鋼鐵、石化、水泥等高耗能行業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量余熱，中高溫余熱可以余熱發(fā)電等技術(shù)加以利用，大量的中低溫余熱仍大量排放，目前余熱利用率僅能達(dá)到35%左右，移動(dòng)相變儲(chǔ)熱技術(shù)可以將工業(yè)過(guò)程中的中低溫余熱回收利用，但以往由于相變材料導(dǎo)熱性差，影響了該技術(shù)的效率和規(guī)模，本文嘗試使用石墨烯與相變材料結(jié)合的方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)熱組件的溫度均勻性有明顯的改善，最后本文還指出了石墨烯在節(jié)能減排領(lǐng)域的一些可能的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：高耗能行業(yè)、中低溫余熱利用、相變儲(chǔ)熱、石墨烯

1、引言

我國(guó)鋼鐵、有色、化工、建材、石化、輕紡、機(jī)械等主要耗能工業(yè)，余熱利用率不到5%，工業(yè)窯爐熱效率低于70%，其節(jié)能潛力很大。其中，鋼鐵工業(yè)耗能量占全國(guó)能耗量的14%~16%左右，能源消耗費(fèi)用占企業(yè)生產(chǎn)總成本的24%以上。我國(guó)鋼能耗比先進(jìn)國(guó)家高20%左右。能源問(wèn)題日益成為我國(guó)鋼鐵工業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的主要制約瓶頸之一。在各種工業(yè)爐窯的能量支出中，廢氣余熱約占15%～35％，這些廢氣凈化處理后是一種輸送和使用方便、燃燒后又無(wú)需排渣和除塵、不易造成環(huán)境污染的優(yōu)質(zhì)余熱資源，是沒(méi)有回收的“新能源”。

石墨烯具有高導(dǎo)熱性，材料的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K，這一特性在熱工裝備及余熱利用中具有廣泛的應(yīng)用前景。應(yīng)用最新的石墨烯材料，結(jié)合現(xiàn)有的工藝和設(shè)備，提出提升的技術(shù)方案和改進(jìn)或新建設(shè)備，實(shí)現(xiàn)能耗的大幅下降，幫助傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)滿(mǎn)足越來(lái)越嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)，獲得企業(yè)生存空間。

2、石墨烯在高耗能行業(yè)的應(yīng)用淺析

在鋼鐵、石化和水泥等高耗能行業(yè)，以鋼鐵行業(yè)為例，鋼鐵生產(chǎn)流程中伴隨800℃以上的反應(yīng)、能源轉(zhuǎn)換、能量交換的三類(lèi)高溫?zé)峁ぱb備。

在這些熱工設(shè)備中，熱的傳遞主要有兩種形式，一種是熱能直接傳遞給物料，代表爐型是加熱爐等，另外一種是熱能先傳遞給導(dǎo)熱儲(chǔ)熱材料再傳遞給物料，代表爐型為焦?fàn)t、熱風(fēng)爐等，對(duì)于前者石墨烯材料可能的使用就是在煙氣余熱回收上，對(duì)于后者可以用在開(kāi)發(fā)高導(dǎo)熱材料上，下面分別進(jìn)行分析。

焦?fàn)t是將煤干餾成為焦炭的設(shè)備，熱量通過(guò)導(dǎo)熱磚傳遞給煤，利用石墨烯的高導(dǎo)熱性，可以開(kāi)發(fā)石墨烯高導(dǎo)熱磚，如果導(dǎo)熱磚導(dǎo)熱系數(shù)能從1.9提高到2.3，燃燒室內(nèi)火焰溫度可降△t=1320-1279=41℃由此可知，高導(dǎo)熱磚的使用從理論上確實(shí)可以降低燃燒室火焰的溫度，從而起到節(jié)能，7.63米焦?fàn)t，每年約為25550.4噸標(biāo)準(zhǔn)煤，那么40年可節(jié)省25550.4×40=102.2萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

石墨烯相變儲(chǔ)熱材料在熱風(fēng)爐上可以得到應(yīng)用，以取代目前的格子磚，減少設(shè)備體積。在加熱爐上，石墨烯相變儲(chǔ)能材料，則主要可以用來(lái)回收中低溫?zé)煔庥酂帷Ｔ跓崽幚頎t上，可以利用石墨烯開(kāi)發(fā)高導(dǎo)熱涂料，減少燃料消耗。石墨烯在開(kāi)發(fā)汽車(chē)板環(huán)保鍍鋅液，石墨烯替代鋅粉及在鍍鋅板上的使用，可用1%含量的石墨烯替代50%的鋅粉，且達(dá)到富鋅環(huán)氧涂料相同的防腐效果，提高防腐時(shí)間。高效石墨烯吸附劑處理含重金屬污水技術(shù)、石墨烯在煙氣脫硝和除塵上的應(yīng)用、石墨烯海水淡化和石墨烯替代活性炭均有應(yīng)用前景。

3、石墨烯在優(yōu)化相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)上的應(yīng)用研究

3.1相變儲(chǔ)熱材料技術(shù)研究現(xiàn)狀

熱交換技術(shù)是余熱利用的一個(gè)主要技術(shù)，代表性技術(shù)包括換熱器技術(shù)和蓄熱技術(shù)兩種。對(duì)于換熱器技術(shù)，主要形式如金屬管換熱器，該換熱器儲(chǔ)熱放熱同時(shí)完成，不具備儲(chǔ)熱的功能；而對(duì)于蓄熱技術(shù)，主要應(yīng)用在如蓄熱式熱風(fēng)爐、玻璃熔爐的蓄熱室等，該技術(shù)的缺點(diǎn)是換熱設(shè)備儲(chǔ)能密度低、體積龐大、蓄熱不能恒溫等，在工業(yè)余熱回收中具有局限性。

目前開(kāi)發(fā)的相變儲(chǔ)熱技術(shù)，利用相變蓄熱材料作為固有的熱容和相變潛熱儲(chǔ)存?zhèn)鬟f能量，主要優(yōu)點(diǎn)包括：

（1）儲(chǔ)存相同熱量的情況下，相變儲(chǔ)能換熱設(shè)備比傳統(tǒng)的蓄熱設(shè)備高出至少一個(gè)數(shù)量級(jí)的儲(chǔ)能密度

（2）在儲(chǔ)存相同熱量的情況下，相變儲(chǔ)能換熱設(shè)備比傳統(tǒng)的蓄熱設(shè)備體積減少30~50%

（3）熱量輸出穩(wěn)定，換熱介質(zhì)溫度基本恒定。

鑒于以上優(yōu)點(diǎn)相變儲(chǔ)能換熱技術(shù)目前成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn)，但是該技術(shù)存在材料的導(dǎo)熱性差等缺點(diǎn)，導(dǎo)致儲(chǔ)熱原件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大大影響了其使用。

3.2、石墨烯相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

目前相變材料存在導(dǎo)熱性差，導(dǎo)致儲(chǔ)熱放熱時(shí)間長(zhǎng)、溫度均勻性差等缺陷。原來(lái)解決的方法是采用金屬和石墨來(lái)增加儲(chǔ)熱材料的導(dǎo)熱性，但是這些方法存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工困難等，考慮到石墨烯的高導(dǎo)熱性，本研究嘗試?yán)檬┡c相變儲(chǔ)能材料組合的方式來(lái)開(kāi)發(fā)工業(yè)級(jí)別的儲(chǔ)熱放熱系統(tǒng)，系統(tǒng)功率為52kw/h，可產(chǎn)生1噸的熱水，并通過(guò)組件間的組合，可擴(kuò)展到加熱10噸熱水以上的供熱量，項(xiàng)目的目標(biāo)熱源為100~300°C中低溫工業(yè)過(guò)程煙氣。

石墨烯加熱的方式有兩種，分別是將石墨烯導(dǎo)熱膜與相變材料壓塊間進(jìn)行組合，提高壓塊間的導(dǎo)熱，另外一種方式是以添加的形式組合到相變儲(chǔ)熱原件中。

使用前最大、最小溫差達(dá)34.9°C，使用石墨烯導(dǎo)熱膜和壓塊組合后，儲(chǔ)熱組件最大溫差減小為10.1℃，溫差相對(duì)較小。儲(chǔ)熱時(shí)間也從38分鐘下降到25分鐘。

由此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)采用石墨烯后對(duì)于減少儲(chǔ)熱材料的溫差，提高儲(chǔ)熱時(shí)間有明顯效果。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，石墨烯與相變材料結(jié)合，導(dǎo)熱能力提高2.68倍，相比溫度基本不變。

以上技術(shù)的推廣可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)廢熱的量可以滿(mǎn)足城市熱水用能的需求。以某工業(yè)城市為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)19家工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)可供使用的廢熱達(dá)1292910.56GJ（中國(guó)是一個(gè)制造業(yè)大國(guó)，制造企業(yè)的數(shù)量和規(guī)模都名列世界前茅），隨著人們生活水平的提高，24小時(shí)能用上熱水是生活品質(zhì)的保證，熱水用戶(hù)包括洗浴中心、賓館、學(xué)校、醫(yī)院等650家的熱水需求達(dá)63700噸，折合熱量12740GJ，僅占可供使用的工業(yè)廢熱的1/100,用工業(yè)廢熱的能量來(lái)支撐城市的熱水用能在數(shù)量上完全可行的。

目前城市用水主要通過(guò)三種方式：

方式一：使用電加熱或空氣熱泵的方式：賓館、洗浴業(yè)等，占32％的用戶(hù)

方式二：天然氣方式加熱：60％的用戶(hù)使用，醫(yī)院85％的用戶(hù)采用天然氣鍋爐

方式三：燃油（煤）鍋爐或混合加熱的方式：8％的用戶(hù)，學(xué)校類(lèi)客戶(hù)基本采用燃煤加熱方式，部分客戶(hù)擬進(jìn)行煤改氣，醫(yī)院15％采用燃油鍋爐。

燃煤、燃油鍋爐的很多將被電鍋爐替代，但是存在峰谷電價(jià)差1倍，而鍋爐使用負(fù)荷白天多晚上少的不對(duì)等問(wèn)題，使用儲(chǔ)熱技術(shù)后可以讓鍋爐夜間多運(yùn)行，將熱儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱系統(tǒng)中，白天用這部分熱預(yù)熱鍋爐給水，減少電耗。

4結(jié)論

4.1節(jié)能減排關(guān)系到傳統(tǒng)高耗能行業(yè)的生存，在高耗能行業(yè)中承擔(dān)能源轉(zhuǎn)化的高溫?zé)峁ぴO(shè)備中，應(yīng)用石墨烯等高性能導(dǎo)熱熱材料能極大地提高設(shè)備的效率、減小設(shè)備的體積、提高余熱回收的水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4.2石墨烯可以提升相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)的效率，提高其溫度均勻性，減少儲(chǔ)熱放熱時(shí)間，該系統(tǒng)功率目前國(guó)際上已經(jīng)做到2500kw/h以上，推廣后可實(shí)現(xiàn)將工業(yè)廢熱轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生城市用熱水的能源，實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)變廢為寶，城市優(yōu)化了能源結(jié)構(gòu)的雙贏。

4.3石墨烯替代鋅粉及在鍍鋅板上的使用，開(kāi)發(fā)高效石墨烯吸附劑處理含重金屬污水技術(shù)，在煙氣脫硝和除塵，在海水淡化和石墨烯替代活性炭均有應(yīng)用前景，值得產(chǎn)業(yè)化跟蹤。

ENT節(jié)能愿與同行業(yè)一起促進(jìn)石墨烯在余熱回收中的應(yīng)用！