新型保溫材料氣凝膠在蒸汽管道保溫中的應用

朱道強，殷特，林嬋

（1.合肥熱電集團有限公司，合肥 230022；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司合肥分公司，合肥 230022）

1 工程概況

在合肥崗集江淮汽車配件工業園蒸汽管道工程中，設計的工作管管徑為478 mm。輸送蒸汽壓力參數設計值為2.5 MPa，溫度參數設計為350 ℃。該工作管的類型為無縫鋼管，選用20#鋼。傳統的保溫結構多以耐高溫超細玻璃棉為主，由于考慮到本蒸汽管道中溫度的要求，保溫性能要良好，因而本設計中選擇了新型的3 層二氧化硅氣凝膠納米材料，以便于更好地達到長輸管網的低壓及保溫效果。

2 氣凝膠材料簡介

氣凝膠是納米級粒子聚集在一起，經空氣分散之后形成一種非晶固態材料，其中，空氣含量可達到98%。這是一種材質輕盈且多空的納米材料，以三維結構為主，同時具有光學、熱學及電學性能[1]。由于二氧化硅是氣凝膠的主要成分，因而這種材料也被稱作SiO2氣凝膠。

氣凝膠起源于20 世紀30 年代的美國，實驗者通過水解水玻璃的方法提煉出了SiO2氣凝膠。但是，這時期提煉出的氣凝膠含有較多的雜質且制備工藝復雜，因而發展得并不好。然而，溶膠- 凝膠研究的深入化和干燥技術的日趨完善給了氣凝膠新的發展契機，到20 世紀80 年代以后，氣凝膠的發展進入了新階段。這一時期的氣凝膠有如下特征：由于固體微粒變得更為細化，微孔分布更均勻，降低了SiO2氣凝膠材料的密度，提高了材料的孔隙率，提升了氣凝膠的強度，為氣凝膠在工程建筑中的應用奠定了基礎[2]。

3 氣凝膠復合保溫材料特點分析

從保溫效果來看，蒸汽管道傳統的保溫材料有缺陷，因而眾多學者均致力于尋找新型保溫材料，多次實驗后發現氣凝膠的保溫性能更好，表現如下：

3.1 導熱系數上漲速度緩慢

查閱相關研究資料可知：常溫環境下氣凝膠復合保溫材料的導熱系數可達到0.018 W/（m·K），300 ℃的高溫環境下，氣凝膠復合保溫材料1 h 內導熱系數為0.030 W/（m·K）。

由此不難發現，即使是在高溫環境中氣凝膠復合保溫材料的導熱系數上升比較慢。本文所提及的導熱系數指的是物質媒介在溫度傳遞的過程中會不斷消耗熱能以降低熱源的溫度。從這一點來看，導熱系數低就意味著熱源溫度流失速度慢。

這也說明，物質媒介起到了很好的保溫作用。因而從其功效上來看，氣凝膠復合保溫材料保溫性能良好，可有效延緩蒸汽流失的速度，增加保溫時長，并與后續蒸汽溫度相配合以達到室內供暖的目的。

3.2 耐用性良好

蒸汽管道最明顯的特征是規模大，所以，在整個結構中有一部分會外露。而外露的這一部分很容易被水體侵蝕或受到外部沖擊而損壞，還有可能因為季節氣候、環境、溫度、濕度的變化而磨損。蒸汽管道使用傳統保溫材料，外露部分容易出現霉變、保溫功能失效或損壞，耐用性并不高。使用耐用性能良好的氣凝膠復合保溫材料則可有效避免上述問題。

另外，即使該材料長期浸泡在水中霉變發生的概率也很低，且受到外部襲擊時修復能力較強，若發生霉變，修復后也不會影響材料本身的保溫效果。

3.3 環保性突出

從其材料使用量上來看，蒸汽管道保溫材料選用氣凝膠復合保溫材料，用量僅為傳統用量的35%，這說明氣凝膠復合保溫材料用量少、能耗低、環保性較為突出。通常情況下，蒸汽管道傳統保溫材料化學物質較多且容易揮發。這些散發到空氣中的微小顆粒對人體是有害的。氣凝膠復合保溫材料則不存在上述問題，即使是廢棄的氣凝膠復合保溫材料也可以二次加工循環利用，環保性能良好。

3.4 氣凝膠保溫材料的保溫節能試驗

為了盡可能提升蒸汽管道的保溫效果，現選用納米氣凝膠保溫材料進行保溫實驗。某蒸汽管道長度為400 m，現選取其中一段作為試驗段。試驗段蒸汽管道運行壓力為2.3 MPa，溫度為280 ℃。參照GB 50264—2013《工業設備及管道絕熱工程設計規范》的要求，根據保溫結構外表面溫度來計算管道復合保溫結構[3]。

本試驗段管徑有φ426 mm 和φ325 mm 2 種規格，分別使用氣凝膠和傳統硅酸鋁2 種保溫結構，測試現場在布置時采用新舊保溫管道上下并列的方式。其保溫性能分析結果詳見表1。根據表中數據可以發現，對同種規格的氣凝膠與硅酸鋁來說，氣凝膠保溫材料每千米降溫值要低于硅酸鋁保溫材料，其變化數值為2～5 ℃/km。

表1 各試驗管道保溫性能分析結果

如圖1 所示，按照分段畫出各試驗段年平均散熱損失，由此可知，比較試驗段氣凝膠保溫結構的蒸汽管道的表面溫度和常規保溫結構的表面溫度，發現前者比后者溫度低，且年平均散熱損失也較低。根據實際測量數據，發現前者比后者節能約40%。

圖1 各試驗管道年平均散熱損失

按照試驗測試所得出的年平均散熱系數計算，φ426 mm管道在蒸汽流量為50 t/h，壓力為2.3 MPa，起點溫度為280 ℃的情況下，理論計算溫降為4 ℃/km，比常規保溫的7 ℃/km 減少了3 ℃/km。φ325 mm 的管道在蒸汽流量為30 t/h，壓力為2.3 MPa，起點溫度為280 ℃的情況下，理論計算溫降為5 ℃/km，比常規材料9 ℃/km 減少溫降4 ℃/km。

從上述數據可知，蒸汽長距離輸送時，氣凝膠保溫材料的保溫效果要更為明顯，因而蒸汽輸送的過程中熱損失小，熱網供熱范圍大。

4 經濟效益分析

經查蒸汽焓值表可知，試驗段實際運行工況：壓力值2.3 MPa，溫度值280 ℃對應的蒸汽的焓值為2 960.1 kJ/kg，常溫水的焓值為105 kJ/kg。按照中壓蒸汽單價210 元/t 計算，可知試驗段實際可有效利用的熱量為73 元/GJ。現按照管線每年運行7 500 h 來計算其經濟效益。

4.1 減少散熱損失的經濟效益

目前，熱網保溫結構材料單價在市場中的行情為：硅酸鋁650 元/m3，玻 璃棉500 元/m3，鋁箔布9 元/m2，彩鋼板27 元/m2，納米氣凝膠絕熱氈20 000 元/m3，其經濟效益分析見表2。

表2 氣凝膠保溫經濟性分析

4.2 提高生產效率和經濟效益

經過保溫改造之后的管線，提高了終端蒸汽熱值的同時也提升了用戶的生產效率。簡言之，改造之后提升了用戶端的產能，也提高了經濟效益。新改造之后的管線既能滿足用戶對蒸汽溫度的需求，還能提高發電的效率。蒸汽在管道中運行時，沿程的溫度損失較小、溫降低，企業出口的溫度可調低些，這樣一來縮減了熱力單位的運行成本，提升了生產的經濟效益。

4.3 減少排放的經濟效益

熱電鍋爐污染物排放數據顯示：管道總長度為420 m，改造時保溫材料選擇用納米氣凝膠絕熱氈，每年的熱損失減少量為1 267 GJ，也意味著標準煤的消耗量減少了53.1 t，從而年減少污染物排放一氧化碳9.9 kg、二氧化碳29 t、二氧化硫1 t、氨氮化物0.4 t。由這組數據可知，減排的費用減少額為0.63 萬元/a。污染物的排放量少了，可以降低霾出現的概率，因而社會效益也相對良好。

5 結語

使用氣凝膠復合絕熱氈改造傳統蒸汽管道的保溫結構，保溫效果更好，材料的耐久性能得到了提升，同時綠色環保。本文探討分析了新型保溫材料氣凝膠在蒸汽管道的應用情況，旨在為類似的工程提供參考。