納米阻燃隔熱材料節(jié)能技術(shù)在集中供熱上的應(yīng)用分析

馬汝軍 張鑫揚(yáng)

蘇州市君悅新材料科技股份有限公司

1 前言

一直以來，蒸汽管道多采用巖棉、玻璃纖維、硅酸鋁纖維等無機(jī)材料作為保溫的主材，在傳統(tǒng)的單一結(jié)構(gòu)保溫工藝下，該類材料使用時(shí)，保溫層過厚且結(jié)構(gòu)松散、抗拉抗壓性能較差是難以解決的問題，由于蒸汽管道的震動(dòng)、保溫材料的自重等因素，容易引起材料重心偏移和沉降。此外，由于單一結(jié)構(gòu)的保溫層防水防潮能力不足，隨著服役時(shí)間的延長，保溫層進(jìn)水不僅使得材料沉降更為明顯，保溫效果不均衡，加速了無機(jī)纖維材料的老化和脆化。在使用若干年后，管道保溫層表面溫度大多會(huì)超過50℃，管網(wǎng)熱損增大，直接導(dǎo)致能源消耗加劇[1]。

目前，全國各地城市、工業(yè)園區(qū)采取以大機(jī)組集中供熱取代片區(qū)小熱電，整治小鍋爐，對(duì)供熱半徑的要求大大提高[2]。以浙江省為例，2015年印發(fā)的《浙江省地方燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)行業(yè)綜合改造升級(jí)行動(dòng)計(jì)劃》中指出，浙江省內(nèi)新增熱源點(diǎn)供熱半徑不得小于15 km[3]。國內(nèi)大部分采用傳統(tǒng)保溫材料和傳統(tǒng)技術(shù)的熱電企業(yè)供熱管網(wǎng)熱損大，供熱半徑短，無法滿足該最低供熱半徑要求[4]。

納米阻燃隔熱材料（又稱納米氣囊反射層，如圖1所示）及其配套復(fù)合式保溫技術(shù)解決了集中供熱所需長距離輸熱管網(wǎng)熱損大、供熱半徑不達(dá)標(biāo)的技術(shù)難題[5]。本文根據(jù)隔熱機(jī)理和蘇州盛虹集團(tuán)電廠管網(wǎng)保溫技術(shù)改造后的實(shí)測情況，分析納米阻燃隔熱材料節(jié)能技術(shù)的有效性和突出優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算得出單位面積的納米阻燃隔熱材料年節(jié)能量達(dá)到357 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，對(duì)于蒸汽管網(wǎng)和設(shè)備的保溫具有十分重要的意義[6]。

2 納米阻燃隔熱材料與復(fù)合式保溫技術(shù)

圖1 納米阻燃隔熱材料（即納米氣囊反射層）

熱傳遞有3種基本方式，即：熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流，熱輻射。納米阻燃隔熱材料具有“三明治”結(jié)構(gòu)，中間是由特殊工藝制備的均勻的氣囊層，氣囊層兩面與納米反射鋁塑阻隔膜粘結(jié)，形成隔熱效果優(yōu)異的保溫層。其隔熱性能主要依托于兩面納米鋁塑阻隔膜的高反射能力，從熱源散發(fā)出的熱量經(jīng)過阻隔膜反射后，將被削弱90%以上，納米反射鋁塑阻隔膜大幅度抑制了熱輻射。殘余熱量進(jìn)入保溫層的氣囊里，氣囊層中填充有特殊氣體，該氣體熱導(dǎo)率極低，封閉狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)低于0.025 W/(m·K），能有效降低材料整體的熱導(dǎo)率。由于氣囊兩端被阻隔膜封閉，形成一個(gè)個(gè)相互獨(dú)立的密閉空間，在一定程度上，削弱了保溫層內(nèi)由氣體對(duì)流引起的直接傳熱，其保溫原理如圖2所示。以單個(gè)氣囊直徑為10 mm、高度為3 mm、氣囊層數(shù)為1層時(shí)的納米氣囊反射層為例，其導(dǎo)熱系數(shù)約為0.035 W/(m·k)，能有效達(dá)到保溫節(jié)能的目的。

圖2 納米阻燃隔熱材料保溫原理示意圖

傳統(tǒng)高純度鋁箔表面易氧化，導(dǎo)致其反射能力大大降低，普通的無機(jī)或有機(jī)保護(hù)膜涂層能起到一定的抗氧化作用，但由于普通保護(hù)膜物理光學(xué)特性不佳，膜結(jié)構(gòu)有缺陷，反而使得鋁箔反射率大大減小。納米阻燃隔熱材料是在高純度鋁箔表面涂覆納米SiO2抗氧化涂層，用于提高鋁箔的抗氧化和耐腐蝕能力，并且不影響鋁箔的反射率，從而保證材料在各種惡劣環(huán)境下長期使用不被氧化和腐蝕。其內(nèi)部的氣囊成型過程中添加了納米級(jí)材料，耐老化能力大幅度提高[7]。

新型復(fù)合式保溫技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)保溫材料（無機(jī)鹽保溫材料），通過將反射層和無機(jī)鹽保溫材料組成復(fù)合式保溫結(jié)構(gòu)（如圖3所示），用反射層將無機(jī)鹽保溫材料分隔，利用反射層的熱反射性能，將熱量盡可能維持在該層保溫結(jié)構(gòu)中。最外層使用納米阻燃隔熱材料[8]包裹，層層阻隔，使得材料絕熱性能得到最大化的發(fā)揮[9]。采用反射層后，既可以將熱量維持在內(nèi)部，也可以收緊內(nèi)部的保溫材料，相比于單一結(jié)構(gòu)保溫技術(shù)，復(fù)合式保溫技術(shù)在保溫效果上有明顯提高，通常單一結(jié)構(gòu)保溫技術(shù)的管網(wǎng)每公里溫降為15～20℃，而復(fù)合式保溫技術(shù)的管網(wǎng)每公里溫降僅有3～5℃[10]。在采用復(fù)合式保溫技術(shù)后保溫層厚度明顯降低，通常情況下，保溫層厚度較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)可降低50 mm。

圖3 復(fù)合式保溫結(jié)構(gòu)

2016年，納米阻燃隔熱材料節(jié)能技術(shù)被列入《國家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》[第160項(xiàng)]。

3 實(shí)例實(shí)測分析

在企業(yè)的發(fā)展過程中，對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備和管道進(jìn)行保溫改造已經(jīng)是迫在眉睫。位于江蘇的某電廠從節(jié)能減排，提升經(jīng)濟(jì)效益的角度出發(fā)，于2013年6月至2015年3月對(duì)所轄熱網(wǎng)10 km管線保溫進(jìn)行了改造升級(jí)，采用復(fù)合式保溫技術(shù)及納米阻燃隔熱材料，該管道最大供汽量120t/h、供熱量354 GJ/h；輸送蒸汽溫度290℃，壓力2.5 MPa；管徑DN 300，壁厚12.5 mm，保溫材料厚度180 mm，散熱表面直徑為685 mm。

2016年6月，經(jīng)由第三方檢測機(jī)構(gòu)對(duì)該公司電廠的兩段管道進(jìn)行測試。測試中，使用FLUkE-66型紅外線測溫儀測試保溫層表面溫度，使用Testo 635型溫度計(jì)測試環(huán)境溫度，使用Testo 425型風(fēng)速儀測試風(fēng)速。

（1） 選取的測試管道情況如下

管道一：測試管長22 m，管徑DN300，壁厚12.5 mm，保溫材料厚度180 mm，管道輸送蒸汽溫度318℃，壓力2.5 Mpa，流量6 t/h。

管道二：測試管長22 m，管徑DN 300，壁厚12.5 mm，保溫材料厚度180 mm，管道輸送蒸汽溫度290℃，壓力2.5 MPa，流量6 t/h。

（2）測試與對(duì)比

測試過程中，沿測試區(qū)長度均勻布置5個(gè)測試點(diǎn)，測試時(shí)間大于1 h，每15 min記錄參數(shù)一次，共測試5組數(shù)據(jù)。本次節(jié)能評(píng)價(jià)采用將測試數(shù)據(jù)與《熱力輸送系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測》（GB/T 15910-2009）最大允許值對(duì)比的方法。

（3）實(shí)測數(shù)據(jù)分析

為方便分析，對(duì)管道一和管道二的保溫層表面溫度、環(huán)境溫度和風(fēng)速取平均值計(jì)算，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 公司電廠蒸汽管道測試數(shù)據(jù)

由表1可知，測試管道的環(huán)境溫度平均值為31.94℃，保溫層外表面平均溫度為38.239℃，風(fēng)速平均值為1.048 m/s。則表面溫升為6.299℃。管內(nèi)介質(zhì)溫度318℃，查閱《熱力輸送系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測》（GB/T 15910-2009）表1（本文中表2），根據(jù)線性內(nèi)插，可得表面溫升指標(biāo)為18.592℃。

根據(jù)《熱力輸送系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測》（GB/T 15910-2009），熱力管網(wǎng)、設(shè)備表面溫升超耗能源量按如下公式計(jì)算（表面溫升指標(biāo)超指標(biāo)10℃，每平方米每小時(shí)超耗能源量按0.037 kg標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算）：

式（1）中：

BH——超耗能源量，單位kgce；

tbs——測試表面溫升，單位℃；

tbz——表面溫升指標(biāo)，單位℃；

S—— 散熱表面積，單位m2；

T——常年運(yùn)行時(shí)間，單位h/a。常年運(yùn)行蒸汽管網(wǎng)、設(shè)備一般取8 000 h/a。

計(jì)算得出管道一

BH1=-17 227.11 kgce/a

管道二環(huán)境溫度平均值為30.516℃，保溫層外表面平均溫度為36.049℃，風(fēng)速平均值為1.016 m/s。則表面溫升為5.533℃。

管內(nèi)介質(zhì)溫度290℃，查閱《熱力輸送系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測》（GB/T 15910-2009）表1（本文中表2），根據(jù)線性內(nèi)插，可得表面溫升指標(biāo)為17.36℃。

計(jì)算得出管道二

BH2=-16 574.07 kgce/a

通過加權(quán)平均，可得該公司使用納米阻燃隔熱材料及復(fù)合式保溫技術(shù)后，管道單位面積節(jié)能量為：

[1 7 2 2 7.1 1 k g c e/a÷（π×0.685m×22m）+16574.07kgce/a÷（π×0.685m×22m）]÷2=356.97kgce/（m2·a）

通過對(duì)該公司電廠保溫管道改造升級(jí)后的實(shí)測和分析，可以看出管道外表面溫度相比于環(huán)境溫度高出6℃，表明納米阻燃隔熱材料及復(fù)合式保溫技術(shù)具有優(yōu)異的保溫性能，而計(jì)算得出納米阻燃隔熱材料單位面積年節(jié)能量達(dá)到357 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，更是凸顯了其在管道保溫和節(jié)能減排方面的價(jià)值。

表2 常年運(yùn)行的熱力輸送系統(tǒng)的保溫結(jié)構(gòu)表面溫升的最大允許值

4 效益分析

環(huán)境效益：隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，霧霾問題變得更加嚴(yán)重，不僅霧霾天氣出現(xiàn)的頻率越來越高，而且在嚴(yán)重程度上也比以前有所加大，這給熱電企業(yè)的節(jié)能減排工作帶來巨大壓力。目前，使用納米阻燃隔熱材料及配套復(fù)合式保溫技術(shù)的蒸汽管道約為1 000 km，預(yù)計(jì)至2020年，推廣使用后，能達(dá)20 000 km，約為4 400萬m2。能形成的年節(jié)能量可達(dá)1 570.69萬tce，CO2減排量達(dá)3 926.73萬t，將大幅度降低燃料消耗和抑制大氣污染，形成明顯的環(huán)境改善效應(yīng)。

經(jīng)濟(jì)效益：按500元/tce計(jì)算，現(xiàn)今，每平方米管道每年可節(jié)約資金178.49元；又每平米管道投資額為40元。與基準(zhǔn)情景相比的靜態(tài)投資回收期2.0個(gè)月。結(jié)果表明，納米阻燃隔熱材料節(jié)能技術(shù)的使用推廣不僅不會(huì)對(duì)企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，還能在短時(shí)間內(nèi)形成投資回報(bào)，這對(duì)于熱電企業(yè)控制成本，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益具有積極的意義。

5 結(jié)論

通過對(duì)復(fù)合式保溫技術(shù)進(jìn)行理論分析和實(shí)例實(shí)測分析，可以得出單位面積每年節(jié)約標(biāo)煤357 kg，其具有以下優(yōu)勢：

（1）采用納米阻燃節(jié)能及其配套復(fù)合式保溫技術(shù)可有效降低熱損，提升管網(wǎng)輸熱能力和效率，有助于節(jié)能減排大環(huán)境下的小鍋爐整治和集中供熱（長距離輸送）工程的順利實(shí)施。

（2）經(jīng)濟(jì)效益可觀，可有效降低綜合投資以及維護(hù)費(fèi)用；投資回收期短，與基準(zhǔn)情景相比的靜態(tài)投資回收期為2個(gè)月，后續(xù)收益更加可觀。

（3）社會(huì)效益方面，可有效節(jié)約煤炭使用，降低CO2排放，改善大氣環(huán)境質(zhì)量。

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[5] 蘇州市君悅新材料科技有限公司.一種納米阻燃隔熱材料[P].中國專利：CN 102587510 B 2012.02.14

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[8] 蘇州市君悅新材料科技有限公司.一種納米阻燃隔熱材料[P].中國專利：CN 102587510 B 2012.02.14

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[10] GB/T 15910-2009, 熱力輸送系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測[S].

寶山區(qū)大力推進(jìn)先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展

近年來，寶山區(qū)堅(jiān)持積極對(duì)接“中國制造2025”和上海科創(chuàng)中心建設(shè)，淘汰與城市發(fā)展不相容的行業(yè)和企業(yè)?！笆濉捌陂g，寶山區(qū)26家重點(diǎn)用能企業(yè)陸續(xù)關(guān)停調(diào)整，減少能耗14萬t標(biāo)煤，提前完成市下達(dá)的節(jié)能降耗“十二五“指標(biāo)任務(wù)；近40家?；髽I(yè)關(guān)停調(diào)整，減少危險(xiǎn)因子30多萬t，完成工業(yè)園區(qū)外危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)的調(diào)整。同時(shí)積極推進(jìn)低效劣勢企業(yè)調(diào)整，推動(dòng)優(yōu)勢企業(yè)向工業(yè)園區(qū)轉(zhuǎn)移集中，累計(jì)調(diào)整企業(yè)700多家，調(diào)整盤活土地13000多畝，為產(chǎn)業(yè)騰出發(fā)展空間，集聚發(fā)展一批先進(jìn)制造業(yè)企業(yè)。在智能制造領(lǐng)域，打造機(jī)器人產(chǎn)業(yè)集群；在高端材料領(lǐng)域，大力發(fā)展以石墨烯、超導(dǎo)材料、新型金屬材料等為核心的新材料產(chǎn)業(yè)；在衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域，初步形成了上海北斗衛(wèi)星導(dǎo)航平臺(tái)和三個(gè)產(chǎn)業(yè)基地的發(fā)展格局；在生物醫(yī)藥和精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域集聚了一批優(yōu)秀企業(yè)，為下一步產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。并加強(qiáng)與大型國企合作，充分挖掘大型國有企業(yè)現(xiàn)有資源，促進(jìn)全區(qū)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。對(duì)接國家“互聯(lián)網(wǎng)＋”行動(dòng)計(jì)劃，明確寶山區(qū)產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重點(diǎn)方向、實(shí)施路徑及發(fā)展目標(biāo)等，全力推動(dòng)區(qū)域傳統(tǒng)企業(yè)由“制造”向“互聯(lián)網(wǎng) 制造”轉(zhuǎn)型。

（寶山區(qū)）

黃浦區(qū)節(jié)能減排考核連續(xù)五年評(píng)為“優(yōu)秀”

在近期市對(duì)區(qū)考核節(jié)能減排工作中，黃浦區(qū)又一次獲得“優(yōu)秀”等級(jí)，這是黃浦區(qū)第五次獲得“優(yōu)秀”等級(jí)。經(jīng)考核，該區(qū)近年來節(jié)能減排工作取得四大成效：（1）低碳示范試點(diǎn)大量涌現(xiàn)；（2）建筑節(jié)能成效顯著；（3）能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)全市領(lǐng)先；（4）國際合作廣泛開展。經(jīng)全區(qū)努力，2016年黃浦區(qū)能耗強(qiáng)度和碳排放強(qiáng)度同比下降3.87%，能耗總量同比上升1.67%，超額完成年度節(jié)能降碳目標(biāo)，超進(jìn)度完成“十三五”節(jié)能降碳目標(biāo)。

（區(qū)發(fā)改委）