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淺析石墨烯在余熱回收節能領域的應用

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年08月19日  

鋼鐵、石化、水泥等高耗能行業在生產過程中,會產生大量余熱,中高溫余熱可以余熱發電等技術加以利用,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,發現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能減排領域的一些可能的應用前景。

關鍵詞:高耗能行業、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,余熱利用率不到5%,工業窯爐熱效率低于70%,其節能潛力很大。其中,鋼鐵工業耗能量占全國能耗量的14%~16%左右,能源消耗費用占企業生產總成本的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健康可持續發展的主要制約瓶頸之一。在各種工業爐窯的能量支出中,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、不易造成環境污染的優質余熱資源,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,實現能耗的大幅下降,幫助傳統產業滿足越來越嚴格的環保法規,獲得企業生存空間。

2、石墨烯在高耗能行業的應用淺析

在鋼鐵、石化和水泥等高耗能行業,以鋼鐵行業為例,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,可以開發石墨烯高導熱磚,如果導熱磚導熱系數能從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,從而起到節能,7.63米焦爐,每年約為25550.4噸標準煤,那么40年可節省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高導熱涂料,減少燃料消耗。石墨烯在開發汽車板環保鍍鋅液,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、石墨烯在優化相變儲熱系統上的應用研究

3.1相變儲熱材料技術研究現狀

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,在工業余熱回收中具有局限性。

目前開發的相變儲熱技術,利用相變蓄熱材料作為固有的熱容和相變潛熱儲存傳遞能量,主要優點包括:

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

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

(3)熱量輸出穩定,換熱介質溫度基本恒定。

鑒于以上優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開發

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工業級別的儲熱放熱系統,系統功率為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工業企業廢熱的量可以滿足城市熱水用能的需求。以某工業城市為例,據統計19家工業企業生產可供使用的廢熱達1292910.56GJ(中國是一個制造業大國,制造企業的數量和規模都名列世界前茅),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廢熱的1/100,用工業廢熱的能量來支撐城市的熱水用能在數量上完全可行的。

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、洗浴業等,占32%的用戶

方式二:天然氣方式加熱:60%的用戶使用,醫院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中,白天用這部分熱預熱鍋爐給水,減少電耗。

4結論

4.1節能減排關系到傳統高耗能行業的生存,在高耗能行業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的效率,提高其溫度均勻性,減少儲熱放熱時間,該系統功率目前國際上已經做到2500kw/h以上,推廣后可實現將工業廢熱轉化為產生城市用熱水的能源,實現工業企業變廢為寶,城市優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,值得產業化跟蹤。

ENT節能愿與同行業一起促進石墨烯在余熱回收中的應用!

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