化学热管系统在高温堆上的应用.pdf

? 年 第? ? 卷 清华 大学学报 ?自然 科学 版? ? ? ? ? ? ? ? ? ? !? ? ? ? ? 第 ? 期第 ? ? ?页 化学热管系统在高温堆上的应用 居怀明 , 徐元辉 , 钟大辛 清华大学核能技术设计研究院 文摘 ? 高 温气冷堆产生的高温工 艺热的应用研究是能 源领 域的课题之一 。 本文论述了利用 甲烷水蒸汽的可逆反 应的化学热管 系统及其在高温气冷堆远距离输热方面的应用 。 报导了清 华大学核能技术设 计研究院设计的 ? ? ? 化学热 管系统 。 该系统 用? ? 和水蒸汽作为重整 工作对 , 采用二级甲烷化反应器 。 介 绍了系统主要设备? ? 加热 、热 交换器型的重整器的结 构设计 。 关扭词 ? 化学热管 ? 高温气冷堆 ? 重整器 ? 甲烷化反应器 分类号 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 化学热管系统贮能 、 输能 、 释能的基本原理 化学热管系统如图 ? 。 化学热管系统贮能 、 输能 、 释 能的原理是通过一个可逆化学反 应 的吸热反应把高温气冷堆或太 阳能集热装置所得到的热能以化 学键形式贮存在化合物 中 , 这种 化合物能够在室温下贮存 , 远 距 离输送 , 然后通过上 述吸热反应 的逆反应将 热量释放出来 , 产生 的高温蒸汽 , 可用来发 电或 直接 用于工业用热 。 化学热管系统的典型反应为 直接应 用? ?蒸汽 甲甲烷化化 反反应器器 图 ? 化 学热管系统示意 图 ? ? ? ? ? ? ? ? ?一? ? 以上反应为吸热反应 , 它需要在 ? ? ?左右 、 有催化剂存在条件下进行 。 由高温气冷堆 出来的 高温氦气所携带的热量 , 通过热交换器形式的蒸汽重整器加热催化床到 ? ?左右 , ? 和水 蒸汽混合物在催化剂作用下发生上述反应 , 生成 ? 和? ? 混合气 。 然后用管道将所生成的混 合气在常温下远距离输送到用户 , 当需要用热时 , 混合气在甲烷化反应器中 , 借助催化剂作用 , 发生上述反应的逆反应 , 即 ? ? 十? ? ? ? ? 一? ? 收稿日期 ? ? ? ? 一?一? ? , 国家 “八六三”高技术项目 清 华大学 学报 ?自 然 科学 版? ? ? , ? ? 放出热量 , 为用户提供 ? ? 。一? ?。温度 。 而所得到 ? 。 与水蒸汽分离后可以循环使用 。 ? 化学热管系统的优点 ? ? 能量转换效率高 , 由于现有原子能装置或大功率的太阳能集热装置都不可能建立在人 口稠密的城市 , 所以必须将核能或太阳能先转换成 电能 , 再将电远距离输送到用户 , 然后再转 换成热能或直接用电 。 而目前核能或太阳能转换成电能 , 这种转换效率大约为? ? 纬 。 而在化学 热管系统中 , 先将核能或太阳能转换成化学能 , 这种转换率大约可达? ? , 而所生成混合气又 可以长时间在室温下贮存和输送 , 没有高温潜热或显热系统所有的热损失 , 甲烷化反应的效率 大约可达? ?左右 , 所以总的能量转换效率较高 。 ? ? 化学热管系统中庞大的混合气体管道输送系统同时又是一个大的能量贮存装置 , 它可 以通过管线的压力来增加贮存容量 , 以适应用户负荷变化的需要 。 而核能电厂要求固定地输出 容量 , 用能又有随时间季节变化的特性 。 太阳能则是随时间 、 季节呈周期性或非周期性变化 , 太 阳能并不具有定量持续供应的特点 , 更难满足用能变化要求 。 所以无论核能或太阳能 , 必须辅 之以能量贮存系统 , 才能满足用户负荷变化需要 。 ? ? 化学热管系统完全用核能或太阳能 , 不消耗化石燃料 , 不会带来化石燃料对环境的污 染 , 又因为该系统是一封闭系统 , 没有任何东西放出来 , 因此不产生任何环境污染 。 ? 化学热管系统发展动态 德国自 ? ?一? 年期间先后建立了两套化学热管 装置即 ? ? ? 系统和 ? ? ? 。 其主要参数见表 ? 。 表 ? 几种化学热管系统的参数 参数 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 压力 ? ? 温度 ? ? ? ? 流量 ? ?一 蒸汽流量 ? 二? ? ? ? ? ? ? 流量 ? ?一 混合气流量 ? ? ?一 产品量? ? 。 蒸汽? ? ?一 ? ? 气流量 ? ? ? 一 ? ? 气温度 ? ? 热功率 尸越? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?互 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? , 以标准 状况计算 ? ? ?年? ? ? 、? ?相连接 , 总共运行了 ? ? ? , 实现了甲烷重整和 甲烷化热化学循 环 , 从而论证了核能远距离输送的可能性 。 ? ? ?和? 相连接后总共运行了? ? ? , 因为它的所有部件 、 工艺级数 , 安全要求 等完全满足核能远距离输送要求 , 所以它的成功为核能远距离输送提供了许多有价值资料 。 为了使 甲烷化反应在较低温度下进行 , 所以反应分三级进行 。 这就造成系统庞大 , 操作困 难 。 为此德国还建立了一个单级甲烷化装置? ?系统 , 其主要参数如下 ? 压力为 ? , ? ? , 居怀 明 , 等 ? 化学热管系统在高温堆上的应用 温度为 ? ?峰值温度为“? , 混合气流量 为 ? ? ?一, 产品气产率 ? ? ? ? ? 一, 级数 为 ? , 热功率为 ? ? ? 。 它的反应器只有一级 , 一根根装满催化剂的反应管垂直布置在锅炉 内 , 这里一侧混合气转换成甲烷和蒸汽 , 另一侧产生高压饱和蒸汽 。 该系统特点是系统简单 , 为 核能远距离工业应用提供了方便 。 以色列建立了一个以太阳能为热源的化学热管系统图 , 它包括一个 ? 的太阳能的重 整器和一个 ? ? ?的甲烷化反应器 。 用 ? ? 重整甲烷 。 ? 化学热管系统在我国研究现状 我国的能源构成以煤炭为主 , 煤炭的? ? 排放系数远高于石油和天然气 。 我国终端能源 消费中的约一半用于供热 , 因为热力不宜长距离输送 , 热源需靠近用户 , 这就使得直接烧煤引 起的污染的后果尤为严重 。 如果能用化学热管系统直接将核能转化成化学能再释放出热能供 用户应用 , 这不仅减少煤消费及烧煤产生的环境间题 , 而且由于化学热管系统能量转换率高 , 可以降低能源消费总量 。 清华大学核能技术设计研究院将建造一座 ? ?的高温气冷堆 。 ? ? ? 化学热管系统 是以? ? 高温气冷堆作为热源 。 其流程及系统的工艺参数见图 ? , 该系统包括一个? ? ? 的甲烷蒸气重整器? ? ? , 和二级甲烷化反应器?和蒸发器? ? ? 。 系统中?为中间热交 换器 , ?为汽水分离器 , ? ? 为回热器 , ? 为预热器 。 重整反应所需要的热量由 ? ? 的二 次氦气提供 。 甲烷化后放出的热量由蒸发器带走 。 重整器的原料是? ? 和? ? , 生成的工艺 气为? ?和? ?, ? ? 和 ? ? 在甲烷化反应器中合成? 和? ? , ? ? 和? ? 再返回重整器 , 即 完成物料闭合循环 。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 仁仁仁仁仁仁仁 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 、 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 仁仁仁仁仁仁仁 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图 ? ? ? 化学热管系统 清 华 大 学学报 ?自 然科学 版? ? ? , ? ? ? 高温气冷堆预计 ? ? ? 年建成 , 建成后大约用 ? ? 时间完成预定实验 , 然后将运 行温度提高到 ? ? 取得运行经验 。 大约在? ?世纪开始 , 用 ? 时间安装3.5MW化学热 管系统 , 估计在2003年以1 0MW模块式高温气冷堆为热源的3.5MW化学热管系统即可开 始运行 。 在初步完成系统设计基础上 , 目前已对回路主要设备之一即3.5MW氦加热蒸汽重整器 进行了概念设计 , 常规的蒸汽甲烷重整反应所需的热量是靠烧煤或烧油 , 通过幅射传热得到 。 而 以核能为热源的重整器靠强迫对流传热方式 , 将高温H e 气携带热量传给待重整的工质 , 所 以重整器采用壳管式换热器型式 , 其结构见图 3 。 重整器由 1 9根小 116x 8重整管组成 , 外壳内 径为l m , 为了更换催化剂 , 催化管采用直管式 , 管内填充N i基催化剂 , 原料气(甲烷 、 水蒸汽) 在管内流动 , 高温氦气在管外流动 , 为了提高重整效率 , 利用重整后产品气(C O , H Z, CO : , H Z O , CH )的余热加热原料气 , 在重整管上方 , 设有一个螺旋型回热器 , 用来预热原料气 。 重整 器工艺参数见表2 。 由于强迫对流传热方式比幅射传热方式效率低 , 从而降低了重整效率 , 为此在重整器设计 中采取强化传热方式来提高效率 。 l l l / / / 矫矫矫 矍矍矍 1 氦气入口管 2 催化管 3 同心套管 4 冷氦层 5 保温层 6 外套壳 7 内套筒 8 氦气出口管 9 工艺气入口管 1。 中心管 n 工艺气出口管 图3 3.SM w 甲烷蒸汽重整器结构 居怀明 , 等 : 化学热管 系统在高温堆上的应用63 表2工艺参数 P/MPaQm/kg s一 T / 工艺气侧 H e 气侧 3.5 2 。 975 456 3 50 3 . 0 2 . 245600 900 与常规重整相比 , 以核能为热源的重整器其安全要求更高 , 因此化学热管系统的引入对反 应堆系统的安全性影响正在认真研究之中 。 尤其是两个系统之间藕合及动态响应 , 正在作仔细 分析研究 。 参考文献 1 HohleinB , F e dd ers H . I nte g r a t e d e n er gy s y s te m s l o n g d i sta n eee n er gy tr a n s p ort . 7 t h W or ldH y d r o g e n E n er gy C o n f er e n ee , M oseo w , S e p25 2 9 , 1988 2 E p s te in M . R eseare h a n dd es ig n w o r k o n s o 1 ar ligh tte m p era t u r e a pp li e a tion sa tt h e W e i z m a nn I n s t i t u teo f S e i e n ee . R e h ovo t , I sr ae l . I AEAC onsu lt an t s M eet ing Vi en na , A p r il 14 16 , 1993 3 S ing hJ , N i ess e n HF . Th e n ue I e ar h ea te d s te a m re f o r m er d es i g n a n d s e m it ee h n i ea l o p era tin g e x p er i e n ees . N ue l ear E n g i n eer ing a n d D es ig n , 19 8 4 , 78 ( 2 ) : 179 194 A PPl i ca ti o n so f c h e m i ea l h ea tPIP es y s t e m o n HTGR J u H ua im i n g , X u Y uan h u i , Z h on gD ax i n I n st it u t eo fN u e l e a r E ne r gy T e e h no l o gy , T s in g h ua U niver s ity Ab s t rae t : I nor d er t os t u d y a pp l i ea t i onso fhigh t e m p era t ure p roeess h ea t p ro d uee d in high t e m p era t ure g aseoo l e d reae to r t h ee h e m i ea lh ea t p ip es y s t e m eons i d ere dCH 一 H Z O r ever s i bl e r e aet i onsan d it 5 a pp l i e a tio ns i n t h e l on g d ist ane e h e a ttr a ns p ort f or t h e high te mP er a tu r e g as e oo l e d r eaetorar esta te di n t h e p a p er . Th e 3 . 5 M W e h e m ie a lh ea t p ip es y s te m d e s ig ne db y In s titute o fN ue l e ar E ner gy T e e h no l o gy o fT s i n g h ua U n i ver s ity 15 r e p orte d . Th e CH 一 H Z O stea m1 5use d as t h ere f o r m era g en ts . Tw os te p m ee h an i za t i on d ev i ee 1 5a d o p te di n t h e h ea t p ip es y ste m . Th eeons tru e t i on d es ig no f t h ere f or m er (h ea t exe h a n g i n g ty p e ) mai n a p p a r a t u soft hes y s t em15als o i n t r o du e edi nt h ep a p e r. Ke ywo r d s :e he mi e a l he a tp i p e ;HTGR;r ef o r me r ;me eh a n iz a t i o nde vie e