核能煉鋼

 

一、核能煉鋼的方法

    核能應用在鋼鐵工業上,不僅可以減低成本,且能充分發揮能量供應的穩定特性,同時又可免除大量煤炭的運輸與消耗。美國與西德,為了將煤炭賦予最有效的利用起見,已嘗試使用反應器的熱能,實行煤炭的液化及氣化等技術。

    能夠適合此種應用目標的反應器,以「高溫氣冷式反應器」(high-temperature gas-cooled reactor簡稱HTGCR)為佳,如圖一所示。

    此種反應器的核心燃料係鈾、釷相混合的陶瓷質(ceramic)物質,以石墨做緩和劑,氦氣做冷卻劑,這些氦氣能被爐心加熱至700°800°C,經過熱交換器(heat exchanger),使水變成水蒸汽,推動渦輪而發電,這些熱量和電力可以提供煉鋼過程中所需的消耗。

    目前研究中的核能煉鋼方法可分三類,第一是HTGCR與碳氫化合物組合,使鐵還原的直接還原法;第二是HTGCR與氫氣組合,使鐵還原的直接還原法;第三種是傳統煉鋼廠加以改裝的方法。現分述如下:

    (一)HTGCR與碳氫化合物組合法:這是首先被研究的核能煉鋼方法,利用HTGCR產生的高溫,使還原氣體(由一氧化碳和氫組成)達到高溫。這些還原氣體是由下式反應得來:

CH4(天然氣)+H2O+熱量→CO3H2
利用此反應得到的還原氣體,將使氧化鐵煉成海棉鐵,然後再以電爐把海棉鐵精煉成鋼,整個過程的流程圖如圖二所示。

    在此種系統當中,所消耗的熱量和電力均由HTGCR供應,碳氫化合物僅用做還原劑,而不用來燃燒生熱。因此,地球上有限的碳氫化合物(主要的是煤炭、天然氣、石油)均可節省下來。

 

    (二)HTGCR與氫組合法:第二類核能煉鋼方法完全不用碳氫化合物,僅以HTGCR提供反應過程中所需的熱量以及煉鋼與電解時所需的電力。HTGCR與氫組合法的構想有二:第一是圖三所示的方法,即以HTGCR產生的電來電解水,產生氧和氫,再以HTGCR產生的熱量加熱氫,使鐵礦還原,經過電爐再精煉成鋼。第二種是圖四所示的方法,HTGCR僅提供熱量加熱氫,並提供電爐所需的電力而已,另以化學方法把水分解成氧和氫。

    由於此種系統完全不耗用化石燃料,換言之,化石燃料可以節省下來提供其他用途,所以比第一類核能煉鋼方法受人注目,也較合邏輯。

 

    (三)傳統焦爐/高爐/性氧氣爐改裝法:這一類是將HTGCR電源和傳統焦爐/高爐/性氧氣爐工廠連接起來,核能電廠電力代替化石燃料來燒熱鍋爐,並提供整個系統的電力需求,此系統雖未節省焦煤的使用量,卻節省了購買液化和氣化燃料的費用。

 

 

二、經濟價值的比較

    對於不同作業程序的系統,在比較其經濟價值之前,必須先定下一些假設,除了直接運轉成本外,銷售、管理、維護及一般經常費用都可省略而不予改慮。

    由圖五可以看出傳統煉鋼法與核能煉鋼法成本的高低。圖中粗實線為傳統「焦爐/高爐/性氧氣爐」系統的成本;粗虛線為「HTGCR與電解水」系統的成本,包括電力,熱處理成本和HTGCR的投資成本,細虛線為「HTGCR與碳氫化合物」系統的成本,上線A1包括還原氣體和電力成本加上固定投資,下線A2僅包括鋼廠裝置費用而已。

    A1B較粗實線C為高,係假設系統使用的發電機與熱處理工廠均重新購買與建造,如果不考慮這些,只考慮鋼鐵投資費用,則成本將降低為A2,比傳統方法為低。

    如果把所有投資設計、建造、維護及運轉成本算進去,亦即計算一座核能煉鋼廠與傳統煉鋼廠的總成本,則如圖六所示,仍可看出核能煉鋼方法的經濟價值,確實可以努力研究發展。

 

三、各國研究比較

    目前以日本及歐洲較注重核能煉鋼技術的研究。日本鋼鐵學院於1973年發布一項大規模的五年計畫,經費達二千五百萬美元,除發展核能煉鋼技術外,並嘗試以不同材料的組件,做各種高溫氦熱氣過濾管與直接還原過程的試驗,這個第一個五年計畫,僅是整個系統的觀念設計而已,在第一個五年計畫完成後,第二個五年計畫接著進行,包括實際建造及操作研究,計畫中的直接還原工廠連接一個五千萬瓦熱出力的試驗型HTGCR,此反應器將由日本原子能研究所負責建造。

    在歐洲,核能煉鋼俱樂部(European Nuclear Steelmaking Club)也在1973年訂定一項策略,研究核能熱量在煉鋼過程中最大使用效率。英、法、德、意、比利時、盧森堡與荷蘭均為此俱樂部的會員國。

    美國鋼鐵學會一般研究委員會曾將三種不同的核能煉鋼方法互相比較,估計其運轉及建造成本,最重要的是研究其技術上的可行性,並改慮對社會的影響,諸如環境、人體健康、安全度和天然資源的保存等等。經過核能專家的討論,顯示出以核能來處理鋼鐵製造過程,具有很大的潛力,而且一些看似困難的技術問題,都可以進一步的加以解決,但是要使核能煉鋼技術全面達到實用地步,尚需一段時間的研究與試驗。

四、尚待解決的問題

    在核能煉鋼系統發展成商用之前,首先要做到的是提高氦氣溫度達700°800°C以上,主要原因是此種高溫最能使碳氫化合物做最有效的應用。

    有人認為以目前通用的水冷式反應器(如沸水式反應器BWR與壓水式反應器PWR),要得到700°800°C的高溫,只需改變一下設計或改變燃料的處理方式即可,但是水冷式反應器所能達到的溫度僅300°C左右而已。

    如果上述改變方法未能得到700°800°C的高溫,則不僅整個反應器均需重新設計,而且反應器廠的相關系統也要改變。為了要徹底明瞭組件及操作下的高溫效能,必須先以試驗方法取得下列資料:

1.用做爐心材料的石墨和溫度的效應關係。

2.氫、鍶、銫、碘等放射性分裂產物的清除系統。

3.燃料外層包覆物和溫度的關係。

4.何時更換新燃料。

5.避免高溫氦氣流失的系統。

    美國鋼鐵學會一般研究委員會針對上述問題,列舉了一連串的解決計畫,以作業研究的方法來決定HTGCR用在煉鋼操作上的最佳途徑;並改造HTGCR設計,使溫度效能增加,另外委託有關工廠發展HTGCR專用過濾管及加熱後的碳氫化合物的過濾管。除此之外,又設計、建造一座試驗工廠,做核能煉鋼技術的模擬系統之用。

    這些設備及研究費用十分龐大,五年一期的總支出約七百萬美元,雖未能完全確定其經濟性與可行性,但一般研究委員會仍認為聯邦政府值得投資研究,因為核能煉鋼能減輕石油危機的困境。

五、發展遠景

    由於HTGCR優點很多,譬如核心設計簡單、造價低廉、容易控制、運轉穩定等等,遂成為氣冷式反應器中最具發展潛力的反應器型式。利用其高溫的優點,來改革煉鋼工業技術,無疑的是一種值得信賴的能源利用型式。

    正值我國大煉鋼廠與核能電廠積極建設的時候,若能有效的配合發展,不僅可以減輕大煉鋼廠燃油及燃煤的消耗量,又能刺激國內有關工業(如氦氣製造工業、石墨處理工業、管路輔助系統工業等等)的興起與發展,大家齊頭並進,除致力基礎工業發展外,更能開拓廣大的國外市場,爭取大量外匯。

    改寫自Nuclear News 19741713號,另參考張維廉譯核能導論(中華)及Science 1974104日。