1598005503-634bb8193a0a063d19abf81fb6d27ecd (Введение в водородную энергетику. Э.Э. Шпильрайн, С.П. Малышенко, Г.Г. Кулешов, 1984u), страница 8

В некоторых случаях возможности использования энергоисточника ограничиваются присущими ему физическими . ограничениями плотности потока энергии в процессах ее производства н преобразования. Например, при использовании солнечной энергии с 1 м' площади освещенной Солнцем поверхности может быть получено в среднем не более 100 Вт электроэнергии. Таким образом, для агрегата по производству водорода мощностью 100 МВт необходимо снимать электроэнергию (нлн водород прн использовании фотолиза) с площади 1Оз м' 1161. Ни один из 38 едложенных сегодня методов преобразования солнечной энергии из-за больших капитальных затрат не позволяет это сделать так, чтобы получаемый водород был сравним по стоимости с водородом, полученным, например, элек- тролнзом с использованием энергии угольных КЭС нли АЭС, Для каждого типа энергоисточннка приведенные затра- ты на вырабатываемую нм электроэнергию (илн теплоту) зависят от его мощности и, как правило, с ростом мощ- ности уменьшаются, т.

е. для производства водорода более экономично использование энергоисточников больших мощ- ностей. Вместе с тем масштабы энергопотребления отдель- ных химических, нефтехимических нли металлугических производств могут не соответствовать оптимальным значе- ниям мощности энергонсточннка того или нного типа.

Этот . «масштабный фактор» в значительной степени определяет целесообразность использования энергоисточника того или иного типа н технологическу|о схему производства в целом, Наконец, важным фактором является возможность исполь- зования имеющихся технических решений прн замещении природных жидких н газообразных энергоресурсов другим энергоисточником, т, е. подготовленность отрасли к пере- ходу на новые источники энергии.

Использование энергии низкотемпературных ядерных реакторов для производства водорода В этом случае водород может быть получен электролизом или плазмохнмнческими методами с использованием электроэнергии, получаемой от АЭС. В отдаленных районах н других специальных случаях это может быть изолированная АЭС, однако в большинстве случаев это ЛЭС, работающие в составе той нли иной энергосистемы. При этом стоимость электроэнергии, используемой для производства водорода, определяется замыкающими затратами на электроэнергию для данной энергосистемы, а возможные масштабы производства водорода — всей структу.

рой энергосистемы, включающей различных производителей н потребителей электроэнергии, При этом сами АЭС будут работать в базовом режиме. С увеличением доли АЭС в составе энергосистемы будет все более возрастать провальная часть графика нагрузки, в которой стоимость электроэнергии относительно низка, и электроэнергия может быть эффективно использована для производства водорода. Оценки, исходящие из прогнозов развития атом- 39 ной энергетики в нашей стране, показывают, что при использовании «провальной» электроэнергии к 2000 г.

станет возможным производство электролнтического водорода в крупных масштабах. Прн этом водород может быть частично использован и для нужд самой энергетики, например для покрытия пиковых нагрузок, для транспорта энергии и для организации перегрева пара на ЛЭС.

При получении водорода электролизом воды в качестве сог>)>тствующего продукта помимо кислорода может быть получена при некотором усложнении схемы производства тяжелая вода. Технология получения электролнтического (нли «плазмохимического») водорода удачно сочетается с ЛЭС вЂ” она допускает практически полную автоматизацию процессов, обеспечивает необходимую экологическую чистоту производства. Использование угля для производства водорода Уголь можно использовать для производства водорода в качестве энергоресурса и химического реагента. Полученный водород находит применение как у внешних потребителей (например, производств аммиака и метанола), так и в дальнейшей шереработке угля — в процессах получения искусственных жидких топлив. Для всех этих про- изводств характерны большие требуемые единичные мощности агрегатов и отсутствие существенных ограничений по потокам энергии.

В связи с тем что дальний транспорт угля существенно дороже транспорта газообразного или жидкого энергоносителя, предприятия по переработке угля. целесообразно размещать вблизи от мест его добычи. В некоторых случаях это обстоятельство может в известной мере ограничивать целесообразные масштабы производства.

Для производства водорода с помощью угля могут быть применены высокотемпературные процессы. Прн этом - обеспечение высокопотенциальной теплотой и электроэнерГией может осуществляться как за счет самого угля, так и за счет стороннего энергоисточннка — высокотемпературного ядерного реактора (ВТЯР). Как энергоисточник н химический реагент уголь хорошо сочетается с производствами, являющимися крупнейшими потребителями водорода, — химическими предприятиями по производству аммиака и метанола, металлургическими, предприятиями для получения искусственных жидких топлив и др.

40 Возможности использований высокотемпературных ядерных реакторов для крупномасштабного производства водорода Наиболее перспективным способом энергообеспечения процессов получения водорода в настоящее время считают использование ВТЯР. Это обусловлено, во-первых, возмо>кностью подвода высокопотенциальной (1200 К н выше) теплоты в энерготехнологических процессах производства водорода (конверсия природного газа, термохимическое и термоэлектрохимическое разложение воды, высокотемпературный электролиз, газификация угля) н, во-вторых, возможностью обеспечения высокой суммарной термодннамической эффективности использования энергии первичного источника, в данном случае ядерного топлива. По уровню температур теплоносителя газоохлаждаемые ядерные реакторы соответствуют температурам технологических процессов в химии, металлургии и других отраслях промышленности.

Так, на реакторе ЛЧЯ (ФРГ) тепловой мощностью 40 МВт достигнута температура теплоносителя на выходе из реактора 1220 К. В зависимости от потребности в теплоте низкого и среднего потенциалов и соотношения параметров в реакторном и технологическом контурах могут быть приняты различные технические решения [1Π— 15!. Рассмотрим некоторые конкретные схемы возможного включения ВТЯР в технологические процессы, связанные с производством водорода [1, 10,!3 — 151. Как уже было отмечено выше, конверсия метана в настоящее время является одним из основных счгособов получения водорода и водородсодержащих газов, на 'использовании которых базируются крупные производства азотной промышленности — синтез аммиака, метанола и 'некоторые другие.

Этн же производства являются крупно' '. масштабными потребителями природного газа в качестве топлива: до 40 — 45% потребляемого газа сжигается для получения высокопотенциальной теплоты, Доля стоимости топливного газа в себестоимости конечной продукции может достигать 30 % и имеет тенденцию к увеличению в связи с ростом цен на природный газ. В то же время единичные мощности энергоисточников, необходимых для перспективных предприятий азотной промышленност (500 †10 МВт), приемлемы для применения ядерных реакторов, Поскольку паровая конверсия метана в большинстве случаев осуществляется в трубчатых печах при внешнем подводе высокотемпературной теплоты через 41 стенку трубы, применение ВТЯР удобно и в конструктивном отношении: используемые в аммиачном производстве ,реакционные трубы (7=1175 К, р 4 МПа, ресурс до 1О' ч) могут служить инженерной основой для создания модифицированных трубчатых печей, получающих теплоту от теплоносителя ядерного реактора.

1175 -1425К 1175 — 1т725 К рты ии Наа а,! 1175-1425 К гид/ ° и Рис. !.4. Возможные схемы использования ВТЯР в производстве аммиака: т — реактор; 3 — контур теплонаснтела, 3 — кон. вертер: а в подогреватель парагааовоа снеси; 5— парогснератор, 5 — парааерегреватеть; у — нодо. подогреватель Варианты включения ВТЯР в производство аммиака на базе двухступенчатой каталитической конверсии метана и основные. параметры технологических процессов и рабочих сред показаны на рис. 1.4. В схеме на рис. 1.4,а теплота ядерного реактора используется только в высокотемпературной части производства (в первой ступени конверсии метана) для обогрева реакционных труб. Подогрев парогазовой н паровоздушной смеси, питательной воды, газовой смеси, генерация насыщенного пара и его перегрев осуществляются в этом случае за счет сжигания природного газа.

Все оборудование, кроме высокотемпературного блока, который претерпевает незначительные изменения, а также условия реализации пусковых и переходных режимов остаются неизменными. Основное достоннство этого варианта — относительная простота конструкции реактор- са ной установки, которая обогревает только один поток— парогазовую смесь в процессе конверсии. Важно и почти полное (за исключением трубчатой печи) сохранение основного технологического оборудования производства аммиака. Недостаток — небольшая доля вытесняемого природного газа (около 20 е7е общей потребности производства).

В схеме, показанной на рис 1,4,б, реакторная установка используется не только для паровой конверсии метана, но и для производства насыщенного пара давлением от 4 до 11 МПа и для подогрева парогазовой смеси. На рис. 1.4,в приведена схема, позволяющая практически полностью отказаться от использования природного гаэа в качестве топлива; теплота, необходимая для проведения паровой конверсии метана, для подогрева парогазовой смеси н питательной воды, а также для генерацки и перегрева пара, подводится от ВТЯР. Вследствие сравнительно небольшого размера требуемой суммарной тепловой мощности (500 — 1000 МВт) для технологических производств выработка высокопотенциальной теплоты и энергетического пара может быть обеспечена одним реактором.