«НИКЕЛЬ», Т. 33, № 2, 2018 Г.

Ж У Р Н А Л

НИКЕЛЬ

ЖУРНАЛ ПОСВЯЩЁН НИКЕЛЮ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЮ «НИКЕЛЬ», Т. 33, № 2, 2018 Г.

Никель и устойчивое развитие: на пути к экономике замкнутого цикла Вторичная переработка и утилизация литий-ионных аккумуляторных батарей Что припасено на будущее

Жаропрочные никелевые сплавы в концентрированной солнечной энергии

Извлечение никеля из вторичных материалов

Из центра приморского курортного города Агиласа, расположенного на юго-востоке Испании, невозможно пройти пешком напрямую к гавани из-за широкого оврага Рамбла

ACUAMED

дель Канарете, по которому в дождливые месяцы текут бурные потоки воды. Задача: Агентство Acuamed предложило

Дизайн: конструкция состоит из

проект моста в г. Агиласе. Ему была

трёх главных пролётных балок. Из

необходима долговечная, лёгкая, но, тем

протянутой над большей частью

не менее, прочная конструкция, приятная

(2/3) центрального пролёта моста

с эстетической точки зрения и способная

балки вырезаны двенадцать больших

противостоять воздействию морской

прямоугольных отверстий для снижения

атмосферы.

ветрового напряжения на конструкцию.

Выбор материала: дуплексная

Центральная балка представляет собой

нержавеющая сталь марки 2205 (UNS S32205) была выбрана из-за превосходной коррозиестойкости, низких эксплуатационных расходов и

Система поручней моста выполнена в аустенитной нержавеющей стали марки 316 (UNS S31600).

изготовленную методом секционной сборки полую балку коробчатого сечения, скреплённую поперечными балками. Композитный настил пешеходного моста,

привлекательного внешнего вида. Более

состоящий из железобетонных плит и

длительный срок службы этой марки и

гальванизированного стального покрытия,

меньшие ремонтные расходы перевесили её

поддерживается поперечными балками.

более высокую в сравнении с углеродистой

Анкеры соединяют композитный настил с

сталью начальную стоимость. К тому

центральной коробчатой пролётной балкой

же благодаря своему лёгкому весу эта

и поперечными балками, что стабилизирует

марка годится для использования в

верхний пояс коробчатой балки и создаёт

несущих опорах мостов, что исключает

негнущуюся диафрагму жёсткости

необходимость перенасыщения

для противостояния сейсмическому

конструкции деталями.

воздействию.

Полное описание «Примера из практики» можно загрузить с веб-сайта: www. nickelinstitute.org

2 | «НИКЕЛЬ», Т. 33, № 2, 2018 Г.

ACUAMED

ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ № 13 ПЕШЕХОДНЫЙ МОСТ ГОРОДА АГИЛАСА (ÁGUILAS)

КОЛОНКА РЕДАКТОРА: ЗАМЫКАЯ КРУГ

Если во время совещания вы услышите: «Мы только ходим по кругу», скорее всего это означает, что вы не сдвинулись с мёртвой точки. Однако для таких металлов, как никель, это значит, что вы находитесь на правильном пути. Вот как в этом случае выглядит идеальный круг.

Ресурсы

Цикл вторичной переработки и утилизации производственных отходов

Первичная переработка материалов

Вторичная переработка и утилизация материалов Демонтаж продукции

Производство (изготовление продукции) Вторичная переработка и утилизация продукции (компонентов изделия) Восстановление первоначальных свойств компонентов изделия

Использование продукции

Отправка продукции в отходы

Вторичная переработка и утилизация продукции (изделия) Восстановление первоначальных свойств изделия

SOLARRESERVE

В недавно опубликованном докладе1 делается вывод, что более эффективное использование материалов, уже нашедших применение в экономике, может значительно продвинуть промышленность ЕС по пути к нулевым выбросам. Действительность такова, что потери всегда существуют— и из-за не полностью собранного отработанного материала, и из-за неэффективности и экономических ограничений процессов вторичной переработки и утилизации. Исследование, проведённое в Йельском университете, показывает, что 17% никеля, находящегося в отслужившем своё оборудовании, оказывается на свалке. В этом номере журнала «Никель» мы приводим примеры того, как промышленность решает эту сложную задачу. Прогресс в переработке и утилизации никельсодержащих аккумуляторов приводит к росту уровня извлечения (возвращение никеля) и эффективности утилизации (получение ещё большего количества возвращённого никеля). Вторичная переработка и утилизация отслуживших своё литий-ионных аккумуляторных батарей, используемых на автотранспорте, становится доходным делом, и в этом выпуске рассказывается о нескольких компаниях-новаторах и их технологиях. Никель не только является материалом, который можно утилизировать бесконечно, он также стал движущей силой в других технологиях, вносящих свой вклад в устойчивое развитие. Великолепным примером служит концентрированная солнечная энергия, в процессе получения которой никелевые сплавы оказываются жизненно необходимыми для противостояния высоким температурам. Наглядной иллюстрацией этого является электростанция Crescent Dunes, о чём свидетельствует обложка этого выпуска. А в г. Хьюстоне появилась прекрасная новая скульптура из никельсодержащей стали. К счастью, она простоит там очень долго, пока не придёт время — если такой день вообще наступит — утилизировать произведение Аниша Капура «Клауд-колумн» (Cloud Column, «Облачная колонна»).

Современный «маяк» — электростанция Crescent Dunes, работающая на концентрированной солнечной энергии, г. Тонопа, штат Невада, США. Выдающийся пример использующих никель передовых технологий, содействующих устойчивому развитию.

Клэр Ричардсон Редактор журнала «Никель» Экономика материалов — Экономика замкнутого цикла — Мощная сила смягчения климатических изменений — Преобразующая инновация для процветающей промышленности с низким уровнем выбросов углекислого газа. (Material Economics – The Circular Economy – A powerful force for climate mitigation – Transformative innovation for prosperous and low-carbon industry).

«НИКЕЛЬ», Т. 33, № 2, 2018 Г. | 3

02

Пример из практики № 13 Пешеходный мост г. Агиласа

03

Колонка редактора Замыкая круг

04 06

Никель. Занимательные факты

09

Извлечение никеля из вторичных материалов

10

Жаропрочные никелевые сплавы в концентрированной солнечной энергии

12

Вторичная переработка и утилизация никеля На пути к экономике замкнутого цикла

14 14 14 15

Объявления

НИКЕЛЬ

ЗАНИМАТЕЛЬНЫЕ ФАКТЫ

СОДЕРЖАНИЕ

Вторичная переработка и утилизация литий-ионных аккумуляторных батарей Что припасено на будущее

Новые видеоклипы Ссылки на веб-страницы Никелевые катализаторы Кувейт: извлечение никеля в конце срока годности продукции

15

Выдержки из Универсальной системы обозначений металлов и сплавов

16

«Клауд-колумн» («Облачная колонна») Автор скульптуры Аниш Капур

Журнал «Никель» издается Институтом никеля www.nickelinstitute.org Хадсон Бейтс (Hudson Bates), президент; Клэр Ричардсон (Clare Richardson), редактор communications@nickelinstitute.org Авторы статей: Парул Чхабра (Parul Chhabra), Гари Коутс (Gary Coates), Исалин де Баре (Isaline de Baré), Тим Джонсон (Tim Johnson), Ларри Мартин (Larry Martin), Ричард Матесон (Richard Matheson), Брюс МакКин (Bruce McKean), Гир Мо (Geir Moe), Ким Оукс (Kim Oakes), Кристина Остерман (Kristina Osterman), Лиссель Пилчер (Lissel Pilcher), Найджел Уорд (Nigel Ward), Одетт Зизолд (Odette Ziezold) Художественное оформление: компания Constructive Communications Публикация предназначена для общей информации читателя и не должна использоваться в практических целях без предварительной консультации специалиста. Несмотря на то, что, по мнению авторов, публикуемые технические сведения верны, Институт никеля, его члены, сотрудники и консультанты не гарантируют их пригодности для общего или специального использования и не несут никакой ответственности в связи с опубликованной здесь информацией. Отпечатано в Канаде на бумаге, изготовленной из вторичного сырья компанией Hayes Print Group. Графические материалы предоставлены: Обложка: iStock Photo.com©Mlenny стр. 3 Викимедия Коммонс (Wikimedia Commons©Linear 77 стр. 4 iStockPhoto.com©4X-image стр. 5 iStockPhoto.com©jeffstonephoto стр. 6 iStockPhoto.com©Petmal стр. 15 Shutterstock

4 | «НИКЕЛЬ», Т. 33, № 2, 2018 Г.

Море информации Институт никеля и Ассоциация развития меди совместно разработали новую серию видеороликов для технической презентации. Серия предназначена для инженеров, занимающихся проектированием, техническими характеристиками, изготовлением или эксплуатацией материалов, вступающих в контакт с морской водой, для таких промышленных отраслей, как энергетика волн и отливов, энергетика прибрежного ветра, добыча шельфовых нефти и газа, а также кораблестроение и судоремонт. Презентации, проводимые техническими экспертами, помогают пользователям лучше понимать поведение медных и никелевых сплавов и нержавеющих сталей в морских условиях. Ознакомиться с презентациями можно на веб-сайте Ассоциации развития меди.

Мы стартуем! В осуществлённом НАСА первом запуске ракетного двигателя с деталью, отпечатанной на 3D принтере, роль никеля была скромной. После нескольких лет исследований было обнаружено, что деталь из медного сплава сможет выдержать огромное давление в камере сгорания двигателя, если она заключена в рубашку из никелевого сплава.

Малейшие температурные изменения КОМПАНИЯ AEROJET ROCKETDYNE

Учёные Токийского института технологии разработали термометр с микронной шкалой деления, состоящий из термопары золото — никель на нитрид-кремниевой плёнке. Он способен измерять малейшие изменения температуры в режиме реального времени. Этот прибор — выдающееся научно-техническое достижение, которое можно использовать во многих важных устройствах в сфере нанотехнологий.

К чему волнения о гитарных струнах? В пятидесятых — шестидесятых годах прошлого века, когда электрогитара стала главным инструментом развития попмузыки, гитарные струны из чистого никеля считались стандартом. В последние годы всё бόльшую популярность вызывая споры о том, какие же из них лучше. Некоторые приверженцы чистоты гитарного звука тоскуют по прежнему классическому мягкому тёплому тону, другие же довольны более яркими и игривыми звуками, рождаемыми никелированными струнами.

Проехать электрическую милю с меньшими затратами

дольше. Каков бы ни был выбор, никель —

В своём стремлении значительно снизить расходы компания Tesla объявила об увеличении содержания никеля в производимых ею аккумуляторных батареях для электромобилей.

Tesla смогла осуществить такое преобразование, сохраняя при этом самую высокую удельную электроёмкость по сравнению с любой другой аккумуляторной батареей для

давний исполнитель на музыкальной сцене.

электромобиля.

Струны из чистого никеля могут быть дороже, но они, как правило, и служат

«НИКЕЛЬ», Т. 33, № 2, 2018 Г. | 5

TESLA

приобретают никелированные струны,

РОСТ ИЗВЛЕЧЕНИЯ И ВТОРИЧНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ЛИТИЙИОННЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ — ВТОРИЧНАЯ ПЕРЕРАБОТКА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ СТАНОВИТСЯ ДОХОДНЫМ ДЕЛОМ При прогнозе экспоненциального роста использования никельсодержащих литий-ионных аккумуляторных батарей во всём мире в ближайшие двадцать лет должны также вырасти сбор и вторичная переработка батарей в конце срока их службы. Уже действуют испытанные технологии и процессы утилизации, объёмы которых можно наращивать по мере необходимости. Во всём мире компании-новаторы продолжают разрабатывать эффективные и экономически обоснованные методы вторичной переработки аккумуляторных батарей для удовлетворения грядущего роста утилизации с учётом требований нормативных документов, регламентирующих ответственность за утилизацию батарей в конце срока службы, а также требований техники безопасности и транспортировки литий-ионных аккумуляторных батарей. Этому будет способствовать несомненная экономическая ценность возвращённых в оборот материалов, особенно никеля.

В результате роста потребляемых автомобильной промышленностью литий-ионных аккумуляторных батарей их промышленное производство быстро растёт во всём мире. Учитывая, что гарантия срока службы автомобильных аккумуляторных батарей сейчас даётся везде на период от пяти до восьми лет, переработка и утилизация отслуживших своё аккумуляторов станет доходным делом уже в не столь отдалённом будущем.

Большая разница — автомобилестроение и хранение энергии В Китае, где в ходу уже миллионы электромобилей, новое законодательство возложило на автомобилестроителей ответственность за сбор и утилизацию аккумуляторных батарей в конце срока их службы, и теперь производители автомобилей в остальных странах мира готовятся к появлению подобных законов. Значительно отличаясь от батареек для портативных электронных устройств, автомобильные аккумуляторные батареи высокого напряжения являются большими блоками питания, состоящими из 5 —12 тыс. элементов. Усовершенствованное хранение электроэнергии, влекущее за собой использование никельсодержащих аккумуляторных батарей, всё в большей степени становится ключевым фактором обеспечения стабильности электросетей, повышая эффективность и надёжность

6 | «НИКЕЛЬ», Т. 33, № 2, 2018 Г.

источников ветровой и солнечной энергии. По истечении срока службы этих больших батарей также возникнет необходимость в правильной организации конца их жизненного цикла, в том числе в пуске их в повторный оборот или вторичной переработке. Экономические и экологические стимулы Промышленному производству необходимы замкнутые энергоэффективные и экологически устойчивые процессы и системы извлечения ресурсов, выгодные и с финансовой точки зрения. Главным экономическим стимулом вторичной переработки литий-ионных аккумуляторных батарей является извлечение ценных металлов и их соединений, находящихся в катодах и анодах — кобальта, никеля, марганца, меди и лития, которые можно использовать в составе новых аккумуляторов. Объёмы аккумуляторных батарей, подлежащих вторичной переработке и утилизации в среднесрочной перспективе, подтвердят обоснованность строительства новых перерабатывающих мощностей и инвестиций в научно-технические исследования, ведущих к росту извлечения материалов и снижению затрат. Эффективная утилизация литий-ионных аккумуляторных батарей важна из соображений экологической безопасности, так как они токсичны для окружающей среды. Важно правильно с ними обращаться и транспортировать. Растущий спрос на инновации Процесс вторичной переработки и утилизации аккумуляторных батарей, который правильнее было бы назвать извлечением полезных ресурсов из отслуживших батарей, может быть

Компания Umicore Бельгийская компания Umicore Battery Recycling сочетает оба эти процесса — пирометаллургический и гидрометаллургический. Эта уникальная технология применяется в промышленном масштабе (7 тыс. тонн в год) и предназначена для безопасной переработки больших потоков разнотипного и сложного утильсырья с высоким содержанием металлов. Аккумуляторные блоки разбираются до уровня модулей. Эти модули поступают на переработку напрямую, что исключает необходимость любой потенциально опасной предварительной обработки. Газовая система очистки гарантирует полное разложение всех имеющихся в наличии органических соединений и предотвращает появление новых потенциально опасных летучих органических соединений. Данный процесс максимально снижает потребление энергии и выбросы углекислого газа, задействуя энергию внутри самих компонентов аккумуляторной батареи (электролитов, пластмасс и металлов). Следующий за этим процесс гидроочистки восстанавливает и очищает никель, кобальт, медь и литий. Эти кобальт, никель и литий затем вновь могут использоваться в литий-ионных катодных материалах компании Umicore, тем самым замыкая цикл использования аккумуляторной батареи. Возвращение в оборот драгоценных металлов происходит в рамках отдельного процесса.

Компания Glencore Glencore, ведущий производитель и поставщик никеля, является одной из крупнейших компаний, занимающихся вторичной переработкой и утилизацией никельсодержащих материалов, в том числе и аккумуляторных батарей. Используя пирометаллургический процесс своего плавильного завода по производству никеля в г. Садбери, провинция Онтарио, Канада, компания Glencore извлекает из никель-металлгидридных и литий-ионных аккумуляторных батарей такие металлы, как никель, кобальт и медь. Благодаря непрекращающимся усилиям по улучшению своей технологии, связанной с работой электропечей и конвертеров, Glencore достигает очень высокого уровня извлечения металлов. Компания инвестировала в кальцинаторную печь (длинную ротационную обжиговую печь), в которой изымаются органические элементы батарей, а сами аккумуляторные батареи безопасным образом освобождаются от заряда. Это — «зелёная» технология, в рамках которой улавливаются и безопасным способом купируются все газы кальцинатора.

В своём недавнем прогнозе компания Bloomberg New Energy Finance предполагает, что ежегодные продажи электромобилей к 2040 г. достигнут 41 млн единиц. Прогнозы консалтинговой компании Avicenne Energy говорят о ежегодном 14-17%-ом росте сектора производства автомобильных аккумуляторов. Согласно Avicenne Energy, ожидается, что спрос на портативные бытовые электронные приборы, мопеды, газонокосилки и разную другую технику, в которой используются литий-ионные аккумуляторные батареи, в будущем также будет продолжать расти на 5-12% ежегодно.

«С ростом нашего бизнеса вторичной переработки аккумуляторных батарей мы максимально увеличиваем безопасность на различных наших предприятиях во всём мире путём предварительной обработки ячеек перерабатываемых батарей», — говорит Роберт Сазерленд, менеджер отдела сырьевых ресурсов в компании Glencore.

Литий-ионные и никельметаллгидридные аккумуляторы

ВТОРИЧНАЯ ПЕРЕРАБОТКА И УТИЛИЗАЦИЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ В КОМПАНИИ UMICORE

либо пирометаллургическим, либо гидрометаллургическим, или же сочетанием первого и второго.

Завод вторичной переработки

(Гибридные) электромобили

Портативная бытовая электроника

«НИКЕЛЬ», Т. 33, № 2, 2018 Г. | 7

ВТОРИЧНАЯ ПЕРЕРАБОТКА И УТИЛИЗАЦИЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ В КОМПАНИИ UMICORE

Корпорация Li-Cycle Corp. Чтобы удовлетворить растущий международный спрос, расположенная в городе Миссиссога провинции Онтарио канадская компания Li-Cycle Corp. разработала и запатентовала собственный технологический процесс.

Li-Cycle Technology™ — это двухэтапный процесс гидрометаллургической рекуперации ресурсов. Первый этап — автоматизированный процесс разборки элементов аккумуляторной батареи/блока питания, не подверженный риску возгорания или взрыва. Второй этап — химическая обработка механически переработанного промежуточного продукта для извлечения никеля, кобальта, меди, алюминия и лития Предвидя сильный спрос, компания Bloomberg New Energy Finance прогнозирует, что за следующие пять лет мощности по производству литий-ионных аккумуляторных батарей вырастут более чем вдвое и к 2021 г. достигнут 273 ГВт-ч в сравнении с 103 ГВт-ч в 2017 г.

в химической форме, используемой в аккумуляторах. В случае с никелем сульфат никеля может быть сразу использован в промышленности по производству аккумуляторов. С помощью этого замкнутого процесса извлекаются все использованные в аккумуляторной батарее материалы, в том числе пластмасса, электролиты и графит. В рамках этого процесса не возникает ни газов, которые было бы необходимо улавливать, ни твёрдых отходов, которые было бы необходимо складировать. В той или иной форме все материалы возвращаются в экономику. «Мы думаем, что к 2025 году 5-10% спроса на сульфат никеля можно было бы удовлетворить за счёт утилизации литий-ионных аккумуляторных батарей», — говорит Аджей Кочхар (Ajay Kochhar), генеральный директор корпорации Li-Cycle Corp.

8 | «НИКЕЛЬ», Т. 33, № 2, 2018 Г.

Компания American Manganese Inc. В Ванкувере, канадская провинция Британская Колумбия, компания American Manganese Inc. совместно с независимым подрядчиком Kemetco Research Inc. разработала энергоэффективный экологичный гидрометаллургический процесс вторичной переработки аккумуляторных батарей. Литий-ионные аккумуляторы перемалываются в порошок на предприятиях компании Kemetco, после чего весь пластик выжигается. Затем металлы, содержащиеся в порошке, извлекаются при помощи выщелачивания. В результате получают порошок лития, кобальта, никеля, алюминия и марганца высокой чистоты, пригодный для прямого возврата и использования в новых литий-ионных аккумуляторных батареях. Лабораторные испытания Kemetco показывают 100%-ную степень извлечения материала в рамках данного процесса. Ожидается, что степень извлечения материала в промышленном масштабе будет немного ниже. «Суть нашей стратегии — в открытии некоторого числа небольших заводов в разных местах недалеко от рынков использования материалов», — говорит Ларри Рио (Larry Reaugh), президент и генеральный директор корпорации American Manganese Inc. Дальновидные компании заботятся заранее о разработке технологий вторичной переработки и утилизации, а также о введении в строй соответствующих мощностей, готовясь к тому времени, когда ручеёк отслуживших своё никельсодержащих аккумуляторных батарей превратится в бурный поток.

РОСТ ИЗВЛЕЧЕНИЯ НИКЕЛЯ ИЗ ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ Рост использования никеля во многих важных технологиях привёл к устойчивому росту спроса на этот металл в течение целого ряда десятилетий. С историческими темпами роста около 4% в год ежегодный спрос на никель в расчёте на период эксплуатации обычного рудника (20 лет) за последние годы удвоился: это означает, что взамен каждой закрывающейся теперь потребуется открывать две новые шахты.

Потребность в увеличении извлечения элементов из отходов в городских условиях — «урбан майнинг». Очевидно, что для удовлетворения растущей потребности общества в никеле необходимы новые вторичные источники. В некоторых случаях доля ценных металлов в городских отходах превышает их содержание в природных рудах. Многообещающая нефтехимическая промышленность Нефтехимическая промышленность — самый многообещающий источник никеля. В природной среде уровень никеля в неочищенной сырой нефти низок, но во фракционном составе золы его содержание становится более концентрированным и, как правило, составляет около 10% по весу в золе, полностью перегоревшей в системах сжигания мазута. Катализаторы, используемые на нефтеперегонных заводах и в нефтехимической промышленности,

содержат очень большое количество никеля. Раньше их часто посылали на полигоны для промышленных отходов, но теперь всё большее их количество отправляется на вторичную переработку. (См. статью на стр. 15). Высокий потенциал сталеварения Поскольку более двух третей всего никеля используется при производстве нержавеющей стали, ферросплавы, получаемые на основе большинства методов извлечения металлов путём плавления, становятся очевидным источником вторичного никеля. Плавка плазменной дугой при постоянном токе, проводимая компанией Tetronics, является одним из типичных примеров. Работающие несколько десятков лет два промышленных предприятия этой компании извлекают никель, хром, молибден и другие металлы из отходов производства нержавеющей стали. «К переплавляемому материалу добавляется раскислитель в виде кокса или антрацита. Плазменная дуга обеспечивает подводимую энергию для производства ферросплава, который далее используется для производства нержавеющей стали в масштабе, идеально подходящем для имеющихся в наличии отработанных нефтехимических катализаторов и соответствующего вторичного сырья», — объясняет д-р Тим Джонсон (Tim Johnson), технический директор компании Tetronics.

TETRONICS

Неудивительно, что это породило стремление увеличить степень переработки отходов, чтобы дополнить первичное производство. Например, сейчас в США никель, извлекаемый в результате утилизации вторичного сырья, составляет 45% от поставок первичной продукции с рудников по сравнению с 35% в 1994 г. Чтобы не отставать от роста поставок первичного сырья, рост извлечения никеля в процессе утилизации тоже должен расти.

«В печи циркулирует небольшое количество газа, и точное регулирование условий плавки обеспечивает минимальное образование пыли в отходящем газе и великолепные экологические характеристики. Учитывая растущую потребность в росте поставок металла, можно уверенно сказать, что в течение нескольких ближайших лет мы увидим расширение производственных мощностей компании Tetronics, специально предназначенных для этих и иных вторичных ресурсов никеля». Д-р Тим Джонсон (Tim Johnson), технический директор компании Tetronics.

«НИКЕЛЬ», Т. 33, № 2, 2018 Г. | 9

ПОРАЗИТЕЛЬНАЯ РОЛЬ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ И НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ В КОНЦЕНТРАЦИИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

SOLARRESERVE

Сплавы на основе никеля и никельсодержащие нержавеющие стали играют ключевую роль в развивающемся источнике возобновляемой энергии, известном как гелиотермальные электростанции (ГЭ) или электростанции, работающие на концентрированной солнечной энергии (КСЭ). Их использование позволило промышленности преодолеть проблемы, связанные с технологией передачи и хранения тепла. Использование этих металлов служит предотвращению разрушения материалов и снижению издержек на полное замещение оборудования в проектах с расчётным сроком эксплуатации до 40 лет и больше.

По состоянию на 2016 г., мощность объектов КСЭ, возведённых во всём мире, составила 4815 мВт. В 2017 г. 2300 мВт, почти половина мировой мощности, эксплуатировалась в Испании. Мощность проектов КСЭ в США — 1740 мВт, причём два из них — самые большие в мире: Ivanpah Solar Power Facility (392 мВт) и Mojave Solar Project (354 мВт).

10 | «НИКЕЛЬ», Т. 33, № 2, 2018 Г.

Согласно Международному энергетическому агентству (International Energy Agency) («Прогноз международной энергетики» — IEO 2017), потребление энергии из возобновляемых энергоисточников (в том числе КСЭ) в период с 2015 г. по 2040 г. будет ежегодно расти на 2,3%. Сегодня в мире насчитывается более 40 гелиотермальных электростанций, а ещё 20 находятся в разных стадиях планирования или строительства. Как правило, они расположены в районах высокой солнечной активности, таких как Испания, Индия, Южная Африка, Китай, Чили, Австралия, в странах Ближнего Востока, Северной Африки и в южных регионах США. Опытные станции КСЭ начали функционировать ещё в восьмидесятых годах двадцатого века. С тех пор был достигнут прогресс как в накоплении, так и в хранении энергии. Солнечная электростанция башенного типа — это один из разработанных методов концентрации солнечной энергии. Эта конструкция в качестве теплоносителя использует солевой расплав. Смеси солей азотной кислоты, как правило, плавятся при температуре от 130 °C (268 °F) и выше. В виде расплава они хранятся в изолированном резервуаре-хранилище при температуре 288 °C (550 °F). Затем расплавы солей подаются по трубам

в резервуар-приёмник солнечного излучения, где концентрированное солнечное излучение нагревает их вплоть до 566 °C (1,050 °F). Затем разогретая жидкость направляется в термостойкий резервуар-хранилище. Резервуары с горячим расплавом также покрыты изоляцией и могут хранить тепловую энергию продолжительное время. Аккумулирование и хранение тепловой энергии (АТЭ) используется для компенсации меняющегося спроса и условий местной окружающей среды. При необходимости расплавленная соль подаётся на парогенератор для генерирования пара с последующим приведением в действие обычных турбин и генераторов. У АТЭ разительное преимущество перед другими крупными источниками возобновляемой энергии в сетевой электроэнергетике, и при некоторых обстоятельствах АТЭ может устранить необходимость использования резервного топлива для генерирования энергии. В Испании в течение лета 2013 г. башенная система, использующая солевой расплав в качестве теплоносителя, впервые безостановочно сутками генерировала электричество в течение 36-ти дней. Одной из действующих электростанций этого типа является Crescent Dunes.

Южной Африке в пике графика нагрузки обеспечит электроснабжение почти 200 тысяч домов при 12-часовом хранении тепловой энергии. В новом более масштабном проекте в Неваде мощностью 2 ГВт (2 тыс. мВт) будет работать 10 солнечных башен. Использование нержавеющей стали и никелевых сплавов сделало реальным создание высокотемпературных систем, тогда как раньше работа с солевыми расплавами являлась сложной задачей. Проектировщики и инженеры обратились к основанным на никеле сплавам, таким как UNS N06617, N06625 и N06230, для использования их в трубах приёмника исходя из их жаропрочности, поддерживаемой в течение долгого периода, — так называемого «сопротивления ползучести». Эти сплавы сохраняют стабильность при рабочих температурах в основном благодаря высокому содержанию в них никеля. Они также обладают высокой сопротивляемостью к окислению. В термостойких резервуарах-хранилищах использована нержавеющая сталь марки 347H (S34709).

SOLARRESERVE

Расположенная в г. Тонопа, штат Невада, в пустыне к северу от Лас-Вегаса, она обладает полезной генерируемой электрической мощностью в 110 мВт и возможностью 10-часового хранения тепловой энергии. Это означает, что в период пикового спроса станция способна вырабатывать электроэнергию при полной нагрузке в течение 10 часов. Солнце отражается с помощью 10 тыс. гелиостатов, которые направляют энергию на приёмник, расположенный на вершине двухсотметровой (640 футов) башни. Каждый гелиостат сделан из зеркальных фацетов общей площадью 115,7 м2 (1 245 футов2). Общая площадь накопительного участка составляет 1,2 млн м2 (12 млн футов2). Промышленная эксплуатация станции началась в 2015 г. С этого времени электростанция Crescent Dunes произвела более 173 ГВт-ч электричества. По оценкам, в пике графика нагрузки она может снабжать электричеством 75 тыс. домов. АТЭ башенного типа, работающая на солевом расплаве, — это основа для проектирования планируемых в Южной Африке, Австралии и Неваде новых станций. 100 мВт-ый проект Redstone в

Станция Crescent Dunes расположена в г. Тонопа, штат Невада, в пустыне к северу от Лас-Вегаса. Она обладает полезной генерируемой электрической мощностью в 110 мВт и возможностью 10-часового хранения тепловой энергии. Это означает, что в период пикового спроса станция способна вырабатывать электроэнергию при полной нагрузке в течение 10 часов.

Метод концентрации солнечной энергии в электростанции башенного типа 1. Солнечные лучи концентрируются и направляются с большого поля гелиостатов на приёмник, расположенный на вершине башни высотой 195 м (640 футов).

1. Резервуар-приёмник c солевым расплавом

2. Солевой расплав подаётся из резервуара с холодным солевым расплавом через приёмник солнечного излучения, где он нагревается до 566 °C (1,050 °F).

3.Разогретая в резервуаре-приёмнике соль хранится в резервуаре для горячего солевого расплава.

4. Система генерации пара

4. Паровая турбина / парогенератор 6. Конденсатор с воздушным охлаждением

SOLARRESERVE

2./5. Резервуар с холодным солевым расплавом

3. Резервуар с горячим солевым расплавом

4. Горячий солевой расплав подаётся из резервуара для горячего солевого расплава через парогенератор для генерирования пара, который приводит в действие паровую турбину, вырабатывающую электричество.

5.Охлаждённый солевой расплав при температуре 288 °C (550 °F) течёт обратно в резервуар для холодного солевого расплава.

6.Сконденсированный пар с паровой турбины опять пропускается через циркулярную систему для повторного использования

«НИКЕЛЬ», Т. 33, № 2, 2018 Г. | 11

ВТОРИЧНАЯ ПЕРЕРАБОТКА И УТИЛИЗАЦИЯ НИКЕЛЯ — НА ПУТИ К ЭКОНОМИКЕ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА Вторичная переработка и утилизация материалов — краеугольный камень глобальных инициатив, направленных на создание общества устойчивого развития. Как обозначено в сформулированных ООН «Целях в области устойчивого развития» — семнадцати целях, направленных на преобразование нашего мира, — «ответственное потребление и производство» лежат в основе экономики замкнутого цикла и играют критически важную роль в противодействии изменению климата.

Утилизированный никель начинает новый срок службы в большинстве случаев в качестве нержавеющей стали, а около 15% его попадает в замкнутую систему углеродистой стали.

Что отличает такие металлы, как никель, от других сырьевых ресурсов, когда речь заходит о вторичной переработке и утилизации?

вторичной переработки отходов. Наша цель — извлечь выгоду из будущих возможностей, чтобы ещё больше снизить количество никеля, выброшенного на свалку.

Бесконечные возможности Во-первых, никель можно бесконечно перерабатывать и заново пускать в оборот без потери качества. Как правило, металлы, произведённые из первичного сырья, нельзя отличить от металлов из вторичного сырья. Поэтому особый акцент делается на обеспечении максимально возможного сбора и утилизации никеля в конце срока службы содержащих его изделий.

Международная экспертная группа по природным ресурсам Программы ООН по окружающей среде, начавшая работу в 2007 г. с целью накапливания и распространения знаний, необходимых для совершенствования использования природных ресурсов во всём мире, опубликовала в 2011 г. отчёт о вторичной переработке и утилизации металлов.

Во-вторых, относясь к продукции со степенью вторичной переработки в 68%, никель находится среди металлов с самым высоким коэффициентом возвращения в оборот. Это означает, что более двух третей никеля, находящегося в потребительских товарах, перерабатывается и пускается в повторный оборот, когда срок службы этой продукции подходит к концу. Утилизированный никель начинает новый срок службы в большинстве случаев в качестве нержавеющей стали, а около 15% его попадает в систему вторичной переработки углеродистой стали. Но всё же анализ данных говорит о том, что 17% никеля пока в повторный оборот не возвращается. Коридор возможностей для повышения эффективности Научные исследования сыграли ключевую роль в измерении и оценке степени

12 | «НИКЕЛЬ», Т. 33, № 2, 2018 Г.

Команда экспертов из академических и промышленных кругов, а также представителей общественности под руководством профессора из Йельского университета Томаса Грэдела (Thomas Graedel) изучила утилизацию более пятидесяти металлов. В отчёте оценена эффективность утилизации чёрных и цветных, драгоценных и младших металлов. Работа показывает, в каких областях улучшение вторичной переработки металлов особенно необходимо. Команда профессора Грэдела отмечает: «В эффективности утилизации оцениваемых металлов существуют значительные различия: с одной стороны эффективность утилизации чёрных металлов, таких как углеродистая сталь, высока, в то время как редкоземельные элементы сейчас едва ли утилизируются по причине разных факторов, таких как особенности применения, отсутствие экономических стимулов сбора или отсутствие инфраструктуры их сбора и

вторичной переработки». Продолжающиеся исследования Никель и нержавеющая сталь находятся в числе самых изученных сырьевых ресурсов, учитывая моделирование их запасов (количество никеля, используемого обществом в настоящее время) и потоков, а также вторичную переработку и утилизацию. Одним из исследователей, принимавших участие в разработке проекта отчёта Программы ООН по окружающей среде, была д-р Барбара Рекк (Barbara Reck), старший научный сотрудник команды профессора Грэдела в Йельском университете. При поддержке группы Team Stainless и Института никеля она провела несколько лет, занимаясь изучением потоков и запасов никеля и нержавеющей стали. Её труды были опубликованы в ряде академических журналов, коллегиально рецензируемых независимыми специалистами. Модели были скомпилированы по отчётным годам — 2000, 2005 и 2010 гг. В настоящее время д-р Рекк завершает оформление обновлённой версии моделей запасов и потоков никеля. «В работе будут показаны модели запасов и потоков, а также степени переработки отходов за 2015 г., — объясняет др Марк Мистри (Mark Mistry),

эксперт Института никеля по анализу жизненного цикла никеля. — Характер изменений, прослеживаемых между первым исследованием 2000-го года и исследованием, проведённым в 2015 г., показывает возросшую важность Азии в поставке и использовании никеля, быстрорастущие запасы никеля в обществе, а также указывает на тенденцию совершенствования вторичной переработки и утилизации никеля». Аналогичное исследование, проведённое для нержавеющей стали, подтверждает выводы об этих тенденциях и в отношении основного первичного использования никеля. Публикация работы ожидается в конце 2018 г. — начале 2019 г. Роль промышленности Сохраняется и роль для промышленности: то, что некоторое количество никеля всё же случайно попадает в цикл вторичной переработки углеродистой стали, свидетельствует о необходимости и возможности дальнейшего совершенствования системы. Например, усовершенствованные системы сортировки критически важны для обеспечения более точного отделения никельсодержащей продукции, такой как нержавеющая сталь, от лома углеродистой стали.

Вторичная переработка и утилизация никеля — важный фактор жизненного цикла никеля. Этот процесс вносит важный влад в устойчивое развитие мира. Никельсодержащая продукция, такая как нержавеющая сталь, долговечна и находится в продолжительном использовании. Спрос на никель растёт. Пуск никеля в повторный оборот является частью решения по удовлетворению этого спроса, дополнением к первичному производству.

ИЗВЛЕЧЕНИЕ

57%

неистощимый ресурс в будущем

+60 млн тонн

1

возможность вторичной переработки и утилизации материала в конце срока службы

добытый первичный никель

600

-+

потенциально имеющиеся в наличии никелевые ресурсы во всём мире

ПОЛНОСТЮ УТИЛИЗИРУЕТСЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ возможность переработки и утилизации материала в конце срока службы

Никель — устойчивый природный ресурс, который нельзя израсходовать. Его можно снова и снова полностью пускать в оборот, не теряя при этом в его качестве.

млн тонн2

28

Ni

Nickel

ПРОИЗВОДСТВО переработка никеля в конечный продукт

1. Информация о минералах Геологической службы США: ретроспективная мировая статистика по минералам и материальным товарам.

(USGS Minerals information: Historical Global Statistics for Mineral and Material Commodities.)

2. Мадд и Джоуитт (2014) — Подробная оценка тенденций мировых ресурсов никеля и его запасы. Экономическая геология, т. 109, стр. 1813-1841. (Mudd and Jowitt (2014) – A detailed assessment of global nickel resource trends and endowments. Economic Geology v. 109 pp 1813-1841.)

«НИКЕЛЬ», Т. 33, № 2, 2018 Г. | 13

Смена руководства Института никеля Д-р Хадсон Бейтс (Hudson Bates) назначен президентом Института никеля. Он вступил в должность 1 июня 2018 г., придя на смену Дэвиду Батлеру, чьи полномочия истекли 31 мая. Хадсон Бейтс занял этот пост, перейдя с должности исполнительного директора NiPERA Inc., в рамках которой он руководил научной деятельностью Института никеля. В течение последних двадцати лет д-р Бейтс занимался токсикологией никеля и его соединений,

обладая специализированными знаниями в этой области. Комментируя это назначение, Антон Берлин (Anton Berlin), председатель Института никеля, сказал: «Обладая таким достойным послужным списком, Хадсон Бейтс сможет наилучшим образом вести за собой Институт никеля и никелевую промышленность, продвигая и поддерживая использование никеля в соответствующих областях применения».

Д-р Адриана Оллер назначена исполнительным директором NiPERA

НОВЫЕ ВИДЕОРОЛИКИ Разъяснена аллергия на никель Институт никеля осуществил постановку новой серии видеороликов, представляющих информацию об аллергии на никель. Д-р Кейт Хейм (Kate Heim) из NiPERA Inc., эксперт-токсиколог в данной области, объясняет суть аллергии на никель и как её избежать. Смотрите видеоролики о никеле на канале Института никеля на YouTube

работы в области токсикологии человека. В течение этих лет она занималась научной деятельностью на самом высоком уровне, руководя исследовательскими программами и имея дело с проблемами нормативного регулирования. Она являлась соавтором многих академических коллегиально рецензируемых научных работ в области токсикологии никеля. Д-р Оллер признана коллегами ведущим экспертом в вопросах влияния никеля на здоровье человека.

ЖУРНАЛ

«НИКЕЛЬ»

WWW.NICKELINSTITUTE.ORG ПОДПИШИТЕСЬ бесплатно на журнал «Никель». При появлении нового выпуска на сайте вы будете получать уведомление по электронной почте www.nickelinstitute.org/ NickelMagazine/Subscription ЧИТАЙТЕ журнал «Никель» онлайн на нескольких языках www.nickelinstitute.org/ NickelMagazine/MagazineHome ИЩИТЕ ПРЕДЫДУЩИЕ НОМЕРА журнала «Никель» в архиве онлайн, начиная с июля 2009 г. www.nickelinstitute.org/en/Nickel Magazine/MagazineHome/AllArchives СЛЕДИТЕ ЗА НОВОСТЯМИ О НАС в Твиттере Twitter @NickelInstitute ПРИСОЕДИНЯЙТЕСЬ к нам на сайте LinkedIn (ЛинкдИн) — зайдите на страничку Института никеля СМОТРИТЕ видеоролики о никеле на канале Института никеля на YouTube www.youtube.com/user/NickelInstitute

https://www.youtube.com/user/NickelInstitute

14 | «НИКЕЛЬ», Т. 33, № 2, 2018 Г.

О Н Л А Й Н

Д-р Адриана Р. Оллер назначена исполнительным директором научного подразделения Института никеля NiPERA Inc., придя на смену д-ру Хадсону Бейтсу. В этой новой роли она отвечает за направление стратегических исследований NiPERA, а кроме того — за руководство исследованиями, регулирующую деятельность и научные связи шести научных сотрудников - докторов наук. Адриана Оллер принесла с собой 24-летний опыт

КАТАЛИЗАТОР ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ УСТОЙЧИВЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленностях всего мира широко используются никельсодержащие катализаторы. В конце срока годности эти катализаторы посылаются либо на полигоны для промышленных отходов, либо на переработку для извлечения содержащихся в них ценных металлов. Нефтеперерабатывающие заводы Кувейта меняют свой подход к отработанным катализаторам. Катализатор — это вещество, которое ускоряет химические реакции или вызывает химическую реакцию в таких условиях, в которых она обычно не протекает. Как правило, каталитический материал имеет очень высокое соотношение активной поверхности и общего веса. Иногда он наносится на поверхность инертных материалов, таких как алюминий или оксид кремния. Многие никелевые катализаторы настолько активны, что могут самовоспламениться, то есть загореться под воздействием воздуха. Содержание никеля в катализаторе часто является запатентованной информацией, но в целом может варьироваться от самого низкого — 1,5% до самого высокого — 98% от общего веса катализатора. На нефтеочистных заводах никелевые катализаторы играют ключевую роль в нескольких процессах: гидропереработка, гидрокрекинг и паровой риформинг. В первых двух процессах никель играет роль усилителя реакции, то есть он увеличивает эффективность процесса. Паровой риформинг — это высокотемпературный процесс, разбивающий топливо, такое как природный газ, на водород, угарный газ или прочие полезные продукты. В этом процессе никель является главным металлом-катализатором. После определённого срока использования катализатор становится отработанным и

теряет свою эффективность. Считается, что на нефтеперерабатывающих заводах мира ежегодно приходят в негодность приблизительно 150 тыс. тонн отработанных катализаторов из всех металлов. Только нефтеперерабатывающие заводы Кувейта отрабатывают около 6 тыс. — 7 тыс. тонн в год. В прошлом большинство катализаторов отправлялось на специальные полигоны для промышленных отходов как отходы опасных веществ, поскольку на Ближнем Востоке не было мощностей по вторичной переработке и утилизации таких материалов. В последние годы нефтепереработчики Кувейта стали понимать, что, с экологической точки зрения, такое решение неразумно. Специализированные предприятия по вторичной переработке и утилизации металлов готовы получать отработанные катализаторы и направлять их в соответствующий перерабатывающий центр для извлечения ценных металлов. Д-р Ашиш Патхак (Ashish Pathak) из Кувейтского института научных исследований (Kuwait Institute for Scientific Research (KISR)) объясняет: «Из-за роста озабоченности состоянием окружающей среды и принятия компаниями корпоративной политики в области устойчивого развития в настоящее время в Кувейте нефтеперерабатывающие предприятия начали продавать отработанные катализаторы компаниям по вторичной переработке и утилизации металлов».

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ UNS

Специализированные предприятия по вторичной переработке и утилизации металлов готовы получать отработанные катализаторы и направлять их в соответствующий перерабатывающий центр для извлечения ценных металлов.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ (весовой в %) сплавов и нержавеющих сталей, упомянутых в данном выпуске журнала «Никель»

Al

B

C

Co

Cr

Cu

Fe

La

Mn

Mo

N

Nb

Ni

P

S

Si

Ti

W

N06230 p. 11

0.200.50

0.015 max

0.050.15

5.0 max

20.024.0

–

3.0 max

0.0050.050

0.301.00

1.03.0

–

–

bal

0.030 max

0.015 max

0.250.75

–

13.015.0

N06617 p. 11

0.81.5

0.006 max

0.050.15

10.015.0

20.024.0

0.5 max

3.0 max

–

1.0 max

8.010.0

–

–

44.5 min

–

0.015 max

1.0 max

0.6 max

–

N06625 p. 11

0.40 max

0.10 max

–

20.023.0

–

5.0 max

–

0.50 max

8.010.0

–

3.154.15

58.0 min

0.015 max

0.015 max

0.50 max

0.40 max

–

S31600 p. 5

–

–

0.08 max

–

16.018.0

–

bal

–

2.00 max.

2.003.00

0.10 max

–

10.014.0

0.045 max

0.030 max

0.75 max

–

–

S34709 p. 11

–

–

0.040.10

–

17.019.0

–

bal

–

2.00 max

–

–

8xC min 1.00 max

9.013.0

0.045 max

0.030 max

0.75 max

–

–

«НИКЕЛЬ», Т. 33, № 2, 2018 Г. | 15

«КЛАУД-КОЛУМН» — МОНУМЕНТАЛЬНАЯ СКУЛЬПТУРА ИЗ НИКЕЛЬСОДЕРЖАЩЕЙ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ В ХУДОЖЕСТВЕННОМ МУЗЕЕ Г. ХЬЮСТОНА В ТЕХАСЕ «Клауд-колумн» («Облачная колонна», Сloud Column) — ещё один художественный шедевр британо-индийского художника Аниша Капура (Anish Kapoor), известного созданием из нержавеющей стали скульптуры «Клауд-гейт» («Облачные врата», Cloud Gate), являющейся визитной карточкой парка «Миллениум» в Чикаго. Задуманная в конце девяностых годов двадцатого века и претворённая в жизнь в 2006 г. скульптура «Клауд-колумн» первоначально была заказана для Британского музея. Позже она оказалась одной из двух монументальных скульптур, приобретённых художественным музеем г. Хьюстона для установки на территории реконструированного музейного комплекса.

© АНИШ КАПУР ANISH KAPOOR, ВСЕ ПРАВА ЗАЩИЩЕНЫ, DACS, 2016

Весом чуть менее десяти тонн овальной формы скульптура размерами 8,95 x 3,32 x 2,03 метров выполнена из нержавеющей стали марки 316 (UNS S31600). Она сформована вручную из листов нержавеющей стали, посегментно сваренных вместе и выгнутых по форме. Уникальная ручная обработка придала скульптуре едва заметную волнообразную поверхность, создающую множественность отражений. Форма скульптуры выпуклая с одной стороны и вогнутая с другой. Когда зрители смотрят в вогнутую её переднюю часть, их отражение и

отражения окружающих их предметов перевёрнуты вверх ногами, как бы приглашая всех задуматься не только о самом предмете, но и о том, как мы ориентируемся в окружающем нас мире. Монтаж скульптуры занял два дня. Чтобы поднять её на 50 метров над Глассельской школой искусств и установить на фундамент на площади у здания компании Brown Foundation, Inc., потребовался огромный подъёмный кран. Во время установочных работ и после того, как процесс монтажа был завершён, скульптуру полировали вручную, чтобы добиться истинно зеркальной финишной отделки поверхности. «Клауд-колумн» — это вдохновляющее дополнение к реконструированному музейному комплексу. Торжественно открытая в мае 2018 г. скульптура уже стала достопримечательностью г. Хьюстона и будет и впредь десятилетиями восхищать зрителей благодаря долговечности и притягательной силе отражений в нержавеющей стали.

Аниш Капур, «Клауд-колумн» (Cloud Column), 1998-2006 гг., нержавеющая сталь, художественный музей, г. Хьюстон. Скульптура куплена музеем на средства, предоставленные Caroline Wiess Law Accessions Endowment Fund.

16 «НИКЕЛЬ», | «НИКЕЛЬ», Т. 33, Т. 33, № 2, №2018 2, 2018 Г. Г.