核能制氢的效率探究

核能制氢的效率探究摘要：随着社会经济及能源消耗的增加，化石燃料为基础的能源体系面临着不可再生问题与环境问题。氢能作为一种洁净高效能源，是未来支撑能源体系的重要基础。然而受当前技术与经济性等方面的限制，氢的制备效率偏低，难以满足大规模制备。以核能作一次能源，应用高温电解与碘硫循环工艺进行制氢作业，并对其制氢效率进行研究。关键字：核能制氢效率高温电解碘硫循环一、核能制氢系统氢是一种洁净与高效能源，不会向自然界排放二氧化碳及其他有害物质，是未来支撑能源体系的重要希望。然而受技术及经济因素等条件限制，无法实现大规模制氢作业。当前，多是通过水电解、生物质转化、石油氧化、气化及甲烷重整等方式进行氢制备。然而其制备方式难以满足氢经济性要求，且无法实现大规模制备。随着核能技术的发展与应用，以核能作为能源进行氢气制备条件越发成熟。当前，核裂变能与制氢系统耦合的反应堆较多，如熔盐堆、钠冷快堆、高温气冷堆等。无论采取哪一种方式，温度因素直接影响着制氢效率。为切实提高制氢效率，应选择冷却剂出口温度较高的反应堆，如高温气冷堆与超高温气冷堆。其中高温气冷堆采取耐高温陶瓷型燃料元件，冷却剂以氦气为主，以石墨材料作慢化剂，其冷却剂出口温度最高可达950℃，具备较高的发电效率，依据核能系统，构建核氢系统，如下图所示：图1：核氢系统示意图二、核能制氢工艺选择及其效率分析（一）甲烷蒸汽重整技术当前，甲烷蒸汽重整技术较为成熟，以核反应堆为热源可以有效降低重整环节所消耗的天然气量，可以在一定程度上实现其经济性，但因采取甲烷蒸汽重整技术，其仍需要以甲烷作为主要原料，在制氢过程中仍不能消除二氧化碳排放。西方国家将核反应堆与重整系统进行耦合作业，发现其在标准状态下，制氢系统运行保持为110m³/h产氢能力，其制氢效率与经济性优于常规甲烷蒸汽重整制氢。（二）高温电解工艺水电解制氢作业需要以电能消耗为基础，然而在水电解制氢作业中，其活化过电位会随着温度升高呈现出降低趋势，进行高温电解，则可以有效降低电能资源消耗。进行电解温度提高，则会在一定程度上增加热能消耗，高温电解对电能与热能需求随着温度因素出现规律性变化。美国模拟第四代反应堆，进行高温电解制氢仿真试验，发现其制氢效率在45-52%范围内，制备效率较好。（三）热化学循环工艺直接进行水热分解制氢是最为理想的制备方法，但其实现则需要超高温度，当前工艺与材料无法实现。为此，采取循环方式在较低温度下实现水分解成为了代替方案，即热化学循环工艺，采取若干热驱动化学反应组构成一个完整性循环，在循环过程中将水分解为氢气与氧气。随着热循环工艺的发展，碘硫循环即IS循环与UT3循环应用前景较好。其中IS循环属于当前研究中制氢效率最高的一种热化学工艺，其循环通过以下化学反应来实现：Bunsen反应：SO2+I2+2H2O→H2SO4+2HI硫酸分解反应：H2SO4→SO2+1/2O2氢碘酸分解反应：2HI→H2+I2Bunsen反应属于放热反应，其形成酸性液相，第二步骤属可逆反应，为确保反应效率需要不断进行H2+I2分解，第三步骤为强吸热反应，将SO2、2O2进行分离。在其反应过程中需加强过程控制，确保流量、温度计流体变化状况下的循环稳定性。（四）核能制氢效率分析综合国内外实践及其研究发现，核能制氢效率整体上高于电解水制氢效率，且进一步提高核反应堆出口温度可实现更高制氢效率；高温电解制氢工艺其理论效率在50%以上，随着温度升高其效率会进一步提高，但高温材料与密封材料等限制，对其工艺制氢效率实现造成了困难；碘硫循环工艺在操作过程中需要以大量HI分解为基础，其预期制氢效率不低于50%，为提高核能制氢环节的效率，需要在碘硫循环作业中引入新技术，如电渗析浓缩HI酸技术，以提高转化率，实现制氢效率的整体提高。三、结语随着不可再生能源需求及供应矛盾日益激化，如何开发新型清洁能源支撑社会经济发展成为了国家与社会所面临的重要问题。氢能属于一种高效洁净能源，其不存在任何污染，且能源利用效率高。以核能作为一次能源，进行核能制氢作业，可以实现制氢效率的大幅提高，且其技术可行性与经济效益较好。在分析核能制氢系统的基础上，重点对核能制氢工艺及其效率进行综合分析，依托先进技术与工艺，实现制氢效率突破，为工业化大规模制氢提供支撑，并为打造新型能源体系奠定基础，切实实现其社会经济效益与环境效益。参考文献：[1]张平,于波,徐景明等.核能制氢技术的发展[J].核化学与放射化学,2011,33(4):193-203.[2]裴一,倪红军,吕帅帅等.制氢技术的研究现状及发展前景[J].现代化工,2013,33(5):31-35.[3]常乐.非化石能源制氢技术综述[J].能源研究与信息,2011,27(3):130-137.[4]周菁.高温气冷堆耦合蒸汽重整制氢过程数值模拟[D].重庆大学,2013.