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鎳在交通運輸中的有何妙用

點擊次數:7 更新時間:2022-11-24

鎳催(cui)化劑在交通(tong)運輸(shu)脫碳中的應用


鎳催(cui)化劑在生(sheng)(sheng)(sheng)物柴油、可(ke)(ke)再(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)柴油和可(ke)(ke)持續航空燃(ran)料的(de)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)中(zhong)發揮(hui)重要作(zuo)用(yong)。不論是(shi)在陸運、海運還是(shi)空運中(zhong),鎳催(cui)化劑在運輸行業(ye)所(suo)需的(de)能(neng)源轉化中(zhong)都起著關(guan)鍵作(zuo)用(yong)。此外,鎳催(cui)化劑還可(ke)(ke)用(yong)于制氫水電(dian)解(jie)槽。氫氣可(ke)(ke)以(yi)直接(jie)燃(ran)燒,用(yong)于燃(ran)料電(dian)池,用(yong)于加氫處(chu)理其(qi)他可(ke)(ke)再(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)燃(ran)料,也可(ke)(ke)轉化為另(ling)一(yi)種燃(ran)料,如甲(jia)醇或(huo)氨。氫氣還可(ke)(ke)以(yi)用(yong)于其(qi)他化學品的(de)凈零生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan),或(huo)用(yong)于鐵(tie)礦石(shi)煉鋼。


電解槽和燃料電池


電解槽將水(shui)分解成氫(qing)和(he)氧(yang)。燃料電池是一種反(fan)向電解槽,通(tong)過將氧(yang)氣和(he)氫(qing)氣結合(he)成水(shui)來(lai)產生電能。當使用可再生能源制氫(qing)時,這種氫(qing)被稱為“綠”氫(qing),國際能源署預測,未來(lai)?25?年對綠氫(qing)的需求將呈爆炸式增(zeng)長。


目前可(ke)供使用(yong)的電(dian)解(jie)(jie)(jie)槽(cao)(cao)有(you)四種(zhong):聚 合(he) 物 電(dian) 解(jie)(jie)(jie) 質(zhi) 膜(mo)(也 稱 為(wei)質(zhi) 子(zi)交換膜(mo),PEM)、堿性水(shui)電(dian)解(jie)(jie)(jie)槽(cao)(cao)(AWE)、陰離子(zi)交換膜(mo)(AEM)和固體氧(yang)化物電(dian)解(jie)(jie)(jie)池(SOEC)。雖然?PEM?電(dian)解(jie)(jie)(jie)槽(cao)(cao)效率最高,但它需要使用(yong)鉑(bo)和銥作(zuo)為(wei)電(dian)催化劑,而其(qi)他(ta)三種(zhong)技術使用(yong)鎳(nie)基電(dian)催化劑。在含鎳(nie)的電(dian)解(jie)(jie)(jie)槽(cao)(cao)類型中,AWE?是商業上最先進的。AWE?的陽(yang)極、陰極和電(dian)解(jie)(jie)(jie)槽(cao)(cao)流場(chang)組件(jian)中均含有(you)鎳(nie)。


流場(chang)由(you)(you)一(yi)個松(song)散的(de)鎳網(wang)組成,以便(bian)于傳輸電解質和析出氣體。陽極通常是由(you)(you)燒(shao)結纖維組成的(de)工程(cheng)鎳網(wang),而(er)陰極是涂(tu)有催(cui)化劑的(de)類似(si)鎳纖維網(wang)。這些催(cui)化劑是供應商專(zhuan)用的(de),但常用的(de)是?Ni、Fe、Ox。


不同催化(hua)劑的(de)優點(dian)和缺點(dian)


因為(wei)AWE的(de)(de)(de)(de)資本成(cheng)本相(xiang)對較低(di),所(suo)以(yi)使(shi)用(yong)的(de)(de)(de)(de)越來越多,但為(wei)了最(zui)大限度降低(di)生產成(cheng)本和(he)滿足可再生電力(li)的(de)(de)(de)(de)需求,AEM和(he)SOEC也(ye)正在被(bei)引進(jin)。與?AWE?相(xiang)比(bi),AEM?的(de)(de)(de)(de)電效率(lv)更高,使(shi)用(yong)的(de)(de)(de)(de)材料也(ye)類似,因此通常認為(wei)是?AWE與?PEM?的(de)(de)(de)(de)中間體。


與?AWE?一樣,AEM?使(shi)用(yong)(yong)鎳網來控(kong)制流量和輸送電流,也使(shi)用(yong)(yong)鎳催化(hua)劑(ji)。與?AEW?中使(shi)用(yong)(yong)的(de)相(xiang)對(dui)簡單(dan)的(de)催化(hua)劑(ji)相(xiang)比(bi),AEM催化(hua)劑(ji)往往設計得(de)更高級。建議(yi)使(shi)用(yong)(yong)的(de)具有高性能的(de)陽極催化(hua)劑(ji)包(bao)括附(fu)(fu)在碳紙(zhi)上(shang)(shang)的(de)?NiFe?層狀雙氫氧化(hua)物和附(fu)(fu)在?Ni泡沫上(shang)(shang)的(de)?NiCoSe合金。陰極催化(hua)劑(ji)傾向于采用(yong)(yong)附(fu)(fu)在鎳網上(shang)(shang)的(de)?NiFe和NiCo合金。


SOEC可(ke)在非(fei)常高的溫(wen)度下(>600℃)運(yun)行(xing),并具(ju)有較高效率,能夠將廢(fei)熱集成到(dao)工業應用(yong)中(zhong)。在SOEC?中(zhong),電(dian)(dian)催化劑(通(tong)常是鎳金(jin)屬顆(ke)粒(li))直(zhi)接附(fu)在電(dian)(dian)解質上,電(dian)(dian)解質是一種(zhong)在高操作溫(wen)度下對離子導電(dian)(dian)的金(jin)屬氧化物(wu)。


獨一無二的(de)鎳


這些僅僅是(shi)使用(yong)鎳(nie)(nie)催(cui)化(hua)劑和其他成分(fen)在未來低碳(tan)環境中發揮作用(yong)的(de)(de)(de)(de)例(li)子(zi)。鎳(nie)(nie)相對(dui)較低的(de)(de)(de)(de)成本,對(dui)腐蝕性(xing)物質(zhi)的(de)(de)(de)(de)惰(duo)性(xing),以及(ji)在電解槽中的(de)(de)(de)(de)具體性(xing)能特點,使其成為(wei)這些新興(xing)技術不可替代的(de)(de)(de)(de)一部(bu)分(fen)。



B型(xing)鎳基合金推出(chu)100周(zhou)年(nian)


在(zai)?20?世(shi)紀?30?年(nian)(nian)代初推出主力(li)“C”系列鎳(nie)(nie)基(鎳(nie)(nie)鉻鉬(mu)(mu))合(he)(he)金(jin)之(zhi)前,人們已(yi)經對鎳(nie)(nie)鉬(mu)(mu)合(he)(he)金(jin)的成分進(jin)行(xing)了研究。鎳(nie)(nie)鉬(mu)(mu)合(he)(he)金(jin)成分最終在(zai)?1921?年(nian)(nian)被授(shou)予專(zhuan)利,在(zai)?1923?年(nian)(nian)引進(jin)了鎳(nie)(nie)含量(liang)為?60%、鉬(mu)(mu)含量(liang)為?30%?的?B?型鎳(nie)(nie)基(鎳(nie)(nie)鉬(mu)(mu))合(he)(he)金(jin)。


B型合金具有(you)特殊的(de)耐(nai)(nai)還原酸能(neng)力,主要在(zai)鹽(yan)酸、硫(liu)酸以及(ji)乙酸、磷酸和(he)(he)甲(jia)酸環(huan)境中使用,但(dan)對氧化環(huan)境的(de)耐(nai)(nai)腐蝕性較差。因此(ci),不建議在(zai)氧化介(jie)質中,或在(zai)可能(neng)導致快(kuai)速過(guo)早(zao)腐蝕的(de)鐵鹽(yan)或銅(tong)鹽(yan)的(de)環(huan)境中使用。當鹽(yan)酸與鐵和(he)(he)銅(tong)接(jie)觸時,可能(neng)會(hui)形成(cheng)這(zhe)種鹽(yan),具體應用包括(kuo)反(fan)應容器、熱交換器、閥門、泵和(he)(he)管道(dao)。 


在第二次世界大戰之前(qian),B?型合金在飛機發動機的(de)增(zeng)壓器渦輪葉片中使用,以提(ti)高性能、增(zeng)加馬力。這一(yi)應用最終被其他(ta)超合金取代。 


20?世紀?70?年代推出的(de)?B-2?合金是原始?B合金?成分(fen)的(de)改進型。它的(de)特點是減少(shao)硅和碳的(de)含(han)量,以提高(gao)熱(re)(re)穩定性(xing),抵制晶界碳化物的(de)形成。這種耐(nai)腐蝕性(xing)的(de)改善尤其有利于焊接(jie)后(hou)的(de)熱(re)(re)影響區。 


在?B-3?型合金(jin)中,該成(cheng)分被進一步優化,以(yi)提(ti)高熱穩(wen)定性(xing)(xing)和制造(zao)特性(xing)(xing),以(yi)及應力腐蝕開裂的抗性(xing)(xing)。


鉬主(zhu)要對酸(suan)性(xing)還原(yuan)環境具有耐腐蝕(shi)性(xing),但鎳基為工程合金提供了基礎,并(bing)為制造(zao)和焊接(jie)到(dao)工業設備中提供便利。



引導可持續海洋燃料的發展


國際海事組織(zhi)(IMO)的(de)目標(biao)是到(dao)2050年將(jiang)溫室(shi)氣體總(zong)排放量(GHG)減少(shao)至(zhi)少(shao)?50%。基于此,含鎳(nie)不銹鋼將(jiang)在所考慮方案中發(fa)揮(hui)重要(yao)(yao)作(zuo)用。為(wei)實現這一目標(biao),海洋產(chan)業需要(yao)(yao)低(di)碳、碳中和(he)、零碳燃料。三個(ge)主(zhu)要(yao)(yao)選擇是氫(qing)、氨(an)和(he)甲醇(chun)。甲醇(chun)最容(rong)易處(chu)理,因為(wei)它在室(shi)溫下即可保持液(ye)態,而氫(qing)和(he)氨(an)需要(yao)(yao)分別在?-33℃?和(he)?-253℃下保持液(ye)態。


氫(qing)


氫作為燃(ran)料,可以(yi)燃(ran)燒(shao)也(ye)可以(yi)通過(guo)燃(ran)料電(dian)(dian)池發電(dian)(dian)。然(ran)而,液態氫在-253℃?的(de)(de)存儲更為復雜(za),由于其(qi)體積能量密度較低,所以(yi)需要比甲(jia)醇和氨水(shui)更大的(de)(de)儲罐。如果(guo)可以(yi)建(jian)造專用的(de)(de)海洋(yang)油輪(氫也(ye)能為船舶(bo)提供燃(ran)料),氫作為燃(ran)料是可行的(de)(de)。


目前,氫氣(qi)是通(tong)過天然氣(qi)的蒸汽重整(zheng)來生(sheng)產的。為了實現碳中和或(huo)零碳,需要使用可再(zai)生(sheng)能源(yuan)或(huo)核能將水電解(jie),或(huo)通(tong)過蒸汽重整(zheng),包括碳捕(bu)獲。


氫氣的特殊性(xing)(xing)(xing)質對材(cai)料提出了很(hen)高要(yao)求。例如,含鎳不(bu)銹鋼(gang)(gang)能抵(di)抗氫對其性(xing)(xing)(xing)能的滲透和降(jiang)解,而?-253℃的存儲(chu)特點要(yao)求含鎳不(bu)銹鋼(gang)(gang)在極低(di)溫下具有韌性(xing)(xing)(xing)。



人們對氨(an)的(de)興趣也很大(da)。雖然其毒性很高,但(dan)常(chang)應用(yong)于氮(dan)基化肥的(de)生產過程。使用(yong)氨(an)作(zuo)為內燃(ran)(ran)氣(qi)(qi)的(de)直接替代燃(ran)(ran)料的(de)計劃項目(mu)包括:日本?NYK將現有拖船(chuan)從液化天然氣(qi)(qi)燃(ran)(ran)料改造為氨(an)燃(ran)(ran)料,以 及Viking?Energy將海上供應船(chuan)轉(zhuan)換為氨(an)燃(ran)(ran)料電池。


氨通過(guo)哈柏(bo)法生產。該工藝是(shi)在(zai)高溫高壓下使用金屬(shu)催化劑(ji)使大氣(qi)中的氮氣(qi)和(he)氫氣(qi)反應。含鎳不銹鋼(gang)在(zai)此過(guo)程(cheng)中的幾個(ge)環節(jie)是(shi)必(bi)須可少的。


甲醇(chun)


甲醇目前被用(yong)作船用(yong)燃料(liao),但它(ta)是一(yi)種由天然(ran)氣(qi)生(sheng)產的(de)碳基燃料(liao)。雖(sui)然(ran)可以從生(sheng)物質中生(sheng)產碳中和(he)甲醇,但也有通過(guo)二氧化碳和(he)氫氣(qi)反應來生(sheng)產甲醇的(de)技術(shu)。


隨(sui)著(zhu)技術的(de)不斷(duan)發展,含鎳不銹(xiu)鋼在生產可持續船用燃料以減(jian)少溫室氣體(ti)的(de)排(pai)放方面發揮(hui)了關(guan)鍵作用。


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