浅析石墨烯在余热回收节能领域的应用

钢铁、石化、水泥等高耗能行业在生产过程中，会产生大量余热，中高温余热可以余热发电等技术加以利用，大量的中低温余热仍大量排放，目前余热利用率仅能达到35%左右，移动相变储热技术可以将工业过程中的中低温余热回收利用，但以往由于相变材料导热性差，影响了该技术的效率和规模，本文尝试使用石墨烯与相变材料结合的方法进行研究，发现储热组件的温度均匀性有明显的改善，最后本文还指出了石墨烯在节能减排领域的一些可能的应用前景。

关键词：高耗能行业、中低温余热利用、相变储热、石墨烯

1、引言

我国钢铁、有色、化工、建材、石化、轻纺、机械等主要耗能工业，余热利用率不到5%，工业窑炉热效率低于70%，其节能潜力很大。其中，钢铁工业耗能量占全国能耗量的14%~16%左右，能源消耗费用占企业生产总成本的24%以上。我国钢能耗比先进国家高20%左右。能源问题日益成为我国钢铁工业健康可持续发展的主要制约瓶颈之一。在各种工业炉窑的能量支出中，废气余热约占15%～35％，这些废气净化处理后是一种输送和使用方便、燃烧后又无需排渣和除尘、不易造成环境污染的优质余热资源，是没有回收的“新能源”。

石墨烯具有高导热性，材料的导热系数高达5300W/m·K，这一特性在热工装备及余热利用中具有广泛的应用前景。应用最新的石墨烯材料，结合现有的工艺和设备，提出提升的技术方案和改进或新建设备，实现能耗的大幅下降，帮助传统产业满足越来越严格的环保法规，获得企业生存空间。

2、石墨烯在高耗能行业的应用浅析

在钢铁、石化和水泥等高耗能行业，以钢铁行业为例，钢铁生产流程中伴随800℃以上的反应、能源转换、能量交换的三类高温热工装备。

在这些热工设备中，热的传递主要有两种形式，一种是热能直接传递给物料，代表炉型是加热炉等，另外一种是热能先传递给导热储热材料再传递给物料，代表炉型为焦炉、热风炉等，对于前者石墨烯材料可能的使用就是在烟气余热回收上，对于后者可以用在开发高导热材料上，下面分别进行分析。

焦炉是将煤干馏成为焦炭的设备，热量通过导热砖传递给煤，利用石墨烯的高导热性，可以开发石墨烯高导热砖，如果导热砖导热系数能从1.9提高到2.3，燃烧室内火焰温度可降△t=1320-1279=41℃由此可知，高导热砖的使用从理论上确实可以降低燃烧室火焰的温度，从而起到节能，7.63米焦炉，每年约为25550.4吨标准煤，那么40年可节省25550.4×40=102.2万吨标准煤。

石墨烯相变储热材料在热风炉上可以得到应用，以取代目前的格子砖，减少设备体积。在加热炉上，石墨烯相变储能材料，则主要可以用来回收中低温烟气余热。在热处理炉上，可以利用石墨烯开发高导热涂料，减少燃料消耗。石墨烯在开发汽车板环保镀锌液，石墨烯替代锌粉及在镀锌板上的使用，可用1%含量的石墨烯替代50%的锌粉，且达到富锌环氧涂料相同的防腐效果，提高防腐时间。高效石墨烯吸附剂处理含重金属污水技术、石墨烯在烟气脱硝和除尘上的应用、石墨烯海水淡化和石墨烯替代活性炭均有应用前景。

3、石墨烯在优化相变储热系统上的应用研究

3.1相变储热材料技术研究现状

热交换技术是余热利用的一个主要技术，代表性技术包括换热器技术和蓄热技术两种。对于换热器技术，主要形式如金属管换热器，该换热器储热放热同时完成，不具备储热的功能；而对于蓄热技术，主要应用在如蓄热式热风炉、玻璃熔炉的蓄热室等，该技术的缺点是换热设备储能密度低、体积庞大、蓄热不能恒温等，在工业余热回收中具有局限性。

目前开发的相变储热技术，利用相变蓄热材料作为固有的热容和相变潜热储存传递能量，主要优点包括：

（1）储存相同热量的情况下，相变储能换热设备比传统的蓄热设备高出至少一个数量级的储能密度

（2）在储存相同热量的情况下，相变储能换热设备比传统的蓄热设备体积减少30~50%

（3）热量输出稳定，换热介质温度基本恒定。

鉴于以上优点相变储能换热技术目前成为国际上研究的热点，但是该技术存在材料的导热性差等缺点，导致储热原件结构复杂，大大影响了其使用。

3.2、石墨烯相变储热系统开发

目前相变材料存在导热性差，导致储热放热时间长、温度均匀性差等缺陷。原来解决的方法是采用金属和石墨来增加储热材料的导热性，但是这些方法存在结构复杂，加工困难等，考虑到石墨烯的高导热性，本研究尝试利用石墨烯与相变储能材料组合的方式来开发工业级别的储热放热系统，系统功率为52kw/h，可产生1吨的热水，并通过组件间的组合，可扩展到加热10吨热水以上的供热量，项目的目标热源为100~300°C中低温工业过程烟气。

石墨烯加热的方式有两种，分别是将石墨烯导热膜与相变材料压块间进行组合，提高压块间的导热，另外一种方式是以添加的形式组合到相变储热原件中。

使用前最大、最小温差达34.9°C，使用石墨烯导热膜和压块组合后，储热组件最大温差减小为10.1℃，温差相对较小。储热时间也从38分钟下降到25分钟。

由此实验结果可见采用石墨烯后对于减少储热材料的温差，提高储热时间有明显效果。根据文献报道，石墨烯与相变材料结合，导热能力提高2.68倍，相比温度基本不变。

以上技术的推广可以实现工业企业废热的量可以满足城市热水用能的需求。以某工业城市为例，据统计19家工业企业生产可供使用的废热达1292910.56GJ（中国是一个制造业大国，制造企业的数量和规模都名列世界前茅），随着人们生活水平的提高，24小时能用上热水是生活品质的保证，热水用户包括洗浴中心、宾馆、学校、医院等650家的热水需求达63700吨，折合热量12740GJ，仅占可供使用的工业废热的1/100,用工业废热的能量来支撑城市的热水用能在数量上完全可行的。

目前城市用水主要通过三种方式：

方式一：使用电加热或空气热泵的方式：宾馆、洗浴业等，占32％的用户

方式二：天然气方式加热：60％的用户使用，医院85％的用户采用天然气锅炉

方式三：燃油（煤）锅炉或混合加热的方式：8％的用户，学校类客户基本采用燃煤加热方式，部分客户拟进行煤改气，医院15％采用燃油锅炉。

燃煤、燃油锅炉的很多将被电锅炉替代，但是存在峰谷电价差1倍，而锅炉使用负荷白天多晚上少的不对等问题，使用储热技术后可以让锅炉夜间多运行，将热储存在储热系统中，白天用这部分热预热锅炉给水，减少电耗。

4结论

4.1节能减排关系到传统高耗能行业的生存，在高耗能行业中承担能源转化的高温热工设备中，应用石墨烯等高性能导热热材料能极大地提高设备的效率、减小设备的体积、提高余热回收的水平，具有广阔的应用前景。

4.2石墨烯可以提升相变储热系统的效率，提高其温度均匀性，减少储热放热时间，该系统功率目前国际上已经做到2500kw/h以上，推广后可实现将工业废热转化为产生城市用热水的能源，实现工业企业变废为宝，城市优化了能源结构的双赢。

4.3石墨烯替代锌粉及在镀锌板上的使用，开发高效石墨烯吸附剂处理含重金属污水技术，在烟气脱硝和除尘，在海水淡化和石墨烯替代活性炭均有应用前景，值得产业化跟踪。

ENT节能愿与同行业一起促进石墨烯在余热回收中的应用！