2024年6月19日,我国首个工业用途核能供汽项目——“和气一号”项目在位于江苏连云港的田湾核电基地建成投产。项目建成了20余公里长的蒸汽管网,提供温度超过248℃、压力达1.8MPa的过热蒸汽,每年可为连云港石化基地提供480万吨工业蒸汽,相当于每年减少燃烧标准煤约40万吨。这标志我国核能综合利用从单一发电、满足城市居民供暖,拓展进入工业供汽领域。
2024年3月,我国首个以供汽供热为主要目的的核动力厂——江苏徐圩核能供热厂一期工程的环境影响报告书(选址阶段)获原则通过。徐圩核能供热厂一期工程位于江苏省连云港市徐圩新区西陬山,拟建设2台华龙一号压水堆机组、1台HTR-PM600S高温气冷堆机组及配套设施,将为石化基地提供更高质量的工业蒸汽。
供汽,为什么选择核能?
1、高质量蒸汽——炼化工艺的重要帮手
石油是现代社会最为重要的化石资源,被誉为“工业的血液”。在炼化厂里,原油经过一系列的物理和化学过程,转化为石油产品(汽油、煤油、柴油等)和基础化工原料(烯烃、芳烃)。而在这一系列的工艺过程中,水蒸气是重要的帮手。
热能供应:比如,原油炼化的第一道工序——常压/减压蒸馏,简单来就是将原油加热到沸腾,再根据沸点的不同分离出不同的馏分。此外,炼化过程的很多化学反应也需要高温环境。在这些过程中水蒸气通过加热套或内置热交换元件,为反应器、蒸馏塔提供热量。
动力供应:具有一定压力的水蒸气也是很好的动力源,它可以驱动汽轮机组发电,作为炼化厂的电力供应,也可以驱动其他大型转动设备,例如压缩机等。
化学原料:高温水蒸气在炼化过程中重要的化工原料,例如在750℃以上的高温的水蒸气的条件下,烃类物质可以发生分子断裂和脱氢反应,产生乙烯、丙烯等低分子烯烃。水蒸气也被用来驱动重整反应器,将天然气等碳氢化合物转化为合成气或氢气。
其他:在以上几种应用方式之外,水蒸气还可以被用作稀释剂、清洁剂,在消防安全场景中也有重要作用。
由此可见,石油化工的过程中,高温高压的水蒸气是必不可少的部分。按照压力需求,炼化厂用蒸汽一般可分为超高压(10MPa、520℃)、中压(4.2MPa、400℃)和低压(1MPa)三种,适用于发电、动力、供热等场景。以一个1600万吨/年炼油、150万吨/乙烯、200万吨/年芳烃项目为例,项目用电负荷700MW、超高压和高压蒸汽需求量合计1200t/h、全厂燃料气消耗合计220万吨/年。
这样的炼化厂往往需要配备一套燃煤锅炉,用于供应电力和蒸汽,但在双碳目标的要求下,碳排放较高的传统燃煤锅炉逐渐被叫停,探索蒸汽供应的低碳新途径成为迫切需求。
2、核能供汽——高质量蒸汽供应的新选择
核能是一种清洁高效的能源形式,被广泛用作动力装置和发电装置。长期以来,核能发电是核反应堆的主要民用形式,截至2023年底,我国在运核电机组55台,装机容量5703万千瓦,累计发电量占比达到4.86%,并继续迅速增长。随着技术和市场的不断成熟,我国核能的综合利用正在从单一发电、满足城市供暖,拓展到工业供汽领域。
以“和气一号”项目为例,田湾3、4号机组的二回路蒸汽作为热源,通过多级换热器和工业用汽管网输送到连云港石化基地,可以提供温度约248℃、压力1.8MPa的过热蒸汽,解决炼化企业热源和动力源的需求。发电工况下,压水堆堆芯产生的热量通过一回路、二回路驱动蒸汽轮机做工发电。在供汽状态下,二回路中的蒸汽热量则通过换热装置输送出厂,替代传统的燃煤锅炉供汽。
相比压水堆,徐圩核电计划使用的高温气冷堆具有更高的堆芯出口温度(最高可达750℃),冷却剂压力超过13MPa、温度超过550℃,对外可以供应更高温度和压力的蒸汽。徐圩核电一期工程的环评报告显示,两台华龙一号压水堆机组和一台HTR-PM600S高温气冷堆的供热组合可为炼化基地供应中压、次中压和低压三类蒸汽。
![徐圩核电设计供汽参数(环保部公开信息)](https://np-newspic.dfcfw.com/download/D25578136432656815455_w691h231.jpg)
徐圩核电设计供汽参数(环保部公开信息)
核能综合利用还有那些用途?
作为发电装置和动力装置的反应堆可以成为动力堆,主要是利用反应堆产生的热能,最终转化为动能和电能。除了作为动力堆外,核能还有很多种利用方式。
1、研究试验
研究试验堆的主要作用是帮助科研人员获取新知识,例如验证新的物理设计方案,考验新的材料、元件和组件,开展物理、化学、生物和医药等方面的研究。其作用如同航天工程中的风洞、船舶工程中的水池。研究试验堆的结构、功率、中子通量等各异,往往集成了多种复杂的测试回路、辅助设施,用于开展多种不同的研究。
我国核领域的各科研机构都建成了多种研究试验堆,例如中国原子能科学研究院的中国实验快堆工程(CEFR),清华大学的5MW低温供热实验堆、中国核动力研究设计院的高通量工程实验堆(HFERT)等。
2、同位素生产
同位素生产堆的作用是利用高通量的中子照射靶材,通过核反应产生多种同位素。这些同位素经过物理或化学手段分离提纯后,可以用于工业、医疗、能源等多个领域。美国橡树岭国家实验室的高通量同位素反应堆(HFIR)用于生产超铀元素,如钚238、锎252等。中国核动力研究设计院正在建设溶液型医用同位素对可实现钼99、碘131等医用同位素的生产。
作者:科普作者苏豪展