ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АТОМНО-ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В ПРОЕКТЕ «БАКЧАРСКАЯ СТАЛЬ» Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

АТОШАу] ЭНЕРГЕТИКА

Атомно-водородная энергетика

Atomic-hydrogen energy

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АТОМНО-ВОДОРОДНОИ ЭНЕРГЕТИКИ В ПРОЕКТЕ «БАКЧАРСКАЯ СТАЛЬ»

А. Я. Столяревский ^ , В. А. Хуснутдинов ^

Member of the International Editorial Board

РНЦ «Курчатовский институт», г. Москва Тел.: (495) 1965319; факс: (495) 1964977 E-mail: [email protected]

Energy consumption of the russian iron making is spent about 10 % of the total electric power and about 16 % of hydrocarbon production — natural gas and coal to use for coke production in blast iron technologies. This technology is substituting by more progressive technology, so-called "coke-free" metallurgy with making of final production according to the scheme «direct reduction of iron ore - the electrical melting furnace - steel». This transition is focused on wider use of natural gas and electric power on social, economic and ecological reasons.

This paper will concentrate on application of nuclear energy sources, which can supply with a high-temperature heat thermal processes of manufacture of hydrogen for direct iron processes in project of steel metallurgy development in the Tomsk region.

Введение

Черная металлургия была и остается одной из ведущих отраслей экономики России. На ее нужды расходуется около 10 % вырабатываемой электроэнергии, большая часть коксующегося угля и значительное количество природного газа. В настоящее время традиционная технология «доменная печь - конвертер - прокат» меняется на более прогрессивную, так называемую бескоксовую металлургию с получением конечной продукции по схеме «прямое восстановление обогащенной железной руды - электросталеплавильный передел с непрерывной разливкой стали - производство проката». Такой переход ориентирован на более широкое использование природного газа и электроэнергии. В условиях ожидаемых удорожания и сокращения объемов производства природного газа его потребление в подобных процессах в существенной степени может быть уменьшено с внедрением перспективных энерготехнологических комплексов на основе высокотемпературных газо-охлаждаемых атомных реакторов.

1. Проект «Бакчарская сталь»

Один из наиболее крупных инвестиционных проектов в российском горнометаллургическом комплексе, разработка которого начата в последние годы — проект «Бакчарская сталь», инициированный Администрацией Томской области. С 2007 г. управляющей компанией проекта стала Инвестиционно-финансовая компания «Метрополь» [1] (г. Москва). Суть проекта — промышленное освоение группы железнорудных месторождений, главные из которых — Бакчар-ское и Колпашевское — расположены в одноименных районах Томской области.

Бакчарский и Колпашевский железнорудные горизонты образуют одно рудное тело протяженностью более 140 км и мощностью 26-35 м. Глубина залегания руды — около 300 м. Мощность перекрывающих песчано-глинистых отложений 190-250 м. Содержание железа 34-53 % .

Железные руды имеют осадочное происхождение и сформированы из бурых железняков, представляющих собой минеральные образования на основе гетитов и сидеритов. В составе

Статья поступила в редакцию 06.10.2007 г. Ред. рег. № 144.

The article has entered in publishing office 06.10.2007. Ed. reg. No. 144.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11(55) 2007

© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»

гетитов железо содержится, главным образом в виде гидроокиси ^е00Н)Н20, в составе сидеритов — в виде карбонатов FeCO3. В бывшем СССР переработка подобных руд отработана на Керченском (Украина), Халиловском (РФ, Оренбургская область), Лисаковском (Казахстан) ГОКах. На Аятском железнорудном бассейне (Казахстан) переработка бурых железняков не ведется ввиду труднообогатимости и высокого содержания фосфора.

Важной особенностью производств железно-рудного концентрата путем переработки бурых железняков, наряду с необходимостью разработки специальных технологий обогащения, является высокая энергоемкость по сравнению с переработкой железистых кварцитов и магнетитов.

Наиболее выгодным для первоочередного освоения является Бакчарское месторождение, находящееся в 150 км к северо-западу от Томска. Площадь месторождения — более 16 тыс. км2. Прогнозные запасы железных руд — 1525 млрд. т. Промышленная добыча руды может начаться в 2010-2012 гг. с объемом 6-7 млн. т в год. В настоящее время ведутся уточняющие геологические изыскания, а также подготовка исходных данных для проектирования горнодобывающих производств, разработки лабораторных и директивных регламентов обогащения сырой руды.

Цель инвестиционного проекта «Бакчарская сталь» — создание в период с 2012 по 2020 гг. в

Бакчарском районе комплекса горнодобывающих, обогатительных и металлургических производств с общей проектной производительностью по товарной продукции (в пересчете на железо) — около 20 млн. т в год. Товарная продукция — желез-норудный концентрат или окатыш (4-5 млн. т в год, без собственного потребления), металлизированные железнорудные брикеты (до 5 млн. т в год, без собственного потребления), стальной прокат (10-13 млн. т в год), продукты сопутствующих производств.

Максимально возможный объем производимого железнорудного концентрата и металлизированного брикета предполагается перерабатывать на месте на включаемых в состав комплекса электрометаллургических производствах.

В число сопутствующих производств входят: комбинат строительных материалов, обеспечивающих утилизацию металлургического шлака, завод фосфорных удобрений, завод ферросплавов.

2. Энергетическая инфраструктура Томской области

Схема существующей энергетической инфраструктуры Томской области представлена на рис. 1.

0снову магистральной части электросетей составляют 2 ЛЭП-500 «Итатская - Томская» и «Новоанжерская - Томская» и ПС 500/220/ 110 «Томская». На территории Томской области расположена одна ТЭС федерального уров-

1 11

ni ■ i? ÍDO

Hi: н I*: -JSU

ГЭШ - i]

\.лгГJiliU гниуного-

ПРФЧРЬМ Fl»

Рис. 1. Схема энергетической инфраструктуры Томской области

ня — «ТЭЦ СХК» (г. Северск) установленной электрической мощностью около 670 МВт. Основные региональные источники электроснабжения — Томские ГРЭС-2 и ТЭЦ-3 (Томский филиал ОАО «ТГК-11») общей установленной мощностью около 377 МВт. В региональном балансе производства/потребления электроэнергии поставки с оптовых рынков электроэнергии составляют около 70 % объемов потребления, остальной объем производится, в основном, на тепловых электростанциях Томского филиала ОАО «ТГК-11».

Среднегодовой рост потребления электроэнергии в области составляет 6 %, в целом по Сибири — 3,5%.

Инвестиционная программа ОАО «ТГК-11» предусматривает строительство на ГРЭС-2 паровой теплофикационной турбины и турбогенератора мощностью 50 МВт, а также строительство на ТЭЦ-3 нового блока ПГУ-450, электрической мощностью 450 МВт. Последний проект включен РАО «ЕЭС России» в перечень 6 первоочередных площадок по вводу энергетических мощностей за счет механизма гарантирования инвестиций в соответствии с постановлением правительства РФ. Строительство ПГУ-450 приведет к увеличению потребления природного газа примерно на 0,65 млрд. м3 в год.

В состав перспективных источников электроснабжения также входят:

- Северская АЭС на базе 2 энергоблоков ВВЭР-1150 общей мощностью 2300 МВт, ввод в эксплуатацию запланирован с 2015 по 2020 гг., начало строительства первого блока намечено на 2008-2009 гг.;

- строящиеся ГЭС Нижнего Приангарья (Красноярский край) с проектируемой ЛЭП-1150 «Итатская - Омск - Челябинск», при условии увеличения пропускной способности ЛЭП-500 «Итатская - Томская».

В настоящее время правительством Томской области инициируется строительство еще одного энергоблока ВВЭР-1150 Северской АЭС.

По территории области проложены магистральные газопроводы «Нижневартовск - Томск -Кузбасс» и «Нижневаторск - Парабель - Кузбасс - Ялуторск - Новосибирск». Их пропускная способность в значительной степени резервируется для обеспечения строящегося газопровода «Алтай», а также планируемых поставок природного газа в КНР. Возможности газопроводов не позволяют обеспечить, а прогнозные балансы ОАО «Газпром» не включают, поставки дополнительных крупных объемов природного газа в Томскую область.

Возможности увеличения поставок газа путем освоения новых районов газодобычи на севере Томской области, утилизации попутных газов в районах нефтедобычи требуют уточнения и будут ограничены объемами, которые мо-

гут быть выделены в рамках федерального топливно-энергетического баланса.

Другие возможные источники топливного и восстановительного газа для металлургических процессов: замещение природного газа в региональном и федеральном топливном балансах, газификация углей, производство водорода.

3. Энергопотребление горнообогатительного

комплекса

Наиболее энергоемкие процессы в технологическом цикле получения губчатого железа и стали на основе переработки бурых железняков:

- добыча, дробление и транспортировка сырой руды;

- обжиг руды (гетит-сидеритового сырья):

2(Ре00И )Н20 + (2 = Ре203 + 3И20,

РеС03 + Q = РеО + С02,

выполняемый при средней температуре 550600 °С, с удельным потреблением тепловой энергии не менее 6 Гкал на 1т содержания железа (с учетом технологических потерь);

- обогащение по железу с получением же-лезнорудного концентрата;

- агломерация железнорудного концентрата, производство окатыша;

- подготовка восстановительного дутья на основе водородсодержащего газа, как правило, путем окислительной конверсии метана (природного газа), возможно, путем паровоздушной газификации угля;

- прямое восстановление железа с получением губчатого железа в виде металлизированных окатыша, брикета и шихты на их основе;

- электродуговой переплав шихты с непрерывной разливкой стали и получением стального проката.

Оценочные характеристики энергозатрат для горнодобывающей и обогатительной части комплекса проектной производительностью по товарной продукции (в пересчете на железо) около 20 млн. т в год представлены в табл. 1.

4. Технологии атомно-водородной энергетики

в металлургических производствах

Высокотемпературные модульные гелиевоох-лаждаемые реакторы (ВТГР, ГТ-МГР, МГР-Т) — единственная ядерная технология, которая может снабжать высокотемпературным теплом термические процессы производства водорода. ОКБМ, РНЦ «Курчатовский институт» и другие российские институты в международной кооперации разрабатывает высокотемпературный реактор ГТ-МГР для производства электроэнергии в закрытом газотурбинном цикле (ГТ) с предполагаемым КПД до 48 % . Этот реактор может рассматриваться как основа для производства тепла с температурой до 1000 °С [3-5, 8].

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11(55) 2007

© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»

Таблица 1

Оценочные характеристики энергозатрат горнодобывающей и обогатительной части комплекса

Технологический процесс Вид энергоресурса и Производительность с учетом собственного потребления Энергозатраты

удельные энергозатраты

Добыча, дробление и транспортировка сырой руды Электроэнергия 5,5 кВт-ч/т 57 млн. т в год по сырой руде 0,3 млрд. кВт-ч в год

Измельчение, обогащение по железу и сушка с получением сырого железнорудного концентрата Электроэнергия 90 кВт-ч/т Низкопотенциальное тепло 0,6 Гкал/т 57 млн. т в год по сырому железнорудному концентрату 5,1 млрд. кВт-ч в год 34 млн. Гкал в год

ИТОГО: Электроэнергии 5,4 млрд. кВт-ч в год, низкопотенциального тепла 34 млн. Гкал в год

Особенности ВТГР, определяющие их характеристики и безопасность, заключаются в следующем:

- конструкционным материалом активной зоны и отражателей является графит, имеющий температуру сублимации более 3000 °С. Это означает, что такая активная зона является не расплавляемой, поскольку ни в одной аварийной ситуации не достигается уровень температур, превышающий 2000 °С;

- сферические частицы топлива, покрытые несколькими слоями пироуглерода и слоем карбида кремния, надежно удерживают продукты деления до уровня температур 1600 °С, а массовый выход продуктов деления через защитные слои начинается при температурах выше 2000 °С. Это позволяет нагревать теплоноситель в активной зоне до температуры 1000 °С;

- высокая теплоемкость активной зоны, способствующая медленному изменению параметров реактора в аварийных условиях;

- использование в качестве теплоносителя химически инертного гелия, не влияющего на нейтронный баланс при изменении температуры или потере теплоносителя из реактора;

- отрицательные значения температурного коэффициента реактивности, обеспечивающие самоглушение реактора при аварийном разогреве активной зоны при отказе активных систем останова до уровня температуры меньше допустимого (<1600 °С);

- ошибки персонала в управлении аварийными ситуациями не могут повлиять на ее протекание.

В отличие от разработок ВТГР на ранней стадии, когда мощность реакторов достигала 1000 МВт и более, в проектах последнего времени реализуется модульная концепция реактора с ограниченной мощностью, что явилось дальнейшим этапом в развитии потенциальных возможностей ВТГР.

При разработке модульной концепции использована уникальная способность топлива

исключать массовый выход продуктов деления при температурах до 1600 °С. Это свойство легло в основу реализации идеи по отводу остаточного тепла от ВТГР, через поверхность корпуса реактора к системе охлаждения шахты и далее к конечному поглотителю (воздух атмосферы или водные бассейны) в аварийной ситуации с потерей теплоносителя и отсутствии принудительного охлаждения активной зоны. Передача тепла осуществляется только естественными механизмами (конвекция, излучение, теплопроводность). Это достигается за счет снижения удельного энерговыделения в активной зоне до 3-6МВт/м3. Если исходить из ограничений по диаметру корпуса реактора 6-8 м, определяемых условиями изготовления и транспортировки, то мощности реактора с насыпной активной зоной или на основе призматических блоков ограничиваются величинами 300 и 600 МВт, соответственно. Больший уровень мощности активной

Рис. 2. Общий вид проектируемого модуля атомной энерготехнологической станции (АЭТС) на базе реактором МГР-Т [4, 5]

зоны на основе призматических блоков обусловливается лучшими условиями отвода тепла за счет возможности ее реализации в кольцевой форме и более плотной структуры.

Общий вид проектируемого модуля атомной энерготехнологической станции (АЭТС) на базе реактором МГР-Т с применением термоконверсионного агрегата (ТКА) с гелиевым нагревом для процесса конверсии метана представлен на рис. 2.

Применительно к производству восстановительного газа (смесь СО и Н2) на реакторной установке (РУ) МГР-Т с паровой конверсией метана (ПКМ) рассматривается конфигурация РУ (рис. 3) с передачей тепла непосредственно в первом контуре от гелия к технологической среде производства водорода через высокотемпературный теплообменник (ВТО).

На эксплуатировавшихся установках FSV (США), THTR-300 (ФРГ), а также в отечественных проектах, тепло от гелия первого контура передавалось непосредственно к воде/пару в парогенераторе. Проведенный анализ и опыт эксплуатации показывают, что при возможных аварийных ситуациях с разгерметизацией парогенератора или ВТО эффекты поступления водородо-содержащих продуктов в реактор надежно регулируются системами управления и защиты реактора. В этом варианте температура гелия на выходе из реактора может не превышать 950 °С.

Начиная с 70-х годов прошлого века в ФРГ, США, Японии и СССР ядерная металлургия рассматривалась как одно из основных направлений применения ВТГР. В частности, в Японии был создан консорциум «Атомная сталь». На

900 - 950 С

производству №

500 -

Газодувка

Рис. 3. Конфигурация РУ с передачей тепла в первом контуре через ВТО [4, 5, 8]

рис. 4 [7] показана базовая схема японского проекта применения ВТГР для прямого восстановления железа.

В нашей стране к работам были привлечены ИАЭ им. Курчатова (ныне РНЦ «Курчатовский институт»), ОКБМ, НИКИЭТ, ПНИТИ, ВНИПИЭТ, а также организации металлургического профиля ГипроМЕЗ, ЦНИИчермет, ИМЕТ АН СССР, НПО «Тулачермет» и др.

В выполненных группой российских предприятий исследованиях (в частности, в [9]) рассматривались энергопоказатели металлургического завода (комплекса) оптимальной производительностью 13 млн. т проката в год. В нем осуществляется полный металлургический цикл. Аналогичные исследования по схеме прямого восстановления железа на базе ВТГР проводились и в других исследовательских центрах.

Рис.4. Принципиальная схема японского проекта применения ВТГР для прямого восстановления железа [7]

Рис. 5 Принципиальная схема получения железа с использованием тепла ВТГР для производства восстановительного газа (водорода) по технологии конверсии углеводородов [10]

Процессы прямого восстановления железа, как альтернатива доменному процессу, предполагают получение металлического железа из руды или окатышей. Одним из способов прямого восстановления является твердофазное восстановление. Его отличительной особенностью является восстановление в твердой фазе железорудного концентрата, не достигая при этом жидкой фазы или стадии плавления. Среди этих процессов можно выделить процессы «Пурофер», способ ВНИИМТ, способ Армко, способ Вибер-га, процесс «Стип Рок», способ Охолата и Ла-мина, процессы восстановления в кипящем слое, «Мидрекс-процесс».

В традиционной технологии природный газ является одновременно и реагентом, и топливом для достижения необходимой температуры в реформере (ТКА). При использовании ВТГР метан расходуется только как реагент. Реакция протекает в присутствии никелевого катализатора при температуре 800-850 °С. Полученный при конверсии восстановительный газ состоит из 65 % водорода и 35 % моноксида углерода.

При прямом восстановлении железа, в частности, на Оскольском электрометаллургическом комбинате, расход водорода в восстановительной печи составляет 630 нм3/т железа.

В рассматриваемом исследовании анализировалось не только производство восстановительного газа из углеводородов с помощью тепла ВТГР, но и снабжение металлургического производства другими энергоносителями (тепло, пар, электроэнергия).

Было рассмотрено производство черных металлов как по схеме «доменная печь - конвертер -прокат», так и по схеме «прямое восстановление - сталеплавильная дуговая электропечь с непрерывной разливкой стали - производство проката». Однако основное внимание было уделено использованию ядерных реакторов в считающемся более прогрессивным металлургическом производстве — с прямым восстановлением же-

лезной руды, энергетические показатели которого приведены в табл. 2 и 3.

Таким образом, металлургический комплекс (комбинат) производительностью 13 млн. т проката в год с прямым восстановлением железной руды имеет следующие энергетические потребности и энергоресурсные показатели:

- потребность в электроэнергии составляет ~12 млрд. кВт/ч при потребляемой мощности ~1,5 млн. кВт с весьма плотным ее использованием, составляющим 92 % (8000 ч в год), что определяется круглосуточным режимом работы металлургического производства; это говорит о практическом совпадении наиболее экономичных режимов производства энергии на АЭС и базовом потреблении ее металлургическим комбинатом:

- потребность в природном газе составляет около 12,1 млрд. м3, при этом менее 20 % потребляемого природного газа (2,5 млрд. м3) расходуется в качестве химических реагентов (восстановительных газов), а остальные ~80 % (9,6 млрд. м3) сжигаются как топливо, которое в принципе может быть заменено на тепло, получаемое от ЯЭИ. При современных экспортных ценах российского газа на европейском газовом рынке (>250 долл./1000 м3) это вытеснение эквивалентно экономии (сумме дохода) ~2,5 млрд. долл. в год при производстве металлургическим комплексом 13 млн. т проката в год.

Из 9,6 млрд. м3 природного газа, расходуемого на нагрев, только 1,3 млрд. м3 (т.е. 14%), сжигается для нагрева восстановительных газов до температуры ~1300 °С, а остальной газ, идущий на нагрев ~8,3 млрд. м3 (~70 % общей потребности комбината), сжигается в прочих производствах: для подогрева металлургического сырья и полуфабрикатов (скрап, стальные слитки, известь, ковши и т. д.) — 3,4 млрд. м3.

Таблица 2

Структура потребностей металлургического комплекса производительностью 13 млн. т проката в год по электроэнергии

Потребность в электрической

Ступень производства и электроэнергии

МВт млн. кВт-ч в год

Производство первичного металла ~ 170 ~ 1370

Производство стали ~ 660 ~ 5260

Прокатное производство ~ 380 ~ 2510

Прочие производства ~ 310 ~ 2510

Итого по всему циклу ~ 1520 ~ 12180

Таблица 3

Примерная структура потребностей в природном газе металлургического комплекса производительностью 13 млн. т проката в год

Ступень Вид потребности в природном газе Потребность в газе, млн. т у. т./год

производства

Производство первичного металла Расход газа на производство обожженных окатышей Расход газа в качестве восстановителя Расход газа на нагрев восстановительных газов ВСЕГО ~ 2,9* ~ 2,2 ~ 1,3* ~ 6,4

Производство стали Расход газа на нагрев скрапа Расход газа на нагрев ковшей ВСЕГО ~ 0,5* ~ 0,5* ~ 1,0

Прокатное производство Расход природного газа для технологии Расход газа на нагрев слитков ВСЕГО ~ 0,1 ~ 2,3* ~ 2,4

Прочие производства Расход газа на производство огнеупоров Расход газа на известково-обжигательное производство Расход газа на прочие технологические потребности ВСЕГО ~ 0,2 ~ 0,1* ~ 0,2* ~ 0,5

Производство пара Расход газа на производство пара ~ 1,8*

Итого по всем производствам Расход газа на технологию Расход газа на нагрев ВСЕГО ~ 2,5 млрд. м3 ~ 9,6 млрд. м3 ~ 12,1 млрд. м3

П р и м е ч а н и е : * — расход газа на сжигание его для получения тепла.

К восстановительным газам подводится 8095 % энергии сжигаемого для их подогрева природного газа, в то время как в прочих нагревательных производствах полезно используется (даже с учетом утилизации тепла отходящих газов) ~35-45 % энергии сжигаемого в этих производствах природного газа. Следует отметить, что в известных технологических агрегатах прямого восстановления железной руды (шахтная печь, установка с кипящим слоем) используется в процессе восстановления только до 40 % тепла, вносимого в них восстановительными газами. Остальное тепло в большей части теряется с отходящими газами.

При проектировании комплекса должна быть учтена возможность частичного замещения природного газа на восстановительное дутье, получаемое путем газификации энергетических, в том числе низкосортных, углей [11], например, бурых канско-ачинских углей марки Б2 (0 = 2900 ккал/кг) или кузнецких углей марки Д 0 = 5500 ккал/кг), с использованием высокотемпературного тепла, производимого ВТГР. В этом случае для полного замещения 2,4 млрд. м3 в год природного газа, расходуемого на металлизацию железнорудного концентрата, потребуется, соответственно, 7,6 или 4,0 млн. т в год углей марок Б2 или Д.

Весьма важным фактором, без учета которого в настоящее время невозможно рассмотрение инновационной технологии крупного энерго- и топливопотребляющего промышленного

объекта, — это эмиссия парниковых газов (ПГ). При удовлетворении нужд рассматриваемого металлургического комплекса, потребляющего электроэнергии ~12 млрд. кВт-ч и природного газа, расходуемого на огневые нагревательные процессы, ~9,6 млрд. м3, выбрасывается в атмосферу ~27млн. т ПГ (4,8 и 22,0 млн. т, соответственно), не говоря уже о других загрязняющих выбросах.

Перевод на ядерные источники энергообеспечения металлургического производства может дать значительный вклад в сокращение эмиссии ПГ.

Объемы потребностей в высокотемпературном тепле для нагрева восстановительных газов и в тепле среднего потенциала (до 600 °С, что может быть обеспечено высокотемпературным реактором, таким как ВТГР типа МГР-Т) для производства необходимых заводу объемов электроэнергии и низкотемпературного технологического тепла находятся в отношении ~1:9, соответственно (см. табл. 2 и 3).

При использовании в металлургическом производстве ЯЭИ МГР-Т, вырабатывающих тепловую и электрическую энергию, возникает возможность постепенного ввода мощностей и распределения инвестиций в связи с тем, что могут поэтапно вводиться модульные ЯЭИ, решая тем самым и проблему создания необходимой значительной единичной тепловой и электрической мощностей, соответствующих необходимым энергетическим потребностям металлургического

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11(55) 2007

© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»

комбината. Напомним, что он требует суммарных мощностей ЯЭИ, равных 1,0-1,5 млн. кВт (эл.), что может обеспечиваться группой из 4-6 модулей. Этому соответствует многомодульность комплексов (АЭТС) на их основе, создающая гибкость в обеспечении резервирования и инвестиционного цикла.

При создании реакторов для нагрева восстановительных газов в технологии получения губчатого железа возникают технические проблемы, связанные с необходимостью создания высокотемпературных теплообменников, тепло-передающие поверхности которых должны быть способны к длительной и надежной работе при температурах до 900 °С в условиях значительных механических напряжений. В дополнение к этому, проблема транспорта высокотемпературного тепла (до 950 °С) от теплоносителя реактора к технологическим газам и требование исключения тепловых потерь и снижения температурного потенциала даже при транспортировке такого тепла на десятки метров к технологическим агрегатам представляется такой же сложной, как и задача достижения самих высоких температур в РУ типа МГР-Т.

В поисках приемлемых решений для получения высокотемпературного тепла, поставляемого в агрегат производства водородсодержащих газов, которые могли бы использоваться и для восстановительной шахтной печи, было разработано несколько проектов ЯЭИ с ВТГР. В СССР это были проекты ВГ-400 для выдачи тепловой (400 МВт) и электрической (300 МВт) энергии, ВГР-500 только для производства высокотемпературного тепла мощностью 540 МВт (тепл.), а также ГРУМ (газоохлаждаемая реакторная установка для металлургии) мощностью 550 МВт (тепл.) для получения и нагрева восстановительного газа и производства электроэнергии. В полной мере эти проекты не отвечали вышеизложенным требованиям. Проекты по стыковке ВТГР и процесса ПКМ (РОТ-500, HTR-Module) были также разработаны в ФРГ.

Параллельно этому были предприняты усилия по поиску принципиально новых способов выноса высокотемпературного тепла из активной зоны реактора, в связи с чем в НИКИЭТ и РНЦ «Курчатовский институт» разрабатывалась идея выноса высокотемпературного тепла из реактора не конвективным способом, а на основе лучистого теплообмена [9]. Эта идея основывалась на опыте успешных разработок в области космической высокотемпературной ядерной техники и соображении, что при реализации процессов получения губчатого железа экономически более выгодно организовать передачу тепла, выделяемого в ядерном топливе, не к восстановительным газам, а непосредственно к металлургическому сырью, представляющему собой смесь концентрата железной руды с твердым

восстановителем. В качестве последнего может использоваться кокс, буроугольный полукокс, специальным образом приготовленный торф (так называемый бертинат) и другие возможные твердые восстановители на основе углерода.

Основными достоинствами установок, в которых используется лучистый теплообмен, представлялись:

- низкое давление в корпусе реактора (оно может быть ниже атмосферного);

- возможность исключить использование промежуточного контура;

- небольшой расход энергии на перемещение теплоносителя (доли процента от тепловой мощности реактора);

- принципиальная возможность достижения более высоких, чем в ВТГР на выходе из реактора, температур, которая ограничена только максимальной температурой микротоплива по надежному удержанию продуктов деления ядерного топлива.

Металлургическое сырье в виде обожженных окатышей движется в восстановительной зоне агрегата сверху вниз внутри узких (~15см) щелевых (или трубчатых каналов) с твердыми газонепроницаемыми стенками, которые с другой стороны обогреваются лучистой и контактной теплопередачей от движущихся элементов твердого теплоносителя. Это позволяет подводить тепло в требуемом узком диапазоне высоких температур (1200-1400 °С).

Коэффициент использования полученной тепловой энергии ядерного топлива оценивается в 90 %.

Однако выполненный анализ показал, что создание специализированных ЯЭИ, не имеющих мировых аналогов и не приспособленных для использования в других промышленных секторах, основанных на принципах, требующих для своего подтверждения большого объема специфических НИОКР, а также тот факт, что проблемы совместной работы ядерного и металлургического агрегатов потребовали бы дорогой по требуемым инвестициям перестройки металлургических комбинатов и принципов их проектного построения, привели к тому, что дальнейшего развития это направление создания высокотемпературных ЯЭИ не получило.

Проведенный в настоящей статье и в ранее выполненных работах [4-8] анализ результатов исследований по использованию ядерных реакторов для черной металлургии, разумеется, носит неполный, а в ряде случаев индикативный характер, но позволяет сделать следующие выводы:

- существует потребность в снижении потребления углеводородного топлива за счет привлечения ЯЭИ для теплоэнергоснабжения производств черной металлургии; черная металлургия по-прежнему остается одной из наиболее важных энергоемких отраслей, потребляющих

углеводородное топливо; ее доля в объеме промышленного производства составляет ~10 %, а ежегодная эмиссия ПГ ~140 млн. т;

- черная металлургия по-прежнему остается одной из наиболее «грязных» отраслей; металлургическим заводам необходима техническая реконструкция производства с переводом их на технологии, не загрязняющие атмосферу продуктами сжигания углеводородного топлива; среди них наиболее экологически вредные — продукты окисления каменных углей разных марок; использование энергии ЯЭИ в металлургическом производстве — наиболее радикальное средство, улучшающее социально-экономическое качество металлургического производства;

- выполнен ряд технических предложений и проектов, разработано несколько концепций по созданию ЯЭИ для принципиально новых видов и модификаций металлургического производства; заманчивым, хотя и труднодостижимым по техническим и радиационным ограничениям могло быть использование твердого теплоносителя с лучистым теплообменом;

- основные технические проблемы применения ЯЭИ для полного энергоснабжения черно-металлургического производства лежат в области передачи высокотемпературного тепла из активной зоны в рабочий объем технологического процесса; применение ЯЭИ типа ВТГР с температурой нагрева гелия позволяет получать восстановительный газ путем конверсии углеводородов с одновременной выработкой пара и электроэнергии, что обеспечивает до 50 % потребностей черной металлургии в топливных ресурсах и позволяет практически в 2 раза снизить эмиссию парниковых и кислотообразующих газов в атмосферу;

- для анализа сопоставительных характеристик вариантов технологических систем различного типа можно ориентироваться на определение эффекта замены на предприятиях черной металлургии значительного объема природного газа (применительно к вышеописанной производительности металлургического комбината 13 млн. т проката в год) на ядерное топливо; как показал анализ, расчетное значение удельного вытеснения органического топлива ядерным в варианте применения ВТГР для технологий черной металлургии составляет 1,20-1,25 т у. т./ кВт (тепл.) в год, что для вариантов использования ЯЭИ является весьма высоким показателем, превышающим примерно в 2 раза объемы вытеснения органического топлива ядерным в электроэнергетике;

- в случае реализации рассматриваемого направления, т. е. при внедрении ЯЭИ в систему теплоэлектроснабжения традиционных технологических агрегатов металлургического производства, экономический эффект достигается в ос-

новном за счет комбинированной выработки с помощью ЯЭИ электроэнергии и тепла;

- использование тепла от высокотемпературных ядерных реакторов только для подготовки и нагрева технологических газов в производстве первичного металла экономически малоэффективно, а реализация таких схем по условиям размещения ЯЭИ и трудностям транспортировки тепла представляется маловероятной;

- предстоящие изменения в мировом топли-вообеспечении несут в себе угрозу удорожания производимой основными сталепроизводителями продукции; введение налога на эмиссию СО2 на единицу получаемого металла, особенно при использовании доменного процесса, может составить 55 долл. на тонну диоксида углерода; в таком случае каждая тонна проката металлургического комбината производительностью 13 млн. т проката станет дороже на 90-180 долл.;

- единственным путем удержания рентабельности на приемлемом уровне может быть только существенное усовершенствование технологий металлургического передела на базе его структурной реконструкции в направлении резкого сокращения энергозатрат на единицу продукции, в том числе за счет перехода на эффективное использование энергоносителей, вырабатываемых ЯЭИ;

- удорожание и дефицит углеводородного топлива может сделать производство стали менее рентабельным, а выпускаемую продукцию менее конкурентоспособной на внешних и внутренних рынках; увеличение топливной составляющей в себестоимости продукции приведет к сокращению инвестиций;

- при максимальном вытеснении из металлургического производства, работающего по полному металлургическому циклу, углеводородного топлива ядерным требуемая мощность ЯЭИ составляет (с учетом производства технологического пара и электроэнергии) примерно 1 ГВт (тепл.) на 1 млн. т проката в год;

- помимо существенного сокращения потребления углеводородов в этой отрасли применение ЯЭИ изменит технологический облик предприятий металлургической промышленности, улучшит условия труда и в 5-6 раз уменьшит выбросы парниковых и кислотообразующих газов в атмосферу;

- по предварительным оценкам энергопотребление комплекса «Бакчарская сталь» при полной проектной загрузке составит: по электроэнергии — около 17 млрд. кВт-ч в год; по природному газу — около 12 млрд. м3 в год;

- в рамках действующих прогнозных регионального и федерального топливно-энергетического балансов проект «Бакчарская сталь» может быть обеспечен природным газом в количестве не более 5-10 % от необходимого объема;

172

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11(55) 2007

© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»

11

- реализация проекта позволит полностью загрузить, с КИУМ не менее 80 %, два энергоблока ВВЭР-1000 Северской АЭС; привязка программы реализации проекта к графику строительства Северской АЭС позволит существенно снизить инвестиционные риски и обеспечить взаимную сбалансированность проектов;

-не менее 80% (около 2,5 млрд. м3 в год) планируемого объема потребления природного газа и около 20 % потребления электроэнергии горнометаллургического комплекса «Бакчарская сталь» может быть замещено на энергоресурсы (электроэнергия, высоко- и среднепотенциальное тепло), получаемые по технологии ВТГР;

- высокотемпературное тепло, получаемое по технологии ВТГР, может также использоваться для газификации энергетических, в том числе низкосортных углей и производства восстановительного дутья в количестве, замещающем природный газ объемом около 2,5 млрд. м3 в год; в этом случае для полного замещения природного газа необходима поставка 7,6 млн. т в год канско-ачинских углей марки Б2 или 4,0 млн. т в год кузнецких углей марки Д;

- создание опытно-промышленной РУ ГТ-МГР и серии из нескольких промышленных энерготехнологических комплексов для производства восстановительного дутья путем переработки угля и природного газа позволит полностью обеспечить потребности проекта «Бакчарская сталь» с минимально возможными изменениями регионального и федерального балансов природного газа;

- проект «Бакчарская сталь» может стать крупнейшим в мире проектом практического создания атомно-водородного энерготехнологического комплекса и обеспечить передовые позиции российской науки и промышленности.

Аббревиатуры

АЭС — атомная электростанция ВВЭР — водо-водяной энергетический реактор ВТГР — высокотемпературный газоохлаждаемый (гелиевый) реактор

ВТО — высокотемпературный теплообменник ГРУМ — газоохлаждаемая реакторная установка для металлургии

ГРЭС — государственная районная электростанция, ГТ — газовая турбина

ГТ-МГР — газовая турбина - модульный газо-охлаждаемый реактор ГЭС — гидравлическая электростанция КИУМ — коэффициент использования установленной мощности

КНР — Китайская Народная Республика ЛЭП — линия электропередачи

МГР-Т — модульный газоохлаждаемый реактор

с высокотемпературным теплообменником

НИКИЭТ — НИКИ энергетических технологий

им. Доллежаля (Росатом, Москва)

ОКБМ — ОКБ машиностроения им. Африканто-

ва (Росатом, Нижний Новгород)

ПГ — парниковые газы

ПГУ — парогазовая тепловая электростанция ПКМ — паровая конверсия метана ПС — электрическая подстанция РНЦ — Российский научный центр РУ — реакторная установка

СХК — ФГУП «Сибирский химический комбинат» (Росатом)

ТГК — территориальная генерирующая компания

ТКА — термоконверсионный агрегат

ТЭЦ — теплоэлектроцентраль

ЯЭИ — ядерный источник энергоснабжения

Список литературы

1. Сайт ИФК «Метрополь». http://www. metropol.ru/

2. Сайт ООО «Томсктрансгаз». http://www. tomsktransgaz.ru/

3. Сайт Центра КОРТЭС. http:// www. ccortes.ru/

4. Пономарев-Степной Н. Н., Столяревс-кий А. Я. Атомно-водородная энергетика // Альтернативная энергетика и экология. 2004. № 3(11).

5. Митенков Ф. М., Кодочигов Н. Г., Вася-ев А. В., Головко В.Ф., Пономарев-Степ-нойН. Н., Кухаркин Н. Е., Столяревский А. Я. Высокотемпературный газоохлаждаемый реактор — энергоисточник для промышленного производства водорода // Атомная энергия. 2004. Т. 97, вып. 6. С. 432-446.

6. Market Potential for non-electric applications of nuclear energy. Vienna: IAEA, 2002.

7. Matsui K. The Institute of Applied Energy, Kunitomi K., Japan Atomic Energy Agency «Possible Scenarios and its Effects by Non-Power» // 16 April 2007, Oarai, Japan.

8. Столяревский А. Я. Ядерно-технологические комплексы на основе высокотемпературных реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1988.

9. Корякин Ю. И. Окрестности ядерной энергетики России: новые вызовы. М.:ГУП НИКИ-ЭТ, 2002.

10. Hydrogen as an energy carrier and its production by nuclear power // IAEA-Tecdoc-1085, 1999.

11. Мухленов И. П. и др.// Общая химическая технология. М.: Высшая школа, 1963. С. 442-454.

' 1

173