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行业新闻

镍为能源供应提供重要支撑
发布时间:2019-09-25浏览次数:6

由于人口数量的增长,人均能源消耗量不断增加,全球对能源的需求也随之加大。预计到2035年,人类对所有能源的需求都将会大幅提高。同时,能源消耗的地理格局也正在发生变化,矿物燃料的价格随之会经历更大的波动。虽然可再生能源的应用增长迅速,但它要成为全球能源使用主流,恐怕还需要一段时间。既要设定富有雄心的目标,又要采取切实可行的行动,包括使用可再生能源,并提高资源使用效率。

  由于人口数量的增长,人均能源消耗量不断增加,全球对能源的需求也随之加大。预计到2035年,人类对所有能源的需求都将会大幅提高。同时,能源消耗的地理格局也正在发生变化,矿物燃料的价格随之会经历更大的波动。虽然可再生能源的应用增长迅速,但它要成为全球能源使用主流,恐怕还需要一段时间。既要设定富有雄心的目标,又要采取切实可行的行动,包括使用可再生能源,并提高资源使用效率。

  能源消耗的增加肯定会导致全球二氧化碳排放增多,长期来看,排放可能会导致全球气温上升3.5℃。解决问题的关键在于更具有可持续性的生活方式,恢复与修复已遭到破坏的生态系统,创建智能城市以及创新信息交流技术。应对气候变化和能源需求增长这两大挑战的创新成果也带来新的商机。全球变暖的应对措施包括改变能源生产模式,以及在能源生产、输送和使用方面寻求更高效的新方法。在能源生产峰值期与需求峰值期之间如何储存能源也是一个问题。这个问题虽然尚不普遍,但已现端倪。国际能源机构预计,在能源供应的基础设施建设方面,全球的投资额将要达到38万亿美元,其中三分之二将发生在发展中国家。

  镍在可再生能源的生产中扮演着关键的角色,它让相关技术在应对气候变化的工作中发挥了核心作用。一座大型的风轮机一般会用到500千克的镍。许多新型的能源方案都应用了镍,例如燃料电池、聚光太阳能发电和燃料乙醇等。而含镍不锈钢的抗腐蚀特质使得供暖系统能高效运行。

  镍与能源

  镍和镍合金在全球能源经济的每个方面都有重要作用。上个世纪,不锈钢在燃料和电力的提炼和生产中发挥了关键的作用,也日渐成为了生产“绿色”能源的必备材料。社会的未来所依赖的正是创新的和可再生的能源,现有知识和技术向新能源产业的转移也将会越来越重要。含镍合金强度与抗腐蚀性于一体,无论用何种技术,都能在苛刻的环境下发挥关键作用。

  可再生燃料技术将需要更多金属材料。荷兰莱顿大学的一项调查显示,各种原材料(包括镍)的供应量必须大幅提高,以满足光伏太阳能板和利用生物质及风能的需求。

  高效供暖系统

  在发达经济体中,现代家庭能源消耗量的60%都是用于加热和制冷。如今,人们都意识到了节省能源、提高家居耗能效率的必要性。

  当前,市面上最高效的就是“冷凝式”的锅炉和供暖炉。与标准型号相比,这类系统能节省35%的能耗。冷凝式锅炉和供暖炉采用了最先进的热交换器,它们能在锅炉烟气从烟囱排放之前从中吸收更多的余热。这些热交换器一般都是由含镍不锈钢制成的,材料和特质使它们能耐受酸性烟气和冷凝液体的侵蚀。因此,这些供暖系统不及能源效率高,而且维护需求也很低。

  可再生能源

  镍在可再生能源的生产中扮演着关键的角色,它让清洁能源在应对气候变化的工作中发挥核心作用。

  水平轴风轮机的运作原理是捕捉风的动能,并把它转化为机械能。现代风轮机的大部分零件都是以可锻铸铁铸造而成的,如轴承、旋翼毂、齿轮和底座等。在运作过程中,设备的温度可能会到达-20°C。因此,在铸造过程中加入镍元素,就能保证轮机的耐低温性。只有极少数元素能在加强铸铁强度的同时又让它不会变脆,而镍就是其中一种。一台由45吨铸铁制成的风轮机中,一般会包含了将近半吨的镍。风能非常具有发展潜力,而镍合金铸件则能把这股潜力转化为现实。

  太阳能在全世界的应用越来越广泛,但它面临两个主要挑战:一是如何储存日间生产的能量,以供夜间使用;二是如何能把太阳能输送至需求点。而通过使用含镍不锈钢,把聚光太阳能发电技术与熔盐结合起来,就能解决这两个问题。这类太阳能发电技术聚集太阳能以产生蒸汽,然后用蒸汽驱动汽轮机来发电。熔盐是一种储热介质,能长时间高效储存热能。在发电的整个运行周期里,熔盐都能保持液态,哪怕温度高过500°C(大部分高效的蒸汽轮机都能达到这个温度)。整个运行过程都会用到以含镍不锈钢制成的管道、阀门和容器,它们的特质保证了设备能承受高温,并且不受熔盐侵蚀。

  使用含镍材料促进了工程技术的进步,使大规模高效工程得以实施。安装在发电机组顶部的水轮组从导水管接受水流,使水流发挥其初始的、关键性的旋转驱动力。使用含镍不锈钢,水轮就能按最高耐受性设计和制造,使每个水轮都能让作用于该装置的水的流量和压力达到最大化。只有这样,水流的动能才能发挥最大效率,并得到充分利用。除此以外,镍合金的强韧性还能把水流的冲蚀程度降至最低,使水轮能有更长时间保持其最佳的角度和曲面。

  如今,使用可再生的乙醇来取代传统燃料的做法也越来越普遍。纤维素乙醇就是其中一类第二代生物燃料,它的制作原料可以是任何植物,如谷物、稻杆、草或树木等,甚至可以是城市废料。与石油类燃料相比,纤维素乙醇可以减少超过85%的温室气体排放,因此它特别受欢迎。

  氢和燃料电池是新型的替代能源。要通过电解水来有效获得氢气的话,需要用到铂作为触媒。但铂极其稀少和昂贵。为了应对能源和环境的挑战,研究员们研制了一个含有镍的触媒替代配方,效用与铂类似,大有发展前途。但是,这些植物原料在转换成可用的乙醇之前,必须要经过前期处理。大部分的前期处理工序都需要在苛刻的环境下进行,还会用到腐蚀性的物质——其中一种常用的化学剂就是硫酸。因此,在处理过程中用到的生产设备必须要极其耐用,还要有极强的抗腐蚀性。含镍不锈钢和高镍合金就是非常理想的材料。

  核电

  核电站使用含镍不锈钢和镍基合金的主要原因是它们具有强韧性和抗腐蚀性。一座核反应堆一般会用到20种不同的镍合金部件,例如反应堆的内部组件、蒸汽发生器的导管以及制冷剂和热水管道等。一些老式的核反应堆在建设过程中安装了碳钢管道,如今都不免出现了腐蚀的问题。新一代的核反应堆吸取经验教训,在选择材料时会留意材料是否适用于这类应用和操作环境。

  洁净煤

  烧煤是空气污染和二氧化碳排放的最大来源之一。研究员们已经研制出新技术,保证燃煤发电厂能把二氧化硫、二氧化碳和颗粒污染物的排放量控制在最低水平。例如,通过在“湿式除尘器”中使用不锈钢和镍合金,燃煤发电站就能收集煤炭中含有的、在煤燃烧过程中释出的汞。大部分湿式除尘器都以含镍合金制成,这种材料既强韧,又能在高温和酸性的烟囱环境中免受腐蚀。

  为了要捕集碳并且让它保持固态,避免其排放到大气中,研究员们在碳捕集和封存(CCS)技术方面进行了大量的研究和开发。要形成“固”碳的功能(即矿物碳酸化)可能要在腐蚀性的高压环境中进行处理,环境温度也会比烟囱温度要高。在这种情况下,高镍合金正是不二之选。

  电池

  充电电池的化学探索发展迅速,电池技术推陈出新,其中包括锂离子电池、金属氢化物电池和钠基电池等。大部分含镍电池都被应用在无线设备、手机、笔记本电脑、数码相机和汽车等设备当中,或者作为后备电源使用。与标准的碱性电池对比起来,可充电的镍氢电池持续时间要长得多,而且还能重复使用数百次,长期使用不仅能省钱,而且还能保护环境。除了在电池化学中发挥积极作用以外,镍也是断路器的一个重要组分,是电池安全机制的一部分。断路器中有一块由镍和树脂制成的薄片,在充电和放电期间,断路器能把电压和电流保持在安全水平。

  钠金属卤化物电池在二十世纪四十年代首次面世。在添加了镍这一活性金属后,电池化学的这一分支更臻完善,使电池更安全、能量密度更大,电池的尺寸和电压可进一步加大,充电使用周期可达数千次,在寿命终结时还能完全回收。它的工业用途非常广泛,特别是用于收集和储存风能、太阳能、潮汐能和其他新能源。这项技术的发展将能让这些非碳能源的利用变得更可行、更可取。

  在电池的使用寿命终结时,循环回收是非常重要的。通过回收电池,我们能循环再用镍等重要材料,从而降低对新矿物材料的需求。这不仅能减少资源消耗,还能节约能源。

  硫酸制造

  硫酸的生产规模比世界上任何化学品都要大。由于硫酸在工业中用途广泛,因此它的人均使用量也往往是衡量国家工业水平的指标。在过去的30年里,硫酸的生产技术经历了重大变革。如今,它已经与环境保护密切相关。所有的石油和天然气矿藏中都天然地蕴藏着硫。因此,这些化石燃料在燃烧时会释放出二氧化硫气体。排放出的这些气体会在大气层中发生反应,形成酸雨。早在二十世纪八十年代,各国政府就开始规管二氧化硫的排放。从那时开始,工业界就开始采用包括含镍不锈钢的治理技术,在燃烧过程中回收硫元素,并制成硫酸。含镍不锈钢拥有抗腐蚀的特质,能承受浓酸和高温,是制作管道、储存罐和冷却罐的关键材料,能让这个重要的化学工序顺利进行。目前通过回收制成的硫占了硫总使用量的70%,大大降低了挖掘新的硫矿物的需求,这部分要归功于镍。最重要的是,它还能把二氧化硫的排放量减半,让大量湖泊和森林恢复生机。(本文由国际镍协会提供资料整理而成)


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