鎳:助力清潔能源行業(yè)發(fā)展
2021年09月22日 13:36 91180次瀏覽 來(lái)源: 中國(guó)有色金屬報(bào) 分類: 鎳資訊
近期,國(guó)際能源署發(fā)布旗艦報(bào)告《關(guān)鍵礦物在清潔能源轉(zhuǎn)型中的作用》,對(duì)低碳排放技術(shù)取代非可持續(xù)發(fā)電方法所需金屬和礦物的需求做出預(yù)測(cè),文中提及了鎳對(duì)清潔能源技術(shù)應(yīng)用的重要性。
鎳是使合金堅(jiān)韌的關(guān)鍵,在清潔技術(shù)的應(yīng)用中同樣發(fā)揮了作用。以水力發(fā)電為例,在水力發(fā)電中,鎳的用量較少,但是對(duì)于水輪機(jī)葉片的焊接性能和延長(zhǎng)大壩閘門部件的使用壽命至關(guān)重要。除發(fā)電外,其他一些清潔技術(shù)也會(huì)產(chǎn)生熱能,生物燃料生產(chǎn)就是一個(gè)很好的例子,它對(duì)含鎳不銹鋼的依賴度很強(qiáng)。實(shí)際上,清潔能源技術(shù)都要用到鎳。本文將詳細(xì)介紹鎳在地?zé)?、水電和風(fēng)電這三種清潔能源中發(fā)揮的作用。
地?zé)岚l(fā)電中的鎳應(yīng)用
地?zé)岚l(fā)電,可以為住宅和其他建筑物供暖。150℃以上的蒸汽或加壓熱水通過(guò)管道輸送到地面,驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,然后冷卻,溫度較低的水通過(guò)管道輸送到集中供暖系統(tǒng),然后返回地下自然加熱。地?zé)崤c太陽(yáng)能或風(fēng)能不同,其主要優(yōu)點(diǎn)之一是穩(wěn)定可靠。
地下水或蒸汽的質(zhì)量具有很強(qiáng)的地域性。有些水含有大量的氯化物和硫化氫,具有腐蝕性。加利福尼亞州索爾頓湖地?zé)犭娬卷?xiàng)目設(shè)備中大量使用了C-22(N06022)等鎳基合金,有效解決了這一問(wèn)題。
以冰島首都雷克雅未克附近的Hellisheiei電站為例,該電站是世界上第六大地?zé)犭娬?。該電站發(fā)電303兆瓦,產(chǎn)生熱能400兆瓦,并通過(guò)一條19.5公里長(zhǎng)的管道輸送到城市,為住宅和商業(yè)供暖。地?zé)峋某鏊疁囟燃s為200℃,含有少量的氯化物和一些硫化氫。該系統(tǒng)使用的材料,有典型的碳鋼套管合金,也有各種牌號(hào)的不銹鋼,甚至高鎳合金,有些關(guān)鍵部件還使用了鈦合金。使用含鎳材料的關(guān)鍵部件有渦輪機(jī)、冷凝器、熱交換器、泵和管道系統(tǒng),用到的含鎳不銹鋼有630(S17400)、316L(S31603)、各種雙相合金、6%鉬合金(S31254)和鎳合金625(N06625)。在發(fā)電設(shè)備所用的合金材料中,鎳的使用量大約為100噸。在正確的應(yīng)用環(huán)境下,這些材料可以提供良好的耐腐蝕性、強(qiáng)度,并創(chuàng)造傳熱性良好的清潔表面。
水力發(fā)電中的鎳應(yīng)用
水力發(fā)電是目前可再生電力的最大來(lái)源。據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè),到2040年,全球水力發(fā)電能力將增長(zhǎng)70%,主要集中在亞太地區(qū)。水力發(fā)電將成為未來(lái)可再生能源的主要來(lái)源。此外,一些老舊發(fā)電廠的改造升級(jí)也會(huì)利用現(xiàn)有技術(shù)延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命,提高能源產(chǎn)量。
大多數(shù)水力發(fā)電系統(tǒng)都有給水輪機(jī)供水的大壩,它們的關(guān)鍵部件都要用到鎳。未來(lái),鎳將在這些領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。發(fā)電廠的核心是發(fā)電機(jī),由轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)子和定子組成,承壓水流驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪,磁性轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能。渦輪機(jī)大多由含鎳不銹鋼制成的,既要耐腐蝕,也要耐氣蝕。水輪機(jī)型號(hào)規(guī)格不一,體積普遍很大,焊接性和焊補(bǔ)性是選擇材料的關(guān)鍵,因此,最耐用的水輪機(jī)使用了含鎳馬氏體不銹鋼和奧氏體不銹鋼制成,如410NiMo(UNS S41500)、EN 1.4488(無(wú)UNS)、304(S30400)以及相應(yīng)的鑄造材料。此外,通常定子的尺寸較大,而含鎳奧氏體不銹鋼的非磁性是保證定子性能的關(guān)鍵,尤其是XM-19(S20910)合金。
隨著水壓和水量的增加,設(shè)備部件會(huì)受到磨損。在這些設(shè)備使用的合金中添加鎳,可以提高材料的耐用性。高強(qiáng)度低合金(HSLA)鋼將是未來(lái)引水管道(向水輪機(jī)供水的大口徑管道)的最佳材料。引水管直徑可達(dá)10米,使用高強(qiáng)度鋼可以減輕管道重量、擴(kuò)大管徑。在這些合金中添加鎳,可以促進(jìn)高強(qiáng)度馬氏體相的形成,還可以改善引水管材的焊接性。含鎳材料具有成本低、用料省和效率高的優(yōu)勢(shì),在未來(lái)的水力發(fā)電中擔(dān)當(dāng)著重要角色。
風(fēng)力發(fā)電中的鎳應(yīng)用
近年來(lái),風(fēng)力發(fā)電快速發(fā)展,全球風(fēng)力發(fā)電規(guī)模已接近750GW,目前,風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大功率已經(jīng)達(dá)到10MW,功率更大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)正在研制中,其材料使用量有所減少,這意味著每兆瓦能源消耗的材料更少。
在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中,許多關(guān)乎安全的部件,如梯子、控制面板和緊固件等設(shè)備創(chuàng)造材料會(huì)使用含鎳不銹鋼。鎳在風(fēng)力發(fā)電中的主要作用是提高低合金鋼的強(qiáng)度和韌性。許多合金元素都能提高鋼的強(qiáng)度和硬度,鎳是少數(shù)能提高韌性的元素之一。韌性表示材料在變形過(guò)程中吸收機(jī)械能的能力,這對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行十分關(guān)鍵。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱承載著最重要的轉(zhuǎn)動(dòng)部件。一臺(tái)8MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)的齒輪箱重量可達(dá)86噸。如果出現(xiàn)重大故障,更換陸地風(fēng)力發(fā)電機(jī)的部件或整個(gè)齒輪箱的成本都是非常高昂的,對(duì)于海上風(fēng)電裝置來(lái)說(shuō),運(yùn)維和停機(jī)成本更高。因此,可靠性和增強(qiáng)使用壽命,是保證風(fēng)電經(jīng)濟(jì)性的必要因素。齒輪箱的重量同樣不可忽視,齒輪箱裝在機(jī)艙內(nèi),整個(gè)機(jī)艙由機(jī)塔支撐,且長(zhǎng)期處于在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下。機(jī)艙重量每減輕1公斤,機(jī)塔的材料消耗就可以減少10公斤。如今,制造齒輪箱的鋼材大多數(shù)都含有鎳,某些部件的鎳含量高達(dá)2%。對(duì)于正在研發(fā)的20MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī),則推薦使用鎳含量更高的合金鋼。為了減輕重量、提高可靠性,未來(lái),不含鎳的部件可能會(huì)用含鎳0.5%的材料。(本文由國(guó)際鎳協(xié)會(huì)提供資料整理而成)
責(zé)任編輯:付宇
如需了解更多信息,請(qǐng)登錄中國(guó)有色網(wǎng):m.gzjcgq.com了解更多信息。
中國(guó)有色網(wǎng)聲明:本網(wǎng)所有內(nèi)容的版權(quán)均屬于作者或頁(yè)面內(nèi)聲明的版權(quán)人。
凡注明文章來(lái)源為“中國(guó)有色金屬報(bào)”或 “中國(guó)有色網(wǎng)”的文章,均為中國(guó)有色網(wǎng)原創(chuàng)或者是合作機(jī)構(gòu)授權(quán)同意發(fā)布的文章。
如需轉(zhuǎn)載,轉(zhuǎn)載方必須與中國(guó)有色網(wǎng)( 郵件:cnmn@cnmn.com.cn 或 電話:010-63971479)聯(lián)系,簽署授權(quán)協(xié)議,取得轉(zhuǎn)載授權(quán);
凡本網(wǎng)注明“來(lái)源:“XXX(非中國(guó)有色網(wǎng)或非中國(guó)有色金屬報(bào))”的文章,均轉(zhuǎn)載自其它媒體,轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息,并不構(gòu)成投資建議,僅供讀者參考。
若據(jù)本文章操作,所有后果讀者自負(fù),中國(guó)有色網(wǎng)概不負(fù)任何責(zé)任。