硅酸铝针刺毯(浅析纳米气凝胶毡在供热管网上的应用)

硅酸铝针刺毯
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一、引   言

随着经济的快速发展，无论是工业还是民用，对热能的需求都越来越大，能源消耗急剧上升；国家为了更好地节约能源、提高能源利用率以及减少污染排放，大力发展集中供热以及热电联产，并对供热管网提出了更高的要求，向节能减排、保护环境、扩大供热半径、延长使用寿命的目标前进。采用更好的保温材料是达到这些目标的一个重要途径。
目前在供热管网上常用的保温材料主要有硅酸铝棉、玻璃棉、硅酸钙瓦、岩棉、复合硅酸盐等。硬质保温材料如硅酸钙瓦，由于机组启停时管道产生的热位移、运行时管道的轻微震动、长期高温使用等原因，容易造成硅酸钙碎裂粉化，形成热桥导致散热损失明显增加。
软质保温材料如硅酸铝棉、复合硅酸盐等由于结构松散、抗拉抗压性能差，受管道震动和重力的影响后，保温结构容易出现上薄下厚甚至下塌现象，造成管道顶部散热过大，保温效果逐年下降，实际投入使用几年后，表面温度大都会超过50℃，局部甚至将达到100℃以上 。
表1 硬、软质保温材料优缺点对照
二氧化硅气凝胶保温材料是迄今为止保温性能最好的材料之一，今天我们就来谈一谈纳米气凝胶毡在供热管网上的应用。
表2 气凝胶制品的导热系数要求

二、性能特征
表 3 常规保温材料与二氧化硅气凝胶绝热毡对比

纳米气凝胶毡是通过特殊工艺把纳米气凝胶复合在柔性基材中的纳米多孔材料，拥有极低的导热系数，是目前世界上导热系数最低的固体材料。纳米气凝胶毡保温性能优异、抗压抗拉强度高、防火防水性好、使用寿命长，在供热管网上应用具有以下优势：
1.导热系数低，降低保温层厚度，减少热能损失
图1 不同温度下气凝胶毡与常规材料导热系数
保温层薄，在供热管网上使用时可降低外套管规格，从而降低外套管材料费用、保温管物流、安装、土建等一系列费用，同时降低管道直埋占用空间，有利于城市建设规划；减少热能损失，节约能源，减少相关污染排放，减少管道每公里温降，大大延长管道输送距离，扩大供热范围。
2.整体疏水，憎水率≥99%
材料整体疏水，解决了管道在运输、储存及运行过程中的防水难题，也避免了保温结构进水而导致大量热能损失及保温材料的性能降低。

图2 透气憎水测试实景
3.卓越的防火性能
达到A级防火，提高安全性，减少事故风险。
4.氯离子含量极低
可有效预防管道设备的腐蚀问题。
5.薄、轻、施工简便
施工快捷简便，减少人力，缩短工期，易裁剪成各种形状，以适应不同形状的管道设备保温。
6.抗压抗拉性强
可承受野蛮施工，在大尺寸管道使用时可有效防止保温结构下塌，不会出现上薄下厚现象。
7.性能稳定，使用寿命长
长期使用能保持良好的保温性能，使用寿命长，减少保温结构更换次数，节省管网维护、更换费用。
8.安全环保
材料整体为无机组成，不含对人体有害物质，绿色环保。
三、应用方案分析
应用案例1
先来看一些气凝胶毡保温方案示意图。

图3 直管段保温示意图

图4 弯头保温示意图

图5 膨胀节保温示意图
每种保温材料根据性质不同价格也不相同。耐温性好、强度高、导热系数低的导热材料价格较贵。因此合理选择保温结构，一方面可以降低保温工程费用，另一方面可以充分发挥保温材料的性能。
表 4 常用保温材料的主要性能及价格

保温材料有硬质保温材料和软质保温材料之分，硬质保温材料如微孔硅酸钙等，软质保温材料如硅酸铝针刺毯、岩棉缝毡等。通过合理设置并优化保温层结构，扬长避短，可以充分发挥硬、软质保温材料的优点。
如图6所示，保温层厚度不够，散热损失就增大，造成热能损耗；若保温层厚度增加，可以减少散热损失，但是却增加了保温工程的投资费用。确定经济厚度不仅需考虑传热影响因素，还需要考虑保温材料价格、气象条件、热能价格以及贷款利率等因素。

图6 经济厚度示意
下面是几种保温结构：

图7 复合保温结构
1-气凝胶毡；2-捆扎铁丝；3-微孔硅酸钙；4-硅酸铝针刺毯；5-捆扎钢带；6-岩棉毡；7-保护层

图 8 双层异材保温结构(一)
1-硅酸铝针刺毯；2-捆扎铁丝；3-岩棉管壳；4-捆扎钢带；5-保护层

图 9 双层异材保温结构(二)
1-气凝胶毡；2-捆扎铁丝；3-反射铝箔；4-岩棉管壳；5-捆扎钢带；6-保护层
以上的3种结构在中石化某分公司一段400 mm、介质温度为450 ℃的中压蒸汽管道上进行了工业试验，试验图如图10所示。

图 10 蒸汽管道保温工业试验
试验对不同保温结构的保温性能、节能效益等作了对比。
表 5 不同保温结构的保温性能对比

表 6 不同保温结构的节能效益和CO2减排量对比

通过对比发现，气凝胶毡保温结构可有效地减少保温层厚度，提高管道的排布效率；采用“气凝胶毡+岩棉管壳”结构较为经济；采用双层异材和复合保温结构能充分发挥不同种材料和结构的优势，有效防止单一软质材料的下沉、硬质材料的“热通道”，大幅度地延长保温材料的使用寿命。
应用案例2
下面是纳米气凝胶毡在预制直埋保温管的应用方案。

图11 全气凝胶方案示意图

图 12 气凝胶复合方案示意图
以设计温度350℃，外径为?325蒸汽直埋管为例进行对比，可以明显看出纳米气凝胶毡的优势。
表7 优势对比表

从上表可以明显看出：
1、采用全气凝胶方案，散热损失最低，节能减排效果最好，同样情况下蒸汽输送距离最远；同时外套管规格最小，不仅安装施工难度最小，运输、安装、土建等一系列费用也最低，由于占地空间最小，可解决部分项目空间有限的问题；此外，全部采用气凝胶保温，结构最为结实，不会出现保温层上薄下厚甚至下塌现象，能长期保持良好地保温效果，保温管使用寿命最长。
2、采用气凝胶复合方案，气凝胶的成本较高，但其在高温下更有优势，于是放在内层高温位置；玻璃棉成本较低，在低温下性价也不错，包裹在外层，该方案同时兼顾了保温效果和投资成本。
四、纳米气凝胶毡设计使用时存在的问题
1、纳米气凝胶毡虽然性能优异，但是价格远远超出高温玻璃棉及复合硅酸镁，价差大约25-30倍，实际工程中大规模使用受限。
2、近期生产纳米保温材料的厂家数量大幅上升，市场竞争下，市场整体供货产品质量不稳定，部分厂家质量不能满足设计要求。
3、少数项目存在偷梁换柱、以次充好的现象，多数工程检验环节缺失，未进行抽检、送检，设计院无法得知应用于项目的实际材料质量。
五、总   结
在供热管网上采用纳米气凝胶材料保温，管道保温效果好，管道散热损失低，节能减排效果明显，外套管规格较小，工程施工难度及相关费用降低，管道使用寿命更长，与常规供热管网比有明显优势。同时还可以减少噪声污染， 减少污染物排放， 具有良好的社会效益。

（本文系小棉袄根据网络公开论文、标准等整理而成，如有不当之处欢迎指正！）

责任编辑：小棉袄

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