鋼鐵、石化、水泥等高耗能行業(yè)在生產過程中，會產生大量余熱，中高溫余熱可以余熱發(fā)電等技術加以利用，大量的中低溫余熱仍大量排放，目前余熱利用率僅能達到35%左右，移動相變儲熱技術可以將工業(yè)過程中的中低溫余熱回收利用，但以往由于相變材料導熱性差，影響了該技術的效率和規(guī)模，本文嘗試使用石墨烯與相變材料結合的方法進行研究，發(fā)現(xiàn)儲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)能減排領域的一些可能的應用前景。

關鍵詞：高耗能行業(yè)、中低溫余熱利用、相變儲熱、石墨烯

1、引言

我國鋼鐵、有色、化工、建材、石化、輕紡、機械等主要耗能工業(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)耗能量占全國能耗量的14%~16%左右，能源消耗費用占企業(yè)生產總成本的24%以上。我國鋼能耗比先進國家高20%左右。能源問題日益成為我國鋼鐵工業(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、燃燒后又無需排渣和除塵、不易造成環(huán)境污染的優(yōu)質余熱資源，是沒有回收的“新能源”。

石墨烯具有高導熱性，材料的導熱系數(shù)高達5300W/m·K，這一特性在熱工裝備及余熱利用中具有廣泛的應用前景。應用最新的石墨烯材料，結合現(xiàn)有的工藝和設備，提出提升的技術方案和改進或新建設備，實現(xiàn)能耗的大幅下降，幫助傳統(tǒng)產業(yè)滿足越來越嚴格的環(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，鋼鐵生產流程中伴隨800℃以上的反應、能源轉換、能量交換的三類高溫熱工裝備。

在這些熱工設備中，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熱儲熱材料再傳遞給物料，代表爐型為焦爐、熱風爐等，對于前者石墨烯材料可能的使用就是在煙氣余熱回收上，對于后者可以用在開發(fā)高導熱材料上，下面分別進行分析。

焦爐是將煤干餾成為焦炭的設備，熱量通過導熱磚傳遞給煤，利用石墨烯的高導熱性，可以開發(fā)石墨烯高導熱磚，如果導熱磚導熱系數(shù)能從1.9提高到2.3，燃燒室內火焰溫度可降△t=1320-1279=41℃由此可知，高導熱磚的使用從理論上確實可以降低燃燒室火焰的溫度，從而起到節(jié)能，7.63米焦爐，每年約為25550.4噸標準煤，那么40年可節(jié)省25550.4×40=102.2萬噸標準煤。

石墨烯相變儲熱材料在熱風爐上可以得到應用，以取代目前的格子磚，減少設備體積。在加熱爐上，石墨烯相變儲能材料，則主要可以用來回收中低溫煙氣余熱。在熱處理爐上，可以利用石墨烯開發(fā)高導熱涂料，減少燃料消耗。石墨烯在開發(fā)汽車板環(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，且達到富鋅環(huán)氧涂料相同的防腐效果，提高防腐時間。高效石墨烯吸附劑處理含重金屬污水技術、石墨烯在煙氣脫硝和除塵上的應用、石墨烯海水淡化和石墨烯替代活性炭均有應用前景。

3、石墨烯在優(yōu)化相變儲熱系統(tǒng)上的應用研究

3.1相變儲熱材料技術研究現(xiàn)狀

熱交換技術是余熱利用的一個主要技術，代表性技術包括換熱器技術和蓄熱技術兩種。對于換熱器技術，主要形式如金屬管換熱器，該換熱器儲熱放熱同時完成，不具備儲熱的功能；而對于蓄熱技術，主要應用在如蓄熱式熱風爐、玻璃熔爐的蓄熱室等，該技術的缺點是換熱設備儲能密度低、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。

目前開發(fā)的相變儲熱技術，利用相變蓄熱材料作為固有的熱容和相變潛熱儲存?zhèn)鬟f能量，主要優(yōu)點包括：

（1）儲存相同熱量的情況下，相變儲能換熱設備比傳統(tǒng)的蓄熱設備高出至少一個數(shù)量級的儲能密度

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

（3）熱量輸出穩(wěn)定，換熱介質溫度基本恒定。

鑒于以上優(yōu)點相變儲能換熱技術目前成為國際上研究的熱點，但是該技術存在材料的導熱性差等缺點，導致儲熱原件結構復雜，大大影響了其使用。

3.2、石墨烯相變儲熱系統(tǒng)開發(fā)

目前相變材料存在導熱性差，導致儲熱放熱時間長、溫度均勻性差等缺陷。原來解決的方法是采用金屬和石墨來增加儲熱材料的導熱性，但是這些方法存在結構復雜，加工困難等，考慮到石墨烯的高導熱性，本研究嘗試利用石墨烯與相變儲能材料組合的方式來開發(fā)工業(yè)級別的儲熱放熱系統(tǒng)，系統(tǒng)功率為52kw/h，可產生1噸的熱水，并通過組件間的組合，可擴展到加熱10噸熱水以上的供熱量，項目的目標熱源為100~300°C中低溫工業(yè)過程煙氣。

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

使用前最大、最小溫差達34.9°C，使用石墨烯導熱膜和壓塊組合后，儲熱組件最大溫差減小為10.1℃，溫差相對較小。儲熱時間也從38分鐘下降到25分鐘。

由此實驗結果可見采用石墨烯后對于減少儲熱材料的溫差，提高儲熱時間有明顯效果。根據文獻報道，石墨烯與相變材料結合，導熱能力提高2.68倍，相比溫度基本不變。

以上技術的推廣可以實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)廢熱的量可以滿足城市熱水用能的需求。以某工業(yè)城市為例，據統(tǒng)計19家工業(yè)企業(yè)生產可供使用的廢熱達1292910.56GJ（中國是一個制造業(yè)大國，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小時能用上熱水是生活品質的保證，熱水用戶包括洗浴中心、賓館、學校、醫(yī)院等650家的熱水需求達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

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

方式三：燃油（煤）鍋爐或混合加熱的方式：8％的用戶，學校類客戶基本采用燃煤加熱方式，部分客戶擬進行煤改氣，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，但是存在峰谷電價差1倍，而鍋爐使用負荷白天多晚上少的不對等問題，使用儲熱技術后可以讓鍋爐夜間多運行，將熱儲存在儲熱系統(tǒng)中，白天用這部分熱預熱鍋爐給水，減少電耗。

4結論

4.1節(jié)能減排關系到傳統(tǒng)高耗能行業(yè)的生存，在高耗能行業(yè)中承擔能源轉化的高溫熱工設備中，應用石墨烯等高性能導熱熱材料能極大地提高設備的效率、減小設備的體積、提高余熱回收的水平，具有廣闊的應用前景。

4.2石墨烯可以提升相變儲熱系統(tǒng)的效率，提高其溫度均勻性，減少儲熱放熱時間，該系統(tǒng)功率目前國際上已經做到2500kw/h以上，推廣后可實現(xiàn)將工業(yè)廢熱轉化為產生城市用熱水的能源，實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)變廢為寶，城市優(yōu)化了能源結構的雙贏。

4.3石墨烯替代鋅粉及在鍍鋅板上的使用，開發(fā)高效石墨烯吸附劑處理含重金屬污水技術，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用前景，值得產業(yè)化跟蹤。

ENT節(jié)能愿與同行業(yè)一起促進石墨烯在余熱回收中的應用！