Анализ энергетического рынка показывает, что наряду с электрической энергией важное промышленное значение имеет и тепловая. Сейчас потребление тепловой энергии составляет около 70% всей потребляемой энергии, и к 2000 г. оно снизится только до 50%. Поэтому, естественно, возникает вопрос: нельзя ли тепло, вырабатываемое в ядерном реакторе, использовать непосредственно, без преобразования в электроэнергию.
Наилучшие перспективы в этом направлении имеют реакторы HTR, которые могут поставлять дешевое тепло при очень высоком температурном потенциале. В связи с этим целесообразно подробнее рассмотреть различные технологические процессы, требующие большого количества тепла при высоких температурах, причем не только те процессы, которые протекают с потреблением большого количества обычного топлива, а также те, которые в настоящее время нерентабельны из-за высокой стоимости топлива. Интерес к последним процессам может возрасти в связи с возможностью использования ядерного тепла в качестве дешевого источника энергии. Имеется целый ряд процессов, в которых от 40 до 50% обычного топлива требуется для получения тепла, а остальная часть используется непосредственно в химическом цикле. Та часть обычного топлива, которая необходима для производства тепла, может быть заменена дешевым теплом, вырабатываемым реактором HTR.
Кроме этого, имеется и другой аспект, заключающийся в том, что, например, в ФРГ все большая часть потребляемого угля заменяется нефтью и ее продуктами. В будущем все большую конкуренцию будут составлять АЭС. В настоящее время треть добычи каменного угля используется для получения электроэнергии, треть — для производства кокса и треть — в качестве химического сырья и для теплофикации. Для производства электроэнергии каменный уголь (без проведения повышающих его конкурентоспособность мероприятий) не имеет преимуществ по сравнению с ТЭС на нефти и буром угле, а тем более по сравнению с АЭС. Спрос на кокс может упасть, если потребляющая его металлургия перейдет на водородное восстановление железной руды. Наконец, не только в химической индустрии, но и в теплофикации в связи с высокой стоимостью угля намечается четкая переориентация на нефть и природный газ.
Все это означает, что топливо будет импортироваться все в большем количестве, хотя уже сегодня страны
Европейского экономического сообщества ввозят до 50% энергетического сырья. Поэтому желательно собственный каменный уголь в большей степени использовать для производства тепла. Применение реакторов HTR для производства технологического тепла высоких температур открывает в этой области новые возможности.
9.2.1. Процессы разложения и газификации
Природный газ (метан) может разлагаться при наличии водяного пара и тепла на СО, СО2 и Н2, при этом проходят следующие реакции:
Такое разложение может проходить в трубных печах, которые снаружи подогреваются горячим гелием, поступающим от реактора HTR [12]. На рис. 9.9, а представлена соответствующая схема такого процесса. Гелий нагревается в реакторе до 950° С, а в разделительной печи охлаждается до 750° С, причем подводимое тепло требуется для эндотермической реакции разложения и предварительного подогрева смеси метана и водяного пара.
В используемых сейчас промышленных способах получения водорода из метана требуется из каждого находящегося в обращении 1 м3 СН4 до 0,6 м3 затратить на получение необходимого количества тепла, которое можно заменить ядерным теплом.
В разделительных печах смесь метана и водяного пара превращается (в трубной системе из хромоникелиевых сталей) в присутствии катализаторов в Н2, СО или СО2; часть метана вообще не разлагается. Образовавшийся газ охлаждается до 450° С и реагирует по уравнению (9.2). При этом пары воды и окись углерода почти полностью превращаются в водород и двуокись углерода. Далее производится охлаждение смеси до 20° С, отделение СО2, Н2О и по возможности высоких углеводородов. При низких температурах и высоких давлениях смесь промывается метанолом. После этого в газе остаются только Н2 и СН4; удаление метана осуществляется с помощью низкотемпературной установки. Полученный таким способом водород имеет чистоту от 98 до 99%.
Рис. 9.9. Схемы различных способов разложения природного газа и газификации каменного угля с помощью реакторов HTR [13]:
а — разложение метана; б — бункерное гидрирование угля и нефти; в — газификация угля с помощью водорода в водяного пара; г — газификация угля с помощью водяного пара; д — газификация угля с помощью водяного пара при использовании твердого теплоносителя: 1 — ядерный реактор; 2 — трубная печь; 3 — турбинная установка; 4, 6, 16 — охладители; 5 — конвертор; 7 — промывка СО2; 8 — отделитель метана; 9 — гидрокрекинг; 10 — дистилляционная колонна; 11 — промывка H2S; 12, 14 — компрессоры; 13 — водородный газогенератор; 15 — циклон; 17 — электрофильтр; 18 — турбина; 19 — газификатор; 20 — промывка CO2/H2S; 21 — теплообменник промежуточного контура.
Гелий, температура которого после прохождения разделительной печи равна около 750° С, можно использовать для производства электроэнергии в турбинной установке, затем он вновь возвращается в реактор с температурой около 400° С.
К установке разложения метана можно подключить крекинг-установку для переработки тяжелых фракций нефти (см. рис. 9.9, б). В этом случае часть полученного водорода используется для крекинга связанных нефтяных углеводородных соединений, которые во второй ступени крекинга перерабатываются в бензин. Кроме того, образуются такие газообразные углеводороды, как метан, этан, пропан, бутан и т. д. Эти газы направляются в печь для разложения.
Вместо гидрокрекинга сырой нефти разложение метана можно использовать для газификации угля с помощью получаемого из метана водорода (см. рис. 9.9, в). Процесс гидрирования угля протекает при 800° С по следующей реакции:
(9.3)
Выделяющееся при этом тепло может быть передано водяному пару для дальнейшей газификации по реакции
(9.4)
Полученная газовая смесь после удаления золы, смол и сероводородов и использования тепла в турбине направляется в разделительную печь. На такой установке из угля можно получить метан или водород или одновременно оба эти газа.
На рис. 9.9, г показан способ газификации по уравнению (9.4), в котором требуемое тепло может быть подведено с помощью горячего гелия. Такой способ представляется более простым, чем по схеме рис. 9.9, в, где технологические условия значительно труднее.
Для осуществления рассмотренных способов температура газа на выходе из реактора должна быть поднята до 1000° С и даже до 1200° С, что требует применения для теплопередающих поверхностей жаропрочных материалов, устойчивых также к эрозионному и коррозионному износу. Уровень температуры горячего газа (1000° С или 1200° С) зависит от того, каменный или бурый уголь будет газифицироваться с помощью водяного пара. Для бурого угля требуется меньшая температура, для каменного угля — более высокая. Собственно температура газификации примерно на 200° С ниже температуры газа на выходе из реактора, т. е. составляет примерно 800—1000° С. Давление в газификаторе около 70 ат. Наконец, на рис. 9.9, д приведена схема, в которой процессы передачи тепла и газификации разделены с помощью промежуточного контура. Теплоноситель промежуточного контура получает тепло от обогреваемого гелием теплообменника и передает его в газификаторе реакционной смеси угля и водяного пара. В качестве теплоносителя этого контура можно использовать как твердые вещества (кокс или полукокс), так и жидкости (например, жидкий свинец).
9.2.2. Использование продуктов газификации
Получение искусственного метана из угля представляет интерес по двум причинам [13]: во-первых, в связи с увеличением потребности в природном газе и уменьшением его естественных запасов и, во-вторых, в связи с широким внедрением искусственных газов и масел в различные области техники, что увеличивает спрос и цены на эти продукты.
Раньше уже указывалось на возможность применения водорода для переработки сырой нефти. Прежде всего имеют значение различные превращения тяжелой нефти, которые к тому же затруднены неизбежными при этом загрязнениями воздуха. Кроме того, водород, получаемый при разделении и газификации, имеет широкое применение в химической промышленности, например при синтезе аммиака:
(9.5)
Для получения тонны NH3 требуется до 2000 м3 (нормальных) водорода. Для сжатия газов и получения азота при ожижении воздуха необходимы громадные затраты электроэнергии. Для удовлетворения растущих мировых потребностей в удобрениях необходимо увеличить производство и NH3. Для этого особенно подходят установки, одновременно производящие водород и электроэнергию [14].
Другое направление для применения водорода заключается в синтезе метанола (СН3ОН), который может явиться более дешевым горючим, чем бензин. При этом важно, что при использовании метанола не будет обычно присутствующих сегодня в бензине ядовитых соединений свинца. Наряду с низкой стоимостью вырабатываемого тепла метанол имеет преимущество, связанное с отсутствием серы, так что в будущем для покрытия пиковых потребностей электроэнергии он может вытеснить уголь и нефть. Поэтому метанол может играть большую роль в качестве горючего в промышленных котлах и теплофикационых установках, особенно в связи с требованиями уменьшить загрязнения воздуха [14].
Метанол получают из окиси углерода или двуокиси углерода в соответствии со следующими уравнениями:
Другой пример применения реакторного тепла в технологических целях — синтез бензина из угля по циклу Фишера — Тропша. В настоящее время он не представляет интереса, поскольку для получения 1 т бензина требуется до 3 т угля. При использовании тепла высокотемпературных реакторов можно снизить потребность в угле наполовину. Таким образом, можно по-новому ставить вопрос о производстве бензина из угля [14].
В несколько отдаленной связи с ранее исследованными вопросами находится производство этилена — одного из важнейших исходных продуктов промышленности искусственных материалов. Сейчас этилен получают преимущественно путем переработки фракций сырой нефти. Вместе с тем есть возможность получить этилен из природного газа электрохимическим методом (в плазменных установках). Этот путь может оказаться перспективным, если в распоряжение будет предоставлена дешевая электроэнергия. Метан в плазменной установке частично разлагается по реакции
(9.8)
Одновременно образуется водород, который служит для гидрирования ацетилена:
(9.9)
Реакция протекает при 200—260° С в присутствии катализатора [14].
Принципиальная особенность использования тепла реакторов HTR для технологических процессов связана с тем, что тепловая энергия в отличие от электроэнергии практически не транспортабельна. Этот недостаток усиливается относительно большой стоимостью ядерной энергетической установки и требованием увеличения ее единичной мощности.
В такой ситуации для уменьшения потерь при транспортировке тепла целесообразно использовать следующие возможности:
- Получать с помощью реакторов HTR синтезированные или восстановительные газы (которые сами по себе транспортабельны), т. е. осуществлять превращение тепловой энергии в химическую. Для Рурской области, например, уже имеется программа создания ряда централизованных газогенераторных установок. Полученные газы должны подаваться потребителям по единым газопроводам. Такая концепция обещает наряду с большими выгодами от объединения системы также и лучшее резервирование.
- Создавать мощные комплексные промышленные установки, в которых реакторы HTR будут производить наряду с технологическим теплом и электроэнергию. В таких комбинированных установках можно объединить, например, производства [15]:
а) потребляющие много электроэнергии: электролиз алюминия; производство фосфора; электролиз хлористого калия;
б) требующие ядерного тепла: производство водорода и синтезированных газов из метана; производство этилена, метанола и т. д.; производство бензина из сырой нефти; получение технологического пара для различных химических процессов.
Другой пример комплексного использования высокотемпературных реакторов — производство стали, которое рассматривается в следующем разделе.
