CN104134478B - 一种核能和生物质能联合系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种核能和生物质能联合系统及方法，涉及核电领域。所述核能和生物质能联合系统，包括核能子系统和生物质能子系统；核能子系统包括首尾依次连接的反应堆、高温换热器、蒸汽发生器和主泵，主泵连接反应堆，蒸汽发生器首尾依次连接蒸汽轮机、低温换热器、冷凝器和二回路泵；生物质能子系统包括首尾依次连接的生物质气化反应器、水洗塔、重整塔、费托合成塔、精炼塔和精馏塔；高温换热器和所述重整塔相连接，低温换热器和所述精炼塔相连接；蒸汽发生器产生蒸汽推动蒸汽轮机带动发电机发电。重复核能子循环和生物质能子循环，通过能量分配，对高温气冷堆和生物质制备液体燃料进行耦合。可产生清洁的电力和液体燃料，一体化电力和液体燃料的需求。

Description

一种核能和生物质能联合系统及方法

技术领域

本发明涉及核电领域，特别是涉及一种核能和生物质能联合系统及方法。

背景技术

核能发电和生产工艺热技术是一项已经成熟的技术，而生物质能制备液体燃料也在工业中得到了很多的应用。目前，世界各国都开展了小型核反应堆技术的研发工作，其电功率一般在100～300MW。使用生物质气化并采用费托合成制备液体燃料的技术在世界上已经得到工业应用和示范，每天处理1000吨左右的生物质大约需要20MW的能量，包括热能和电能。然而，这两项技术都是独立发展的技术，并没有现有技术能够将这两种独立技术结合成为一个联合系统。

2014年4月，美国海军实验室发布了一种核能联合装置，其方法就是使用核能的能量，提取海水中的二氧化碳和氢气，再用于合成碳氢燃料。此外，使用核能制备氢气的技术在清华大学核能与新能源研究院也得到了研究。但是氢气不易储存，也并不能像液体燃料那样可以直接被大量现有工业设施使用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供一种核能和生物质能联合系统及方法。

所述核能和生物质能联合系统，包括核能子系统和生物质能子系统；

所述核能子系统包括首尾依次连接的反应堆、高温换热器、蒸汽发生器和主泵，所述主泵连接反应堆，所述蒸汽发生器首尾依次连接蒸汽轮机、低温换热器、冷凝器和二回路泵；

所述生物质能子系统包括首尾依次连接的生物质气化反应器、水洗塔、重整塔、费托合成塔、精炼塔和精馏塔；

所述高温换热器和所述重整塔相连接，所述低温换热器和所述精炼塔相连接；

所述蒸汽发生器产生蒸汽推动蒸汽轮机带动发电机发电。

优选地，所述反应堆可选自高温气冷堆、钠冷快堆、铅冷快堆、熔盐堆、超临界水堆等中的一种。

优选地，所述高温换热器可选自管式换热器、板式换热器、翅片式换热器等中的一种；所述低温换热器可选自管式换热器、板式换热器、翅片式换热器等中的一种。

优选地，所述生物质气化反应器可选自上吸式气化反应器、下吸式气化反应器、固定床气化反应器、流化床气化反应器等中的一种。

所述一种核能和生物质能联合方法，包括如下步骤：

步骤一：核能子循环，具体步骤如下：

反应堆产生热量，进入高温换热器，经过换热后，剩余热量进入蒸汽发生器一次侧，换热后的热量通过主泵加压后，返回反应堆中进行加热，完成一个热力循环；

步骤二：生物质能子循环，具体步骤如下：

生物质气化反应器中生成气化气，经过水洗塔、重整塔、费托合成塔、精炼塔和精馏塔，生成生物质液体燃料，其中步骤一中的所述高温换热器与所述重整塔相连接用以供应热量，所述低温换热器和精炼塔相连接用以供应热量；

步骤三：重复执行步骤一和步骤二。

优选地，所述蒸汽发生器二次侧产生蒸汽推动蒸汽轮机带动发电机发电，蒸汽再进入低温换热器，再经过冷凝器放出热量后，通过二回路主泵加压，返回蒸汽发生器二次侧。

优选地，所述反应堆可选自高温气冷堆、钠冷快堆、铅冷快堆、熔盐堆、超临界水堆等中的一种。

优选地，所述高温换热器可选自管式换热器、板式换热器、翅片式换热器等中的一种；所述低温换热器可选自管式换热器、板式换热器、翅片式换热器等中的一种。

优选地，所述生物质气化反应器可选自上吸式气化反应器、下吸式气化反应器、固定床气化反应器、流化床气化反应器等中的一种。

本发明的生物质能子循环采用费托合成方法制备生物质液体燃料；核能子循环产生的高温热量用于生物质能子循环中的生物质气化气净化和重整；核能子循环产生的低温热量用于生物质能子循环中生物质液体燃料的精炼。

核能子系统产生的高温热量用于生物质能子系统中的生物质气化气净化和重整，核能子系统产生的低温热量用于生物质能子系统中生物质液体燃料的精炼。

本发明具有如下优点：

一些反应堆能够产生温度较高的工艺热，尤其是采用小型堆技术，如高温气冷堆能够产生超过800℃的高温工艺热，熔盐堆冷却剂出口温度为700℃，铅冷快堆、钠冷快堆、超临界水堆等先进堆型的冷却剂出口温度能够达到550℃。这些高品位热能如果仅仅用于蒸汽轮机的发电，则其高品位能量的损失是巨大的。而且对于核能这种初期投资大，运行成本低的能源，其最经济的方式是始终满功率运行；而对于生物质生产液体燃料来说，一方面其需要高温工艺热；另一方面其生产能力变通性强，产品易保存，可以变工况运行。

核能子系统若采用小型堆技术，其功率在100～300MW，生物质能子系统采用生物质气化费托合成技术，对外部能量的需求在10～50MW。上述技术方案的步骤一中，在没有特殊状况发生时，一般处于额定功率运行；步骤二中，可根据电网负荷的要求，调整生物质气化反应器的产量以及高温换热器和低温换热器的载热量，以匹配电网的要求。将核能和生物质能的功率进行合理的匹配，核能产生的高温工艺热(550～750℃)通过高温换热器，供给生物质能气化气净化与重整；核能的低温工艺热(300～400℃)通过低温换热器，提供生物质能费托合成后的分馏和精炼；核能产生的一部分电力还可以提供生物质气化以及气化气压缩所需要的能量。核能剩余的电力提供给电网，生物质生成的液体燃料可以投放市场作为液体能源供应。

通过本发明的技术方案将两个子系统完美地耦合起来形成一个联合系统，不但可以同时产生电力和液体燃料，生产方式清洁低碳，满足社会对于电力和液体燃料的需求，而且由于合理地分配了能量，其经济性也能大大增强，应用前景十分广泛。

该系统特别合理地匹配了核能子系统和生物质能子系统，充分利用核能子系统产生的热量供应生物质能子系统用于制备生物质液体燃料，形成系统耦合。

附图说明

图1是本发明的一种核能和生物质能联合系统实施例的结构示意图。

其中，1.反应堆，2.高温换热器，3.蒸汽发生器，4.主泵，5.蒸汽轮机，6.低温换热器，7.冷凝器，8.二回路泵，9.发电机，10.生物质气化反应器，11.水洗塔，12.重整塔，13.费托合成塔，14.精炼塔，15.精馏塔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示为具有本发明的核能和生物质能联合系统，包括核能子系统和生物质能子系统。核能子系统包括首尾依次连接的反应堆1、高温换热器2、蒸汽发生器3和主泵4，所述主泵4连接反应堆1，所述蒸汽发生器3首尾依次连接蒸汽轮机5、低温换热器6、冷凝器7和二回路泵8；生物质能子系统包括首尾依次连接的生物质气化反应器10、水洗塔11、重整塔12、费托合成塔13、精炼塔14和精馏塔15；高温换热器2和所述重整塔12相连接，低温换热器6和所述精炼塔14相连接。蒸汽发生器3产生蒸汽推动蒸汽轮机5带动发电机9发电。

上述联合系统的功能是通过如下步骤实现的：

步骤一：核能子循环，包括步骤：

反应堆1产生热量，进入高温换热器2，经过换热后，剩余热量进入蒸汽发生器3一次侧，换热后的热量通过主泵4加压后，返回反应堆1中进行加热，完成一个热力循环；蒸汽发生器3二次侧产生蒸汽推动蒸汽轮机5带动发电机9发电，蒸汽再进入低温换热器6，再经过冷凝器7放出热量后，通过二回路主泵8加压，返回蒸汽发生器3二次侧。步骤一在没有特殊状况发生时，始终处于额定功率运行；

步骤二：生物质能子循环，包括步骤：

生物质气化反应器10中生成气化气，经过水洗塔11、重整塔12、费托合成塔13、精炼塔14和精馏塔15，生成生物质液体燃料，其中步骤一中的所述高温换热器2与所述重整塔12相连接用以供应热量，所述低温换热器6和精炼塔14相连接用以供应热量。步骤二根据电网负荷的要求，调整生物质气化反应器10的产量以及高温换热器2和低温换热器6的载热量，以匹配电网的要求；

步骤三：重复执行步骤一和步骤二。

在图1中，核能子系统中的反应堆1、高温换热器2、蒸汽发生器3和主泵4串联，形成反应堆一回路系统。蒸汽发生器3的低温侧与蒸汽轮机5、低温换热器6、冷凝器7和二回路主泵8串联，形成反应堆二回路系统。蒸汽轮机5带动发电机9发电。生物质能子系统中的生物质气化反应器10中生成气化气，经过水洗塔11、重整塔12、费托合成塔13、精炼塔14和精馏塔15，最终生成生物质液体燃料。气化气净化和重整所需要的热量由高温换热器2提供给重整塔12，分馏精炼所需的低温工艺热由低温换热器6提供给精炼塔14。通过发电机9所产生的电力一部分传输给电网，另一部分供给生物质气化时的设备耗电。

反应堆1的主要功能是提供发电和生物质能子系统中所需的热量，可以是高温气冷堆、钠冷快堆、铅冷快堆、熔盐堆或超临界水堆等小型堆技术，其功率在100～300MW，生物质能子系统采用生物质气化费托合成技术，对外部能量的需求在10～50MW。本实施例中，核能和生物质能的功率能够进行合理的匹配，核能产生的高温工艺热(550～750℃)通过高温换热器，供给生物质能气化气净化与重整；核能的低温工艺热(300～400℃)通过低温换热器，提供生物质能费托合成后的分馏和精炼。

主泵4根据反应堆采用不同的堆型而有所变化，若反应堆采用水冷或液态金属冷却技术，如钠冷快堆、铅冷快堆、熔盐堆、超临界水堆等，则该部件为主泵；若反应堆采用气冷堆技术，主泵4亦被称为是主风机。无论是主泵还是主风机，该部件所起的作用都是为冷却剂提供压头，只是由于工质状态的不同而必须选用不同的设备。

高温换热器2主要是用于在高温条件下的换热，可以是选自管式换热器、板式换热器、翅片式换热器中的一种；低温换热器6主要是用于在高温条件下的换热，也可以是选自管式换热器、板式换热器、翅片式换热器中的一种。

本实施例中，生物质能子系统中生物质的原料来源广泛，可以是农林业生产和加工过程中的废弃物，如农作物秸秆(包括：玉米秸、高粱秸、麦秸、稻草、豆秸、稻壳和棉秆等)；以及木材、木材废弃物等。生物质气化反应器10的种类对最终生物质液体燃料的性能无明显影响，只要能够实现生物质气化功能的反应器即可以适用。生物质气化反应器可以是选自上吸式气化反应器、下吸式气化反应器、固定床气化反应器、流化床气化反应器中的一种。

蒸汽发生器3产生蒸汽推动蒸汽轮机5带动发电机9发电，核能产生的电力可以提供给电网。生物质生成液体燃料后可以投入市场，生物质能子系统作为核能子系统的一个储能模块，当电网需求端发生变化时，核能子系统可以向生物质能子系统调整热量和电量的输出功率，从而在不改变核反应堆功率的情况下，迅速改变对电网的输电量。这种做法简单实用，调节功率速度快，完全避免了核反应堆变工况运行带来的诸如安全、变工况速度慢等各种问题。而生物质液体燃料由于储存方便，可以通过调整其产能来跟踪电网的负荷。

由以上实施例可以看出，本发明的核能和生物质能联合系统，通过核能子系统产生的高温热量用于生物质能子循环中的生物质气化气净化和重整，低温热量用于生物质能子循环中生物质液体燃料的精炼，从而不但实现高品位热能得到高效利用，而且实现核能反应堆始终处于满功率运行的最经济运行状态。同时，生物质能子系统可以根据电网负载的变化进行调整，使得整个联合系统能够满足电网变负荷运行的要求。因此，通过本发明的技术方案将这两个子系统完美地耦合起来，形成一个联合系统。不但可以同时产生电力和液体燃料，生产方式清洁低碳，满足社会对于电力和液体燃料的需求，而且由于合理地分配了能量，整体系统的经济性显著增强。

出于说明的目的，已经参考具体实施例给出了上述描述。然而，上述示例性论述并不是要穷举或将本发明限制到所公开的确切形式。鉴于上述教导，可以有很多修改和变化。选择和描述上述实施例是为了更好地解释本发明的原理及其实际应用，由此使本领域的其它技术人员能够最好地利用本发明。

Claims (5)

1.一种核能和生物质能联合方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：核能子循环，具体步骤如下：

反应堆产生热量，进入高温换热器，经过换热后，剩余热量进入蒸汽发生器一次侧，换热后的热量通过主泵加压后，返回反应堆中进行加热，完成一个热力循环；

步骤二：生物质能子循环，具体步骤如下：

生物质气化反应器中生成气化气，经过水洗塔、重整塔、费托合成塔、精炼塔和精馏塔，生成生物质液体燃料，高温换热器与重整塔相连接用以供应热量，低温换热器和精炼塔相连接用以供应热量；

步骤三：重复执行步骤一和步骤二。

2.如权利要求1所述一种核能和生物质能联合方法，其特征在于蒸汽发生器二次侧产生蒸汽推动蒸汽轮机带动发电机发电，蒸汽再进入低温换热器，再经过冷凝器放出热量后，通过二回路主泵加压，返回蒸汽发生器二次侧。

3.如权利要求1所述一种核能和生物质能联合方法，其特征在于在步骤一中，所述反应堆选自高温气冷堆、钠冷快堆、铅冷快堆、熔盐堆、超临界水堆中的一种。

4.如权利要求1所述一种核能和生物质能联合方法，其特征在于在步骤一中，所述高温换热器选自管式换热器、板式换热器、翅片式换热器中的一种；所述低温换热器选自管式换热器、板式换热器、翅片式换热器中的一种。

5.如权利要求1所述一种核能和生物质能联合方法，其特征在于在步骤二中，所述生物质气化反应器选自上吸式气化反应器、下吸式气化反应器、固定床气化反应器、流化床气化反应器中的一种。