新型保溫材料氣凝膠在蒸汽管道保溫中的應(yīng)用

朱道強(qiáng)，殷特，林嬋

（1.合肥熱電集團(tuán)有限公司，合肥 230022；2.中國市政工程華北設(shè)計(jì)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(yè)園蒸汽管道工程中，設(shè)計(jì)的工作管管徑為478 mm。輸送蒸汽壓力參數(shù)設(shè)計(jì)值為2.5 MPa，溫度參數(shù)設(shè)計(jì)為350 ℃。該工作管的類型為無縫鋼管，選用20#鋼。傳統(tǒng)的保溫結(jié)構(gòu)多以耐高溫超細(xì)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(shè)計(jì)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(dá)到長輸管網(wǎng)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(jīng)空氣分散之后形成一種非晶固態(tài)材料，其中，空氣含量可達(dá)到98%。這是一種材質(zhì)輕盈且多空的納米材料，以三維結(jié)構(gòu)為主，同時(shí)具有光學(xué)、熱學(xué)及電學(xué)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(jì)30 年代的美國，實(shí)驗(yàn)者通過水解水玻璃的方法提煉出了SiO2氣凝膠。但是，這時(shí)期提煉出的氣凝膠含有較多的雜質(zhì)且制備工藝復(fù)雜，因而發(fā)展得并不好。然而，溶膠- 凝膠研究的深入化和干燥技術(shù)的日趨完善給了氣凝膠新的發(fā)展契機(jī)，到20 世紀(jì)80 年代以后，氣凝膠的發(fā)展進(jìn)入了新階段。這一時(shí)期的氣凝膠有如下特征：由于固體微粒變得更為細(xì)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(qiáng)度，為氣凝膠在工程建筑中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[2]。

3 氣凝膠復(fù)合保溫材料特點(diǎn)分析

從保溫效果來看，蒸汽管道傳統(tǒng)的保溫材料有缺陷，因而眾多學(xué)者均致力于尋找新型保溫材料，多次實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)氣凝膠的保溫性能更好，表現(xiàn)如下：

3.1 導(dǎo)熱系數(shù)上漲速度緩慢

查閱相關(guān)研究資料可知：常溫環(huán)境下氣凝膠復(fù)合保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)到0.018 W/（m·K），300 ℃的高溫環(huán)境下，氣凝膠復(fù)合保溫材料1 h 內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)為0.030 W/（m·K）。

由此不難發(fā)現(xiàn)，即使是在高溫環(huán)境中氣凝膠復(fù)合保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)上升比較慢。本文所提及的導(dǎo)熱系數(shù)指的是物質(zhì)媒介在溫度傳遞的過程中會(huì)不斷消耗熱能以降低熱源的溫度。從這一點(diǎn)來看，導(dǎo)熱系數(shù)低就意味著熱源溫度流失速度慢。

這也說明，物質(zhì)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(fù)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(shí)長，并與后續(xù)蒸汽溫度相配合以達(dá)到室內(nèi)供暖的目的。

3.2 耐用性良好

蒸汽管道最明顯的特征是規(guī)模大，所以，在整個(gè)結(jié)構(gòu)中有一部分會(huì)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?yàn)榧竟?jié)氣候、環(huán)境、溫度、濕度的變化而磨損。蒸汽管道使用傳統(tǒng)保溫材料，外露部分容易出現(xiàn)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(fù)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(fā)生的概率也很低，且受到外部襲擊時(shí)修復(fù)能力較強(qiáng)，若發(fā)生霉變，修復(fù)后也不會(huì)影響材料本身的保溫效果。

3.3 環(huán)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(fù)合保溫材料，用量僅為傳統(tǒng)用量的35%，這說明氣凝膠復(fù)合保溫材料用量少、能耗低、環(huán)保性較為突出。通常情況下，蒸汽管道傳統(tǒng)保溫材料化學(xué)物質(zhì)較多且容易揮發(fā)。這些散發(fā)到空氣中的微小顆粒對人體是有害的。氣凝膠復(fù)合保溫材料則不存在上述問題，即使是廢棄的氣凝膠復(fù)合保溫材料也可以二次加工循環(huán)利用，環(huán)保性能良好。

3.4 氣凝膠保溫材料的保溫節(jié)能試驗(yàn)

為了盡可能提升蒸汽管道的保溫效果，現(xiàn)選用納米氣凝膠保溫材料進(jìn)行保溫實(shí)驗(yàn)。某蒸汽管道長度為400 m，現(xiàn)選取其中一段作為試驗(yàn)段。試驗(yàn)段蒸汽管道運(yùn)行壓力為2.3 MPa，溫度為280 ℃。參照GB 50264—2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，根據(jù)保溫結(jié)構(gòu)外表面溫度來計(jì)算管道復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)[3]。

本試驗(yàn)段管徑有φ426 mm 和φ325 mm 2 種規(guī)格，分別使用氣凝膠和傳統(tǒng)硅酸鋁2 種保溫結(jié)構(gòu)，測試現(xiàn)場在布置時(shí)采用新舊保溫管道上下并列的方式。其保溫性能分析結(jié)果詳見表1。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對同種規(guī)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(shù)值為2～5 ℃/km。

表1 各試驗(yàn)管道保溫性能分析結(jié)果

如圖1 所示，按照分段畫出各試驗(yàn)段年平均散熱損失，由此可知，比較試驗(yàn)段氣凝膠保溫結(jié)構(gòu)的蒸汽管道的表面溫度和常規(guī)保溫結(jié)構(gòu)的表面溫度，發(fā)現(xiàn)前者比后者溫度低，且年平均散熱損失也較低。根據(jù)實(shí)際測量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)前者比后者節(jié)能約40%。

圖1 各試驗(yàn)管道年平均散熱損失

按照試驗(yàn)測試所得出的年平均散熱系數(shù)計(jì)算，φ426 mm管道在蒸汽流量為50 t/h，壓力為2.3 MPa，起點(diǎn)溫度為280 ℃的情況下，理論計(jì)算溫降為4 ℃/km，比常規(guī)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(diǎn)溫度為280 ℃的情況下，理論計(jì)算溫降為5 ℃/km，比常規(guī)材料9 ℃/km 減少溫降4 ℃/km。

從上述數(shù)據(jù)可知，蒸汽長距離輸送時(shí)，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(wǎng)供熱范圍大。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)查蒸汽焓值表可知，試驗(yàn)段實(shí)際運(yùn)行工況：壓力值2.3 MPa，溫度值280 ℃對應(yīng)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(jià)210 元/t 計(jì)算，可知試驗(yàn)段實(shí)際可有效利用的熱量為73 元/GJ?，F(xiàn)按照管線每年運(yùn)行7 500 h 來計(jì)算其經(jīng)濟(jì)效益。

4.1 減少散熱損失的經(jīng)濟(jì)效益

目前，熱網(wǎng)保溫結(jié)構(gòu)材料單價(jià)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(jīng)濟(jì)效益分析見表2。

表2 氣凝膠保溫經(jīng)濟(jì)性分析

4.2 提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益

經(jīng)過保溫改造之后的管線，提高了終端蒸汽熱值的同時(shí)也提升了用戶的生產(chǎn)效率。簡言之，改造之后提升了用戶端的產(chǎn)能，也提高了經(jīng)濟(jì)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(fā)電的效率。蒸汽在管道中運(yùn)行時(shí)，沿程的溫度損失較小、溫降低，企業(yè)出口的溫度可調(diào)低些，這樣一來縮減了熱力單位的運(yùn)行成本，提升了生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 減少排放的經(jīng)濟(jì)效益

熱電鍋爐污染物排放數(shù)據(jù)顯示：管道總長度為420 m，改造時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)可知，減排的費(fèi)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(xiàn)的概率，因而社會(huì)效益也相對良好。

5 結(jié)語

使用氣凝膠復(fù)合絕熱氈改造傳統(tǒng)蒸汽管道的保溫結(jié)構(gòu)，保溫效果更好，材料的耐久性能得到了提升，同時(shí)綠色環(huán)保。本文探討分析了新型保溫材料氣凝膠在蒸汽管道的應(yīng)用情況，旨在為類似的工程提供參考。