1、石墨烯在節能領域的應用分析及前期示范研究饒文濤博士(wtrao)摘要：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 30%,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Graphene phase change thermal stora

2、ge heating systemdevelopment and application demonstrationRao Wentao ,Wang Chunlong(Shanghai Sunred New Material Engineering Co., LTD, 201900)Abstract: the steel in the process of production of steel, will also be a large number of primary energy such as coal is converted into steel for the effectiv

3、e heat and waste heat, waste heatis one of the best new energy,steel mill after the high temperature of waste heat utilization, in a large number of low temperature waste heat is still a large number of emissions, mobile phase change thermal storage technology in the industrial process of low temper

4、ature waste heat can be used for civilian use, but in the past due to the difference of phase change materials thermal conductivity, affected the scale of the use of phase change thermal storage technology, through the use of the combination of graphene with phase change materials, greatly improving

5、 the thermal conductivity of phase change material components, makes the individual components can be bigger, more heatstorage, at the same time reduce the volume of equipment, mobile graphene phase change thermal storage system will be able to large-scale use of steel in the past abandoned low temp

6、erature waste heat resources, makes "type waste heat clean energy" bath, cooling,and hot water boiler water etc need sources of energy,improve the urban energy structure, reduce the urban smog, realize the sustainable development of iron and steel industry.Key words: in the low temperature

7、 waste heat, phase change heat storage and graphene1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4%,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。我國噸鋼能耗 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

8、能源”石墨烯具有高導熱性，材料的導熱系數高達 5300 W/mK，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800C以上的反應、能源轉換、能量交換的三類高溫熱工裝備表1主要的鋼鐵工業高溫熱工裝備序號爐型原料產物溫度范圍：1焦化（焦爐）焦煤、燃煤等焦炭1000-1100C2燒結（燒結機）礦石，燃煤、燃氣等燒結礦1300-1480C3煉鐵

9、（高爐、熱風爐、 還原爐）鐵礦石、燒結礦、球團礦、焦炭、煤炭等高溫鐵水或海綿鐵1300-1500 C4煉鋼（轉爐、電弧爐、各類精煉爐）鐵水或廢鋼咼溫鋼水1600-1650 C5熱軋（加熱爐）板坯熱坯1200-1400 °C在這些熱工設備中，熱的傳遞主要有兩種，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

10、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厶t =1320-1279=41 C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，每年節省的4404萬m3的焦爐煤氣熱值折算成約為25550.4噸標 準煤的熱值，那么40年可節省25550.4X 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，

11、可用1%含量的石墨烯替代50%勺鋅粉，且達到富鋅環氧涂料相同的防腐效 果，提高防腐時間。咼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；而對于蓄熱換熱技術，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

12、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3050%（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相變材料導熱性差，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，

13、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 52kwh,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 100300° 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。t/st/s圖1石墨烯導熱膜使用前后組件溫度對比使用前最大、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 C，溫差相對較小

14、。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，提高其溫度均勻性有明顯效果。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（僅減低2.16 ° C,不影響使用），這將通過下一步將石墨烯粉料與相變材料組合來進行試 驗。目前我們正著手500噸電爐電爐煙氣回收用的工業示范裝置開發。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

15、 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 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。目前城市熱水的用能是如何解決的？ 根據統計在用熱的終端用戶中，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