鉅大LARGE | 點擊量:2214次 | 2018年08月19日
淺析石墨烯在余熱回收節(jié)能領域的應用
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!
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