新型保溫材料熱盾毯的應用

李翔

（中國石化巴陵分公司，湖南岳陽 414014）

熱盾毯作為氣凝膠復合材料，具有獨特的三維納米顆粒骨架（顆粒尺寸2～5 nm）和納米級孔隙結構（20 nm），比表面積大（1 000 m2/g），密度較低，因其特殊的微觀結構，在熱學方面具有獨特性質[1]，能夠有效的隔斷熱傳導和熱對流，是一種理想的保溫材料。

巴陵分公司12萬t/a苯乙烯裝置高溫800-P-30401管道，保溫材料采用常規(guī)的硅酸鋁針刺毯，導熱系數(shù)大，散熱量較大，外表面溫度較高，造成了大量熱量損失。因此，2017年采用新型材料熱盾毯對該管道進行了保溫改造，改造后節(jié)能效果顯著。

1 熱盾毯保溫原理和性能

1.1 熱盾毯保溫原理

在納米熱陶瓷材料中，98%以上的納米結構是孔隙尺寸為20～40 nm左右的“真空”結構?？諝夥肿訄F在空間中的自由行程約為70 nm，無法穿過熱陶瓷材料中的“真空”結構，因此該材料熱量傳遞損失較小[2]。

1.2 熱盾毯性能

1）熱盾毯獨特的納米級結構能夠有效阻止熱量傳遞。200℃時，熱盾毯導熱系數(shù)≤0.015 W/m·K，小于靜止空氣，600℃時的導熱系數(shù)≤0.055 W/m·K，傳熱性能僅為傳統(tǒng)保溫材料的1/5～1/3，是目前工業(yè)實現(xiàn)的導熱系數(shù)最低的絕熱材料之一，可大幅度減小保溫體厚度，減少散熱面積，降低熱損失。

2）優(yōu)異的整體防水性能。熱盾毯憎水率≥98%，質量吸濕率≤4%，不會受潮，更不會吸水腐蝕管道，可確保隔熱性能長期有效。

3）良好的機械性能。熱盾毯中Al2O3質量分數(shù)大于25%，密度（220±20）kg/m3，質輕、柔韌，有良好的抗壓及抗拉強度；長期使用不沉降、不變形，避免了傳統(tǒng)保溫材料長期受高溫或振動影響而產(chǎn)生形變堆積，保溫性能下降的問題。

4）易于現(xiàn)場加工、施工便捷。利用普通裁剪工具即可加工成適合復雜部件所需的形狀，輕巧方便，安裝簡易。

5）使用壽命長。在正常使用條件下，持續(xù)使用時間不低于10年。

2 苯乙烯裝置管道保溫改造方案

苯乙烯裝置800-P-30401管道內(nèi)介質是乙苯和蒸汽的混合氣體，進口溫度481℃，進口壓力-0.02 MPa，總長59.3 m，外徑813 mm。

2017年苯乙烯裝置大修期間，利用熱盾毯對管道實施了節(jié)能優(yōu)化改造。苯乙烯裝置停車后，經(jīng)過一段時間自然冷卻，使管道溫度降至常溫，拆除原有硅酸鋁針刺毯保溫層，安裝熱盾毯。熱盾毯厚度為10 mm，包7層，保溫層厚度總計70 mm。每包完一層，使用鋼絲綁扎；第三層纏繞纖維鋁箔，并用發(fā)藍鋼帶緊固；第七層纏繞玻璃絲布，并用不銹鋼帶緊固。外保護層使用原保溫的鋁皮；最后填塞密封材料，使用防水材料封堵。

3 熱盾毯的應用效果及經(jīng)濟分析

3.1 散熱面積

管道保溫層表面積（S）根據(jù)下式計算：

式中：φ為管道保溫前的直徑；D為管道保溫后的周長；L為管道長度；δ為保溫厚度。

常規(guī)保溫下，硅酸鋁針刺毯的厚度為210 mm，800-P-30401管道保溫層表面積（S1）為229.59 m2。

同理計算得到800-P-30401管道熱盾毯保溫層表面積（S2）為177.45 m2，小于硅酸鋁針刺毯保溫層表面積S1，比常規(guī)的硅酸鋁針刺毯保溫減少表面積22.7%。

將對比范圍擴大到所有口徑的管道，假定常規(guī)保溫層的δ均為210 mm，由式（2）可計算出熱盾毯和常規(guī)保溫材料用于不同口徑管道保溫層的表面積之比，結果見圖1。

由圖1可以看出，管道口徑較小時，使用熱盾毯對比常規(guī)保溫材料，可以縮減更大比例的保溫層表面積。

3.2 熱流密度

根據(jù)GB/T 17357—2008《設備及管道絕熱層表面熱損失現(xiàn)場測定熱流計法和表面溫度法》規(guī)定，絕熱層表面熱流密度（q）可用式（3）、式（4）進行計算：

圖1 熱盾毯和常規(guī)保溫材料用于不同口徑管道保溫層表面積之比

式中：α為管道表面換熱系數(shù)；TW為表面溫度；TF為環(huán)境溫度；ω為環(huán)境風速。

以DN800管道為例，采用Testo905-T2儀分別對其兩端進行測溫，其中管道上游測量換熱器E-6301出口附近，管道下游測量反應器R-6301進口附近。每一端選取了2個管道截面，每個管道截面測量上、中、下3個點。通過測量可得，當采用硅酸鋁針刺毯保溫時，保溫層的平均表面溫度為46℃（在TF20℃，ω0.2 m/s下測定），其熱流密度（q1）為383.8 W/m2。

同理，測得以熱盾毯為管道保溫層的平均表面溫度為36.7℃，見表1。

表1 熱盾毯保溫層管道表面溫度

經(jīng)計算可得，采用熱盾毯改造后的管道保溫層熱流密度（q2）為215.5 W/m2。

對比q1、q2結果可知，在環(huán)境條件（風速、氣溫和天氣等）基本相同的前提下，使用熱盾毯比常規(guī)的硅酸鋁針刺毯q減少43.9%。

3.3 年散熱總量

年散熱總量（Q）可用式（5）計算：

式中：S為散熱面積；t為時間。

經(jīng)計算可得，硅酸鋁針刺毯保溫層管道的年散熱總量（Q1）為2 537.8 GJ，熱盾毯保溫層管道的年散熱總量（Q2）為1 101.3 GJ，使用熱盾毯保溫比常規(guī)的硅酸鋁針刺毯熱量損失減少56.6%，年可節(jié)約能量1 436.5 GJ。

3.4 經(jīng)濟性分析

不同保溫材料的管道保溫效果見表2。由表2可知，800-P-30401管道保溫材料由硅酸鋁針刺毯更換為熱盾毯后，S減少了22.7%，q減少了43.9%，Q減少了56.6%，年節(jié)能量為1 436.5 GJ。

表2 不同保溫材料的管道保溫效果

800-P-30401管道更換熱盾毯后的年節(jié)能量，按照干氣熱值37.375 MJ/kg計算，可折合干氣38.4 t。干氣按照價格1 696元/t（不含稅）計算，年節(jié)能量折合價值6.51萬元。

59.3 m長的800-P-30401管道實際使用了14.23 m3熱盾毯材料，總價25.53萬元（不含稅），投資回收期約3.9年。

4 結論

熱盾毯是一種性能優(yōu)越的新型保溫材料，可以大幅降低管道的熱量損失，有利于節(jié)能降耗，經(jīng)濟效益和社會效益顯著，具有較好的推廣應用價值。另外，管道散熱量降低后，蒸汽過熱爐等供熱單元的工作負荷降低，有利于裝置長周期平穩(wěn)運行。