中，所述熔盐电解池内的阳极材料为Ni
‑
YSZ材料，即使用Ni修饰氧化钇稳定的氧化锆；
[0017]阴极材料为金属镍，被压成片状与电极连通插入所述熔盐电解池中，所述金属镍的纯度大于99.9％。
[0018]电解时，阳极表面发生的反应：CH4(g)+2O2‑
→
CO2(g)+2H2(g)+4e
‑
[0019]在碱金属碳酸盐熔盐内部发生捕获反应：
[0020]阴极表面发生反应：
[0021]上述的熔盐电解制氢系统中，所述热交换器包括液气换热器和液液换热器；
[0022]所述液气换热器可将Na的热量用于加热CH4，使CH4由室温加热到可通入电解池的温度区间内。
[0023]所述液液换热器可将Na的热量直接用于加热熔融盐，并给高温的熔融盐供热以维持反应温度。
[0024]上述的熔盐电解制氢系统中，所述熔盐净化模块包括区域熔融装置、高温电解装置和/或高温过滤装置，过多种物理和化学方法实现对熔盐中杂质的分离。
[0025]在所述熔盐电解制氢系统的基础上，本专利技术进一步提供了与快堆联合的熔盐电解制氢方法，包括在所述系统中进行的如下步骤：
[0026]1)以快堆所释放出的热作为热源，将所述熔融盐电解池中的熔盐体系加热熔融；
[0027]2)天然气通过所述热交换器后通入所述熔融盐电解池中，以快堆产生的电能电解天然气得到C和氢气。
[0028]本专利技术方法中，快堆内部核反应所产生的热量主要由一回路的钠冷却并带出，随后钠将进入换热器模块进行热量交换，这主要是为了减少放射性辐射范围。所述熔融盐电解池所使用的熔融盐在开始反应之前被快堆内部交换出的热量利用热交换器加热到450～500℃，再送入所述熔盐电解池中，同时该热量还将被用于维持电解池内部温度恒定。为了维持电解池内部熔盐体系温度恒定，热电偶和电加热器将被设置于电解池内用于维持温度，电力来自快堆发电。
[0029]本专利技术方法中，将所述熔融盐电解池中的熔盐输送至所述干法后处理模块中以回收乏燃料中的An和Ln，其中回收的U、Pu将返回快堆中继续使用，同时其他含放射性的杂质元素将留在熔盐体系中，由于放射性的不断累积会导致电解效果降低，影响U、Pu产品的纯度，所以需要对反应体系即熔盐进行净化。
[0030]所述熔融盐电解池中经过长时间电解后的碱金属碳酸熔盐会被用于快堆乏燃料干法后处理模块中，由于该流程对于熔盐组分的要求允许本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种与快堆联合的熔盐电解制氢系统，包括熔盐电解池、热交换器、干法后处理模块和熔盐净化模块；所述熔盐电解池上设有甲烷进气口和氢气出气口，所述熔盐电解池的电能来自快堆，热能来自于所述热交换器；所述热交换器的热能来自于所述热堆；甲烷通过所述热交换器后进入所述熔盐电解池中进行电解；所述熔盐电解池与所述干法后处理模块连接，以输送所述熔盐电解池内的熔盐至所述干法后处理模块中；所述干法后处理模块还与所述快堆连接，以输送所述快堆中的乏燃料至所述干法后处理模块中；所述干法后处理模块与所述熔盐净化模块连接，所述熔盐净化模块与所述熔盐电解池连接。2.根据权利要求1所述的熔盐电解制氢系统，其特征在于：所述熔盐电解池内的熔盐体系为Li2CO
‑
Na2CO3‑
K2CO3‑
3％Li2O的混合体系，其中，碱金属碳酸盐的质量比为：Li2CO3：Na2CO3：K2CO3＝1：1：1。3.根据权利要求1或2所述的熔盐电解制氢系统，其特征在于：所述熔盐电解池内的阳极材料为Ni
‑
YSZ材料，阴极材料为金属镍。4.根据权利要求1

【专利技术属性】
技术研发人员：伍思达，王秀林，姚辉超，隋依言，侯建国，侯海龙，张雨晴，卢璐，戴若云，
申请(专利权)人：中海石油气电集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：