4. ЭНЕРГОМЕТАЛЛУРГИЯ И ДРУГИЕ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
Металлургические и различные высокотемпературные печи являются сейчас наиболее крупными потребителями топлива, расходующими, как правило, с невысоким энергетическим к. п. д. около одной трети всего топлива, добываемого в стране. Так, в годы текущей семилетки только при производстве металлургического кокса будет ежегодно теряться свыше 10 млн. т высококачественных дефицитных и дорогих углей. Общие полные капиталовложения при производстве чугуна обычно превышают 2000—3000 руб. на 1 т в год. Мы уже отмечали, насколько сложна производственная цепочка металлургических заводов. Все эти факторы вместе взятые сдерживают темпы ежегодного прироста производства чугуна, стали и цветных металлов.
Сложность, громоздкость и большие издержки производства всего металлургического цикла связаны главным образом с необходимостью выплавки чугуна в доменных печах и сложностью подготовки сырья для них. В поисках путей к преодолению этих трудностей ведутся работы по созданию внедоменной черной металлургии (помимо электрометаллургии). Такие возможности теоретически имеются. В частности, очевидно возможно непосредственное восстановление руды газами-восстановителями, в качестве которых обычно используют H2, СО и углеводороды как искусственных, так и природных газов. Однако все опыты (в том числе и последних лет) по восстановлению руды в кипящем слое в потоке различных газов (включая водород) не дали для большой металлургии положительных результатов и, следовательно, в настоящее время нет предпосылок для замены доменных печей другими более эффективными агрегатами. В лучшем случае восстановление руды газами может служить некоторым дополнением к основным процессам черной металлургии, использующей доменные печи. Разработанные до сих пор внедоменные методы производства железа практически не могут в крупных масштабах конкурировать с доменными из-за относительно малой производительности новых аппаратов, больших расходов топлива и высоких требовании к чистоте руды, а также из-за сложности и высоких издержек производства товарного металла. Необходимо иметь в виду, что получаемый внедоменными методами при низких температурах восстановления металл содержит в себе все примеси исходной руды и поэтому только в результате применения чистой руды его можно использовать без переплавки и очистки. Неудача опытов по восстановлению руды газом в значительной мере объясняется неблагоприятными физикο-химическими и термодинамическими условиями этого процесса. При восстановлении руды окисью углерода, содержащейся, как правило, во всех сравнительно дешевых газах-восстановителях, ее использование весьма невелико (оно осуществляется только при весьма высоких концентрациях окиси углерода в газе), причем с повышением температуры равновесная концентрация окиси углерода повышается, при 1000 достигая 75%, а при 1800° — более 80%.
При решении проблемы высокоинтенсивного производства чугуна или стали путем восстановления руды газами-восстановителями приходится сталкиваться с серьезным противоречием: с одной стороны, для повышения степени практического использования газа желательно вести работу на средних (500—600°) температурах, но при этом неизбежна низкая интенсивность процесса восстановления руды, а, следовательно, и всего процесса получения металла в целом; с другой стороны, повышая температуру, можно ускорить процесс, но при этом приходится идти на незначительное (—15%) использование газа-восстановителя, что резко усложняет и удорожает производство металла.
Кроме того, получение необходимого состава газа с высокой температурой само по себе является сложной задачей, так как за счет сжигания части газа с воздухом внутренний его разогрев невозможен из-за недопустимого повышения концентрации CO2 в газе-восстановителе.
Очевидно, что в данном случае разрешение таких внутренних противоречий оказывается возможным (как и для ряда других промышленных процессов) только методами энерготехнологии, т. е. в результате научно-обоснованной связи энергетического процесса сжигания части топлива в топках с технологическим, в данном случае с металлургическим, процессом. При этом появляется возможность не только сильно упростить производство металла и обеспечить высокую интенсивность главных процессов, но и получить высокий энергетический к. п. д. использования топлива, т. е. вести весь комплексный процесс с минимальным удельным расходом наиболее дешевых видов энергетического топлива.
Таким образом, теоретическая разработка энерготехнологических методов производства впервые позволяет принципиально и практически организовать эффективное внедоменное производство чугуна и стали в высокотемпературном факеле — потоке газовзвеси, содержащей избыток топлива.
Отмеченное выше противоречие в энерготехнологическом методе решается путем высокоинтенсивного ведения процесса и непрерывного поддержания высокой концентрации окиси углерода в реакционной зоне (свыше 0,85 доли от суммы СО + CO2) за счет совмещения процессов восстановления руды газом и двуокиси углерода и водяных паров избытком топлива, используемым вместе с избыточным потенциальным и физическим теплом газов для энергетических целей путем сжигания остатков топлива в топочной камере. По энерготехнологической схеме производства металла (рис. 185) предварительно нагретые энергетические топлива перед сжиганием в топках котлов электростанций реагируют в высокотемпературном криволинейном потоке газовзвеси с нагретым воздушным или обогащенным кислородом дутьем и с пылевидной рудой, включающей добавки. В металлургической печи, кроме указанных процессов, происходит плавление металла и шлака, а также практически почти полное улавливание мелких расплавленных частиц из газовзвеси.
Рис. 185. Схема энергометаллургической опытной установки для производства чугуна (на торфе, энергетических углях и природном газе)
Большая интенсивность процессов в металлургической печи обеспечивается высокой температурой (~1600—1800 ), организацией исключительно интенсивных процессов массо- и теплообмена между газовым потоком (частицами, взвешенными в газе) и расплавом. Как уже отмечалось, для быстрого восстановления окислов металла в газовзвеси необходимо поддерживать сильно восстановительную атмосферу (в результате непрерывной регенерации СО и H2 при избытке углерода). Жидкий металл и шлаки необходимого состава собираются в виде жидкого расплава в специальной ванне, где завершается восстановление окислов железа и рафинирование металла путем продувки острыми струями газа восстановителя и кислорода**.
Применяя соответствующие добавки в шахту, можно получить из шлаков высококачественный цементный клинкер или другие ценные строительные материалы, а в некоторых случаях и удобрения.
Горячие газы, выходящие из металлургической печи с мелкой коксовой пылью, используются для нагрева и частичной подготовки шихты и подогрева дутья, подаваемых в металлургическую печь, а затем сжигаются в топке котла для производства пара и электроэнергии.
Таким образом, при энергометаллургическом использовании топлива создаются благоприятные условия как для металлургического, так и для энергетического процессов. Большим достоинством этого метода является то, что здесь отпадает необходимость в использовании металлургического кокса и, следовательно, в остродефицитных коксующихся углях, так же как и в самих громоздких и дорогих коксовых печах. Так как для энергометаллургии пригодны широко распространенные пылеватые, в том числе и сравнительно бедные железом, руды*, то новый метод позволит создавать металлургическую промышленность почти в любом районе страны, применяя в качестве топлива энергетические угли, торф, природный газ и жидкие топлива, используемые на электростанциях или в промышленных котельных.
Энергометаллургический комбинат будет представлять собой органически связанный комплекс электростанции и металлургического завода. Топливная электростанция мощностью, например, в 300 тыс. кВт на таком комбинате будет объединена с заводом, выпускающим примерно 700 тыс. т стали в год. Следовательно, пять энергометаллургических комбинатов с электростанциями мощностью по 2 млн. кВт смогут ежегодно давать стране примерно 60—70 млрд. кВт-ч электроэнергии, 25 млн. т стали, 15 млн. т цементного клинкера и дополнительно, если это понадобится, ценные виды химического сырья по простейшей энерготехнологической схеме.
Снижение расхода широко распространенных видов энергетического топлива и упрощение производственного процесса позволят примерно в два раза снизить стоимость металла, и, что особенно важно, примерно в два раза уменьшить общие удельные капиталовложения в производство стали. Прекращение производства кокса в этом случае также имеет исключительно большое значение.
Следует подчеркнуть, что энергометаллургия широко применима и в цветной металлургии.
Освоение и внедрение энергометаллургии должно привести к значительному повышению темпов развития металлургии; при тех же капиталовложениях страна получит возможность ежегодно вводить в строй примерно в два- три раза большие мощности для производства чугуна и стали.
По предварительным данным, при увеличении энергометаллургической выработки металла в 1965—1978 гг. на 30 млн. т ежегодная экономия превысит 5 млрд. руб.**
Исследование проблем энерготехнологического производства чугуна и стали ведется в АН СССР свыше 10 лет; научно-теоретическая разработка и лабораторные экспериментальные исследования, необходимые на первом этапе работы, уже выполнены, что позволяет приступить к созданию первых опытных установок.
*Хорошим сырьем для энергометаллургии является также колошниковая пыль.
**Особенно высокоэффективной будет работа энергометаллургических предприятии на природном газе с использованием руд КМА и керченских руд.
Использование циклонного принципа интенсификации процесса горения (криволинейного движения газовзвеси) в энергометаллургических схемах, несомненно, имеет большие перспективы. Работы в этом направлении, кроме АН Казахской ССР и Московского энергетического института, ведутся и другими организациями. Необходимо, однако, отметить, что наряду с циклонными топками еще большие перспективы имеют слоевые насадочные топки (системы Чуханова и Хитрина), использующие с большой эффективностью принцип интенсификации гетерогенных процессов за счет криволинейного движения газовзвеси и обеспечивающие одновременно более полное улавливание расплава из газовзвеси.
В научной разработке методов энерготехнологии и, в частности, энергометаллургии СССР находится впереди зарубежных стран. За рубежом к этим вопросам также проявляется сейчас большой интерес. Так, в Англии в 1957 г. начато строительство опытно-промышленной установки по производству металла (стали) в высокотемпературном факеле с пылевидными топливом и рудой. В США проводятся работы по энерготехнологическому производству стали в высокотемпературном факеле природного газа.
При разработке теоретических основ энерготехнологии мы пришли к неоспоримому выводу о том, что нецелесообразно решать задачу повышения эффективности использования топлив путем примитивной утилизации «отходов». Комплексный анализ этих вопросов свидетельствует о необходимости органической увязки комбинируемых процессов, сопровождающейся, как правило, их радикальной перестройкой. Узко утилитарный подход к вопросам комплексного потребления топлив не способствует подлинному решению вопросов повышения эффективности их использования. В сущности, утилизационные схемы использования вторичных энергетических ресурсов промышленности являются не чем иным, как примитивными энерготехнологическими схемами, и как всякие примитивные решения они неполноценны (их следует рассматривать лишь как временные или вынужденные).
Отсюда, однако, не следует, что вопросами использования (утилизации) вторичных энергетических ресурсов вообще не нужно заниматься. При существующей технике имеются вполне конкретные методы производства, которые, к сожалению, характеризуются низкими энергетическими к. п. д. и, следовательно, огромными расходами энергии и топлива. По данным Мелентьева [137], объем неиспользуемых вторичных энергетических ресурсов, полученных в 1960 г. от технологических процессов при непосредственном сжигании топлив, оценивается в 40 млн. т усл. топл. Общие неиспользуемые вторичные ресурсы составляют по СССР около 50 млн. т усл. топл. в год. Величина эта достаточно внушительна, и очевидно, что в настоящее время вопросы утилизации вторичных энергетических ресурсов имеют большое практическое значение.
Рассматривая эту проблему, необходимо, однако, достаточно ясно представлять ее общий народнохозяйственный и конкретный технико-экономический аспекты. Если мы на конкретной промышленной печи имеем дымовые газы, отходящие, например, с температурой 700 , то для экономии топлива может быть поставлен котел-утилизатор, который будет давать пар для энергетических целей*.
Часто этот пар, получаемый на так называемых «безтопливных котлах», считают бесплатным (даровым) потому, что в стоимость этого пара по существующей системе расчета входят только прямые, сравнительно небольшие, амортизационные начисления, связанные с износом котла. Очевидно, что такой расчет и определение являются в данном случае явным самообманом. Ведь с точки зрения общих народнохозяйственных интересов следует добиваться не экономии топлива самой по себе, а максимальной эффективности использования живого труда и овеществленного труда в данном оборудовании, сооружении и т. д.
* Или для технологического процесса.
К решению этой задачи следует подходить таким образом, что электроэнергия может быть получена как на базе рассматриваемого «безтопливного» котла-утилизатора, так и на современной мощной тепловой электростанции, расходующей наиболее дешевое топливо, имеющееся в данном районе, или транспортирующей (с учетом стоимости транспорта) его из другого района. Необходимо обоснованно решить, какой из способов производства энергии выгодней*. Сравнительную оценку при этом необходимо проводить не по себестоимости, которая является односторонним и часто ничего не говорящим об эффективности экономическим показателем, а по приведенной общественной стоимости, учитывающей общественно необходимый государственный доход, который на данном уровне техники получается в рассматриваемой отрасли хозяйства и, в частности, в энергетике (см. III раздел нашей книги).
Из сказанного следует, что в упомянутом нами случае установка котла- утилизатора будет экономически эффективной только тогда, когда стоимость получаемой при этом электроэнергии окажется меньшей, чем на мощной современной топливной электростанции, расположенной в данном районе. Естественно, что никаких других соображений, оправдывающих установку таких котлов, не может быть и если расчеты обнаруживают неэффективность сооружения котлов-утилизаторов для конкретных печей, то их устанавливать не следует. Недопустимо расходовать металл и труд на котлы только из-за желания исключить выброс топлива в атмосферу, и в этом случае либо надо найти более дешевые способы использования тепла отходящих газов, либо продолжать их выброс в атмосферу до тех пор, пока не будет создан новый энерготехнологический метод производства данной продукции, позволяющий экономически эффективно использовать топливо с высоким энергетическим к. п. д. или пока не будет найден более дешевый и эффективный способ утилизации тепла отходящих газов.
Таким образом, очевидно, что наряду с разработкой полноценных энерготехнологических решений необходимо в существующих условиях всемерно внедрять примитивные, но экономически эффективные энерготехнологические утилизационные схемы использования вторичных энергоресурсов.
Следует подчеркнуть важность значительного ускорения работ по внедрению утилизационных схем в тех случаях, когда использование вторичных ресурсов безусловно экономически выгодно, т. е. когда действительные сроки окупаемости капиталовложений не превышают 4—5 лет. Однако при этом очень важно проводить расчеты методически правильно и с достаточной точностью, сравнивая эффект внедрения с показателями производства электроэнергии на передовых мощных электростанциях**.
При анализе экономической эффективности всех способов утилизации вторичных ресурсов нужно помнить, что основным недостатком этих способов является, кроме отмеченных выше неблагоприятных условий осуществления энергетического процесса, также относительно малая мощность единичных энергетических установок, чем вызываются неизбежные высокие удельные капиталовложения на единицу вырабатываемой в год энергии, резко увеличивающие ее общественную стоимость. Этот фактор, как правило, часто и предопределяет неэффективность использования вторичных энергетических ресурсов (хорошо известно, что главным образом по этой причине резко снижается эффективность использования теплофикационных циклов и экономическая эффективность строительства ТЭЦ).
Мы не будем здесь рассматривать конкретные схемы применения котлов- утилизаторов, использования избыточного давления промышленных газов в газотурбинных установках, использования поверхностей охлаждения для производства энергетического пара и т. п., так как этим вопросам посвящено значительное количество специальных статей, сборников и монографий.
По нашему мнению, основное внимание сейчас должно быть обращено на технико-экономический анализ существующих способов и схем использования вторичных энергоресурсов по различным, в первую очередь крупным, отраслям промышленности (в основном металлургической и нефтеперерабатывающей), потребляющим дорогие топлива. Большое значение для научно-исследовательских работ в области использования вторичных энергетических ресурсов имеют, конечно, работы по созданию новых путей, методов и схем утилизации различных отходов тепла в промышленности, которые в, конечном счете, сведутся также к разработке проблем энерготехнологии.
