專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于高爐冷卻系統(tǒng)的納米流體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米流體及其制備方法，尤其是在高爐冷卻系統(tǒng)中作為 冷卻介質(zhì)的納米流體及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前高爐冷卻介質(zhì)一般是純凈水、工業(yè)水、工業(yè)水通過(guò)藥物處理形成軟 水或除鹽水。由于純凈水成本太高，工業(yè)水冷卻效果不好，目前高爐使用的 冷卻介質(zhì)都是工業(yè)水加藥物處理后形成的軟水或除鹽水。
隨著高爐冶煉強(qiáng)度、煤比不斷提高，爐內(nèi)溫度波動(dòng)由5(TC/min增大到150 'C/min，在爐身下部、爐腰和爐腹區(qū)域熱流強(qiáng)度平均在30 60kw/n^范圍內(nèi)， 高時(shí)達(dá)到160kw/m2,爐況異常時(shí)最高達(dá)到240kw/m2。由于軟水或除鹽水導(dǎo)熱 系數(shù)低，為保證高爐壽命達(dá)到15 20年，滿(mǎn)足熱流強(qiáng)度要求，其工作參數(shù)必 須達(dá)到以下指標(biāo)流速大于2m/s、冷卻水流量大于3800mS/h、壓力大于0.7MPa、 使用強(qiáng)制換熱器確保入口溫度小于36°C。由此帶來(lái)的是動(dòng)力和新水消耗大， 達(dá)到0.547mVt,日消耗新水4376m3，水資源浪費(fèi)大。
近年來(lái)，對(duì)納米流體基礎(chǔ)性研究和應(yīng)用取得很大進(jìn)展，納米氧化物選擇 和納米流體制備方法已經(jīng)有應(yīng)用事例。常用的納米流體制備方法有兩種，即 "一步法"和"兩步法"， 一步法是利用物理氣相方法，需要高真空、高溫且 密閉環(huán)境下，該方法制備速度漫，不適用于工業(yè)生產(chǎn)；兩步法是把納米粒子 按一定體積百分?jǐn)?shù)加到水或油溶液中，再加入一定比例分散劑、活性劑，并 將混合液用超聲振動(dòng)獲得納米流體，當(dāng)納米粒子體積百分?jǐn)?shù)為4% 5%，納 米流體導(dǎo)熱系數(shù)可以提高60%，能夠滿(mǎn)足30kw/r^熱流強(qiáng)度要求。目前使用 分散劑、活性劑和超聲振動(dòng)方法制備納米流體存在不足是制備量小， 一般用 作特殊散熱裝置的冷卻介質(zhì)，不適合大工業(yè)生產(chǎn)。
專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00410098793.1發(fā)明使用旋轉(zhuǎn)填充床反應(yīng)器制備納米流體， 屬于一步法，需要經(jīng)過(guò)吸收、汽提和蒸餾分離過(guò)程，在工業(yè)應(yīng)用中存在速度 慢缺點(diǎn)。專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?2261796.5發(fā)明納米封閉式自然循環(huán)傳熱裝置，能夠?qū)?現(xiàn)納米與液體直接混合，該發(fā)明屬于典型二步法，但需要添加分散劑、活性 劑以及超聲波震動(dòng)制備納米流體，該發(fā)明適用于小型特殊用途工業(yè)設(shè)備冷卻 介質(zhì)，如作為油浸式電力變壓器和其他設(shè)備的散熱裝置冷卻劑。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，本發(fā)明提供一種用于高爐冷卻系統(tǒng)的 納米流體及其制備方法，通過(guò)使用納米流體作為高爐冷卻介質(zhì)，強(qiáng)化冷卻介 質(zhì)導(dǎo)熱能力，減少冷卻水消耗，同時(shí)避免高爐出現(xiàn)大于160kw/n^極端熱流強(qiáng) 度時(shí)熱量傳導(dǎo)不及時(shí)問(wèn)題；通過(guò)改變母液PH值和高壓方法制備納米流體，解 決目前使用添加活性劑、分散劑和超聲波震動(dòng)方法不能在大型高爐上應(yīng)用等 問(wèn)題。
本發(fā)明一種用于高爐冷卻系統(tǒng)的納米流體包括溶劑和溶質(zhì)組成，溶劑為 軟水或除鹽水母液，溶質(zhì)為Al203或CllO納米級(jí)氧化物。軟水或除鹽水母液 PH=8.5 9.5，八1203或CuO納米氧化物的粒度為50 100nm，加入量為軟水 或除鹽水母液體積百分?jǐn)?shù)0.5% 1.0%。
本發(fā)明一種用于高爐冷卻系統(tǒng)的納米流體的制備方法，步驟如下
1) 在原有高爐閉路冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)納米流體制備容池，其大 小根據(jù)需要而定。
2) 將所需容量的軟水或除鹽水母液注入容池內(nèi)，并且加入PH調(diào)節(jié)藥劑， 加入量是軟水或除鹽水母液體積百分?jǐn)?shù)2.0% 2.3%。目的是除去水中陰離子， 改變軟水或除鹽軟水PH值，同時(shí)減弱加入Al203或CuO納米級(jí)氧化物顆粒
后顆粒表面活化能，減弱納米顆粒布朗運(yùn)動(dòng)，防止納米顆粒團(tuán)聚。
3) 向處理后的軟水或除鹽水母液中加入粒度在50 100nm范圍內(nèi)的 八1203或CuO納米氧化物，加入量是軟水或除鹽水母液體積百分?jǐn)?shù)0.5% 1.0%。在1.0 2.0小時(shí)內(nèi)，按等間距2 4點(diǎn)取樣，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用熱線裝置 測(cè)試納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)，保證導(dǎo)熱系數(shù)在原水導(dǎo)熱系數(shù)0.604W(m. K)—1基礎(chǔ) 上提高20°/。 25%。
4) 控制高爐閉路冷卻系統(tǒng)水泵總壓力在0.9 l.lMPa范圍內(nèi)，對(duì)流體進(jìn) 行攪拌，保證納米粒子混合均勻，保證納米流體在銅冷卻壁水管內(nèi)流速達(dá)到 1.6 2.0m/s，同時(shí)消除納米粒子團(tuán)聚現(xiàn)象，保證懸浮液內(nèi)納米顆粒不沉降， 形成穩(wěn)定的懸浮液。按等間距2 4點(diǎn)取樣，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用電子顯微鏡，檢測(cè) 納米流體是否有團(tuán)聚現(xiàn)象。
本發(fā)明有以下特點(diǎn)和有益效果
1) 與目前常用軟水或除鹽水作為高爐冷卻水相比較，在軟水或除鹽水中 加入0.5% 1.0% (體積百分?jǐn)?shù))粒度為50 100nm的八1203或CuO納米氧化 物，形成穩(wěn)定懸浮液。利用納米材料粒度小(接近于水分子)不產(chǎn)生磨損或 堵塞等不良現(xiàn)象，與水形成均勻混合的納米流體，提高導(dǎo)熱系數(shù)20% 25%， 相應(yīng)同比例減少軟水或除鹽水用量20% 25%，降低新水消耗0.15 0.19mVt。
2) 與目前所使用納米流體制備方法相比較，本發(fā)明不使用親水劑、分散 劑和超聲波震動(dòng)方法，通過(guò)改變母液PH值和高壓方法制備納米流體，更適合 作為高爐冷卻介質(zhì)這樣大工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一
納米流體的制備方法1)選用軟水作為母液注入容池，容量為40m、 2) 加入PH調(diào)節(jié)藥劑為三聚磷酸鈉藥物，加入量為體積百分?jǐn)?shù)2.0%，母液 PH=8.5; 3)納米氧化物體積份數(shù)選擇，在母液中直加入粒度為50 100nm的
Ab03納米氧化物，使用量為母液體積百分?jǐn)?shù)0.5%; 4)水泵工作壓力選擇， 根據(jù)銅冷卻壁結(jié)構(gòu)參數(shù)(水管直徑小-50mm)、納米流體目標(biāo)流速1.6 2.0m/s 為基礎(chǔ)條件，保證納米流體在冷卻水管內(nèi)呈層流狀態(tài)，即P-0.9MPa。
制備的納米流體包括軟水母液PH-8.5， Al203納米氧化物的粒度為50 100nm，加入量為軟水母液體積百分?jǐn)?shù)0.5%。
實(shí)施例二
納米流體的制備方法l)選用軟水作為母液，容量為40m 2)加入PH 調(diào)節(jié)藥劑為三聚磷酸鈉藥物，加入量為母液體積百分?jǐn)?shù)2.3%，母液PH-9.5; 3)納米氧化物體積份數(shù)選擇，在母液中直加入粒度為50 100nm的Al2O3納 米氧化物，使用量為母液體積百分?jǐn)?shù)1.0%; 4)水泵工作壓力選擇，根據(jù)銅冷 卻壁結(jié)構(gòu)參數(shù)(水管直徑4^50mm)、納米流體目標(biāo)流速1.6 2.0m/s為基礎(chǔ)條 件，保證納米流體在冷卻水管內(nèi)呈層流狀態(tài)，即P-l.lMPa。
制備的納米流體包括軟水母液PH-9.5，八1203納米氧化物的粒度為50 100nm，加入量為軟水母液體積百分?jǐn)?shù)1.0%。
實(shí)施例三
納米流體的制備方法l)選用軟水作為母液，容量為40m、 2)加入PH 調(diào)節(jié)藥劑為三聚磷酸鈉藥物，加入量為母液體積百分?jǐn)?shù)2.3%，母液PH-9.5; 3)納米氧化物體積份數(shù)選擇，在母液中直加入粒度為50 100nm的CuO納 米氧化物，使用量為母液體積百分?jǐn)?shù)0.5%; 4)水泵工作壓力選擇，根據(jù)銅冷 卻壁結(jié)構(gòu)參數(shù)(水管直徑小=50咖)、納米流體目標(biāo)流速1.6 2.0m/s為基礎(chǔ)條 件，保證納米流體在冷卻水管內(nèi)呈層流狀態(tài)，即P-0.9MPa。
制備的納米流體包括軟水母液PH-9.5， CuO納米氧化物的粒度為50 100nm，加入量為軟水母液體積百分?jǐn)?shù)0.5%。
實(shí)施例四
納米流體的制備方法1)選用軟水作為母液，容量為40m、 2)加入PH
調(diào)節(jié)藥劑為三聚磷酸鈉藥物，加入量為母液體積百分?jǐn)?shù)2.3%，母液PH-9.5; 3)納米氧化物體積份數(shù)選擇，在母液中直加入粒度為50 100nm的CuO納 米氧化物，使用量為母液體積百分?jǐn)?shù)1.0%; 4)水泵工作壓力選擇，根據(jù)銅冷 卻壁結(jié)構(gòu)參數(shù)(水管直徑4>=50腿)、納米流體目標(biāo)流速1.6 2.0m/s為基礎(chǔ)條 件，保證納米流體在冷卻水管內(nèi)呈層流狀態(tài)'，即P-l.lMPa。
制備的納米流體包括軟水母液PH-9.5， CuO納米氧化物的粒度為50 100nm，加入量為軟水母液體積百分?jǐn)?shù)1.0%。
實(shí)施例五
納米流體的制備方法1)選用除鹽水作為母液，容量為40m、 2)加入 PH調(diào)節(jié)藥劑為三聚磷酸鈉藥物，加入量為母液體積百分?jǐn)?shù)2.0n/。，母液PJ^8.5; 3)納米氧化物體積份數(shù)選擇，在母液中直加入粒度為50 100nm的Al2O3納 米氧化物，使用量為^:液體積百分?jǐn)?shù)0.5%; 4)水泵工作壓力選擇，根據(jù)銅冷 卻壁結(jié)構(gòu)參數(shù)(水管直徑4=50咖)、納米流體目標(biāo)流速1.6 2.0m/s為基礎(chǔ)條 件，保證納米流體在冷卻水管內(nèi)呈層流狀態(tài)，即P:0.9MPa。
制備的納米流體包括除鹽水母液PH=8.5， A1203納米氧化物的粒度為 50 100nm，加入量為除鹽水母液體積百分?jǐn)?shù)0.5%。
實(shí)施例六
納米流體的制備方法1)選用除鹽水作為母液，容量為40m、 2)加入 PH調(diào)節(jié)藥劑為三聚磷酸鈉藥物，加入量為母液體積百分?jǐn)?shù)2.3。/。，母液Pt^9.5; 3)納米氧化物體積份數(shù)選擇，在母液中直加入粒度為50 100nm的Al2O3納 米氧化物，使用量為母液體積百分?jǐn)?shù)1.0%; 4)水泵工作壓力選擇，根據(jù)銅冷 卻壁結(jié)構(gòu)參數(shù)(水管直徑.4):50mni)、納米流體目標(biāo)流速1.6 2.0m/s為基礎(chǔ)條 件，保證納米流體在冷卻水管內(nèi)呈層流狀態(tài)，即P4.1MPa。
制備的納米流體包括除鹽水母液PH=9.5， A1203納米氧化物的粒度為 50 100nm，加入量為除鹽水母液體積百分?jǐn)?shù)1.0°/。。
實(shí)施例七
納米流體的制備方法1)選用除鹽水作為母液，容量為40m、 2)加入 PH調(diào)節(jié)藥劑為三聚磷酸鈉藥物，加入量為母液體積百分?jǐn)?shù)2.3。/。，母液PH-9.5; 3)納米氧化物體積份數(shù)選擇，在母液中直加入粒度為50 100nm的CuO納 米氧化物，使用量為母液體積百分?jǐn)?shù)0.5%; 4)水泵工作壓力選擇，根據(jù)銅冷 卻壁結(jié)構(gòu)參數(shù)(水管直徑小-50mm)、納米流體目標(biāo)流速1.6 2.0m/s為基礎(chǔ)條 件，保證納米流體在冷卻水管內(nèi)呈層流狀態(tài)，即P-0.9MPa。
制備的納米流體包括:除鹽水母液PH-9.5，CuO納米氧化物的粒度為50 100nm，加入量為除鹽水母液體積百分?jǐn)?shù)0.5%。
實(shí)施例八
納米流體的制備方法1)選用除鹽水作為母液，容量為40m、 2)加入 PH調(diào)節(jié)藥劑為十二烷基苯磺酸鈉，加入量為母液體積百分?jǐn)?shù)2.0%，母液 PH=8.5; 3)納米氧化物體積份數(shù)選擇，在母液中直加入粒度為50 100nm的 CuO納米氧化物，使用量為母液體積百分?jǐn)?shù)0.7%; 4)水泵工作壓力選擇， 根據(jù)銅冷卻壁結(jié)構(gòu)參數(shù)(水管直徑4>=50咖)、納米流體目標(biāo)流速1.6 2.0m/s 為基礎(chǔ)條件，保證納米流體在冷卻水管內(nèi)呈層流狀態(tài)，即P-l.lMPa。
制備的納米流體包括除鹽水母液PH-8.5， CuO納米氧化物的粒度為50 100nm，加入量為除鹽水母液體積百分?jǐn)?shù)0.7%。
權(quán)利要求
1. 一種用于高爐冷卻系統(tǒng)的納米流體，包括溶劑和溶質(zhì)組成，其特征在于溶劑為軟水或除鹽水母液，溶質(zhì)為Al2O3或CuO納米級(jí)氧化物。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高爐冷卻系統(tǒng)的納米流體，其特征在 于軟水或除鹽水母液PH=8.5 9.5，八1203或CuO納米氧化物的粒度為50 lOOnm，加入量為軟水或除鹽水母液體積百分?jǐn)?shù)0.5% 1.0%。
3. —種用于權(quán)利要求1所述的高爐冷卻系統(tǒng)的納米流體的制備方法，其 特征在于l)在原有高爐閉路冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)納米流體制備容池； 2)將所需容量的軟水或除鹽水母液注入容池內(nèi)，并且加入PH調(diào)節(jié)藥劑，加 入量是軟水或除鹽水母液體積百分?jǐn)?shù)2.0% 2.3%; 3)向處理后的軟水或除 鹽水母液中加入粒度在50 100nm范圍內(nèi)的A1203或CuO納米氧化物，加入 量是軟水或除鹽水母液體積百分?jǐn)?shù)0.5% 1.0%; 4)控制高爐閉路冷卻系統(tǒng) 水泵總壓力在0.9 1.1MPa范圍內(nèi)，對(duì)流體進(jìn)行攪拌，消除納米粒子團(tuán)聚現(xiàn)象， 形成穩(wěn)定的懸浮液。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高爐冷卻系統(tǒng)的納米流體的制備方法，其特征 在于所述的PH調(diào)節(jié)藥劑為三聚磷酸鈉。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高爐冷卻系統(tǒng)的納米流體的制備方法，其特征 在于所述的PH調(diào)節(jié)藥劑為十二烷基苯磺酸鈉。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于高爐冷卻系統(tǒng)的納米流體及其制備方法，該流體包括軟水或除鹽水溶劑，Al₂O₃或CuO納米級(jí)氧化物溶質(zhì)。其中軟水或除鹽水溶劑pH＝8.5～9.5，Al₂O₃或CuO納米氧化物的粒度為50～100nm，占溶劑體積百分?jǐn)?shù)0.5％～1.0％。其制備方法是在軟水或除鹽水中加入體積百分?jǐn)?shù)為2.0％～2.3％的pH調(diào)節(jié)藥劑，改變軟水pH值，同時(shí)提高高爐閉路冷卻系統(tǒng)水泵總壓力，形成穩(wěn)定懸浮溶液，提高傳熱效果，減少20％～25％冷卻水用量，降低冷卻水消耗，解決了目前制備納米流體方法不能在大型高爐上應(yīng)用的問(wèn)題。
文檔編號(hào)C21B7/00GK101392171SQ20071001295
公開(kāi)日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2007年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月22日
發(fā)明者波 孫, 鵬 孫, 策 尚, 朱建偉, 李連成, 楊金山, 湯清華, 王志君, 車(chē)玉滿(mǎn), 郭天永 申請(qǐng)人:鞍鋼股份有限公司