2024年6月19日,我國首個工業(yè)用途核能供汽項目——“和氣一號”項目在位于江蘇連云港的田灣核電基地建成投產(chǎn)。項目建成了20余公里長的蒸汽管網(wǎng),提供溫度超過248℃、壓力達1.8MPa的過熱蒸汽,每年可為連云港石化基地提供480萬噸???氣體衡量單位是否應(yīng)該用立方米?比如天然氣供應(yīng)都是以立方米/年來衡量的,個人意見,請結(jié)合具體情況參考。工業(yè)蒸汽,相當(dāng)于每年減少燃燒標(biāo)準(zhǔn)煤約40萬噸。這標(biāo)志我國核能綜合利用從單一發(fā)電、滿足城市居民供暖,拓展進入工業(yè)供汽領(lǐng)域。
2024年3月,我國首個以供汽供熱為主要目的核動力廠——江蘇徐圩核能供熱廠一期工程的環(huán)境影響報告書(選址階段)獲原則通過。徐圩核能供熱廠一期工程位于江蘇省連云港市徐圩新區(qū)西陬山,擬建設(shè)2臺華龍一號壓水堆機組、1臺HTR-PM600S高溫氣冷堆機組及配套設(shè)施,將為石化基地提供更高質(zhì)量的工業(yè)蒸汽。
一、供汽——為什么選擇核能?
1.高質(zhì)量蒸汽——煉化工藝的重要幫手
石油是現(xiàn)代社會最為重要的化石資源,被譽為“工業(yè)的血液”。在煉化廠里,原油經(jīng)過一系列的物理和化學(xué)過程,轉(zhuǎn)化為石油產(chǎn)品(汽油、煤油、柴油等)和基礎(chǔ)化工原料(烯烴、芳烴)。而在這一系列的工藝過程中,水蒸汽是重要的幫手……
熱能供應(yīng):比如,原油煉化的第一道工序——常壓/減壓蒸餾,簡單來就是將原油加熱到沸騰,再根據(jù)沸點的不同分離出不同的餾分。此外,煉化過程的很多化學(xué)反應(yīng)也需要高溫環(huán)境。在這些過程中水蒸汽通過加熱套或內(nèi)置熱交換元件,為反應(yīng)器、蒸餾塔提供熱量。
動力供應(yīng):具有一定壓力的水蒸氣也是很好的動力源,它可以驅(qū)動汽輪機組發(fā)電,作為煉化廠的電力供應(yīng)。也可以驅(qū)動其他大型轉(zhuǎn)動設(shè)備,例如壓縮機等。
化學(xué)原料:高溫水蒸氣在煉化過程中重要的化工原料,例如在750 ℃以上的高溫的水蒸氣的條件下,烴類物質(zhì)可以發(fā)生分子斷裂和脫氫反應(yīng),產(chǎn)生乙烯、丙烯等低分子烯烴。水蒸氣也被用來驅(qū)動重整反應(yīng)器,將天然氣等碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為合成氣或氫氣。
其他:在以上幾種應(yīng)用方式之外,水蒸氣還可以被用作稀釋劑、清潔劑,在消防安全場景中也有重要作用。
圖 1 原油蒸餾工藝示意圖(互聯(lián)網(wǎng)如果可能的話,需要詳細(xì)將網(wǎng)址列出來,下同)
由此可見,石油化工的過程中,高溫高壓的水蒸氣是必不可少的部分。按照壓力需求,煉化廠用蒸汽一般可分為超高壓(10MPa、520℃)、中壓(4.2MPa、400℃)和低壓(1MPa)三種,適用于發(fā)電、動力、供熱等場景。以一個1600萬噸/年煉油、150萬噸/乙烯、200萬噸/年芳烴項目為例,項目用電負(fù)荷700MW、超高壓和高壓蒸汽需求量合計1200t/h、全廠燃料氣消耗合計220萬噸/年(有的地方用英文單位,這里又用中文單位,建議全文需要檢查并統(tǒng)一)。
這樣的煉化廠往往需要配備一套燃煤鍋爐,用于供應(yīng)電力和蒸汽,但在雙碳目標(biāo)的要求下,碳排放較高的傳統(tǒng)燃煤鍋爐逐漸被叫停,探索蒸汽供應(yīng)的低碳新途徑成為迫切需求。
2.核能供汽——高質(zhì)量蒸汽供應(yīng)的新選擇
核能是一種清潔高效的能源形式,被廣泛用作動力裝置和發(fā)電裝置。長期以來,核能發(fā)電是核反應(yīng)堆的主要民用形式,截至2023年底,我國在運核電機組55臺,裝機容量5703萬千瓦,累計發(fā)電量占比達到4.86%,并繼續(xù)迅速增長。隨著技術(shù)和市場的不斷成熟,我國核能的綜合利用正在從單一發(fā)電、滿足城市供暖,拓展到工業(yè)供汽領(lǐng)域。
以“和氣一號”項目為例,田灣3、4號機組的二回路蒸汽作為熱源,通過多級換熱器和工業(yè)用汽管網(wǎng)輸送到連云港石化基地,可以提供溫度約248℃、壓力1.8MPa的過熱蒸汽,解決煉化企業(yè)熱源和動力源的需求。發(fā)電工況下,壓水堆堆芯產(chǎn)生的熱量通過一回路、二回路驅(qū)動蒸汽輪機做工發(fā)電。在供汽狀態(tài)下,二回路中的蒸汽熱量則通過換熱裝置輸送出廠,替代傳統(tǒng)的燃煤鍋爐供汽。
圖 2中核集團“和氣一號”工程。圖片來源:北京晚報
圖 3 一般壓水堆運行原理示意圖。圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
相比壓水堆,徐圩核電計劃使用的高溫氣冷堆具有更高的堆芯出口溫度(最高可達750℃),冷卻劑壓力超過13 MPa、溫度超過550℃,對外可以供應(yīng)更高溫度和壓力的蒸汽。徐圩核電一期工程的環(huán)評報告顯示,兩臺華龍一號壓水堆機組和一臺HTR-PM600S高溫氣冷堆的供熱組合可為煉化基地供應(yīng)中壓、次中壓和低壓三類蒸汽。
表 1 徐圩核電設(shè)計供汽參數(shù)(環(huán)保部公開信息)
圖 4 高溫氣冷堆廠房結(jié)構(gòu)示意圖。圖片來源:清華大學(xué)教育基金會
二、核能綜合利用還有那些用途?
作為發(fā)電裝置和動力裝置的反應(yīng)堆可以成為動力堆,主要是利用反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能,最終轉(zhuǎn)化為動能和電能。除了作為動力堆外,核能還有很多種利用方式。
1.研究試驗
研究試驗堆的主要作用是幫助科研人員獲取新知識,例如驗證新的物理設(shè)計方案,考驗新的材料、元件和組件,開展物理、化學(xué)、生物和醫(yī)藥等方面的研究。其作用如同航天工程中的風(fēng)洞、船舶工程中的水池。研究試驗堆的結(jié)構(gòu)、功率、中子通量等各異,往往集成了多種復(fù)雜的測試回路、輔助設(shè)施,用于開展多種不同的研究。
我國核領(lǐng)域的各科研機構(gòu)都建成了多種研究試驗堆,例如中國原子能科學(xué)研究院的中國實驗快堆工程(CEFR),清華大學(xué)的5MW低溫供熱實驗堆、中國核動力研究設(shè)計院的高通量工程實驗堆(HFERT)等。
圖 5 中國原子能科學(xué)研究院——中國實驗快堆工程。
圖片來源:新華社
圖 6 高通量工程實驗堆(HFERT, 49-3)圖片來源:中國核工業(yè)
2.同位素生產(chǎn)
同位素生產(chǎn)堆的作用是利用高通量的中子照射靶材,通過核反應(yīng)產(chǎn)生多種同位素。這些同位素經(jīng)過物理或化學(xué)手段分離提純后,可以用于工業(yè)、醫(yī)療、能源等多個領(lǐng)域。
美國橡樹嶺國家實驗室的高通量同位素反應(yīng)堆(HFIR)用于生產(chǎn)超鈾元素,如钚238、锎252等。
中國核動力研究設(shè)計院正在建設(shè)溶液型醫(yī)用同位素對可實現(xiàn)鉬99、碘131等醫(yī)用同位素的生產(chǎn)。
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作者:蘇豪展 科普作者
審核:梁忠偉 廣州大學(xué)機電學(xué)院 副院長