Шлак является крупнейшим побочным продуктом металлургической промышленности. Этоn вид отходов как оказалось может найти отличное применение: сократить выбросы углерода при производстве стали.
Начиная с этого года, исследователи тепловой энергии в Стране Басков Испании будут тестировать использование шлака в качестве накопителя тепловой энергии в процессе производства стали, чтобы сократить использование ископаемого топлива для отопления крупнейшего в мире производителя стали - заводов Arcelor Mittal.
Шлак является наиболее широко образующимся побочным продуктом в черной металлургии: ежегодно его производится около 20 миллионов тонн. Хотя эти мелкие серые камешки можно использовать в дорожном строительстве, большая часть их уходит в отходы. Но керамические материалы, подобные этому, являются хорошими кандидатами для хранения тепла. Шлак имеет удельную теплоемкость 810 кДж/кг·К и плотность 3980 кг/м3.
«Мы построили резервуар для хранения тепловой энергии 1 МВтч на сталелитейном заводе Arcelor Mittal в Сестао, Испания, который начнет свою работу в конце февраля. У нас будет идея, и мы получим результаты по сокращению выбросов к июлю», - рассказывает доктор технических наук Иньго Ортега-Фернандес, который представил результаты первоначального исследования группы в меньшем масштабе на конференции SolarPACES в Марокко, в документе под названием «Экспериментальная проверка стального шлака в качестве материала для хранения тепловой энергии».
Завод Arcelor Mittal в Басконии, Сестао, производит почти 2,5 миллиона тонн стали в год. Но европейская сталелитейная промышленность должна сократить свои выбросы углерода, потому что, как и другие страны в ЕС, Испания действует в рамках ETS (системы торговли выбросами). Есть много металлургических заводов в Стране Басков в Испании, где это исследование проводится через центр энергетических исследований CIC Energigune.
Как металлургический завод может сократить использование ископаемого топлива с накоплением тепловой энергии
Основной процесс металлургического производства, плавка сырья, осуществляется в электродуговых печах. На сталелитейном заводе, где будет проходить демонстрация, есть две печи, которые работают 24 часа в сутки, используя электричество для расплавления стального лома. Перед подачей в эти печи стальной лом предварительно нагревается, и в текущей конфигурации сталелитейного завода необходимое тепло для этого процесса обеспечивается сжиганием природного газа.
Но вместо того, чтобы сжигать ископаемое топливо для предварительного нагрева лома, исследовательская группа занимается хранением отработанного тепла, выходящего при температуре более 1000 °C из дуговой электропечи, в резервуаре для хранения тепловой энергии 1 МВтч, заполненном шлаком. Затем, позже, вместо сжигания природного газа для предварительного нагрева следующей партии стального лома, отводится то, что накапливается тепло. До сих пор не было никакой денежной оценки этого отработанного газа при производстве стали.
Для первых испытаний команда продемонстрировала передовую технологию накопления тепла на установке воздушной испытательной петли в CIC Energigune, где можно испытывать системы накопления тепла при широком диапазоне скоростей и температур воздуха. В то время как валидация проводилась при 400 кВт-ч * тонна, испытание 2019 года будет при удвоенной мощности: 1 МВт-ч * тонна.
Хотя любой успех с накоплением шлака и воздуха в аккумулировании тепловой энергии будет также применяться на заводе CSP, для этого теста технология рассматривается как автономное аккумулирование тепла внутри сталелитейного завода для сокращения выбросов углерода при производстве стали.
Как это будет работать
Демонстрационная установка, снабженная выхлопными газами, испускаемыми при очень высокой температуре, до 1000 °C, с накопительным резервуаром тепловой энергии на основе шлака высотой 5 м и диаметром 1,5 м, будет расположена рядом с электродуговой печью. Накопленное тепло будет использовано при необходимости предварительного нагрева лома, заменив природный газ.
Перед хранением этого тепла его необходимо перенести на воздух, поскольку в выхлопных газах содержится много пыли и агрессивных соединений. «Это одна из основных идей этого процесса», - пояснил Ортега. «Эти газы имеют очень жесткий состав, поэтому нелегко перенести их теплосодержание в другую среду. Это не тот случай, когда вы можете взять газы с одной стороны установки и направить их прямо в другую точку. В этом смысле мы разработали сложный теплообменник для передачи тепла атмосферному воздуху».
Этот нагретый воздух будет циркулировать через пустые пространства между камешками шлака, поэтому тепло передается шлаку, сказал он: «Бак практически заполнен на 65% частицами шлака и на 35% воздухом. Воздух циркулирует через пустоты, оставленные частицами шлака от 1 до 3 см3».
«Шлак может выдержать температуру до 1100 °C перед плавлением, но, учитывая стальной конструкционный материал резервуара, мы ограничиваем это применение до 800 °C, что не так высоко, как в некоторых других проектах НИОКР по частицам, поскольку при более высоких температурах сталь резервуара может механически разрушиться», - добавил он.
Аккумулирование тепловой энергии является важнейшим компонентом в будущем на 100% экологически чистой энергии, поскольку оно позволяет использовать солнечную энергию на установке CSP. Если испытание будет успешным, это будет означать, что частицы шлака также могут быть использованы в качестве среды для хранения в башне CSP, а воздух - в качестве теплоносителя.
Тепловое накопление в частицах, использующее воздух для передачи тепла, является одним из направлений исследований, проводимых сетью международных исследователей солнечной тепловой энергии, в связи с ее потенциалом в дальнейшем снижении затрат на технологию башен с концентрированной солнечной энергией (CSP).
Исследовательский интерес к системам накопления тепла с уплотненным слоем, в которых воздух используется для передачи тепла, заключается в том, что он позволяет использовать только один резервуар для хранения тепла, а не отдельный горячий и холодный резервуар, как в современных системах расплавленных солей, что снижает затраты. Частицы нагреваются из верхней части резервуара горячим воздухом в непрерывном процессе, поэтому самый горячий материал всегда находится в верхней части резервуара, а самая холодная часть - в нижней части.
Есть две основные причины, по которым шлак считается экономически эффективным решением для хранения: «Одна - это стоимость материала. Это почти ноль. Во-вторых, это позволяет перейти от технологии с двумя резервуарами к системе с одним резервуаром. Следовательно, и конструкция одного резервуара, и его материал для хранения исключаются. Оба аспекта имеют скрытое снижение затрат», - рассказал Ортега.
Может ли накопление тепла в шлаке сократить использование ископаемой энергии в других энергоемких отраслях?
К июлю тест должен показать, может ли эта технология работать, и проанализировать, насколько она может сократить выбросы CO2 в стали. «Мы начали этот проект, чтобы посмотреть, сможем ли мы сократить использование ископаемого топлива на целых 80%», - сказал он. «Как только мы начнем, мы сможем оценить это. У нас будут реальные цифры к концу тестовой кампании в июле».
Испытание финансируется Европейской комиссией (REslag - 642067), потому что автономное хранение тепловой энергии со шлаком может сократить использование ископаемого топлива не только в самой сталелитейной промышленности, но и в других отраслях тяжелой промышленности, которые нуждаются в высокотемпературном нагреве, как изготовление цемента. Ортега заключил: «Основная цель - продемонстрировать, что эта технология (насыпная кровать на основе шлака) работает на промышленном уровне. Следующими шагами будет внедрение этой технологии и в других секторах».
