镍:助力清洁能源行业发展

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镍:助力清洁能源行业发展

2021年09月22日     来源: 中国有色金属报 

近期,国际能源署发布旗舰报告《关键矿物在清洁能源转型中的作用》,对低碳排放技术取代非可持续发电方法所需金属和矿物的需求做出预测,文中提及了镍对清洁能源技术应用的重要性。

镍是使合金坚韧的关键,在清洁技术的应用中同样发挥了作用。以水力发电为例,在水力发电中,镍的用量较少,但是对于水轮机叶片的焊接性能和延长大坝闸门部件的使用寿命至关重要。除发电外,其他一些清洁技术也会产生热能,生物燃料生产就是一个很好的例子,它对含镍不锈钢的依赖度很强。实际上,清洁能源技术都要用到镍。本文将详细介绍镍在地热、水电和风电这三种清洁能源中发挥的作用。

地热发电中的镍应用

地热发电,可以为住宅和其他建筑物供暖。150℃以上的蒸汽或加压热水通过管道输送到地面,驱动发电机发电,然后冷却,温度较低的水通过管道输送到集中供暖系统,然后返回地下自然加热。地热与太阳能或风能不同,其主要优点之一是稳定可靠。

地下水或蒸汽的质量具有很强的地域性。有些水含有大量的氯化物和硫化氢,具有腐蚀性。加利福尼亚州索尔顿湖地热电站项目设备中大量使用了C-22(N06022)等镍基合金,有效解决了这一问题。

以冰岛首都雷克雅未克附近的Hellisheiei电站为例,该电站是世界上第六大地热电站。该电站发电303兆瓦,产生热能400兆瓦,并通过一条19.5公里长的管道输送到城市,为住宅和商业供暖。地热井的出水温度约为200℃,含有少量的氯化物和一些硫化氢。该系统使用的材料,有典型的碳钢套管合金,也有各种牌号的不锈钢,甚至高镍合金,有些关键部件还使用了钛合金。使用含镍材料的关键部件有涡轮机、冷凝器、热交换器、泵和管道系统,用到的含镍不锈钢有630(S17400)、316L(S31603)、各种双相合金、6%钼合金(S31254)和镍合金625(N06625)。在发电设备所用的合金材料中,镍的使用量大约为100吨。在正确的应用环境下,这些材料可以提供良好的耐腐蚀性、强度,并创造传热性良好的清洁表面。

水力发电中的镍应用

水力发电是目前可再生电力的最大来源。据国际能源署预测,到2040年,全球水力发电能力将增长70%,主要集中在亚太地区。水力发电将成为未来可再生能源的主要来源。此外,一些老旧发电厂的改造升级也会利用现有技术延长设备的使用寿命,提高能源产量。

大多数水力发电系统都有给水轮机供水的大坝,它们的关键部件都要用到镍。未来,镍将在这些领域发挥更大的作用。发电厂的核心是发电机,由转轮、转子和定子组成,承压水流驱动转轮,磁性转子在定子内旋转产生电能。涡轮机大多由含镍不锈钢制成的,既要耐腐蚀,也要耐气蚀。水轮机型号规格不一,体积普遍很大,焊接性和焊补性是选择材料的关键,因此,最耐用的水轮机使用了含镍马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢制成,如410NiMo(UNS S41500)、EN 1.4488(无UNS)、304(S30400)以及相应的铸造材料。此外,通常定子的尺寸较大,而含镍奥氏体不锈钢的非磁性是保证定子性能的关键,尤其是XM-19(S20910)合金。

随着水压和水量的增加,设备部件会受到磨损。在这些设备使用的合金中添加镍,可以提高材料的耐用性。高强度低合金(HSLA)钢将是未来引水管道(向水轮机供水的大口径管道)的最佳材料。引水管直径可达10米,使用高强度钢可以减轻管道重量、扩大管径。在这些合金中添加镍,可以促进高强度马氏体相的形成,还可以改善引水管材的焊接性。含镍材料具有成本低、用料省和效率高的优势,在未来的水力发电中担当着重要角色。

风力发电中的镍应用

近年来,风力发电快速发展,全球风力发电规模已接近750GW,目前,风力发电机的最大功率已经达到10MW,功率更大的风力发电机正在研制中,其材料使用量有所减少,这意味着每兆瓦能源消耗的材料更少。

在风力发电机中,许多关乎安全的部件,如梯子、控制面板和紧固件等设备创造材料会使用含镍不锈钢。镍在风力发电中的主要作用是提高低合金钢的强度和韧性。许多合金元素都能提高钢的强度和硬度,镍是少数能提高韧性的元素之一。韧性表示材料在变形过程中吸收机械能的能力,这对风力发电机的运行十分关键。

风力发电机齿轮箱承载着最重要的转动部件。一台8MW风力发电机的齿轮箱重量可达86吨。如果出现重大故障,更换陆地风力发电机的部件或整个齿轮箱的成本都是非常高昂的,对于海上风电装置来说,运维和停机成本更高。因此,可靠性和增强使用寿命,是保证风电经济性的必要因素。齿轮箱的重量同样不可忽视,齿轮箱装在机舱内,整个机舱由机塔支撑,且长期处于在强风环境下。机舱重量每减轻1公斤,机塔的材料消耗就可以减少10公斤。如今,制造齿轮箱的钢材大多数都含有镍,某些部件的镍含量高达2%。对于正在研发的20MW的风力发电机,则推荐使用镍含量更高的合金钢。为了减轻重量、提高可靠性,未来,不含镍的部件可能会用含镍0.5%的材料。


时间:2021-09-22   访问量:29

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