1.發(fā)電與工藝蒸汽
核能是清潔、低碳、安全高效的基荷能源。一臺 60 萬千瓦級別的高溫氣冷堆年發(fā)電量可達(dá)40億千瓦時(shí)以上。核電相較于風(fēng)光等新能源，電力供應(yīng)更加穩(wěn)定，能夠滿足石化行業(yè)、石化產(chǎn)業(yè)園區(qū)對能源供應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。
核能供熱在三代核電就已經(jīng)開始推廣。根據(jù)澎湃新聞報(bào)道，當(dāng)前我國壓水堆核電站的熱電轉(zhuǎn)化效率只有35%左右，其余熱量以大量海水作冷卻后排入大海，而這部分熱量完全可以通過回收作供熱使用。因此核能供熱項(xiàng)目在三代核電領(lǐng)域就已經(jīng)開始推廣示范。例如2021年11、12月，山東海陽、浙江海鹽兩個(gè)核能供熱項(xiàng)目相繼投運(yùn)，海南昌江多用途小堆示范項(xiàng)目也已開工建設(shè)。
(資料圖)
高溫氣冷堆供熱更具突出優(yōu)勢。相較于壓水堆主蒸汽溫度 284℃、壓力 6.8MPa，高溫氣冷堆主蒸汽品質(zhì)更高，主蒸汽溫度為571℃，壓力為14.1MPa(高溫氣冷堆一回路冷卻劑氦氣出口溫度高達(dá)750℃，輸送過程中有一定的熱損失)。經(jīng)過蒸汽轉(zhuǎn)換設(shè)備可以提供該溫度壓力以下各種參數(shù)的工藝蒸汽。20萬千瓦機(jī)組蒸汽產(chǎn)量可達(dá)600T/h，與目前石化園區(qū)煤鍋爐產(chǎn)量參數(shù)、溫度和壓力基本一致，模塊式高溫氣冷堆將是替代石化園區(qū)煤鍋爐的一項(xiàng)重要技術(shù)方案。此外，根據(jù)中核集團(tuán)數(shù)據(jù)，高溫氣冷堆的限制區(qū)半徑僅為1km，因此，可以貼近核電廠區(qū)建設(shè)石化產(chǎn)業(yè)，以減少蒸汽輸送過程中的熱損失。
核能蒸汽還可以用于稠油熱采。稠油也被稱作高粘度原油，是我國油氣資源的重要組成部分，根據(jù)中國石油石化數(shù)據(jù)，其在全球原油儲量中占比70%，但開采難度極大。稠油開發(fā)主要通過熱力采油法，其中蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)是使用范圍最廣、采出油量最多的方式。
1)蒸汽吞吐是先將高溫高壓的蒸汽注入油層，對油井周圍油層加熱降黏，燜井換熱后再開井采油;2)蒸汽驅(qū)是向井中持續(xù)注入高溫高壓蒸汽，通過蒸汽將地下原油加熱，然后將鄰近變稀的原油驅(qū)向采油井采出。
高溫氣冷堆的主蒸汽可滿足稠油熱采蒸汽不同壓力和溫度的要求，并根據(jù)用戶需要進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。隨著原油供應(yīng)日漸短缺和國際油價(jià)的上漲，連續(xù)穩(wěn)定開采稠油將日趨緊迫，這將為高溫氣冷堆助力稠油熱采提供廣闊市場機(jī)遇。除了常規(guī)發(fā)電，以及用于石油精煉、稠油熱采外，高溫氣冷堆還可用于頁巖油提煉、合成氨及化肥生產(chǎn)、乙烯和甲醇合成、海水淡化、煤化工等領(lǐng)域。
2.核能制氫
核能制氫并不是通過核能發(fā)電，再利用電解水制氫，因?yàn)楹穗姷陌l(fā)電成本并非是最低的，而是采用熱化學(xué)制氫的新模式，在為制氫工藝提供電能和熱能而不釋放溫室氣體。目前，主要可以通過高溫氣冷堆與三種工藝耦合制氫，即高溫蒸汽電解(HTSE)、蒸汽甲烷重整(SMR)、硫碘(SI)循環(huán)。其中，國際上公認(rèn)最具應(yīng)用前景的催化熱分解方式是由美國開發(fā)的硫碘(SI)循環(huán)。其原理是將核反應(yīng)堆與熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置耦合，硫循環(huán)從水中分離出O2，碘循環(huán)分離出H2。目前以SI循環(huán)為代表的熱化學(xué)循環(huán)研究已經(jīng)從小試走向了中試，高溫氣冷堆耦合SI循環(huán)制氫具有光明的前景，即使當(dāng)前的反應(yīng)堆出口溫度略低于制氫工藝所需，也可以考慮通過分兩階段、補(bǔ)充額外的熱量來完成整個(gè)重整過程。
從各國發(fā)展進(jìn)程看，早在 2004 年，美國能源部(DOE)啟動了核能制氫研究工作，但其工業(yè)規(guī)模示范仍受制于高溫反應(yīng)堆研發(fā)和商業(yè)化。其投入的3個(gè)現(xiàn)役核電機(jī)組低溫電解制氫最早于2023年投入商運(yùn)。法國、英國均將核能作為制綠氫的關(guān)鍵能源，但并未提出具體實(shí)現(xiàn)路徑。我國從2004年開始論證核能制氫的可行性，計(jì)劃在2022-2023年形成工業(yè)示范工程建設(shè)方案，啟動工程項(xiàng)目相關(guān)工作。根據(jù)國際能源網(wǎng)報(bào)道，中核集團(tuán)遠(yuǎn)期的目標(biāo)是在 2030 年后，利用已成熟的核能制氫和棄電制氫為產(chǎn)業(yè)源頭，開拓儲氫、運(yùn)氫、氫燃料電池等中下游產(chǎn)業(yè)。
核能制氫的清潔性優(yōu)勢顯而易見。然而，當(dāng)前高溫氣冷堆的經(jīng)濟(jì)性、以及如何保證易燃的氫氣在制氫過程中的安全運(yùn)輸和儲存仍然是需要考慮的問題。挑戰(zhàn)未來核能制氫的發(fā)展，除技術(shù)難題外，高溫氣冷堆的大規(guī)模應(yīng)用也將是關(guān)鍵。
3.火電原址復(fù)用
高溫氣冷堆在替代火電方面也具有突出優(yōu)勢。蒸汽參數(shù)方面，高溫堆與常規(guī)火電超高壓機(jī)組參數(shù)基本相當(dāng)，其汽輪發(fā)電機(jī)組的規(guī)格和系列也與火電廠非常接近，可以很好地利用現(xiàn)有火電廠汽輪機(jī)組。據(jù)中核集團(tuán)數(shù)據(jù)，按年利用7000小時(shí)計(jì)算，2臺60萬千瓦高溫氣冷堆機(jī)組替代超潔凈排放煤電機(jī)組，每年可減少燃煤使用(標(biāo)煤)約280萬噸，減少煙塵約132噸，二氧化硫約960噸，氮氧化物約1320噸，可明顯改善環(huán)境質(zhì)量。
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