高温气冷堆电氢水热联产系统

摘要

本发明公开了一种高温气冷堆电氢水热联产系统，高温气冷堆子系统输出载热介质；发电子系统的载热介质输入口与高温气冷堆子系统的输出口连通，发电子系统吸收载热介质的一级热量并转化为电能；制氢子系统的载热介质输入口与发电子系统的载热介质输出口连通，制氢子系统利用载热介质的二级热量生成氢气；热量再利用子系统的载热介质输入口与制氢子系统的载热介质输出口连通，热量再利用子系统吸收载热介质的三级热量并转化为热能；海水淡化子系统的载热介质输入口与热量再利用子系统的载热介质输出口连通，海水淡化子系统利用载热介质的四级热量将海水淡化生成纯水。本发明提供的高温气冷堆电氢水热联产系统，有效提高了热量利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及热量回收设备技术领域，特别涉及一种高温气冷堆电氢水热联产系统。

背景技术

高温气冷堆的出口温度较高，可以达到750℃左右。热能如果不进行利用，会造成能源浪费。

目前，高温气冷堆主要应用于发电，如，将高温气冷堆产生的高温蒸气完全用于发电，这样将会产生大量的乏汽。但是，乏汽不能够被很好的回收和利用，会产生能源浪费，使得热量利用率不高。

因此，如何提高热量利用率，是本技术领域人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高温气冷堆电氢水热联产系统，以提高热量利用率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高温气冷堆电氢水热联产系统，其特征在于，包括：

高温气冷堆子系统，所述高温气冷堆子系统输出载热介质；

发电子系统，所述发电子系统的载热介质输入口与所述高温气冷堆子系统的输出口连通，所述发电子系统吸收所述载热介质的一级热量并转化为电能；

制氢子系统，所述制氢子系统的载热介质输入口与所述发电子系统的载热介质输出口连通，所述制氢子系统利用所述载热介质的二级热量生成氢气；

热量再利用子系统，所述热量再利用子系统的载热介质输入口与所述制氢子系统的载热介质输出口连通，所述热量再利用子系统吸收所述载热介质的三级热量并转化为热能；

海水淡化子系统，所述海水淡化子系统的载热介质输入口与所述热量再利用子系统的载热介质输出口连通，所述海水淡化子系统利用所述载热介质的四级热量将海水淡化生成纯水。

可选地，上述高温气冷堆电氢水热联产系统中，所述高温气冷堆子系统包括：

高温气冷堆，所述高温气冷堆产生热氦气；

中间换热器，所述载热介质与所述氦气通过所述中间换热器进行热交换，所述载热介质吸收所述氦气的热量。

可选地，上述高温气冷堆电氢水热联产系统中，所述载热介质为超临界二氧化碳。

可选地，上述高温气冷堆电氢水热联产系统中，所述发电子系统包括：

透平机，所述发电子系统的载热介质输入口为所述透平机的介质输入口，所述发电子系统的载热介质输出口为所述透平机的介质输出口；

发电机，所述发电机将所述透平机的机械能转化为电能。

可选地，上述高温气冷堆电氢水热联产系统中，所述发电机为永磁发电机。

可选地，上述高温气冷堆电氢水热联产系统中，所述制氢子系统包括：

制氢换热器，所述制氢子系统的载热介质输入口为所述制氢换热器的介质输入口，所述制氢子系统的载热介质输出口为所述制氢换热器的介质输出口；

制氢装置，所述制氢装置利用所述制氢换热器吸收的热能生成氢气。

可选地，上述高温气冷堆电氢水热联产系统中，所述制氢装置包括反应单元、亚硒酸还原单元及氢碘酸分解单元；

所述反应单元包括反应罐、分离塔、硒纯化塔、氢碘酸纯化塔及第一旋液分离塔；所述亚硒酸还原单元包括亚硒酸磷还原塔、第二旋液分离塔及硒单质洗涤器；所述氢碘酸分解单元包括反应精馏塔；

所述反应罐具有用于加入原料水、硒和碘的原料加入口，所述反应罐的出口与所述分离塔的入口连通；所述分离塔上部的亚硒酸混合物出口与所述硒纯化塔的入口连通，所述硒纯化塔的出口与所述亚硒酸磷还原塔的入口连通，所述亚硒酸磷还原塔的出口与所述第二旋液分离塔的进口连通，所述第二旋液分离塔具有导出磷酸的磷酸出口及导出硒的硒出口，所述旋液分离塔的硒出口与所述硒单质洗涤器的硒进口连通，所述硒单质洗涤器的纯净硒出口与所述反应罐的进口连通；所述分离塔下部的氢碘酸混合物出口与所述氢碘酸纯化塔的入口连通，所述氢碘酸纯化塔的出口与所述第一旋液分离塔的入口连通，所述第一旋液分离塔的硒出口与所述反应罐的进口连通，所述第一旋液分离塔的氢碘酸出口与所述反应精馏塔的进口连通，所述反应精馏塔的碘出口与所述反应罐的进口连通，所述反应精馏塔的氢气出口生成氢气；

所述制氢换热器吸收的热能供所述反应精馏塔运行。

可选地，上述高温气冷堆电氢水热联产系统中，所述氢碘酸分解单元还包括氢气净化塔；

所述反应精馏塔的氢气出口与所述氢气净化塔的进口连通，所述氢气净化塔的氢碘酸出口与所述反应精馏塔的进口连通，所述氢气净化塔的氢气出口生成氢气。

可选地，上述高温气冷堆电氢水热联产系统中，所述热量再利用子系统包括：

蒸汽发生器，所述制氢子系统的载热介质输入口为所述蒸汽发生器的介质输入口，所述制氢子系统的载热介质输出口为所述蒸汽发生器的介质输出口；

蒸汽稳压罐，所述蒸汽发生器的蒸汽出口与所述蒸汽稳压罐的蒸汽进口连通，所述蒸汽稳压罐的出口输出热蒸汽。

可选地，上述高温气冷堆电氢水热联产系统中，所述海水淡化子系统包括：

余热回收器，所述海水淡化子系统的载热介质输入口为所述余热回收器的载热介质入口；

海水淡化塔，所述海水淡化塔的热能入口与所述余热回收器的热能出口连通，所述海水淡化塔的淡水出口生成所述纯水。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的高温气冷堆电氢水热联产系统，采用发电子系统、制氢子系统、热量再利用子系统及海水淡化子系统，对高温气冷堆子系统输出的载热介质进行梯级的利用，有效提高了热量利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的高温气冷堆电氢水热联产系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的制氢装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种高温气冷堆电氢水热联产系统，以提高热量利用率。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以不同的配置来布置核和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种高温气冷堆电氢水热联产系统，包括高温气冷堆子系统A、发电子系统B、制氢子系统C、热量再利用子系统D及海水淡化子系统E。高温气冷堆子系统A输出载热介质b；发电子系统B的载热介质输入口与高温气冷堆子系统A的输出口连通，发电子系统B吸收载热介质b的一级热量并转化为电能40；制氢子系统C的载热介质输入口与发电子系统B的载热介质输出口连通，制氢子系统C利用载热介质b的二级热量生成氢气60；热量再利用子系统D的载热介质输入口与制氢子系统C的载热介质输出口连通，热量再利用子系统D吸收载热介质b的三级热量并转化为热能80；海水淡化子系统E，海水淡化子系统E的载热介质输入口与热量再利用子系统D的载热介质输出口连通，海水淡化子系统E利用载热介质b的四级热量将海水淡化生成纯水100。

本发明实施例提供的高温气冷堆电氢水热联产系统，采用发电子系统B、制氢子系统C、热量再利用子系统D及海水淡化子系统E，对高温气冷堆子系统A输出的载热介质b进行梯级的利用，有效提高了热量利用率。

本发明实施例提供了一种高温气冷堆电氢水热联产系统，其产生的四种产品(电能40、氢气60、热能80及纯水100)在高温气冷堆电氢水热联产系统的运行过程中可以直接利用。如，发电子系统B产出的电能40可以用于制氢子系统C中，制氢子系统C产出的氢气60可以作为商品售卖，热量再利用子系统D产出的热能80可以用于高温气冷堆子系统A的高温堆冷氦气加热，海水淡化子系统E产出的纯水100可以用于制氢子系统C的原料。因此，在发明实施例提供了一种高温气冷堆电氢水热联产系统的运行过程中，没有碳排放，符合“碳中和”、“碳达峰”和“环境友好”的理念和要求。

出于提高换热效率及提高后续设备(如发电子系统B)的匹配度等因素的考虑，高温气冷堆子系统A包括高温气冷堆1及中间换热器2，高温气冷堆1产生热氦气a；载热介质b与氦气a通过中间换热器2进行热交换，载热介质b吸收氦气a的热量。通过将载热介质b与氦气a通过中间换热器2进行热交换，使得载热介质b作为后续热传导的载热物，可以依据后续设备的具体类型调整载热介质b的类型。

优选地，载热介质b为超临界二氧化碳。

本实施例中，发电子系统B包括透平机3及发电机4。发电子系统B的载热介质输入口为透平机3的介质输入口，发电子系统B的载热介质输出口为透平机3的介质输出口；发电机4将透平机3的机械能转化为电能。通过上述设置实现了发电操作。也可以采用热能发电等方式，实现发电子系统B吸收载热介质b的一级热量并转化为电能40的操作。

为了提高结构紧凑性，发电机4优选为永磁发电机。当然，也可以选择其他类型的发电机。

本实施例中，制氢子系统C包括：

制氢换热器5，制氢子系统C的载热介质输入口为制氢换热器5的介质输入口，制氢子系统C的载热介质输出口为制氢换热器5的介质输出口；

制氢装置6，制氢装置6利用制氢换热器5吸收的热能生成氢气60。

如图2所示，制氢装置6包括反应单元F、亚硒酸还原单元G及氢碘酸分解单元H；反应单元F包括反应罐11、分离塔12、硒纯化塔13、氢碘酸纯化塔14及第一旋液分离塔15；亚硒酸还原单元G包括亚硒酸磷还原塔16、第二旋液分离塔17及硒单质洗涤器18；氢碘酸分解单元H包括反应精馏塔19；反应罐11具有用于加入原料水c、硒d和碘e的原料加入口，反应罐11的出口与分离塔12的入口连通；分离塔12上部的亚硒酸混合物出口与硒纯化塔13的入口连通，硒纯化塔13的出口与亚硒酸磷还原塔16的入口连通，亚硒酸磷还原塔16的出口与第二旋液分离塔17的进口连通，第二旋液分离塔17具有导出磷酸170的磷酸出口及导出硒d的硒出口，第二旋液分离塔17的硒出口与硒单质洗涤器18的硒进口连通，硒单质洗涤器18的纯净硒出口与反应罐11的进口连通；分离塔12下部的氢碘酸混合物出口与氢碘酸纯化塔14的入口连通，氢碘酸纯化塔14的出口与第一旋液分离塔15的入口连通，第一旋液分离塔15的硒出口与反应罐11的进口连通，第一旋液分离塔15的氢碘酸出口与反应精馏塔19的进口连通，反应精馏塔19的碘出口与反应罐11的进口连通，反应精馏塔19的氢气出口生成氢气60；制氢换热器5吸收的热能供反应精馏塔19运行。

其中，亚硒酸磷还原塔16还可以替换为亚硒酸电解槽，硒在阴极析出，产物经第二旋液分离塔17分离成硒和电解质溶液，电解质溶液回到亚硒酸电解槽中，硒经过第二旋液分离塔17的硒出口进入硒单质洗涤器18中。

亚硒酸还原单元G得到副产物磷酸170，可以作为复合化肥磷铵的原料，从而产生经济效益，补贴高温气冷堆电氢水热联产系统的运行成本。

在实际运行过程中，反应精馏塔19的氢气出口生成的气体中，除了氢气60，还包括少量碘化氢气体和水蒸气，因此，为了提高氢气的纯净程度，优选地，氢碘酸分解单元H还包括氢气净化塔20；反应精馏塔19的氢气出口与氢气净化塔20的进口连通，氢气净化塔20的氢碘酸出口与反应精馏塔19的进口连通，氢气净化塔20的氢气出口生成氢气60。通过上述设置，有效提高了氢气的洁净度。

在具体实施过程中，原料水c和硒d和碘e从反应单元F的反应罐11加入，反应后生成亚硒酸和氢碘酸，随后反应生成的混合物经过分离塔12进行分离，上层溶液为亚硒酸的混合物，下层溶液为氢碘酸的混合物，亚硒酸的混合物从分离塔12上面的出口(亚硒酸混合物出口)导出，通入硒纯化塔13中，氢碘酸的混合物从分离塔12下面的出口(氢碘酸混合物出口)导出，通入氢碘酸纯化塔14中，进行纯化。

从硒纯化塔13的出口得到纯的亚硒酸，亚硒酸进入到亚硒酸还原单元G的亚硒酸磷还原塔16中，亚硒酸在此被还原，产物为硒，副产物为磷酸，硒和磷酸的混合物从亚硒酸磷还原塔16的出口输出，接着输入到第二旋液分离塔17中，固态的硒和磷酸被分离开，硒d从第二旋液分离塔17下面出口导出，导入到硒单质洗涤器18中得到纯净的硒d，硒单质洗涤器18的纯净硒出口与反应罐11的进口连通，硒d回导入反应单元F的反应罐11中，循环使用，磷酸从旋液分离塔17的上面出口(磷酸出口)导出，作为副产品储存起来。

从氢碘酸纯化塔14的出口得到氢碘酸和碘的混合物以及少量的硒d单质，接着将混合物通入第一旋液分离塔15中，从出口得到氢碘酸和碘的混合物，第一旋液分离塔15的硒出口与反应罐11的进口连通，第一旋液分离塔15分离的硒d回流到反应罐11中；氢碘酸和碘的混合物进入到反应精馏塔19中，反应生成碘和氢气(氢气中含有少量碘化氢气体和水蒸气)；反应精馏塔19的运行需要大量的热，经由制氢换热器5得到的热量在此得到使用，碘e从反应精馏塔19的下面出口输出，回流入反应单元F的反应罐11中，循环使用，氢气、少量碘化氢气体和水蒸气的混合物从反应精馏塔19的上面出口输出，输入到氢气净化塔20中，净化后的氢气60从氢气净化塔20的上面出口输出，氢碘酸(碘化氢气体溶于水形成的物质)从氢气净化塔20的下面出口导出，回流导入反应精馏塔19中继续参与氢碘酸的分解反应。

上述反应单元F的反应罐11可以为类本生反应罐，也可以为电本生反应罐。其中，电本生反应罐可以使用发电子系统B输出的电能40，加剧反应的进行。

热量再利用子系统D包括蒸汽发生器7及蒸汽稳压罐8。制氢子系统C的载热介质输入口为蒸汽发生器7的介质输入口，制氢子系统C的载热介质输出口为蒸汽发生器7的介质输出口；蒸汽稳压罐8，蒸汽发生器7的蒸汽出口与蒸汽稳压罐8的蒸汽进口连通，蒸汽稳压罐8的出口输出热蒸汽80。通过热量再利用子系统D输出热蒸汽，以便于将热蒸汽输入到其他需要热量的设备中，以便于实现热量再利用子系统D。在本实施例中，热量再利用生成的携带热量的介质为热蒸汽，也可以采用其他介质及其他类型的热量再利用子系统，在此不做具体限制且均在保护范围之内。

优选地，海水淡化子系统E包括余热回收器9及海水淡化塔10。海水淡化子系统E的载热介质输入口为余热回收器9的载热介质入口；海水淡化塔10的热能入口与余热回收器9的热能出口连通。其中，海水淡化塔10的淡水出口生成纯水100。

在本实施例中的高温气冷堆电氢水热联产系统中：

高温气冷堆子系统A中，高温气冷堆1产生大量的热氦气a，出口温度可以达到750℃左右，热氦气a经过中间换热器2，将超临界二氧化碳(载热介质b)加热至700℃，此时超临界二氧化碳(载热介质b)成为载热蒸汽；

发电子系统B中，从高温气冷堆子系统A的中间换热器2输出的700℃的高温超临界二氧化碳，输入到发电子系统B中，首先经过透平机3，将热能转化为机械能，再经过永磁发电机(发电机4)，将机械能转化为电能；

制氢子系统C中，从发电子系统B的透平机3出口输出的高温超临界二氧化碳为450℃左右，450℃左右的超临界二氧化碳进入制氢子系统C中，通过制氢换热器5将热量输送给制氢装置6，制氢装置6利用热能生成氢气；

热量再利用子系统D中，从制氢子系统C的制氢换热器5出口输出的二氧化碳b为350℃左右，350℃左右超临界二氧化碳b进入热量再利用子系统D中，经过蒸汽发生器7和蒸汽稳压罐8生成热；

海水淡化子系统E中，从热量再利用子系统D的蒸汽发生器7出口输出的二氧化碳为250℃左右，250℃左右超临界二氧化碳进入海水淡化子系统E中，通过余热回收器9和海水淡化塔10，将海水淡化，生成纯水。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。